12. Muotin lujuus Raimo Keskinen, Pekka Niemi Tampereen ammattiopisto Muotti joutuu usein alttiiksi suurille mekaanisille rasituksille sulan metallin aiheuttaman paineen ja painovoiman vaikutuksesta. Jotta muottihiekka kestäisi nämä rasitukset, pitää sillä olla riittävä lujuus. Se saadaan aikaan sideaineiden lisäksi riittävällä sullonnalla. Muotin sullontatarve riippuu monesta tekijästä, kuten esimerkiksi muotin suuruudesta ja valumetallista. Kevyiden alumiiniseosten muotit vaativat vähäisemmän sullonnan kuin raskaiden rautametallien muotit. Myös hiekan sideaine vaikuttaa sullonnan määrään. Hartsisideainehiekkojen sullontatarve on huomattavasti vähäisempi kuin bentoniittihiekkojen. Muottihiekan oma massa on myös otettava huomioon muotin sullonnassa. Niinpä muotin reunat on hiekan putoamisen estämiseksi sullottava tiiviiksi (kuva 128). Näin saadaan hiekan ja kehyksen välinen kitka suuremmaksi. Esimerkiksi 400 x 400 x 150 mm 3 suuruisessa kaavauskehyksessä voi olla 30 kg sullottua hiekkaa. Kuva 128 Mallin pintaan tulevaa hiekkakerrosta ei saa sulloa liian tiiviiksi, koska sen kaasunläpäisevyys heikkenee. Valussa syntyvien muottikaasujen on päästävä muotista pois, jotta ne eivät aiheuttaisi valuvahinkoja. Mallin pinnan liian löysä sullonta aiheuttaa sulan metallin tunkeutumisen hiekkarakenteiden väliin, jolloin valukappaleen pinnasta muodostuu hiekkainen ja karkea. Myös löysän sullonnan vuoksi voi muotin seinämä antaa periksi sulan metallin painaessa sitä, ja kappaleeseen tulee pullistumia (kuva 129). Kuva 129 29.3.2010 Raimo Keskinen, Pekka Niemi Luvut 12 13-1
Valumetallin aiheuttama paine eli metallostaattinen paine kohdistuu sitä suurempana muotin alaosaan, mitä korkeampi muotti on (vrt. kuva 130). Kuva 130. Eri korkeudella rei istä purkautuva nestekaari on erilainen Tämän vuoksi korkea muotti on sullottava siten, että sen kovuus kasvaa tasaisesti alaspäin mentäessä. Jos näin ei tehdä, antaa muotti periksi, ja esimerkiksi lieriömäiseksi tarkoitetusta kappaleesta muodostuu kartiomainen (kuva 131). Metallostaattinen paine aiheuttaa muotin pohjaa vasten voiman, jonka suuruus riippuu pohjan pinta-alan suuruudesta sekä sen yläpuolella olevan metallipatsaan korkeudesta. Korkeuteen sisältyy myös kaatokanavan korkeus (kuva 132). Kuva 131 Kuva 132. Muottiin syntyvä metallostaattinen paine riippuu kaatokanavan korkeudesta Kuvassa 133 on kolme erimuotoista astiaa, joilla on yhtä suuret pohjien pinta-alat sekä nestekorkeudet. Pohjiin vaikuttavat voimat ovat niissä yhtä suuret, vaikka nestemäärien massat ovatkin erilaiset. Astian pohjaan vaikuttava voima ei siis ole nestemäärästä riippuvainen, ja se voi olla huomattavasti suurempi kuin nesteen painovoima. Kuva 133 29.3.2010 Raimo Keskinen, Pekka Niemi Luvut 12 13-2
Koska sula metalli on nestettä, käyttäytyy se samoin valumuotissa. Kuva 134 Jotta muotin pohja ei rikkoutuisi pohjapaineen vuoksi, on muotti asetettava valun ajaksi tasaiselle alustalle, kuten puu- tai teräslevyn päälle. Pienille muoteille voidaan käyttää myös tasoitettua hiekka-alustaa (kuva 134). Pohjan rikkoutuminen saattaa aiheuttaa suurissa muoteissa vakavan tapaturman, jos sula riistäytyy irti. Pohja- ja sivupaineen suuruus riippuu myös valumetallin tiheydestä. Valuteräksellä se on lähes kolminkertainen alumiiniseoksiin verrattuna. Tästä syystä muotin on oltava sitä