Valunkäytön seminaari 2018-04-05 Laine JI
Jarkko Laine Chief Engine Expert, Castings Wärtsilä Engines R&D/DAE/Component Expertise MSc 1999 Tampere University of Technology, Materials Science 1998-2006 Research Engineer, Foundry Institute, TUT 2006-2012 Senior Foundry Expert, Manufacturing Technology Services/ME Finland 2012-2017 Senior Engine Expert, Power systems... 2017- Chief Engine Expert, Castings, Engines R&D, Marine Solutions Wärtsilä MagmaSoftin käyttäjä vuodesta 2009
WÄRTSILÄ OYJ Moottoritehtaat: Vaasa Trieste 17,700 70 200 Ammatilaista Maata Toimipistettä Installed power >185 000 MW 3 Jarkko Laine
Marine solutions 4 Jarkko Laine
WÄRTSILÄ in FINLAND Marine Solutions Energy Solutions Services R&D VAASA Engine manufacturing R&D Testing Support functions Vaasa 2 500 Turku 350 Helsinki 300 5 Jarkko Laine
Wärtsilä 31 Hyötysuhde >50% Fuel efficiency of 165 g/kwh 6 Wärtsilä Suomessa
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
Comparison Family car ; VW 2.0 TDI W6L20; Marine aux W6L32, Marine W10V31 W20V46F Power plant Bore / Stroke (mm) 81 / 95.5 200 / 280 320 / 400 310/430 460 / 580 Cylinder volume (litres/cyl) 0.49 8.8 32.2 32.4 96.2 Cyl output max (kw / RPM) 25.5 / 4000 200 / 1000 500 / 750 610/720 1150 / 600 Engine output (kw) 103 1200 3000 6100 23000 Typical operating point Load (kw) / RPM ~20 / 1600 1700 (90km/h) (200) 1020 / 1000 2550 / 710 750 4270/760 23000 / 600 Max boost pressure (bar) ~1.1 3.9 3.4 ~8 3.9 Max cylinder pressure (bar) 90 110 200 200 275 230 Fuel consumption at typical load (kg/h) 5 210 480 750 4300 Life time (h) ~6000 (300 000km) Piston >60000 Inj pump/nozzle 24000/6000 Crank shaft >20years = =* =
Castings Valut vaihtelevat 15 grammasta 88 000 kiloon. Valumateriaalit: Pallografiittivalurauta GJS (~75%) Suomugrafiittivalurauta GJL (~20%) (valu)alumiinit (~3%) (valu)teräkset (~1%) Valumenetelmät: Käsin kaavaus Konekaavus Tarkkuusvalut Kokillivalut(kokilli-, matalapaine- ja painevalut)
CASE 1: W31:n lohkon kehitys
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
Perinteinen menetelmä valimo omistaa menetelmän 1. toimittaja Valmiista desingista koneistettuun protoon 8-10 kuukautta. Valmistettavuus arvio (+korjaukset) ja valumenetelmän suunnittelu (lisätään kappalehintaan) Sarjatuotantoon 10-14 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
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 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
Data käytännöt Sovittiin selkeät pelisäännöt datan siirtoon. Siirtoon käytettiin Wärtsilän ftpserveriä Tärkeää oli että kokoajan tiedettiin kenellä on master 3D. Keernojen nimeäminen
Keernat
CASE: Runkolaakerin satula Kriittinen komponentti, perinteisesti jäännösjännityshehkutus on tehty. Componenta kysyi, josko jännityshekutuksen voisi korvata pitkällä muottijäähdytyksellä? 17 31.3.2016 Jarkko Laine
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 560-600ºC Uuniaika noin vuorokausi > jos jätetään pois, niin mahdollisuus äästöihin. Stress development during residual stress annealing
Alustavat simulaatiot Tehtiin muutamia simulaatiota, jotta saatiin hiukkasen esitietoa. Näiden mukaan pitkä muottijäähdytys antoi varsin kohtuullisia jäännösjännitys arvoja Kuvissa on esimerkkiarvoja, joita käytettiin simuloinneissa.
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.
Jäännösjännitysmittaukset Valu puhdistettiin sinkoamalla ja toimitettiin Stresstechille
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.
CASE: Sylinterikannen vuoto Vuotoa koneistuksen jälkeen satunnaisesti vesitilan ja koneistetun kanavan välillä. Juurisyyanalyysi sisältäen seuraavat: Valunsimulointi (optimointi) Tilastollinen analyysi (minitab) 23 31.3.2016 Jarkko Laine
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. 24 4.4.2018 [Presentation name / Author]
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. 25 4.4.2018 [Presentation name / Author]
C:n ja Si:n optimointi Magmalla Lasketut koostumukset ja niiden paremmuus. 26 4.4.2018 [Presentation name / Author]
Binary logistic regression analysis P Factorial plots show trends for leakage response. 27
Binary logistic regression analysis Deviance table Vain kovuus, myötölujuus ja Sn (tina) ovat tilastollisesti merkittäviä 95% luotettavuudella. 28
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
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 0,065 753,9 408,6 6 201 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 0,071 779,9 420,5 6,9 211 30 4.4.2018 [Presentation name / Author]
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 0,071 31 4.4.2018 [Presentation name / Author]
www.wartsila.com 32 08/2015 Wärtsilä Suomessa