Valunkäytön seminaari Laine JI

Koko: px

Aloita esitys sivulta:

Download "Valunkäytön seminaari Laine JI"

Taisto Alanen
5 vuotta sitten
Katselukertoja:

1 Valunkäytön seminaari Laine JI

2 Jarkko Laine Chief Engine Expert, Castings Wärtsilä Engines R&D/DAE/Component Expertise MSc 1999 Tampere University of Technology, Materials Science Research Engineer, Foundry Institute, TUT Senior Foundry Expert, Manufacturing Technology Services/ME Finland Senior Engine Expert, Power systems Chief Engine Expert, Castings, Engines R&D, Marine Solutions Wärtsilä MagmaSoftin käyttäjä vuodesta 2009

WÄRTSILÄ OYJ Moottoritehtaat: Vaasa Trieste 17,700 70 200

3 WÄRTSILÄ OYJ Moottoritehtaat: Vaasa Trieste 17, Ammatilaista Maata Toimipistettä Installed power > MW 3 Jarkko Laine

4 Marine solutions 4 Jarkko Laine

5 WÄRTSILÄ in FINLAND Marine Solutions Energy Solutions Services R&D VAASA Engine manufacturing R&D Testing Support functions Vaasa Turku 350 Helsinki Jarkko Laine

6 Wärtsilä 31 Hyötysuhde >50% Fuel efficiency of 165 g/kwh 6 Wärtsilä Suomessa

7 W31 engine 8-20 cylinders Weight 56,7 tons Size (L*W*H) 6,2*3,1*4,7 m (only engine) 7 Jarkko Laine

8 Comparison Family car ; VW 2.0 TDI W6L20; Marine aux W6L32, Marine W10V31 W20V46F Power plant Bore / Stroke (mm) 81 / / / / / 580 Cylinder volume (litres/cyl) Cyl output max (kw / RPM) 25.5 / / / / / 600 Engine output (kw) Typical operating point Load (kw) / RPM ~20 / (90km/h) (200) 1020 / / / / 600 Max boost pressure (bar) ~ ~8 3.9 Max cylinder pressure (bar) Fuel consumption at typical load (kg/h) Life time (h) ~6000 ( km) Piston >60000 Inj pump/nozzle 24000/6000 Crank shaft >20years = =* =

Castings Valut vaihtelevat 15 grammasta 88 000 kiloon.

Suomugrafiittivalurauta GJL (~20%) (valu)alumiinit (~3%) (valu)teräkset

9 Castings Valut vaihtelevat 15 grammasta kiloon. Valumateriaalit: Pallografiittivalurauta GJS (~75%) Suomugrafiittivalurauta GJL (~20%) (valu)alumiinit (~3%) (valu)teräkset (~1%) Valumenetelmät: Käsin kaavaus Konekaavus Tarkkuusvalut Kokillivalut(kokilli-, matalapaine- ja painevalut)

10 CASE 1: W31:n lohkon kehitys

Suunnittelun lähtökohdat: Niin edullinen kuin mahdollista Niin tarkka kuin mahdollista Toimittajan valinta Valimo Metso Jyväskylä (nyk. Valmet, ent.

11 Suunnittelun lähtökohdat: Niin edullinen kuin mahdollista Niin tarkka kuin mahdollista Toimittajan valinta Valimo Metso Jyväskylä (nyk. Valmet, ent. Valmet) valittiin kehityspartneriksi + pitkä kokemus W32-34 kokoluokan lohkoista + ei toimitattanut komponetteja muille moottorin valmistajille + lähellä, sama kieli Malliveistämö Zimmermann Saksa +Pitkä kokemus lohkomallien tekemisestä +CNC-kapasiteetti

12 Perinteinen menetelmä valimo omistaa menetelmän 1. toimittaja Valmiista desingista koneistettuun protoon 8-10 kuukautta. Valmistettavuus arvio (+korjaukset) ja valumenetelmän suunnittelu (lisätään kappalehintaan) Sarjatuotantoon kk? Komponentin suunnittelu (Wärtsilä) Valmistettavuus arvio (Valimo) Valumetelmä suunnittelu Mallin valimistus Proto valu Proton koneistus ja laatutarkastu 1. toimittaja korjaus Ei tarvetta jos Mallin ja menetelmän korjaus Design ok Simultaanisuunnittelu, jossa valimo myy menetelmän Tuotteen suunnittelu valimon kanssa Valumenetelmä suunnittelu Mallin valmistus Prototyyppivalu Proton koneistus Valmiista desingista koneistettuun protoon 7-9 kuukautta. valumenetelmän suunnittelu maksetaan erikseen!! Sarjatuotantoon 8-10 kk? Ei tarvetta jos Mallin ja menetelmän korjaus Design ok Sarjatuotanto Sarjatuotanto

