Painevalumuotin valujärjestelmä Tampereen teknillinen yliopisto Tuula Höök Painevalumuotin valujärjestelmään kuuluu tabletti tai suutin (biscuit tai sprue), jakokanava (runner), portti (gate), ylijuoksut (overflows) ja ilmanpoistokanavat (vents). Tabletti muodostuu kylmäkammiopainevalukoneen valukammiossa ja suutin kuumakammiopainevalumuotissa olevassa sisäänvaluholkissa. Sisäänvaluholkilla on tärkeä tehtävä sulan ohjaamisessa, mutta kylmäkammiopainevalukoneen valukammio on vain paikka, johon sula kaadetaan. Se ei ohjaa sulan liikettä. Jakokanavia on kahta tyyppiä: tangentiaalisia kanavia ja kalanpyrstö eli kiilakanavia. (Katso kuva alla.) Jakokanava on huolella suunniteltu painevalumuotin valujärjestelmän osa. Se kiihdyttää sulan virtausta ja ohjaa sitä oikeisiin kohtiin muotissa. Ylijuoksut keräävät hapettuneen metallin ja varastoivat lämpöä. Niitä asetetaan usein lähelle ohuita ja/tai kaukaisia valettavan kappaleen osia. Kaasukanavat laskevat ilman ulos muotista. Jos muotin täyttöaika asetetaan hyvin lyhyeksi, ilmanpoistokanavia tarvitaan enemmän kuin jos täyttöaika on pitkä. Kaasukanavat ja ylijuoksukanavat suuntaavat sulan virtausta jonkin verran, mutta pääasiallisesti suuntaus tehdään jakokanavalla. Painevalumuotin valujärjestelmän perusosat Jakokanava Ylijuoksut ja kaasukanavat Kuva 1. Kalanpyrstö eli kiilakanava ja muiden valujärjestelmän perusosien nimitykset. Kylmäkammiokoneen valujärjestelmä vasemmalla ja kuumakammiokoneen valujärjestelmä oikealla. Kuva 2. Tangentiaalinen kanava kylmäkammiopainevalumuotin valujärjestelmässä. Painevalumuotin valujärjestelmä 1
Molemmat jakokanavatyypit ovat käytössä yleisesti. Tangentiaalinen jakokanava antaa paremman mahdollisuuden ohjata metallin virtausta. Sillä voidaan hallita sulan sisäänvalunopeus paremmin ja nostaa nopeus halutun korkuiseksi. Yleensä valimon tekninen henkilökunta suunnittelee valujärjestelmän yhdessä muottia valmistavan yrityksen kanssa. Valukappaleen suunnittelijan tulisi olla tietoinen valujärjestelmän teknisistä rajoituksista, jotta hän osaisi suunnitella kappaleeseen valuystävällisiä muotoja. Valujärjestelmän kannalta tärkeintä on muotoilla kappale siten että, sula metalli tulee sisään muottiin yhdeltä puolelta, virtaa suoraa ja selkeää reittiä muotin läpi ja työntää kaasut edellään muotin toiselta puolelta ulos. Muotoja, jotka haittaavat sulan virtausta tai muodostavat onteloita ilman suoraa kaasunpoistoa, ei pitäisi suunnitella. Joissain tapauksissa valimo voi antaa ehdottoman ohjeen muuttaa muotoa ennen kuin muotin valmistus voidaan aloittaa. Valujärjestelmän suunnittelu sisältää seuraavat vaiheet: 1. Metallivirtauksen analysointi 2. Parhaan paikan valinta valuportille ja kaasukanaville; muotin täyttöajan valinta 3. Valettavan kappaleen jakaminen lohkoihin 4. Muottipesän täyttöajan ja valuportin pinta alan laskeminen lohkoittain; portin virtausnopeuden valinta lohkoittain 5. PQ 2 analyysi 6. Valujärjestelmän muokkaaminen ja uudet kokeilut Valujärjestelmän suunnittelun vaiheet 1. Metallivirtauksen analysointi Ihannetapauksessa sula virtaa muottipesän sisällä suoraa ja selkeää reittiä, mutta käytännössä tarvitaan kompromisseja. Ihanteellinen valujärjestelmä on vain harvoin mahdollista toteuttaa. (Katso kuvat.) Kuva 3. Kupin muotoinen, kauluksellinen