lujempi, mitä suurempi valumetallin tiheys on. Metallin paine aiheuttaa myös muotin yläosaa nostavan voiman, jota käsitellään seuraavassa luvussa. Tuorehiekkamuotin kovuus, joka on verrannollinen sen lujuuteen, mitataan kuvan 135 mukaisella mittauslaitteella. Siinä oleva mittauskuula painuu jousikuulan vaikutuksesta sitä syvemmälle muotin pohjaan, mitä pehmeämpi muotti on. Periaate on sama kuin metallien Brinell-kovuuden mittauksessa. Kuva 135 Taulukko 2 Muotin kovuus luetaan kovuuslukuna asteikolta välillä 0 100. Lukemaa nolla vastaa täysin pehmeä aine. Lukemaa 100 vastaa taas periksi antamaton aine, esimerkiksi lasilevy. Taulukossa 2 on esitetty eri tavoilla sullottujen tuorehiekkamuottien kovuuslukuja. Varsinaiset tuorehiekan lujuuskokeet, kuten 29.3.2010 Raimo Keskinen, Pekka Niemi Luvut 12 13-3
esimerkiksi puristuslujuus, määritetään laboratoriokokeina, joista enemmän kirjassa Kaavausaineet. Hartsihiekan lujuus määritetään yleisesti taivutuslujuutena. Standardimittainen keernalaatikossa valmistettu kovettunut koesauva katkaistaan laitteella, joka mittaa taivutuslujuuden yksikössä N/cm 2. Normaalisti hartsihiekan taivutuslujuus on yli 200 N/cm 2. Kuva 136 Tuorehiekan puristuslujuus määritetään kuvan mukaisella käsikäyttöisellä puristinlaitteella. Koekappale, joka on tehty tarkkaan standardin mukaisesti, puristetaan laitteella rikki. Puristusjännitys luetaan laitteessa olevasta tarkkuusmittarista yksikössä N/cm 2. Koekappaleen muodonmuutoskykyä voidaan tarkkailla puristuksen aikana mittauslaitteessa olevalla mittakellolla. Kuva 137 Kuva 138 Kuvat 137 ja 138. Puristuslujuusmittauslaitteisto 29.3.2010 Raimo Keskinen, Pekka Niemi Luvut 12 13-4
Kuva 139 Kuva 140 Kuvat 139 ja 140. Sulloutuvuuslujuusmittauslaitteisto 29.3.2010 Raimo Keskinen, Pekka Niemi Luvut 12 13-5
13. Sulan metallin nostovoima Raimo Keskinen, Pekka Niemi Tampereen ammattiopisto Jos putkessa, jonka poikkipinta-ala on A, painetaan männällä nestepinnat eri korkeuksille, syrjäytetään nestettä tilavuuden A * h verran. Arkhimedeen lain mukaan neste nostaa mäntää ylöspäin syrjäytetyn nesteen painovoiman suuruisella voimalla. Kuva 141 Samalla tavalla voidaan valumuotissa olettaa valukappaleen yläpuolelle jäävän tilavuuden syrjäyttävän sulaa metallia, jolloin metalli nostaa muotin yläosaa syrjäytetyn metallin painovoiman suuruisella voimalla (kuva 142). Muotin yläosaan kohdistuva nostovoima voidaan laskea siis muottiontelon yläpuolelle jäävän tilavuuden kokoisen metallimäärän painovoimana eli: Kuva 142 F = A * g * h * p A = kappaleen pinta-ala ylämuotissa g = painovoiman kiihtyvyys 10 m/s 2 h = muottiontelon yläpuolelle jäävän hiekkakerroksen korkeus p = roo =valumetallin tiheys Korkeus h lasketaan kaatokanavassa olevan metallin pinnasta. Jos esimerkiksi kaatokanavan korkeutta lisätään, aiheuttaa se metallostaattisen paineen sekä samalla myös nostevoiman kasvamisen kaksinkertaiseksi. Joskus lisätäänkin metallostaattista painetta tiiviin valun aikaansaamiseksi korottamalla kaatokanavaa. Kuva 143 Nostovoima on usein huomattavasti suurempi kuin valumetallin painovoima 29.3.2010 Raimo Keskinen, Pekka Niemi Luvut 12 13-6
