Muottien valmistus sullomalla Seija Meskanen, Teknillinen korkeakoulu Tuula Höök, Valimoinstituutti Sullomalla kovetettavia hiekkaseoksia ovat tuorehiekat. Niitä käytetään konekaavauksessa, erityisesti valuraudoille, mutta myös alumiiniseoksille ja muille ei-rautametalleille. Konekaavaus tuottaa valukappaleisiin hyvän pinnanlaadun ja menetelmät ovat mittatarkkoja. Näistä syistä autoteollisuuden valut tehdään lähes yksinomaan konekaavauksena tuorehiekkaan. Menetelmällä valmistetaan yleensä pieniä ja keskikokoisia, sarjaluontoisesti valmistettavia kappaleita. Sullonta on vanha muotinvalmistuksen menetelmä, mutta edelleen käytetyin maailmassa. Menetelmä on helppo automatisoida. Se on myös edullinen ja konekaavauksena nopeampi kuin mikään muu hiekkamuottien valmistusmenetelmä. Sullonta on nopeaa, koska hiekan lujuus saadaan aikaan puristamalla. Kovettuminen ei perustu aikaa vieviin kemiallisiin reaktioihin. Tuorehiekan sekoittimina käytetään annossekoittimia. Hyvä sekoitus vaatii painekomponentin, jotta kunnon mikrosekoittuminen saadaan aikaan. Tuorehiekoissa on kaavaushiekan lisäksi sideaineena n. 10 % bentoniittia ja 3-3,5 % vettä. Sideaineen lisäksi hiekkaan sekoitetaan 1-4 % lisäaineita, esimerkiksi hiililisäaine. Hiililisäaine värjää hiekan mustaksi. Sitä tarvitaan raudan valussa muodostamaan kiiltohiilikalvo hiekkarakeiden pinnalle. Kiiltohiili tuottaa valuun hyvän pinnanlaadun. Se toimii automaattipeitosteena (muuta peitostetta ei tarvita). Hiililisäainetta ei kuitenkaan voi käyttää teräksen valussa, koska se hiilettää teräksen pinnan. Bentoniitti säilyttää käyttökelpoisuutensa vielä valun jälkeenkin - lukuun ottamatta valukappaletta vasten ollutta ohutta kerrosta. Valukappaletta lähimpänä ollut bentoniitti palaa menettäen kidevetensä. Se ei saa sitomiskykyään takaisin edes uudelleen kostutettuna. Kun tuorehiekka kierrätetään ja sekoitetaan uudelleen, riittää elvytykseksi usein pelkkä veden ja pienen sideainemäärän lisääminen. Sideainelisäys tarvitaan korvaamaan palanut bentoniitti. Tuorehiekkojen laadunvalvonta on tarkka. Tärkeimmät seurattavat laatuominaisuudet ovat sulloutuvuus, raejakauma ja kosteuspitoisuus. Sulloutuvuus kuvaa hiekan käyttäytymistä kaavauksessa. Kosteuden tulee pysyä tarkoissa rajoissa sideaineen laadun, määrän ja hiekan raekoon mukaan. Kiertohiekan jäähdyttäminen on oleellista, koska kosteutta on vaikea hallita, jos hiekka pysyy kuumana pitkiä aikoja ja haihduttaa vettä. Liian suuri kosteuspitoisuus heikentää sullotun hiekan lujuutta, pintakovuutta ja kaasunläpäisevyyttä. Toisaalta liian pieni kosteuspitoisuus alentaa myös hiekan lujuusominaisuuksia. Tuorehiekkamuottien valmistamiseen on aikaisemmin käytetty yleisesti täristyspuristuskaavauskoneita (Kuva 1). Näissä koneissa hiekan sullonta on kaksivaiheinen: Muotti täytetään ja sen alaosa tiivistetään täristämällä. Yläosa tiivistetään puristamalla. Vaiheet voidaan tehdä peräkkäin tai samanaikaisesti. Täristämisestä on pyritty luopumaan meluhaittojen takia. Täristäminen on myös hidasta