19. Muotin valujärjestelmä Pekka Niemi Tampereen ammattiopisto Muotin valujärjestelmä on järjestelmä sulan metallin toimittamiseksi muottionteloon siten, että valun tuloksena on mahdollisimman virheetön valukappale. Valujärjestelmän muotoilu ja valmistus riippuu valumenetelmästä. Painovoimaa hyödyntävissä valumenetelmissä valujärjestelmä koostuu kahdesta osasta: muotin täyttöjärjestelmä, jonka tehtävänä on täyttää muottiontelo täydellisesti sulalla ja puhtaalla metallilla muotin syöttöjärjestelmä, jonka tehtävänä on syöttää sulaa metallia valukappaleen jähmettymis- ja kutistumisvaiheessa tiiviin valukappaleen aikaansaamiseksi. Kuva 96 A.Täyttö- ja syöttöjärjestelmä mallin yläosassa Kuva 96 B. Täyttö- ja syöttöjärjestelmä mallin alaosassa Täyttö- ja syöttöjärjestelmä pyritään rakentamaan malliin valmiiksi tai mahdollisimman pitkälle esivalmistettuna, jolloin tarvitaan vain joitakin lisäyksiä, esim. eksotermiset holkit. Näin muotin valmistustyö nopeutuu. 20.7.2010 Pekka Niemi Muotin valujärjestelmä - 1
19.1 Täyttöjärjestelmä Täyttöjärjestelmän tehtävänä lyhyesti sanottuna on johtaa sula metalli muottionteloon sopivalla nopeudella ja tasaisesti. Kaatokanavaa (kuva 97A) pitkin metalli putoaa alempana olevaan jakokanavaan (kuva 97B). Kuva 97 A. Kaatokanava päättyy jakokanavaan Kuva 97 B. Jakokanava Jakokanava jakaa metallin yhteen tai useampaan valukanavaan (kuva 97C). Kuva 97C. Jakokanavasta alkaa valukanava Metalli virtaa kanavan kautta, muottihiekka kuumenee sen ympäriltä ja hidastaa ohuen kohdan jähmettymistä saadaan kappale jähmettymään tasaisesti joka kohdastaan, ja imuvikojen ja kylmäjuoksujen vaara vähenee. Täyttöjärjestelmää (kuva 97 D) suunniteltaessa valusuunnittelussa on huomioitava hyvinkin monenlaisia asioita, jotka vaikuttavat varsinaiseen muotin täyttymiseen halutulla tavalla sekä koko järjestelmän vaikutukset esim. valukappaleen jäähtymiseen. Kuva 97 D. Kanavistot muodostavat täyttöjärjestelmän 20.7.2010 Pekka Niemi Muotin valujärjestelmä - 2
Valukappaleen jäähtyessä täyttöjärjestelmään kuuluvat kanavat saattavat estää jäähtymisen yhteydessä kutistumista, mistä taas seuraa mahdollisesti jännityksiä tai repeämiä valukappaleeseen. Tällöin on pyrittävä rakentamaan kanavistot muodoltaan näitä ongelmia silmällä pitäen tai käyttämään kevennyksiä (poistetaan valukappaleen jäähtymisen yhteydessä syntyviä kutistuman mahdollisesti estäviä jännityksiä). Lisäksi on huomioitava valukappaleen tyhjennyksen ja valunpuhdistus näkökohdat, jotta ne saataisiin mahdollisimman helpoiksi ilman että valukappale vaurioituisi. Kuva 98. Valukanavan sijoitus siten, että sitä poistettaessa valukappale ei vaurioidu Täyttöjärjestelmän tehtävänä edellä mainittujen kanavistojen avulla on täyttää muotin ontelot täydellisesti sulalla ja puhtaalla metallilla Huono täyttöjärjestelmä aiheuttaa valukappaleessa muun muassa: erilaisia sulkeumia, jotka johtuvat riittämättömästä kuonan erotuksesta ja kanaviston, muotin ja keernan eroosiosta kylmäjuoksuja, imuja, kuumarepeämiä sekä kaasurakkuloita Täyttöjärjestelmän suunnittelussa joudutaan useasti etsimään kompromissiratkaisu usean vastakkaisen vaatimuksen välillä 19.1.1 Täyttöjärjestelmän suunnittelu Metallin tulee virrata