Thiết kế khuôn đúc áp lực piston CMD 62

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG
KHOA CƠ KHÍ
------

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
THIẾT KẾ KHN ĐÚC ÁP LỰC PISTON CMD-62

Giảng viên hướng dẫn: TS Nguyễn Hữu Thật
Sinh viên thực hiện: Dương Hiển Sinh
Mã số sinh viên: 56136656

Nha trang, ngày 9 tháng 7 năm 2018


LỜI CAM ĐOAN

Tơi xin cam đoan đây là cơng trình nghiên cứu của tôi, các số liệu
trong đồ án là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kì cơng trình
nào.
Tơi xin cam đoan rằng các thơng tin trích dẫn trong đồ án đã được chỉ
rõ nguồn gốc.

Nha trang, ngày 9 tháng 7 năm 2018
Sinh viên thực hiện
Dương Hiển Sinh

iv

LỜI CẢM ƠN
Để hoàn thành đồ án tốt nghiệp “ Thiết kế khuôn đúc áp lực PISTON CMD62 ” em nhận được rất nhiều sự giúp đỡ từ gia đình, thầy cô và bạn bè.
Em xin chân thành cảm ơn Ban Giám Hiệu Trường Đại học Nha Trang đã tạo
mọi điều kiện để em được học tập và nghiên cứu tại trường trong suốt thời gian qua.
Em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến quý thầy cô trong khoa Cơ khí trường
Đại học Nha Trang đặc biệt là T.S Nguyễn Hữu Thật đã hướng dẫn chỉ bảo tận tình
trong suốt q trình hồn thành đồ án này.
Trong q trình hồn thành đồ án này do cịn nhiều hạn chế về mặt kiến thức,
tài liệu tham khảo cũng như thời gian thực hiện nên khơng tránh khỏi sai sót. Kính
mong q thầy cơ góp ý để em hồn thiện đề tài cũng như bản thân minh hơn. Em xin
chân thành cảm ơn.

Nha Trang, ngày 9 tháng 7 năm 2018
Sinh viên thực hiện
Dương Hiển Sinh

v


MỤC LỤC
Lời cam đoan…………………………………………………………………….........i
Lời cảm ơn……………………………………………………………………...........ii
Mục lục………………………………………………………………………...........iii
Danh mục hình………………………………………………………………...........vii
Danh mục bảng………………………………………………………………..........xii
LỜI CẢM ƠN ..................................................................................................................v
DANH MỤC HÌNH ........................................................................................................x
GIỚI THIỆU ...................................................................................................................1
1. Tính cấp thiết của đề tài .........................................................................................1
2. Mục tiêu của đề tài..................................................................................................1

3. Nội dung đề tài ........................................................................................................1
4. Phương pháp nghiên cứu .......................................................................................1
Chương 1.

TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ ĐÚC ÁP LỰC ............................... 2

1.1. Sơ lược về công nghệ đúc áp lực ......................................................................2
1.2. Ưu,nhược điểm của phương pháp đúc áp lực ................................................4
1.2.1.

Ưu điểm ....................................................................................................4

1.2.2.

Nhược điểm.............................................................................................. 5

1.3. Phạm vi sử dụng ................................................................................................ 5
1.4. Thiết bị dùng trong đúc áp lực ........................................................................5
1.4.1.

Hệ thống bơm kim loại lỏng ..................................................................6

1.4.2.

Bộ khuyếch đại áp suất ..........................................................................6

1.4.3.

Hệ thống kẹp khuôn................................................................................6

1.4.4.

Hệ thống đẩy sản phẩm ra khỏi khuôn ................................................9

1.4.5.

Lựa chọn máy đúc.................................................................................10

1.5. Các khuyết tật trong đúc áp lực ....................................................................10
1.5.1.

Khuyết tật rót thiếu ..............................................................................10
vi


1.5.2.

Nếp xếp chồng .......................................................................................11

1.5.3.

Khuyết tật đường chảy .........................................................................11

1.5.4.

Lỗ xốp co ................................................................................................ 12

1.5.5.

Vết nứt ....................................................................................................12

1.5.6.

Khuyết tật dộp.......................................................................................13

1.5.7.

Vết mài mòn do ma sát .........................................................................13

1.5.8.

Sự rạn nứt do nhiệt ...............................................................................13

1.5.9.

Rỗ xốp do hấp thụ khí (rỗ khí) ............................................................ 13

1.5.10.

Sự hàm dính khn...............................................................................14

Chương 2.

CƠ SỞ LÝ THUYẾT ĐÚC ÁP LỰC NHÔM ...................................15

2.1. Hợp kim trên cơ sở nhơm ...............................................................................15
2.2. Cơ sở tính tốn thiết kế dịng chảy ................................................................ 20
2.2.1.

Kết cấu khn .......................................................................................20

2.2.2.

Tính tốn thiết kế lịng khn đúc ......................................................20

2.2.2.1. Thiết kế cửa vào – tính tốn rãnh dẫn ...............................................20
2.2.2.2. Thiết kế rãnh rửa, kênh thốt khí .......................................................23
2.2.2.3. Tốc độ nạp và tốc độ phun ép .............................................................. 25
2.2.2.4. Xác định tốc độ của dòng kim loại, tốc độ piston bắn ép và thời gian
bắn ép ...............................................................................................................26
2.2.2.5. Xác định lực ép ......................................................................................27
2.2.2.6. Xác định thời gian dẫn nhiệt q nhiệt ..............................................27
2.2.2.7. Cơ sở tính tốn cơ cấu ép và cơ cấu khóa khn .............................. 28
2.2.2.8. Lực tách khn .....................................................................................29
2.2.2.9. Va đập của dịng nạp lên thành khn...............................................29
2.2.3.

