Nghiên cứu ứng dụng công nghệ CAD CAM CAE trong thiết kế chế tạo khuôn đúc áp lực nhôm với sản phẩm tay phanh xe máy honda

Dương Đức Trọng

..

Luận Văn Tốt Nghiệp
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
---------------------------------------

DƯƠNG ĐỨC TRỌNG

NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ
CAD/CAM/CAE TRONG THIẾT KẾ CHẾ TẠO KHUÔN ĐÚC
ÁP LỰC NHÔM VỚI SẢN PHẨM TAY PHANH XE MÁY HONDA

Mã đề tài : CTM15B-21

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
…......................................

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC :
PGS.TS. BÙI NGỌC TUYÊN

Hà Nội – Năm 2017

1


Dương Đức Trọng

Luận Văn Tốt Nghiệp

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là cơng trình nghiên cứu của riêng tơi. Các số liệu, kết
quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng đuợc ai công bố trong bất kỳ cơng
trình nào khác.
Tơi xin cam đoan rằng các thơng tin trích dẫn trong luận văn đã đuợc chỉ rõ
nguồn gốc.
Hà Nội , Ngày 2 Tháng 9 Năm 2017
Tác giả luận văn

DƯƠNG ĐỨC TRỌNG

2


Dương Đức Trọng

Luận Văn Tốt Nghiệp
LỜI CẢM ƠN

Trước hết, tác giả bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới thầy giáo hướng dẫn khoa học
PGS.TS. BÙI NGỌC TUYÊN đã tận tình hướng dẫn, nghiêm khắc chỉ bảo trong suốt
quá trình làm luận văn, đã định hướng giải quyết các vấn đề khoa học cho luận văn.
Đổng thời chỉnh sửa cấu trúc luận văn, để luận văn hoàn thành đúng thời hạn
Tôi xin cảm ơn trường ĐH BÁCH KHOA HÀ NỘI, VIỆN SAU ĐẠI HỌC,
VIỆN CƠ KHÍ, đã tạo điều kiện giúp đỡ tơi trong q trình làm luận văn. Tơi xin bày
tỏ lịng cám ơn Ban lãnh đạo CƠNG TY CỔ PHẦN CƠ KHÍ CHÍNH XÁC LONG
THÀNH , CƠNG TY TNHH TRANG THIẾT BỊ Y TẾ GOYOH đã tạo điều kiện để
Tơi hồn thành luận văn và đảm bảo tiến độ.
Tác giả bày tỏ lòng biết ơn các đổng nghiệp, đã góp ý kiến xây dựng để luận

văn có chất lượng cao

3


Dương Đức Trọng

Luận Văn Tốt Nghiệp

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 1.1: Khuyết tật vật đúc và biện pháp ngăn ngừa
Bảng 1.2: Thành phần của một số hợp kim nhôm đúc
Bảng 2.3. Bảng quan hệ giữa góc nghiêng thành lịng khn với chiều cao và chiều
dày vật đúc
Bảng 3.1. Bảng thành phần phần trăm tỉ lệ các chất trong ADC12

4


Dương Đức Trọng

Luận Văn Tốt Nghiệp

DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 1.1: Sơ đồ phân loại phương pháp đúc
Hình 1.2. Máy đúc áp lực thấp (Lịng khn nóng) và máy đúc áp lực cao
(lịng khn nguội)- từ trái qua phải
Hình 1.3: Sơ đồ cơng nghệ đúc áp lực thấp
Hình 1.4: Sơ đồ cơng nghệ đúc áp lực cao

Hình 1.5Máy đúc áp lực sử dụng cơng nghệ bán lỏng
Hình 1.6 Hai dạng đúc bán lỏng
Hình 1.7 Sơ đồ máy đúc áp lực cao
Hình 1.8. Sơ đồ máy đúc áp lực kiểu đứng
Hình 1.9: Quá trình đúc áp lực (Theo MagmaSoft)
Hình 1.10: Các giai đoạn trong q trình kim loại lỏng điền đầy khn
Hình1.11. Quá trình phun ép kim loại khi đúc áp lực
Hình 1.12. Hệ thống thủy lực của cụm phun ép kim loại
Hình 1.13.Sản phẩm đúc
Hình 1.14. Lị nấu bằng cảm ứng có khuấy từ
Hình 1.15. Giản đồ trạng thái Al-Si và Al-Si-Mg
Hình 1.16: Sơ đồ xác định tốc độ phun ép và thời gian
Hình 2.1. Bản vẽ tay phanh xe máy
Hình 2.2. Biên dạng cơ bản trên mặt phẳng xOy
Hình 2.3 Biên dạng cơ bản trên mặt phẳng xOz
Hình 2.4 Tạo hình bề mặt ngồi tay phanh
Hình 2.5 Tạo hình bề mặt cong phía ngồi tay phanh theo các biên dạng mặt cắt
Hình 2.6. Tạo khối phía ngồi của tay phanh
Hình 2.7. Tạo biên dạng cơ bản đã vẽ trên măt xOy trong cây lệnh tạo khối
Hình 2.8. Tạo biên dạng cơ bản đã vẽ trên măt xOz trong cây lệnh tạo khối
Hình 2.9. Tạo khối sau tay phanh
Hình 2.10. Tạo khối trụ tay phanh
Hình 2.11. Tạo khối nửa khối cịn lại tay phanh
Hình 2.12. Tạo khối lẫy bán trụ trên tay phanh
Hình 2.13. Cắt tạo lỗ trên trụ tay phanh

