2. Valukappaleiden suunnittelu mallikustannusten kannalta Pekka Niemi Tampereen ammattiopisto 2.1. Valukappaleiden muotoilu Valitse kappaleelle sellaiset muodot, jotka on helppo valmistaa mallipajojen työstökoneilla. Yksinkertaiset geometriset muodot ovat helpoimmat valmistaa, joten niitä on pyrittävä käyttämään aina, kun muut seikat eivät niitä toisin määrää. ei epäsäännöllisiä pintoja mielellään helppoja valmistaa = tasomaisia suoraviivaiset pinnat (nykyisin koneistuskeskukset mahdollistavat vaikeitakin muotoja) Kuva 1. Muotoilun vaikutus mallikustannuksiin 2.2. Profiilin valinta Mallin valmistaminen valukappaleelle, jolla on avonainen profiili (ks. kuva 2), on aina halvempaa kuin mallin valmistaminen suljetun rakenteen tai muodon omaavalle kappaleelle (A). Suljettu rakenne vaatii lisäksi vielä mm. keernalaatikot. mielellään avoin suljettu antaa lujuusteknisyyttä (ylimitoitusta vältettävä) Kuvan 2 C ratkaisu on esitetyistä vaihtoehdoista kaavauksellisesti nopeampi valmistaa ja josta huomioitava 20.4.2010 Pekka Niemi Valukappaleiden suunnittelu mallikustannusten kannalta - 1
ei keernoja, joista seuraa keernalaatikon ja keernan valmistus-, kuljetus- ja varastointikustannuksia keernan tuenta asettaa vaatimuksia rakenteen ja aseman varmistamisessa muotissa kehäkoko pienempi ja myös käytettävähiekkamäärä vähäisempi. Kuva 2. Esimerkkejä laakeripukin erilaisista rakenteista ja niiden mallikustannuksista 2.3. Laippojen sijoittaminen Jakotasossa sijaitsevat laipat on asetettava siten, että ne eivät estä kaavausta vältä keernaratkaisuja keernaratkaisusta keernalaatikon ja keernan valmistus-, sekä kuljetus ja varastointikustannuksia keernan tuenta asettaa vaatimuksia rakenteen ja aseman varmistamisessa muotissa vältä moniosaisia muotteja eli minimoi jakotasojen määrä Kuvan 3 B ja C ratkaisussa seuraa muottiin polvana, jonka ehjänä säilyminen mallia irrotettaessa asettaa kaavaushiekalle vaativampia lujuusvaatimuksia, ja mallissa on oltava riittävä hellitys. 20.4.2010 Pekka Niemi Valukappaleiden suunnittelu mallikustannusten kannalta - 2
Kuva 3. Laipan muotoilu. Laippaa ei pidä sijoittaa sisäpuolelle kuten kuvassa A, jos se voidaan asettaa ulkopuolelle. Rakenteet B ja C voidaan kaavata ilman keernaa, mutta ei rakennetta A. 2.4. Käytä jäykisteitä, jotka eivät estä mallin irrotusta Kaavauskustannuksia nostavat usein valukappaleessa olevat sellaiset rivat, listat ja muut jäykisteet, jotka estävät mallin irrotuksen muottia rikkomatta ja jotka eivät ole niin välttämättömiä, että korkeimmat kustannukset olisivat perusteltuja. Myös silloin kun jäykisteitä täytyy käyttää, on usein mahdollista valita sellainen vaihtoehto, joka ei lisää huomattavasti valmistuskustannuksia. Jäykistelistojen asemesta voidaan vaihtoehtoisesti lisätä kappaleen seinämänpaksuutta (Kuva 4) tai käyttää lujempaa ainetta. Ohjeena suunnitteluun on vältä jäykisteitä, joista aiheutuu teräviä reunoja seuraa massakeskittymiä hankaloittavat mallin irrotusta seuraa turhia kustannuksia Kuva 4. Kolme eri tapaa käyttää jäykisteitä 20.4.2010 Pekka Niemi Valukappaleiden suunnittelu mallikustannusten kannalta - 3