Điều kiện biên mơ phỏng bài tốn trong rãnh dẫn ...........................29

Chương 3.

THIẾT KẾ KHUÔN ĐÚC ÁP LỰC PISTON CMD62 ....................31

3.1. Giới thiệu chi tiết ............................................................................................. 31

vii


3.2. Thiết lập bản vẽ chi tiết ..................................................................................31
3.3. Tính tốn thiết kế sơ bộ tham số công nghệ .................................................32

3.3.1.

Phương án thiết kế đúc.........................................................................32

3.3.1.1. Phương án thiết kế khuôn PISTON CMD-62....................................32
3.3.1.2. Chọn mặt phân khuôn ..........................................................................32
3.3.1.3. Số lượng chi tiết trong một khn ......................................................33
3.3.2.

Tính tốn – thiết kế sơ bộ các thông số công nghệ và khuôn ...........33

3.3.2.1. Xác định tốc độ bắn tại kênh dẫn .......................................................33
3.3.2.2. Tính áp lực đặc trưng ...........................................................................34
3.3.2.3. Lực khóa khn ....................................................................................34
3.3.2.4. Tỷ lệ điền đầy ........................................................................................35
3.3.2.5. Tiệm cận chậm ......................................................................................36
3.3.3.

Tính tốn các thành phần khn ........................................................36

3.3.3.1. Bố trí rãnh dẫn, lịng khn ................................................................ 36
3.3.3.2. Điền đầy hốc khn ..............................................................................37
3.3.3.3. Tính tốn kích thước lõi khn đực ...................................................41
3.3.3.4. Tính tốn kích thước lõi khn cái .....................................................43
3.3.3.5. Tính tốn vỏ khn đực .......................................................................43
3.3.3.6. Tính tốn vỏ khn cái .........................................................................46
3.3.3.7. Thiết kế hệ thống đẩy ...........................................................................46
3.3.3.8. Thiết kế hệ thống làm nguội ................................................................ 50
3.3.3.9. Tính tốn kích thước hai gối đỡ ..........................................................59
3.3.3.10.

Tính tốn bulon, chốt, bạc cho khn .............................................60

3.4. Trình tự thiết kế khn đúc trên phần mềm Creo......................................65
3.4.1.

Giới thiệu cách vào môi trường làm việc Cast Cavity ......................65

3.4.2.

Điều kiện tách khuôn ............................................................................65

3.4.3.

Các bước thực hiện tách khuôn trong Creo ......................................65
viii


3.5. Mơ phỏng dịng chảy trên Procast ................................................................ 66
3.5.1.

Giới thiệu phần mềm Procast .............................................................. 66

3.5.2.

Sơ đồ bài toán ........................................................................................66

3.5.3.

Nguyên tắc mô phỏng tối ưu đúc áp lực cao ......................................66

3.5.4.

Điều kiện biên ........................................................................................67

3.5.5.

Kết quả mơ phỏng: ...............................................................................68

Chương 4.

Q TRÌNH GIA CƠNG, CẮT GỌT ...............................................74

4.1. Trình tự mơ phỏng gia cơng bằng phần mềm CREO .................................74
4.2. Chuẩn bị cho quá trình gia cơng khn .......................................................74
4.3. Q trình gia cơng khn...............................................................................74
4.3.1.

Gia cơng vỏ khuôn đực .........................................................................77

4.3.2.

Gia công vỏ khuôn cái ..........................................................................77

4.3.3.

Gia công insert đực ...............................................................................78

4.3.4.

Gia công insert cái.................................................................................78

4.3.5.

Gia công ghép insert đực......................................................................79

4.3.6.

Gia công ghép insert cái .......................................................................79

4.4. Q trình gia cơng chi tiết sau khi đúc ........ Error! Bookmark not defined.
4.4.1.
Nguyên công 1 Tiện vác mép lỗ 20,1 x 4 độ ..... Error! Bookmark not
defined.
4.4.2.
Ngun cơng 2 Tiện thơ rãnh vịng găng .......... Error! Bookmark not
defined.
4.4.3.
Ngun cơng 3 Tiện tinh rãnh vịng găng ........ Error! Bookmark not
defined.
4.4.4.

Nguyên công 4 Phay tinh lỗ ắc............ Error! Bookmark not defined.

4.4.5.

Nguyên công 5 Phe phai gài lỗ ắc ....... Error! Bookmark not defined.

4.4.6.

Nguyên công 6 Tiện ô van ................... Error! Bookmark not defined.

4.4.7.

Nguyên công 7 Khoan lỗ dầu .............. Error! Bookmark not defined.

4.4.8.