valukappale. Metallin virtaus alkaa jakolinjasta ja loppuu vastapuolella olevaan jakolinjaan. Ei isoja ulkonemia muottipesän pinnan yläpuolelle sisä tai ulkopuolella. Selkeä virtauskuvio ja tarpeeksi tilaa portille. Kuva 4. Litteä valukappale. Ei isoja ulkonemia. Selkeä virtaus. Reikien taakse, metallin virtausreitin loppuun, syntyy kohta, johon metalli virtaa kahdesta suunnasta.on mahdollista, että sinne muodostuu kylmäsauma, jonka mekaaniset ominaisuudet eivät ole niin hyvät kuin muualla valussa. Painevalumuotin valujärjestelmä 2
Kuva 5. Valukappale, jossa on jäähdytysripoja. Kappaleen asettelu siten, että valusuunta on kuvassa esitetty, ei ole paras mahdollinen ratkaisu. Rivat muodostavat suljettuja tiloja sulan metallin pääasiallisen virtaussuunnan ulkopuolelle. Kuva 6. Portti on parempi asettaa siten, että sula virtaan ripojen suuntaisesti. Tilaa ei ole yhtä paljon kuin edellisessä vaihtoehdossa, mutta sulan virtaus on esteettömämpi. Kuva 7. Muottipesän pinnan yläpuolelle ulkoneva muoto. Muodostaa suljetun tilan, josta ei ole ilman poistoa. Ei hyvä ratkaisu. Kuva 8. Parempi kuin edellinen. Metallivirta kiertää muotoa ja työntää kaasuja edellään ulos kohti ilmanpoistoja muottipesän toisella puolella. Kuva 9. Parempi kuin kuva 7. Metalli saadaan virtaamaan ripoja pitkin sisään ulokkeeseen ja kaasut toiselta puolen ulos. Ripa voi kuitenkin aiheuttaa lisää ongelmia, esimerkiksi imuja kappaleen pohjapuolelle. Ripa on myös suhteellisen kallis työstää. Mahdolliset valuviat: On todennäköistä, että valukappaleeseen tulee kaasuhuokosia, kaasukuplia ja kaa kaasut eivät poistu tehokkaasti. Tilat, joista ei ole suonteloita kohtiin joista kaasunpoistoa, eivät täyty kunnolla. Esimerkiksi kuvan 5 jäähdytysrivat eivät tule täyttymään helposti. Yksi ratkaisu on käyttää tyhjöventtiiliä tai yrittää säätää valuiskun eri vaiheet huolellisesti. Muotoihin, joihin sula virtaa kahdesta suunnasta, muodostuu helposti kylmäjuoksuja. Kuvan 5 valukappaleeseen saattaa tulla kylmäjuoksuja reikien taakse viimeiseksi täyttyviin kohtiin. Alla on kuvia tämän tyyppisistä valuvioista. Huonosta virtauksesta johtuvat valuviat Painevalumuotin valujärjestelmä 3
Kuva 10. Huokoisuutta ja suuri kaasuontelo alumiinikappaleessa. Muottipesässä oleva ilma saattaa seostua metalliin ja muodostaa huokoisuutta, jos kaasunpoistokanavat eivät toimi tai kappaleessa on tiloja, joista ei ole kaasunpoistoa ollenkaan. Kappaleen sisällä voi olla hyvinkin suuria kaasuonteloita, vaikka se näyttäisi päällisin puolin hyvältä. Kuva 11. Vasemmalla: Kylmäjuoksuja ja virtausjälkiä. Näitä vikoja syntyy, jos metal lämpötila laskee liian alas ennen kuin muottipesä on täysin täynnä. Oikealla: Ripa, joka ei lin ole täyttynyt kunnolla. Huonon kaasunpoiston tai huolimattomasti säädetyn valuiskun aiheut tama vika. 2. Parhaan paikan valinta valuportille ja kaasukanaville; muotin täyttöajan valinta Täyttöaika Valukappale tulisi suunnitella siten, että jakotasolta löytyy yhtenäinen mitta, johon valuportin saa helposti asetettua. Portin pituudeksi tulee portin ala jaettuna portin paksuudella. Portin ala riippuu valitusta muottipesän täyttöajasta ja sulan virtausno portilla. Täyttöaika valitaan seuraavin peudesta perustein: Portin ala Muotin täyttöaika ja porttinopeus Kappaleen ohuin seinämänpaksuus: Paksut seinämät