20. Syöttöjärjestelmän suunnittelu Pekka Niemi Tampereen ammattiopisto Syöttöjärjestelmän suunnittelu aloitetaan tavallisesti valoksen tarkastelulla, jossa etsitään syöttömetallia tarvitsevat kohdat. Kun nämä on todettu, jaetaan valos syöttöalueisiin, joihin sijoitetaan riittävän suuri syöttökupu. Syöttöjen sijoituksen ja mitoituksen on onnistuneen lopputuloksen kannalta täytettävä kolme ehtoa: Syöttömatkaehto (syöttöalueet ja suunnattu jähmettyminen) Jähmettymisaikaehto (modulisuhteet) Metallimääräehto (syöttökuvun massa) Aiemmin syöttämisehtojen yhteydessä on mainittu moduli, jota käytetään laskennassa. Moduli on valukappaleen tilavuuden ja pinta-alan suhde. Valukappaleen tilavuus edustaa lämpömäärää, joka muottiin on tuotu silloin, kun muotti on täytetty sulalla metallilla. Valukappaleenpinta-ala edustaa lämpöä poisjohtavan virran poikkipinta-alaa. 2 V t = k, jossa O t= jähmettymisaika k= muottikohtainen kerroin O= valukappaleen pinta-ala V= valukappaleen tilavuus Valukappaleen syöttämisen suunnittelussa tarkastellaan syöttökupujen syöttökykyä vaiheittain karkeasti seuraavasti: Syöttökuvuille lasketaan moduulit ja tarkastetaan metallimääräehto, eli syöttökuvun on kyettävä luovuttamaan jähmettyvään valukappaleeseen riittävä määrä metallia kutistumien korvaamiseksi. kuinka suuren osan syöttökupu todella syöttää? 21.7.2010 Pekka Niemi Syöttöjärjestelmän suunnittelu - 1
Syöttökuvuille lasketaan moduulit ja tarkastetaan syöttömatkaehto (Heuversin ympyräsääntö) lämpötilarinne eli lämpötilagradientti tarkastetaan jähmettymisaikaehto syöttökuvun on pysyttävä sulana niin kauan kuin syöttöä tarvitaan. Mikäli tarvitsee vaikuttaa johonkin muotin osan jäähtymiseen, voidaan sitä nopeuttaa tai hidastaa. Jähmettymisen hidastaminen ja nopeuttaminen: ulkoiset jäähdytyskappaleet (katso 20.1.6 Ulkoiset jäähdytyskappaleet) sisäiset jäähdytyskappaleet lämpöä kehittävät ja eristävät materiaalit (katso kuvat 109 ja 111.) sirotteet vaippoina täytteinä voimakkaasti jäähdyttävät hiekkaseokset. Kuva 116.Sisäinen jäähdytyskappale Metallimääräehto eristämättömälle syöttökuvulle: hyötysuhde on 14 %. Käyttämällä lämmön poistumista hidastavia eristeitä voidaan hyötysuhde nostaa 34 %:iin. Eksotermisillä (lämpöä luovuttavilla) syöttökuvuilla päästään jopa 67 %:iin. Syöttökuvun muoto ja syöttöjärjestelmä vaikuttavat myös hyötysuhteeseen. Umpikuvut on mahdollista muotoilla lämpötaloudellisesti edullisemmiksi kuin avokuvut. Umpikupujen yläosaan sijoitetaan puhkaisuhalkio eli -keerna (Williams-keerna) (katso kuva 114), jonka tehtävänä on päästää ilmanpaine syöttökupuun. Jos syöttökupuun nimittäin pääsisi jähmettymään kuori, edellyttäisi syöttökuvun toimiminen tyhjön syntymistä sen sisään. Se ehkäisisi tehokkaasti syöttöä. Syöttökuvun muotoa on käsitelty Muotinvalmistustekniikka kirjassa. 21.7.2010 Pekka Niemi Syöttöjärjestelmän suunnittelu - 2