Nguyên công 8 Kiểm tra tổng thành: Error! Bookmark not defined.
ix


4.4.9.
Nguyên công 9 Lắp ráp và thử nghiệm ............ Error! Bookmark not
defined.
Chương 5.

KẾT QUẢ VÀ ĐỀ XUẤT ....................................................................80

DANH MỤC HÌNH
Hình 1.1: Nguyên lý làm việc của quá trình đúc áp lực
Hình 1.2: Sự thay đổi vận tốc và áp lực trong buồng ép ngang
Hình 1.3: Sơ đồ bộ khuyếch đại áp suất
Hình 1.4: Các thành phần cơ bản của máy đúc áp lực buồng ép nguội nằm
ngang
Hình 1.5: Bản vẽ hệ thống kẹp khn
Hình 1.6: Máy đúc áp lực trong thực tế
Hình 1.7: Bắt khn lên máy đúc
Hình 1.8: Cơ cấu khóa khn
Hình 1.9: Hệ thống đẩy sản phẩm ra khỏi khn bằng tác động cơ khí

Hình 2.1: Tỷ lệ pha theo nhiệt độ của nhơm ACD12
Hình 2.2: Biểu đồ mật độ khối biến thiên của nhơm ACD12
Hình 2.3: Enthalpy của nhơm ACD12
Hình 2.4: Hệ số dẫn nhiệt của nhơm ACD12
Hình 2.5: Biểu đồ hệ só dẫn nhiệt của vật liệu làm khn
Hình 2.6: Biểu đồ Enthalpy của vật liệu làm khn
Hình 2.7: Biểu đồ tỷ lệ theo nhiệt độ của vật liệu làm khn
Hình 2.8: Cổng phun rãnh dẫn
Hình 2.9: Biên dạng rãnh dẫn
Hình 2.10: Hình nguyên tắc thiết kế cửa phun
Hình 2.11: Bố trí cửa phun
Hình 2.12: Các kích thước rãnh rửa
Hình 2.13: Vị trí rảnh rửa trong máy đúc có buồng ép nằm ngang
Hình 2.14: Sơ đồ xác định phun ép và thời gian
Hình 3.1: Chi tiết piston 3D
x


Hình 3.2: Chi tiết piston 2D
Hình 3.4: Mặt pkhn chi tiết
Hình 3.5: Sơ đồ tính áp lực điều chỉnh
Hình 3.6: Sơ đồ tỷ lệ điền đầy
Hình 3.7: Sơ đồ tíệm cận chậm
Hình 3.8: Cách bố trí rãnh dẫn vào lịng khn
Hình 3.9: Chế độ điền đầy hốc khn
Hình 3.10: Sự hình thành sóng khi bắn
Hình 3.11: Biểu đồ kiểm tra thơng số cổng
Hình 3.12: Lõi khn đực
Hình 3.13: Lõi khn cái
Hình 3.14: Sơ đồ chịu lực của khn đực

Hình 3.15: Vỏ khn đực
Hình 3.16: Vỏ khn cái
Hình 3.17: Các thành phần khn
Hình 3.18: Chọn khoảng cách đẩy
Hình 3.19: Chốt đẩy
Hình 3.20: Chốt hồi
Hình 3.21: ( bên trái ): Chốt đẩy trên vỏ khn đực
Hình 3.22: (bên phải ): Tấm đẩy và tấm giữ
Hình 3.23: Khn trước và khn sau làm nguội khơng đều
Hình 3.24: Ví dụ làm nguội đều trên tồn bộ sản phẩm
Hình 3.25: Làm nguội chỗ lõi và lịng khn
Hình 3.26: Làm nguội tấm khn
Hình 3.27: Làm nguội khi có 3 mặt sản phẩm
Hình 3.28: Làm nguội xung quanh
Hình 3.29: Nút đổi dịng chất lỏng
Hình 3.30: Khoảng cách an tồn giữa các kênh
Hình 3.31: Sự truyền nhiệt ở vùng lõi
Hình 3.32– 3.3: Hệ thống làm nguội nối tiếp
Hình 3.34: Làm nguội chốt truyền nhiệt ra các thành phần của khn
Hình 3.35: Hệ thống làm nguội đơn giản

xi


Hình 3.36: Hiệu quả khi chốt làm nguội trực tiếp
Hình 3.37: Làm nguội lịng khn
Hình 3.38: Làm nguội xung quanh lịng khn
Hình 3.39: Hệ thống kênh nguội trên lõi khn cái
Hình 3.40: Hệ thống kênh nguội trên lõi khn đực
Hình 3.41: Gối đỡ chính

Hình 3.42: Gối đỡ phụ
Hình 3.43: Bulon bắt vỏ khn đực và gối đỡ
Hình 3.44: Chốt dẫn hướng bắt với tấm khn cái
Hình 3.45: Bạc dẫn hướng bắt với tấm khn đực
Hình 3.46: Bu long bắt vỏ khn đực với lõi khn đực
Hình 3.47: Bu long bắt vỏ khn cái với lõi khn cái
Hình 3.48: Kết quả mơ phỏng nhiệt độ
Hình 3.49: Kết quả mơ phỏng đơng đặc
Hình 3.50: Kết quả mơ phỏng độ co ngót
Hình 3.51: Hệ số Nyama
Hình 3.52: Nhiệt độ tại thời điểm điền đầy
Hình 3.53: Vận tốc điền đầy
Hình 3.53: Áp suất điền đầy
Hình 3.54: Mơ phỏng q trình đẩy khơng khí bên trong
Hình 3.55: Thời gian điền đầy
Hình 4.1: Gia cơng vỏ khn đực
Hình 4.2: Gia cơng vỏ khn cái
Hình 4.3: Gia cơng insert đực
Hình 4.4: Gia cơng insert cái
Hình 4.5: Gia cơng ghép insert đực
Hình 4.6: Gia cơng ghép insert cái

xii


DANH MỤC BẢNG
Bảng 2. 1: Chiều dày kênh thốt khí (điền đầy khuôn ở trạng thái lỏng),
Bảng 2.1: Các tham số nhiệt độ và tốc độ khi thiết kế khn.
Bảng 3.1: Quan hệ giữa chiều dày thành vật đúc thời gian điền đầy.
Bảng 3.2: Mối quan hệ vật liệu và giá trị vận tốc tại cổng.

