Luận văn thạc sĩ nghiên cứu tính toán thiết kế khuôn đúc áp lực cao chi tiết hợp kim nhôm có sử dụng phần mềm solidworks procast

....

BỘ GIÁO DỤC VÀ ðÀO TẠO
TRƯỜNG ðẠI HỌC NÔNG NGHIỆP HÀ NỘI
----------

----------

TRẦN CƠNG THỨC

NGHIÊN CỨU TÍNH TỐN THIẾT KẾ KHN ðÚC
ÁP LỰC CAO CHI TIẾT HỢP KIM NHƠM CĨ SỬ DỤNG
PHẦN MỀM SOLIDWORKS-PROCAST

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

Chuyên ngành : Kỹ thuật máy và thiết bị cơ giới hố
nơng, lâm nghiệp
Mã số
: 60.52.14
Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS. ðINH BÁ TRỤ

HÀ NỘI - 2010


Lời cam đoan

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số
liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và cha từng đợc ai công bố
trong bất kỳ công trình nào khác.
Tôi xin cam đoan rằng các thông tin trích dẫn trong luận văn đ đợc

chỉ rõ nguồn gốc.
Hà nội, ngày . Tháng.. năm 2010
Tác giả luận văn

Trn Cụng Thc

Trng i hc Nụng nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ kỹ thuật ........... i


Lời cảm ơn
Trớc hết, tác giả bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới thầy giáo hớng dẫn
khoa học PGS.TS Đinh Bá Trụ đ tận tình hớng dẫn, nghiêm khắc chỉ bảo
trong suốt quá trình làm luận văn, đ định hớng giải quyết các vấn đề khoa
học cho luận văn. Đồng thời chỉnh sửa cấu trúc luận văn, để luận văn hoàn
thành đúng thời hạn
Tôi xin cảm ơn trờng ĐH Nông nghiệp Hà Nội, Viện sau đại học,
Khoa Cơ Điện, đ tạo điều kiện giúp đỡ tôi trong quá trình làm luận văn. Tôi
xin bày tỏ lòng cám ơn Ban l nh đạo Công ty Điện cơ Hà Nội ủó tạo điều kiện
để T«i hồn thành thí nghiệm trên máy ủỳc ỏp lc cao, để cho luận văn đảm
bảo tiến độ.
Tác giả bày tỏ lòng biết ơn các đồng nghiệp, đ góp ý kiến xây dựng để
luận văn có chất lợng cao.
Hà nội, ngày . Tháng.. năm 2010
Tác giả luận văn

Trn Cụng Thc

Trng i hc Nụng nghip H Ni Luận văn thạc sĩ kỹ thuật ........... ii

Mục lục
Lời cam đoan..i
Lời cảm ơn.ii
Mục lụciii
Danh mục bảng.vi
Danh mục hìnhvii
LI NểI U ..............................................................................................I
1.

Tính cấp thiết của đề tài ......................................................................... 1

2.

Mục tiêu đề tài........................................................................................ 2

3.

Nội dung đề tài....................................................................................... 2

4.

Phơng pháp nghiªn cøu:....................................................................... 3

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN ðUC ÁP LỰC VÀ ỨNG DỤNG ðÚC
ÁP LỰC CAO VÀO NHÀ MÁY........................................................4
1.1.

Kh¸i niƯm............................................................................................... 4

1.2.

C¸c u nhợc điểm của công nghệ đúc.................................................. 9

1.2.1. Đúc trong khuôn kim loại.................................................................. 9
1.2.2. Đúc áp lực thấp hay đúc trong khuôn nóng ........................................ 9
1.2.4. Đúc ép bán lỏng.............................................................................. 11
1.3.

Kết cấu máy đúc áp lực cao ................................................................. 11

1.3.1. Sơ đồ kết cấu máy đúc áp lực cao .................................................... 13
1.3.2. Nguyên lý vận hành ........................................................................ 15
1.4.

Một số vấn đề về công nghệ khi đúc áp lực ......................................... 19

1.4.1. Chất lợng sản phẩm....................................................................... 19
1.4.2. Khuyết tật đúc và các biện pháp phòng ngừa.................................... 20
1.4.3. Tình hình phát triển đúc áp lực ở ViƯt Nam....................................... 22

Trường ðại học Nơng nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ kỹ thuật ........... iii


KẾT LUẬN CHƯƠNG 1: ..............................................................................24
CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT ðÚC ÁP LỰC CAO HỢP KIM NHƠM......25
2.1.