ja luopuminen on nopeuttanut kaavausta. Täristyksen sijasta kaavauskehysten täyttämiseen eli muotin esisullontaan käytetään nykyisin paineilmapuhallusta tai alipainetta. Jos hiekka juoksee riittävän hyvin, mallin ahtaimmatkin kolot täyttyvät. Paineilmalla täyttäminen vaatii rakentamaan mallilaatan siten, että ilma pääsee poistumaan esteettä. Tuorehiekkojen tiivistäminen ja kovettaminen (eli sullonta) perustuu nykyisin mekaaniseen puristamiseen tai paineilmaiskuun. Puristusvoima tuotetaan paineilmalla, hydraulisesti tai tyhjöllä. Muotin lopputiivistys suoritetaan suurpainepuristuksella. Kaavauskoneet valmistetaan tietyille Muokattu 20.10.2015 (Tuula Höök) - Sullomalla kovettuvat hiekkaseokset - 1
ominaispuristuspaineille (N/cm 2, 1 MPa = 100 N/cm 2 ), joiden perusteella voi tehdä jaon pien-, keskija suurpainekaavauskoneisiin. Suurpainekaavauskoneiden ominaispuristuspaine on luokkaa 100-400 N/cm 2 ) Pien- ja keskipainekoneet toimivat pneumaattisesti ja suupainekoneet hydraulisesti. Hiekka sulloutuu sitä enemmän mitä suurempi puristuspaine on. Hiekan luonnollinen kokoonpuristuminen pysähtyy puristuspaineen ollessa 120 150 N/cm 2. Tähän rajaan saakka hiekan tiivistyminen on nopeaa. Jos puristuspainetta nostetaan, hiekka alkaa tiivistyä hitaasti hiekkarakeiden terävien kulmien murtuessa. Kromiitti- ja oliviinihiekkojen puristuskestävyys on huonompi kuin kvartsihiekalla. Niiden käyttäminen suurpainekaavauksessa vaatii seuraamaan kiertohiekan raejakaumaa huolellisesti. Kuva 1. Täristys-puristuskaavauskone. Hiekan tiheys ja kovuus vaihtelee muotin sisällä sullomismenetelmästä riippuen. Sulloutumiseen vaikuttavat käytettyjen menetelmien lisäksi hiekan raejakauma, kosteus ja sideaineet. Liian heikko tai epätasainen sullominen aiheuttaa valuvikoja, kuten pullistumia ja imuvikoja. Liian kova muotti taas aiheuttaa kuumarepeämiä, puhallus- ja kuoriutumavikoja. Hiekan tiheyden ja kovuuden vaihtelu muotin eri osissa voi johtua esimerkiksi siitä, että kaavauskoneen puristusvoima ei pääse vaikuttamaan muotin kaikissa osissa samansuuruisena. Ominaispuristuspaineen nostaminen vähentää muotin sisäisiä kovuuseroja, mutta tietyllä pystysuoralla tasolla muottipuolikkaan ylä- ja alapinta ovat aina kovempia kuin muotin keskikohta ja tietyllä vaakasuoralla tasolla muotin reunojen kovuus on aina pienempi kuin muotin keskellä. Osa puristusvoimasta kuluu hiekan ja kaavauskehyksen välisen kitkan voittamiseen. Mitä korkeampi kaavauskehä on, sitä enemmän hiekassa on kitkaa. Korkeilla kaavauskehyksillä on siksi käytettävä suurpainepuristusta. Kun puristukseen käytetään tasaista laattaa, mallin kohdalla olevat ohuet hiekkakerrokset estävät puristusta vaikuttamasta täydellä teholla paksuimpiin kohtiin - erityisesti muotin reunaosiin, jolloin ne jäävät heikoimmiksi kuin ohuet kohdat. Suurillakaan puristuspaineilla ei saada tasaista kovuutta muottiin, jos mallin korkeuserot ovat suuria. Puristuksen tasaamiseksi voidaan kaavauskoneissa käyttää muotopuristuslaattoja tai erittäin yleisesti käytössä olevia monimäntäpuristuspäitä (Kuva 2). Muotopuristuslaattojen valmistaminen kannattaa ainostaan erittäin suuria sarjoja varten. Muokattu 20.10.2015 (Tuula Höök) - Sullomalla kovettuvat hiekkaseokset - 2
