Konstruktion av aluminiumgjutgods: konstruktionsregler som sänker kostnaden och antalet kassationer

Ett aluminiumgjutstycke blir billigt och repeterbart när det har så jämna väggar som möjligt, mjuka övergångar, släppvinklar som följer utdragsriktningen ur formen och så få kärnor som möjligt. Det avgörs av konstruktören: enligt den akademiska läroboken ”Odlewnictwo” (WNT) utgör konstruktionen ca 7 % av produktens kostnad, men hela 65 % av påverkan på den kostnaden. Vi har sammanställt de regler som är värda att kontrollera innan modellen når gjuteriet.

Kort sammanfattat

• Minsta väggtjocklek beror på metoden: 3–6 mm i sandform, 2,5–5 mm i kokill och 0,7–1,5 mm vid pressgjutning.
• Konstruera innerväggar ca 20 % tunnare än ytterväggar och håll förhållandet mellan intilliggande väggtjocklekar inom 2:1; mildra större skillnader med en kil med lutning på högst 1:4.
• Släppvinklar, riktvärden: sandform ca 2° (minst ca 1°), pressgjutning ca 2° på innerväggar och ca 1° på ytterväggar; grunda detaljer och kokill kräver större vinklar.
• Väggkorsningar, T-skarvar utan avlastning och massiva materialansamlingar bildar värmeknutar – en vanlig orsak till krympporer och otätheter.
• Varje extra kärna, underskärning och andra delningsplan ökar verktygskostnaden. I metallformar bör kärnorna ha gemensam uttagsriktning.

Varför avgör konstruktionen kostnaden för en gjutdetalj?

Den fullständiga sammanställningen från samma källa visar var kostnaden uppstår och var den bestäms:

Steg	Andel av produktkostnaden	Påverkan på produktkostnaden
Konstruktion	7%	65%
Produktion	33%	19%
Material	40%	15%
Administration	20%	1%

Beslut om material och process fattas redan i konstruktionsskedet, och processtekniska val i ett senare skede har relativt liten inverkan på kostnaden. Därför lönar det sig att kontrollera gjutningsanpassningen av konstruktionen innan formar och modeller beställs. Kostnad, livslängd och äganderättsvillkor för dessa verktyg beskriver vi i artikeln om modeller, kokiller och pressgjutformar.

Konstruktionsreglerna för gjutning delas in efter vad de syftar till: tillverkning av verktyg och formar, fyllning av formen med metall, matning av gjutgodset, begränsning av spänningar samt rengöring.

Godstjocklek: minimum för varje metod och jämn fördelning

Minsta godstjocklek är gränsen under vilken metallen kanske inte fyller formen. Handboken anger för aluminiumlegeringar:

Gjutmetod	Minsta godstjocklek	Anmärkningar
Sandform (bentonitbunden formsand)	3–6 mm	värde angivet för icke-järnmetaller
Kokill	2,5–5 mm	2,5 mm för små och 5 mm för större ytor
Pressgjutning	0,7–1,5 mm	0,7 mm för små och 1,5 mm för medelstora delar

Minimivärdet är ingen rekommendation. För tunn vägg riskerar att ge missfyllnad, och en stor plan vägg även kallflytningar. Då hjälper det att göra väggen tjockare, och för en stor plan vägg att luta den.

Den andra ytterligheten är för tjocka väggar. Tjockare sektioner svalnar långsammare, får grövre struktur och sämre egenskaper, och i massiva partier uppstår lätt krympporositet. Hur godstjockleken påverkar hållfastheten förklarar vi i artikeln om mekaniska egenskaper hos aluminiumgjutgods.

Tre proportionsregler:

• Invändiga väggar ca 20 % tunnare än de yttre (Y = 0,8X). Gjutgodsets inre avger värme långsammare, så en tunnare vägg utjämnar svalnandet.
• Revben vid basen högst ca 80 % av tjockleken på väggensom det utgår från. Ett tjockare revben skapar en värmeansamling i anslutningen.
• Förhållandet mellan tjockleken på intilliggande väggar högst 2:1. När en större skillnad är oundviklig, förbind sektionerna med en kil med lutning högst 1:4. Kilen bör vara minst fyra gånger så lång som tjockleksskillnaden. Ett alternativ är att dela upp detaljen i två gjutstycken.

Styvhet uppnås bättre med revben än med materialmassa. Revben och förbindelser används också för att förstyva sektioner som är utsatta för sprickor och deformationer.

Övergångar, avrundningar och värmeansamlingar

En värmeansamling är ett ställe där mer metall samlas än i omgivningen. Den stelnar sist och saknar därför flytande metall för att kompensera krympningen – det uppstår en krymphålighet eller krympporositet.