5


Dương Đức Trọng

Luận Văn Tốt Nghiệp

Hình 2.14. Tạo khối cầu chi tay phanh
Hình 2.15. Mơ hình 3D sau khi hồn thiện
Hình 2.16. Mơ hình 3D sau khi hồn thiện trên các mặt tọa độ
Hình 2.17. Sơ đồ cơng nghệ thiết kế khn đúc
Hình 2.18. Thơng số cơ bản của tay phanh
Hình 2.19. Sơ đồ tính áp lực đặc trưng
Hình 2.20. Thơng số của hệ thống kênh dẫn và sản phẩm
Hình 2.21. Sơ đồ tỉ lệ điền đầy
Hình 2.22. Sơ đồ tiệm cận chậm
Hình 2.23. Bố trí lịng khn tiêu chuẩn
Hình 2.24. Bố trí lịng khn theo phương án 1
Hình 2.25. Bố trí lịng khn theo phương án 2
Hình 2.26. Hình ảnh cổng phun.
Hình 2.27. Các kiểu rãnh dẫn cơ bản
Hình 2.28. Nguyên tắc thiết kế rãnh dẫn và cửa phun
Hình 2.29. Hình thức bố trí cửa phun
Hình 2.30. Chế độ điền đầy hốc khn
Hình 2.31. Sự hình thành sóng khi bắn
Hình 2.32. Đồ thị quan hệ giữa góc nghiêng thành lịng khn với chiều dày và chiều
dài vật đúc
Hình 2.33. Giao diện trên phần mềm thiết kế khn trong CATIA
Hình 2.34. Tạo bề mặt phân khn
Hình 2.35. Bảng nhập thơng số kích thước các khối khn cơ bản
Hình 2.36. Cắt lịng khn tĩnh
Hình 2.37. Khối khn tĩnh
Hình 2.38. Cắt lịng khn động
Hình 2.39. Khối khn động

Hình 2.40. Các khối khn hồn thiện
Hình 2.41. Khối khn động
Hình 2.42. Khối khn tĩnh
Hình 2.43. Bản vẽ chú thích các khối khn

6


Dương Đức Trọng

Luận Văn Tốt Nghiệp

Hình 2.43. Kích thước bao các khối khn4
Hình 2.45. Bảng kê các khối khn
Hình 3.1. Sơ đồ các bước chế tạo khn mẫu cổ điển
Hình 3.2. Sơ đồ các bước chế tạo khn mẫu có sự giúp đỡ của CAE
Hình 3.3. Tính tốn nhiệt
Hình 3.4. Tính tốn dịng chảy
Hình 3.5.Mơ phỏng thời gian điền đầy trong HPDC
Hình 3.6. Biểu diễn phần trăm đơng đặc
Hình 3.7. Mơ phỏng trường nhiệt khn mẫu chảy
Hình 3.8. Độ xốp khi co ngót
Hình 3.9. Tiêu chí Niyama dự đốn sự co ngót của kim loại lỏng sau khi đơng đặc
Hình 3.10. Mơ phỏng rỗ khí (Voids)
Hình 3.11. Lựa chọn phần mềm làm việc trong PROCAST
Hình 3.12. Nhập mơ hình 3D vào PROCAST
Hình 3.13. Tạo khn ảo trong PROCAST
Hình 3.14. Tạo (Asemby) mặt tiếp xúc giữa kênh dẫn , sản phẩm với lịng khn ảo
Hình 3.15. Tạo lưới 2D
Hình 3.16. Phân chia các khối trong mục tạo lưới 2D

Hình 3.17. Hồn thành việc chia lưới 2D
Hình 3.18. Cửa sổ lựa chọn check lưới 2D tự đơng
Hình 3.19. Báo lỗi chia lưới 2D
Hình 3.20. Hồn thành sửa lỗi chia lưới 2D
Hình 3.21. Tạo lưới 3D
Hình 3.22. Nhập vật liệu cho lưới 3D
Hình 3.23. Thơng số vật liệu ADC12
Hình 3.24. Thơng số vật liệu SKD61
Hình 3.25.Khai báo vật liệu cho lưới 3D khn và sản phẩm
Hình 3.26.Khai báo hệ số truyền nhiệt giữa khn và dịng nhơm
Hình 3.27.Khai báo trao đổi nhiệt tiếp xúc mơi trường bên ngồi
Hình 3.28. Khai báo các tham số chung
Hình 3.29. Khai báo các tham số nhiệt

7


Dương Đức Trọng

Luận Văn Tốt Nghiệp

Hình 3.30. Khai báo các tham số dịng chảy
Hình 3.31. Bố trí lịng khn theo phương án 1
Hình 3.32. Bố trí lịng khn theo phương án 2
Hình 3.33. Vật liệu được điền 50% theo phương án 1
Hình 3.34.Vật liệu được điền 100% theo phương án 1
Hình 3.35.Quá trình điền đầy 100% theo thời gian theo phương án 1
Hình 3.36. Vật liệu được điền 50% theo phương án 2
Hình 3.37. Vật liệu được điền 90% theo phương án 2
Hình 3.38.Quá trình điền đầy 90% theo thời gian theo phương án 2

