YOLLUK DİZAYNI
Yolluk Tasarımı Yolluk sisteminin amacı, sıvı metali, gerekli hızda sıcaklık kaybı olmadan, türbülanssız ve cürufsuz olarak kalıp içine göndermek ve dağıtmaktır. Çabuk oksitlenen metallerde oksitlenmeye engel olmak için daha az türbülansla akış istenir istenir.. Buna karşılık karşılık dökme demirde buna gerek olmamaktadır. Dolayısıyla yolluk seçimi, dökülen metal cinsine de bağlıdır.
İdeal bir yolluk sistemi şu fonksiyonları yerine getirmelidir:
1) Çok sıcak metale ihtiyaç göstermeden kalıbı çabuk
doldurmalıdır. 2) Curuf, pislik, kum taneciklerinin, vs.’nin kalıp boşluğuna dolmasını önlemelidir. 3) Hava veya kalıp gazlarının akan sıvı metal içine girmesini önlemelidir (aspirasyonu (aspirasyonu önlemelidir). 4) Maça veya kalıptaki kalıptaki erozyonu önlemelid ö nlemelidir ir.. 5) Katılaşma için faydalı termal gradyanı temin etmeli ve döküm parçasındaki distorsiyonu minimuma indirmelidir. 6) Sıvı metali istenilen zaman aralıkları içerisinde kalıp
boşluğuna doldurmalıdır. 7) Kolayca dökülebilmeyi sağlamalıdır.
Araştırmalarda kullanılan ısıtılmış seramik kalıplar ile normal dökümlerde dökümlerde kullanılan soğuk kalıplarda kalıplarda yolluk dizaynı da değişmektedir. değişmektedir. Yolluk dizaynında ana nokta, düşey ve yatay yolluklarda akış prensiplerini incelemektir. incelemektir. Bu prensipler yardımıyla yapılan hesaplar, döküm zamanının hesaplanmasına ve absorpsiyonu, cürufun bundan daha önemli olarak gaz absorpsiyonu, döküme kaçması gibi sorunların önlenmesine yarayacaktır. Öncelikle akışkan akışı için hidroliğin ana prensipleri ve bunların yatay ve düşey yolluklara olan uygulamasını gözden geçirmek gerekir.
Burada hidrolikten başlıca iki prensip alınmaktadır.
Devamlılık kanunu (Law of continuity) Bernouille denklemleri .
DEVAMLILIK KANUNU Şekildeki sistemde kenarların impermeable (geçirmez) ve sıkışmayan bir akışkan ile dolu olduğu kabul ediliyor. Bu durumda
Q=A1v1=A2v2 dir Burada, Q =akış debisi A=Kesit alanı V=Akış hızıdır •
Not: sıvı metal çok az sıkıştırılabileceğinden pratik olarak sıkışmayan olarak kabul edilebilir.
Ancak burada sürtünme ile olan kayıplar ihmal edilmektedir. Ayrıca kum kalıplar permeable (geçirgen) olduklarından işin içine başka faktörler de girmektedir.
Q = A1v1 = A2v2 Q =akış debisi A=Kesit alanı V=Akış hızıdır
BERNOUILLE DENKLEMLERİ Bernouille denklemleri basınç, hız ve
referans düzlemine olan yükseklik ile alakalı ve "enerjinin korunumu" prensibinden faydalanılarak ortaya konmuştur. 2 noktasındaki akış enerjisi, 1 noktasındaki enerjiye eşittir. Ancak 1 den 2 ye geçerken meydana gelen türbülanstan dolayı, enerji kaybı mevcuttur. O halde
E1 = E2 + Ekayıp(1-2) Hesaplamalarda kolaylık sağlamak amacıyla enerji terimleri? Mesafe birimi ile temsil edilecektir. Bu
mesafeler ise, akışın olduğu düzlemden (referans düzlemi) itibaren olan mesafelerdir.