Thc tÝnh cđa mét số hợp kim nhôm sử dụng trong công nghiệp...... 25

2.1.1. Hp kim nhôm đúc h Al - Cu........................................................... 26

2.1.2. Hp kim nhôm đúc trên c s h Al - Mg ......................................... 27
2.1.3. Hợp kim nhôm 16 (AlCu4Mg) ..................................................... 27
2.1.4. Hp kim nhơm đúc hệ AL - Si (Silumin)........................................... 27
2.2. C¬ sở tính toán thiết kế dòng chảy ........................................................... 35
2.2.1. Kết cấu khuôn.................................................................................. 35
2.2.2. Tính toán thiết kế lòng khuôn đúc Solidworks................................... 36
2.3. Mô phỏng bài toán dòng chảy trong r nh dẫn ......................................... 45
2.3.1. Điều kiện biên bài toán .................................................................... 45
KẾT LUẬN CHƯƠNG 2:...............................................................................48
CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ KHUÔN ðÚC ÁP LC BNG CễNG NGH 3D.......49
3.1. Kết cấu công tơ điện................................................................................. 49
3.2. Kết cấu khung công tơ và yêu cầu kỹ thuật, công nghệ khi đúc.............. 49
3.3. Tính toán thiết kế sơ bộ thông số công nghệ............................................ 52
3.3.1. Phơng án thiết kế khuôn khung công tơ........................................... 52
3.3.2. Tính toán - Thiết kế sơ bộ các thông số công nghệ và khuôn.............. 53
3.4. Thiết kế lòng khuôn và khối khuôn bằng SolidWorks............................. 56
3.4.1. Hình dáng và các bộ phận cơ bản của khuôn ..................................... 56
3.4.2. Bố trí r nh dẫn, lòng khuôn .............................................................. 57
3.4.3. Tính toán cổng vào - r nh dẫn .......................................................... 59
3.4.4. Điền đầy hốc khuôn ......................................................................... 62
3.4.5. Góc nghiêng thành lòng khuôn......................................................... 66

Trng i hc Nụng nghip H Ni – Luận văn thạc sĩ kỹ thuật ........... iv


KẾT LUẬN CHƯƠNG 3: ..............................................................................69
CHƯƠNG 4: KHẢO SÁT CÁC THÔNG SỐ CƠNG NGHỆ
VÀ TỐI ƯU CƠNG NGHỆ...................................................................70
4.1. C¸c −u viƯt của mô phỏng ........................................................................ 70
4.2. Phần mềm mô phỏng quá trình đúc áp lực cao PROCAST.................... 71

4.2.1. Giới thiệu về Procast ........................................................................ 71
4.2.2. Sơ đồ bài toán .................................................................................. 72
4.2.3. Nguyên tắc mô phỏng tối u đúc áp lực cao ...................................... 72
4.3. Mô phỏng đúc áp lực cao khung công tơ ................................................. 73
4.3.1. Mô hình hình học trong ProCAST..................................................... 73
4.3.2. Mô hình vật liệu............................................................................... 74
4.3.3. Điều kiện biên ................................................................................. 77
4.4. Kết quả mô phỏng và phân tích................................................................ 79
4.4.1. Kho sỏt nhit ủ................................................................................ 79
4.4.2. Kho sỏt dũng chy ............................................................................ 82
4.4.3. Khảo sát vect¬ vËn tèc ..................................................................... 87
KẾT LUẬN CHƯƠNG 4................................................................................91
KẾT LUẬN:....................................................................................................92

Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ kỹ thuật ........... v


Danh mục bảng

Bảng 1.1: Khuyết tật vật đúc và biện pháp ngăn ngừa ................................... 21
Bảng 2.1: Thành phần của một số hợp kim nhôm đúc.................................. 25
Bảng 2.3. Thành phần hoá häc...................................................................... 30
Bảng 2.4. Các tham số nhiệt ñộ và tốc ủ khi thit k khuụn........................ 47
Bảng 3.1: Quan hệ giữa chiều dày thành vật đúc với thời gian điền đầy........ 64
Bảng 3.2: Mối quan hệ Vật liệu - Giá trị vận tốc tại cổng ( WA) ................... 64
Bảng 3.3: Quan hệ giữa góc nghiêng thành lòng khuôn với chiều cao và chiều
dày vật đúc ................................................................................................... 67