Hình 3.39. Khảo sát nhiệt
Hình 3.40. Thời gian điền đầy
Hình 3.41. Thời gian kết tinh
Hình 3.42. Sau 0,0012 giây, điền đầy khoảng 50% lịng khn
Hình 3.43. Sau 0,0026 giây, điền đầy khoảng 100% lịng khn
Hình 3.44. Sự kết tinh 63.5%
Hình 3.45. Sau 50 giây kết tinh tồn bộ bề mặt
Hình 3.46.Tại giây thứ 2 theo dõi mặt cắt trong quá trình kết tinh ta thấy sản phẩm kết
tinh đều từ ngoài vao trong , đều từ các hướng , cho thấy sau khi kết tinh hoàn
toàn sản phẩm sẽ khơng bị cong vênh .
Hình 3.47. Độ xốp(Shrinkage)
Hình 4.1. Giao diện phần mềm MASTERCAM
Hình 4.2. Thơng số phơi
Hình 4.3. Thơng số dao khỏa mặt đầu
Hình 4.4. Khỏa mặt đầu
Hình 4.5. Phay thơ hốc khn
Hình 4.6. Phay tinh hốc khn
Hình 4.7. Phay tinh hốc tinh cịn lại với dao tinh loại nhỏ
Hình 4.8. Phay bao mặt thành
Hình 4.9. Chạy mơ phỏng check lỗi
Hình 4.10. Sản phẩm sau khi gia cơng
Hình 4.11. Sản phẩm thực tế lịng khn tĩnh bên phải

8


Dương Đức Trọng

Luận Văn Tốt Nghiệp

Trang

MỤC LỤC
TRANG PHỤ BÌA

LỜI CAM ĐOAN
LỜI CẢM ƠN
DANH MỤC CÁC BẢNG
DANH MỤC HÌNH VẼ
PHẦN MỞ ĐẦU
CHƯƠNG 1 . TỔNG QUAN KHUÔN ĐÚC ÁP LỰC NHÔM
1.1 . Tổng quan
1.1.1. Cơ sở lý thuyết và phương pháp thiết kế
1.1.2. Nguyên lý và kết cấu máy đúc áp lực cao
1.1.3. Một số vấn đề khi đúc áp lực
1.2. Cơ sở lý thuyết đúc áp lực hợp kim nhôm
1.2.1. Thuộc tính hợp kim nhơm
1.2.2. Cơ sở thiết kế tính tốn dịng chảy
CHƯƠNG 2 . ỨNG DỤNG CATIA TRONG THIẾT KẾ KHN
2.1. Thiết kế mơ hình 3D tay phanh xe máy
2.1.1. Giới thiệu về sản phẩm
2.1.2. Ứng dụng CATIA trong thiết kế mơ hình 3D chi tiết tay phanh xe
máy
2.2. Tính tốn sơ bộ , Mơ phỏng thực nghiệm, Thiết kế khn
2.2.1.Tính tốn sơ bộ thơng số thiết kế.
2.2.2. Mơ phỏng và kiểm nghiệm sơ bộ trên phàn mềm PROCAST
2.2.3. Thiết kế khuôn trên phần mềm CATIA.
CHƯƠNG 3 . ỨNG DỤNG PHẦN MỀM CAE PROCAST TRONG
THIẾT KẾ & MÔ PHỎNG KIỂM NGHIỆM KHUÔN.
3.1. Tổng quan về CAE[7]

3.2. Giới thiệu phần mềm PROCAST
3.3. Mô phỏng CAE cho sản phẩm tay phanh bằng phần mềm
ProCAST 2016.1
3.3.1. Nguyên tắc mô phỏng tối ưu đúc áp lực cao
3.3.2. Quy trình thực hiện mơ phỏng trong ProCAST
3.4. Phân tích kết quả mơ phỏng
3.4.1. Xác định điểm phun, kết cấu rãnh dẫn , bố trí lịng khn
3.4.2. Mơ phỏng khảo sát các đăc tính
CHƯƠNG 4 . THỰC NGHIỆM CHẾ TẠO LỊNG KHN TĨNH
4.1. Điều kiện thực nghiệm
4.2. Lập trình CAM trên phần mềm MASTERCAM
4.3. Kết quả thực nghiệm gia cơng chế tạo mấu lịng khn tĩnh