Kuva 144. Valukappaleet A ja B ovat samankokoisia. Vaikka kappale A on massaltaan pienempi, synnyttää se kuitenkin huomattavasti suuremman nostevoiman muotin yläosaan kuin kappale B. Metallin nostovoiman huomioon ottaminen ei yksin riitä laskettaessa muotin painotustarvetta. Virtaavan metallin liikeenergia synnyttää muotin täyttämishetkellä painesysäyksen, joka voi olla samaa suurusluokkaa kuin metallostattinen painekin. Tästä syystä muotin kuormituslaskuissa pitää nostovoima kertoa vielä kahdella. Yläkehyksen ja siinä olevan hiekan massaa ei laskuissa yleensä oteta huomioon. Kuva 145 ESIMERKKI Laskettava kuvan 89 mukaisen rautavalumuotin painotustarve: F = A g h p A = 0,4 m 0,6 m = 0,24 m² = 0,24 m² 10 m/s² 0,15 m 7200 kg/m³ g = 10 m/s² = 2600 kgm/s² h = 0, 15 m = 2600 N p = 7,2 kg/dm³ mikä vastaa 260 kg kg:n massaa. Painotustarve on 2 260 kg = 520 kg Keernallisessa muotissa sula metalli pyrkii nostamaan keernaa ylöspäin. Keernaan vaikuttava nostovoima siirtyy keernankantojen ja mahdollisten keernatukien välityksellä ylämuottiin ja lisää kuormituksen tarvetta. Arkhimedeen lakiin perustuen voidaan keernan nostovoima laskea kaavasta: 29.3.2010 Raimo Keskinen, Pekka Niemi Luvut 12 13-7
F = V g ( p 1 p 2 ) F = keernan nostovoima V = keernan tilavuus muotissa g = painovoiman kiihtyvyys p 1 = valumetallin tiheys p 2 = keernan tiheys, tavallisesti 1,3 1,6 kg/ dm³ Kun keernaan kohdistuva nostovoima lisätään muotin yläosaan kohdistuvaan nostovoimaan, saadaan kokonaisnostovoima. Muotissa pystyasennossa olevat keernat eivät pyri nousemaan, ellei keernan alle pääse sulaa metallia. Jos muotin yläpinnan tai keernan muodot ovat epämääräisiä, yksinkertaistetaan ne laskuissa tasopinnoiksi. Näin päästään riittävään tarkkuuteen. Kuva 146 Nykyisin valimoissa on tietokoneohjelmia, jotka tarvittavat tiedot saatuaan laskevat muottien painotustarpeen. Kuva 146. Muotti suljettu painottamalla käsin siirrettävillä pienillä painoilla 29.3.2010 Raimo Keskinen, Pekka Niemi Luvut 12 13-8
ESIMERKKI Laskettava kuvan 90 mukaisen keernallisen teräsvalumuotin painotustarve Muotin yläosaan kohdistuva nostovoima: F = A g p A = 0,2m 0,5 m = 0,1 m² = 0,1 m² 10 m/s² 0,12 m 7800 kg/ m³ g = 10 m/s² = 940 N h = 0,12 m p = 7800 kg/m³ Keernaan kohdistuva nostovoima: F = V g ( p 1 p 2 ) V = 0,15 m 0,15 m 0,5 m = 0,011 m³ 10 m/s² ( 7800-1500) kg/m³ = 0,11 m³ = 0,011 m³ 10 m/s² 6300 kg/m³ g = 10 m/s² = 690 N p 1 = 7800 kg /m³ P 2 = 1500 kg /m³ Kokonaisnostovoima: 940 N + 690 N = 1630 N mikä vastaa 163 kg:n massaa. Painotustarve 2 163 kg = 326 kg = 330 kg Keernattoman muotin painotustarve voidaan laskea yksinkertaistetulla kaavalla: Painotustarve = 2 A h p kg Kaavaan on sijoitettava A ja h desimetreinä sekä p yksikössä kg/dm³. Kuva 147. Muotti suljettu painottamalla nosturilla siirrettävillä isoilla painoilla 29.3.2010 Raimo Keskinen, Pekka Niemi Luvut 12 13-9
KERTAUSTEHTÄVIÄ Miksi mallin pintaan tulevaa hiekkakerrosta ei saa sulloa liian tiiviiksi? Selvitä, mitä tarkoitetaan metallostaattisella paineella. Miten kaatokanavan korkeus vaikuttaa muottiin syntyvään metallostaattiseen paineeseen? Voiko muotin pohjaan kohdistuva voima olla suurempi kuin valumetallin painovoima? Perustele. Miten hiekkamuotin kovuus mitataan? Miksi sulan metallin nostevoima otetaan kaksinkertaisena muotin painotustarvetta laskettaessa? Miksi valumetallin tiheys vaikuttaa nostovoiman suuruuteen? Miten nostevoima muuttuu, jos kuvan 90 tapauksessa sulaa metallia pääsee keernakantojen alle? 29.3.2010 Raimo Keskinen, Pekka Niemi Luvut 12 13-10