Hiekkamuottimenetelmät

Hiekkamuottimenetelmät Seija Meskanen, Teknillinen korkeakoulu Tuula Höök, Valimoinstituutti Johdanto Valumenetelmät jaetaan muotin käyttötavan mukaan kerta- ja kestomuottimenetelmiin. Hiekkavalussa sekä keraamisiin tai kipsimuotteihin valettaessa käytetään valun jälkeen hajotettavaa kertamuottia. Kertamuottien valmistus vaatii aina mallin, joka voidaan valmistaa puusta, muovista, vahasta tai metallista. Sen kestävyys sekä valmistuskustannukset vaihtelevat riippuen mallimateriaalista. Metallinen malli on kallis, mutta se kestää parhaimmillaan yli 50 000 kaavausta. Valetuilla epoksihartsimalleilla voidaan päästä 5 000-10 000 kappaleen sarjoihin. Valettuja malleja on myös helppo monistaa ja uusia, jos mallinegatiivi säilytetään. Puumallit ovat hinnaltaan suhteellisen edullisia, mutta korkeimmassakin laatuluokassa niillä päästään vain noin 1 000 5 000 kaavauskertaan. Vahamallit ovat kertakäyttöisiä. Kuva 1. Tavanomaiset käyttöalueet kertamuoteille Kestomuottimenetelmissä muotit valmistetaan yleensä metallista, mutta myös keraamisia ja grafiitista tehtyjä kestomuotteja käytetään. Jotta valukappaleen voi poistaa muotista, tulee sen olla avattava. Kestomuottimenetelmät edellyttävät sarjatuotantoa. Valukappaleet ovat mittatarkempia kuin hiekkamuotteja käyttävissä menetelmissä. Metallimuottia käytettäessä sula jähmettyy huomattavasti nopeammin kuin kertamuotissa, keraamisessa kestomuotissa tai grafiitista valmistetussa kestomuotissa. Tämän ansiosta valukappaleisiin saadaan hienojakoinen mikrorakenne sekä paremmat mekaaniset ominaisuudet. Valuraudat ovat kuitenkin poikkeus. Useimpien valurautojen rakenne edellyttää grafiitin erkautumiselle sopivaa Tarkistettu ja täydennetty 7.10.2015 (Tuula Höök) - Kertamuottimenetelmät - 1

jähmettymisnopeutta. Metallista valmistettu muotti tuottaa niin suuren jähmettymisnopeuden, että grafiitti ei erkaudu, vaan muodostaa valkeille valuraudoille tyypillisen martensiittisen rakenteen. Muotin kestävyys riippuu pääasiassa valettavasta metallista. Valulämpötilan kohotessa muotin kestoikä lyhenee. Myös muotin raaka-aine, huolto ja korjaus, käytetty valumenetelmä sekä valukappaleen muoto vaikuttavat muotilla saatavien valukertojen lukumäärään. Kertamuottimenetelmät voidaan jaotella esimerkiksi kaavaustekniikan, kaavausmassan tai mallitekniikan mukaisesti. Tässä oppimateriaalissa kertamuottimenetelmät jaotellaan kaavausmassan mukaan: valuna hiekkamuottiin, keraamiseen muottiin ja kipsimuottiin. Kertamuottimenetelmät soveltuvat kipsimuottia lukuun ottamatta myös kaikkein korkeimmissa lämpötiloissa sulavien valumetallien eli esimerkiksi valurautojen, terästen ja korkean lämpötilan superseosten valamiseen. Kipsimuotteja käytetään alumiini-, kupari- ja sinkkiseosten valamiseen. Hiekkavalumuotti Hiekkavalumuotti koostuu muottipuoliskoista ja keernoista. Mikäli muotissa on enemmän kuin kaksi puoliskoa, olisi selkeämpää käyttää nimitystä muottiviipale. Muotin alempaa puoliskoa kutsutaan alamuotiksi tai alapuoliskoksi (drag). Ylempää puoliskoa kutsutaan ylämuotiksi tai yläpuoliskoksi (cope). Muottipuoliskojen tai -viipaleiden välinen pinta on nimeltään jakopinta (parting surface, parting). Valukappaleessa pinta muodostaa jakolinjan (parting line), jonka molemmin puolin muotoillaan mallin vetosuuntaiset eli irrotussuuntaiset hellitykset (draft). Keerna (core) on irrallinen, kovetetusta hiekasta valmistettu, muottiin sen kokoonpanovaiheessa asetettava osa, jolla muotoillaan valukappaleen sisäpuolisia ja ulkopuolisia vastahellityksellisiä muotoja tai vahvistetaan suurelle rasitukselle altistuvia muotin osia. Keerna pyrkii nousemaan valun aikana ylöspäin sulan metallin aiheuttaman nosteen vaikutuksesta. Tästä syystä se on tuettava huolellisesti paikoilleen. Tuentaa varten keernaan muotoillaan keernakannat, joiden varassa se lasketaan muotissa oleviin keernansijoihin (core print). (Kuva 2) Kuva 2. Keernan tuenta muotissa. Keerna pyrkii siirtymään valun aikana ylöspäin sulan metallin nosteen vaikutuksesta. Keernalla ja sulalla on suuri tiheysero. Keernan syrjäyttämän sulan massa on 2 3 kertaa suurempi keernan massaan verrattuna. Keernassa olevia tukia kutsutaan keernakannoiksi. Keerna lasketaan niiden varassa muotissa oleviin keernansijoihin. Esimerkkikuvassa oleva valukappale on putkimainen. Putkimaisen kappaleen keerna on helppo tukea muottiin, koska sen kannat ovat yleensä suurikokoiset ja niitä on vähintään kaksi. Esimerkkikuvassa keernalla on kolme suurikokoista kantaa. Tarkistettu ja täydennetty 7.10.2015 (Tuula Höök) - Kertamuottimenetelmät - 2

Valukappaleet, joissa on keernoilla muotoiltavia sisäpuolisia muotoja, voidaan jakaa putkimaisiin (Kuva 2 - Kuva 4, Kuva 9) ja kotelomaisiin (laatikkomaisiin) (Kuva 5 ja Kuva 6) rakenteisiin sekä sivuille avonaisiin kerrosmaisiin rakenteisiin (Kuva 7). Näiden lisäksi keernoja käytetään kappaleen ulkopuolisten muotojen muotoamiseen (Kuva 8). Putkimainen rakenne on usemmissa tapauksissa yksinkertaisin ja varmin tukea. Kotelomainen rakenne tuottaa eniten vaikeuksia, koska kantoja on vain yksi. Ulkopuolisten keernojen tuentamahdollisuudet riippuvat valukappaleen muodoista. Kuva 3. Putkimainen rakenne valukappaleessa. Suora keerna kahdella kannalla. Kappaleessa on massiivinen seinämä. Kuva 4. Keerna pyrkii sulan nostevaikutuksen vuoksi nousemaan valun aikana. Seinämänpaksuus kasvaa alhaalla ja vähenee ylhäällä. Vasemmalla: Suora keerna, jossa on kaksi keernakantaa. Mikäli keernansijat ovat väljät, keerna nousee ylämuotin keernansijan yläpintaan. Väljyys voi johtua suunnitteluvirheestä, kaavausvirheestä tai muotin huonosta sulkeutumisesta. Oikealla: Kaareva keerna kahdella kannalla. Nostevaikutus pyrkii kiertämään keernaa, jonka muoto on jokin muu kuin pyörähdyssymmetrinen. Keerna täytyy lukita kannoistaan siten, että kiertyminen estyy. Tarkistettu ja täydennetty 7.10.2015 (Tuula Höök) - Kertamuottimenetelmät - 3