sallivat ohuita seinämiä pitemmän täyttöajan. Ohuet seinämät voivat jähmettyä ennenaikaisesti, jos täyttöaika on liian lyhyt ja niihin muodostuu kylmävikoja. Sulan virtausmatka muottipesän sisällä vaikuttaa myös: Jos ohuita seinämiä on kaukana portista tai jos niiden pinta ala on suuri, täyttöaika täytyy asettaa lyhyeksi. Valettavan metalliseoksen ja muotin lämpöominaisuudet: Liquiduslämpöti lämmönjohtavuus la, jähmettymisalueen leveys ja muottimateriaalin vaikuttavat kappaleen jähmettymisaikaan. Valukappaleen ja ylijuoksujen yhteenlaskettu tilavuus: Ohutseinämäiset valut (erityisesti jos virtausmatka muotin läpi on suuri) sekä hyvää pinnanlaa tua vaativat valukappaleet tarvitsevat suuret ylijuoksut. Suuri metallitilavuus ylläpitää lämpöä pidempään kuin pieni tilavuus. Kuinka paljon metalli voi jäähtyä liquidusrajan alapuolelle: Mitä parempaa pinnanlaatua kappaleeseen tavoitellaan, sen vähemmän jähmettynyttä metallia sallitaan metallivirrassa ja sitä lyhyemmäksi täyttöaika on valittava. Painevalumuotin valujärjestelmä 4
Eräs parhaimmin tunnettu kestomuotin täyttöajan kaava on J. F. Wallace:n and E. A. Herman 1 :n kaava, joka esiintyy yleisesti NADCA:n julkaisuissa. Kaava on esitetty kirjallisuudessa hiukan eri versioina. Ohessa kaava ja tekijät muokattuna lähteestä Mike Ward: Gating Manual, NADCA, USA, 2006. Ti Tf + SZ t = K T Tf Td t = maksimitäyttöaika, s K = empiirisesti johdettu vakio, joka riippuu muotin lämmönjohtavuudesta T = ohuin keskimääräinen seinämänpaksuus, mm Tf = liquiduslämpötila, C 2 Ti = metallin lämpötila valuportilla, C Td = muottipesän pinnan lämpötila ennen valua, C S = jähmettyneen aineen määrä täytön lopussa, % Z = muunnoskerroin, C per prosenttia S Vakio K on: 0,0312 s / mm AISI P 20 (esikarkaistu nitrattava muovimuottiteräs) teräksen ja sinkkiseoksen välillä 0,0252 s / mm AISI H 13 (kromilla seostettu kuumatyöteräs) ja AISI H 21 (wol framilla ja kromilla seostettu kuumatyöteräs) terästen ja magnesiumseoksen välillä 0,0346 s / mm AISI H 13 ja AISI H 21 terästen ja sinkki, alumiini ja messin kiseosten välillä 0,0124 s / mm wolframista valmistetun muotin ja magnesium, sinkki, alumiini ja messinkiseosten välillä Jähmettynyttä ainetta voidaan sallia seuraavan taulukon mukaisesti. Taulukko 1. Suositeltu kiteytyneen aineen määrä seinämäpaksuuden mukaan. Jos kappaleeseen tarvitaan hyvä pinnanlaatu, käytä pienempiä arvoja. Lähde: Mike Ward: Gating Manual, NADCA, USA, 2006. Seinämänpaksuus, mm Suositeltu kiteytyneen aineen määrä (S), % Alumiini Magnesium Sinkki < 0,8 5 10 5-15 0,8-1,25 5-25 5-15 10-20 1,25-2 15-35 10-25 15-30 2-3 20-50 20-35 20-35 Kerroin Z on: 4,8 C/% alumiiniseoksille ASTM 360, 380 ja 384, kaikki alieutektisia, alle 12 % Si sisältäviä AlSi(Cu/Mg) seoksia 5,9 C/% alumiiniseokselle ASTM 390, ylieutektinen AlSi(Cu/Mg) seos 3,7 C/% magnesiumseoksille 3,2 C/% sinkkiseoksille 12 ja 27 2,5 C/% sinkkiseoksille 3, 5 ja 7 4,7 C/% messingeille 1 Mike Ward: Gating Manual, NADCA, USA, 2006. H. H. Pokorny and P. Thukkaram: Gating Die Casting Dies, Society of Die Casting Engineers, USA, 1981 2 NADCA:n julkaisussa käytetään liquiduslämpötilan sijaan metallin alinta virtauslämpötilaa. Metallin alin virtausnopeus on määritetty noin 30 40 C matalammaksi kuin liquiduslämpötila. Painevalumuotin valujärjestelmä 5