Monimäntäpuristuslaitteessa on hydraulisia mäntiä, joihin on kiinnitetty kooltaan 1 2 dm 2 puristuslevyt. Kaikki männät puristavat muottia samansuuruisella voimalla, jolloin sen kovuus tulee tasaiseksi. Mitä hitaammin puristus tapahtuu, sitä enemmän hiekalla on aikaa liikkua muotissa ja puristua kokoon tasaisesti. Mallin pystysuorien seinämien läheisyydessä muotti on huomattavasti heikompi kuin vaakasuorien tasojen päällä. Kuva 2. A) Tasainen puristuspää, B) muotopuristuslaatta ja C) monimäntäpuristuspää. Mekaanisen puristamisen ohella muotti voidaan sekä täyttää että tiivistää paineilman avulla. Paineilma täytyy syöttää muottiin riittävän suurella nopeudella, jotta tiivistymistä tapahtuu. Paineilmamenetelmä mahdollistaa suuremman muottikoon mekaanisiin puristusmenetelmiin verrattuna. Seiatsu Seiatsu-menetelmä on kehitetty Japanissa v. 1979. Muotin täyttö tapahtuu paineilmaiskun avulla, jolloin hiekka asettuu mallia vasten hyvin. Lopullinen tiivistys tapahtuu puristamalla. Menetelmää sovelletaan nykyisin Sinto-tuotemerkeillä varustetuissa kaavauskoneissa. Seiatsu-menetelmä on nopea ja sillä voidaan valmistaa tasaisen kovia muotteja. Mallin hellitykset voivat olla pieniä, jopa 0,5 luokkaa, jolloin saadaan säästöjä koneistuskustannuksiin. Menetelmä sopiikin hyvin työstettäville korkeille kappaleille. Seiatsukoneen tahtiaika on n. 15 30 sekuntia muotinpuoliskoa kohden eli koko muotin valmistamiseen kuluva aika on 30 60 sekuntia. Tunnissa valmistuu tällöin 60 120 muottia. Mallit vaihtuvat tahtiajan kuluessa eli konetta ei tarvitse pysäyttää mallinvaihdon ajaksi. Kaavaus tapahtuu vaakatasossa, jolloin muotteja on helpompi keernoittaa kuin jos jakotaso olisi pystysuora kuten Disamatic -menetelmässä. Muokattu 20.10.2015 (Tuula Höök) - Sullomalla kovettuvat hiekkaseokset - 3
Kuva 3. Seiatsu-menetelmän periaate. A) Muotin molemmat mallilaatat on kiinnitetty palettiin, joka pyörähtää siirtäen vuorotellen mallilaatat tyhjän kaavauskehyksen alle. B) Hiekka pudotetaan kaavauskehyksiin kehysten yläpuolella olevasta hiekkasäiliöstä. C) Esitiivistys tapahtuu puhaltamalla paineilmaa muotin yläpintaan, jolloin hiekka asettuu tarkasti mallin pinnalle. D) Lopullinen kovuus tuotetaan suurpainepuristimella. Kuva 4. Kaaviokuva seiatsu linjasta. Muokattu 20.10.2015 (Tuula Höök) - Sullomalla kovettuvat hiekkaseokset - 4
Kuva 5. Seiatsu linja. Kuva 6. Seiatsu-linjalle menevä mallilaatta. Muokattu 20.10.2015 (Tuula Höök) - Sullomalla kovettuvat hiekkaseokset - 5
Kuva 7. Seiatsu-linja. Muokattu 20.10.2015 (Tuula Höök) - Sullomalla kovettuvat hiekkaseokset - 6
Kuva 8. Seiatsu linja. Muokattu 20.10.2015 (Tuula Höök) - Sullomalla kovettuvat hiekkaseokset - 7