20.1 Syöttöjen suunnittelunäkökohtia Syöttökuvun koko, muoto ja sijoitus on optimoitava syöttöominaisuuksien ja taloudellisuuden kannalta. Tällöin syöttökuvulle määritetään seuraavia vaatimuksia: syöttökupu on voitava kaavata syöttökupu ei saa estää valoksen kutistumista kupu on voitava irrottaa helposti on vältettävä kuvun sijoittamista sellaiselle pinnalle, jota ei voida tai ei saa työstää isoissa valoksissa on suositeltavaa käyttää avoimia syöttökupuja; koska niihin voidaan tarvittaessa kaataa lisää metallia tai kuvun pinta voidaan peittää eristävällä tai eksotermisellä massalla sivusyöttökupuja tulee käyttää, jos useampia valoksia syötetään yhtä aikaa; umpinaisten sivusyöttökupujen on ulotuttava vähintään 25 mm syötettävän valoksen osan yläpuolelle yläsyöttökuvun etuina ovat mm. tasainen syöttövaikutus, imuontelon nousu ylöspäin syöttökupuun sekä helppo kaavaus. 20.2 Modulilaskennan vaiheet Modulilaskennan vaiheet voivat olla karkeasti seuraavan kaltaisia jaetaan valukappale syöttöalueisiin syöttökupujen muodon valitseminen syöttökupujen sijoituspaikkojen moduulien valinta kappaleelle tai sen osille, jos jaettu useampaan osaan lasketaan syöttökupujen moduulit syöttökupujen valitseminen syöttömetallin tarkistaminen. Kutistumavikojen välttämiseksi on huolehdittava, että: valoksen ja syöttöjen suunnittelussa otetaan huomioon kyseisen metallin luontaiset syöttöominaisuudet valoksessa toteutuu mahdollisuuksien mukaan suunnattu jähmettyminen syöttö pysyy sulana kauemmin kuin se valoksen osa, jota se syöttää syöttö on määrältään riittävä, jotta se myös itse jähmettyessään ja kutistuessaan pystyy luovuttamaan valoksen syöttämiseen riittävän metallimäärän. 21.7.2010 Pekka Niemi Syöttöjärjestelmän suunnittelu - 3
Kiinteäkutistuman aikana kappale ja valujärjestelmä ovat kokonaan jähmettyneet ja kiinteässä tilassa jolloin: Kappale kokee vain lämpölaajenemisesta johtuvia mittamuutoksia. Syöttöjärjestelmällä ei ole osuutta eikä arpaa kiinteäkutistuman huomioinnissa. Kiinteäkutisuma kompensoidaan tekemällä mallista ylikokoinen. Syöttöalueen koko voidaan määrittää syöttömatkaehdon perusteella. 20.3 Syöttömatkaehto Ensiksi kappale simuloidaan oikeassa valuasennossa ilman kupua tai standardikupua käyttäen. Jähmettymisaikakuvasta (kuva 109) nähdään syöttöalueet, joihin täytyy suunnitella syöttöjärjestelmä. Kuva 117. Valunsimulointi Syöttöalueen koko voidaan määrittää syöttömatkaehdon perusteella. Syöttömatkaehto merkitsee sitä, että syöttökupujen vaikutuksen on ulotuttava riittävänä valoksen jokaiseen kohtaan. Siellä missä reunan vaikutus tuntuu, muodostuu kokonaissyöttömatka syöttökuvun ja reunavyöhykkeen yhteenlasketusta pituudesta (katso kuva 118). 21.7.2010 Pekka Niemi Syöttöjärjestelmän suunnittelu - 4
Käsikirjoista löytyy syöttömatkatietoja eri metalleille. Syöttöalueet tulee erottaa omaksi alueekseen, jotta syöttökuvut eivät syöttäisi toisiaan. Tällöin valoksen syötön tarve ei ehkä tule tyydytetyksi tai syöttömetallia varataan liikaa kuvun syöttämiseen. Alla olevassa kuvassa on tarkasteltu erilaisten syöttökupujen sijoittelun merkitystä ja syöttökuvun kykyä syöttää sulaa jäähtymistapahtuman yhteydessä. Kuvassa 118 havaitaan syöttökuvun ja valukappaleen ympäröivän muotin seinämän jäähdyttävän vaikutuksen merkitys sulan metallin syöttämisessä sekä imu- ja