täyttöjärjestelmän jokaisessa kohdassa mahdollisimman pyörteettömänä sopivalla nopeudella siten, että metalli täyttää kanavat ja niihin ei synny ilmataskuja Täyttöjärjestelmän eri osat on mitoitettava ja muotoiltava oikein valutavan, valukappaleen valumetallin ja asetettujen laatuvaatimusten mukaisesti Suunnittelun perusteina ovat, oikein valittu valuaika sekä täyttöjärjestelmän suunnittelu siten, että tavoitevaluaika saavutetaan Valukanaviston tulisi myös olla virtausopillisesti oikein muotoiltu (katso kuvat 100-101) 20.7.2010 Pekka Niemi Muotin valujärjestelmä - 3
19.1.2 Muotin täyttöjärjestelmän tehtävät täyttää muotti niin nopeasti, ettei kylmävikoja synny olla muotoiltu ja täyttää muotti niin, ettei hiekka irtoa sulan mukaan erottaa kuona valettavasta metallista aiheuttaa mahdollisimman vähän sulan pyörteisyyttä hapettumisen välttämiseksi estää muottikaasujen sekaantuminen sulaan aiheuttaa mahdollisimman pieni virtausvastus olla riittävän avara olla mahdollisimman lyhyt olla mahdollisimman pieni saannon pitämisenä kohtuullisena täydentää syöttöjärjestelmän toimintaa toimia syöttöjärjestelmänä syöttökuvuttomassa järjestelmässä estää imujen ja käyristymien syntymistä olla helposti poistettavissa valukappaleesta valun jälkeen Muita täyttöjärjestelmään liittyviä näkökohtia: Kuuma metalli ohjataan valukappaleen paksuimpiin kohtiin (suunnatun jähmettymisen periaate) paitsi suomugrafiittiraudalla ja laajalla puuroalueella. Jähmettyvillä kuparimetalleilla metalli ohjataan kappaleen ohuimpiin kohtiin yhtäaikaisen jähmettymisen turvaamiseksi. Valujännityksiä voidaan pienentää johtamalla sula metalli muottiin useasta eri kohdasta. Valukanavat voidaan varustaa katkaisu-uralla, joka sijoitetaan 1 2 mm sisäänmenokohdasta muotin puolelle. USA:ssa ja Saksassa suoritettujen kattavien tutkimusten mukaan ovat huonosti toteutettu muotin täyttöjärjestelmä ja sen puutteellinen mitoitus suurimpia valuvikojen aiheuttajia valimoissa. Tällaisia valuvikoja ovat: hiekka, kuona yms. epäpuhtaudet valussa karkea pinta kaasuviat paikalliset kutistumaviat (makrokutistumat, avoimu) laajemmalle levinnyt kutistumahuokoisuus, mikrohuokoisuus 20.7.2010 Pekka Niemi Muotin valujärjestelmä - 4
kahden toisiinsa törmäävän sularintaman epätäydellinen yhdistyminen (ns. kylmäsauma tai -juoksu) ennenaikaisesti jähmettyneiden kohtien jääminen sulkeumiksi (cold shots) vajaavalu metallin tunkeuma (muottiaineeseen). Sulan puhtautta voidaan varmistaa: varustamalla kanavisto ns. kuonanerottimilla pienentämällä muotin kulumista rakentamalla kanavisto toiseen mallipohjaan välttämällä teräviä sisäkulmia kanavistossa terävät kulmat pyöristetään esim. pyöreäkulmaisilla kanavatiilillä tai muotoilulla varustamalla kanavisto vähintään l0º päästöillä eli hellityksillä varustamalla valukanavan ja kappaleen yhtymäkohta pyöristyksillä välttämällä sulan kohtisuoria törmäyksiä kanaviston seinämiin tai keernoihin saattamalla sula virtaamaan muotissa sen pituussuuntaisten solien mukaisesti. 19.1.3 Kaatosuppilo Valunsuunnittelussa on huomioitava myös täyttöjärjestelmään kuuluvien osien koko ja muoto. Sula kaadetaan kaatoaltaaseen tai -suppiloon. Samoin kuin valukanavistossa ovat näiden muoto ja koko ratkaisevassa asemassa. Sulan kulku valukappaleeseen on mahdollista saada paineenalaisena tai paineettomana. Tällöin on ratkaistava kanavistossa kulkevan sulan määrä. Kaatoallas tai suppilo valitaan siten, että se pitää kanaviston aina täytenä, eli siihen on voitava kaataa enemmän sulaa kuin kanavisto kuljettaa valukappaleeseen. Kuva 99 A. Kaatosuppiloita Kuva 99 B. Kaatosuppilon kaaviokuva 20.7.2010 Pekka Niemi Muotin valujärjestelmä - 5