DISAMATIC ja DISA MATCH Disamatic ja Disa Match ovat nopeita kaavausmenetelmiä. Niillä voidaan valmistaa jopa yli 500 muottia tunnissa. Menetelmillä kaavataan kehyksettömiä muotteja suhteellisen pienikokoisille, useimmiten alle 25 kg painoisille, käsin liikuteltaville kappaleille. Disamatic -menetelmä vaatii suhteellisen vähän tilaa, koska muotit kaavataan jonoksi pystysuuntaisella jakotasolla. Molemmat Disa-menetelmät ovat edullisia, koska niissä ei tarvita kaavauskehyksiä. Kaavauskehykset muodostavat automaattikaavauksessa huomattavan kustannuserän. Kehyksettömyys yksinkertaistaa muottien tyhjennystä valun jälkeen. Disamatic -koneessa muotin jakotaso on pystysuuntainen, Disa Match-koneessa vaakasuuntainen. Muotit, joissa jakotaso on vaakasuunnassa, on helpompi keernoittaa kuin pystysuuntaisella jakotasolla varustetut muotit. Keernojen käyttö on lisälaitteiden (keernamaskien, Kuva 11) avulla mahdollista myös pystysuuntaisen jakotason tapauksessa. Keernakannat täytyy suunnitella eri tavalla pystysuuntaista ja vaakasuuntaista jakotasoa varten. Disamatic -muotit kaavataan jonoksi (Kuva 9). Aluksi muottitilaan eli muottikammioon siirretään tietty tilavuus- tai painomäärä hiekkaa yläpuolella olevasta hiekkasäiliöstä. Muottikammion toisen seinämän muodostaa liikkuva levy ja siihen kiinnitetty mallilaatta. Toisen seinämän muodostaa hydraulisylinteriin kiinnitetty mallilaatta. Kun hiekka on puhallettu muottikammioon, hydraulisylinteri puristaa hiekan tiiviiksi, jolloin siihen kopioituu mallilaattojen muoto tarkasti. Puristetussa hiekkakakussa on peräkkäisten muottien vastakkaiset puoliskot. Kun useita hiekkakakkuja asetetaan peräkkäin, muodostuu valettavan kappaleen muotoa vastaava onkalo aina kahden hiekkakakun väliin. Puristuksen jälkeen liikkuvan puoliskon mallilaatta irrotetaan hiekasta taakse ja ylös suuntautuvilla liikkeillä. Hiekkakakku työnnetään tämän jälkeen kiinni aikaisemmin valmistettuihin kakkuihin, jonka jälkeen seuraavan kakun kaavaus voi alkaa. Hiekkakakkujono siirtyy valuradalla eteenpäin aina, kun uusi kakku valmistuu. Kauempana valuradalla muotteihin kaadetaan sulaa valurautaa. Disa Match -menetelmässä käytetään kaksipuoleista mallia, joka asetetaan kahteen osaan jaetun muottikammion väliin (Kuva 10). Kun malli on paikoillaan, muottikammiot käännetään pystyasentoon ja täytetään hiekalla. Hiekka puristetaan ja muottikammiot käännetaan takaisin siten, että jakopinta on vaaka-asennossa ja muotti oikein päin. Tämän jälkeen kaavauskone asettaa keernat alamuottiin, sulkee muotin ja siirtää sen ulos koneen kaavaustilasta. Kuva 9. Disamatic -menetelmän periaate. Alkuperäinen kuva: Krzysiulek (Oma teos) [Public domain], lähde: Wikimedia Commons. Muokattu 20.10.2015 (Tuula Höök) - Sullomalla kovettuvat hiekkaseokset - 8
Kuva 10. Disa Match -menetelmän periaate. Alkuperäinen kuva: Krzysiulek (Oma teos) [Public domain], lähde: Wikimedia Commons. Kuva 11. Vasemmalla: Disamatic -koneen mallilevy. Oikealla: Keernamaski. Kuva 12. Vasemmalla: Valmis muottipuolisko. Oikealla: Paikoilleen asetetut keernat. Muokattu 20.10.2015 (Tuula Höök) - Sullomalla kovettuvat hiekkaseokset - 9