Kuva 5. Kotelomainen kappale. Keernassa on vain yksi kanta. Jotta sulan noste ei pääsisi liikuttamaan keernaa valun aikana, se tuetaan laipasta alamuottiin (kuva vasemmalla) tai ripustetaan ylämuottiin (kuva oikealla). Kuva 6. Kotelomainen valukappale. Mikäli kotelomaisen valukappaleen keerna täytyy asettaa vaaka-asentoon, se tuetaan sulan nostetta vastaan keernatuilla eli keernapalleilla. Tällaista ratkaisua ei suositella. Kuva 7. Valukappale, jossa on sekä kerrosmaisia että putkimaisia rakenteita. Tarkistettu ja täydennetty 7.10.2015 (Tuula Höök) - Kertamuottimenetelmät - 4

a) b) c) d) Kuva 8. Kappaleen ulkopuolisten muotojen muotoaminen keernan avulla. a) Valukappale. b) Keerna ja kappale yhdessä. c) Keerna. d) Keerna muotissa. Keernan tuentamahdollisuudet riippuvat valukappaleen muodoista. Keerna tulisi tukea siten, että se pysyy valun aikana paikoillaan kaikissa suunissa eli se ei pääse kiertymään tai nousemaan ylöpäin eikä liikkumaan sivuille, eteen tai taakse. Mikäli keerna on pitkä ja kapea tai siinä on muuhun muotoon nähden huomattavan kapeita kannaksia, se vahvistetaan keernalangalla tai raudoituksin. Lankojen ja raudoitusten tarkoituksena on lisätä keernan sitkeyttä. Yleensä pyritään kuitenkin ensisijaisesti valitsemaan keernoille sellainen valmistusmenetelmä ja materiaali, että vahvistusta ei tarvita. Yhteen liitetyt muottipuoliskot, tarkemmin ilmaistuna niiden sisällä oleva muottipesä (mo(u)ld cavity), muotoavat valettavan tuotteen yhdessä keernojen kanssa. Muottipesiä voi olla useampi kuin yksi. Muottia kuvataan pesien lukumäärän mukaan käsitteillä yksipesäinen muotti, kaksipesäinen muotti, kolmipesäinen muotti jne. sekä käsitteellä monipesäinen muotti. Muottipuoliskoihin sisältyy muottipesän tai muottiontelon lisäksi muitakin toiminnallisia osia. Näitä ovat valukanavisto (gating system), syötöt (risers) ja tarvittaessa kaasunpoistojärjestelmä (vents). Valukanavisto on reitti, jonka kautta sula valumetalli johdetaan muottipesiin. Sen pääosat ovat kaatoallas tai kaatosuppilo (pouring basin, pouring cup, funnel), kaatokanava (sprue), jakokanava (runner) ja valukanava (gate, ingate). (Kuva 9 - Kuva 11) Tarkistettu ja täydennetty 7.10.2015 (Tuula Höök) - Kertamuottimenetelmät - 5

Syötöt eli syöttökuvut tarjoavat korvausmetallia, jolla kompensoidaan valumetallin sula- ja jähmettymiskutistumat. Niiden lisäksi valukappaleeseen voi olla tarve lisätä syöttötäytteitä eli valukappaleesta syöttöön johtavaa ylimääräistä materiaalia. Syötöt voidaan asettaa valukappaleen päälle (Kuva 9) tai sivuille (Kuva 10 ja Kuva 11). Sivuilla olevia syöttöjä kutsutaan sivusyötöiksi (side riser). Päällä oleville syötöille (top riser) ei ole olemassa erityistä suomenkielistä nimeä. Kuva 9. Muotin päärakenneosien nimityksiä. Kuva 10. Hiekkamuotin valu- ja syöttöjärjestelmän pääosat. Kuvat sivulta ja päältä. Valujärjestelmän osia ovat Kaatoallas, kaatokanava, jakokanava, valukanava ja valuportti. Syöttöjärjestelmän pääosia ovat syöttökuvut. Kuvan esimerkissä syöttökuvut on sijoitettu kappaleen sivuille. Ne voitaisiin sijoittaa myös kappaleen päälle. Joissain tapauksissa jähmettymistä ohjataan kupujen lisäksi jäähdytyskappaleilla eli kokilleilla (chill). Jäähdytyskappale on metallinen tanko, levy tai valettavan kappaleen pintojen mukaan muotoiltu osa. Se asetetaan mallin päälle haluttuun kohtaan ja kaavataan hiekan sisään kiinteäksi osaksi muottia. Vaikka valumetalli on suorassa kosketuksessa jäähdytyskappaleeseen, se ei kuiten- Tarkistettu ja täydennetty 7.10.2015 (Tuula Höök) - Kertamuottimenetelmät - 6

kaan takerru valukappaleeseen kiinni niin tiukasti, ettei poistaminen olisi valun puhdistuksen yhteydessä mahdollista. Kiinni takertumista ehkäistään peitosteilla. Kuva 11. Hiekkamuotin valu- ja syöttöjärjestelmän osia muotin sisällä. Kaksipesäinen muotti. Kuva 12. Kaksi muottiin kaavattua jäähdytyskappaletta eli chillia. Jäähdytyskappale asetetaan valumallin päälle ja kaavataan kiinteäksi osaksi muottia. Kaasunpoistojärjestelmä johtaa muottipesässä olevat ja valun aikana muodostuvat kaasut pois muotin sisältä. Se rakennetaan poraamalla tai pistelemällä muottiin ja keernoihin reikiä, raaputtamalla muotin jakopinnalle muotista ulos johtavia matalia uria tai kaavaamalla hiekan sisään kanavisto ilmanpoistonarun eli luhtinarun avulla. Luhtinarua käytetään erityisesti suurikokoisten keernojen ilmastointiin. Täyttöjärjestelmä, syöttökuvut ja osin kaasunpoistojärjestelmäkin täyttyvät metallilla ja ne on poistettava valmiista valusta. Valujärjestelmällä lisättyä valukappaleen painoa kutsutaan valun bruttopainoksi. Valukappaleen painon ja valun bruttopainon suhdetta kutsutaan nimellä valun saanto. Mitä suurempi on valujärjestelmän osuus suhteessa kappaleen painoon, sitä heikompi on saanto. Teräksillä saanto on luokkaa 50 80 % ja valurautakappaleilla 70 90 %. Hiekkamuotin muottiviipaleet valmistetaan valumallin avulla sopivalla sideaineella käsitellystä hiekasta. Keerna valmistetaan keernamuotissa eli keernalaatikossa niin ikään sideaineella käsitellystä hiekasta. Keernojen ja muottiviipaleiden valmistusta kutsutaan kaavaamiseksi. Sideaineella lisätty hiekka kovetetaan kaavaamisen aikana. Sideaine ja kovettamismenetelmä muodostavat yhdessä hiekan sideainejärjestelmän. Käsittelemätöntä hiekkaa kutsutaan raakahiekaksi. Tarkistettu ja täydennetty 7.10.2015 (Tuula Höök) - Kertamuottimenetelmät - 7

