NGHIÊN cứu CNC hóa CÔNG NGHỆ CHẾ tạo mẫu đúc

LVTN - Nghiên cứu CNC hóa công nghệ chế tạo mẫu đúc

LỜI CẢM ƠN
Xin gửi đến giáo viên hướng dẫn làm luận văn tốt nghiệp của tôi: PGS-TS. PHAN
ĐÌNH HUẤN lời cảm ơn chân thành nhất. Thầy đã tận tình hướng dẫn, tạo mọi điều
kiện thuận lợi cho tôi trong suốt quá trình làm luận văn vừa qua, thầy đã dành nhiều
thời gian quý báu của mình để giúp đỡ tôi hoàn thành tốt luận văn này. Đặc biệt thầy
đã tạo điều kiện cho tôi có được chỗ thực tập và làm luận văn đầy ý nghĩa.Ở đó tôi
được tiếp xúc với những chi tiết, bộ phận, thiết bị chuyên ngành và đặc biệt tôi được
tham gia vào quá trình chế tạo. Qua đó tôi đã được học hỏi và đúc rút nhiều kinh
nghiệm quý báu cho bản than. Tôi cũng xin cảm ơn thầy phản biện đã dành nhiều thời
gian quý báu để đọc, nhận xét và chấm điểm một cách công minh luận văn của tôi.
Cuối cùng tôi xin chân thành kính gửi lời cảm ơn sâu sắc đến tất cả các thầy cô
trong bộ môn Thiết kế máy, trong khoa Cơ khí, trong Trường Đại Học Bách Khoa
Tp.HCM vì quý thầy cô đã tận tụy dạy dỗ, truyền đạt cho tôi rất nhiều những kiến thức
quý báu về khoa học cơ bản và chuyên ngành trong suốt thời gian học tại trường.
Sinh viên thực hiện :

Lê Phạm Nhàn

SVTH: Lê Phạm Nhàn

Trang i


LVTN - Nghiên cứu CNC hóa công nghệ chế tạo mẫu đúc

MỤC LỤC

LỜI CẢM ƠN .............................................................................................................. i
MỤC LỤC...................................................................................................................ii

DANH MỤC HÌNH ẢNH.......................................................................................... iv
LỜI MỞ ĐẦU ............................................................................................................. 1
CHƢƠNG I : TỔNG QUAN ...................................................................................... 2
1.1

Tổng quan về kỹ thuật đúc và đúc nhôm ....................................................... 2

1.1.1

Định nghĩa .................................................................................................. 2

1.1.2

Đặc điểm chung.......................................................................................... 2

1.1.3

Ứng dụng của công nghệ đúc ..................................................................... 3

1.1.4

Khái quát về quy trình đúc khuôn cát ...................................................... 4

1.1.5

Các sản phẩm của phƣơng pháp đúc ........................................................ 5

1.1.6

Khái quát chung về nhôm và đúc nhôm: .................................................. 8

1.2

1.1.6.1

Lịch sử nhôm ....................................................................................... 8

1.1.6.3

Tính chất của nhôm ........................................................................... 10

1.1.6.4

Khái quát về kỹ thuật đúc nhôm....................................................... 12

1.1.6.5

Ứng dụng của nhôm .......................................................................... 17

Tổng quan về công nghệ mẫu gỗ và mẫu kim loại ........................................ 19

1.2.1

Khái niệm ................................................................................................. 19

1.2.2

Các loại vật liệu làm mẫu và hộp lõi ....................................................... 19

1.3

Tổng quan về CNC và các phần mềm mô hình hóa, tạo G-code .................. 24

1.3.1

Tổng quan về CNC .................................................................................. 24

SVTH: Lê Phạm Nhàn

Trang ii


LVTN - Nghiên cứu CNC hóa công nghệ chế tạo mẫu đúc
1.3.1.1

Khái niệm về máy CNC ..................................................................... 24

1.3.1.2

Lịch sử phát triển máy CNC ............................................................. 24

1.3.1.3

Tình hình sử dụng máy CNC ở nƣớc ta ........................................... 25

1.3.2

Các phần mềm mô hình hóa và G-code. ................................................. 26

1.3.2.1

1.3.2.2
1.4

Tổng quan về các phần mềm mô hình hóa ....................................... 26
Khái quát chung về G-code ............................................................... 34

Kết luận về tính cấp thiết của đề tài .............................................................. 47

CHƢƠNG II: CƠ SỞ LÝ THUYẾT ....................................................................... 48
2.1

Cơ sở lý thuyết về mẫu đúc ............................................................................ 48

2.1.1 Tính chất cơ học của gỗ ............................................................................... 48
2.1.2

Cơ sở lý thuyết thiết kế mẫu đúc ............................................................. 57

2.2 Khái niệm chung về chế độ cắt ........................................................................... 74
2.2.1 Các yếu tố cắt ............................................................................................. 75
2.2.2 Chế độ gia công gỗ ..................................................................................... 75
2.2.3 Chế độ gia công nhôm ............................................................................... 79
CHƢƠNG III: NGHIÊN CỨU CÁC TRƢỜNG HỢP CHẾ TẠO CỤ THỂ ......... 81
3.1

Chi tiết Kiềng DN 40 ...................................................................................... 81

3.1.1 Yêu cầu kỹ thuật .......................................................................................... 81
3.1.2 Các bƣớc tiến hành chế tạo mẫu ................................................................ 81
3.2

Chi tiết Khủy FF 90’ ...................................................................................... 90

3.2.1 Yêu cầu kỹ thuật .......................................................................................... 90
3.2.2 Các bƣớc tiến hành chế tạo mẫu ................................................................. 91
3.3

Mối nối mềm .................................................................................................... 97

3.3.1 Yêu cầu kỹ thuật .......................................................................................... 97
SVTH: Lê Phạm Nhàn

Trang iii


LVTN - Nghiên cứu CNC hóa công nghệ chế tạo mẫu đúc
3.2.2 Các bƣớc tiến hành chế tạo mẫu ................................................................. 98
3.4

Tạo chữ trong gia công đúc ......................................................................... 105