Messingin valussa painevalumuotin täyttöaika voidaan määrittää kertomalla seinämänpaksuus vakiolla 3 : s < 2 mm: t = s x 7 s = 2 3 mm: t = s x 10 where t = täyttöaika, ms s = keskimääräinen pienin seinämänpaksuus, mm Mahdolliset valuviat: Liian pitkä täyttöaika aiheuttaa erilaisia kylmävikoja, kuten kylmäjuoksuja, vajaata täyttymistä, virtausjälkiä ja kerrostumia. Lyhyt täyttöaika ei aiheuta mitään erityisiä ongelmia. Männän nopeutta lisäämällä on mahdollista lyhentää täyttöaikaa, mutta se lisää myös sulan virtausnopeutt a valuportilla ja saattaa aiheuttaa ongelmia, jos porttia ei ole suunniteltu suurille virtausnopeuksille. Suuri porttinopeus lisää myös muotin kulumista. Liian pitkästä täyttöajasta johtuvat valuvirheet. Virtausnopeus valuportilla, porttinopeus Sulan porttinopeus vaikuttaa valukappaleen mekaanisiin ominaisuuksiin ja valetun kappaleen pinnanlaatuun. Suuri porttinopeus tuottaa paremmat mekaaniset ominai suud et ja vähemmän huokoisuutta kuin hitaampi nopeus. Nykyaikaiset painevalukoneet pystyvät tuottamaan jopa 100 m/s virtausnopeuden, mutta muotin kulum in en alkaa kasvaa jo noin 40 m/s nopeuksilla. Tästä syystä ei ole useinkaan järkevää käyttää virtausnopeuksia 40 m/s 100 m/s välillä. Kaasuhuokoisuutta voi vähentää myös suunnittelemalla portti ja jakokanava ylläpitämään juohevaa ja daan tasaista virtausprofiilia sekä suunnittelemalla valettava kappale siten, ettei muottijos sulan tielle pesässä synny takaisinvirtausta. Takaisinvirtausta saattaa ilmetä, hankaliin kohtiin osuu valukappaleen muotoja, katso kaikki esimerkkikuvat. Periaat aiheutuu siitä, että sula törmää muottipesän seinämään ja teessa takaisinvirtaus virtauksen suunta kääntyy päinvastaiseksi. Sulan porttinopeudella on minimiarvo. Arvo voidaan laskea portin korkeuden mukaan kaavalla 4 : V 1,707 g * T g * ρ J, jossa Vg = Portin virtausnopeus (m/s) Tg = Portin paksuus (mm) ρ = Metalliseoksen tiheys (kg/m3) J = Vakio, 998 000 alumiinille, magnesiumille ja sinkkiseoksille Kaava antaa suositellun alarajan porttinopeudelle portin paksuuden funktiona. Matalalle portille ei ole hyvä valita alhaista porttinopeutta. Tyypillinen portin paksuus on 0,8 3 m m alumiiniseoksille, 0,7 2,2 mm magnesiumseoksille, 0,35 1,2 mm sinkkiseoksille ja 1,5 mm 4 mm messinkiseoksille. 3 J. Orkas, toim. E. R. Keil: Painevalumuotin suunnittelu, seminaari 20. 22.10.1998, Espoo, Finland 4 Muutettu metriselle mittajärjestelmälle kaavasta lähteessä Mike Ward: Gating Manual, NADCA, USA, 2006. Potenssina käytetään 1,707 (tai 1 + 1/ 2) alkuperäisen 1,71 sijaan. Painevalumuotin valujärjestelmä 6
Seuraavissa taulukoissa (Taulukko 2 4) on esimerkkejä portin pinta aloista ja pituuksista muottipesän 0,1dm 3 kokonaistilavuudelle (valukappaleen tilavuus + ylijuoksut). Jos kappaleen tilavuus on muu kuin 0,1dm 3, kerro arvot todellisen tilavuuden ja taulukoidun tilavuuden suhteella. Esimerkiksi, jos valukappaleen ja ylijuoksun yhdm 3 teenlaskettu tilavuus on 0,283, kerro taulukon arvot luvulla 2,83. Kun portin pinta ala ja siitä johdettu portin pituus on määritetty, valitaan portille sopivin paikka. Paikan valintaan voidaan käyttää muutamia peukalosääntöjä, vaikka jokainen valukappale onkin erilainen: Aseta paksummat muodot portin lähelle ja ohuemmat ylivuotojen läheisyyteen. Tällainen järjestely ei