9

1
2
3
4
5
10
13
13
13
17
22
25
25
27
33

33
33
35
42
42
56
56
66
66
67
71
72
72
90
90
94
100
100
101
106


Dương Đức Trọng

Luận Văn Tốt Nghiệp
PHẦN MỞ ĐẦU

1. TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI.
Gần đây, công nghê đúc áp lực cao, hay đúc ép, đang phát triển và đem lại hiêu
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 Viêt Nam, nhưng các nhà máy vẫn sử
dụng công nghê cũ như: công nghê đúc áp lực thường.
Nguyên nhân cơ bản là năng lực thiết kế chế tạo khuôn đúc áp lực cao tại Viêt
Nam còn là một vấn đề mới và khó, sau khi thiết kế xong phải chế tạo khuôn và chế
thử sản phẩm, chưa sử dụng công nghê mới trong thiết kế. Các doanh nghiêp sản xuất
sử dụng đúc áp lực, hiện nay chủ yếu dựa vào nhập khẩu khn của Trung quốc hoặc
của các nước khác. Vì vậy, một vấn đề cấp thiết đặt ra đối với ngành cơ khí trong nước
là cần hồn thiện cơng nghệ thiết kế chế tạo khuôn theo hướng công nghiệp hiện đại là
ứng dụng tích hợp cơng nghệ CAD/CAM/CAE (Computed Assisted Design-thiết kế
hỗ trợ máy tính , Computer aided manufacturing - gia cơng kĩ thuật trợ giúp bằng máy
tính, Computer Aided Engineering - Phân tích kỹ thuật trợ giúp bằng máy tính) trong
thiết kế chế tạo khn nói chung và khn đúc áp lực nói riêng. Cụ thể cơng nghệ tích
hợp này sẽ gồm có 3 phần như sau:
- Ứng dụng CAD trong thiết kế mơ hình 3D của sản phẩm và thiết kế khn.
- Ứng dụng CAE trong tính tốn phân tích kỹ thuật, kiểm nghiệm khn, lựa
chọn thơng số cơng nghệ hợp lý của q trình ép phun ra sản phẩm. Để thiết kế được
khn, ngồi phần thiết kế được hình dáng kích thước lịng khn, vấn đề mấu chốt
cơng nghê là phải tính tốn đúng dịng chảy của kim loại lỏng khi đi qua rãnh dẫn và
cửa phun. Trước đây dựa vào tính tốn lý thuyết kết hợp với chế thử điều chỉnh, đây là
một quá trình gây khơng ít tốn kém, một cơng nghê mới, sử dụng phần mềm mơ phỏng
q trình đúc để tối ưu cơng nghê đã và đang được thế giới áp dụng mang lại hiệu quả
kinh tế kỹ thuật cao. Nghiên cứu này có định hướng nghiên cứu lý thuyết và cơng nghê
đúc làm cơ sở cho mơ phỏng q trình chảy của kim loại trong lịng khn, từ đó đưa
ra các u cầu đối với rãnh dẫn và cửa phun nhằm tối ưu hóa q trình điền đầy lịng
khn.
- Ứng dụng CAM trong gia cơng bề mặt phức tạp ( lịng khn hoặc lõi khuôn)
Đề tài "Nghiên cứu ứng dụng công nghệ CAD/CAM/CAE trong thiết kế chế tạo

10

Dương Đức Trọng

Luận Văn Tốt Nghiệp

khuôn đúc áp lực nhôm với sản phẩm tay phanh xe máy Hon đa " sẽ triển khai theo
hướng này. Kết quả nghiên cứu sẽ góp một phần nhỏ vào hướng tự thiết kế chế tạo
khn đúc áp lực có chất lượng và nội địa hóa sản phẩm cơ khí tại Việt Nam.
2. MỤC TIÊU CỦA ĐỀ TÀI.
Khai thác, sử dụng CAD/CAM/CAE trong thiết kế và chế tạo khuôn ép nhôm
tay phanh . Cụ thể như sau:
- Ứng dụng CAD trong thiết kế mơ hình 3D của sản phẩm và thiết kế khuôn tay
phanh.
- Ứng dụng CAE trong tính tốn phân tích kỹ thuật, kiểm nghiệm khuôn, lựa
chọn thông số công nghệ hợp lý của quá trình ép phun ra sản phẩm.
- Ứng dụng CAM trong gia cơng lịng khn động
3. NỘI DUNG CỦA ĐỀ TÀI.
Mở đầu, Tính cấp thiết đề tài, mục tiêu đề tài, phương pháp nghiên cứu
Chương 1. Tổng quan khuôn đúc áp lực nhơm
Trình bày về cơ sở lí thuyết và phương pháp thiết kế khuôn đúc áp lực
nhôm
Chương 2 . Ứng dụng CATIA trong thiết kế mơ hình 3D và thiết kế khn
Gồm có 2 nội dung chính là
-Thiết kế mơ hình 3D tay phanh xe máy Honda
-Thiết kế khn đúc áp lực nhôm tay phanh xe máy Honda
Chương 3 . Ứng dụng phần mềm ProCast, trong mô phỏng quá trình , kiểm
nghiệm khn thiết kế
Chương 4 . Thực nghiệm chế tạo lịng khn tĩnh khn đúc áp lực nhơm tay
phanh có ứng dụng CAM (MASTERCAM)
- Lập trình gia cơng CAM

- Thực nghiệm gia cơng chế tạo mẫu lịng khn tĩnh
Kết Luận .
4. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU.
Nghiên cứu lý thuyết và công nghệ đúc áp lực, các lý thuyết và kỹ thuật thiết kế
khn làm cơ sở cho q trình thiết kế khn đúc áp lực. Trong đó, đi sâu nghiên cứu
bài tốn dịng chảy của kim loại, bài tốn nhiệt, bài tốn độ bền khn.

11


Dương Đức Trọng

Luận Văn Tốt Nghiệp

Nghiên cứu ứng dụng phần mềm Catia cho thiết kế mơ hình 3D và khn
3D .Ứng dụng phần mềm ProCAST mơ phỏng q trình chảy của kim loại qua rãnh
dẫn, cửa phun và lịng khn để tối ưu hóa cơng nghê đúc tay phanh xe máy,
MASTERCAM lập trình gia cơng ,từ đó xác định đúng kết cấu khuôn và bảo đảm chất
lượng đúc và cho ra sản phẩm khuôn.

5. Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ Ý NGHĨA THỰC TIỄN.
Ý nghĩa khoa học:
- Tích hợp được cả 3 công nghệ CAD , CAM , CAE trong quá trình thiết kế chế
tạo khn đúc áp lực góp phần nâng cao chất lượng thiết kế , năng suất , đảm bảo độ
chính xác cho sản phẩm khn đúc áp lực nhơm.
- Đưa ra được một quy trình tổng thể về q trình thiết kế chế tạo khn đúc áp
lực nhơm có ứng dụng thành tựu mới về cơng nghệ thơng tin trong ngành cơ khí chế
tạo.
Ý nghĩa thực tiễn :
- Áp dụng quy trình thiết kế chế tạo tiên tiến khuôn đúc áp lực nhôm cho một

sản phẩm cụ thể là tay phanh xe máy.

12


Dương Đức Trọng

Luận Văn Tốt Nghiệp
CHƯƠNG 1

TỔNG QUAN VỀ KHUÔN ĐÚC ÁP LỰC NHƠM
[1],[2],[3],[4],[5],[6],[10],[11],[12]
1.1 . Tổng quan về khn đúc áp lực
1.1.1. Cơ sở lý thuyết và phương pháp thiết kế
Đúc là một q trình cơng nghê bằng cách nấu chảy kim loại và tạo hình sản
phẩm, kim loại lỏng được rót vào khn có hình dạng sản phẩm, sau khi kim loại kết
tinh trong khuôn ta thu được vật đúc có hình dáng kích thước như khn đúc đã thiết
kế.
Đúc có những phương pháp sau: đúc trong khn cát, đúc trong khuôn kim loại,
đúc dưới áp lực thấp, đúc dưới áp lực cao, đúc li tâm, đúc trong khuôn mẫu chảy, đúc
trong khn vỏ mỏng, đúc liên tục v.v...

Hình 1.1: Sơ đồ phân loại phương pháp đúc

13


Dương Đức Trọng

Luận Văn Tốt Nghiệp

Hình 1.2. Máy đúc áp lực thấp (Lịng khn nóng) và máy đúc áp lực cao
(lịng khn nguội)- từ trái qua phải
Đúc trong khn kim loại: Đúc trong khuôn kim loại là công nghê sử dụng
khuôn đúc làm bằng thép hoặc gang, thay cho khuôn sử dụng bằng vật liêu phi kim
loại như cát- đất sét...
Đúc áp lực thấp: Đúc áp lực thấp là công nghê đúc trong khuôn kim loại, thực
hiện trên thiết bị riêng biệt, trong đó, dưới áp lực nén hay lực hút chân khơng kim loại
lỏng được đưa vào lịng khn và đông đặc. Áp lực nén khoảng từ 6~15 atm. Loại máy
đúc áp lực thấp có thể vận hành bằng tay, bán tự đông hoặc tự đông, được dùng để đúc
kim loại có nhiệt đơ nóng chảy thấp < 450oC (như thiếc, chì, kẽm); khi đúc những kim
loại có điểm chảy Tnc > 450oC thì giữa thành xilanh và pittơng tạo thành môt màng
oxyt dễ làm cho máy bị tắc. Khuyết điểm của máy này là hệ thống pittơng xilanh
chóng mịn.

Hình 1.3: Sơ đồ cơng nghệ đúc áp lực thấp

14


Dương Đức Trọng

Luận Văn Tốt Nghiệp

Lĩnh vực sử dụng đúc áp lực thấp: Đúc các chi tiết lớn (từ vài chục cân trở lên
bằng hợp kim nhôm, đổng, Mg, Sn như các bánh xe ô tô, máy bay, ...)
Đúc áp lực cao:

Hình 1.4: Sơ đồ cơng nghệ đúc áp lực cao
Đúc áp lực cao là công nghê đúc trong khuôn kim loại, trên máy đúc áp lực.

Kim loại lỏng dưới áp lực cao được phun điền đầy lịng khn và đông đặc dưới tác
dụng của áp lực (khoảng từ 100~200 atm) do khí nén và dầu ép trong xilanh tạo ra.
Máy đúc áp lực cao gắn 2 nửa khuôn, nửa khn tĩnh và nửa khn đơng. Bắt
đầu chu trình đúc nửa khn đơng đóng lại. Cánh tay Robot rót kim loại lỏng đã định
lượng vào buồng ép qua lỗ rót trên xilanh ép. Sau khi rót, piston trong xilanh đẩy kim
loại lỏng điền đầy hốc khuôn. Khoảng thời gian điền đầy diễn ra chỉ khoảng phần trục
giây với tốc đô hàng trăm m/s và áp suất từ vài trăm đến hàng ngàn at. áp suất được
duy trì đến khi vật đúc đơng đặc hồn tồn. Nửa khn đơng tách khỏi nửa khuôn tĩnh.

15


Dương Đức Trọng

Luận Văn Tốt Nghiệp

Chốt đẩy tống vật đúc khỏi khn. Chu trình đúc mới lại bắt đầu.
Các bước tiến trình hoạt đơng bao gồm 7 bước cơ bản:
1. Chuẩn bị khn; 2. Đóng khn; 3. Rót kim loại lỏng; 4. Pittong chuyển
đông chậm (phase 1); 4. Pittong chuyển đông nhanh tạo áp lực điền đầy kim loại lỏng
vào lịng khn và giữ áp kết tinh; 6. Mở khn; 7. Lấy vật đúc khỏi lịng khn.
Đúc ép bán lỏng (RheoCasting):
Là phương pháp tạo hình sản phẩm bằng cách dùng lực ép, ép kim loại ở trạng
thái nửa rắn nửa lỏng, vào lịng khn, tại đó kim loại ở trạng thái có tỷ lê pha lỏng
cao trên 50%. Đúc bán lỏng là một hướng mới tạo khả năng giảm giá thành, tiết kiêm
năng lượng và giảm ảnh hưởng của môi trường.