Raakahiekkana käytetään yleensä kvartsihiekkaa, toisinaan myös oliviinihiekkaa, kromiittihiekkaa tai zirkonihiekkaa. Hiekan käyttökelpoisuus eri metallien valamiseen riippuu pääosin sen sintraantumislämpötilasta, mutta myös kemiallisista ominaisuuksista. Sintraantumislämpötila on lämpötila, jossa hiekkarakeet alkavat tarttua kiinni toisiinsa ja reagoida valumateriaalin kanssa. Sintraantumislämpötila riippuu hiekan perusmineraalin sulamislämpötilasta ja hiekan epäpuhtauspitoisuudesta. Kvartsihiekalla on taipumus reagoida valettavassa rautametallissa olevan rautaoksidin kanssa rautasilikaatiksi. Reaktio vaatii suhteellisen korkean lämpötilan eikä tästä syystä ilmene kaikilla valumetalleilla. Terästen valulämpötilat ovat riittävän korkeita, joten niille kvartsihiekka soveltuu muita hiekkalaatuja huonommin. Ongelmaa voi pienentää muotin peitostamisen avulla. Hiekkamuotit jaetaan sideaineen perusteella: 1. Tuorehiekkamuotteihin (green sand). Tuorehiekan sideaine on bentoniittia ja vettä. Sideaineella sidottu hiekka kovetetaan mekaanisesti sullomalla. Mekaanisesti sullottava, bentoniitilla ja vedellä sidottu hiekka on ainoa konekaavaukseen sopiva sideainejärjestelmä, mutta sitä käytetään suhteellisen yleisesti myös käsin kaavauksessa. Tuorehiekasta ei useimmiten valmisteta keernoja. 2. Kylmänä kovettuviin hiekkamuotteihin (no-bake). Kylmänä kovettuvissa hiekkamuoteissa sideaine voi olla orgaaninen tai epäorgaaninen. Epäorgaanisia sideaineita ovat sementti ja vesilasi. Orgaanisia sideaineita ovat furaani- ja fenoli-formaldehydihartsit. Sideaine kovetetaan yhdessä nestemäisellä kovetteella. Kovete sekoitetaan hiekkaan yhdessä sideaineen kanssa. Muotit kaavataan käsin. Kaikilla kylmänä kovettuvilla sideainejärjestelmillä voi valmistaa myös keernoja, mikäli muoto on riittävän yksinkertainen. 3. Kuumana kovettuviin hiekkamuotteihin (kuorimuotti eli Croning). Kuumana kovetettavien hiekkamuottien sideaineena on orgaaninen novolakkatyyppinen fenoliformaldehydihartsi yhdistettynä heksametyleenitetramiiniin. Hiekka ostetaan yleensä valmiiksi sideaineella päällystettynä. Muotti kovetetaan lämmön avulla. Se kaavataan yleensä kuorimuottikoneella, mutta käsin kaavaaminen on myös mahdollista. Kuorimenetelmällä valmistetaan muottien lisäksi keernoja, joita kutsutaan kuorikeernoiksi. Kuorikeernoja voi käyttää kuorimuottien lisäksi myös muulla tavoin valmistetuissa hiekkamuoteissa. Kuorimuottimenetelmällä saavutetaan tavallista hiekkavalua parempi mittatarkkuus ja pinnanlaatu. Menetelmällä voidaan valmistaa ohutseinämäisiä ja siten myös kevyitä kappaleita. Yksityiskohdat voivat myös pienikokoisempia ja hellitystarve vähäisempi kuin muilla hiekkavalumenetelmillä. Kovettamisen vaatimien lämpötilojen vuoksi on käytettävä metallista valmistettuja malleja ja keernalaatikoita. Keernat voidaan valmistaa kylmänä kovettuvista hiekkaseoksista käsin sullomalla tai kuumana kovettuvista hiekkaseoksista kuorikeernakoneella, mikäli keernan muoto tätä tukee. Molemmissa tapauksissa keernan on oltava muodoiltaan siinä määrin suurikokoinen ja yksinkertainen, että hiekka on mahdollista täyttää keernalaatikkoon ilman ulkoista voimanlähdettä. Pienikokoiset, hienoja ja/tai hankalasti täyttyviä yksityiskohtia sisältävät keernat valmistetaan keernatykillä. Keernatykki täyttää sideaineella lisätyn hiekan keernalaatikkoon paineilman avulla, jolloin hyvin monimutkaisia ja ohuitakin muotoja on mahdollista saada täyttymään. Keernatykillä käytetään kaasukovetteisia (cold-box) sideainejärjestelmiä. Kovettuminen tapahtuu hyvin nopeasti. Lopputuloksena on mittatarkka ja luja keerna, jonka pinnanlaatu on hyvä. Keernatykki valitaan toisinaan valmistusmenetelmäksi nopeuden ja laatuominaisuuksien vuoksi. Siitäkin huolimatta, että keernan muoto mahdollistaisi manuaalisen valmistuksen. Tarkistettu ja täydennetty 7.10.2015 (Tuula Höök) - Kertamuottimenetelmät - 8

Hiekkamuottien kaavaus Kaavaus on hiekkamuottitekniikkaan kuuluva työvaihe, jonka aikana valmistetaan muotti ja keernat sideaineella lisätystä hiekasta. Muotin kaavaukseen tarvitaan paitsi 1) valumalli myös 2) kaavausalusta tai mallipohja sekä 3) kehys, jonka sisälle kaavaushiekka lasketaan (Kuva 13 ja Kuva 16). Kaavausalustaa tai mallipohjaa vasten muodostuva hiekkapinta muodostaa muotin jakopinnan (Kuva 14). Hyvin suuret valukappaleet ovat poikkeus. Ne kaavataan maahan kaivettuun kuoppaan ilman kehyksiä. Keernojen kaavaukseen tarvitaan keernalaatikko. Kuva 13. Vasemmalla: Kehyksellisen muotin kaavaukseen tarvittavat välineet: Valumalli, kaavausalusta ja kaavauskehys. Kaavaus tehdään jaetulla irtomallilla. Oikealla: Kaavaushiekka lasketaan kaavausalustalle asetetun valumallin päälle kaavauskehyksen sisään. Kuva 14. Kehyksellisen muotin kaavaus, alamuotti. Vasemmalla: Kemiallisesti kovettuva hiekka painellaan valumallin päälle nopeasti ja tasaisesti. Tuorehiekka sullotaan esimerkiksi paineilmatoimisella laitteella tai kaavauskoneessa. Oikealla: Kovettunut hiekkakakku kehineen nostetaan valumallin päältä pois ja käännetään. Nostoliike täytyy tehdä mahdollisimman suoraan ylöspäin, jotta hiekkapinta ei rikkoudu. Tarkistettu ja täydennetty 7.10.2015 (Tuula Höök) - Kertamuottimenetelmät - 9

Kaavauksen jälkeen muotin osat jälkikäsitellään peitosteella, jos valettava metalli näin vaatii. Peitoste on tulenkestävää, ohutta jauhemaista ainetta, joka sekoitetaan lietteeksi vesi- tai alkoholipohjaiseen nesteeseen. Levityksen jälkeen peitoste kuivataan uunissa, polttamalla tai vapaasti ilmassa. Peitostuksen jälkeen muotti kootaan. Kokoamiseen kuuluu keernojen asettaminen paikoilleen ja muottipuoliskojen tai -viipaleiden asettaminen päällekkäin. (Kuva 15) Kuva 15. Muotin kokoaminen. Muottiontelon pinnat peitostetaan, jos valettava metalli ja kaavaushiekka näin vaativat. Keernat asetetaan alamuottiin paikoilleen ja muotti suljetaan. Irtomallikaavauksessa muottipuoliskot ohjataan ohjaustupien eli tässä tapauksessa kehystupien avulla toisiinsa. Kuva 16. Kehyksellinen kaavaus pohjitetulla mallilla. Muottipuoliskot ohjataan toisiinsa ohjaustupien, tässä tapauksessa jakopintatupien avulla. Jakopintatupit voivat olla irrallisia, kuten kuvan esimerkissä. Ne voidaan kaavata myös hiekkaan, jolloin niistä käytetään nimitystä hiekkatupi. Muotin jakopinta muotoutuu mallipohjaa vasten. Tarkistettu ja täydennetty 7.10.2015 (Tuula Höök) - Kertamuottimenetelmät - 10

Kaavaus jaetaan käsin- ja konekaavaukseen sen mukaan tapahtuuko kaavaus käsityönä vai kaavauskoneilla. Käsinkaavausmenetelmä valitaan esimerkiksi, jos valmistettavana on hyvin suuri tai monimutkainen, konekaavaukseen sopimaton valukappale. Tai jos valmistettavana on kappale, joka sopii käsinkaavauksessa käytettäville sideainejärjestelmille, sen sarjakoko ei ole kymmenien tuhansien luokkaa ja hyväksi havaittu yhteistyövalimo soveltaa tätä tekniikkaa. Käsinkaavausta sovelletaan paljon myös yksittäiskappaleiden ja lyhyiden sarjojen valmistuksessa, koska käsinkaavausmallit voidaan valmistaa konekaavausmalleihin verrattuna pienemmillä kustannuksilla ja tuotannon käynnistäminen sujuu nopeammin. Muottien käsinkaavauksessa käytetään useimmiten kylmänä kovettuvia, furaani- tai fenoliformaldehydihartsilla sidottuja hiekkoja, mutta tuorehiekan käyttö on myös mahdollista. Hartsihiekka täytetään kaavauskehyksiin suoraan ruuvi- eli syöttösekoittimesta. Käsin kaavattava tuorehiekka lasketaan sekoittimesta kaavauskehyksiin joko suoraan tai välivaraston kautta. Välivarastona voi toimia nosturilla tai rullaradalla kuljetettava astia tai pienimuotoisessa kaavaustoiminnassa esimerkiksi kottikärryt. Vaikka kaavausmenetelmä on manuaalinen, useat sarjatuotantovalimot soveltavat automaatiota muottien käsittelyssä ja keernojen valmistuksessa. Muottipuoliskojen kääntö ja mallin irrotus voidaan esimerkiksi tehdä erityisen koneen avulla (Kuva 17). Pienet muotit voidaan käsitellä kokonaan manuaalisesti. Isot ja painavat muotit on käsiteltävä nosturilla tai nosturiin kiinnitetyllä apuvälineellä, mikäli muita käsittelylaitteita ei ole (Kuva 18). Muottien konekaavauksessa käytetään yksinomaan tuorehiekkaa. Konekaavaus sopii parhaiten pienille ja keskikokoisille, sarjaluonteisesti valmistettaville ja suhteellisen yksinkertaisille valukappaleille. Valukappaleen on oltava yksinkertainen siten, että se voidaan valmistaa muottiin, jossa on ainoastaan yksi jakopinta. Tuorehiekan kovettaminen tapahtuu puristusta, täristystä, alipainetta, ylipainetta tai näiden yhdistelmiä käyttäen. Keernat valmistetaan käsin tai konekaavauksena - riippumatta muottien valmistusmenetelmästä. Keernojen konekaavaus tapahtuu keernatykillä. Keernatykki on laite, joka siirtää kaavaushiekan keernalaatikkoon paineen avulla. Keernatykillä käytetään kaasulla kovetettavia sideainejärjestelmiä. Kuva 17. Pullakaavatun muotin koneellinen mallin irrotus ja koneellinen kääntö. Kuva: https://www.youtube.com/watch?v=m20nrtmnl6u, Southern Aluminum Foundry & Machine, Inc. Tarkistettu ja täydennetty 7.10.2015 (Tuula Höök) - Kertamuottimenetelmät - 11

