Konstruktion af aluminiumsstøbegods: konstruktionsregler, der sænker omkostninger og antallet af kassationer

Et aluminiumsstøbegods er billigt og gentageligt, når det har så ensartede vægge som muligt, bløde overgange, anlæg der passer til udtagningsretningen fra formen, og færrest mulige kerner. Det afgøres af konstruktøren: ifølge den akademiske lærebog »Odlewnictwo« (WNT) udgør konstruktionen ca. 7 % af produktets omkostninger, men hele 65 % af indflydelsen på dem. Vi har samlet de regler, det er værd at tjekke, før modellen sendes til støberiet.

Kort fortalt

• Mindste vægtykkelse afhænger af metoden: 3–6 mm i sandform, 2,5–5 mm i kokille og 0,7–1,5 mm ved trykstøbning.
• Konstruér indvendige vægge ca. 20 % tyndere end de udvendige, og hold forholdet mellem tykkelsen af nabovægge på højst 2:1; større forskelle udjævnes med en kile med anlæg på højst 1:4.
• Anlæg som rettesnor: sandform ca. 2° (minimum ca. 1°), trykstøbning ca. 2° på indvendige vægge og ca. 1° på udvendige; lave elementer og kokille kræver større vinkler.
• Vægkryds, T-samlinger uden afhjælpning og massive materialeophobninger skaber varmecentre – en hyppig kilde til svindhuller og utætheder.
• Hver ekstra kerne, hver underskæring og et ekstra delingsplan øger værktøjsomkostningerne. I metalforme bør kernerne have fælles udtrækningsretning.

Hvorfor er det konstruktionen, der afgør omkostningerne ved et støbegods?

Den fulde oversigt fra samme kilde viser, hvor omkostningerne opstår, og hvor de bliver bestemt:

Trin	Andel af produktets omkostninger	Indflydelse på produktets omkostninger
Konstruktion	7%	65%
Produktion	33%	19%
Materialer	40%	15%
Administration	20%	1%

Det er i konstruktionsfasen, at valget af materiale og proces træffes, og teknologens senere valg har kun relativt lille indflydelse på omkostningerne. Derfor kan det betale sig at kontrollere, om konstruktionen er støbevenlig, før man bestiller forme og modeller – omkostninger, levetid og ejerskabsforhold for disse værktøjer beskriver vi i artiklen om modeller, kokiller og trykstøbeforme.

Reglerne for støbevenlig konstruktion inddeles efter deres formål: fremstilling af værktøj og forme, udfyldning af formen med metal, fødning af støbegodset, begrænsning af spændinger samt rensning.

Godstykkelse: minimum for hver metode og jævn fordeling

Den mindste godstykkelse er grænsen, under hvilken metallet muligvis ikke fylder formen ud. Håndbogen angiver for aluminiumslegeringer:

Støbemetode	Mindste godstykkelse	Bemærkninger
Sandform (bentonitbundet formsand)	3–6 mm	værdi angivet for ikke-jernmetaller
Kokille	2,5–5 mm	2,5 mm ved små, 5 mm ved større flader
Trykstøbning	0,7–1,5 mm	0,7 mm for små, 1,5 mm for mellemstore dele

Minimum er ikke en anbefaling. For tynd en væg medfører risiko for manglende udfyldning, og en stor, plan væg desuden for kolde læk. Her hjælper det at gøre væggen tykkere, og ved en stor, plan væg at give den en hældning.

Den anden yderlighed er for tykke vægge. Tykkere tværsnit afkøles langsommere, får en grovere struktur og lavere egenskaber, og i massive områder opstår der let svindporøsitet. Hvordan godstykkelsen påvirker styrken, forklarer vi i artiklen om aluminiumsstøbegods' mekaniske egenskaber.

Tre proportionsregler:

• Indre vægge ca. 20 % tyndere end de ydre (Y = 0,8X). Støbegodsets indre afgiver varme langsommere, så en tyndere væg udjævner afkølingen.
• Ribbe ved foden højst ca. 80 % af tykkelsen på væggen, som den udgår fra. En tykkere ribbe danner et varmecentrum ved sammenføjningen.
• Forholdet mellem tykkelsen af tilstødende vægge op til 2:1. Når en større forskel er uundgåelig, forbind da tværsnittene med en kile med en tilspidsning på højst 1:4. Kilen bør være mindst fire gange længere end tykkelsesforskellen. Et alternativ er at opdele delen i to støbegods.

Stivhed opnås bedre med ribber end med masse. Ribber og stivere bruges også til at afstive tværsnit, der er udsat for revner og deformation.

Overgange, afrundinger og varmecentre

Et varmecentrum er et sted, hvor der samler sig mere metal end i omgivelserne. Det størkner sidst og mangler derfor flydende metal til at udligne svindet – der opstår en hulrum eller svindporøsitet.

