21. Valukanaviston laskeminen

Transkriptio

1 1. Valukanaviston laskeminen Pekka Niemi Tampereen ammattiopisto 1.1 Valukanaviston laskeminen valuraudalle Periaatteet: 1. lasketaan valukappaleiden yhteispaino. määritetään valukanavistojen sijainti 3. pienimmän ainepaksuuden mukaan luetaan valuaika tai esim. painon mukaan valuajan määrittäminen perustuu käytännön kokemuksesta saatuun tietoon liian pitkä valuaika aiheuttaa muun muassa kylmäjuoksuja, eroosio- ja kuoriutumisvirheitä esim. automaattikaavaus rajoittaa valuajan (esim. muutamasta sekunnista 0-30 sekuntiin, riippuen kehäkoosta) Esimerkki automaatikaavauksessa käytettävästä valuajan laskennasta: t 3,4 G 0,4, missä t valuaika G kappaleen massa Tällöin 100 kg kappaleelle saadaan valuajaksi: t 3,4 G 0,4 3,4 0,4 ( 100) Pekka Niemi Valukanaviston laskeminen - 1

2 4. selvitetään sulan kaatokorkeus (H) a) b) h n h 0 h 0 h 1 h n c) h 0 h 1 h n Katkoviivalla kuvataan valusenkan sulan kaatokorkeutta Kuva1. valun kaatokorkeuden vaikutus virtausnopeuteen H-mittojen laskenta Punainen laatikko on kaatosenkka Harmaa laatikko on valukappale Vihreä viivoitus on kanavisto Päältävalu h 0 0 ltavalu h 0 h Sisäänmenot jakopinnalla kappaleen puolivälissä Lisäksi huomioitava h n 5. kanavan korkeus ja valukanavan yläpuolella olevan valukappaleen korkeus, joiden tietojen avulla selvitetään virtausnopeus ja häviöt 6. kanaviston virtaushäviökerroin voidaan riittävällä tarkkuudella rautavaluissa määrittää taulukoista, jotka löytyvät esimerkiksi Valimotekniikka -kirjasta tai Valu tlaksen taulukoista Pekka Niemi Valukanaviston laskeminen -

3 7. määritellään kanavistojen osahäviöt ja virtaushäviökerroin Taulukko 6. Esimerkki valurautavalun virtaushäviökertoimista kaatoaltaan ja kanavistotyypistä riippuen Häviökerroin (α) Kanaviston tyyppi ilman kaatoallasta kaatoaltaalla 0,40 0,35 0,45 0,45 0,80 0,55 8. lasketaan valukanavien yhteispituus (seinämäpaksuuden perusteella), ja päätetään valukanavan paksuus 9. lasketaan valukanavien yhteispoikkipinta-ala 10. lasketaan yhteispikkipinta-alan perusteella sopivat kaatokanavan ja jakokanavan mitat 11. valitaan kaatokanavan läpimitan ja valukanavien määrän perusteella 1. mitataan jakokanavan pituus 13. tarkastetaan häviökerroin ja päätellään, ovatko valinnat onnistuneita 14. mikäli eivät ole, valitaan toinen valukanavisto ja tarkistetaan uudestaan Kaavoja täyttöjärjestelmän laskentaan Virtausnopeus (ν ): ( h h h ) h1 ν g * hn n n 1 h 0, missä ν on teoreettinen virtausnopeus (m/s) g on painovoimakiihtyvyys (9,81 m/s ) h n h 0 h 1 on sulan kokonaisputoamiskorkeus, (sulan painokorkeus) on valukappaleen korkeus on kanaviston pienimmän poikkileikkauksen yläpuolella oleva korkeus Pekka Niemi Valukanaviston laskeminen - 3