13 2. toimittaja Perinteinen menetelmä valimo omistaa menetelmän Komponentin suunnittelu (Wärtsilä) Valmistettavuus arvio (Valimo) Valumetelmä suunnittelu Mallin valimistus Proto valu Proton koneistus ja laatutarkastu Sarjatuotanto Mallin ja menetelmän korjaus Simultaanisuunnittelu, jossa valimo myy menetelmän Mallien ja menetelmän toimitus Menetelmän tarkistus Mallin teko (edellisen pohjalta) protovalu Proton koneistus ja laatutarkastus Sarjatuotanto Suunnittelu, emokeernat valmiina Ostajalle + nopeus, etenkin toisen toimittajan kanssa + olemattomat erot eri valimoiden toimittamien lohkojen välillä + kokonaiskustannukset Valimolle +helpompi hinnoittaa, suunnittelukustannuksia ei tarvitse piilottaa kappaleisiin +suurempi mahdollisuus vaikuttaa valettavuuteen.

Ensimmäisen kokouksen jälkeen sovittiin Sylinterikonfiguraatiot V8, V10, V12, V14, V16, V20 ja ensimmäinen lohko olisi V10 Mallit tehdään CNC-koneistamalla Tarkempi malli Keernojen asettelu

14 Ensimmäisen kokouksen jälkeen sovittiin Sylinterikonfiguraatiot V8, V10, V12, V14, V16, V20 ja ensimmäinen lohko olisi V10 Mallit tehdään CNC-koneistamalla Tarkempi malli Keernojen asettelu helpompaa, vähemmän mitattavaa asennuksessa (-60% asennustyöhön, jopa enemmän mikäli volyymit mahdollistavat automatisoidun keernotuksen) Pienemmät purseet keernojen välissä; helpompi puhdistaa, helpompi automatisoida (-30% puhdistustyöhön) Valuasento ylösalaisin Helpompi keernojen asettelu Kriittiset alueet muotin alapuolella Ylämuotti yksinkertainen Pääkeernat suuria siivuja, jotka tekevät lohkon sisä- ja ulkomuodot Tarkempi, ei keernojen siirtymiä... Ei tarvetta keernapalleille (ei vuotoriskiä) Valukutistuma

15 Data käytännöt Sovittiin selkeät pelisäännöt datan siirtoon. Siirtoon käytettiin Wärtsilän ftpserveriä Tärkeää oli että kokoajan tiedettiin kenellä on master 3D. Keernojen nimeäminen

16 Keernat

17 CASE: Runkolaakerin satula Kriittinen komponentti, perinteisesti jäännösjännityshehkutus on tehty. Componenta kysyi, josko jännityshekutuksen voisi korvata pitkällä muottijäähdytyksellä? Jarkko Laine

18 Jäännösjännitys hehkutus Tarkoituksena on poistaa jännityksiä, jotka syntyvät valun jäähtymisen aikana. Nämä jännitykset voivat aiheuttaa ongelmia koneistuksen aikana tai vaurioita käytön aikana. Wärtsilällä on kokemuksia MBC:stä,joka on muuttanut mittojaan koneistuksen jälkeen varastoitaessa. Tyypillinen hehkutuslämpötila on ºC Uuniaika noin vuorokausi > jos jätetään pois, niin mahdollisuus äästöihin. Stress development during residual stress annealing

19 Alustavat simulaatiot Tehtiin muutamia simulaatiota, jotta saatiin hiukkasen esitietoa. Näiden mukaan pitkä muottijäähdytys antoi varsin kohtuullisia jäännösjännitys arvoja Kuvissa on esimerkkiarvoja, joita käytettiin simuloinneissa.

Termoparit laitettiin muotin jakotasolle lähelle valun pintaa.

20 MBC jäähtymiskäyrän mittaus Jäähtymiskäyrät mitattiin muotista, jotta saataisiin tietää hiekan ominaisuudet paremmin. Termoparit laitettiin muotin jakotasolle lähelle valun pintaa. Muotti avattiin 24 tunnin kuluttua kaadosta Kappaleen pinnan läheltä mitattiin tällöin 290 C.