Kuva 5. Kaksi eri tapaa jäykistää laippa. Vahvistuslistat rakenteessa A vaikeuttavat irrotusta, minkä vuoksi rakennetta B on pidettävä parempana. 2.5. Voidaanko valukappale tehdä halvemmalla osiin jaettuna? Joskus on edullista jakaa kappale yksinkertaisempiin osiin joko keernojen asetuksen tai kiinnityksen helpottamiseksi tai myös sen takia, että osat voidaan kaavata ilman keernoja. Erityisesti suurissa valukappaleissa, joissa on pienet keerna-aukot, voi keernan valmistuksesta tulla ongelma (kuva 6). Huomattava on, että keernan pitää onnistuneen käsittelyn takaamiseksi: olla lujasti vahvistettu keernan valmistuksen ja käsittelyn vuoksi sulan metallin paineen vuoksi valupaine voi murtaa keernan sen ohuimmista kohdista olla muodoltaan ja rakenteeltaan sellainen, että se voidaan tukea paikoilleen tukevasti oikeaan asemaansa olla helposti asetettavissa muottiin olla helposti poistettavissa valun jälkeen. Valukappale voidaan jakaa rakenteellisesti ja näin helpottaa valamista. Sylinterikappale voidaan myös tehdä hitsaamalla teräslevystä samoilla kustannuksilla. Kuitenkin valuraudan paremmat ominaisuudet korkeassa lämpötilassa ja pintaominaisuudet ohjaavat valun käyttöön (kuva 6). Kuva 6. Paperikoneen sylinteri. 20.4.2010 Pekka Niemi Valukappaleiden suunnittelu mallikustannusten kannalta - 4
Tässä valmistustavassa tarvitaan useampi muotti, mutta vähentyneen keernatyön vuoksi kokonaiskustannus on edullisempi. Kuvan 6 valukappaleen suuri koko aiheuttaa sen, että sylinterin (A) keerna on vaikea laskea muottiin. Keerna joudutaan myös asettamaan varsin ohuen keernatuen varaan muottiin, jolloin sen paikallaan pysyminen keernan muottiin asetuksen ja valun aikana ovat vaativia rakenteelle. Lisäksi mahdolliset nostot, siirrot ja kuljetustavat ovat vaativampia. Jaetun rakenteen (B) valmistamisessa ei sen sijaan ole mitään vaikeuksia. Jos valukappaleen geometrinen muoto poikkeaa paljon kaavauskehysten muodosta, tulee kehyksen tilalle huonosti hyödynnetyksi hiekka/metalli-suhde. Tällaiset valukappaleet on usein edullista jakaa pienemmiksi ja yksinkertaisemmiksi kappaleiksi (kuva 7). Kappaleen jakaminen osiin tekee usein myös mahdolliseksi konekaavauksen sellaisille kappaleille, jotka muutoin täytyisi kaavata käsin. Kuva 7. Vaikeasti kaavattavan kappaleen jako osiin. Jakamisen jälkeen alentuivat kaavauskustannukset 43 %. Kuvan 7 valukappaleen kaavauksessa kokonaisena yhdessä osassa syntyisi ylimääräistä hiekkakustannusta kappaleen muodon vuoksi (ellei muotissa valeta jotakin muuta kappaletta, on muotissa paljon tyhjää tilaa). Vaikka valukappale tehdään kahdesta osasta, valmistus on kokonaisuutena selvästi edullisempi tehdä kahteen muottiin ja kokoonpannaan osat myöhemmin esim. hitsaus- tai pulttirakenteella. 20.4.2010 Pekka Niemi Valukappaleiden suunnittelu mallikustannusten kannalta - 5
2.6. Rakenteen yksinkertaistaminen Mallivarusteet tulevat yksinkertaisimmiksi ja halvemmiksi, jos mallia ei tarvitse jakaa (ks. kuva 8). Lujuus- ym. näkökohdat voivat kuitenkin puoltaa rakennetta A. Kuva 8. Hihnapyörän rakenteen muuttaminen edullisemmaksi mallikustannusten kannalta Kuva 8:n ratkaisussa saavutetaan mm. seuraavia hyötyjä kuvan valukappaleen valmistuksessa: Malli, joka on kahdessa osassa ja on samalla kaavattu kahteen muotinpuoliskoon, muutetaan yhdeksi malliksi, jolloin päästään kaavaaman se yhdessä muotinpuoliskossa. Näin saavutetaan pienemmät työvarat sekä pienempi toleranssiaste. Mallin ollessa yhdessä muotin osassa vältetään esim. ristivikamahdollisuus, jolloin em. toleranssiaste on pienempi. Tällä tavoin Saavutetaan helpommin vaaditut mitat kappaleessa. Saavutetaan mahdollisesti säästö hiekkakustannuksissa. Parannetaan syöttö- ja valutapahtumaa, koska tarvittaessa saadaan samalla valukorkeutta ylämuottiin kaatokanavistoon ja syöttöä varten sekä valukanavistoratkaisulle erityisesti teräsvalulla ja kevytmetallivalulle hiekkamäärää erikseen kasvattamatta. Valukappaleen puhdistustarve vähenee. Jakopintapurseiden ym. virheiden määrä vähenee. 20.4.2010 Pekka Niemi Valukappaleiden suunnittelu mallikustannusten kannalta - 6