estä sulan metallin virtaamista valuiskun kolmannessa vaiheessa, jolloin kompensoidaan jähmettymisen aiheuttama kutistuminen. Vältä tilannetta, jossa kaksi metallirintamaa virtaa toisiaan vastaan kaukana portista (Katso kuva 4). Tämä on huono tilanne, mutta ei aina vältettävissä. Kehyksen muotoiseen valukappaleeseen portti tulee rakenteen sisäpuolelle. Vältä asettamasta porttia keernojen (kappaleessa olevien syvennysten tai reikien) eteen. Korkea porttinopeus rikkoo tai kuluttaa keernat nopeasti. Kokeile voiko porttia jakaa osiin keernan ympärille, jos kappaleen muodon muutta minen ei ole mahdollista. Konsultoi valimoa ja muotin valmistajaa. Mahdolliset valuviat: Kaikkein yleisimmät valuviat painevalussa ovat kaasu ja kutistumahuokoisuus. Porttinopeuden vaikutuksesta kaasuhuokoisuuteen on olemassa eriäviä mielipiteitä. Eräässä lähteessä väitetään, että jos porttinopeus kasvatetaan niin suureksi, että virtaus muuttuu sumumaiseksi, huokoisuutta syntyy enemmän. Toinen lähde suosittelee käyttämään mahdollisimman suurta porttinopeutta, jopa yli 50 m/s. Näyttää siltä että, jos kaikki muut muuttujat pysyvät samoina, porttinopeuden nostaminen vähentää huokoisuutta. Suuri nopeus aiheuttaa kuitenkin muotin nopeaa kulumista. Liian hidas porttinopeus heikentää metallin virtausta muottipesän sisällä ja synnyttää huokoisuutta. On tärkeää huomata, että portti on suunniteltu toimimaan parhaimmin yhdellä tietyllä täyttöajan ja virtausnopeuden yhdistelmällä. Valimon pitäisi periaatteessa vain toteuttaa valujärjestelmään suunnitellut parametrit. Väärästä porttinopeudesta johtuvat valuvirheet. Taulukko 2. Portin virtausnopeus, minimitäyttöaika ja portin mitat eri metalliseoksille; 1 1,25 mm keskimääräiminimiseinämäpaksuus. Laskettu Wallace ja Herman nen kaavalla. Alloy Typical ingate velocity Minimum fill time range for a casting with 1-1.25 mm smallest average wall thickness Gate thickness range for the typical ingate velocities Gate and vent measures for a cast part with total cavity and overflow volume of 0. 1 dm3 Gate area Ingate length Minimum vent area Vent length** Al 17-40 m/s 0.016-0.038 s 0.8-3 mm 65-370 mm2 43-215 mm 16-93 mm2 82-460 mm Zn 30-60 m/s 0.011-0.021 s 0.35-1.2 mm 80-305 mm2 70-780 mm 20-77 mm2 100-380 mm Mg 25-50 m/s 0.023-0.036 s 0.7-2.2 mm 55-175 mm2 25-125 mm 14-44 mm2 70-220 mm Cu (brass) 20-50 m/s 0.007-0.010 s* 1.5-4 mm 200-700 mm2 70-245 mm 50-175 mm2 250-875 mm Painevalumuotin valujärjestelmä 7
Taulukko 3. Portin virtausnopeus, minimitäyttöaika ja portin mitat eri metalliseoksille; minimiseinämäpaksuus. Laskettu Wallace ja Herman kaavalla. 2 mm keskimääräinen Alloy Typical ingate velocity Minimum fill time range for a casting with 2 mm smallest average wall thickness Gate thickness range for the typical ingate velocities Gate and vent measures for a cast part w ith total cavity and overflow volume of 0.1 dm3 Gate area Ingate length Minimum vent Vent length** area Al 17-40 m/s 0.031-0.060 s 0.8-3 mm 42-190 mm2 30-110 mm 11-48 mm2 53-238 mm Zn 30-60 m/s 0.022-0.033 s 0.35-1.2 mm 51-152 mm2 45-390 mm 13-38 mm2 64-190 mm Mg 25-50 m/s 0.047-0.058 s 0.7-2.2 mm 34-85 mm2 16-60 mm 9-22 mm2 43-106 mm Cu (brass) 20-50 m/s 0,02 s*** 1.5-4 mm 100-250 mm2 35-86 mm 25-63 mm2 125-313 mm Taulukko 4. Portin virtausnopeus, minimitäyttöaika