Kuva 18. Nosturiin kiinnitetty apuväline pullakaavatun muotin kääntämiseen ja sulkemiseen. Kuva: https://www.youtube.com/watch?v=m20nrtmnl6u, Southern Aluminum Foundry & Machine, Inc. Konekaavattava keernalaatikko on mahdollista täyttää hyvin pienistäkin aukoista (Kuva 20). Keernan muoto voi lisäksi olla hienopiirteinen ja monimutkainen. Käsin kaavattava keernalaatikko vaatii suuret täyttöaukot ja suhteellisen yksinkertaiset muodot (Kuva 19). Käsin kaavattavat keernat valmistetaan samoilla kemiallisesti kovettuvilla sideainejärjestelmillä kuin käsin kaavattavat muotit. Muottiin valmistetaan kaavauksen yhteydessä valujärjestelmä. Valujärjestelmä koostuu täyttö- ja syöttöjärjestelmistä sekä joissain tapauksissa myös ilmanpoistojärjestelmästä. Täyttöjärjestelmä siirtää valumetallin muottionteloon. Syöttöjärjestelmä korvaa sulan metallin jähmettymisen aikana tapahtuvan kutistuman. Ilmanpoistojärjestelmä tarvitaan, mikäli on epäilys, että muotin sisällä valun aikana muodostuvat kaasut eivät pääse poistumaan esteettä. Kuva 19. Käsin kaavattava keernalaatikko. Laatikossa on oltava suhteellisen suuret täyttöaukot, jotta hiekka on mahdollista täyttää kaikkiin laatikon muotoihin. Vasemmalla: Näkymä keernalaatikon sisälle. Puoliskot ohjataan toisiinsa nohjausnastoilla ja lukitaan salvoilla. Oikealla: Keernalaatikko yhdessä täyttöasennossa. Keernan muodosta johtien laatikkoa on käännettävä täyttämisen aikana. Tarkistettu ja täydennetty 7.10.2015 (Tuula Höök) - Kertamuottimenetelmät - 12

Kuva 20. Simulaatio keernalaatikon täyttämisestä keernatykin avulla. Simulaatiossa käytetty keernatykki täyttää keernalaatikon sen päälle asettuvien suuttimien kautta. Kuvien lähde https://www.youtube.com/watch?v=juqxygydxkm, Waupaca Foundry cold box core making, http://www.waupacafoundry.com. Kaavauskehykset Lähteet: Keskinen Raimo - "Muotinvalmistustekniikka" ja Autere, Ingman & Tennilä - "Valimotekniikka II" Muottihiekka lasketaan alustalla tai mallipohjalla olevan valumallin päälle kaavauskehyksen sisään. Kehyksen tehtävänä on pitää hiekka muodossa sullonnan tai hiekan kemiallisen kovettumisen ajan. Poikkeuksen muodostavat hyvin suuret valukappaleet, joille ei käytetä valukehyksiä. Suurikokoisen kappaleen muotti kaavataan yleensä maahan kaivettuun kuoppaan. Kehys voidaan jättää paikoilleen tai poistaa muotista valun ajaksi. Mikäli kehys on valun aikana paikoillaan, sen on käytännön syistä oltava metallista valmistettu. Kehyksettömässä valumenetelmässä voi käyttää myös palavasta materiaalista valmistettuja kaavauskehyksiä. Kehyksettömiä muotteja tuottavaa menetelmää kutsutaan pullakaavaukseksi. Kemiallisesti kovettuvan hiekan pullakaavauksessa kehys voi olla kevytrakenteinen, esimerkiksi vanerista valmistettu, koska kaavaukseen ei käytetä suuria voimia. Tuorehiekan kaavauksessa on käytettävä metallisia kehyksiä riippumatta siitä tapahtuuko kaavaus käsin vai koneellisesti. Kaavauskehyksen koko valitaan kaavattavan valukappaleen mittojen perusteella. Kehyksellistä menetelmää soveltavissa valimoissa on tietty kehyskokovalikoima, joka määrää tuotantoon parhaiten soveltuvien valukappaleiden mitat. Valu on taloudellista, kun hiekan ja metallin välillä on sopiva suhde eli kun kaavauskehyksestä saadaan mahdollisimman suuri, mutta ei liian suuri määrä myytävää valumetallia suhteessa käytetyn hiekan määrään. Jos kaavauskehys pakataan liian täyteen, valun laatu kärsii. Tarkistettu ja täydennetty 7.10.2015 (Tuula Höök) - Kertamuottimenetelmät - 13

Kuva 21. Kaavauskehyksiä. Vasemmalla olevassa kuvassa on konekaavauksessa käytettäviä metallikehyksiä. Oikealla olevassa kuvassa on pullakaavauksessa käytettäviä vanerikehyksiä. Vaikka käsin kaavattu muotti voidaan koostaa useista muottikerroksista, kehyksellisessä valmistuksessa on ihanteellista pyrkiä käyttämään vain kahta muottikerrosta. Mikäli kappaleen muoto vaatii useita muottikerroksia, se tulee valmistaa joko kehyksettömällä menetelmällä pullamuottina tai keernapakettina. Keernapaketilla tarkoitetaan joko kokonaan keernoista koostettua muottia tai muottia joka on toteutettu sekä muottipuoliskoilla että useista keernoista valmistetulla kokonaisuudella. Näin on meneteltävä siitä syystä, että muotin välikerroksissa on jakopinta molemmilla puolilla eikä useimmiten ole mahdollista löytää juuri sopivan korkuista kaavauskehystä, jolla välikerros voitaisiin toteuttaa. Puisen pullakaavauskehän voi sen sijaan valmistaa minkä korkuiseksi tahansa. Käsin kaavattava pullakaavauskehys voidaan valmistaa avattavana lukkokehyksenä (Kuva 22) tai runsailla hellityksillä varustettuna täyttökehyksenä (Kuva 23). Lukkokehyksen yksi kulma on varustettu saranoilla ja vastakkainen kulma lukkolaitteella. Kehys suljetaan lukkolaitteella kaavauksen ajaksi ja avataan, jotta kehys voidaan poistaa. Täyttökehys on kiinteä kehä, jota ei avata. Se voi olla kiinteästi malliin liitetty tai erillinen. Molemmissa tapauksissa kehys poistetaan mallia irrotettaessa. Kuva 22. Lukkokehys pullamuotin valmistusta varten. Kehys on saranoitu ja lukittu salvoilla, joten muotin sivuja ei ole tarpeen hellittää. Pulla käännetään joko kehykseen kiinnitetyistä nostokorvakkeista tai tarkoitukseen erityisesti suunnitelluilla nostoapuvälineillä (Kuva oikealla, http://www.vulcangroup.com, Donovan muotinkäsittelylaitteet. Tarkistettu ja täydennetty 7.10.2015 (Tuula Höök) - Kertamuottimenetelmät - 14