Bảng 3.3: Thành phần hóa học của SKD61.
Bảng 3.4: Cơ tính của SKD61.

xiii


GIỚI THIỆU
1. Tính cấp thiết của đề tài
PISTON CMD-62 là một bộ phận quan trọng của động cơ máy đào hào phục vụ
cho việc tăng gia sản xuất của Bộ Tư Lệnh Cơng Binh, nó có nhiệm vụ cùng
với xilanh và nắp máy tạo thành buồng đốt. Hiện nay đúc piston làm bằng hợp
kim nhôm, đã số sử dụng công nghệ ép chảy thay cho đúc khn cát¸ sau đó gia
cơng cơ khí. Đưa cơng nghệ ép chảy tạo phơi cũng là một tiến bộ về công nghệ,
tạo chất lượng sản phẩm đúc cao hơn chất lượng sản phẩm đúc thơng thường.
Nhưng cơng nghệ ép chảy gia cơng cơ khí là q trình dài, ép chảy qua nhiều
ngun cơng và tốn kém khuôn ép, hiệu quả kinh tế kỹ thuật tuy có cải thiện
nhưng chưa phải là cơng nghệ tối ưu. Gần đây công nghệ đúc áp lực cao đang
phát triển và đem lại hiệu quả kinh tế cao, cơ tính của sản phẩm tốt, đang được
ứng dụng rộng rãi trên thế giới. Nhiều thiết bị đúc áp lực cao đã được nhập vào
việt nam, nhưng các nhà máy vẫn sử dụng công nghệ cũ như công nghệ đúc áp
lực thường..
2. Mục tiêu của đề tài
-

Nghiên cứu tính tốn chi tiết đúc áp lực cao nhờ trợ giúp của phần mềm.

-

Mơ hình hóa chi tiết và khn bằng phần mềm Solidwork.

-

Mô phỏng gia công khuôn bằng phần mềm Mastercam.

-

Sử dụng phần mềm ProCast mơ phỏng q trình dịng chảy trong cửa
khn và lịng khn, mơ phỏng q trình nhiệt và kết tinh.

3. Nội dung đề tài
-

Mở đầu: Tính cấp thiết đề tài; nội dung nghiên cứu ; mục tiêu đề tài ;
phương pháp nghiên cứu.

-

Chương 1: Tổng quan về đúc áp lực.

-

Chương 2: Cơ sở lý đúc áp lực hợp kim nhộm.

-

Chương 3: Thiết kế kế khuôn đúc áp lực cao PISTON CMD-62.

-

Chương 4: Qua trình gia cơng, cắt gọt.

-

Chương 5: Kết quả, nhận xét.

4. Phương pháp nghiên cứu
-

Nghiên cứu lý thuyết và công nghệ đúc áp lực, các lý thuyết và kĩ thuật thiết
kế khuôn làm cơ sở cho q trình thiết kế khn đúc áp lưc.
1


Chương 1.

TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ ĐÚC ÁP LỰC

1.1. Sơ lược về công nghệ đúc áp lực
Đúc áp lực là phương pháp chế tạo vật đúc có năng suất rất cao, có thể tự
động hóa hồn tồn, độ chính xác và độ bóng bề mặt vật đúc thuộc loại cao
nhất. Hiện nay, sản lượng các vật đúc được chế tạo bằng phương pháp đúc
áp lực chiếm tỷ trọng lớn nhất trong các phương pháp đúc đặc biệt.
Ngày nay quá trình đúc áp lực được thực hiện bằng các máy chuyên dùng tự
động hóa và cơ giới hóa cao. Sự đơn giản và ít cơng đoạn trong đúc áp lực
mở ra những triển vọng to lớn để tự động hóa tồn bộ các quá trình sản xuất.
Trong những năm gần đây, phương thức sản xuất này đã xâm nhập khá phổ
biến vào ngành cơ khí nước ta, tạo nên những chuyển biến lớn trong sản
xuất chế tạo. Vì vậy, việc nắm bắt và có kiến thức vững vàng về vấn đề này
là một yêu cầu cần thiết.
Nguyên lý làm việc của q trình đúc áp lực được mơ tả theo hình 2.2. Kim

loại lỏng được rót vào buồng ép 1, sau đó xilanh thủy lực vận hành, piston
ép 2 đẩy kim loại lỏng điền đầy vào hốc khn, tồn bộ q trình điền đầy
khn xảy ra trong vịng vài phần mười đến vài phần trăm giây. Áp suất ép
lên kim loại lỏng có thể từ vài trăm đến vài ngàn kg/cm2. Sau khi vật đúc
đông đặc, ruột được rút ra, nửa khuôn di động 5 mang theo vật đúc rời khỏi
nửa khn cố định 4, sau đó vật đúc được đẩy ra khỏi nửa khuôn động nhờ
các chốt đẩy.
Chất lượng của vật đúc phụ thuộc chủ yếu vào việc lựa chọn các chế độ
công nghệ về việc điền đầy của kim loại lỏng vào hốc khuôn và chế độ ép.
Các chế độ công nghệ này phụ thuộc vào kết cấu của khuôn, loại và công
suất của máy đúc áp lực.

