18. Muotin täyttöjärjestelmä Raimo Keskinen, Pekka Niemi Tampereen ammattiopisto Kanavistoa, jota pitkin sula metalli virtaa muottionteloon, kutsutaan muotin täyttöjärjestelmäksi. Täyttämisen ohella sillä on muitakin tehtäviä, kuten eristää ilman ja muottikaasujen sekoittuminen sulaan metalliin sekä erottaa kuona siitä. Lisäksi kanaviston pitää olla muodoltaan sellainen, että se voidaan metallin jähmettymisen jälkeen poistaa helposti valukappaleesta. Kuva 184. Valukappale täyttöjärjestelmineen Yksinkertaisessa kaavauksessa kaavaaja tekee kanavistot lansentilla. Vaativien kappaleiden muoteissa sekä myös sarjatuotannossa täyttöjärjestelmä suunnitellaan matemaattisen tarkasti, jotta valukappale saataisiin virheettömäksi ja kanavistoon jähmettyvä metallimäärä mahdollisimman pieneksi. Kaatoaltaan tehtävänä on ottaa vastaan valusangosta kaadettava sula metalli ja ohjata se kaatokanavaan. Lisäksi kaatoallas toimii metallin virtausnopeuden hidastimena ja kuonan erottimena (kuva 185). Kaatoallas on pidettävä koko valamisen ajan täynnä. Vaillinaisesti täynnä pidetyssä kaatoaltaassa imeytyy ilmaa metallin joukkoon kaatokanavan suulle syntyvässä pyörteessä. Kaatoallasta käytetään mm. valurautaa valettaessa. Kuva 185 Kaatosuppilolla ei ole virtausnopeuden hidastamis- ja kuonaerotuskykyä. Suppiloa käytetäänkin yleensä metalleille, jotka valetaan valusangon pohjasta, kuten teräkselle. Kaatosuppilo on myös koko valun ajan pidettävä täynnä. 30.3.2010 Raimo Keskinen, Pekka Niemi Luvut 18 19-1
Usein kaatoallas tai suppilo nostetaan erillisenä osana muotin kaatokanavan päälle. Tällöin on tärkeää, että muotin ja kaatoaltaan välinen jakopinta tiivistetään hyvin, jotta sula ei pääse vuotamaan siitä valutapahtumassa. Kuva 186. Erillinen kaatoallas Kaatokanava voidaan myös tehdä suoraan muottiin kaavausvaiheessa. Tämä helpottaa työtä, mutta asettaa vaatimuksia kehäkoon suhteen: kehän on oltava riittävän korkea. Tällöin saatetaan joutua käyttämään kaavaushiekkaa turhan paljon, mikä aiheuttaa kustannuksia hiekan ja muotin täyttöajan kasvamisen takia. Kuva 187. Kaatoallas muotissa Kaatosuppilot tehdään nykyisin keraamisesta aineesta, jotta valusuihku ei irrottaisi muottihiekkaa niistä. Kaatosuppilot ovat käyttökelpoisia, mutta on huomioitava niiden aiheuttama lisäkustannus muotinvalmistuksessa. Tämä kustannus saattaa kuitenkin olla pieni verrattuna kaatosuppiloilla saatuihin laatukustannussäästöihin puhtaan valukappaleen ansiosta. Kuva 188. Tiiliputkikaatosuppilo Suurehkoissa muoteissa käytetään kaatoaltaissa tulppasuljinta, jolla virtausaukko avataan vasta sitten, kun allas on täynnä (kuva 189). Näin saadaan kuona metallia kevyempänä erottumaan pintaan. Kaatokanavaa pitkin metalli putoaa alempana olevaan jakokanavaan. Putoamisen aikana valusuihkun nopeus lisääntyy alaspäin mentäessä, minkä vuoksi suihku kapenee, vrt. hanasta virtaavaan veteen. Jos kaatokanava on tasapaksu, saattaa valusuihkuun sekoittua ilmaa ja vesihöyryä. Jotta kaatokanava pysyisi täynnä, se muotoillaankin usein kartiokkaaksi (kuva 190). Kun metalli putoaa kaatokanavan pohjalle, se irrottaa helposti muotista hiekkaa mukaansa. Tämä voidaan estää laittamalla pohjalle joko tasainen tai sitä varten muotoiltu tiili. Kuva 189 Kuva 190 30.3.2010 Raimo Keskinen, Pekka Niemi Luvut 18 19-2