CHƢƠNG IV: KẾT LUẬN VÀ HƢỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI ............. 113
4.1

Kết luận .......................................................................................................... 113

4.2

Hƣớng phát triển của đề tài .......................................................................... 113

PHỤ LỤC ................................................................................................................ 115
TÀI LIỆU THAM KHẢO ...................................................................................... 116

SVTH: Lê Phạm Nhàn

Trang iv


LVTN - Nghiên cứu CNC hóa công nghệ chế tạo mẫu đúc

DANH MỤC HÌNH ẢNH
Hình 1.1: Xưởng đúc ............................................................................................... 3
Hình 1.2: Quy trình đúc khuôn ............................................................................... 4
Hình 1.3: Hình dạng khuôn cát ................................................................................ 5
Hình 1.4: Cánh bơm ................................................................................................ 6
Hình 1.5: Vỏ máy ................................................................................................... 6
Hình 1.6: Các sản phẩm đúc áp lực.......................................................................... 7
Hình 1.7: Sản phẩm đúc trong gia dụng .................................................................. 8
Hình 1.8: Tính chất của nhôm................................................................................ 11
Hình 1.9: Ứng dụng của nhôm ............................................................................... 18
Hình 1.10: Ứng dụng của nhôm trong thiết bị điện tử ............................................ 18
Hình 1.11: Các loại mẫu đúc ................................................................................. 21
Hình 1.12: Mẫu đúc bằng gỗ ................................................................................. 21
Hình 1.13: Vỏ mẫu ................................................................................................ 22
Hình 1.14: Mẫu đúc phức tạp ................................................................................ 22
Hình 1.15: Khuôn đúc nhiều sản phẩm .................................................................. 23
Hình 1.16: Khuôn đúc phích cắm .......................................................................... 23
Hình 117: Các chức năng G00 và G01 ................................................................... 35
Hình 1.18: Sơ đồ giải thích các chức năng G02, G03 và G17, G18, G19 ............... 36
Hình 1.19: Sơ đồ tính quỹ đạo cung tròn trong mặt phẳng XOY ............................ 37

Hình 1.20: Sơ đồ tính quỹ đạo cung tròn trong mặt phẳng XOZ ............................ 37
Hình 1.21: Sơ đồ tính quỹ đạo cung tròn trong mặt phẳng YOZ ............................ 38
Hình 1.22: Ví dụ mô tả lệnh G02 ........................................................................... 40
Hình 1.23: Các lệnh G40, G41, G42 ...................................................................... 41
Hình 1.24: Xê dịch điểm chuẩn ............................................................................. 42
Hình 2.1: Đường cong chịu lực lâu dài của gỗ ....................................................... 48
Hình 2.2: Biểu đồ kéo nén của gỗ .......................................................................... 50
Hình 2.3: Sự làm việc của gỗ khi uốn .................................................................... 51
SVTH: Lê Phạm Nhàn

Trang v


LVTN - Nghiên cứu CNC hóa công nghệ chế tạo mẫu đúc
Hình 2.4: Các dang ép mặt .................................................................................... 53
Hình 2.5: Biểu đồ ép mặt ngang thớ ...................................................................... 54
Hình 2.6: Ép mặt ngang thớ gỗ .............................................................................. 54
Hình 2.7: Các trường hợp chịu trượt ...................................................................... 55
Hình 2.8: Biểu đồ phân bố ứng suất trượt .............................................................. 56
Hình 2.9: Vòng tròn nhiệt ...................................................................................... 58
Hình 2.10: Phần chuyển tiếp và bán kính góc trượt ................................................ 60
Hình 2.11: Các kiểu mẫu cơ bản ............................................................................ 62
Hình 2.12: Các phương pháp gắn giữ các phần tháo rời được vào mẫu .................. 63
Hình 2.13: Đầu gác và khe hở cho ruột .................................................................. 64
Hình 2.14: Mẫu có khung cốt để đúc các phần vỏ có hình xoắn ốc của tuốc bin thủy
lực có khối lượng 200 tấn ...................................................................................... 66
Hình 2.15: Các tấm mẫu ........................................................................................ 67
Hình 2.16: Tấm mẫu với các mẫu có thể thay đổi nhanh ........................................ 68
Hình 2.17: Các kiểu hòm ruột cơ bản .................................................................... 68
Hình 2.18: Hòm ruột kiểu tháo gỡ ra và phương pháp sử dụng nó ......................... 69

Hình 2.19: Kiểm tra hình dạng và kích thước của ruột bằng dưỡng ....................... 71
Hình 2.20: Làm sạch ruột trong giá cố định ........................................................... 71
Hình 2.21: Dao phay ngón trong gia công gỗ ......................................................... 76
Hình 2.22: Biểu đồ chế độ cắt gỗ dán .................................................................... 77
Hình 2.23: Biểu đồ chế độ cắt gỗ ép ...................................................................... 77
Hình 2.24: Biểu đồ chế độ cắt gỗ cứng .................................................................. 78
Hình 2.25: Biểu đồ chế độ cắt gỗ mềm .................................................................. 78
Hình 2.26: Chọn phương pháp gia công................................................................. 79
Hình 2.27: Chọn dao và chế độ phay ..................................................................... 80
Hình 2.28: Kết quả tính ......................................................................................... 80
Hình 3.1: Tấm gỗ .................................................................................................. 83
Hình 3.2: Tay cầm mẫu ......................................................................................... 83
Hình 3.3: Mạp gỗ .................................................................................................. 84
SVTH: Lê Phạm Nhàn

Trang vi


LVTN - Nghiên cứu CNC hóa công nghệ chế tạo mẫu đúc
Hình 3.4: Phần thân trên mẫu ................................................................................ 84
Hình 3.5: Mạp gỗ gắn thân trên ............................................................................. 85
Hình 3.6: Keo sữa ATM ........................................................................................ 85
Hình 3.7: Phần thân dưới ....................................................................................... 86
Hình 3.8: Mạp gắn thân dưới ................................................................................. 86
Hình 3.9: Mẫu gỗ .................................................................................................. 87
Hình 3.10: Mặt trên phôi nhôm.............................................................................. 87
Hình 3.11: Mặt dưới phôi nhôm ............................................................................ 88
Hình 3.12: Mặt trên mẫu nhôm .............................................................................. 89
Hình 3.13: Mặt dưới mẫu nhôm ............................................................................. 89
Hình 3.14: Chi tiết Khủy FF 90’ ............................................................................ 90