Kaatosuppilon tehtävänä on ottaa vastaan valusangosta kaadettava sula metalli ja ohjata se kaatokanavaan. Lisäksi kaatoallas toimii metallin virtausnopeuden hidastimena ja kuonan erottimena. Kaatoallas on pidettävä koko valamisen ajan täynnä. Vaillinaisesti täynnä pidetyssä kaatoaltaassa imeytyy ilmaa metallin joukkoon kaatokanavan suulle syntyvässä pyörteessä. Sula metalli käyttäytyy virratessaan muotin kanavistossa nesteen tavoin. Nesteet voivat virrata putkistoissa kahdella tavalla: laminaarisena eli suuntaisvirtauksena turbulenttina eli pyörteisvirtauksena. Suuntaisvirtauksessa aineen hiukkaset liikkuvat yhdensuuntaisesti. Pyörteisvirtauksessa taas hiukkaset liikkuvat epäsäännöllisesti heilahdellen seinämien ja keskustan välillä. Sulan metallin virratessa suuntaisvirtauksena syntyy kanavan seinämille liikkumaton kerros, ja valtaosa metallista virtaa muottiin lainkaan koskettamatta kanavan seinämiä. Pyörteisvirtauksessa taas pintakalvo uudistuu lakkaamatta, jos pyörteisyys on voimakasta, jolloin aina uudet metallihiukkaset koskettavat kanavan seinämää. Tällöin huomattava osa sulasta metallista hapettuu kanavan seinämiä koskettaessaan, ja muodostuneet oksidit sekoittuvat sulaan metalliin. Kuva 100. Laminaarinen virtaus Kuva 101. Turbulenttinen virtaus Sulan metallin pyörteisvirtausta suosivat paineellisen täyttöjärjestelmän lisäksi: kanavien suurentaminen, jos virtausnopeus pysyy samana suuri virtausnopeus metallin suuri tiheys ja viskositeetti äkkinäiset suunnanmuutokset metallin virtaussuunnassa pyöreät kanavat. 20.7.2010 Pekka Niemi Muotin valujärjestelmä - 6
Valettaessa hapettumiseen taipuvia metalleja voidaan pyörteiden muodostumista muotin kanavissa ehkäistä kiinnittämällä huomiota edellä mainittuihin tekijöihin seuraavasti: sula metalli on tuotava muottiin useitten valukanavien kautta ja mieluimmin nousevana valuna muotti on täytettävä mahdollisimman hitaasti korkeaa lämpötilaa on vältettävä kanavisto on muotoiltava virtaviivaiseksi, ja kaatokanavasta jakokanavaan syntyvän jyrkän suunnanmuutoksen vaikutusta on lievennettävä kaatokanavan alapäähän tehtävällä laajennuksella kaatokanavan ja jakokanavan on oltava kulmikkaita ja valukanavien kernaasti litteitä. Koska virtaviivaiset valukanavat ovat mallinvalmistuksen kannalta hankalia, voidaan ne korvata jakokanavista suorakulmaisesti haarautuvilla suuremmitta haitoitta. Valukappaletta suunnitellessa on huomioitava myös mahdollisesti sulassa olevat epäpuhtaudet, kuten kuona, senkka ja uunimassat. Tästä syystä suunnitteluvaiheessa on huomioitava valukanavien poiston helppous tai niiden tuomat toimenpiteet. Kuva 102. Kanavistoa liimataan Kuva 103. Kanavisto koottu Kuva 104. Kanavisto mallin päällä Kuvissa 102 104 tiiliputkista rakennetaan valukanavistot. Kanavistoon kuuluu erilaisia suoria, mutka- ja jakotiiliä. Täyttöjärjestelmässä voidaan kuonan poistamiseksi käyttää myös suodattimia. Kuonan erottamiseksi voidaan kanavistoon sijoittaa myös suodatinkeerna. 20.7.2010 Pekka Niemi Muotin valujärjestelmä - 7