Kuva 23. Alamuotin täyttökehys ja sen avulla valmistettu pullamuotti. Täyttökehys on periaatteeltaan päältä avoin keernalaatikko. Kovettunut hiekkamuotti poistetaan kehyksestä kääntämällä ja kumoamalla. Muottia käsitellään yleensä nostoapuvälineillä. Kuvassa olevan hiekkamuotin puoliskot ohjataan toisiinsa reunusten avulla. Jakopintatupien ja hiekkatupien käyttö on myös mahdollista. Kuva 24. Alamuotin täyttökehyksen ja siihen liitetyn valumallin poikkileikkauskuva. Muottipuoliskot ohjataan toisiinsa reunuksella. Reunuksen tuottava muoto on merkitty kuvaan nuolella. Kuva 25. Kaavauskehyksiä. Tarkistettu ja täydennetty 7.10.2015 (Tuula Höök) - Kertamuottimenetelmät - 15

Kuva 26. Kaavauskehyksiä. Metallisten kaavauskehysten rakenne Kaavauskehysten tärkeimmät osat, itse kehyksen lisäksi, ovat: ohjaustapit ja -holkit hiekkarivat hiekkalistat nostoelimet lukitusmekanismit Ohjaustupien ja ohjausholkkien (Kuva 15 ja Kuva 27) tehtävänä on ohjata kehykset sekä mallin että toisiinsa nähden täsmälleen oikeaan asentoon. Koska ohjausreiät kuluvat melko nopeasti liian suuriksi, käytetään niissä usein helposti vaihdettavia holkkeja. Kuva 27. Kaavauskehyksen ohjausholkki sekä nosto- ja kääntötappi. Hiekkaripojen (Kuva 28) tehtävänä on estää yläkehykseen sullottua hiekkaa putoamasta ja samalla ne lisäävät kaavauskehyksen lujuutta. Hiekkarivat mahdollistavat myös muotin tukemisen hiekkakoukuilla. Nykyisten kaavauskoneiden puristusvoimat ovat jo niin suuria, ettei pienissä muoteissa tai suurpainekaavattavissa muoteissa tarvitse käyttää hiekkaripoja. Kuva 28. Hiekkarivoilla varustettu kaavauskehys. Tarkistettu ja täydennetty 7.10.2015 (Tuula Höök) - Kertamuottimenetelmät - 16

Kehysten täytyy olla muiltakin rakenneosiltaan niin lujia, etteivät ne muuta muotoaan sullotun hiekan tai valumetallin paineesta ja että niitä voidaan kuljettaa tai kääntää muotin särkymättä. Erityisesti suurpainekaavaus aiheuttaa tavanomaiseen kaavaukseen verrattuna monikertaisen rasituksen. Seinämän jäykkyyttä lisätään ulkopuolisilla rivoituksilla tai muotoilulla. Hiekkalistat. (Kuva 29) Kehysten seinämien sisäpuolet muotoillaan siten, ettei kovettunut hiekkakakku pääse putoamaan sen sisältä. Suoriin sisäseinämiin lisätään putoamista estävät hiekkalistat, jotka samalla lisäävät kehyksen jäykkyyttä. Jos kaavauskehyksen seinämä on muotoiltu muuten (esim. jos kehys on valmistettu muototeräksestä hitsaamalla), ei hiekkalistoja tarvita vaan hiekka pysyy muotissa ilman hiekkalistojakin. Kuva 29. Kaavauskehyksen hiekkalistat. Nostoelimet. (Kuva 30 ja Kuva 31) Nostamisen ja kääntämisen helpottamiseksi kaavauskehyksen varustetaan niiden koosta riippuen joko nostokahvoilla tai -korvakkeilla sekä nosto- ja kääntötapeilla. Kaavauskehyksen nostoelimet. Vasemmalla: Muotin sulkeminen. Oikealla: Muotin siirtä- Kuva 30. minen. Kuva 31. Nostoelimet. Kaavauskehyksen kääntö. Tarkistettu ja täydennetty 7.10.2015 (Tuula Höök) - Kertamuottimenetelmät - 17

Lukitusmekanismit. Sula metalli aiheuttaa nostevoiman pyrkien nostamaan muotin yläpuoliskoa ylöspäin, jolloin muotti voi vuotaa jakopinnastaan. Yksinkertaisin tapa ehkäistä tätä on laittaa muotin päälle painoja. Koska niiden käsittely on rakasta, on kehitetty erilaisia mekanismeja, jolla kehyksen saadaan lukittua toisiinsa. Kuva 32. Kaavauskehysten lukitseminen. Valumallit Lähde: Tiainen, Tuomo - "Valimotekniikan perusteet" Kertamuottimenetelmissä tarvitaan valumalli, jota käyttäen valumuotti valmistetaan eli kaavataan. Valumalli on haluttua valukappaletta muistuttava kokonaisuus, joka poikkeaa varsinaisesta valukappaleesta mitoiltaan (kutistumat) ja geometrialtaan (päästöt eli hellitykset). Yleisin mallimateriaali on edelleen puu, mutta myös muovi-, metalli- ja kertakäyttöisiä (esim. styrox) valumalleja sekä kipsimalleja on käytössä mm. käytetystä kaavausmenetelmästä riippuen. Pienet ja keskisuuret mallit kiinnitetään useimmiten mallipohjiin. Pohjitettu malli tuottaa paremmat tarkkuudet valukappaleille. Irrottaminen muotista on myös helpompaa kuin irtomallin tapauksessa. Mallipohja on levy, joka vastaa muotin jakopintaa. Siihen kiinnitetään kaikki muutkin tarvittavat osat kuten kanavisto, syöttöjärjestelmä ja kohdistusmerkit. (Kuva 33- Kuva 35) Kuva 33. Mallipaletti, johon konekaavauksen mallit ja mallipohja kiinnitetään. Tarkistettu ja täydennetty 7.10.2015 (Tuula Höök) - Kertamuottimenetelmät - 18

Kuva 34. Jaetun konekaavausmallin puolikkaat mallipohjiin ja paletteihin kiinnitettyinä. Vasemmalla: Ylämuotin mallipuolisko valujärjestelmineen ja syöttöineen. Oikealla: Alamuotin mallipuolisko. Kuva 35. Konekaavausmallit odottavat siirtymistä automaattikaavauslinjan kaavauskoneeseen. Tarkistettu ja täydennetty 7.10.2015 (Tuula Höök) - Kertamuottimenetelmät - 19

Muotin täyttöjärjestelmä Alkuperäinen teksti, Seija Meskanen Täydennys ja muokkaus, Tuula Höök, 7.10.2015 Täyttöjärjestelmä koostuu seuraavista osista: kaatoallas tai kaatosuppilo kaatokanava jakokanava valukanavat (eli sisäänmenot) lisäksi täyttöjärjestelmään voi kuulua kuonanerottimia ja suodattimia sekä kaasukanavia Kuva 36. Tyypillinen valumuotin täyttöjärjestelmä. Edellä olevassa kuvassa (Kuva 36) on kaaviollisesti esitetty tyypillinen painovoimaa hyväksikäyttävä valumuotin täyttöjärjestelmä. Useimmiten jakokanava pyritään sijoittamaan ylämuottiin ja valukanavat eli sisäänmenot alamuottiin, kuten periaatekuvassa. Käytännössä joudutaan kuitenkin tekemään kompromisseja kappaleen muotojen tarjoamien mahdollisuuksien ja täyttöjärjestelmän optimaalisen toiminnan suhteen. Kaatokanavasta putoavan metallin virtauksen rauhoittamiseksi käytetään usein laajennusta kaatokanavan ja jakokanavan liittymäkohdassa. Virtausolosuhteita voi parantaa lisää liittämällä jakokanavan ja laajennuksen rampilla toisiinsa (Kuva 37). Edullista on se, että muotin täyttyessä sulan virtaus kanavistossa sekä muotissa on mahdollisimman rauhallinen (laminaari). Pyörteilevä (turbulentti) virtaus kuluttaa kanavistoa ja muottia, sekoittaa kaasuja ja kuonaa sulaan sekä aiheuttaa sulan hapettumista. Virtauksen käyttäytymistä tutkitaan sopivalla simulointiohjelmalla. Tarkistettu ja täydennetty 7.10.2015 (Tuula Höök) - Kertamuottimenetelmät - 20