ja portin mitat eri metalliseoksille; 3 mm keskimääräinen minimiseinämäpaksuus. Laskettu Wallace ja Herman kaavalla. Alloy Typical ingate velocity Minimum fill time range for a casting with 3 mm smallest average wall thickness Gate thickness range for the typical ingate velocities Gate and vent measures for a cast part w ith total cavity and overflow volume of 0.1 dm3 Minimum vent Gate area Ingate length Vent length** area Al 17-40 m/s 0.047-0.090 s 0.8-3 mm 30-125 mm2 20-75 mm 8-32 mm2 38-157 mm Zn 30-60 m/s 0.033-0.050 s 0.35-1.2 mm 35-101 mm2 30-260 mm 9-26 mm 2 45-127 mm Mg 25-50 m/s 0.070-0.087 s 0.7-2.2 mm 23-57 mm2 15-41 mm 6-15 mm2 30-72 mm Cu (brass) 20-50 m/s 0,03 s*** 1.5-4 mm 70-167 mm2 25-58 mm 18-42 mm2 88-210 mm * Arvioitu kaavalla t = s x 7. ** Kaasunpoistokanavan paksuus 0,2 mm. *** Arvioitu kaavalla t = s x 10. Lisätietoa kanavistosuunnittelun oppimateriaaleissa. Muotinvalmistaja ja/tai valimo laskee portin pinta alan, porttinopeuden ja täyttöajan omaan kokemukseensa perustuen tarkemmin. Oheiset taulukot ja yhtälöt ovat viitteellisiä. Niitä voi käyttää tarkistamiseen ja vertai luun. Painevalumuotin valujärjestelmä 8
3. Valettavan kappaleen jakaminen lohkoihin Lohkoksi valetaan kappaleen osa, jonka kautta metalli voidaan saada virtaamaan suunnilleen samaan suuntaan ja jonka seinämänpaksuus on yhtenäinen. Vältä valitsemasta lohkoa siten, että sen toiselle puolelle ei pysty asettamaan ilmanpoistokanavaa. Tangentiaalinen kanava antaa hyvät mahdollisuudet ohjailla metallivirtaa halutulla tavoin. (Katso kuvat.) Kuva 12. Kupin muotoinen valukappale, jossa on kapeita ripaprojektioita keskellä. Metallivirta ohjataan rivan suuntaisesti valukappaleen sivuille ja keskeltä suoraan vastakkaiselle puolelle. Poikittaiset rivat tulevat aiheuttamaan ongelmia. Kuva 13. Valukappaleen ylijuoksut. Kuva 14. Lohkoihin jaettu valukappale. Rivat muodostavat muottipesään syvennyksiä ja vaikeuttavat metallin virtausta keskimmäisessä lohkossa. Todennäköisesti muodostuu takaisinvirtausta, joka sekoittaa kaasua metalliin ja aiheuttaa huokoisuutta. Kuva 15. Muokattu konstruktio. Pitkät rivat on korvattu lyhyemmillä. Metalli virtaa paremmin haluttuun suuntaan ja kappaleessa ei ole enää suljettuja muotoja. Valimo ja muotin valmistajat suosittelevat melko usein muutoksia kappalekonstrukti Joissain tapauksissa muutoksia ei pysty toteuttamaan, vaikka ne olisivat oon. valuteknisesti perusteltuja. Syyt voivat olla teknisiä tai liittyä valukappaleen ulkonä Tällaisissa tilanteissa on suositeltavaa konsultoida valimon teknistä köön. henkilökuntaa ja yrittää löytää heidän kanssa kaikkia tyydyttävä ratkaisu. Suljettuja, ilman ilmanpoistoa olevia syvennyksiä ja muita ongelmallisia muotoja on mahdollista valaa ja niihin voidaan saada hyvä pinnanlaatu ja sisäinen rakenne, jos käytetään tyhjövalulaitteita tai jotakin muuta sopivaa teknistä ratkaisua. Huomio: Muotin ja kanaviston suunnittelijan tehtävä on jakaa kappale lohkoihin, mutta valusuunnittelijan on hyvä olla tietoinen menetelmästä voidakseen tehdä mahdollisimman hyviä konstruktiivisia ratkaisuja sekä ottaa portin ja kaasukanavien vaatima tila huomioon. Painevalumuotin valujärjestelmä 9