Hình 3.15: Gỗ thanh .............................................................................................. 92
Hình 3.16: Hộp ruột mẫu gỗ .................................................................................. 92
Hình 3.17: Phần vỏ mẫu ........................................................................................ 92
Hình 3.18: Phôi nhôm hộp ruột ............................................................................. 93
Hình 3.19: Phôi nhôm vỏ mẫu ............................................................................... 93
Hình 3.20: Mặt 1 ................................................................................................... 94
Hình 3.21: Mặt 2 ................................................................................................... 94
Hình 3.22: Ruột mẫu nhôm.................................................................................... 95
Hình 3.23: Gia công hộp ruột ................................................................................ 95
Hình 3.24: Hộp ruột phần có chốt .......................................................................... 96
Hình 3.25: Hộp ruột phần không có chốt ............................................................... 96
Hình 3.26: Lắp ghép hộp ruột ................................................................................ 97
Hình 3.27: Chi tiết mối nối mềm ........................................................................... 98
Hình 3.28: Gỗ thanh .............................................................................................. 99
Hình 3.29: Vỏ mẫu gỗ ......................................................................................... 100
Hình 3.30: Phôi phần vỏ chi tiết .......................................................................... 101
Hình 3.31: Ghép hai mảnh mẫu bằng bu lông ...................................................... 101
Hình 3.32: Nguyên công 1 ................................................................................... 102
SVTH: Lê Phạm Nhàn

Trang vii


LVTN - Nghiên cứu CNC hóa công nghệ chế tạo mẫu đúc
Hình 3.33: Nguyên công 2 ................................................................................... 102
Hình 3.34: Nguyên công 3 ................................................................................... 103
Hình 3.35: Nguyên công 4 ................................................................................... 103
Hình 3.36: Nguyên công 6 ................................................................................... 104
Hình 3.37: Nguyên công 7 ................................................................................... 104
Hình 3.38: Nguyên công 8 ................................................................................... 105

Hình 3.39: Một số loại dao khắc dùng trong khắc thủ công.................................. 106
Hình 3.40: Một số loại đục dùng trong khắc chữ thủ công. .................................. 106
Hình 3.41: Một số loại đục gỗ đầu tròn dùng trong khắc gỗ thủ công. ................. 107
Hình 3.42: Một số loại giũa . ............................................................................... 107
Hình 3.43: Máy mài tay. ...................................................................................... 108
Hình 3.44: Giấy nhám ......................................................................................... 108
Hình 3.45: Sơ đồ nguyên lí thông dụng của máy cắt bằng tia laser. ..................... 109
Hình 3.46: Phôi gia công chữ .............................................................................. 111
Hình 3.47: Mô hình hóa chữ ................................................................................ 111
Hình 3.48: G-code tạo chữ................................................................................... 112
Hình 3.49: Sản phẩm sau gia công ....................................................................... 112

SVTH: Lê Phạm Nhàn

Trang viii


LVTN - Nghiên cứu CNC hóa công nghệ chế tạo mẫu đúc

LỜI MỞ ĐẦU
Với mức độ phát triển kỹ thuật hiện nay, máy móc là phần không thể tách rời của
bất kỳ dạng sản xuất nào. Nhờ nâng cao năng suất lao động và chất lượng sản phẩm
làm ra, máy móc đảm bảo được sự phát triển với nhịp độ cao của tất cả các ngành kinh
tế quốc dân. Các phôi chi tiết máy và các vật đúc kim loại có thể được chế tạo bằng các
phương pháp khác nhau: rèn, dập, hàn… Tuy nhiên phương pháp đúc là phương pháp
thông dụng, đa dạng và rẻ nhất để chế tạo ra chúng.
Hiện nay, cùng với sự phát triển của công nghệ chế tạo và công nghệ vật liệu
trong chế tạo dụng cụ cắt, yêu cầu của việc gia công cơ khí ngày càng được đòi hỏi
cao hơn. Không còn chỉ đơn thuần là những yêu cầu về độ chính xác kỹ thuật, những
đòi hỏi mới về năng suất gia công hay độ phức tạp về kết cấu. Các phương pháp sản

xuất hiện đại với sự trợ giúp đắc lực của máy tính, các chương trình điều khiến số đã
trở thành xu hướng phát triển chung của toàn ngành cơ khí trên thế giới. Điển hình là
ngày càng có nhiều nhà máy, cơ sở sản xuất sử dụng các phương pháp gia công hiện
đại, tiên tiến như các máy CNC (computer numerical control), gia công bằng tia nước,
bằng plasma…
Trong số các phương pháp gia công trên, phương pháp gia công bằng các máy
CNC (computer numerical control - chương trình điều khiển số) là một trong các
phương pháp được ứng dụng nhiều nhất hiện nay.Các máy CNC thể hiện được thế
mạnh vượt trội so với các máy gia công truyền thống khi kết hợp hài hòa giữa yêu tố
năng suất và độ chính xác gia công, tạo sự đồng đều và tăng độ tin cậy cho các sản
phẩm.
Nhận thức được xu thế phát triển của thị trường và tầm ảnh hưởng của việc ứng
dụng máy CNC trong phát triển sản xuất.Đề tài ―Nghiên cứu CNC hóa công nghệ chế
tạo mẫu đúc‖ nhằm ứng dụng công nghệ gia công CNC trong chế tạo mẫu, nâng cao
nawg suất, chất lượng, hạ giá thành sản phẩm.