4 Kanaviston minimipoikkipinta-ala: min G γ * v * α * t, missä min on valukanaviston poikkileikkauksen pienin pinta-ala (mm ) G on valukappaleen paino valukkeineen (kg) γ on sulan tiheys (kg/m 3 ) ν α t on sulan virtausnopeus pienimmässä poikkileikkauksessa (m/s) on häviökerroin on valuaika (s) Kanaviston osien poikkipinta-alat: α 0,45 WCasting 100kg min ρ 700 kg Castingvteoreticalαt 3 *,9 m * 0,45* 3s m s Downsprue : Runner : Ingate 1: : 0,7 min 465mm R 1 * * 440mm 0,7 3 0,7 3 min 465mm R * * 880mm 0,7 0,7 min 465mm R3 * * 1300mm 0,7 1 0, mm Täyttösuhde Täyttöjärjestelmää suunnitellessa on päätettävä, miten, missä ajassa ja millä paineella muotti täytetään. Tällöin on päätettävä kanavistorakenteen täyttösuhteet. Täyttösuhteella tarkoitetaan kaatokanavan alapään, jakokanavan ja valukanavien poikkipintaalojen suhdetta (katso kuva 13) Pekka Niemi Valukanaviston laskeminen - 4

5 Taulukko 7. Suositeltavia täyttösuhteita Metalli Metallilaji Kaatokanava Jakokanava Valukanava Valuraudat suomugrafiittirauta 1,1 1,3 1,3 1,1 pallografiittirauta,0 0,7 1,5 1, Valuteräkset seostamattomat,0 1,5,0 niukkaseosteiset 1,5,0 4,0 runsasseosteiset 4,0 4,0 Kupariseokset tinapronssit,0,0 messingit,0,0 punametallit,0,0 alumiinipronssit 4,0 4,0 piipronssit 4,0 4,0 mangaanipronssit 4,0 4,0 lumiiniseokset kaksoisjakokanavalla 3,0 4,0 6,0 3,0 4,0 6,0 Kuva 13. Täyttöjärjestelmä Pekka Niemi Valukanaviston laskeminen - 5

6 Kaadon yhteydessä sulalle annettu liike-energia hallitaan kanavistossa muokkaamalla kanavistosta sopivasti kuristava. Oikea kuristus voidaan saada aikaiseksi monella mitoituksella. Yksi tapa on käyttää täyttösuhteita. Tällöin mitoitetaan kanaviston pienin poikkipinta-ala lasketulle valuajalle ja suhteutetaan kanaviston osat pienimmän poikkipinta-alan mukaan. Taulukko 8: painesuhteita kanavistossa Valumetalli Suomugrafiittivalurauta Täyttösuhde 1,1 : 1,3 : : 1,3 : 1,1 Valutyyppi paineellinen paineeton Pallografiittivalurauta :,0 : 0,7 paineellinen : 1,5 : 1, paineeton Täyttöjärjestelmä on paineellinen, kun valukanavien yhteenlaskettu poikkipinta-ala on pienempi kuin kaatokanavan.paineistetun systeemin etuna on hyvä kuonanerotus kanavistossa sekä haittana taipumus pyörteiseen virtaustyyppiin Täyttöjärjestelmä on paineeton, kun metallin virtaaminen kaikista valukanavista tasainen. Paineetonta täyttöjärjestelmää käytetään etenkin sellaisilla valumetalleilla, joilla on voimakas taipumus hapettumiseen Paineettoman täyttöjärjestelmän haittana on kanaviston huono kuonanerotuskyky, saannin huonontuminen sekä lisääntyneet puhdistuskustannukset Suuntais- ja pyörrevirtaukset Suuntaisvirtaus aineen hiukkaset liikkuvat yhdensuuntaisesti, jolloin kanavan seinämillä on liikkumaton kerros, ja metalli virtaa kanavan keskiosassa. Kuva 14. Suuntaisvirtaus Pekka Niemi Valukanaviston laskeminen - 6