Hình 1.5Máy đúc áp lực sử dụng cơng nghệ bán lỏng/Hình 1.6 Hai dạng đúc bán lỏng

Có 2 dạng đúc bán lỏng: đúc lưu biến (Rheocasting) và đúc xúc biến

(ThixoCasting). Đúc lưu biến là dạng đúc kim loại nung nóng chảy, làm nguội đến
nhiệt độ bán lỏng , rót đúc vào khuôn. Đúc xúc biến là đúc kim loại sau khi được
chuẩn bị về thành phần và tổ chức, nung lên nhiệt độ bán lỏng và được đưa vào khuôn
đúc.
Nhờ q trình nấu đúc có tác dụng của khuấy (khuấy cơ học hoặc khuấy từ
trường) các nhánh cây hình thành đến đâu được phá vỡ hoặc bẻ gẫy. Chính vì vậy đúc
bán lỏng cho chất lượng sản phẩm tốt. Ngoài ra, khi khuấy, có thể cho thêm các pha
rắn gia cố, hợp kim được bổ sung thành phần rắn làm tăng độ bền.
Thông số quan trọng là độ nhớt của kim loại lỏng, có thể điều khiển độ nhớt để
tạo dịng kim loại chảy và điền đầy lịng khn, giảm thiểu chảy rối, tránh mịn khn.
Do nhiệt độ đúc bán lỏng thấp hơn nhiệt độ kim loại khi đúc truyền thống, nên lực
máy có thể giảm (nhỏ hơn tới 50%), nhiệt độ khn cũng thấp hơn, từ đó tuổi thọ

16


Dương Đức Trọng

Luận Văn Tốt Nghiệp

khuôn tăng. Đối với hợp kim đúc, điều kiên hịa tan khí ít hơn, chất lượng sẽ tăng.
Nhiêt đơ thấp cịn làm đơ co ngót giảm, đô rỗ xốp giảm. Mặt khác, kim loại kết tinh
dưới áp lực, nên tổ chức mịn đặc hơn.
1.1.2. Nguyên lý và kết cấu máy đúc áp lực cao
a) Kết cấu
Kết cấu máy đúc áp lực cao :
- Thân khung máy.
- Giá máy cố định.
- Giá máy di đông.
- Hệ thống Pittong - xilanh đóng mở khn.

- Hê thống xi lanh pittong ép phun kim loại lỏng.
- Hê thống thủy lực.
- Hê thống lấy vật đúc ra khỏi khuôn.
- Hê thống điều khiển điên.
Máy đúc áp lực cao có bình tích áp Nitơ - Chất lỏng áp lực cao tạo áp lực phun
kim loại lỏng vào lịng khn.

Hình 1.7 Sơ đồ máy đúc áp lực cao

b) Nguyên lý vận hành
Trong các máy đúc áp lực cao có 2 cụm thuỷ lực, một bơ phận đóng mở khn

17


Dương Đức Trọng

Luận Văn Tốt Nghiệp

và một bộ phận ép kim loại lỏng vào lịng khn. Bộ phận đóng mở khn gọi là cơ
cấu khố khn, bộ phận ép hay còn gọi là cơ cấu ép. Hầu hết các máy đều có cơ cấu
khố khn kiểu nằm ngang. Cơ cấu ép có thể là ép thẳng đứng hoặc ép nằm ngang
phụ thuộc vào cách bố trí buồng ép. Dẫn động cho cơ cấu này là bơm thuỷ lực kiểu
piston hoặc bơm kiểu cánh. Bơm thuỷ lực có thể lắp trực tiếp trên máy hoặc bố trí độc
lập.
Chất lỏng cơng tác trong máy đúc áp lực thường là dầu khoáng vật hoặc huyền
phù dầu - nước hoặc dầu khác. Dầu khoáng vật có tính bơi trơn và chống ăn mịn tốt,
tính chất làm việc khá ổn định, giá thành thấp cho nên được sử dụng khá phổ biến.
Nhược điểm của dầu khống vật là dễ cháy, làm ơ nhiễm mơi trường và đắt hơn nhũ
tương dầu nước.

Bình tích áp chứa dầu và khí Nitơ áp lực cao. Nitơ áp suất cao có tác dụng
nhanh chóng tăng áp và giảm áp nhanh.
Máy đúc áp lực cao: được chia thành kiểu đúc nằm ngang và kiểu đúc thẳng đứng.
Kiểu đứng: khi piston 1 đi lên, kim loại lỏng được nạp vào xi lanh ép, sau đó được nén
ép vào lịng khn.

Hình 1.8. Sơ đồ máy đúc áp lực kiểu đứng
Kiểu ngang như đã trình bày ở trên và hình 1.8. Đây là kiểu máy thông dụng,
được nghiên cứu sâu tại luận văn này.
Quá trình cơng nghê đúc áp lực cao được chia nhiều thao tác, phân theo hành
trình và thời gian, như hình 1.10. Chu trình thao tác được thiết lập để điều khiển máy

18


Dương Đức Trọng

Luận Văn Tốt Nghiệp

qua hê thống PLC.