Jakokanava jakaa metallin yhteen tai useampaan valukanavaan. Jakokanavat voivat olla poikkileikkaukseltaan erilaisia. Kuva 191 esittää suomugrafiittiraudalle suositeltavaa jakokanavan muotoa. Mitta riippuu valukappaleen koosta. Kuva 191 Joskus kanava muotoillaan siten, että se erottaa kuonaa. Kuva 126 esittää erästä kuonan erotintyyppiä, hammasloukkua, jonka hampaisiin metallin mukana virtaava kuona nousee ja jää. Kuva 192 Kuonan erottamiseksi voidaan kanavistoon sijoittaa myös siiviläkeerna. Keerna on tehty huokoisesta keraamisesta massasta, joka laskee lävitseen vain puhtaan metallin. Kuva 193 Kuva 194 Kuva 195 Kuvissa 193 ja 194 suodatin ja kuvassa 195 suodatin muotissa Kuvan 196 mukaista ratkaisua voidaan käyttää esimerkiksi kevytmetalleille. Kuva 196 Valukanavat eli sisäänmenot johtavat sulan metallin muottionteloon tai syöttökupuihin. Kuva 197 Valukanavien poikkileikkauksen muoto vaihtelee riippuen valumetallista ja kappaleen muodosta (kuva 197). 30.3.2010 Raimo Keskinen, Pekka Niemi Luvut 18 19-3
Hauraista aineista valettujen kappaleiden valukanavat poistetaan usein lyömällä. Kuva 198. Valukanava irrotetaan lyömällä Kappaleen rikkoutumisen estämiseksi kanavan ja kappaleen liittymäkohta tehdään tällöin litteäksi (kuva 200). Tämä on yleistä esimerkiksi valuraudoilla. Kuva 199. Litteä valukanava kappaleen ohuimmassa kohdassa Kuva 200. Valukanavan yhtymäkohta Valukanavat sijoitetaan yleensä kappaleen ohuimpaan kohtaan. Kun metalli virtaa kanavan kautta, muottihiekka kuumenee sen ympäriltä ja hidastaa ohuen kohdan jähmettymistä. Näin saadaan kappale jähmettymään tasaisesti joka kohdastaan, ja imuvikojen ja kylmäjuoksujen vaara vähenee (kuva 201). Muotissa, jossa on useampia valukanavia, eivät valukanavat aina ole saman arvoisia toiminnassaan. Pääosa metallista virtaa muottiin reunimmaisten valukanavien kautta (kuva 202). Voi jopa sattua niin, että kaatokanavaa lähinnä olevien valukanavien kautta ei mene ollenkaan metallia, vaan niihin syntyy alipaine, ja ne imevät ilmaa muottiontelosta metallin sekaan. Kuva 201 Kuva 202 Valukanavien tasainen toiminta saavutetaan esimerkiksi supistamalla jakokanavaa kauimpana oleviin jakokanaviin päin (kuva 203). Kuva 203 30.3.2010 Raimo Keskinen, Pekka Niemi Luvut 18 19-4
Hiekan huuhtoutumisvaaran vuoksi täyttöjärjestelmän kanavistot on viimeisteltävä vähintään yhtä hyvin kuin muotti. Kanavistojen osuudet on sullottava tiukkaan ja niihin on käytettävä mallihiekkaa. Myös muotin sisäänmenojen kohdat on sullottava huolellisesti. Kanavistossa ei saa olla jyrkkiä mutkia, koska niissä tempautuisi sulan metallin mukaan ilmaa, vesihöyryä ja muottikaasuja (kuva 204). Kuva 204 Vaativien suurten valukappaleiden kanavistot tehdään keraamisista aineista valmistetuista kanavatiilistä, joita on erilaisia putkia, mutkia sekä risteyskappaleita (kuva 205). Kuva 205. Erilaisia kanavistotiiliä Kuva 206. Tiiliputken naaraspää ja urospää Kuva 207. Tiiliputket yhteen sovitettuna Kuva 208. Kanaviston mutkatiili ja jako- eli risteystiili 30.3.2010 Raimo Keskinen, Pekka Niemi Luvut 18 19-5
Kuva 210. Täyttymisen simulointi Kuva 211. Kanavistorakenne Kuva 212. Valurautaa kaadetaan kaatoaltaaseen 30.3.2010 Raimo Keskinen, Pekka Niemi Luvut 18 19-6