7 Pyörteisvirtaus aineen hiukkaset liikkuvat epäsäännöllisesti heilahdellen seinämien ja keskustan välillä, jolloin kanavan pintakalvo uusiutuu lakkaamatta. Kuva 14 B. Pyörteisvirtaus Pyörteilevää virtausta edistävät: paineellinen täyttöjärjestelmä kanavien suurentaminen virtausnopeuden pysyessä samana suuri virtausnopeus metallin suuri tiheys ja viskositeetti äkkinäiset virtaussuunnan muutokset kanavistossa poikkileikkaukseltaan pyöreät kanavat. Virtauksen pyörteilyä voidaan vähentää: tuomalla sula muottiin useiden valukanavien kautta ja mieluimmin ns. altapäin valuna täyttämällä muotti mahdollisimman hitaasti välttämällä liian korkeaa lämpötilaa muotoilemalla kanavisto virtaviivaiseksi ja lieventämällä kaatokanavasta jakokanavaan virtaavan sulan äkkijyrkkää suunnanmuutosta jakokanavan alapäähän tehtävän laajennuksen avulla muotoilemalla kaatokanava ja jakokanava poikkileikkaukseltaan kulmikkaaksi ja valukanava litteäksi. Kanavatyyppejä Yläkanavat: yhtyvät valukappaleeseen sen yläpinnan tasossa edut: kuumin metalli avoimiin syöttökupuihin, kaavaus helppo haitat: putoavan metallin muottia kuluttava vaikutus pyörteisyyden muodostus Välikanavat: yhtyvät valukappaleeseen sen ylä- ja alapinnan tasossa Pekka Niemi Valukanaviston laskeminen - 7

8 edut: helppo sijoittaa haitat: putoavan metallin muottia kuluttava vaikutus lakanavat: yhtyvät valukappaleeseen sen alapinnan tasossa edut: muotti täyttyy rauhallisesti haitat: kuumin metalli alaosaan jolloin suunnattu jähmettyminen häiriintyy Porraskanavat: yhtyvät valukappaleeseen sen useammassa tasossa edut: alakanavien edut ja lämpötilan jakautuminen syötön kannalta edullisesti Solakanavat: yhtyvät pystysuorina laattoina valukappaleeseen sen sivun koko korkeudelta edut: alakanavien edut ja lämpötilan jakautuminen syötön kannalta edullisesti Jakokanavan mitoitus Jakokanavan poikkipinta-ala määräytyy kaatokanavan halkaisijan mukaan saatavalla pinta-alalla, joiden avulla pitää selvittää tarvittavat jakokanavan mitat (katso kuva 15). Kuvan 15 puolisuunnikkaan pinta-ala on: a a + a a 3 a 3a Kuva 15. Puolisuunnikkaan muotoinen jakokanava, jossa harjan leveys a; kannan leveys a ja korkeus a Pekka Niemi Valukanaviston laskeminen - 8

9 Sivuseinämän vinous (tarkistussahan terävinous) saadaan kuvan 15 tapauksessa kaavasta: (a a) a a tan α tanα tanα. a a 4a Jos puolisuunnikkaan kannan leveys on 40 mm, korkeus 40 mm ja harjan leveys 0 mm, saadaan: ( 40mm 0mm) tanα 40mm α arctan 0,5 14,5 10mm 0,5 40mm Kuva 16. Jakokanavan mitoitus, mitta a riippuu valukanavan koosta 1. Laskentaesimerkkejä Kanavistolaskennassa valettava materiaali määrittelee laskennan perusteen ja voi olla monimutkainenkin. Tähän valimoissa on omat laskentaohjelmansa. Seuraavassa on esitetty yksinkertaisen valukanaviston laskentaesimerkkejä sen periaatteesta. Valettava materiaali: suomugrafiittivalurauta Täyttösuhde: :1,3:1,1 Edellä olevat suhteet tarkoittavat esimerkiksi sitä, että jos kaatokanavan poikkipinta-ala on 10 cm², jakokanavan poikkipinta-ala on 13 cm² ja sisäänvalukanavien yhteenlaskettu poikkipinta-ala on 11 cm² Pekka Niemi Valukanaviston laskeminen - 9