huokoisuusvirheiden syntymiselle. Käsikirjoista löytyy syöttömatkatietoja eri metalleille (ks. taulukko 5). Kuva 118. Syöttökuvun ja reunan vaikutus teräslevyn syöttömatkoihin 20.4 Jähmettymisaikaehto Syöttökuvun moduulin täytyy olla kappaleen moduulia suurempi, jotta kupu pysyisi sulana kappaletta pitempään. Moduuli [cm] = Tilavuus [cm³] / Pinta-ala [cm²] = Poikkipinta-ala [cm²] / Piiri [cm] Syöttökuvun moduulia laskettaessa on huomioitava että sen kaulan pitää olla yleensä suurempi kuin syöttöalueen moduulin Syöttökupu toimii jähmettymisen aikana sulan metallin varastona, ja tällöin sen on pysyttävä sulana niin kauan kuin sulaa tarvitaan valukappaleeseen. 21.7.2010 Pekka Niemi Syöttöjärjestelmän suunnittelu - 5
Taulukko 5. Levymäisten valukappaleiden syöttömatkoja Valumetalli Syöttökuvun vyöhyke (s)1 Kokonaissyöttömatka (s) Valuteräs 1,7 2,5 3,8 5,0 Valuteräs tyhjökäsitelty 2,0 3,0 4,6 6,0 Suomugrafiittirauta CE=3,0 CE=3,4 CE=3,9 CE=4,32 Pallografiittirauta3 CE=3,6 CE=4,2 CE=4,3 CE=4,4 Alumiini 99,99% 99,6% 3,0 3,9 4,8 6,0 3,3 3,3 4,2 6,3 4,0 5,0 2,4 3,0 6,5 7,7 8,8 10,0 6,5 6,5 7,0 9,0 9,0 11,0 6,1 7,5 Silumiini 2,7 4,5 6,0 10,0 Duralumiini 2,5 3,0 6,0 7,0 Kupari 2,5 3,0 8,0 9,0 Messinki 2,0 2,5 7,5 8,0 Erikoismessinki 2,0 2,5 5,5 6,0 Alumiinipronssi 1,5 2,5 3,0 6,0 1) s = levyn paksuus 2) jäykissä muoteissa pidetään eutektisen suomugrafiittiraudan syöttömatkoja käytännössä äärettömän pitkinä 3) tuorehiekkamuoteissa syöttömatkat ovat vain puolet yllämainituista 21.7.2010 Pekka Niemi Syöttöjärjestelmän suunnittelu - 6
Siksi syöttökuvut sijoitetaan valoksen kohtiin, jotka jähmettyvät viimeiseksi. Syöttökuvun mitoitus on oltava sellainen, että syöttökupu jähmettyy myöhemmin kuin itse valos. Oleellista on myös, että syöttöyhteys valoksen ja syöttökuvun välillä toimii. Valuraudoilla, joilla grafiitin erkautuminen korvaa sula- ja kiteytymiskutistumat ainakin osittain, jähmettymisaikavaatimuksesta voidaan joskus tinkiä. Chvorinovin säännön mukaan valoksen jähmettymisaika on verrannollinen jähmettymismoduulin toiseen potenssiin. Syöttöjen suunnittelun kannalta ei tarkan jähmettymisajan tuntemisella ole kuitenkaan suurta merkitystä. Tärkeää on tietää, millainen on syöttökuvun jähmettymisaika verrattuna valoksen syötettävän osan jähmettymisaikaan. Teräsvaloksissa syöttävän osan moduulin on oltava syöttöjärjestelmästä riippuen vähintään 1,1 x syötettävän osan moduuli. Kappaleen rakenteen solmukohdat on laskettava omiksi moduleikseen. 20.5 Metallimääräehto Syöttökuvun tulee kyetä luovuttamaan riittävästi metallia sula ja kiteytymiskutistuman kompensoimiseksi (kuva 119). Esim. pallografiittirauta kutistuu jäähtyessään noin jäähtyessään noin 1,1-2,0%/100 C ja jähmettyessään noin 4,0- -1,0%. Karkeasti voidaan olettaa yhteiskutistumaksi noin 3,2% Syöttöalue, jonka massa on esim. 10kg, vaatii 0,32kg syöttömetallia. Kuva 119. Suunnattu jähmettyminen Luonnollinen kupu pystyy luovuttamaan noin 15% omasta painostaan syöttöalueelleen, joten 0,32kg syöttämiseksi tarvitaan noin 2,2kg painava luonnollinen kupu. Jos kappalepaino on noin 100kg eli kaikki syöttöalueet yhteensä vaativat yhteispainoltaan noin 21-22kg syöttökupuja Syöttökuvun on pystyttävä luovuttamaan riittävä määrä sulaa (tai osittain jähmettynyttä massasyötön tapauksessa) metallia sula- ja jähmettymiskutistuman korvaamiseksi. 21.7.2010 Pekka Niemi Syöttöjärjestelmän suunnittelu - 7