21 Jäännösjännitysmittaukset Valu puhdistettiin sinkoamalla ja toimitettiin Stresstechille

22 Tulokset Vaatimukset: Simulaatio- ja mittatulosten pitäisi vastata toisiaan Varastoinnin jäljiltä ei pitäisi olla mittamuutoksia. Sinkopuhdistuksen vaikutus jännityksiin on hyvin näkyvissä mittaustuloksissa, ilman sitä simulointitulokset vastaavat kohtuu hyvin mittatuloksia. Mittamuutoksia ei ollut havaittavissa koneistetussa kappaleessa kuukauden säilytyksen jälkeen.

23 CASE: Sylinterikannen vuoto Vuotoa koneistuksen jälkeen satunnaisesti vesitilan ja koneistetun kanavan välillä. Juurisyyanalyysi sisältäen seuraavat: Valunsimulointi (optimointi) Tilastollinen analyysi (minitab) Jarkko Laine

24 C:n ja Si:n optimiointi C Si Mn P S Cr Cu Mg Ni Mo Sn Mean 3,46 1,85 0,063 Min 3,40 1,76 0,052 Max 3,55 1,95 0,077 tensile strength 0,2 Elongation hardness 1150 sylinterikanttaotettiin analyysiin (kemiallinen koostumus, lujuusarvot) Fig 8 onastm Handbook of Castings, ja se näyttää tyypilliset C ja Si arvot pallografiittivaluraudoille. On em. Aineiston keskimääräinen koostumus viivat osoittavat minimi ja maksimi rajat -> ollaan kaukana optimiarvoista Tässä komponentissä optimialue ei välttämättä ole paras, eli tein optimointia Magmalla [Presentation name / Author]

Perus koostumus otettiin sertien keskiarvosta Rajat hiilelle

25 C:n ja Si:n optimointi Magmalla Optimointi tehtiin käyttäen Magman optimointi työkaluja. Perus koostumus otettiin sertien keskiarvosta Rajat hiilelle ja piille otettin elellä olleesta ASTM Handbookin kuvasta [Presentation name / Author]

26 C:n ja Si:n optimointi Magmalla Lasketut koostumukset ja niiden paremmuus [Presentation name / Author]

27 Binary logistic regression analysis P Factorial plots show trends for leakage response. 27

28 Binary logistic regression analysis Deviance table Vain kovuus, myötölujuus ja Sn (tina) ovat tilastollisesti merkittäviä 95% luotettavuudella. 28

29 Binary logistic regression analysis Optimization Optimization results. Results valid only for statistically significant variables: yield strenght, hardness and Sn. Given that the Sn affects on both of these mechanical values, Sn content should be minimized to lower the probablity of leakage. 29

30 Testivalujen tulokset Ei vuotavia kansia uusissa erissä C ja Si ovat paremmalla alueella C 3,58-3,7% Si 2,05-2,25% C Si Mn P S Cr Cu Mg Ni Mo Sn tensil estre ngth 0,2 Elongation hardness Mean 3,64 2,16 0,28 0,015 0,008 0,05 0,18 0,039 0,013 0,003 0, ,9 408, Min 3,58 2,06 0,26 0,013 0,007 0,04 0,16 0,036 0,012 0,002 0,06 719,8 398,8 4,1 194 Max 3,70 2,27 0,3 0,017 0,009 0,05 0,21 0,04 0,015 0,006 0, ,9 420,5 6, [Presentation name / Author]

Yhteenveto Piin ja hiilen pitoisuus on ollut liian matalla tasolla, mutta on korjaatunut. Tasot ovat hiukkasen korkeammat kuin simuloinnin ehdotukset.

31 Yhteenveto Piin ja hiilen pitoisuus on ollut liian matalla tasolla, mutta on korjaatunut. Tasot ovat hiukkasen korkeammat kuin simuloinnin ehdotukset. Tinan keskiarvopitoisuuus on sama, mutta hajonta on pienenmpää. Sn composition old analysis new batch Mean 0,063 0,065 Min 0,052 0,060 Max 0,077 0, [Presentation name / Author]

32 /2015 Wärtsilä Suomessa

Samankaltaiset tiedostot

Suurten valukappaleiden 3Dvalmistus ja valumallien skannaus

Suurten valukappaleiden 3Dvalmistus ja valumallien skannaus Valunkäytön seminaari 2019 1 Wärtsilä INTERNAL 26.3.2019 [Presentation name / Author] JARKKO LAINE Chief Engine Expert, Castings Material & Tribology