Kuva 37. jakokanavaan. Kanavisto, johon on liitetty sulan virtausta ohjaava ramppi kaatokanavan laajennuksesta Jako- ja valukanavat voidaan leikata ja hioa valmiiksi kaavatun muotin jakopintaan, valmistaa kanavistotiilistä tai liittää ne mallipohjiin. Hiominen ei ole suositeltavaa, koska mallia vasten kaavattu hiekka takaa paremman pinnanlaadun ja vähentää kanaviston kulumista sulan virtauksen johdosta. Jos kaatokanava valmistetaan mallin avulla, malli asennetaan muottiin kaavauksen yhteydessä siten, että se voidaan vetää pois yläkautta. Kaatokanavan on muutenkin oltava muodoltaan alaspäin suppeneva kartio, jotta se pysyisi täynnä valun yhteydessä. Kanaviston suunnittelua varten valitaan aluksi sopiva muotin täyttöaika (tai tilavuusvirta) ja virtausnopeus. Muotin täyttöaika valitaan siten, että tilavuusvirta ei kasva liian suureksi sekä siten, että kappaleen ohuimmat osat eivät jähmety ennenaikaisesti. Seuraavissa kuvissa (Kuva 38 ja Kuva 39) on esitetty suosituksia muotin täyttöajan eli valuajan valintaan. Ohutseinämäisille kappaleille voi käyttää jonkin verran pienempiä täyttöajan arvoja. Tarkistettu ja täydennetty 7.10.2015 (Tuula Höök) - Kertamuottimenetelmät - 21

Kuva 38. Autere-Ingman-Tennilä: Valimotekniikka II, kuva 113. Kuva 39. Autere-Ingman-Tennilä: Valimotekniikka II, kuvat 114 ja 115. Tarkistettu ja täydennetty 7.10.2015 (Tuula Höök) - Kertamuottimenetelmät - 22

Virtausnopeus muotin ja kanaviston sisällä pyritään saamaan 1 2 m/s tasolle. Tähän päästään asettamalla kaatokanavan alaosan poikkipinta-ala siten, että muotin täyttämiseksi vaadittava sulamäärä virtaa valitun täyttöajan puitteissa kaatokanavan läpi nopeudella 1 1,5 m/s. Poikkipinta-ala lasketaan tällöin kaavalla V q A = v = t v v, jossa A = kaatokanavan alaosan poikkipinta-ala V = valukappaleen tilavuus t = täyttöaika v = virtausnopeus qv = tilavuusvirta Taulukko 1. Autere-Ingman-Tennilä: Valimotekniikka II, taulukko 18. Kaatokanavan alaosan poikkipinta-ala, jakokanavien yhteenlaskettu poikkipinta-ala ja valukanavien yhteenlaskettu poikkipinta-ala mitoitetaan suhteessa toisiinsa siten, että kanavistosta tulee joko paineellinen tai paineeton. Jos valukanavien yhteenlaskettu pinta-ala on pienempi kuin jakokanavan, kanavisto on paineellinen. Paineellista kanavistoa käytetään valuraudoille, teräksille sekä kuparimetalleista tinapronsseille, messingeille ja punametalleille. Paineetonta kanavistoa käytetään herkästi hapettuville metalleille: runsasseosteiset valuteräkset, alumiiniseokset, pii- ja mangaanipronssit. Poikkipintaalojen suhdetta kutsutaan täyttösuhteeksi. Oheinen taulukko (Taulukko 1) esittää suositeltavia täyttösuhteita eri valumetalleille. Taulukkoa luetaan siten, että äärimmäisenä vasemmalla on kaatokanavan alaosan poikkipinta-ala, keskellä jakokanavan poikkipinta-ala ja äärimmäisenä oikealla valukanavan poikkipinta-ala. Esimerkki. Pallografiittivaluraudasta valmistettavan kappaleen ja sen valukkeiden yhteenlaskettu massa on 586 kg. Kaavioiden perusteella valitaan täyttöajaksi (t) 20 sekuntia. Kaatokanavan alaosan virtausnopeudeksi pyritään saamaan 1 m/s. Lasketaan kaatokanavan alaosan poikkipinta-ala, jakokanavien yhteenlaskettu poikkipinta-ala ja valukanavien yhteenlaskettu poikkipinta-ala. Pallografiittivaluraudan tiheys on noin 7300 kg/m 3. 586 kg painavan kappaleen ja valukkeiden yhteenlaskettu tilavuus V on tällöin: 586 kg / 7300 kg/m 3 0,08027 m 3. Tilavuusvirta qv on valitun täyttöajan perusteella: V/t = 0,08027 m 3 / 20 s = 0,0040135 m 3 /s. Jotta virtausnopeudeksi v kaatokanavan alaosassa, saadaan 1 m/s, täytyy alaosan poikkipinta-alaksi Ak ottaa: Ak = qv/v = (0,0040135 m 3 /s) / (1 m/s) = 0,0040135 m 2 = 4014 mm 2. Tarkistettu ja täydennetty 7.10.2015 (Tuula Höök) - Kertamuottimenetelmät - 23

Jos käytetään täyttösuhdetta 1:1,5:1,2, jakokanavien yhteenlasketuksi pinta-alaksi Aj saadaan: Aj = 1,5 x Ak = 1,5 x 4014 mm 2 = 6021 mm 2. Ja valukanavien yhteenlasketuksi poikkipinta-alaksi Av: Av = 1,2 x Aj = 1,2 x 6021 mm 2 = 7225 mm 2. Kuonanerottimet ja suodattimet Kuonanerottimien tarkoituksena on estää kuonan pääsy muottiin. Niihin saadaan kerättyä mm. kanavistosta irtoavaa hiekkaa ja metallin hapettuessa syntyneitä oksideja. Kuonanerottimia ovat kuonaesteet, -loukut, umpikanavat ja suodattimet. Suodattimilla parannetaan valujen laatua: pinnanlaatua, mekaanisia ominaisuuksia ja mittatarkkuutta. Suodattimien käytöllä voidaan vähentää koneistuksen tarvetta ja siinä ilmeneviä ongelmia. Kovia sulkeumia muodostuu vähemmän ja työstöterät kestävät hyvin. Jos valukappaleen pinnasta tai aivan pinnan alta paljastuu sulkeumia koneistuksessa, on valukappaleeseen sitoutunut jo huomattavasti kustannuksia. Suodattimet voidaan jakaa esimerkiksi vaahtosuodattimiin, kangassuodattimiin ja siiviläsuodattimiin (Kuva 41). Kangas- ja siiviläsuodatin ovat toiminnaltaan samankaltaisia. Sula virtaa yhdensuuntaisten reikien läpi eikä suodatin vaikuta sen virtausnopeuteen. Suodattuminen tapahtuu suodattimen pinnalla, minkä seurauksena kangas- ja siiviläsuodattimet tukkeutuvat helposti. Vaahtosuodattimilla suodattuminen tapahtuu materiaalin koko paksuudella. Niiden tehollinen pinta-ala on suurempi kuin vastaavien kokoisten kangas- ja siiviläsuodattimien. Vaahtosuodattimien etuna on myös sulan virtausnopeutta hidastava ja turbulenttista virtausta estävä vaikutus. Tämän ansioista sulassa olevilla kaasuilla on mahdollisuus poistua ja kaasuvikojen esiintymistodennäköisyys pienenee. Turbulenttisen virtauksen vähentyessä sulan metallin reoksidoituminen ja syntyvän kuonan määrä vähenee. Vaahtosuodattimet puhdistavat myös pienempiä sulkeumia kuin laskennallisen huokoskoon perusteella olisi ennustettavissa. Puristetut ja pursotetut suodattimet pysäyttävät sulkeumista vain ne, jotka ovat suurempia kuin niiden huokoskoko. Kuva 40. Syöttökupu, jossa on suodatin. Kaataminen syötön kautta. Tarkistettu ja täydennetty 7.10.2015 (Tuula Höök) - Kertamuottimenetelmät - 24