19. Muotin syöttöjärjestelmä Raimo Keskinen, Pekka Niemi Tampereen ammattiopisto Kun muotin täyttänyt sula metalli alkaa jähmettyä, kutistuu se samanaikaisesti. Valukappaleen ohuet kohdat jähmettyvät aikaisemmin kuin paksut. Vielä sulana olevista paksuista kohdista siirtyy metallia jähmettyviin ohuempiin kohtiin. Paksuihin kohtiin jää ainevajausta, ellei niihin vuorostaan syötetä metallia. Kuva 213. Jähmettymisvaaka. Jos muotti valetaan sulaa metallia täyteen ja tasapainotetaan, kallistuu se jähmettymisen aikana vasemmalle. Mistä tämä johtuu? Taulukko 3 Syöttäminen tapahtuu syöttökuvuilla, jotka toimivat valukappaleessa eräänlaisina sulan metallin varastoina. Syötön tarve riippuu valumetallin jähmettymiskutistumasta, valukappaleen muodosta sekä sen lujuus vaatimuksista. Taulukko 3 esittää yleisimpien valumetallien jähmettymiskutistumisen. Positiivinen tilavuuden muutos tarkoittaa, että metalli laajenee jähmettyessään, vrt. metallioppi. Syöttökuvuista huolimatta valukappaleeseen jää joskus ainevajausta. Tällaista valuvikaa kutsutaan imuksi. Koska jähmettyminen alkaa kappaleen ulkokuoresta muotin seinämien vaikutuksesta, syntyy imu usein kappaleen sisällä. Kuva 214. Imu kappaleen sisällä Kuva 215. Imu alumiinivalussa 30.3.2010 Raimo Keskinen, Pekka Niemi Luvut 18 19-7
Imu voi olla myös avoimu, jolloin se näkyy kappaleen pinnassa. Kuva 216. Imu pintaan saakka Kuva 217. Imu näkyy valuratakappaleen pinnassa Imuhuokoisuus taas jakaantuu suurena joukkona pieniä imuonteloita laajemmalle alueelle (kuvat 218 ja 219). Kuva 219 Kuva 218 Aina ei valukappaleen syöttäminen ole tarpeen, koska usein ei pienistä imuvirheistä tai - huokosista ole haittaa. Esimerkiksi ohuet, tasapaksut kappaleet, joita on mahdottomuus syöttää, saavat valun jähmettyessä syöttömetallia riittävästi valukanavistostaan. Syöttökuvut voivat olla joko avoimia tai umpinaisia. Avoimet kuvut avautuvat muotin yläpintaan, koska niiden mallit on vedettävä kaavauksen yhteydessä muotin yläosasta ylöspäin (kuva 220). Kuva 220. Avoin syöttökupu. Kuva 221. Avoin syöttökupu peitetty Eksoterminen holkki käytössä Avoimien syöttökupujen yläpinnat peitetään yleensä välittömästi valun jälkeen lämpöä eristävällä tai lämpöä synnyttävällä eli eksotermisellä aineella, jotta ne pysyisivät mahdollisimman pitkään sulana. 30.3.2010 Raimo Keskinen, Pekka Niemi Luvut 18 19-8
Kuva 222. Valetun valukappaleen päällä eksotermistä jauhetta Syöttökuvuista tulee olla sula yhteys koko jähmettymisen ajan syötettäviin kohtiin. Ellei näin ole, syntyy kappaleeseen imuvikoja (kuva 224). Sula yhteys saadaan säilymään, jos syöttötie eli vielä sulana olevan metallin osuus aukeaa kiilamaisesti syöttökupua kohti (kuva 223). Kuva 223 Näin toteutetaan suunnatun jähmettymisen periaatetta, jonka mukaan valukappaleen jähmettymisen tulee alkaa syöttökuvuista kauimpana olevista kappaleen osista ja edetä avonaisena rintamana syöttökupuun. Kuva 224 Suunnatun jähmettymisen periaate voidaan toteuttaa Heuversìn ympyrämenetelmällä. Johonkin seinämän leikkaukseen mahtuvan ympyrän pinta-ala voidaan katsoa suoraan verrannolliseksi ko. paikan ainekeskittymään, eli kappaleen jokaiseen kohtaan piirretyn ympyrän (pallon) on mahduttava siirtymään kappaleesta syöttökumpuun. Vrt. kuvan 225 vasemmanpuolista ja oikeaa kuvaa. 30.3.2010 Raimo Keskinen, Pekka Niemi Luvut 18 19-9