E1 = E2 + Ekayıp(1-2) Dolayısıyla sabit ve birim ağırlıkta bir sıvı partikülü 1 noktasında belirli bir potansiyel enerjiye sahip olacaktır ki bu enerji, referans düzleminden olan (h) yüksekliğine bağlıdır. Eğer sürtünme kayıpları ihmal edilirse, aynı partikül 2 noktasında bir kinetik enerjiye sahip olacaktır ki bu da, 1 noktasındaki potansiyel enerjiye eşit olacaktır. (Enerjinin korunumu prensibi). Basınç enerjisi eşit miktarda kinetik enerjiye dönüşmüş olur. 3 noktası ise geçiş bölgesidir.
Dolayısıyla sürtünme kayıpları yoksa
E1 = E2 = E3 Olacaktır veya genel olarak, bir noktadaki basınç, kinetik ve potansiyel enerji toplamları, diğer noktadaki toplama eşit olacaktır. Örnek olarak şekildeki (1) ve (2) noktaları alınıp, enerji toplamları eşit olacak şekilde Bernouille denklemleri yazıldığında,
Potansiyel Enerji
E m g h
Basınç Enerjisi
Kinetik Enerji
1 2
mv
2
P .V
V:sıvının hacmi P:sıvının basıncı v:akışkan sıvının hızı (m/sn) h: yükseklik (m) g: yerçekimi ivmesi (9,81 m/sn2) m: sıvının kütlesi (Kg)
E m g h Potansiyel Enerji m: sıvının kütlesi (Kg)
g: yerçekimi ivmesi (9,81 m/sn2) h: yükseklik (m) v:akışkan sıvının hızı (m/sn) P:sıvının basıncı V:sıvının hacmi (1) ve (2) noktaları alınıp, enerji toplamları eşit olacak şekilde Bernouille denklemleri yazıldığında,
1 2
mv
Kinetik Enerji
2
P .V Basınç Enerjisi
Şekildeki dolu tank için: başlangıç hızı (1 noktası) Sıfır olduğundan
P1= 1 atm., P2= açığa çıkıyor =1 atm. P1=P2 O halde, sistem atmosferik basınç altında olduğundan H v
g= 981
cm/sn2
=44,3
V 2 × g × h
Kalıbı doldurma zamanı
t
V
V= kalıp boşluğunun hacmi
Q
2
cm .cm/sn
t
V
t=Kalıbı doldurma zamanı Ag=yolluğun kesit alanı v 3=v g=yolluktaki sıvı metalin hızı =
2ℎ
A g v g
Örnek Şekildeki dökümün dolma zamanının hesabı. (Kalıba giriş kesiti 3 cm 2 dir.)
44,3
t
V A g v g
Aspirasyon (Gaz Emişi) Buraya kadar kalıp kenarlarının geçirgen olmayan
olduğu kabul edilmişti. Ancak çoğu dökümün kum kalıba yapıldığı ve kum kalıbın da geçirgen olduğu göz önüne alınırsa yolluklarda, kalıptan gaz emme durumu olup olmayacağının kontrol edilmesi gibi bir durum ortaya çıkacaktır. Bu gazlar hava, su buharı, kalıpta bağlayıcı olarak kullanılan organik maddelerin parçalanma ürünleri olabilir.
Öncelikle bir düşey yolluk ele alındığında, işi basitleştirmek için, döküm havuzunda metal yüksekliğinin hep sabit tutulduğu kabul edilecektir. geçirgen olmayan duvarlar göz önüne alınarak Bernouille denklemleri 1 ve 3 noktaları için uygulandığında,
= 44.3
cm/sn
Olacaktır. (sürtünme ihmal edilmiştir.)
Aynı denklemler 2 ve 3 noktaları düşünüldüğünde, devamlılık kanununa göre A2.V2 = A3.V3 olacaktır.
için
2 ve 3 noktalarında hız eşittir (kesit aynı). Oysa bu, enerjinin korunumu prensibi ile uyuşmaz gibi gözüküyor zira 2 noktası daha yüksek olup, 3 noktasına nazaran daha büyük potansiyel enerjisine sahiptir. Bu eşitsizlik, basınç enerjisi teriminden ileri gelmektedir. Denklemler şöyle
yazılabilir
v2=v3 P2= 1 atm-h2w P2 basıncı 1 atm den h2w
kadar düşüktür. O halde kalıp geçirgen ise, 2 noktasında kalıptan gaz emişi olacaktır.