SVTH: Lê Phạm Nhàn

Trang 1


LVTN - Nghiên cứu CNC hóa công nghệ chế tạo mẫu đúc

CHƢƠNG I : TỔNG QUAN
1.1 Tổng quan về kỹ thuật đúc và đúc nhôm :
1.1.1 Định nghĩa :
Đúc là phương pháp chế tạo sản phẩm bằng cách rót kim loại lỏng vào khuôn có
hình dạng nhất định, sau khi kim loại hóa rắn trong khuôn ta thu được vật đúc có hình
dạng giống như khuôn đúc.
Nếu vật đúc được đưa ra dùng ngay gọi là chi tiết đúc, còn nếu vật đúc phải qua gia

công áp lực hay cắt gọt để nâng cao cơ tính, độ chính xác kích thước và độ bóng bề
mặt gọi là phôi đúc.
Đúc có những phương pháp sau: đúc trong khuôn cát, đúc trong khuôn kim loại,
đúc áp lực, đúc li tâm, đúc trong khuôn mẫu chảy, đúc trong khuôn vỏ mỏng, đúc liên
tục… nhưng phổ biến nhất là đúc trong khuôn cát.
1.1.2 Đặc điểm chung:
- Đúc có thể gia công nhiều loại vật liệu khac nhau: Thép, gang, hợp kim màu…
có khối lượng từ vài gam đến hàng trăm tấn.
- Chế tạo được vật đúc có hình dạng, kích thước phức tạp như thân máy công cụ,
vỏ động cơ… mà các phương pháp khác khó khăn hoặc không chế tạo được.
- Độ chính xác về hình dáng, kích thước, độ bóng không cao ( có thể đạt chất
lượng cao nếu đúc bằng phương pháp đặc biệt như đúc áp lực).
- Có thể đúc được nhiều lớp kim loại khác nhau trên một vật đúc
- Giá thành chế tạo vật đúc rẻ, vốn đầu tư ít, tính chất sản xuất linh hoạt, năng
suất tương đối cao.
- Phương pháp đúc có khả năng cơ khí hóa và tự động hóa.
- Tốn kim loại cho hệ thống rót, đậu ngót, đậu hơi.
- Đúc thường dễ gây ra khuyết tật như:thiếu hụt, rỗ khí, cháy cát…

SVTH: Lê Phạm Nhàn

Trang 2


LVTN - Nghiên cứu CNC hóa công nghệ chế tạo mẫu đúc
- Kiểm tra khuyết tật bên trong vật đúc khó khăn, đòi hỏi thiết bị hiện đại như đúc
bằng siêu âm, nhiễu xạ tia X, kính hiển vi điện tử, cộng hưởng sóng âm…

Hình 1.1: Xưởng đúc
1.1.3 Ứng dụng của công nghệ đúc:

Công nghệ đúc là công nghệ đóng vai trò rất quan trọng trong ngành kim loại và
hợp kim cho nên việc hiểu rõ để định hướng vào ngành này là điều vô cùng cấp thiết.
Theo xu hướng hiện nay đúc có nhiều công dụng hữu ích trong đời sống. Đúc có vai
trò quan trọng đối với nền kinh tế. Sản xuất đúc được phát triển rất mạnh và được sử
dụng rất rộng rãi trong các ngành công nghiệp, khối lượng vật đúc trung bình chiếm
khoảng 40% đến 80% tổng khối lượng máy móc, trong ngành cơ khí khối lượng vật
đúc chiếm đến 90% mà giá thành chỉ chiếm có 20% đến 25%. Ứng dụng lớn nhất là xe
hơi và xe tải hạng nhẹ vào khoảng 31%. Các lĩnh vực khác bao gồm xây dựng, khai
khoáng và dầu khí khoảng 6%, đường ống và khớp nối 15%, máy bơm và nén khí 3%,
đô thị 3%, đường sắt 6%, máy nông nghiệp 6%, van 5%, động cơ đốt trong 5%.Đầu tư
về phát triển công nghệ mới để giảm ô nhiễm môi trường.Tuy nhiên, ở nước ta vẫn
chưa quan tâm nhiều đến vai trò của nó, như: những lợi ích từ việc sản xuất các chi tiết
SVTH: Lê Phạm Nhàn

Trang 3


LVTN - Nghiên cứu CNC hóa công nghệ chế tạo mẫu đúc
thay thế, vai trò trong đời sống hằng ngày. Thêm vào đó, một số nhà sản xuất, quản lý
và chuyên viên kỹ thuật chưa hiểu được sự khác biệt của chi tiết được chế tạo từ đúc và
từ các phương pháp khác. Kết quả là thiếu cơ hội cho các nhà sản xuất.
1.1.4 Khái quát về quy trình đúc khuôn cát:
Quá trình đúc bao gồm các công đoạn chính sau :
Hỗn hợp làm
khuôn

Mẫu đúc

Hộp lõi

Hỗn hợp
làm lõi

Nhiên liệu

Lò đúc

Làm khuôn

Làm lõi

Nấu kim loại

Sấy khuôn

Sấy lõi

Biến tính

Khuôn tươi

Nguyên liệu
kim loại

Khuôn khô
Lắp ráp khuôn, lõi

Rót khuôn

Phá khuôn, lõi

Làm sạch vật
đúc

Kiểm tra

Phế phẩm

Thành phẩm

Hình 1.2: Quy trình đúc khuôn cát

SVTH: Lê Phạm Nhàn

Trang 4


LVTN - Nghiên cứu CNC hóa công nghệ chế tạo mẫu đúc

Hình 1.3: Hình dạng khuôn cát

1.1.5 Các sản phẩm của phƣơng pháp đúc:
a) Trong công nghiệp: Tạo các sản phẩm phức tạp như: Vỏ máy, cánh quạt,…

SVTH: Lê Phạm Nhàn

Trang 5


LVTN - Nghiên cứu CNC hóa công nghệ chế tạo mẫu đúc

Hình 1.4: Cánh bơm

Hình 1.5: Vỏ máy

SVTH: Lê Phạm Nhàn

Trang 6


LVTN - Nghiên cứu CNC hóa công nghệ chế tạo mẫu đúc

Hình 1.6 : Các sản phẩm đúc áp lực

SVTH: Lê Phạm Nhàn

Trang 7


LVTN - Nghiên cứu CNC hóa công nghệ chế tạo mẫu đúc
b) Các sản phẩm trong gia dụng nhƣ nồi, chảo….