2


3

1 – Buồng ép
2 – Piston ép
3 – Cốc rót

6
2

1

4 – Nửa khn cố định

5
Rót kim loại lỏng vào buồng ép

5 – Nửa khuôn di động
6 – Hệ thống chốt đẩy

Kim loại lỏng được ép đầy vào lịng khn

Mở khn

Sản phẩm được đẩy khỏi
khn nhờ hệ thống đẩy
Hình 1.1: Ngun lý làm việc của quá trình đúc áp lực

-

[2, trang 29]

Các nhân tố sau đây ảnh hưởng đáng kể nhất đến quá trình hình thành vật
đúc:
 Áp lực trong buồng ép và trong hốc khuôn.
 Vận tốc chuyển động của piston ép.
 Vận tốc nạp.
 Các thông số của hệ thống rót.
 Nhiệt độ của kim loại lỏng và của khuôn.
 Chế độ bôi trơn và làm nguội.
3


Quá trình kim loại lỏng chuyển động trong buồng ép vào trong khn có thể

-

được chia thành bốn giai đoạn:
 Giai đoạn 1: Piston bịt kín lỗ rót. Vận tốc v1 của piston ép còn bé. Giá trị
p1 bằng áp lực cần thiết để khắc phục ma sát trong xylanh thủy lực và
trong buồng ép.
 Giai đoạn 2: Kim loại lỏng điền đầy toàn bộ buồng ép. Vận tốc chuyển
động của piston ép tăng lên và đạt tới giá trị cực đại v2. Lúc này, hiệu
của p1 và p2 bằng các kháng lực thủy động lực học trong buồng ép.
 Giai đoạn 3: Kim loại lỏng điền đầy hệ thống rót và hốc khn. Do việc
thu hẹp dịng chảy ở rãnh dẫn nên vận tốc của piston ép giảm xuống giá
trị v3 và áp suất p3 tăng lên. Vào thời điểm kết thúc chuyển động của
piston ép xảy ra hiện tượng thủy kích do lực quán tính của các phần tử
chuyển động và áp suất tăng lên. Sau khi dao động áp suất tắt dần và đạt
được áp suất cuối cùng là áp suất thủy tĩnh p4.
 Giai đoạn 4: Giai đoạn ép tĩnh. Giá trị p4 có thể đạt từ 50 ÷ 5000 kg/cm2.
Nếu vào thời điểm đạt được áp suất thủy tĩnh p4 mà kim loại lỏng ở rãnh
dẫn vẫn cịn lỏng thì áp suất đó sẽ được truyền lên vật đúc.

Hình 1.2: Sự thay đổi vận tốc và áp lực trong buồng ép

[2, trang 35]

1.2. Ưu,nhược điểm của phương pháp đúc áp lực
1.2.1. Ưu điểm
-

Vật đúc đạt độ chính xác, độ bóng bề mặt cao, hầu như khơng cần gia
cơng cơ khí.

-

Hồn tồn khơng sử dụng hỗn hợp làm khuôn.
4


-

Có khả năng đúc được những vật đúc thành rất mỏng (< 1 mm).

-

Do vận tốc điền đầy khuôn lớn, áp lực tác dụng lên kim loại lỏng cao, tác
dụng nguội nhanh của khuôn kim loại nên tổ chức của vật đúc nhỏ mịn, xít
chặt.

-

Mức độ cơ khí hóa, tự động hóa cao, điều kiện lao động được cải thiện.

-

Năng suất cao, có thể đạt 1000 – 3600 lần ép/giờ.

-

Khn kim loại có thể dùng được nhiều lần.
1.2.2. Nhược điểm

-

Giá thành khuôn rất cao, nhất là khi đúc các hợp kim có nhiệt độ rót cao
(như đồng, thép…). Vật liệu làm khn phải là vật liệu chịu nóng đặc biệt,
gia cơng tỉ mỉ và nhiệt luyện thích hợp.

-

Vật đúc có rỗ khí (do dịng kim loại chảy vào khn cuốn theo bọt khơng
khí và do kết tinh nhanh khơng thốt ra ngồi được) làm giảm độ sít chặt
của vật đúc. Đây là một nhược điểm cần đặc biệt quan tâm khi thiết kế đúc
áp lực.

-

Kích thước và khối lượng của vật đúc bị hạn chế theo cỡ máy đúc.

-

Tỉ lệ thành phẩm nhỏ vì hệ thống rót lớn.

1.3. Phạm vi sử dụng
-

Đúc áp lực được sử dụng để đúc các vật đúc nhỏ, hình dạng và kết cấu phù

hợp, sản xuất hàng loạt.
-

Các hợp kim thường được sử dụng để đúc áp lực được lựa chọn theo thành

phần hóa học, các tính chất sử dụng và các tính chất cơng nghệ.