Gaz Emişe Engel Olmak Gaz emişe engel olmak için düşey yollukta bazı değişiklikler yapılmalıdır. Bunun için 2 ve 3 noktalarında tekrar Bernouille denklemleri tatbik edildiğinde, bu sefer, basıncın her iki noktada eşit olacağı düşünülecektir.
P2=P3
P2=P3
P2=P3= 1 atm ise, absorbsiyona engel olunabilir. O halde
Olacaktır.
Ayrıca
A2.V2= A3.V3 veya
Alınırsa
hC
Olacaktır. hT
O halde
Veya
h2=(hT-hC) ve
Bu oran, daha önceki örnekten görüldüğü gibi "P2" basıncını oluşturacak (1 atm) ve aspirasyon olmayacaktır. Burada 2 ile 3 arası,
hiperbolik bir eğri şeklindedir. Bununla beraber pratikte A2 ile A3 düz Çizgi ile birleştirilir. Burada belirtildiği gibi hC yüksekliğinin de önemli bir rolü olmaktadır.
Alttan Yollukla Besleme
Genellikle birçok döküm uygulamasında, alttan besleme tercih edilir. Bu sayede yukarıdan beslemede meydana gelen sıçrama ve oksidasyon eğilimi giderilebilir. Dökümün dolma zamanının hesabı (bu şekilde) daha değişik olacaktır. Şekildeki döküm düşünüldüğünde hT (düşey yolluk yüksekliği),kalıpta metal yükseldikçe azalacaktır.
t =Döküm başlangıcından itibaren geçen zaman, hT =Toplam yükseklik, hm=Kalıpta metal yüksekliği, AG=Giriş yolluğunun kesit alanı, AK=Kalıp yatay kesit alanı.
Belirli bir (dt) zaman aralığında kalıpta, metal (dh) kadar yükselir ve metal hacmi (AK.dh) kadar artar. dt zamanında giriş yolluğundan geçen metal miktarı, cm3, (AG.V.dt) olacaktır.
Kalıpta yükselen metal ile yolluktan giren metal (dt zaman aralığında) eşittir:
olur
Eğer dökümün dolması için gerekli toplam zaman tf ise ve döküm yüksekliği de hm ise, t=0 - t=tf ve h=0 – h=hm arasında integral olarak zaman belirlenir. hT hm AG AK
=Toplam yükseklik, =Kalıpta metal yüksekliği, =Giriş yolluğunun kesit alanı, =Kalıp yatay kesit alanı.
olacaktır
Alttan beslemede döküm zamanının daha uzun olacağı açıktır. Verilen örnek için hesaplandığında;
=13cm AK=1250cm2
olacaktır.
Eğer çıkıcı kullanılıyorsa, aynı hesap çıkıcı içinde yapılır ve AK yerine çıkıcı kesiti kullanılır
Yatay Yolluklar Düşey yolluğu takiben, metalin kalıba düzgün bir akış ile girmesini sağlayan yolluklardır. Bunlar aynı zamanda minumum ısı kaybı ve türbülanslı olarak döküm yapmayı sağlayacak şekilde olurlar. Ayrıca metal içindeki pisliklerin de metale girmesini önlerler. Bu arada istikamet değişimlerinde yatay yolluklarda da bir aspirasyon görülebilir.