4. Täyttöaika ja portin pinta alan laskelmat lohkoittain; portin virtausnopeuden valinta lohkoittain 3D CAD ohjelmistojen avulla kappaleesta voi määrittää erittäin helposti ja nopeasti kokonaistilavuude n ja tilavuuden jokaiselle lohk olle sekä projisioidun pinta alan. Kokonaistilavuutta ja lohkon tilavuutta käytetään laskettaessa valuportin kokonaispinta alaa tai pinta alaa lohkoittain. Projisioidusta pinta alasta voidaan selvittää painevalukoneella tarvittava sulkuvoima. Paras vaihtoehto olisi toimittaa valumalli natiiviformaatissa valimolle ja muotinvalmistaja lle, mutta jonkin neutraalin formaatin (IGES, STEP tai parasolid) käyttö on myös mahdollista. Kappaleen suunnittelijan kannattaa hakea ohuin keskimääräinen seinämänpaksuus valmiiksi, jos päätetään valita jokin neutraaleista formaateista. Esimerkki: Täyttöaika, portin ala ja pituus Kappaleen kokonaistilavuus Vg on 0,0375dm3 ja ylijuoksujen kokonaistilavuus Vo on 0.0147dm3, kappaleen leveys on noin 120 mm, pituus 80 mm ja korkeus 45 mm. Pienin keskimääräinen seinämänpaksuus on 1,8mm. Ylijuoksun tilavuus on noin 40% jokaisesta lohkosta. Tämän pitäisi riittää takaamaan hyvä pinnanlaatu kappaleelle, jolla on 1,8 mm minimiseinämänpaksuus. Kappale on jaettu yhteensä 5 lohkoon ja 6 siinä on 6 ylijuoksua (Katso kuva) Kuva 16. Lohkoihin jaettu valukappale ja ylijuoksut. Materiaali on alumiiniseos, AlSi10Mg. Menetelmä on kylmäkammiopainevalu. Al Si10Mg seoksen liquiduslämpötila on 600 C ja soliduslämpötila 530 C. Kun valulämpötila on 690 C, lämpötila portissa (Ti) on noin 660 C. Minimi virtauslämpö tila (Tf) tälle seokselle on 570 C ja muottipesän lämpötila (Td) 260 C. Täyttymisen aikana sallitaan 15% kiinteää ainetta, jotta pinnanlaatu olisi mahdollisimman hyvä. SZ on silloin 72 C. Muottipesän materiaali on yleinen kuumatyöteräs ja vakio K on 0.0346 s/mm. Näillä tiedoila minimitäyttöaika (t) on: Ti Tf + SZ 0346 s 660 C 570 C + 72 C t = K T = 0, 1,8 mm 0,0325s mm = Tf Td 570 C 260 C Portin paksuudeksi (h) valitaan 1,0 mm, yksi kolmasosa reunan paksuudesta. Portin virtausnopeudeksi asetetaan 32 m/s, mahdollisimman alhainen muotin liiallisen kuluman välttämiseksi. Minimivirtausnopeus 1,0 mm portissa on 32 m/s. Portin pinta ala (A) on: V g + Vo 3 3 t 0,0375dm + 0,0147dm A = Q / v g = = 320dm / s = 50,2mm v g 0,0325s Portin pituus on siis: A / h = 50,2 mm. Laskettu arvo oli minimi täyttöaika. on suositeltua käyttää alempia arvoja. Jos täyttöaikaa alennetaan 70%:iin alkuperäisestä, 0,7 x 0,0325 s = 0,0228 s, portin pituus tulee olla 71,5 mm. Tämä arvo on sopiva. 2 Painevalumuotin valujärjestelmä 10
Seuraavassa taulukossa esitetään täyttöaika, portin pinta ala ja pituus valulohkoa kohti. Taulukko 5. Portin pituus per valettava lohko Segment Segment + overflow volume, dm3 Minimum fill time, s Gate area, mm2 Gate length, mm 1 0.0063 0.0228 8.7 8.7 2 0.0114 0.0228 15.6 15.6 3 0.0167 0.0228 22.9 22.9 4 0.0114 0.0228 15.6 15.6 5 0.0063 0.0228 8.7 8.7 Total 0.052 0.0228 71.5 71.5 5. PQ 2 analyysi PQ 2 analyysi sovittaa valitun porttinopeuden painevalukoneen hydraulijärjestelmän kanssa. Painevalukoneen iskupään hydraulijärjestelmä koostuu typpipulloista, paineakusta, tietokoneohjatusta venttiilijärjestelmästä ja hydraulisylinteristä, johon mäntä on kiinnitetty. Iskupään hydrauliikan tehtävänä on liikuttaa valumäntää ja täyttää muottipesä suunnitellulla nopeudella. (Katso kuva) Kuva 14. Kylmäkammiopainevalukoneen