Hình 1.9: Quá trình đúc áp lực (Theo MagmaSoft)

19


Dương Đức Trọng

Luận Văn Tốt Nghiệp

Trong đó có các quá trình chính:
- Q trình điền đầy khn (Mold filling): Q trình này được tính từ lúc
piston bắt đầu chuyển đơng đến khi kim loại lỏng điền đầy khn hồn tồn.
- Q trình đơng đặc - kết tinh (Solidification): Q trình này được tính ngay
khi kim loại lỏng điền đầy khn đến khi nó đơng đặc hồn tồn hoặc nhiệt đơ vật đúc
giảm đến mơt giá trị nào đó hoặc nhiệt đơ khn giảm đến mơt giá trị nào đó (đặt trên
thiết bị).
- Q trình tháo dỡ vật đúc khỏi khn (Casting Removal): Q trình này được
tính từ lúc bề mặt đầu tiên của vật đúc tách khỏi khuôn đến khi vật đúc được tháo dỡ
hồn tồn.
- Q trình chuẩn bị khn (Mold preparation): Q trình này được tính từ lúc
vật đúc rơi khỏi khuôn. Khâu chuẩn bị khuôn cho phép ta phủ chất bảo vệ
khn, làm ngi khn, q trình này kết thúc ngay khi khn đóng lại với
thời gian vượt quá giá trị thời gian chờ (wait time) và thời gian chuẩn bị cho 1
chu trình mới (lead time).
Quá trình điền đầy khn bao gồm các giai đoạn:

Hình 1.10: Các giai đoạn trong quá trình kim loại lỏng điền đầy khn
trong đó:
- Thời gian rót kim loại lỏng vào trong buồng phun (Shot chamber dwell time).
- Pha đầu tiên: đẩy kim loại xi lanh (First shot phase), Piston đã đi qua và bịt lỗ
rót vận tốc pha đầu cần hợp lý để tránh hiên tượng tạo sóng trên bề mặt tự do của kim
loại lỏng làm cho dòng kim loại bị lẫn khí. Vì thế trong giai đoạn này, pittong cần di

20


Dương Đức Trọng

Luận Văn Tốt Nghiệp

chuyển chậm. Vì khi đó áp lực chỉ cần đủ để thắng masát trong buồng ép và xilanh
thủy lực cho đến khi kim loại lỏng điền đầy buồng bắn.
- Giai đoạn pittong tăng tốc đến giá trị vận tốc cực đại (Plunger acceleration),
để thắng các trở lực của dịng chảy, kim loại nhanh chóng bơm vào lịng khn.
- Điền đầy lịng khn (Filling of the casting cavity), sau khi vận tốc pittong đạt
giá trị cực đại ở pha thứ 2, kim loại lỏng bắt đầu điền đầy lịng khn.
Lấy đạo hàm theo thời gian của các vị trí trên (4 giai đoạn) ta được biểu đồ vị
trí và vận tốc (hoặc vị trí và áp lực) theo thời gian. Hay cịn gọi là q trình đúc áp lực:

Hình1.11. Quá trình phun ép kim loại khi đúc áp lực

Hình 1.12. Hệ thống thủy lực của cụm phun ép kim loại

21


Dương Đức Trọng

Luận Văn Tốt Nghiệp

1.1.3. Một số vấn đề khi đúc áp lực
a) Chất lượng sản phẩm

Hình 1.13.Sản phẩm đúc
Các yêu tố ảnh hưởng tới chất lượng sản phẩm như: Cơ tính, độ xốp, độ bóng bề mặt,
độ điền đầy (khuyết tật). Như vậy để đảm bảo hạn chế các yếu tố trên, ngồi các thơng
số về khn như kích thước đường dẫn, cổng vào, độ bóng bề mặt khuôn , cần phải
quan tâm tới các yếu tố khác như hệ thống gia nhiệt, tản nhiệt, các thông số chu trình.
Hợp kim đúc (Al, Cu, Zn, Mg) cũng quyết định lớn tới chất lượng của sản

phẩm. Tất cả những hợp kim này yêu cầu ít lẫn tạp chất sắt (vì sắt có nhiệt độ nóng
chảy cao làm giảm tính chảy loãng của hợp kim, nếu sắt chưa chảy dễ làm cho khn
mau mịn và tạo nên ơxyt sắt làm giảm cơ tính vật đúc). Một số yêu cầu đối với hợp
kim đúc như sau:
- ít hồ tan khí vì khí hồ tan tạo nên rỗ khí, tạo nên ơxyt kim loại làm giảm cơ
tính vật đúc.
- Hợp kim có khả năng chuyển động dễ dàng khi ở thể lỏng (độ nhớt cao) vì
đúc dưới áp lực có tốc độ chuyển động tới hàng ngàn mét/giờ, nếu kim loại lỏng khó
chuyển động thì khơng điền đầy hết lịng khn.
- Hợp kim co ít ở thể lỏng và khi kết tinh vì ngược lại dễ làm vật đúc bị nứt. Lị
nung cũng ảnh hưởng đáng kể tới chất lượng cũng như cơ tính của sản phẩm: đơ khuấy
đều, nhiệt đơ. Hiên nay các nước tiên tiến sử dụng công nghê nấu trong lị cảm ứng, có
khuấy bằng từ, cho được sự đổng đều cao.