Metal akışı, keskin köşeden dönerken yatay yolluk içinde bir büzülme gösterir. Bu olaya "Vena Kontrakta" adı verilir. Vena Kontrakta
90 derecelik dönüşlerde eğrisellik verilmediği durumda hava kabarcığı oluşumu: vena Kontrakta
2 ve 3 noktalan için Bernouille denklemleri yazıldığında, Vena kontrakta
Sıvı metal
Vakum oluşumu
Kalıp
A3>A2, P3=1 atm ve V3 deki hız V2 den küçük V3
A2.V2= A3.V3 V3
P2
Keskin köşe, daha yumuşak geçişli köşeler elde edilecek şekilde düzeltilir. "Vena kontrakta"nın gerektirdiği çap değerleri, deneysel sonuç olarak aşağıdaki bağıntı ile verilmektedir.
Veya
Yolluklandırma
Sistemleri
Her ne kadar sonsuz şekil ve sayıda yolluklandırma sisteminin olacağı tahmin edilirse de, aslında 4 esas çeşit mevcuttur. 1- Yassı, plaka şekilli ve büyük yüzeyi yatay olacak şekilde dökülen parçalar için yolluklandırma (yandan yolluk). 2-Kompleks şekilli dökümler (ekseri çok maçalı)
alttan, üstten veya yandan besleme. 3-Yığın kalıplama ki bu, (1) ve (2) nin bileşik halidir. 4-Cüruf tutucu sistem.
Plaka şekilli dökümler Bu tip dökümler ile yapılan deneysel çalışmaların büyük bir kısmı, şeffaf kalıba dökülen su ile yapılmıştır. Tipik bir sistem, Şekil de görülmektedir. Bu sistemde üç husus özel dikkat gerektirmektedir. Düşey yolluğun şekli Düz olan yolluklar Bernouille analizlerinin
de gösterdiği gibi, önemli aspirasyona sebebiyet
vermektedir. Dolayısıyla yolluk yukardan aşağıya daraltılmış şekilde olacaktır.
Plaka şekilli dökümler Düşey yolluk altında bir cep oluşturulur. Birçok düşey yolluk şekillerinin denenmesinden sonra, Şekil deki tip kabul edilmiştir. Bu cebin yatay kesit alanının, tabanda yolluk alanının 5 katından fazla olmalıdır. Ayrıca, cebin yolluk altındaki uzanışı, yolluk (yatay) derinliğinden fazla olmalıdır.
Düşey yolluk, yatay yolluk, giriş yolluğu oranları.
Bu oranın en iyimser olarak 1:4:4 olması gerektiği belirlenmiştir. Burada düşey yolluk alanı, yolluğun tabanında ölçülen alandır. Giriş yolluklarının döküm boşluğuna girişi 1 atm olarak alındığına göre, yatay yolluklarda ve dönemeçlerde basınç kayıplarının olmaması gerekir. Bunun için de sıvı metalin biraz basınçlı gönderilmesi gerekmektedir; bu da yatay yolluk kesitlerinin daraltılması ile sağlanır. Ayrıca yapılan deneyler, sıvı metalin %56 sının uçtaki yolluklardan, %44 ünün de diğerlerinden beslendiğini göstermektedir.
Düşey yolluk
Yatay yolluk
Giriş yolluğu
(1)2xp=3.14
3.31x1.9x2=12.54
0.63x5x4=12.53
2 adet
4 adet
1/4/4
Rosenthall’e göre 1/2/2 de iyi sonuç vermektedir.
Kompleks dökümler (İri parça dökümü)
İri parça dökümünde, içerdeki metali karıştırmak gayesiyle durgunluktan
kurtarıp harekete geçirmek için değişik yolluklandırma sistemleri düşürülmüştür. Bunlardan bazıları Şekil de görülmektedir.
Burada esas olan kademeli beslemedir. Bu
denemelerin hemen hepsi başarısız olmuş ve metalin kalıp içinde, kağıt üzerinde istenildiği gibi hareket etmediğini ortaya koymuştur. Ancak yatay yollukların, bir yukarı yönlü düşey yolluğa bağlanması ile iyi neticeler elde edilebilmiştir. yukarı düşey yolluk dökümle bütün uzunluğu Burada
boyunca temas halindedir, ve çıkıcı fonksiyonunu da görmektedir.