Kuva 13. Disamatic muottijono. Kuva 14. Valu ja ymppäys. Kuva 15. Disamatic muottijono hajotetaan jäähdytystunnelin päässä. Muokattu 20.10.2015 (Tuula Höök) - Sullomalla kovettuvat hiekkaseokset - 10
Kuva 16. Purettuja muotteja. Vacupress Vacupress-menetelmä on maailmalla erittäin käytetty. Kappalekoko voi olla useita satoja kiloja. Muotin täyttäminen tapahtuu alipaineimun avulla, jolloin hiekka asettuu mallia vasten hyvin. Lopullinen tiivistys tapahtuu puristamalla. Vacupress-menetelmässä on vaakasuora jakotaso, jolloin muotti on helppo keernoittaa. Mallit vaihtuvat kaavauksen tahtiajan kuluessa eli konetta ei tarvitse pysäyttää mallinvaihdon ajaksi. Kuva 17. Vacupress-monimäntäpuristuskoneen toimintaperiaate. A) Kone perusasennossa, B) Tyhjä kaavauskehys mallin vastaanottoasemassa, C) Malli ja kehys täyttöasennossa, alipaineimu, hiekka virtaa kehykseen, D) Kaavauskehys täyttynyt ja laskeutunut alas, puristuspää valmiina siirtymään työasentoon, E) Puristuspää tiivistää hiekan, hiekkasäiliö täyttyy, F) Malli ala-asentoon, työkierto päättynyt. Muokattu 20.10.2015 (Tuula Höök) - Sullomalla kovettuvat hiekkaseokset - 11
Muotin molemmat mallilaatat on kiinnitetty palettiin, joka pyörähtää siirtäen ne vuoronperään kaavattaviksi (Kuva 17). Aluksi mallilaatta nostetaan kiinni kaavauskehykseen, jonka jälkeen se painetaan tiiviisti hiekkasäiliön pohjaa vasten. Kaavauskehykseen muodostetaan alipaine. Kun hiekkasäiliön pohjaluukut avataan, hiekka virtaa kaavauskehykseen kehyksen yläpuolella olevasta hiekkasäiliöstä ja asettuu tarkasti mallin pinnalle. Kun kaavauskehys on täyttynyt, se laskeutuu alaspäin, jolloin puristuspää pääsee siirtymään työasentoon. Muotti kovetetaan suurpainepuristimella. Kun muotinpuoliskoa tiivistetään, täytyy sen yläpuolella oleva hiekkasäiliö. Tiivistyksen jälkeen malli laskeutuu takaisin ala-asentoon ja mallilla tehtävä työkierto on päättynyt. Muokattu 20.10.2015 (Tuula Höök) - Sullomalla kovettuvat hiekkaseokset - 12
Taulukko 1. Ominaisuus Tuorehiekkoihin vaikuttavia tekijöitä vaikutus aktiivibentoniitti vesipitoisuus lämpötila Optimipitoisuus n. 10% - Pienemmillä pitoisuuksilla lujuudet jäävät huonommiksi. Pitäisi olla n. 3-3,5% - Vesimäärän kasvaessa lujuus laskee, kaasujen läpäisevyys huononee, muotin kovuus laskee ja hiekan juoksevuus huononee. Liian pieni vesipitoisuus alentaa myös lujuuksia. Korkea lämpötila haihduttaa vettä, jolloin optimaalinen kosteuspitoisuus on vaikea saavuttaa/ylläpitää. hiekan raejakauma ja -muoto Väärän raejakauman tai pyöristyneiden rakeiden takia hiekat saattavat tiivistyä liikaa, jolloin kaasujen läpäisevyys huononee. Lisäksi silloin kvartsihiekoilla ei ole mahdollisuutta laajentua. Sulloutuvuus jää huonoksi särmikkäillä rakeilla. Niillä on lisäksi huono juoksevuus. Mitä pienempi keskiraekoko sitä enemmän sideainetta tarvitaan. ominaispuristuspaine Muotin kovuus kasvaa paineen kasvaessa. Monimäntäpuristuksella kovuus jakaantuu tasaisesti muotissa. Muokattu 20.10.2015 (Tuula Höök) - Sullomalla kovettuvat hiekkaseokset - 13