Risikabel løsning	Bedre løsning	Hvorfor
Krydsende vægge (X-samling)	forskudt samling (Z-type), sekskantet gitter eller ring i knudepunktet	mindre metal på ét sted
T-samling med skarpt hjørne eller kun en radius	udsparing (fordybning) ved samlingen	uden udsparing i knudepunktet opstår der et svindhulrum; en kerne i knudepunktet virker, men er uøkonomisk
Skarp overgang fra tyk til tynd væg	gradvis, afrundet overgang	mindre risiko for revner og skævvridning
Lige arme og store, plane vægge	buede arme, buede eller skrå vægge	lavere støbespændinger
Massiv materialeophobning langt fra indløbet	varmecentrum flyttet mod indløbet eller en føderibbe	retningsbestemt størkning, lettere fødning

Afrundinger ved vægovergange er stort set obligatoriske i støbegods. Radius vælges i forhold til godstykkelsen: en for lille radius fremmer revner, mens en for stor radius i sig selv skaber et lokalt varmecentrum. De konkrete radier fastlægges bedst sammen med teknologen for den pågældende metode og legering.

Varmecentre er lette at finde med metoden med indskrevne cirkler: I modellens tværsnit indtegnes cirkler i væggene og deres sammenføjninger. Jo større cirkel der kan være i et varmecentrum i forhold til den tilstødende væg, desto større er risikoen for svindhuller. Porøsitet i varmecentre er også en hyppig årsag til lækager – det skriver vi om i artiklen om tætheden af aluminiumsstøbegods.

Støbeslip og svind

Støbeslip er tilspidsningen af vægge parallelt med den retning, hvori modellen tages ud af formen, eller støbegodset ud af metalformen. Uden støbeslip beskadiger modellen sandformen ved udtagning, og støbegodset sætter sig fast i kokillen eller trykstøbeformen.

Metode	Vejledende støbeslip	Bemærkninger
Sandform	ca. 2°, minimum ca. 1°	ydervægge og indervægge
Kokille	ca. 3° ved en dybde på 25–127 mm	lavere elementer 5–10°, dybere end 127 mm ca. 2°; huller på stålkerner 3–10°
Trykstøbning	ca. 2° indvendigt, ca. 1° udvendigt	ved en dybde fra ca. 25 mm; i præcisionsudførelse ca. 1° og 0,5°; ved en dybde på 10 mm ca. 3° indvendigt

Værdierne for trykstøbning stammer fra NADCA's anbefalinger, for kokillestøbning fra en producents vejledning om kokillestøbegods og fra AFS, og for sandform fra typiske konstruktionsanbefalinger. Det er udgangspunkter, ikke krav i en standard.

Indervægge kræver større støbeslip end ydervægge, fordi det afkølende støbegods krymper og klemmer sig fast om kernerne og formens fremspring. Udgaven af ISO 8062-3 fra 2023 indførte tabeller over støbeslip for de enkelte metoder (tabel 2–6). Hvordan støbeslip og bearbejdningstillæg hænger sammen med målstolerancer, beskriver vi i artiklen om tolerancer for støbegods iht. ISO 8062-3. Støbeslip, delingsplan og udtagningsretning angives på tegningen i henhold til ISO 10135.

Støbegodset er efter afkøling mindre end formhulrummet, og derfor fremstilles værktøjet forstørret med svindet. For aluminiumslegeringer regnes typisk med ca. 1,2 % (interval 0,8–1,5 %), og ved trykstøbning mindre – f.eks. angives ca. 0,6 % for den amerikanske legering A380. I metalform og ved svind, der hæmmes af kerner, er svindet mindre end i sandform. På delens tegning angiver I nominelle mål, og svindet tager støberiet højde for ved konstruktionen af værktøjet.

Delingsplan, kerner og underskæringer

Det billigste støbegods har ét plant delingsplan og mål, der kan gengives fra den ene formhalvdel. Det giver kortere formning, et billigere modelsæt og større nøjagtighed, fordi en forskydning af formhalvdelene ikke påvirker målene.

Kerner er særskilt værktøj og en særskilt operation. Det ses tydeligt i eksemplet med én del i tre versioner: med tre kerner (dyrest), med én og uden kerner (billigst). Enkle konturer og åbne konstruktioner letter formningen og reducerer antallet af kerner.

I kokille og trykstøbeform gælder der yderligere regler:

• metalkerner bør have en fælles udtrækningsretning,
• undgå underskæringer i ydervægge parallelt med delingsplanet, da de kræver sidekerner,
• før ribber og materialeophobninger helt frem til delingsplanet, eller flyt dem til ydervæggene,
• husk, at en underskæring, som i sandform løses med en kerne, i metalform kan være vanskelig eller umulig at udføre.

I sandform skal kernen understøttes fra to sider, og dybe lommer i bentonitsand er svære at komprimere ensartet. For bentonitsand regner man overslagsmæssigt med, at lommens dybde ikke bør overstige halvdelen af dens bredde, når lommen er lukket på fire sider, én bredde ved tre vægge og tre bredder ved to (h/a = 0,5 / 1,0 / 3,0). En dybere lomme betyder normalt en kerne. Mere om komprimering finder I i artiklen om formsand, og om kerneteknologier i teksten om støbekerner.