Hình 1.7: Sản phẩm đúc trong gia dụng
1.1.6 Khái quát chung về nhôm và đúc nhôm:
1.1.6.1 Lịch sử nhôm :
Khoảng gần hai ngàn năm trước, một người lạ đến gặp hoàng đế La Mã Tibêri.
Người đó mang tặng hoàng đế một cái chén do chính mình làm ra từ một thứ kim loại
lấp lánh như bạc, nhưng lại rất nhẹ. Người thợ nói rằng, anh ta lấy được thứ kim loại
mà chưa ai biết này từ đất sét. Có lẽ Tibêri ít khi bận tâm biết ơn ai, và ông ta cũng là
một hoàng đế thiển cận. Sợ rằng, thứ kim loại mới với những tính chất tuyệt vời của nó

sẽ làm mất hết giá trị của đống vàng và bạc đang cất giữ trong kho, nên vị hoàng đế
này đã ra lệnh chém đầu người phát minh và phá tan xưởng của anh ta để từ đấy về sau
không còn ai dám sản xuất thứ kim loại ―nguy hiểm‖ ấy nữa.
Năm 1754, nhà hóa học người Đức là Anđrêat Xighizmunđơ Macgrap (Andreas
Sigismund Marggaf) đã tách được thứ ―đất chứa phèn‖ mà Paratxen đã nói đến từ hai
trăm năm trước đó. Phải qua mấy chục năm nữa, nhà bác học người Anh là Hanfri
Đêvi (Humphry Davy) mới thử tìm cách tách thứ kim loại ẩn náu trong phèn. Năm
1807, bằng cách điện phân các chất kiềm, ông đã phát hiện ra natri và kali, nhưng ông
chưa phân giải được đất phèn bằng dòng điện như thế. Nhà bác học người Thụy Điển
SVTH: Lê Phạm Nhàn

Trang 8


LVTN - Nghiên cứu CNC hóa công nghệ chế tạo mẫu đúc
là Iuên Iacop Becxêliut (Jons Jakob Berxelius) cũng bắt tay vào những cuộc thử
nghiệm như vậy, song công cuộc của ông không thu được kết quả. Mặc dầu vậy, các
nhà bác học vẫn quyết định đặt tên cho kim loại ―bất trị‖ này: lúc đầu, Becxêliut gọi nó
là alumium, và về sau, Đêvi đã đổi Alumium thành Aluminium (nhôm).
Năm 1825, Nhà bác học người Đan Mạch Hans Khrixtian Ecxtet (Hans Christian
Oersted) là người đầu tiên chế được nhôm kim loại giống như người thợ vô danh thời
cổ La Mã.
Năm 1827, một nhà hóa học Đức,là Friđric Vuêle (Friederich Wohler) đã công bố
phương pháp điều chế kim loại mới này của mình. Sự thực thì phương pháp của Vuêle
chỉ cho phép tách được nhôm ở dạng hạt có độ lớn không bằng đầu kim băng, nhưng
nhà bác học đã tiếp tục làm thực nghiệm cho đến khi hoàn chỉnh các phương pháp điều
chế nhôm ở dạng khối đặc. Ông phải mất ... mười tám năm vào việc đó.
Năm 1855, tại cuộc Triển lãm quốc tế ở Pari, người ta đã trưng bày "bạc lấy từ
đất sét" làm chấn động dư luận. Đó là những tấm và thỏi nhôm do nhà bác học kiêm
nhà công nghiệp người Pháp Hăngri Etien Xan-Cle Đêvi (Henri Etienne Sainte Claire

Deville) chế tạo ra.
Charles Martin Hall nhận được bằng sáng chế (số 400655) năm 1886, về quy
trình điện phân để sản xuất nhôm. Henri Saint-Claire Deville (Pháp) đã hoàn thiện
phương pháp của Wöhler (năm 1846) và thể hiện nó trong cuốn sách năm 1859 với hai
cải tiến trong quy trình là thay thế kali thành natri và hai thay vì một (chlorure). Phát
minh của quy trình Hall-Héroult năm 1886 đã làm cho việc sản xuất nhôm từ khoáng
chất trở thành không đắt tiền và ngày nay nó được sử dụng rộng rãi trên thế giới.
Nước Đức trở thành nhà sản xuất nhôm lớn nhất thế giới sau khi Adolf Hitler lên
nắm quyền. Tuy nhiên, năm 1942, những nhà máy thủy điện mới như Grand Coulee
Dam đã cho phép Mỹ những thứ mà nước Đức quốc xã không thể hy vọng cạnh tranh:
khả năng sản xuất đủ nhôm để có thể sản xuất 60.000 máy bay chiến đấu trong bốn
năm.
SVTH: Lê Phạm Nhàn

Trang 9


LVTN - Nghiên cứu CNC hóa công nghệ chế tạo mẫu đúc
1.1.6.3 Tính chất của nhôm:
- Khối lượng riêng nhỏ (~2,7g/cm³) nên nhôm và hợp kim nhôm chỉ nặng bằng
1/3 thép, đó là tính chất đặc biệt được chú trọng khi các thiết bị cần chế tạo phải chú
trọng đến trọng lượng (trong ngành hàng không, vận tải...).
- Tính chống ăn mòn trong khí quyển: Do đặc tính ôxy hoá của nó đã biến lớp bề
mặt của nhôm thành ôxít nhôm (Al2O3) rất xít chặt và chống ăn mòn cao trong khí
quyển, do đó chúng có thể dùng trong đa ngành mà không cần sơn bảo vệ. Để tăng tính
chống ăn mòn, người ta đã làm cho lớp ô xít nhôm bảo vệ dày thêm bằng cách anot
hoá.
- Tính dẫn điện: Tính dẫn điện của nhôm bằng 2/3 của đồng (kim loại), nhưng do
nhôm nhẹ hơn nên chúng được sử dụng nhiều hơn bởi nếu cùng truyền một dòng điện
thì dây nhôm nhẹ hơn bằng 1/2, ít bị nung nóng hơn...