a) Vaahtosuodatin b) Siiviläsuodattimia c) Suodatinkangas d) Erikokoisia vaahtosuodattimia Kuva 41. Erityyppisiä suodattimia. Vaahto- ja siiviläsuodattimet sekä suodatinkangas. Jotta suodattimesta olisi hyötyä: tulee se sijoittaa oikeaan kohtaan muotissa (1) sen tulee olla oikean kokoinen sekä halkaisijaltaan ja paksuudeltaan että (2) hienoudeltaan (=huokoskoko). (3) 1. Suodatin kannattaa sijoittaa niin lähelle valukappaletta kuin mahdollista - tyypillisesti jakokanavaan. Suodatin voidaan asettaa joko vaaka- tai pystysuoraan (Kuva 42). Valintaan vaikuttaa metalli, sen virtausnopeus, käytettävissä oleva tila sekä valun puhtaus- ja tiiveysvaatimukset. 2. Suodattimen koon valinnassa on kiinnitettävä huomiota kahteen tekijään: Metallin virtausnopeuteen: valulle on yleensä määritelty kriittinen kaatoaika ja optimaalinen kaatonopeus (=metallimäärän paino / kaatoaika). Kaikki vaahtosuodattimet aiheuttavat vastusta metallin virtausnopeudelle, mutta valikoimalla oikea suodattimen koko vastus voidaan minimoida. Suodattavan pinnan kokonaispinta-alan pitäisi olla vähintään 5-6 kertaa kaatokanavan halkileikkauksen pinta-ala. Suodattimen läpi virtaava metallimäärä ennenkuin se tukkeutuu: Tukkeutuneen suodattimen läpi virtaava metallimäärä vähenee dramaattisesti tai jopa loppuu kokonaan. Tukkeutuminen johtuu sulkeumien kerääntymisestä suodattimeen. Se Tarkistettu ja täydennetty 7.10.2015 (Tuula Höök) - Kertamuottimenetelmät - 25

kuinka suuri metallimäärä virtaa suodattimen läpi ennenkuin se tukkeutuu riippuu valumetallista, sen puhtaudesta, valulämpötilasta, suodattimen hienoudesta ja täyttöjärjestelmästä. 3. Vaahtosuodattimia on saatavana eri hienousasteita. Hienoimmalla saadaan puhtainta sulaa, mutta sen on oltava suurikokoinen (halkaisijaltaan) sen suuremman metallin virtausta vastustavan vaikutuksen takia. Lisäksi koska se pidättää pienempiä sulkeumia, tulee pintaalan olla suurempi, jotta vältetään suodattimen tukkeutuminen. Kuva 42. Tapoja sijoittaa suodatin valukanavistoon. Kaasukanavat Kaasukanavat täydentävät muotin täyttöjärjestelmän toimintaa. Niiden tehtävänä on poistaa ilma muotin ontelosta sekä estää kaavaus- ja keernahiekasta erkautuvan vesihöyryn ja sideaineitten palamiskaasujen sekoittuminen sulaan metalliin. Kevytmetallien valussa syntyy muottikaasuja Tarkistettu ja täydennetty 7.10.2015 (Tuula Höök) - Kertamuottimenetelmät - 26

vähemmin alhaisten lämpötilojen takia. Ne pitää kuitenkin saada poistetuksi, koska kevytmetallien alhaisen tiheyden takia kaasut tunkeutuvat helposti sulaan metalliin. Syntyvät kaasut poistuvat avonaisten syöttökupujen ja vartavasten tehtyjen kaasunpoistokanavien kautta. Ellei avoimia syöttökupuja ole, on umpinaisista syöttökuvuista syytä painaa kaavattaessa suurehkot ilmakanavat muotin yläosan läpi. Kappaleen kohdalla voidaan käyttää vain pieniä pyöreitä tai litteitä kaasukanavia, koska suurehkojen kaasukanavien juureen tai alle valukappaleeseen syntyy usein imua tai puhallusta. Muotin kaasunläpäisykykyä parantavat kaasureiät tulisi pistellä mieluimmin sullotun kaavauskehyksen yläpinnasta malliin päin, mutta ei malliin saakka. Kanavat pysyvät silloin auki vielä valun päätyttyäkin, eikä niihin muodostu puhdistustyötä lisääviä metallitappeja. Muotin jakopintaan tulee varata riittävän avarat kaasukanavat keernansijojen kohdalle keernasta tulevien kaasujen vapaan poistumisen varmistamiseksi. Keernojen kaasukanavista on kerrottu enemmän otsikon "Keernojen kaasukanavat" alla. Syöttöjärjestelmä Alkuperäinen teksti, Seija Meskanen Täydennys ja muokkaus, Tuula Höök, 7.10.2015. Tekstiä on täydennetty lähteen Autere-Ingman-Tennilä: Valimotekniikka II, luku 2 pohjalta siten, että on otettu huomioon nykyiset mahdollisuudet hyödyntää 3D- CAD suunnittelua ja valunsimulointiohjelmistoja. Teoriatausta Kaikki metallit kutistuvat sulassa tilassa ja yhtä poikkeusta lukuunottamatta jähmettyessään. Jotta kutistuminen ei aiheuttaisi ainevajausta ja muita kutistumavikoja, on muottiin täytettyä sulaa tarpeen syöttää. Syöttötarpeen määrä riippuu valumetallin jähmettymismorfologiasta, jähmettymiskutistumasta, muottimateriaalista, kaavausmenetelmästä ja valukappaleen muodosta. Syöttöjärjestelmä koostuu: syöttökuvuista syöttötäytteistä ja jäähdytyskappaleista Syöttöjärjestelmän osat valmistetaan irrallisista osista, jotka kiinnitetään malliin valmistettuihin kiinnityskohtiin ennen kaavausta (ks. oheisia kuvia). Mallien avulla valmistettujen syöttökupujen mallit on voitava poistaa muotista kaavauksen jälkeen. Syöttökuvun voi siis valmistaa kaavaamalla mallin avulla, mutta sen voi valmistaa myös käyttämällä erillisiä syöttökupuja, jotka jätetään kaavauksen yhteydessä muottiin. Erilliset syöttökuvut voivat olla lämpöä kehittäviä tai eristäviä. Syöttökuvut voivat olla avoimia tai suljettuja. Suljetut umpikuvut ovat kokonaan muottiaineen ympäröimiä. Avoimet syöttökuvut aukeavat muotin yläpintaan. Syöttökupu tai -kuvut voidaan asettaa kappaleen päälle tai sivulle jakopinnan kohdalle. Englanninkieliset termit ovat top feeder ja side feeder. Kappaleen päällä olevalle syötölle ei ole olemassa erityistä suomenkielistä termiä. Kappaleen sivulla olevaa syöttöä kutsutaan sivusyötöksi. Syöttötäytteet ovat ainepaksuuden lisäyksiä, joiden tehtävänä on varmistaa sulan metallin häiriötön virtaus muotin kaikkiin osiin. Valumetalleilla on tietty syöttömatka. Jos kappaleen pituus ylittää tämän arvon, muodostuu kappaleeseen alue, johon syntyy imuhuokoisuutta. Imuhuokoisuus voidaan estää lisäämällä tälle alueelle syöttötäyte. Jäähdytyskappaleiden eli kokillien tehtävänä on nopeuttaa jähmettymistä paikallisesti, jotta suunnattu jähmettyminen toteutuu. Toisinaan niitä käytetään aikaansaamaan valukappaleen tiettyyn kohtaan hienojakoisempi mikrorakenne. Valuvikojen välttämiseksi kokillien tulee olla ruosteetto- Tarkistettu ja täydennetty 7.10.2015 (Tuula Höök) - Kertamuottimenetelmät - 27