-

Hợp kim dùng để đúc áp lực cần có khoảng kết tinh hẹp để nhận được vật

đúc có độ sít chặt cao, đồng đều, độ bền và độ dẻo cao ở nhiệt độ cao. Hợp kim
cũng cần có độ chảy lỗng tốt, khơng bám dính khn, thành phần hóa học ổn
định khi giữ lâu trong lò.
1.4. Thiết bị dùng trong đúc áp lực
Máy đúc áp lực: trong công nghệ đúc áp lực, tùy thuộc vào loại hợp kim cần
đúc và các yêu cầu khác của sản phẩm mà người ta sẽ sử dụng các loại máy
đúc áp lực khác nhau (máy đúc áp lực với buồng ép nóng, máy đúc áp lực
với buồng ép nguội nằm ngang, máy đúc áp lực với buồng ép nguội thẳng
đứng, máy đúc áp lực chân không…). Ở giới hạn của đề tài này, ta chỉ xét
5


đến loại máy đúc áp lực với buồng ép nguội nằm ngang, đây là loại máy
được sử dụng rộng rãi nhất để đúc áp lực các hợp kim nhơm. Hình 2.9 là
minh họa đơn giản của một máy đúc áp lực với buồng ép nguội nằm ngang.
1.4.1. Hệ thống bơm kim loại lỏng
Có thể sử dụng các tay máy được điều khiển tự động hoặc sử dụng hệ thống
bơm nhưng thông thường được thực hiện thủ công, kim loại lỏng được rót
vào buồng ép. Việc đẩy kim loại lỏng vào khuôn được thực hiện nhờ hệ
thống xylanh thủy lực.
1.4.2. Bộ khuyếch đại áp suất

Hình 1.3: Sơ đồ bộ khuyếch đại áp suất

-

[2, trang 44]

Hệ thống này được sử dụng để gia tăng áp lực ép trong giai đoạn cuối
của hành trình ép. Piston ép khi di chuyển sẽ kích hoạt cơng tắc hành
trình làm van khí của bình gas (chứa khí Nitơ) mở ra, dầu thủy lực được
bơm từ trước vào trong bình gas bị khí gas nén nên tràn xuống piston tạo
thêm áp lực ép.

1.4.3. Hệ thống kẹp khuôn
Hai nửa khuôn được kẹp vào nhau để ngăn ngừa sự rị rỉ kim loại lỏng
trên mặt phân khn. Một hệ thống kẹp khn về cơ bản gồm có hai tấm
cố định, một tấm di động, bốn thanh dẫn hướng chính xác và một cơ cấu
khóa như trên (hình 1.4).
Nửa khn cố định được gá lên tấm cố định (có các rãnh chữ T) để kẹp
chặt nửa khuôn vào. Nửa khuôn di động được kẹp vào tấm di động. Tấm
cố định thứ hai, bộ phận đưa dạng khuỷu (kiềm máy) được lắp đặt phía
sau máy như minh họa trên (hình 1.5).
Một nối kết cố định được thực hiện giữa bộ phận đưa dạng khuỷu và tấm
đẩy khi tấm đẩy di chuyển hết mức về phía khn, sự điều chỉnh kích
6


thước của bộ phận đưa dạng khuỷu này sẽ xác định vị trí của tấm đẩy khi
khóa khn (hình 1.6).

Hình 1.4: Các thành phần cơ bản của máy đúc áp lực buồng ép nguội ngang [3, trang 23]

Hình 1.5: Bản vẽ hệ thống kẹp khuôn [6, trang 32]

7

Hình 1.6: Máy đúc áp lực trong thực tế

Hình 1.7: Bắt khuôn lên máy đúc

8

[4, trang 65]

[4, trang 66]


Tấm cố
định

Kiềm
máy

Tấm cố
định

Tấm di
động

Thanh dẫn
hướng
Xilanh
thủy lực

Hình 1.8 Cơ cấu mở khn

[3, trang 42]

Cơ cấu khóa khn: được trình bày như hình 2.8, khi hai bề mặt khn
tiếp xúc với nhau, tác động khóa khn sẽ xảy ra và áp suất nén ở bề mặt
phân khuôn được thiết lập do kết hợp giữa piston thủy lực và hệ thống
các liên kết trong bộ phận đưa dạng khuỷu.
1.4.4. Hệ thống đẩy sản phẩm ra khỏi khn
Tấm
đẩy

Tấm giữ

Chốt
ngồi

Tấm
ngồi
Chốt đẩy

Chốt hồi

Hình 1.9: Hệ thống đẩy sản phẩm ra khỏi khuôn bằng tác động cơ khí

9

[3, trang 44]

Khuôn đúc áp lực luôn bao gồm một hệ thống đẩy vật đúc ra khỏi khn
bởi tác động cơ khí trình bày như hình 1.9. Khi khn đóng lại, chốt đẩy
tiếp xúc với vật đúc và các chốt hồi tiếp xúc với các mặt phân khuôn của
nửa khuôn cố định. Sau khi khuôn mở ra, vật đúc được đẩy ra bởi sự di
chuyển của tổ hợp tấm đẩy và tấm giữ mang chốt đẩy về phía trước. Lực
cần thiết để tác động lên hệ thống đẩy này có thể được cung cấp bởi một
tấm knockout (knockout plate), bộ bánh răng thanh răng hay một xylanh
thủy lực.
1.4.5. Lựa chọn máy đúc
Máy đúc với buồng ép nóng được sử dụng chủ yếu để đúc các chi tiết
bằng kim loại có nhiệt độ nóng chảy thấp như hợp kim kẽm, hợp kim
thiếc, hợp kim chì. Máy đúc áp lực với buồng ép nguội nằm ngang mặc
dù có thể sử dụng để đúc áp lực cho nhiều loại hợp kim, tuy nhiên chúng
thường được sử dụng để đúc các hợp kim nhôm, hợp kim magiê, hợp
kim đồng. Ngoài ra, sự lựa chọn máy đúc nên chủ yếu dựa vào lực kẹp
khn và hành trình mở khn, độ dài của hành trình bắn, áp lực bắn lớn
nhất…
Nên chọn máy đúc có kích thước nhỏ nhất mà vẫn thực hiện được việc
đúc ra một sản phẩm, điều này sẽ tiết kiệm nhất, bởi vì máy càng lớn thì
chu kì sản xuất càng chậm. Ví dụ, máy với lực kẹp khn 400 sẽ có chu
kì sản xuất nhanh gấp hai lần so với máy có lực kẹp khuôn 800 tấn.
Phạm vi lực kẹp khuôn từ 25 – 2500 tấn, lực kẹp khuôn không nhất thiết
là yếu tố quyết định chọn lựa máy đúc mà còn phải xét đến kích thước
khn có phù hợp với diện tích của tấm đẩy hay khơng, hoặc là có vừa
trong các thanh dẫn hướng cũng như hành trình mở khn phải đủ để lấy
vật đúc ra. Yếu tố nữa để chọn lựa là giá thành của máy, máy đúc với lực
kẹp khuôn 400 tấn có giá khoảng 40.000 USD trong khi loại 1000 tấn là
khoảng 100.000 USD.
1.5. Các khuyết tật trong đúc áp lực
1.5.1. Khuyết tật rót thiếu