22


Dương Đức Trọng

Luận Văn Tốt Nghiệp

b) Khuyết tật đúc và các biện pháp phịng ngừa
Mơt trong những thơng số đánh giá chất lượng vật đúc trong công nghệ đúc áp
lực cao là đơ chính xác của vật đúc. Đơ chính xác của vật đúc phụ thuộc trước hết vào
độ ổn định khe hở giữa 2 nửa khuôn, mà khe hở này lại phụ thuôc vào độ ổn định của
cơ cấu khố khn và ép khn. Đơ mịn của các chi tiết máy đúc cũng như việc vận
hành và điều khiển máy có hợp lý hay khơng cũng là các yếu tố ảnh hưởng đến đơ
chính xác của vật đúc.

Hình 1.14. Lị nấu bằng cảm ứng có khuấy từ

Cũng như các phương pháp đúc khác, vật đúc trong công nghệ đúc áp lực cao
cũng có các khuyết tật đúc. Trong số các khuyết tật đó phải kể đến các dạng khuyết tật
bề mặt và rỗ xốp trong vật đúc.

23


Dương Đức Trọng

Luận Văn Tốt Nghiệp

Bảng 1.1: Khuyết tật vật đúc và biện pháp ngăn ngừa
Dạng khuyết tật
Không liền

Nguyên nhân

Biện pháp phịng ngừa

Dịng khí trong khn chảy Tăng tốc đơ dòng nạp và áp lực ép, giảm
đối kháng

thời gian điền đầy, thay đổi vị trí dẫn
kim loại và vật đúc để khử áp lực đối
kháng

Không đầy

Kim loại nguôi và đông đặc Tăng nhiệt đơ rót, tốc đơ nạp và tốc đơ
q sớm, áp lực khí trong ép, đặt thêm màng lọc khí ở chỗ vật đúc

khn q lớn. Thiếu kim dày, tăng dung tích dầu định lượng và
loại lỏng

Vết nứt nóng

buồng ép.

Q nhiệt kim loại, cấu trúcGiảm nhiệt đơ rót hoặc nâng cao nhiệt
kim loại không đều

đô khuôn, khử oxi và khuấy trước kim
loại khi rót.

Vết

nứt

suốt

xun Úng suất do ngi khơng Thay đổi kết cấu vật đúc, tăng diện tích
đều, rỗ xốp lớn làm giảm rãnh hơi, tăng thời gian điền đầy khn,
đơ bền ở trạng thái nóng, thay đổi kết cấu tống vật đúc.
tống vật đúc không đều.

Bề mặt lồi lõm Tốc đơ dịng q nhỏ, trởTăng tốc đơ dịng và tốc đơ ép, thay đổi
khơng đều

lực thuỷ lực trong khn kết cấu vật đúc, tăng rãnh thốt hơi.
q lớn

Rỗ co

Chiều dày thành vật đúcĐiều chỉnh chiều dày vật đúc, tăng diện
khơng đều, hợp kim co qtích rãnh dẫn, lực ép khn. Giảm nhiệt
nhiều.

đơ rót, thay đổi hợp kim đúc.

24


Dương Đức Trọng

Luận Văn Tốt Nghiệp

1.2. Cơ sở lý thuyết đúc áp lực hợp kim nhơm
1.2.1. Thuộc tính hợp kim nhôm
Các hợp kim nhôm đúc thường phát triển trên các hệ Al-Si, Al-Cu và Al- Mg.
Đặc biệt, hê Al-Si là hê rất quan trọng vì cùng tinh ứng với lượng ngun tố hợp kim
thấp (11,7%Si), có tính đúc tốt nên được sử dụng nhiều. Một số hợp kim đúc theo tiêu
chuẩn Liên xô trước đây được cho trong Bảng 1.1
Bảng 1.2: Thành phần của một số hợp kim nhôm đúc
Hợp
kim

Si

AR2

10-13

AM

8-10,5

AM
AH32
AH34

Mg

Cu

Mn

-

-

-

0,17-0,3

-

6-8

0,2-0,4

-

7,5-8,5

0,3-0,5

1-1,5

0,45

-

7

Nguyên tố khác
-

0,2-0,5

-

0,3-0,5
-

0,1-0,3Ti
0,2Ti
0,05-0,2 Ti , 0,5Zn,

AH25

11-13

0,8-1,3

1,5-3,0

0,3-0,6

AH26

20-22

0,4-0,7

1,5-2,5

0,4-0,8

AH30

11-13

0,8-1,3

0,8-1,5

<0,2

<0,01Sn

<0,2Sn

0,3Zn

AM

-

-

4-5

-

-

AH19

-

-

4,5-5,3

0,6-1

0,15-0,35Ti

AM

-

9,5-11,5

-

-

AH27

0,05-0,15Ti, 0,05-

9,5-11,5

0,2Zr,0,05-,15Be

Hợp kim nhơm đúc có tính nghệ rất tốt, bao gồm độ chảy lỗng tốt, độ co ngót
nhỏ, xu hướng nứt nóng ít, thiên tích và rỗ co ít và chất lượng của chi tiết tốt.
Hợp kim nhôm đúc hệ Al - Si (Silumin)
Các hợp kim nhôm đúc Al-Si thường được gọi là Silumin, được phân thành 2 loại cơ
bản: silumin đơn giản và silumin phức tạp.
Silumin đơn giản chỉ gồm nhôm với nguyên tố hợp kim chính Si.
Silumin phức tạp ngồi Si cịn có các nguyên tố hợp kim khác như Cu, Mg,

25