Kuva 104. Epäpuhtauksien poistoon tarkoitettuja suodattimia Kuva 105. Suodattimia muotissa Keerna on tehty huokoisesta keraamisesta massasta, joka laskee lävitseen vain puhtaan metallin. Kuva 105. Kanavistoon sijoitettu siiviläkeerna Muita kuonan estoon tarkoitettuja kuonan estoratkaisuja, joiden kaikkien tarkoitus on saada poistettua kuona kanavistossa virtaavasta sulasta: kuonaeste eli pato siiviläkeerna keraamiset siiviläpalat hammasloukku kuonanousu umpikanava pyörreloukku kuonatasku Kuva 106. Hammasloukku 20.7.2010 Pekka Niemi Muotin valujärjestelmä - 8
19.2 Syöttöjärjestelmä 19.2.1 Lämmönsiirron perusteita Lämpö siirtyy kolmella eri menetelmällä (myös valaessa). johtuminen konvektio (tarkoitetaan lämpövirtausta liikkuvassa nesteessä tai kaasussa ja erityisesti nesteestä kiinteään pintaan tai päinvastoin.) säteily Lämpöenergian poistuminen valukappaleesta tapahtuu pintojen kautta. Tästä syystä moduli (katso Moduli 20.1), eli tilavuuden suhde jäähdyttävään pinta-alaan, on valajan tärkeimpiä suureita. Johtumisessa lämpö siirtyy aineen sisäisestä liikkeestä. Konvektiossa neste (fluid), kuten ilma tai sula rauta kuljettaa lämpöä liikkeessä ollessaan. Lämpösäteilyssä esim. muotin pinta luovuttaa lämpöenergiaa elektromagneettisina aaltoina ympäristöönsä. Valunsimuloinnissa huomioidaan pääsääntöisesti vain lämmön johtuminen. Tällöin puhutaan jähmettymisen simuloinnista. Jos simuloinnissa huomioidaan myös sulan konvektio, puhutaan virtaus simuloinnista tai muotin täyttymisen simuloinnista. (katso Simulointi19.1) Säteilyn avulla tapahtuvaa lämmönsiirtoa ei simuloinnissa käsitellä kuin korkeintaan materiaaliparametreja peukaloimalla. Monimutkaisia virtausilmiöitä, kuten esim. faasimuutoksia tai turbulenssia (virtauksen nopeata muutosta ajan suhteen eli heilahduksia) ei valusimuloinneissa yleensä kyetä laskennallisesti huomioimaan. 19.2.2 Syöttöjärjestelmän suunnittelu Valumetalli kutistuu jäähtyessään kolmessa eri vaiheessa (kuva 51). Sula kutistuu jäähtyessään kohti likviduslämpötilaa (atomien muodostaman seoksen likvidus (=sularaja)) Metalli kutistuu kiteytyessään, joskin raudoilla grafiitin erkautuminen kompensoi kutistumaa. Rauta kutistuu jäähtyessään kiinteässä muodossa kohti huoneen lämpötilaa. 20.7.2010 Pekka Niemi Muotin valujärjestelmä - 9
Kuva 107. Hiiliolotilapiirros Sulakutistuman kompensoimiseksi valujärjestelmän tulee kyetä hydrostaattisen paineen (sen aiheuttaa nesteen oma painovoima) avulla pitämään kappale täynnä sulaa. Paine on sitä suurempi, mitä syvemmälle nesteessä sijaitaan. Myös nesteen tiheys vaikuttaa) avulla pitämään kappale täynnä sulaa. Kappale jähmettyy, eli vaihtaa olomuotoaan sulasta kiinteäksi ensiksi ohuista kohdista. Viimeiset sulat alueet jäävät materiaali keskittymiin, joissa on paljon materiaalia suhteessa jäähdyttävään pinta-alaan. Kappaleissa voi olla useita materiaalikeskittymiä jotka voidaan jakaa omiksi syöttöalueikseen. Syöttömetallin saatavuus on varmistettava jokaiselle