-

Khuyết tật rót thiếu thường do những nguyên nhân sau:
 Sự điền đầy chậm vào các lịng khn.
10


 Sự bôi trơn quá mức.
 Nhiệt độ kim loại và khn khơng đúng.
 Hệ thống rót khơng thích hợp.
 Khí lẫn vào kim loại.
 Quá ít kim loại trong buồng bắn.
-

Để ngăn ngừa sự rót thiếu cần làm rộng thêm đường dẫn và đậu dẫn hoặc
làm thay đổi hướng của dịng chảy (rãnh rửa đơi khi cũng làm thay đổi
hướng của dòng chảy).

1.5.2. Nếp xếp chồng
-

Là những dấu vết trên bề mặt được tạo ra do hai hay nhiều dịng kim loại
hịa lẫn vào nhau khơng tốt. Nếp xếp chồng xuất hiện do những nguyên
nhân sau:
 Vận tốc hoặc áp suất bơm không đủ.
 Thành phần oxit cao trong kim loại lỏng.
 Áp suất phản hồi cao trong lòng khuôn.
 Nhiệt độ của kim loại lỏng hay nhiệt độ bề mặt của lịng khn q
thấp.

-

Khuyết tật này có thể được ngăn ngừa bằng các cách sau:
 Gia tăng vận tốc bơm hay áp suất bơm kim loại lỏng.


Nới rộng đường dẫn hay rãnh dẫn, nếu điều này làm giảm thời gian
điền đầy các lịng khn.



Dùng trợ dung để khử bỏ tạp chất oxít.



Bảo đảm sự thơng hơi của khn đủ để giảm áp suất phản hồi.



Gia tăng nhiệt độ của kim loại lỏng và nhiệt độ của các lòng khn.



Chuyển qua một loại hợp kim có tính chảy lỏng cao hơn nếu có thể
được.

1.5.3. Khuyết tật đường chảy
Khuyết tật này có thể khơng làm ảnh hưởng đến tính chất cơ học của vật
đúc hay chức năng sử dụng nhưng thông thường chúng không thể được
bỏ qua khi yêu cầu về độ bóng bề mặt địi hỏi khắt khe. Khuyết tật

đường chảy đơi khi xảy ra do tình trạng của lịng khn nhưng hầu như
11


đều do thời gian điền đầy lịng khn q lâu hoặc do đậu dẫn được bố
trí khơng thích hợp.
Khuyết tật đường chảy được loại bỏ để sản phẩm có bề mặt láng bóng
bằng cách thay đổi hệ thống rót của khn.
1.5.4. Lỗ xốp co
Sự co rút dẫn đến hình thành lỗ xốp co rời rạc, không đều thường do sự quá
nhiệt cục bộ của khuôn. Một phương pháp ngăn ngừa sự quá nhiệt là làm
nguội khuôn ở những vùng bị quá nhiệt, một cách khác là gia tăng thời gian
chu kì đúc. Sự tập trung nhiệt trong những vùng có chiều dày khác thường
có thể được loại trừ bằng cách đưa vào các ruột làm tiết kiệm kim loại trong
những vùng này.
Nếu khơng có các biện pháp trên để ngăn ngừa sự co rút, cần làm lớn rãnh
dẫn lên và bố trí rãnh dẫn để cấp kim loại cho những điểm dễ tạo xốp co
này. Đối với một số vật đúc, sự co rút có thể được khắc phục nếu các gân
tăng cứng ngang hay thẳng đứng được thêm vào thành vật đúc vì thể tích
kim loại trong vùng gân này có thể bổ xung cho vùng co rút để giảm ứng
suất co rút. Trong những vật đúc khác, có thể gia tăng áp suất bơm để loại
trừ xốp co. Đơi khi khn đúc có thể được thiết kế lại để cho xốp co nằm
trong vùng không ảnh hưởng đến chất lượng của vật đúc (sẽ được cắt bỏ).
1.5.5. Vết nứt
Trong phạm vi vết nứt được gây ra do sự co rút kim loại, chúng có thể
được sửa chữa bằng các biện pháp để ngăn ngừa lỗ xốp co đã nói ở trên.
Các vết nứt có thể do khn nguội gậy ra, vì vậy khn nên có nhiệt độ
bằng hoặc lớn hơn nhiệt độ vận hành tối thiểu. Sự nứt ở tâm có thể tránh
được bằng cách làm chậm chu kì đúc để cho phép thời gian đơng đặc dài
hơn. Các phương pháp khác là làm giảm vận tốc dòng kim loại bơm