Riskabel lösning	Bättre lösning	Varför
Korsande väggar (X-förband)	förskjutet förband (Z-typ), sexkantsmönster eller ring i knutpunkten	mindre metall på ett ställe
T-förband med skarpt hörn eller enbart radie	urtag (försänkning) vid förbandet	utan urtag i knutpunkten uppstår en krymphålighet; en kärna i knutpunkten fungerar, men är oekonomisk
Skarp övergång från tjock till tunn vägg	successiv, avrundad övergång	lägre risk för sprickor och skevhet
Raka armar och stora plana väggar	böjda armar, böjda eller lutande väggar	lägre gjutspänningar
Massiv materialansamling långt från gjutstuken	värmecentrum förskjutet mot gjutstuken eller ett matningsspår	riktad stelning, enklare eftermatning

Radier i väggövergångar är i gjutgods i praktiken obligatoriska. Radien väljs i proportion till väggtjockleken: en för liten radie ökar risken för sprickor, medan en för stor i sig skapar ett lokalt värmecentrum. De exakta radierna fastställs bäst tillsammans med gjuteritekniker för aktuell metod och legering.

Värmecentra är lätta att hitta med inskrivna cirklar: i modellens tvärsnitt ritas cirklar in i väggar och övergångar. Ju större cirkel som ryms i ett värmecentrum jämfört med intilliggande vägg, desto större risk för krympporer. Porositet i värmecentra är också en vanlig orsak till läckage – det skriver vi om i artikeln om täthet hos gjutgods i aluminium.

Gjutlutning och krympning

Gjutlutning är den avsmalning hos väggar parallella med uttagsriktningen då modellen tas ur formen eller gjutgodset ur en metallform. Utan lutning skadar modellen sandformen vid uttagning, och gjutgodset fastnar i kokillen eller pressgjutformen.

Metod	Riktvärde för lutning	Anmärkningar
Sandform	ca 2°, minst ca 1°	yttre och inre väggar
Kokill	ca 3° vid djup 25–127 mm	grundare detaljer 5–10°, djupare än 127 mm ca 2°; hål på stålkärnor 3–10°
Pressgjutning	ca 2° invändigt, ca 1° utvändigt	vid djup från ca 25 mm; i precisionsutförande ca 1° och 0,5°; vid djup 10 mm ca 3° invändigt

Värdena för pressgjutning bygger på NADCA:s rekommendationer, för kokill på tillverkarens handbok för kokillgjutgods och AFS, och för sandform på typiska konstruktionsrekommendationer. De är utgångspunkter, inte krav i någon standard.

Invändiga väggar behöver större lutning än yttre, eftersom det svalnande gjutgodset krymper och sluter sig runt kärnor och utsprång i formen. Utgåvan 2023 av ISO 8062-3 införde lutningstabeller för respektive metod (tabell 2–6). Hur lutning och bearbetningsmån hänger ihop med måttoleranser beskriver vi i artikeln om toleranser för gjutgods enligt ISO 8062-3. Lutning, delningsplan och uttagsriktning anges på ritningen enligt ISO 10135.

Gjutgodset är efter avsvalning mindre än formhåligheten, därför tillverkas verktygen förstorade med krympmåttet. För aluminiumlegeringar används typiskt ca 1,2 % (intervall 0,8–1,5 %), och vid pressgjutning mindre – för den amerikanska legeringen A380 anges t.ex. ca 0,6 %. I metallform, och när krympningen hindras av kärnor, är krympningen mindre än i sandform. På detaljritningen anger ni nominella mått, och gjuteriet tar hänsyn till krympningen när verktygen konstrueras.

Delningsplan, kärnor och underskärningar

Det billigaste gjutgodset har en enda plan delningsyta och mått som kan återskapas från en formhalva. Det ger kortare formning, billigare modellutrustning och högre noggrannhet, eftersom förskjutning mellan formhalvorna inte påverkar måtten.

Kärnor är separat verktyg och ett separat moment. Det syns tydligt i exemplet med en detalj i tre versioner: med tre kärnor (dyrast), med en kärna och utan kärnor (billigast). Enkla konturer och öppna konstruktioner underlättar formningen och minskar antalet kärnor.

För kokill och pressgjutform gäller ytterligare regler:

• metallkärnor bör ha gemensam utdragsriktning,
• undvik underskärningar i yttre väggar parallellt med delningsplanet, eftersom de kräver sidokärnor,
• dra ut revben och materialansamlingar ända till delningsplanet eller flytta dem till yttre väggar,
• tänk på att en underskärning som löses med en kärna i sandform ofta är svår eller omöjlig att tillverka i metallform.