iskupään hydrauliikka. Valuisku tehdään kolmessa vaiheessa: Hidas vaihe, jonka aikana jakokanava täyttyy porttiin asti. Nopea vaihe, jonka aikana muottipesä ja ylijuoksut täyttyvät. Nopea vaihe säädetään täyttämään muottipesä lasketussa täyttöajassa. Kun tämä toteutuu, porttinopeus on oikea. Tiivistysvaihe, jonka aikana valua puristetaan hyvin korkealla paineella jähmettymiskutistuman kompensoimiseksi. Virtausnopeus valuportilla riippuu painevalukoneen iskupään hydrauliikan tuottamasta metallipaineesta seuraavan kaavan mukaan 5 : P m ρ Vg 2 = g Cd 2 Pm =metallin paine Pa ρ = metallin tiheys kg/m 3 g = gravitaatiovakio m/s 2 Vg = portin virtausnopeus m/s Cd =konekohtainen kerroin Painevalukoneilla on erilaiset paine ja virtausprofiilit. Konekohtainen kerroin kattaa erot eri koneiden välillä. Tavallinen arvo on 0,45 0,5. 5 Mike Ward: Gating Manual, NADCA, USA, 2006 Painevalumuotin valujärjestelmä 11
Painevalukoneille tehdään PQ 2 analyysi, jotta virtausnopeuden ja iskupään hydraulii välinen riippuvuus saadaan selville. Huom. Pm on teoreettinen, todelliset arvot kan voivat olla erilaisia. Painevalukoneet luokitellaan lukitusvoiman mukaan. Lukitusvoima tarvitaan pitämään muotti kiinni, kun muotin sisällä oleva metallipaine nousee hyv in suureksi valuiskun toisen vaiheen lopussa muotin täytyttyä ja kolmannen eli tiivistysvaiheen aikana. Nämä paineet tuottavat muottia avaavan voiman, joka on verrannollinen valukappaleen projisioituun pinta alaan. Projisioitu pinta ala on valukappaleen ja valujärjestelmän poikkileikkaus jakopinnan kohdalla. (Katso kuva) Kuva 15. Kuvan 2 valukappaleen projisioitu pinta ala. Projisioitu pinta ala on valukappaleen, jakokanavan, tabletin ja ylijuoksujen projektio jakotasolle. Muottia avaava voima on verrannollinen projisioituun alaan kaavalla F = P x A. Esimerkki: tiivistyspaine on 550 bar = 550 x 10 5 N/m 2. Projisioidulla 1,49 dm 2 pinta alalla syntyy 820 kn muottia avaava voima. Voima vaatii 82 kilotonnin painevalukoneen, joka on vielä hyvin pieni. Tämän hetkiset painevalukoneiden koot vaihtelevat 100 1000 kilotonnin välillä. 6. Modifikaatiot ja uudet kokeilut Valujärjestelmän suunnittelu etenee kompromissista toiseen. Valujärjestelmä tulisi suunnitella yhdessä painevalimon, valukappaleen suunnittelijan ja muotin suunnitte kokeilun jälkeen löytyy todennäköisesti monta korjattavaa lijan kanssa. Enismmäisen kohtaa. On myös monia muita yksityiskohtia, joista täytyy keskustella ja joita täytyy kehittää. Valukappaleen suunnittelu on aikaa vievää puuhaa. Painevalumuotin valujärjestelmä 12
Lähteet D.R. Gunasegar am, B.R. Finnin, F.B. Polivka: Effect of Flow Velocity on the Properties of High Pressure Die Cast Al Si Alloy, Materials Forum 29, 2005 H. H. Pokorny and P. Thukkaram: Gating Die Casting Dies, Society of Die Casting Engineers, USA, 1981 J. Orkas, edit. E. R. Keil: Painevalumuotin suunnittelu, seminar 20. 22.10.1998, Espoo, Finland Mike Ward: Gating Manual, NADCA, USA, 2006. P. H. Andersson, P. Järvelä, P. Peltola, J. Mäkelä, V. Koskenniska, M. Heikkilä, J. Saarinen, P. Mikkola, J. Kokkonen, I. Nieminen: Muotin suunnittelu ja valmistus, Tampere University of Technology, Finland, 2004 W. G. Walkington: Die Casting Defects / Causes and solutions, NADCA, USA, 1997 Painevalumuotin valujärjestelmä 13