Kuva 120. Syöttömetallin tarve ja valoksen tilavuus. Valosten jähmettymismoduuli on sama. Mikäli jähmettyminen johtaa imuonkaloon, ei se saa ulottua itse valokseen. Vaikka kahdella kappaleella olisi sama jähmettymismoduuli, ei se merkitse, että niiden syöttömetallin tarve olisi sama, koska sen ratkaisee tilavuus. Yllä olevassa kuvassa on esimerkki tällaisesta tapauksesta. Vaikka valosten jähmettymismoduuli on sama, on kuvan 120 oikeanpuoleisen kuvun syöttötarve huomattavasti suurempi, koska sen tilavuus on suurempi. Syöttömetallin metallimäärän tarkistamiseksi (metallimääräehto) on tiedettävä, montako tilavuusprosenttia valoksen sula- ja jähmettymiskutistumien summa on valoksen tilavuudesta. On myös tiedettävä, miten suuren osan tilavuudestaan syöttökupu syöttää. Osa syöttökuvun tilavuudesta kuluu itsensä syöttämiseen. Mikäli valittu syöttökupu ei riitä syöttämään valoksen vaatimaa metallimäärää, on valittava suurempi kupu, lisättävä kupujen määrää tai parannettava niiden hyötysuhdetta. Myös jähmettymiskutistuma on erilainen eri metalleilla. Se voi vaihdella lisäksi mm. panostusraaka-aineiden, sulatustavan, jäähtymisnopeuden ja muotin jäykkyyden mukaan. Muotin jäykkyys määrää, paljonko se antaa periksi sulan metallin metallostaattisen paineen vaikutuksesta. Muotin seinämän siirtymä riippuu muotin materiaalista, täyttölämpötilasta ja valumetallista. Harmaa- ja pallografiittiraudoilla seinämänsiirtymiseen vaikuttaa myös jähmettymisen yhteydessä erkautuvan grafiitin aiheuttama paine. Pehmeillä tuorehiekkamuoteilla tämä voi aiheuttaa 15 % - yksikön lisämetallin tarpeen sen lisäksi, mitä tarvitaan sula- ja jähmettymiskutistumien kompensoimiseksi. Kuparipohjaisilla seoksilla, joilla vastaavaa paisumisvaihetta ei ole, on suotavaa varautua 1 % -yksikön lisämetalliin seinämän siirtymän kompensoimiseksi tuorehiekkavalussa. Metallimääräehdon karkea arviointi voidaan tehdä syöttökuvun tilavuuden ja eräiden reunaehtojen avulla. On selvää, että metallimääräehdon ohella myös jähmettymisaikaehdon (modulitarkastelu) on täytyttävä. 21.7.2010 Pekka Niemi Syöttöjärjestelmän suunnittelu - 8
20.6 Ulkoiset jäähdytyskappaleet Edellä mainittujen syöttämiseen liittyvien ehtojen täyttymistä voidaan parantaa käyttämällä ulkoisia jäähdytyskappaleita Ulkoisia jäähdytyskappaleita eli jäähdytyskokilleja käytetään valukappaleen seinämien paikalliseen jäähdyttämiseen. Niillä voidaan lisätä syöttökupujen syöttömatkoja huomattavasti. Lisäksi niillä kiihdytetään metallin jähmettymistä ympäristöään paksummissa kohdissa suunnatun jähmettymisen aikaansaamiseksi. Jäähdytyskappaleilla pyritään toisinaan saamaan valukappaleen johonkin kohtaan hienorakeinen, luja mikrorakenne. Kuva 121. Muotojäähdytyskokilli keernassa 21.7.2010 Pekka Niemi Syöttöjärjestelmän suunnittelu - 9