I sandform måste kärnan stödjas från två sidor, och djupa fickor i bentonitbunden sand är svåra att packa jämnt. För bentonitbunden sand gäller som riktvärde att fickans djup inte bör överstiga halva bredden när fickan är sluten på fyra sidor, en bredd vid tre väggar och tre bredder vid två (h/a = 0,5 / 1,0 / 3,0). En djupare ficka innebär vanligen en kärna. Mer om packning finns i artikeln om formsand, och om kärntekniker i texten om gjutkärnor.

Gjutna hål: när kärna och när borr

Ett gjutet hål sparar bearbetning, men dess djup begränsas av diametern. Riktvärden för gränser enligt NADCA:s rekommendationer för pressgjutning av aluminium:

Hålets diameter	Maximalt djup	Djup / 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 här är rekommenderade maxvärden, inte gränser för något enskilt gjuteri. I kokill är hål med en diameter under ca 6 mm i regel opraktiska att gjuta, och hål med en diameter på ca 3 mm eller mindre görs bara i undantagsfall, på fasta kärnstift. När hålet är för djupt i förhållande till diametern förs kärnan in från två sidor. Tätt placerade hål gjuts normalt inte.

I sandformar beror gränserna på kärntypen, så fastställ dem tillsammans med gjuteriet och planera små hål för borrning redan från början.

Gjutskägg, ingöt och rensning

En del av gjutgodsets kostnad utgörs av rensningen: borttagning av gjutskägg, ingjutssystem, matare och kärnsand. Konstruktionen kan korta ned den:

• placera gjutgodset så att gjutskäggen hamnar på bearbetade ytor – de försvinner då tillsammans med bearbetningstillägget,
• utform platserna för matare plana, eftersom resten efter en plan matare kan tas bort utan formbearbetning,
• dra gjutskäggen längs plana yttre ytor, eftersom de går betydligt snabbare att ta bort där än i urtag,
• placera hålen så att inbränd sand lätt kan avlägsnas från urtagen.

Ange bearbetningstillägg på bearbetade ytor och välj mätbaser på avstånd från delningslinjen.

Checklista innan modellen skickas till gjuteriet

1. Väggtjocklek inte under minimivärdet för vald metod och så jämn som möjligt; inre väggar ca 20 % tunnare än de yttre.
2. Tjockleksskillnader upp till 2:1, kilformade övergångar med lutning högst 1:4, rundade hörn.
3. Inga X-korsningar eller massiva materialansamlingar; T-förbindelser med urtag.
4. Släppvinklar på alla väggar parallella med uttagsriktningen, större på inre väggar.
5. En enda plan delningsyta och kritiska mått i en och samma formhalva.
6. Så få kärnor som möjligt; i metallformar gemensam uttagsriktning och inga underskär parallella med delningsplanet.
7. Beslut om vilka hål som ska gjutas och vilka som ska borras.
8. Markerade bearbetade ytor och baser; gjutskägg och matare på bearbetade eller plana ytor.
9. 3D-modell (t.ex. STEP) och ritning med toleranser, legering och planerad kvantitet.

3D-modellen är användbar inte bara för offertberäkning: den ligger till grund för tillverkningen av verktyg på CNC-maskiner och för simulering av gjutprocessen.

Vanliga frågor

Vi kontrollerar er modell innan verktyget tillverkas

Skicka 3D-modell och ritning. Teknikern bedömer väggar, släppvinklar, kärnor och delningsplan, och gjutmodellen tar vi fram inom ramen för modellframställning och prototyper – även utifrån en 3D-skanning av en befintlig detalj. Gjutgodset tillverkar vi bl.a. i kokill eller med pressgjutning. Skicka in modellen för analys.

Källor och standarder

• M. Perzyk (red.), Gjutning, 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 (val av process, s. 190–194), 5.2.2 (spalter i bentonitmassa, s. 276).
• ISO 8062-3:2023 – allmänna dimensions- och geometritoleranser samt bearbetningsmån för gjutgods; tabeller över gjutlutningar 2–6.
• ISO 10135:2007 (EN ISO 10135:2009) – angivelse av formgivna detaljer i teknisk dokumentation (gjutlutningar, delningsplan).
• NADCA (North American Die Casting Association) – konstruktionsrekommendationer för pressgjutgods: gjutlutningar och gjutna hål.
• AFS (American Foundry Society) – ”Designing Aluminum Permanent Mold Castings”, Casting Source 2019 (baserad på ”Aluminum Casting Technology”, 3:e uppl.).
• Batesville Products – Design Guide for Permanent Mold Aluminum Casting (2024) – gjutlutningar i kokill beroende på djup.
• M. Finke, Formelsammlung Gießereitechnik, 2:a uppl., Verlag Europa-Lehrmittel, 2023 – gjutkrympning hos aluminiumlegeringar.
• Eazall, datablad för legeringen A380 – krympning vid pressgjutning 0,006 in/in (0,6%).