Støbte huller: hvornår kerne, og hvornår bor

Et støbt hul sparer bearbejdning, men dets dybde er begrænset af diameteren. Vejledende grænser ifølge NADCA's anbefalinger for trykstøbning af aluminium:

Hullets diameter	Maksimal dybde	Dybde / diameter
3,2 mm	ca. 8 mm	ca. 2,5
6,35 mm	ca. 25 mm	4
12,7 mm	ca. 51 mm	4
19 mm	ca. 114 mm	6
25,4 mm	ca. 152 mm	6

Det er anbefalede maksimalværdier og ikke grænser for et bestemt støberi. I kokille er huller med en diameter under ca. 6 mm normalt upraktiske at støbe, og huller på ca. 3 mm og derunder udføres kun i særlige tilfælde på faste kerner. Når et hul er for dybt i forhold til diameteren, indføres kernen fra begge sider. Tætsiddende huller støbes normalt ikke.

I sandforme afhænger grænserne af kernetypen, så aftal dem med støberiet, og planlæg små huller til boring fra start.

Grater, bundstykker og afrensning

En del af støbningens pris er afrensning: fjernelse af grater, indløbssystem, bundstykker og kernesand. Konstruktionen kan afkorte den:

• placer støbningen, så gratene falder på bearbejdede flader – de forsvinder sammen med bearbejdningstillægget,
• udform pladserne til bundstykker flade, da resten efter et fladt bundstykke kan fjernes uden formbearbejdning,
• før gratene langs flade ydre flader, da de her fjernes markant hurtigere end i hulrum,
• placer hullerne, så fastbrændt kernesand let kan fjernes fra hulrummene.

Afsæt bearbejdningstillæg på bearbejdede flader, og vælg målereferencer langt fra delingsplanet.

Tjekliste, før modellen sendes til støberiet

1. Vægge, der ikke er tyndere end minimum for den valgte metode og så ensartede som muligt; de indvendige ca. 20 % tyndere end de udvendige.
2. Tykkelsesforskelle op til 2:1, kileformede overgange ikke stejlere end 1:4, afrundede hjørner.
3. Ingen X-krydsninger og massive materialeophobninger; T-samlinger med udsparing.
4. Anfald på alle vægge parallelle med udtagningsretningen, større på de indvendige vægge.
5. Ét fladt delingsplan og kritiske mål i den ene formhalvdel.
6. Så få kerner som muligt; i metalforme fælles udtrækningsretning og ingen underskæringer parallelt med delingen.
7. Beslutning om, hvilke huller der støbes, og hvilke der bores.
8. Markerede bearbejdede flader og referencer; grater og bundstykker på bearbejdede eller flade flader.
9. 3D-model (f.eks. STEP) og tegning med tolerancer, legeringstype og planlagt antal stk.

3D-modellen er ikke kun nyttig til tilbudsberegning: Den er grundlaget for fremstilling af værktøj på CNC-maskiner og for simulering af støbeprocessen.

Ofte stillede spørgsmål

Vi gennemgår jeres model, før værktøjet bliver lavet

Send 3D-model og tegning. Teknologen vurderer vægge, anfald, kerner og delingsplan, og støbemodellen fremstiller vi som led i modellering og prototyping – også på baggrund af en 3D-scanning af en eksisterende del. Støbegods fremstiller vi bl.a. i kokille eller ved trykstøbning. Send model til analyse.

Kilder og standarder

• M. Perzyk (red.), Støbning, WNT, Warszawa – kap. 3.2 (fig. 3.28, tab. 3.11–3.16, s. 163–179), 3.3 (tab. 3.20, s. 185–186), 3.4 (valg af proces, s. 190–194), 5.2.2 (spalter i bentonitsand, s. 276).
• ISO 8062-3:2023 – generelle dimensions- og geometritolerancer samt bearbejdningstillæg for støbegods; tabeller over støbeskråninger 2–6.
• ISO 10135:2007 (EN ISO 10135:2009) – angivelse af formstøbte emner i teknisk dokumentation (støbeskråninger, delingsplan).
• NADCA (North American Die Casting Association) – designanbefalinger til trykstøbt støbegods: støbeskråninger og støbte huller.
• AFS (American Foundry Society) – "Designing Aluminum Permanent Mold Castings", Casting Source 2019 (baseret på "Aluminum Casting Technology", 3. udg.).
• Batesville Products – Design Guide for Permanent Mold Aluminum Casting (2024) – skråninger i kokille afhængigt af dybde.
• M. Finke, Formelsammlung Gießereitechnik, 2. udg., Verlag Europa-Lehrmittel, 2023 – støbekrympning for aluminiumslegeringer.
• Eazall, datablad for legering A380 – krympning ved trykstøbning 0,006 in/in (0,6%).