10 Laskentaesimerkki 1. Kaatokanavan alapään Ø 30 mm. Laske a) kaatokanavan poikkipinta-ala b) jakokanavan poikkipinta-ala c) sisäänmenokanavien yhteispoikkipinta-ala. a) Kaatokanavan poikkipinta-ala voidaan laskea ympyrän alan kaavalla: D π, jolloin 4 ( 30mm) π 707mm 710mm, kun D 30 mm 4 Vastaus: Kaatokanavan poikkipinta-ala on noin 710 mm² b) Jakokanavan poikkipinta-ala voidaan laskea verrantolaskulla: 1,0 710mm, kun kanaviston täyttösuhteeksi on edellä annettu :1,3:1,1. 1,3 x Tällöin 1,3 x ( 710mm ) 90mm Vastaus: Jakokanavan poikkipinta-ala on noin 90 mm. c) Sisäänmenokanavien yhteenlaskettu poikkipinta-ala on: 1,0 710mm, kun kanaviston täyttösuhteeksi on edellä annettu :1,3:1,1. 1,1 x Tällöin 1,1 x ( 710mm ) 780mm Vastaus: Sisäänmenokanavien yhteinen poikkipinta-ala on noin 780 mm Pekka Niemi Valukanaviston laskeminen - 10

11 Laskentaesimerkki. Laske laskentaesimerkin 1 mukaisesti kanavistojen yhteispoikkipinta-alat ja yhden sisäänvalukanavan poikkileikkauksen mitat Kaatokanavan halkaisija (Ø): 30 mm Jakokanava: yksisuuntainen, poikkileikkaus puolisuunnikas Valukanavia: 4 kpl, laattamaiset kanavat Kaatokanavan pinta-ala KK : KK π D, jolloin 4 KK ( 30mm) π 710mm, kun D 30 mm 4 Jakokanavan pinta-ala JK : 1,3 KK, kun kanaviston täyttösuhde on :1,3:1,1. JK 710mm JK Tällöin JK 1,3 ( 710mm ) 90mm Jakokanavan mitta a: a 3 JK 90mm 3 17,5mm Tämän (a) avulla voidaan laskea jakokanavan sivujen mitat (katso kuvat 119 ja 10) Sisäänvalukanavien (yhteinen) poikkipinta-ala SK : 1,1 KK SK 710mm SK Tällöin SK 1,1 ( 710mm ) 780mm Yhden sisäänvaluvalukanavan poikkipinta-ala on: Pekka Niemi Valukanaviston laskeminen - 11

12 SK 780mm mm, kun sisäänvalukanavia on neljä. Yhden valukanavan mitat: Kanavan korkeus tai leveys täytyy valita ensin. Valitaan kanavan korkeudeksi (h) 5 mm, jolloin suorakulmaisen kanavan leveydeksi (l) saadaan 195mm l 39mm h 5mm Vastaus: Valukanavan poikkileikkauksen mitat ovat 5 x 39 mm. (Jos tehdään katkaisu-ura jonka syvyys on 1 mm, niin kanavan mitoiksi tulee 6 x 39mm) Pekka Niemi Valukanaviston laskeminen - 1

13 Laskentaesimerkki 3. Valurautavalussa sisäänvalukanavien yhteispoikkipinta-ala SK on 90 mm². Käytä normaalia valurautavalun täyttösuhdetta :1,3:1,1 ja laske: a) Kaatokanavan poikkipinta-ala b) Kaatokanavan halkaisija D c) Jakokanavan poikkipinta-ala a) Kaatokanavan poikkipinta-ala KK : KK SK 1,1 90 ( 90mm ) SK 64mm KK mm 1,1 1,1 Vastaus: Kaatokanavan poikkipinta-ala on noin 64 mm. b) Kaatokanavan halkaisija D: D Ympyrälle pätee: π, jolloin 4 4 D ja π 4 D. π Kaatokanavan halkaisija D on tällöin: D 4 π KK 4 ( 64mm ) 18mm π Vastaus: Kaatokanavan halkaisija D on noin 18 mm. c) Jakokanavan poikkipinta-ala JK : KK JK 1,3 64mm 1,3 JK 1,3 KK 1,3 ( 64mm ) 343mm Vastaus: Jakokanavan poikkipinta-ala on noin 343 mm Pekka Niemi Valukanaviston laskeminen - 13