bằng cách đổi hướng dòng kim loại lỏng hay mở rộng đậu dẫn hoặc gia
tăng làm nguội cục bộ. Mục đích chung của các phương pháp này là
tránh sự quá nhiệt cục bộ của khuôn đúc.
Các vật đúc có các chiều dày thành mỏng giao nhau vng góc có thể
nứt ở góc do ứng suất bên trong. Do vậy, bán kính góc lượn đủ lớn và sự
tăng áp lực kim loại rất quan trọng để khống chế vết nứt. Các vết nứt
12


thấy được có thể xuất hiện ở chỗ giao nhau của dịng kim loại nóng và
dịng kim loại phản hồi nguội. Trường hợp này có thể ngăn ngừa chỉ
bằng cách thay đổi hướng dòng kim loại điền đầy vật đúc.
Các vết nứt sinh ra do tác động cơ học trong vật đúc có thể xảy ra trong
suốt q trình mở khn và lấy vật đúc ra, bởi vì sự điều khiển không
đúng các chuyển động trước khi khuôn mở ra có thể gây nứt. Vận hành
bằng thủy lực với những cơ cấu khóa bên trong thích hợp hơn. Sự dịch
chuyển lệch vị trí tương đối giữa hai nửa khn trong khi mở khn
cũng có thể gây ra vết nứt trên vật đúc.
Hầu hết các nguyên nhân gây nứt là do tác động cơ học, một vài loại vết
nứt lại có nguyên nhân là do sự nhiễm bẩn kim loại vật đúc.
1.5.6. Khuyết tật dộp
Sự kẹt khí trong dịng kim loại lỏng là nguyên nhân hình thành dộp trên bề
mặt vật đúc áp lực. Dộp có thể được ngăn ngừa đơn giản bằng bôi trơn
khuôn đúc, thêm những đường thông hơi và rãnh rửa hoặc thiết kế lại hệ
thống rót.
1.5.7. Vết mài mịn do ma sát
Khuyết tật này ln sinh ra do vùng cắt lẹm (undercuts) trong khuôn đúc,
các vùng cắt lẹm có thể bị chùi bóng chưa đủ. Đơi khi độ xiên của vật đúc
không đủ cũng gây ra khuyết tật này, khi đó lịng khn phải được gia cơng
lại. Vết mài mịn do ma sát cũng có thể do sự hàn dính cục bộ xảy ra hay khi

tấm đẩy tiến về phía trước khơng bằng phẳng và làm nghiêng vật đúc.
1.5.8. Sự rạn nứt do nhiệt
Khuyết tật này trên vật đúc xảy ra gần đậu dẫn cho thấy rằng bề mặt khuôn
hay hư hỏng do mỏi nhiệt. Tuổi thọ của khn có thể được kéo dài bằng
cách đánh bóng khi bắt đầu có khuyết tật này. Sự mỏi nhiệt này có thể khắc
phục bằng cách nung nóng khn trước.
1.5.9. Rỗ xốp do hấp thụ khí (rỗ khí)
Rỗ xốp phát triển trong kim loại lỏng do sự hấp thụ khí trong q trình nấu
chảy, rót và bơm kim loại lỏng. sự thấm khí trong q trình nấu chảy tạo ra
những lỗ nhỏ hình cầu phân bố đều trong tồn bộ vật đúc. Trong quá trình

13


rót, các rỗ khí này tập trung khơng đều. Áp lực bơm không đủ hoặc dùng
chất bôi trơn quá mức cũng có thể gây ra rỗ xốp.
Sự hấp thụ khí trong kim loại lỏng có thể khắc phục bằng cách:
 Sử dụng thỏi đúc hoặc phế liệu thêm vào khô và sạch.


Nấu chảy kim loại nhanh và không nung quá nhiệt, giữ ở nhiệt độ rót
một thời gian ngắn trước khi rót.



Khử khí trong kim loại lỏng hồn tồn trước khi rót.



Dùng trợ dung khơ.



Bảo đảm khí đốt sử dụng trong lị và độ ẩm khơng tiếp xúc trực tiếp
với kim loại lỏng.



Dùng chất bôi trơn khô trong khuôn và piston.



Dùng kim loại được nấu chảy trong chân không.

1.5.10.

Sự hàm dính khn

Khuyết tật này gây ra sự dính vật đúc vào khn và các khuyết tật ở bề
mặt (rỗ khí bề mặt) hay bề mặt vật đúc bị rách. Các vết nứt này là do quá
nhiệt và do kim loại va chạm và cọ sát trên khn.
Khuyết tật dính khn có thể được ngăn ngừa bằng cách:
 Hạ thấp nhiệt độ của kim loại lỏng.
 Hạ thấp nhiệt độ khuôn.
 Ngăn ngừa sự va chạm trực tiếp của kim loại lỏng trên bề mặt khuôn
bằng cách thay đổi thiết kế khn.
 Đánh bóng những vùng giới hạn đến độ bóng cao.
 Bảo vệ lớp phủ khuôn ở những vùng giới hạn.
 Tránh sử dụng chất bôi trơn gốc clo.

14