- Tính dẻo: Rất dẻo, nên rất thuận lợi cho việc kéo thành dây, tấm, lá, băng,
màng, ép chảy thành các thanh có biên dạng đặc biệt (dùng cho khung cửa, các loại tản
nhiệt...rất thuận tiện khi sản xuất).
- Nhiệt độ nóng chảy: Tương đối thấp nên thuận tiện cho việc nấu chảy khi đúc,
nhưng cũng làm nhôm và hợp kim nhôm không sử dụng được ở nhiệt độ cao hơn 300400 độ C.
- Độ bền, độ cứng: Thấp.

SVTH: Lê Phạm Nhàn

Trang 10


LVTN - Nghiên cứu CNC hóa công nghệ chế tạo mẫu đúc

Hình 1.8: Tính chất của nhôm
Hợp kim nhôm:
- Hợp kim của nhôm là hợp kim của nhôm với các các nguyên tố khác như: đồng,
thiếc, mangan, silic, magiê.
+

Hợp kim Đuyra: Hợp chất quan trọng nhất của nhôm là Đuyra. Thành

phần có 94% Al, 4% Cu, còn lại là các nguyên tố Mn,Mg,Si.... Hợp kim này có độ bền
hơn nhôm 4 lần (gần bằng độ bền của thép), có tỉ khối xấp xỉ 27.5g/cm3. Đuyra được
dùng nhiều trong công nghiệp chế tạo máy bay, ôtô, xe lửa...

SVTH: Lê Phạm Nhàn

Trang 11

LVTN - Nghiên cứu CNC hóa công nghệ chế tạo mẫu đúc
+

Hợp kim Silumin : Thành phần chính của silumin là Al và Si ( 10 đến

14% Si). Hợp kim có ưu điểm nhẹ, bền và rất ăn khuôn (thể tích dãn nợ khi nhiệt độ
giảm). Silumin được dùng để đúc một số bộ phận của máy móc.
+

Hợp kim Almelec: Hợp kim almelec có chứa đến 98,5 % nhôm, còn lại là

Mg, Si, Fe. Hợp kim này có ưu điểm là điện trở nhỏ, dai và bền hơn nhôm. Almelec
dùng để chế tạo dây cáp dẫn điện cao thế thay cho đồng là kim loại qúy hiếm và nặng.
+

Hợp kim electron: Thành phần chính của hợp kim electron là magie

(83,3%) nhôm (10,5%), còn lại là kẽm và mangan. Electron có những ưu điểm là nhẹ
(có khối lượng riêng 1.75g/cm3 , bằng 0,65 lần so với nhôm), rất bề về mặt cơ học (bền
hơn thép) chịu được sự va chạm và sự thay đổi nhiệt độ trong giới hạn và đột ngột.
Electron dùng để chế tạo tàu vũ trụ, vệ tinh nhân tạo...
- Phân loại nhôm :
+

Hợp kim nhôm biến dạng: Được chia làm hai loại là hợp kim nhôm biến

dạng hoá bền được bằng nhiệt luyện và hợp kim nhôm biến dạng không hoá bền được
bằng nhiệt luyện.
+

Hợp kim nhôm đúc là các loại hợp kim với khoảng Si rộng (5-20%) và

có thêm Mg (0,3-0,5%) để tạo pha hoá bền Mg2 Si nên các hệ Al-Si-Mg phải qua hoá
bền. Cho thêm Cu (3-5%) vào hệ Al-Si-Mg để cải thiện cơ tính và có tính đúc tốt do có
các thành phần gần với cùng tin Al-Si-Cu nên được sử dụng trong đúc piston
(AA390.0), nắp máy của động cơ đốt trong.
1.1.6.4

Khái quát về kỹ thuật đúc nhôm:

Hợp kim nhôm là một trong số rất ít các kim loại có thể đúc được bằng nhiều
phương pháp như đúc áp lực, đúc khuôn kim loại, đúc khuôn cát (khuôn cát khô và
khuôn cát tươi), khuôn thạch cao, đúc mẫu chảy, đúc liên tục. Một số phương pháp đúc
tiên tiến mới, như đúc mẫu cháy cũng có thể áp dụng. Rất nhiều yếu tố ảnh hưởng đến
việc lựa chon phương pháp đúc để chế tạo các chi tiết máy bằng hợp kim nhôm. Yếu tố
quan trọng nhất là:

SVTH: Lê Phạm Nhàn

Trang 12


LVTN - Nghiên cứu CNC hóa công nghệ chế tạo mẫu đúc
+

Giá thành và tính khả thi: Xét về tính khả thi, rất nhiều loại hợp kim

nhôm có thể đúc bằng nhiều phương pháp khác nhau. Tuy nhiên, dựa trên kích thước
và thiết kế sẽ lựa chon được một phương pháp đúc phù hợp nhất. Thông thường các

khuôn kim loại nặng gấp từ 10 đến 100 lần so với vật đúc, do vậy các chi tiết lớn được
đúc bằng khuôn cát phù hợp hơn là đúc bằng khuôn kim loại hoặc đúc áp lực. Các chi
tiết nhỏ thường được đúc bằng khuôn kim loại – đảm bảo độ chính xác, ít gia công cơ.
+

Chất lượng vật đúc: Chất lượng là một yếu tố quan trọng quyết định đến

việc lựa chọn phương pháp đúc. Chất lượng ở đây có nghĩa là ―mức độ hoàn hảo‖ của
vật đúc (rỗ khí, nứt, độ nhẵn bong bề mặt…) và ―cơ tính‖ của sản phẩm (độ bền và độ
dẻo).
Mặc dù vậy, trong mỗi phương pháp đúc sẽ có những ưu điểm và nhược điểm, do
vậy, kỹ sư đúc cố gắng phát huy các ưu điểm, khắc phục nhược điểm của từng phương
pháp, nhằm đáp ứng những nhu cầu phức tạp của thi trường- nhanh, nhiều, tốt, rẻ.
Dưới đây xin đưa ra một số phương pháp đúc nhôm được áp dụng trên thế giới:
a) Đúc áp lực:
Trong đúc áp lực, hợp kim nhôm được sử dụng nhiều nhất so với tất cả các loại
hợp kim khác. Chỉ tính riêng ở Mỹ, hàng năm nhôm đúc áp lực trị giá lên tới 2.5 tỷ
đôla. Riêng nhôm đúc áp lực chiếm tỷ phần gấp đôi so với tất cả các phương pháp
khác gộp lại.
Đúc áp lực rất phù hợp với đúc hang loạt số lượng lớn, khối lượng chi tiết nhỏ,
thường có thể nặng tới 5kg nhưng cũng đã có trường hợp đúc cho chi tiết nặng tới
50kg nhưng giá thành rất cao. Đúc áp lực có ưu điểm là giảm thiểu dung sai, bề mặt
nhẵn bóng, đảm bảo đồng đều chiều dày vật đúc.
Các loại hợp kim nhôm đúc áp lực áp dụng cho từng loại chi tiết cụ thể:
+