14 Laskentaesimerkki 4. Tarkista, onko kuvien mukainen valukanavisto oikein mitoitettu. 1 on sisäänvalukanava, jakokanava ja 3 kaatokanava. Täyttösuhde :1,3:1,1. Sisäänvalukanavat: Kuvan mitoilla 1 4mm 0mm 480mm poikkipinta-ala on 960 mm.. Kahden kanavan yhteenlaskettu Jakokanava: Kuvan mitoilla ( mm + 9mm) 17mm 433,5mm 430mm Kanavistolaskennan tarkistus kannattaa aina tehdä, eli tässä tapauksessa pitäisi nähdä, että jakokanavan pinta-ala on pienempi kuin valukanavien yhteispoikkipinta-ala 1, vaikka sen pitäisi olla suurempi. Kaatokanava: Kuvan mitoilla ( 9mm) 3 π 660mm mm Täyttösuhteella :1,3:1,1 tulisi olla, jolloin 3 870mm. 1, mm 1, Pekka Niemi Valukanaviston laskeminen - 14

15 Kaatokanavan poikkipinta-ala on liian pieni. Riittävä kaatokanava saadaan, jos halkaisijaa kasvatetaan: ( 3) 4( 870mm ) mm 4 D 33 π π Jakokanavan poikkipinta-ala oli myös liian pieni, jos oletamme että valukanavien poikkipinta-ala on oikea. Täyttösuhteella :1,3:1,1 tulisi olla: 1, mm 1,3 870mm 1130mm., jolloin ( ) Samalla on syytä tarkistaa kanaviston muoto. Huomaamme jakokanavan olevan mitoitettu väärillä mittasuhteilla. Muutamme kanaviston mittasuhteita kuvan 18 mukaisesti. Kuva 18. Kanaviston uusi muoto. Näin mitoitettu kaksihaarainen jakokanava on riittävä. Yhteenlasketuksi poikkipinta-alaksi saadaan: 8mm + 14mm 30mm 160mm Pekka Niemi Valukanaviston laskeminen - 15

16 Harjoituslaskuja: 1). Valukappaleen kanavisto on mitoitettu seuraavasti : Kaatokanava B: Valukanava C:Jakokanava Laske a) Valukanavien yhteispoikkipinta-ala b) Jakokanavan poikkipinta-ala c) Mikä on kaatokanavaan alapään halkaisija? ). Valujärjestelmässä on kpl valukanavia, joiden mitat ovat Laske a) valukanavan yhteispoikkipinta-ala b) Jakokanavan poikkipinta-ala ja mitoita se c) Kaatokanavan poikkipinta-ala ja halkaisija 3). Valukanavistona käytetään eräässä valukappaleessa 4 kpl kolmion muotoisia valukanavia joiden mitat ovat Pekka Niemi Valukanaviston laskeminen - 16