Trng i hc Nụng nghip Hà Nội – Luận văn thạc sĩ kỹ thuật ........... vi

Danh mục hình
Hình 1.1: Sơ đồ phân loại phơng pháp đúc..................................................... 4
Hình 1.2. Máy đúc áp lực thấp (Lòng khuôn nóng) và máy đúc áp lực cao
(lòng khuôn nguội) ............................................................................... 5
Hình 1.3: Sơ đồ công nghệ đúc áp lực thấp ...................................................... 5
Hình 1.4: Sơ đồ công nghệ đúc áp lực cao ....................................................... 6
Hình 1.5. Máy đúc áp lực sử dụng công nghệ bán lỏng..8
Hình 1.6. Sơ đồ máy đúc áp lực cao ............................................................... 12
Hình 1.7. Máy đúc áp lực cao......................................................................... 12
Hình 1.8. Bản vẽ kết cấu máy đúc áp lực cao................................................. 13
Hình 1.9. Sơ đồ máy đúc áp lực kiểu đứng..................................................... 15
Hình 1.10 : Quá trình đúc áp lực (theo MAGMASOFT) ............................... 16
Hình 1.11: Các giai đoạn trong quá trình kim loại lỏng điền đầy khuôn...... 17
Hình1.12. Quá trình phun ép kim loại khi đúc áp lực ................................... 18
Hình 1.13. HƯ thèng thđy lùc cđa cơm phun Ðp kim lo¹i............................... 19
Hình 1.14. Sản phẩm đúc................................................................................19
Hình 1.15. Lò nấu bằng cảm ứng có khuấy từ................................................ 20
Hình 1.16. Một số sản phẩm đúc áp lực cao................................................... 22
Hình 2.1. Giản đồ trạng thái hỵp kim Al - Cu................................................ 26
Hình 2.2. Giản đồ trạng thái Al-Si v Al-Si-Mg........................................... 28
Hình 2.3: Sơ đồ kết cấu khuôn đúc áp lực cao ............................................... 36
Hình 2.4. Kết cấu lòng khuôn đúc...........................................................................36
Hình 2.5: Vị trí r nh dẫn trong khuôn đúc ..................................................... 38
Hình 2.6: Sơ đồ xác định tốc độ phun ép và thời gian.................................... 39
Hình 2.7. Truyền nhiệt trong vật đúc.............................................................. 41
Hình 2.8. Mô hình khuôn đúc áp lực cao ....................................................... 45
Hình 3.1: Công tơ điện ................................................................................... 49
Hình 3.2: Bản vẽ khung công tơ điện ............................................................. 50
Trng i học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ kỹ thuật ........... vii