syöttöalueelle esim. syöttötäytteellä tai syöttökuvulla (katso 19.4 Syöttökuvut) Kiteytymiskutistuman aikana syöttökupu luovuttaa materiaalia kappaleeseen ja ns imuvirhe jää kappaleen sijasta syöttökupuun (katso 13.4 Imuvirhe). Syöttökupu toimii jähmettymisen aikana sulan metallin varastona, jolloin syöttöyhteys kappaleen ja syöttökuvun välillä toimittava Jähmettymisen simuloinnilla pyritään löytämään syöttöä tarvitsevat alueet ja varmistamaan suunnitellun syöttökuvun toimivuus ko alueella. 20.7.2010 Pekka Niemi Muotin valujärjestelmä - 10
Kuva 108: Jähmettymismuodot 19.2.3 Syöttöjärjestelmän huomioiminen Syöttöjärjestelmän huomioiminen valukappaletta suunnitellessa on samalla tavalla tärkeää kuin täyttöjärjestelmänkin. Kutistuminen aiheuttaa ainevajausta ja muita kutistumavikoja, joten syöttö on tarpeen. Syötön tarpeen määrä riippuu valumetallin jähmettymismorfologiasta (kiteiden muotoutumista eri olosuhteissa eri metalleilla ja metalliseoksilla) ja -kutistumasta, muottimateriaalista, kaavausmenetelmästä sekä valoksen muodosta. Näistä syistä seuraa, että syöttöteknologia, esim. syötöt, on sijoitettava kohtiin, joilla estetään vajavaisesta syötöstä johtuvat virheet, kuten mm. imu- ja muotovirheet. Syöttöjärjestelmää ja syöttämistä on esitelty myös Muotinvalmistustekniikka-kirjassa sekä hyvin kattavasti ValuAtlaksessa. Aiemmin tässä kirjassa on esitelty metallin syöttämisen tarve ja syöttämisen keinot. Syöttöjärjestelmän tehtävänä on syöttää jähmettyvään valukappaleseen sulaa vastaava määrä metallien imuvikojen välttämiseksi. Syöttöjärjestelmä koostuu: syöttökuvuista syöttötäytteistä, jotka ovat ainepaksuuden lisäyksiä, joiden tehtävänä on varmistaa sulan metallin häiriötön virtaus muotin kaikkiin osiin jäähdytyskappaleista lämpötilagradienttien luomiseksi. 20.7.2010 Pekka Niemi Muotin valujärjestelmä - 11
Syöttöjärjestelmän osat valmistetaan irrallisista osista, jotka kiinnitetään malliin valmistettuihin kiinnityskohtiin ennen kaavausta (ks. kuvat 96 ja 97: mallissa täyttö- ja syöttöjärjestelmä). 19.3 Syöttökuvut Syöttöjärjestelmään kuuluvat syöttökuvut voidaan jakaa pääasiassa kahteen päätyyppiin: 1. Avokupu: yleensä peitettävä valun jälkeen (lämmönsäilymiskyvyn vuoksi) yleensä kylmin metalli, ellei valeta erikseen vielä kupuun (suuret muotit). Kuva 109. Kuvussa oleva sula peitetty eksotermisellä jauheella valun jälkeen 2. Umpinainen kupu: lämpötaloudellisesti parempi kuin avokupu voidaan käyttää ilmanpainetta hyväksi (puhkaisukeerna ja tai -halkaisija). Kuva 110. Teräsvalukappaleessa alhaalla keskellä umpikupu halkaisijamuodolla, sekä avokuvut yläpinnassa Kuten kuvassa 110 huomataan, kanaviston ja syöttökupujen suunnittelu ja sijoittelu vaikuttaa myös valukappaleen koko siihen rakenteeseen, joka jäähtyy muotissa. Aiemmin on esitetty kanavistojen ja syöttöjen vaikuttaminen valukappaleen jäähtymisessä tapahtuviin jännityksiin. 20.7.2010 Pekka Niemi Muotin valujärjestelmä - 12