mia, rasvattomia ja kuivia. Jäähdytyskappaleita varten malliin tehdään lisäys, jonka kohdalle kokilli kaavauksen jälkeen sijoitetaan. Syötön tarpeen arviointiin käytetään nykyisin simulointiohjelmistoja joko pelkästään tai moduulilaskentaan yhdistettynä. Moduulilla tarkoitetaan valukappaleen tai sen osan tilavuuden ja lämpöä pois johtavan ulkopinnan pinta-alan suhdetta. Sillä arvioidaan valukappaleen tai sen osan jäähtymispotentiaalia. Ajatuksena on, että suuri ulkopinta-ala johtaa lämpöä tehokkaasti siinä missä pieni ulkopinta-ala on vähemmän tehokas. Näin ollen ne osat valukappaletta, joissa moduuli on suuri, jäähtyvät hitaammin kuin osat, jossa moduuli on pieni. Todellisuudessa tilanne ei ole näin yksinkertainen, koska ulkopinnan muoto vaikuttaa lämmön johtumiseen. Esimerkiksi sisänurkka johtaa lämpöä huonommin pois kappaleesta kuin pinta-alaltaan samansuuruinen ulkonurkka. Moduulin M yksikkö on cm. Se lasketaan kaavalla: V M=. A Kaava on yksinkertainen, mutta CAD -ohjelmistoja edeltävänä aikana on ollut erittäin työlästä määrittää muodoiltaan monimutkaisen tilavuuskappaleen tilavuutta ja sen pinnan pinta-alaa. Tästä syystä moduulia pyrittiin arvioimaan jakamalla kappale yksinkertaistettuihin muotoihin, kuten levyihin, palloihin, palkkeihin ja putkiin. Nykyiset simulointiohjelmat laskevat moduulin osana jähmettymislaskentaa, mutta CAD -ohjelmistoilla voi myös tehdä alustavia arvioita suhteellisen helposti. Valukappaleen valuasento ja syöttöjen paikat pyritään yleensä asettamaan siten, että suuremman moduulin alueen on mahdollista syöttää pienemmän moduulin aluetta. Heuversin ympyräsääntö liittyy tähän ohjeeseen. Ympyräsäännön mukaan valukappaleen poikkileikkaukseen piirrettyjen ympyröiden on päästävä vapaasti siirtymään syöttökupuihin päin (Kuva 43). Kuva 43. kuva 70. Autere-Ingman-Tennilä: Valimotekniikka II, Seinämän riittävää kaltevuutta voi pyrkiä arvioimaan ja toteuttamaan seuraavilla tavoilla 1 : seinämistä kohti kappaleen keskustaa ja yläosia etenevien jähmettymisrintamien välillä on kulma; jähmettymisrintamat eivät saisi olla yhdensuuntaiset seinämänpaksuuden (syöttötäytteen) pitäisi lisääntyä 0,2 moduulin verran 4 moduulin matkalla; Ableidingerin nyrkkisääntö edelliseen tulokseen päästään, jos seinämänpaksuus kasvaa 5 % seinämän korkeusmittaa kohden Steinin käyrästö (Kuva 44) Käytännön valukappaleiden jähmettyminen ei ole yksinkertaista siten, että Heuversin ympyräsäännön noudattaminen läheskään aina johtaisi toivottuun lopputulokseen. Sen myötä kehitettyjen suunnittelusääntöjen ja periaatteiden avulla tulee ensi sijaisesti pyrkiä korjaamaan simuloinnissa 1 Autere-Ingman-Tennilä: Valimotekniikka II, luku 2. Tarkistettu ja täydennetty 7.10.2015 (Tuula Höök) - Kertamuottimenetelmät - 28

ilmi tulleita ongelmia eikä tekemään kappaleen perusmuotoilua. Esimerkiksi syöttötäytteet voi mitoittaa tällä tavoin. 5 % seinämänvahvuuden lisäystä vastaava käyrä Kuva 44. Autere-Ingman-Tennilä: Valimotekniikka II, kuva 72. Syöttökuvun kaulan moduulin tulee olla jonkin verran pienempi kuin varsinaisen syöttävän osan moduuli. Esimerkiksi teräksillä suhteeksi voidaan ottaa Mkappale:Mkaula:Mkupu = 1,0:1,1:1,2 2. Muilla materiaaleilla suhde on samaa luokkaa. Koska kaulan moduuli ja mitoitus on eräs tärkeimmistä syötön onnistumiseen vaikuttavista tekijöistä, sitä voi pitää suunnittelun lähtökohtana. Jäljempänä esitetään kaavioita, joilla voi arvioida kaulan halkaisijaa suhteessa kuvun syöttävän osan halkaisijaan. 2 Autere-Ingman-Tennilä: Valimotekniikka II, luku 2. Tarkistettu ja täydennetty 7.10.2015 (Tuula Höök) - Kertamuottimenetelmät - 29

Yksittäinen syöttökupu syöttää tietyn valumateriaalista ja kappaleen seinämänpaksuudesta riippuvan matkan. Matkaa kutsutaan syöttökuvun vyöhykkeeksi. Kappaleen reuna-alue laajentaa syöttökuvun vyöhykettä jonkin verran. Syöttökuvun vyöhykettä ja siihen yhdistettyä reuna-aluetta kutsutaan kokonaissyöttömatkaksi. Jos kahdella tai useammalla syöttökuvulla tiivistetään laajaa levymäistä aluetta, kupujen välille ei muodostu reunavaikutusta. Kunkin kuvun syöttömatka on tällöin ainoastaan vyöhykkeen levyinen ja kahden kuvun välimatkaksi tulisi asettaa vyöhykkeen leveys kahdella kerrottuna. Vyöhyke alkaa syöttökuvun kaulan reunasta, ei siis keskipisteestä. Seuraava kuva (Kuva 45) selventää lueteltuja yksityiskohtia. Arvoja eri valumetalleista valmistetuille vaakasuorille levymäisille valukappaleille esitetään seuraavassa taulukossa (Taulukko 2). Pystysuorille seinämille käytetään samoja tai hieman suurempia arvoja. Taulukko 2. Autere-Ingman-Tennilä: Valimotekniikka II, taulukko 12. Kuva 45. Syttökuvun vyöhykkeen, reunavyöhykkeen ja kokonaissyöttömatkan muodostuminen Tarkistettu ja täydennetty 7.10.2015 (Tuula Höök) - Kertamuottimenetelmät - 30

Syöttötarpeen arviointi simulointiohjelman avulla Simulointiohjelmiston avulla voi arvioida syöttötarvetta seuraavien vaiheiden kautta: 1. Valitaan valukappaleelle valuasento siten, että a. paksuimmat kohdat eli käytännössä kohdat, joissa moduuli on suurin, pyritään asettamaan ylimmäksi b. pinnanlaadultaan ja lujuusominaisuuksiltaan vaativimmat kohdat pyritään asettamaan alimmaksi c. kappaleeseen löytyy mahdollisimman yksinkertainen jakolinja, jonka kahta puolen kappale hellittyy siten, että muotin osien määrä on taloudellinen d. jakolinjalle voi asettaa valukanavan siten, että virtauskorkeus muotin sisällä ei muodostu kohtuuttomaksi e. kappaleeseen ei jää paksuja kohtia ohuiden kohtien ympäröimäksi siten, että syöttäminen ei onnistu f. keernoille saa laadittua hyvät kannat jakopinnan tasalle tai kappaleen ylä- ja alapuolelle g. kaikki keernat on tarpeeksi tuettu siten, että ne eivät pyri taipumaan tai kellumaan muotin sisällä 2. Tehdään kappaleelle jähmettymislaskenta valitussa valuasennossa 3. Analysoidaan seuraavat: a. Hot Spotit eli pisimpään kuumina pysyvät kohdat b. huokoisuusennuste c. jähmettymisen eteneminen d. lämpötilat jähmettymisen aikana e. moduuli 4. Jos simulointiohjelmiston tulos osoittaa, että: a. kappaleen sisäosissa ei ole haitallista huokoisuutta syöttöjen ulottumattomissa b. pisimpään kuumina pysyvät kohdat sijaitsevat pääosin kappaleen yläosissa tai niihin voi ulottaa syötön c. jähmettymisrintama ei hajoa haitallisesti d. jähmettyminen etenee kappaleen yläosien suuntaan, siirrytään syöttöjen mitoitukseen, muussa tapauksessa vaihdetaan valuasentoa ja tehdään uusi laskenta. Ellei valuasennon vaihtaminen tuota suotuisaa tulosta, kappaleen muotoilua täytyy muuttaa. Muotoilun muuttamisen voi perustaa esimerkiksi edellä esitettyyn Heuversin ympyräsääntöön tai moduulien kasvattamiseen. Syöttöjen mitoittaminen Syötöt asetetaan kappaleeseen niille kohdin, joihin simulointiohjelma osoittaa huokoisuutta. Syötöt voi asettaa kappaleen päälle tai sivuille. Kappaleen huokoisuutta muodostava osuus sijoittuu yleensä: ylimmäksi paikalliseen, pitkään kuumana pysyvään kohtaan ympäröiviä seinämiä paksumpaan kohtaan, vaikka se ei keräisi lämpöä tai pysyisi pitkään kuumana seinämien keskilinjoille Tarkistettu ja täydennetty 7.10.2015 (Tuula Höök) - Kertamuottimenetelmät - 31