Hình 3.3 Mô hình 3D khung công tơ.............................................................. 51
Hình 3.4: Sơ đồ phơng án thiết kế khuôn đúc .............................................. 52
Hình 3.5: Sơ đồ tính áp lực đặc trng ............................................................. 54
Hình 3.6: Sơ đồ tỉ lệ điền đầy ......................................................................... 55
Hình 3.7: Sơ đồ tiệm cận chậm....................................................................... 55
Hình 3.8: Khối khuôn ..................................................................................... 56
Hình 3.9: Kết cấu khuôn đúc áp lực ............................................................... 57
Hình 3.10: Cách bố trí lòng khuôn ................................................................. 57
Hình 3.11: Cách bố trí r nh dẫn và lòng khuôn ............................................. 58
Hình 3.12: Cổng phun ảnh r nh dẫn............................................................... 59
Hình 3.13: Biên dạng r nh dẫn....................................................................... 59
Hình 3.14: Hình nguyên tắc thiết kế r nh dẫn và cửa phun ........................... 60
Hình 3.15: Các cách bố trí cửa phun ............................................................. 61
Hình 3.16: Chế độ điền đầy hốc khuôn .......................................................... 62
Hình 3.17: Sự hình thành sóng khi bắn .......................................................... 63
Hình 3.18: Biểu đồ kiểm tra thông số cổng.................................................... 63
Hình 3.19: Đồ thị quan hệ giữa góc nghiêng thành lòng khuôn với chiều dày
và chiều dài vật đúc ............................................................................ 67
Hình 3.20: Bản vẽ vật đúc và khuôn cuối cùng .............................................. 68
Hình 4.1: Mô hình vật ®óc trong Procast........................................................ 73
H×nh 4.2: Tû lƯ pha theo nhiƯt độ của nhôm ACD12 ..................................... 74
Hình 4.3: Biểu đồ mật độ khối biến thiên theo nhiệt độ của nhôm ACD12 .. 74
Hình 4.4: Enthalpy của vật liệu nhôm ACD12............................................... 75
Hình 4.5: Hệ số dẫn nhiệt của nhôm ACD12................................................. 75
Hình 4.6: Biểu đồ Hệ số dẫn nhiệt của vật liệu khuôn ................................... 76
Hình 4.7: Biểu đồ Enthalpy của vật liệu làm khuôn....................................... 76
Hình 4.8: Tỷ lệ pha theo nhiệt độ của vật liệu làm khuôn.............................. 77
Hình 4.9. Mô hình vật đúc và điểm đặt đầu vào............................................ 78

Hình 4.10: Vị trí các ®iỊu kiƯn biªn ............................................................... 79
Trường ðại học Nơng nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ kỹ thuật ........... viii


Hình 4.11. Kết quả mơ phỏng nhiệt độ ........................................................ 80
Hình 4.12. Thời gian điền đầy ..................................................................... 81
Hình 4.13.Thời gian kết tinh sau khi điền đầy.............................................. 81
Hình 4.14. Kết quả mơ phỏng dịng chảy, thời gian điền đầy....................... 83
H×nh 4.15. Sau 0,004 giây, dòng chảy điền đầy r nh dẫn chính dòng chảy vào
r nh dẫn phụ và bắt đầu tới cửa phun thực hiện quá trình điền đầy lòng
khuôn. ................................................................................................. 84
Hình 4.16. Sau 0,0122 giây, điền đầy khoảng 50% lòng khuôn ................... 84
Hình 4.17. Sau 0,016 giây, điền đầy khoảng 70% lòng khuôn ...................... 85
Hình 4.18. Sau thời gian 1, 492 giây kim loại điền đầy lòng khuôn, không còn
chỗ trống ............................................................................................. 85
Hình 4.19. Đến 1,492 giây (tính từ sau khi điền đầy) phần chi tiết kết tinh
hoàn thành, còn phần r nh dẫn ........................................................... 86
Hình 4.20. Đến 3,6s (tính từ sau khi điền đầy hoàn toàn) vật đúc kết tinh hoàn
toàn. .................................................................................................... 86
Hình 4.21. Hình khảo sát tốc độ dòng............................................................ 87
Hình 4.22. Tốc độ dòng khi bắt đầu phun vào lòng khuôn ............................ 87
Hình 4.23. Tốc độ dòng tại thời điểm đ điền đầy 1 phần lòng khuôn .......... 88
Hình 4.24. Tốc độ dòng vào giai đoạn gần cuối khi phun.............................. 88
Hình 4.25. Tốc độ dòng tại điểm kết thóc phun ............................................. 89

Trường ðại học Nơng nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ kỹ thuật ........... ix