Mallien avulla valmistettujen avosyöttökupujen mallit on voitava poistaa vetämällä ylöspäin kaavauksen yhteydessä ja umpikuvut mallin irrotuksen yhteydessä. Syöttökuvun voi siis valmistaa kaavaamalla mallin avulla, mutta sen voi valmistaa myös käyttämällä erillisiä syöttökupuja, jotka jätetään kaavauksen yhteydessä muottiin. Syöttökupuja voi olla käytännössä kahta tyyppiä luonnollisia eristäviä tai lämpöä luovuttavia (eksotermiset kuvut) Luonnolliset kuvut kaavataan muottiin kappaleiden viereen jakopinnalle. Luonnollinen kupu pystyy luovuttamaan noin 15% omasta painostaan kappaleeseen ennen kuin kupu jähmettyy. Edellä mainittuja syöttökupuja on kahta mallia avoimia ja suljettuja Suljetut umpikuvut ovat kokonaan muottiaineen ympäröimä. Ne sijoitetaan yleensä jakopinnan kohdalle. Avoimet syöttökuvut aukeavat muotin yläpintaan. Sen vuoksi avoimen syöttökuvun yleisin muoto on lieriö. Kuva 111. Eksoterminen avokupu mallissa ennen kaavausta Lieriömäisen avokuvun korkeuden (H) ja halkaisijan (D) suhde on yleisimmin H:D 1 2 Esim. Avokuvun halkaisija (D) on 200 mm suhde 1,0. Kuvun korkeudeksi (H) tulee silloin 200 mm * 1,0 = 200 mm Avokupuna on yleistynyt teräsvalussa eksoterminen holkki. Tällöin yllä olevien kupujen mittasuhteet muodostuvat eri periaatteella (holkkikohtainen lämmönkehityskyky) kuin avonaisen kuvun. Eksotermiset kuvut sijoitetaan kappaleen yläpinnalle. Valumallissa on tappi tai jokin kiinnityskoroke, johon syöttöholkki sijoitetaan ennen muotin kaavausta. 20.7.2010 Pekka Niemi Muotin valujärjestelmä - 13
Kuva 112. Eksotermisen holkin kiinnitysalusta (tappi) Eksoterminen holkki jää kiinni ylämuotin hiekan sisään ja täyttyy metallilla valun yhteydessä (katso kuva 113). Kuuma metalli sytyttää kuvun materiaalin ja palaessaan holkki lämmittää kuvussa olevaa metallia. Eksoterminen kupu pystyy luovuttamaan jopa 65-70% sisältämästään metallista. Umpinaisella syöttökuvulla on useita etuja avonaisiin verrattuna. Ne ovat lämpötaloudellisesti parempia kuin avoimet. Kuvut ovat kauttaaltaan muottiaineen ympäröiminä, eikä niiden peittämisestä näin ollen huolehtia. Umpikupu voidaan myös tehdä muotin sisään eksotermisesta materiaalista valmistetusta kuvusta (holkista), joka peitetään kannella (katso Muotinvalmistustekniikka - kirja). Kuvuilla päästään lähelle lämpöteknisesti ihanteellista pallon muotoa. Tavallisimmin käytetyt muodot muistuttavat pystysuunnassa venytettyä palloa. Kuva113. Umpikupu muodostettu holkista Kuva 114. Umpikupu, joissa puhkaisuhalkio ja -keerna 20.7.2010 Pekka Niemi Muotin valujärjestelmä - 14
Umpikuvun toiminnassa voidaan käyttää myös hyväksi ilmanpainetta. Ilmanpaine pääsee vaikuttamaan jähmettyvän kuoren sisällä olevaan sulaan metalliin puhkaisukeernan tai puhkaisuhalkion välityksellä. Umpinaisen syöttökuvun korkeuden (H) ja halkaisijan (D) suhde on tavallisesti H:D = 1,5. Esim. kun umpikuvun halkaisija (D) on 150 mm ja suhde 1,5, kuvun halkaisijaksi (H) tulee 150 mm * 1,5 = 225 mm Kauluskeerna Valukappaleen ja syöttökuvun yhtymäkohdan kavennus voidaan muodostaa kauluskeernan avulla. Kuva 115 A. Kauluskeernan muoto Kuva 115 B. Kauluskeerna syöttökuvussa Kavennuksen tehtävänä on helpottaa valukappaleen puhdistusta valun jälkeen. Kupu on helpompi poistaa valukappaleesta, koska se katkeaa katkaisukohdasta valukappaletta vaurioittamatta. Kauluskeernan muotoilusta ja mitoituksesta on julkaistu kokemusperäisiä ohjeita. Nykyisin simulointi auttaa tässäkin. 20.7.2010 Pekka Niemi Muotin valujärjestelmä - 15