Yığma kalıp Bu ekonomik bir kalıplamadır; bilhassa küçük ve benzer parçaların beraber dökülmelerini sağlar. Burada, ortadan bir düşey (aşağı) yolluktan yanlara çıkan yatay yolluklar ile dökümde çok hatalar olabilir zira metal, düşey yolluktan akarken sıçrayarak bazı hatlardan kalıba girebilir. Bunun için en çok tercih edilen metot şöyledir: kalın bir aşağı düşey yolluk, örneğin 4 adet (dipte) yatay yolluğa bağlanır; bunlar da, yine 4 adet yukarı düşey yolluğa bağlı olurlar. Böylece düşey yolluktan aşağıya inen metal, yukarı yolluklarda yavaş olarak, daha doğrusu homojen bir şekilde yükselir ve döküm kalıplarını doldurur. Burada yukarı yolluklar, aynı esnada çıkıcı rolünü de oynamaktadırlar.
Cüruf tutucu sistem Yassı plaka dökümünde, şekildeki gibi uygun yolluklandırma da, cüruf (oksit), pislikler uzantılarda kalacaktır. Başka bir tipte, yolluktan sonra bir silindirik kısım oluşturulup (bu, çıkıcı olabilir) merkezkaç olayı ile daha hafif olan cürufun ( dross) merkezden yukarı gidişi ve ağır olan metalin temiz halde kalıba girişi sağlanır. Bunun gerçekleşmesi için de bazı şartlar vardır. Silindirik kısmın giriş kesiti, çıkış kesitinin en az 1,5 misli olmalı ve metal, çıkmadan önce 270° lik bir dönüş yapmalıdır ki merkezkaç olayı gerçekleşebilsin.
Örnek Yanda şekil ve boyutları verilen yatak gövdesinin boşluksuz dökülebilmesi için gerekli çıkıcı hesabını NRL metoduna göre yapınız. Döküm parçası ve çıkıcının, örneğin 90 saniyede dolabilmesi için giriş yolluk kesitleri (dairesel) çapının tespiti.
Yatağın her iki yanağı (G<3K olduğuna göre) çubuk olarak alınıp, bağlantılar ihmal edilerek aşağıdaki şekilde çözüme gidilebilir.
Dairesel kısımda:
Her bir çubuk için boyutlar: 10+27,5+10= 47.5 cm boy 5 cm en 2.5cm kalınlık
Olacaktır. Bir kenar için hesap yapıldığında:
VD=47.5x5x2.5=594 cm3 VÇ=594x0.25=148.5≈149cm3
Şekil den çıkıcı boyutları: hÇ≈3.7 cm dÇ≈7.4 cm bulunur.
Besleme kontrolü ise şu şekilde yapılır!
İki adet çıkıcı kullanıldığında ise: 149/2=75 cm3 hÇ≈3 cm dÇ≈6 cm alınabilir.
İki çıkıcı arasında beslenen mesafe 10 cm, her çıkıcıdan kenarlara olan besleme mesafesi de 15 cm dir. Ayrıca çıkıcının kapladığı saha da hesaba alındığında, 15+10+6+6+15=52 cm >47.5 cm besleme olacaktır.
NOT: Diğer parça, ilkinin simetriği olduğu için yapılan hesaplar bu parça için de geçerli olmaktadır. Dolayısıyla aynı boyutlarda iki çıkıcı elde edilecektir. Sonuç olarak, bütün döküm parçası için iki adet 150 cm hacminde çıkıcının kullanıldığı kabul edilebilir.
Dolma zamanının hesabında yine şeklin simetrikliğinden faydalanarak yalnız bir çıkıcı, bir kenar ve bir giriş yolluğu için işlem yapılabilir; aynı süre zarfında diğer parçanın da dolacağı düşünülür. (Ag: giriş yolluk kesiti). Döküm parçasının dolma zamanı: VD=594 cm3 Q=Ag.V,
olduğuna göre,
Q=Ag.126
Çıkıcının dolma zamanı ise;
Dolayısıyla , Ag= 0.096 cm2, dg=3.6 mm olur.