17 Laske: a) Valukanavien yhteispoikkipinta-ala b) Kaatokanavan poikkipinta-ala ja mitoitus c) Kaatokanavan poikkipinta-ala ja mitoitus Harjoitusesimerkkien vastaukset löytyvät kappaleen lopusta. 1.3 Teräsvalukappaleen syötön suunnittelu Teräsvalukappaleen suunnittelussa on huomioitava samoja lainalaisuuksia kuin muidenkin materiaalien suunnittelussa ja on siis monen asian yhteenliittymä. On otettava huomioon hyvin monia seikkoja, joista toiset ovat merkittävämpiä kuin toiset. Tällaisia ovat mm. syöttöjärjestelmän ehdot ja täyttöjärjestelmän kanavistojen laskentaan vaikuttavat näkökohdat joita on jo edellä esitetty. Näistä vaikuttavista seikoista muodostuu jokin määrääväksi ja jotkut taas vaikuttavat toisiin ja syntyy erilaisia vaihtoehtoja. Tästä syystä seuraavassa käsitellään vain seuraavassa teräsvalun suunnittelun pääpiirteitä, jotta saataisiin mielikuva suunnitteluprosessista. Mikäli halutaan perehtyä tarkemmin suunnitteluyksityiskohtiin, on sopiva työväline Internetistä löytyvä valimoalan verkko-opetustyöväline Valutlas. Seuraavassa on lyhyt esitys teräsvalun suunnittelusta. Syöttöjärjestelmä Syöttöjärjestelmän suunnittelu aloitetaan tavallisesti valoksen tarkastelulla, jossa etsitään syöttömetallia tarvitsevat kohdat. Kun nämä on todettu, jaetaan valos syöttöalueisiin, joihin sijoitetaan riittävän suuri syöttökupu. Syöttöjärjestelmän suunnittelu suoritetaan samoilla periaatteilla kuten aiemmin esitetty valuraudan vastaava laskenta, käyttäen hyväksi simulointia Pekka Niemi Valukanaviston laskeminen - 17

18 - Valutlas & Tampereen ammattiopisto Valunsuunnittelutekniikka Teräsvalun kanavistojen laskeminen Valukappaleen syöttöjärjestelmän ohella on suunniteltava myös täyttöjärjestelmä. Seuraavassa on karkealla tasolla esimerkki laskentaprosessista teräsvalukappaleessa. Kuva 13. Näkymä kanaviston laskentaohjelmasta Kanavistotekniikkaa bleidingerin ohjelmaa käyttäen: Ensiksi valitaan valusenkan koko ja siihen tarvittava teräsmäärä senkkaan jätettävän jätteen (senkkaan jätetään sulaa, jotta sulan päällä oleva kuona ei pääse mukaan valukappaleeseen menevään sulaan) määrä huomioiden Pekka Niemi Valukanaviston laskeminen - 18

19 Kuva 133. Valitaan senkan koko Valukappaleen painon ja yläosan pienimmän moduulin perusteella ohjelma määrittelee pienimmän käytettävän valuajan. Senkan suutiilen koon ja lukumäärän (voi olla esim. yksi tai kaksi) avulla saadaan senkasta sopiva teräsmäärä ulos täyttämään yllä mainitut vaatimukset. Kuva 134. Suutiilen aukko Kuva 135. Suutiiltä valmis- Kuva 136. Suutiili asennetaan tellaan asennukseen Kanavistojen suhteita, kokoja ja lukumääriä muuttamalla saadaan sopivat virtausmäärät eri kohtiin kanavistoja (ohje antaa yksinkertaistetun arvioin eri kohtiin). nalysoidaan tulokset ja tehdään tarvittavat muutokset. Kuva 137. Määritellään parametrejä Pekka Niemi Valukanaviston laskeminen - 19

20 Lisäksi lasketaan tilavuusvirran ja valukorkeuden avulla muotoillun kanaviston (esim. hiekkakanaviston) nopeudet eri kanaviston kohdissa ja varsinkin alakulmissa, jotta pystytään arvioimaan paineiskujen suuruudet ja hiekan kestokyky eniten rasitetussa paikoissa. Kuva 138. Määritellään parametrejä Tarkastellaan lopuksi käytettävän kanaviston mahdollisuudet kaavauksessa ja tehdään tarvittaessa muutokset edellä esitetyn periaatteen mukaisesti Pekka Niemi Valukanaviston laskeminen - 0