380.0:

+

A380.0: Hộp đèn đường, các chi tiết phục vụ cho nha khoa.

+

A360.0: Vỏ của các loại nhạc cụ, các chi tiết đòi hỏi độ chịu ăn mòn.

SVTH: Lê Phạm Nhàn

Thường dùng đúc hộp số.

Trang 13


LVTN - Nghiên cứu CNC hóa công nghệ chế tạo mẫu đúc
+

413.0:

Pistong, trục khuỷu.

+

518.1:

Các chi tiết trong hàng không, tàu thủy.

Họ hợp kim 3xx (Ví dụ 380, 356…) tức họ hợp Al + Si + Cu + Mg, họ hợp kim
4xx (ví dụ 413) tức họ hợp kim Al + Si, họ hợp kim 5xx (Ví dụ 518) tức họ Al+Mg.
Trong khi đó có sự khác biệt nhỏ: chẳng hạn 380.0 - số 0 sau cùng có nghĩa nói rằng
hợp kim ở dạng đúc (cast shape) còn như 518.1 - số 1 sau cùng có nghĩa là dạng thỏi

(ingot). Dạng Cast shape hay ingot chỉ có ý nói lên hình dạng của vật liệu có trên thị
trường mà ta có thể đặt mua. Còn với loại ký hiệu có chữ A ở đầu, tức là: cao cấp, ít
tạp chất.
Sản phẩm của đúc áp lực rất khó hàn và xử lí nhiệt do vẫn còn khí bị giữ lại
trong vật đúc. Nếu muốn thì cần những công nghê đặc biệt. Một điều lưu ý trong đúc
áp lực là lựa chọn vật liệu có khoảng đông đặc hẹp.
Đúc áp lực có 2 dạng là đúc áp lực buồng nóng (hot chamber) và đúc áp lực
buồng nguội (cold chamber). Đúc áp lực buồng nóng là khi kim loại lỏng được rót vào
1 xilanh, sau đó pistông đẩy kim loại vào khuôn thong qua áp lực tương đối lớn, bộ
xilanh - pistông này được coi là nguội. Còn đúc áp lực buồng nóng là bộ xilanh pistông được đặt trong 1 hệ thống lò nung và nối thẳng với bộ phận lò nấu chảy, như
vậy toản bộ xilanh - pistông được đặt trong lò và có nhiệt độ bằng với nhiệt độ kim
loại nóng chảy.
b) Đúc trong khuôn kim loại :
Đúc khuôn kim loại hay còn gọi là đúc khuôn vĩnh cửu (permanent casting) là
phương pháp đúc mà như tên gọi - khuôn làm bằng kim loại giống như đúc áp lực. Do
tuổi thọ của khuôn dùng được lâu, nhiều lần nên còn gọi là khuôn vĩnh cửu. Đúc
khuôn kim loại phù hợp với các vật đúc lớn hơn so với đúc áp lực, khoảng 10kg, tất
nhiên đặc biệt có thể cao hơn, 20kg thậm chí là 50kg, và đi kèm là giá thành sẽ cao
hơn.

SVTH: Lê Phạm Nhàn

Trang 14


LVTN - Nghiên cứu CNC hóa công nghệ chế tạo mẫu đúc
Đúc khuôn kim loại, lực để đẩy kim loại vào trong khuôn chính là trọng lực của
kim loại lỏng, với yếu tố khuôn kim loại nên sẽ có tốc độ nguội nhanh. Do vậy, đúc
khuôn kim loại cho ta sản phẩm có cơ tính rất cao, vật đúc hoàn hảo hơn, nhưng cũng
được áp dụng với những kim loại có độ chảy loãng cao và có khả năng chống nứt

nóng.
Một số loại hợp kim nhôm hay được sử dụng trong đúc khuôn kim loại:
+

366: Chế tạo Pistông ôtô.

+

355.0, C355.0, A357.0: Hộp số, hang không, một số bộ phận của tên lửa

( Các chi tiết yêu cầu độ bền cao).
+

356.0, A356.0 Các chi tiết trong máy dụng cụ, bánh xe máy bay, bộ phận

trong máy bơm…
+

Một số khác cũng được dùng như 296.0, 319.0, 333.0.

c) Đúc khuôn cát:
Đúc khuôn cát, tức đề cập đến công đoạn làm khuôn bằng cát và các chất phụ gia
để kết dính có thể là đất sét hoặc một số loại khác (xem bài công nghệ đúc khuôn cát).
Phương pháp đúc khuôn cát truyền thống, khuôn được làm cùng với các ruột
(nếu có) thông qua việc rã cát (dầm chặt), cùng với mẫu. Sau khi đã dầm chặt, mẫu
được rút ra, để lại khoảng trống – chính là hình dạng của vật đúc cần chế tạo. Sau khi
rót kim loại vào khuôn, đông đặc, và phá dỡ để thu được vật đúc. Trong đúc khuôn cát
được phát huy bằng ưu điểm là đúc các chi tiết lớn, phức tạp hơn do có thể làm ruột.
Đúc khuôn cát yêu cầu người thợ có trình độ khéo léo, từ khâu làm khuôn, ruột,
đến rót kim loại vào khuôn. Do vậy, đúc khuôn cát hiện nay đang được sử dụng nhưng

không chính xác. Đây chính là nguyên nhân đôi khi một số chi tiết lớn vài chục kg yêu
cầu chính xác nên vẫn phải đúc khuôn kim loại.
d) Đúc mẫu cháy:
Đúc mẫu cháy cũng có thể coi là một loại của đúc khuôn cát. Các kĩ sư phải thiết
kế một mẫu bằng nhựa polysterene, giống y hệt vật đúc. Mẫu được đem đặt trong 1
SVTH: Lê Phạm Nhàn