Joskus joudutaan suunnatun jähmettymisen vuoksi lisäämään syöttökupujen yhteyteen syöttötäytteitä, jotka ovat liian nopeasti umpeen jähmettyvien seinämien paksunnoksia (kuva 223). Kuva 225 Kuva 226. Syöttö toiminut: valukappaleessa ei imua. Syöttökupujen tarvetta voidaan vähentää sopivalla valukappaleen rakennesuunnittelulla (kuva 227). Kuva 227. Kappale A: paljon ainekeskittymiä, joissa esiintyy imuvirheitä. Kappale B: tasapaksut seinämät, joissa on imuhuokoisuutta. Kappale C on suunniteltu suunnatun jähmettymisen periaatteen mukaan. Umpinaiset syöttökuvut ovat muotin sisällä piilossa, yleensä jakopinnalla. Niiden toiminta perustuu ilmanpaineen hyväksikäyttöön. Ilmanpaine pääsee vaikuttamaan syöttökuvun jo muualta jähmettyneen kuoren sisäpuolelle joko puhkaisukeernan tai puhkaisuhalkion välityksellä (kuva 228). Tämä mahdollistaa syöttämisen myös ylöspäin, koska imukohtaan syntyy tyhjiö, johon ilmanpaine painaa metallia. Kuva 228 30.3.2010 Raimo Keskinen, Pekka Niemi Luvut 18 19-10
Kuva 229 Ilmanpaine kykenee teoriassa nostamaan sulaa metallia sellaiseen korkeuteen saakka, joka vastaa metallipatsaan paineena normaalia ilmanpainetta eli 760 mmhg. Valuteräksillä tämä korkeus on 1,3 m. Tähän ei kuitenkaan päästä, koska se edellyttäisi täysin tiivistä jähmettynyttä kuorta sekä valumetallin esteetöntä liikkumista seinämissä (kuva 229). Kuva 230. Syötön tarve riippuu valumetallista. Sama valukappale valettuna vasemmalla valuraudasta ja oikealla teräksestä. Umpinaisen syöttökuvun on säilytettävä kapeasta kaulastaan huolimatta sula yhteys valukappaleeseen. Tämä on mahdollista, koska kaulan ympärillä oleva muottihiekka kuumenee voimakkaasti ja pitää metallin sulana. Syöttökupu kauloineen on mitoitettava oikein sulayhteyden aikaansaamiseksi (vrt. kuva 231). Kuva 231 30.3.2010 Raimo Keskinen, Pekka Niemi Luvut 18 19-11
Syöttökupujen poistamista helpotetaan usein, kun asetetaan ohut reiällinen keerna kuvun ja valukappaleen väliin. Tällainen kauluskeerna pienentää kaulan poikkipinta-alaa niin paljon, että se on helppo poistaa joko lyömällä tai polttamalla. Keernan tulee nopeasti saavuttaa ympäröivän sulan lämpötila, jotta syöttö ei vaikeudu (kuva 232). Kuva 232 Kuva 233. Eksotermisessä syöttökuvussa katkaisukeerna Kuva 234. Katkaisukeernan katkaisukohta Hauraille aineille, kuten valuraudalle, käytetään joskus ns. Connor-syöttökupua, joka liittyy valukappaleeseen ohuen saumakanavan välityksellä (kuva 235). Kupu on helppo poistaa lyömällä valukappaleesta. Saumakanava saadaan voimakkaasti kuumenemaan kuvun kautta läpivirtaavan sulan vaikutuksesta ja sulayhteys säilymään liittymäkohdan kapeudesta huolimatta. Kuva 235 Syöttökuvut ja -täytteet lisäävät valukappaleen valmistuskustannuksia, koska niitä varten pitää sulattaa valumetallia enemmän kuin kappaleen paino vaatii. Lisäksi niiden poistaminen valetusta kappaleesta aiheuttaa melkoisia lisäkustannuksia. Valuteräksillä kaasuleikkaus on yleisin paksujen valukkeiden poistamistapa. Runsasseosteiset teräkset ja valuraudat vaativat erikoismenetelmän, jauheleikkauksen, joka on kaasuleikkausta hankalampi ja kalliimpi menetelmä. 30.3.2010 Raimo Keskinen, Pekka Niemi Luvut 18 19-12
Kuva 236. Teräsvalukappaleesta poistetaan syöttökupuja polttoleikkaamalla 30.3.2010 Raimo Keskinen, Pekka Niemi Luvut 18 19-13
KERTAUSTEHTÄVIÄ Luettele muotin täyttöjärjestelmän tehtäviä. Luettele kaatoaltaan tehtävät. Miksi kaatoallas on pidettävä koko valun ajan täynnä? Miksi valukanavistossa ei saa olla jyrkkiä mutkia? Mitä tarkoitetaan suunnatun jähmettymisen periaatteella? Selitä, mitä ovat syöttötäytteet? Selitä, mikä on puhkaisukeernan tehtävä umpinaisessa syöttökuvussa. Mihin perustuu se, ettei Connor-syttökuvun kaula ohuudestaan huolimatta jähmety ennen aikojaan? 30.3.2010 Raimo Keskinen, Pekka Niemi Luvut 18 19-14