Trang 15


LVTN - Nghiên cứu CNC hóa công nghệ chế tạo mẫu đúc
khuôn rồi được đổ cát khô vào, đậy nilon lên trên, rồi được hút chân không. Khi kim
loại được rót vào đúng phần đã định sắn, nilon cháy, polysterene cũng cháy và kim
loại điền thay thế vào vị trí của mẫu. Phần tro của mẫu cháy được nổi lên trên mặt
phần đậu ngót.
e) Đúc khuôn vỏ mỏng:
Công nghệ làm khuôn vỏ mỏng được chế tạo bằng vật liệu là sáp. Sáp được gia
công thành mẫu giống như vật đúc, sau đó được nhúng vào 1 hỗn hợp huyền phù gồm
cát, sét, và một số chất phụ gia, như vậy có 1 lớp vỏ bao bọc mẫu, nhấc mẫu ra, rắc 1
lớp cát mịn, sấy khô rồi lại đem nhúng lại vào hỗn hợp huyền phù, rồi lại rắc cát mịn.
Làm như vậy 4-5 lần, khi lớp vỏ dày khoảng 10-20mm, sấy khô, đem thiêu kết khuôn
ở nhiệt độ 600-8000C, sáp sẽ chảy ra, và ta thu được khuôn vỏ mỏng. Trong công nghệ
khuôn vỏ mỏng, hay được gọi là đúc chính xác vì mẫu sáp được làm giống y như vật
đúc. Phương pháp này được áp dụng cho các chi tiết nhỏ, số lượng lớn.
f)

Đúc li tâm:
Đúc li tâm là một dạng khác để đưa kim loại lỏng vào khuôn. Khuôn được làm

bằng kim loại, đặt trên máy đúc li tâm. Khi khuôn đang quay tròn, hệ thống rót được

thiết kế sắn, rót kim loại vào khuôn. Với lực quay li tâm sẽ giới hạn chiều dày vật đúc
đúng như thiết kế, với sự hỗ trợ của lực li tâm, kim loại sẽ xít chặt. Tuy nhiên, đúc li
tâm sẽ chỉ áp dụng cho các chi tiết có dạng tròn như dạng tang trống. Nhưng đổi lại, có
tính của vật đúc sẽ được cải thiện đáng kể vì có lực li tâm và khuôn kim loại nên tổ
chức nhỏ mịn.
g) Đúc liên tục:
Đây là phương pháp đúc đang được áp dụng phổ biến trong các nhà máy đặc biệt
là với các nhà máy đúc nhôm, do tính hiệu quả của nó.
Hợp kim nhôm được rót vào hệ khuôn đặc biệt: những khuôn đúc có nước làm
nguội, đúc ra các sản phẩm là các thanh, các tấm nhôm có kich thước tuỳ ý (lên tới

SVTH: Lê Phạm Nhàn

Trang 16


LVTN - Nghiên cứu CNC hóa công nghệ chế tạo mẫu đúc
200x1000mm) tiếp theo dây chuyền đúc liên tục là các dây truyền cán, dập liên tục.
Ngoài ra các phương pháp khác như đúc khuôn thạch cao, đúc khuôn mẫu chảy cũng
được áp dụng cho hợp kim nhôm với những chi tiết nêu trên, tuỳ thuộc vào tình trạng
của nhà máy cũng như yêu cầu của khách hàng.
1.1.6.5

Ứng dụng của nhôm:

- Tính theo cả số lượng lẫn giá trị, việc sử dụng nhôm vượt tất cả các kim loại
khác, trừ sắt, và nó đóng vai trò quan trọng trong nền kinh tế thế giới. Nhôm nguyên
chất có sức chịu kéo thấp, nhưng tạo ra các hợp kim với nhiều nguyên tố như đồng,
kẽm, magiê, mangan và silic. Khi được gia công cơ-nhiệt, các hợp kim nhôm này có
các thuộc tính cơ học tăng lên đáng kể.

-

Các hợp kim nhôm tạo thành một thành phần quan trọng trong các máy bay và

tên lửa do tỷ lệ sức bền cao trên cùng khối lượng.
-

Các loại vỏ phủ nhôm đôi khi được dùng thay vỏ phủ vàng để phủ vệ tinh nhân

tạo hay khí cầu để tăng nhiệt độ cho chúng, nhờ vào đặc tính hấp thụ bức xạ điện từ
của Mặt Trời tốt, mà bức xạ hồng ngoại vào ban đêm thấp.
-

Ôxít nhôm, alumina, được tìm thấy trong tự nhiên dưới dạng corunđum, emery,

ruby và saphia và được sử dụng trong sản xuất thủy tinh. Ruby và saphia tổng hợp
được sử dụng trong các ống tialaser để sản xuất ánh sáng có khả năng giao thoa.
- Hợp kim nhôm, nhẹ và bền, được dùng để chế tạo các chi tiết của phương tiện
vận tải (ô tô, máy bay, xe tải, toa xe tàu hỏa, tàu biển…).
- Đóng gói (can, giấy gói…).
- Xử lý nước.
- Xây dựng (cửa sổ, cửa, ván…; tuy nhiên nó đã đánh mất vai trò chính dùng làm
dây dẫn phần cuối cùng của các mạng điện, trực tiếp đến người sử dụng).
- Các hàng tiêu dùng có độ bền cao (trang thiết bị, đồ nấu bếp…).
- Các đường dây tải điện (mặc dù độ dẫn điện của nó chỉ bằng 60% của đồng, nó
nhẹ hơn nếu tính theo khối lượng và rẻ tiền hơn).

SVTH: Lê Phạm Nhàn

Trang 17