LờI NóI ĐầU
1.Tính cấp thiết của đề tài

Công tơ điện là một sản phẩm trong lĩnh vực dân dụng đợc sản xuất
hàng loạt lớn, phần khung đợc làm bằng hợp kim nhôm, phần vỏ làm bằng
nhựa cứng có tác dụng cách điện. Hiện nay chế tạo khung công tơ làm bằng
hợp kim nhôm, đ sử dụng công nghệ ép chảy thay cho đúc trong khuôn cát,
sau đó gia công cơ khí. Đa công nghệ ép chảy tạo phôi cũng là một tiến bộ
về công nghệ, tạo chất lợng sản phẩm cao hơn sản phẩm sử dụng đúc thông
thờng. Nhng công nghệ ép chảy-gia công cơ khí là một quá trình công nghệ
dài, ép chảy nóng qua nhiều nguyên công và tốn kém khuôn ép, hiệu quả kinh
tế - kỹ thuật tuy có cải thiện nhng cha phải là công nghệ tối u. Gần đây,
công nghệ đúc áp lực cao, hay đúc ép, đang phát triển và đem lại hiệu quả
kinh tế cao, cơ tính của sản phẩm tốt, đang đợc ứng dụng rộng r i trên thế
giới. Nhiều thiết bị đúc áp lực cao đ đợc nhập vào Việt Nam, nhng các nhà
máy vẫn sử dụng công nghệ cũ nh: công nghệ đúc áp lực thờng.
Nguyên nhân cơ bản là năng lực thiết kế chế tạo khuôn đúc áp lực cao
tại Việt Nam còn là một vấn đề mới và khó, sau khi thiết kế xong phải chế tạo
khuôn và chế thử sản phẩm, cha sử dụng công nghệ mới trong thiết kế. Các
doanh nghiệp sản xuất sử dụng đúc áp lực, hiện nay, dựa vào nhập khẩu khuôn
của Trung quốc hoặc của các nớc khác. Vì vậy, nghiên cứu thiết kế và chế
tạo khuôn đúc áp lực cao là một việc rất cần thiết đối với ngành công nghiệp.
Để thiết kế đợc khuôn, ngoài phần thiết kế đợc hình dáng kích thớc lòng
khuôn, vấn đề mấu chốt công nghệ là phải tính toán đúng dòng chảy của kim
loại lỏng khi đi qua r nh dẫn và cửa phun. Trớc đây dựa vào tính toán lý
thuyết kết hợp với chế thử điều chỉnh, đây là một quá trình gây không ít tốn
kém, một công nghệ mới, sử dụng phần mềm mô phỏng quá trình đúc để tối
u công nghệ đ và đang đợc thế giới áp dụng mang lại hiệu qu¶ kinh tÕ kü
Trường ðại học Nơng nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ kỹ thuật ........... 1


thuật cao. Nghiên cứu này có định hớng nghiên cứu lý thuyết và công nghệ
đúc làm cơ sở cho mô phỏng quá trình chảy của kim loại trong lòng khuôn, từ

đó đa ra các yêu cầu đối với r nh dẫn và cửa phun nhằm tối u hóa quá trình
điền đầy lòng khuôn. Kết quả nghiên cứu sẽ mở ra một hớng tự thiết kế chế
tạo khuôn đúc áp lực có chất lợng. Đây là một hớng thiết kế mới, thực hiện
đề tài có ý nghĩa khoa học và thực tiễn, góp phần nội địa hóa sản phẩm cơ khí
Việt Nam.
2. Mục tiêu đề tài
Nghiên cứu tính toán thiết kế khuôn đúc áp lực cao chi tiết khung công
tơ điện nhờ sự trợ giúp của phần mềm công nghiệp để tối u các thông số
công nghệ.
Mô hình hóa khung công tơ và khuôn bằng phần mềm Solidworks, xác
định hình dáng kích thớc lòng khuôn có xét đến quá trình co ngót của vật
liệu đúc và sự co của kích thớc khuôn khi nguội.
Sau đó nghiên cứu sử dụng ProCAST mô phỏng quá trình chảy của kim
loại trong r nh dẫn, cửa phun và lòng khuôn, mô phỏng quá trình nhiệt và kết
tinh, nhờ đó tìm ra đợc các tham số r nh dẫn, cửa phun, khẳng định các
thông số công nghệ tối u quá trình đúc áp lực cao.
3. Nội dung đề tài
Mở đầu, Tính cấp thiết đề tài, mục tiêu đề tài, phơng pháp nghiên cứu
Chơng 1: Tổng quan tình hình đúc áp lực và khả năng ứng dụng đúc áp
lực cao vào Nhà máy. Trình bày các khái niệm, các u nhợc điểm và công
nghệ đúc áp lực cao.
Chơng 2. Cơ sở lý thuyết đúc áp lực cao hợp kim nhôm.
Giới thiệu các hợp kim nhôm đợc sử dụng trong sản xuất công nghiệp,
cơ sở tính toán thiết kế dòng chảy kim loại qua r nh dẫn, cửa phun và lòng
khuôn. Các thông số ép kim lọai, tham số tốc độ phun và các thông số về máy
ép, lùc Ðp.

Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ kỹ thuật ........... 2

Chơng 3. Thiết kế khuôn đúc áp lực bằng công nghệ 3D. Trên cơ sở
phân tích công tơ điện và khung công tơ, sử dụng phần mềm Solidworks để
thiết kế lòng khuôn đúc khung công tơ với độ co ngót và kích thớc nóng của
sản phẩm. Tính toán sơ bộ các thông số công nghệ và khuôn đúc áp lực.
Chơng 4. Khảo sát các thông số công nghệ và tối u công nghệ. Trên
cơ sở tính toán và thiết kế sơ bộ, sử dụng ProCAST mô phỏng quá trình chảy
của dòng kim loại và tính toán nhiệt. Phân tích khảo sát các yếu tố về tốc độ
dòng chảy, thời gian điền đầy lòng khuôn...điều chỉnh lại các thông số hình
học và thông số thiết bị. Mô phỏng lặp lại tìm giá trị tối u theo các yêu cầu
của quá trình công nghệ đúc.
Kết luận
4. Phơng pháp nghiên cứu:
Nghiên cứu lý thuyết và công nghệ đúc áp lực, các lý thuyết và kỹ thuật
thiết kế khuôn làm cơ sở cho quá trình thiết kế khuôn đúc áp lực. Trong đó, đi
sâu nghiên cứu bài toán dòng chảy của kim loại, bài toán nhiệt, bài toán độ
bền khuôn.
Nghiên cứu sử dụng phần mềm Solidworks và ProCAST, ứng dụng phần
mềm mô phỏng quá trình chảy của kim loại qua r nh dẫn, cửa phun và lòng
khuôn để tối u hóa công nghệ đúc khung công tơ, từ đó xác định đúng kết
cấu khuôn và bảo đảm chất lợng đúc.
Luận văn thực hiện dới sự hớng dẫn khoa học của PGS.TS. Đinh Bá
Trụ. Luận văn đ hoàn thành đúng theo các yêu cầu trong đề cơng. Ngoài
phần nghiên cứu để nâng cao hiểu biết về lý thuyết và công nghệ đúc áp lực
cao, Tác giả còn nắm đợc thêm 2 phần mềm công nghiệp, có thể sử dụng
thực hiện luận văn và dùng làm việc lâu dài.
Nhân dịp này xin gửi lời cảm ơn các thầy của Trờng Đại học Nông
nghiệp Hà Nội, đặc biệt các thầy Khoa Cơ điện đ tận tình giảng dạy truyền
đạt kiến thức, nhờ đó tôi có thể hoàn thµnh nhiƯm vơ khãa häc.

Trường ðại học Nơng nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ kỹ thuật ........... 3

Chơng 1: Tổng quan đúc áp lực và ứng dụng
đúc áp lực cao Vào nhà máy
1.1. Khái niệm
Đúc là một quá trình công nghệ bằng cách nấu chảy kim loại và tạo
hình sản phẩm, kim loại lỏng đợc rót vào khuôn có hình dạng sản phẩm, sau
khi kim loại kết tinh trong khuôn ta thu đợc vật đúc có hình dáng kích thớc
nh khuôn đúc đ thiết kế.
Đúc có những phơng pháp sau: đúc trong khuôn cát, đúc trong khuôn
kim loại, đúc dới áp lực thấp, đúc dới áp lực cao, đúc li tâm, đúc trong
khuôn mẫu chảy, đúc trong khuôn vỏ mỏng, đúc liên tục v.v...

Hình 1.1: Sơ đồ phân loại phơng pháp đúc

Trng i hc Nụng nghip H Nội – Luận văn thạc sĩ kỹ thuật ........... 4


Hình 1.2. Máy đúc áp lực thấp (Lòng khuôn nóng)
và máy đúc áp lực cao (lòng khuôn nguội)
* Đúc trong khuôn kim loại: Đúc trong khuôn kim loại là công nghệ sử
dụng khuôn đúc làm bằng thép hoặc gang, thay cho khuôn sử dụng bằng vật
liệu phi kim loại nh cát- đất sét...
* Đúc áp lực thấp: Đúc áp lực thấp là công nghệ đúc trong khuôn kim
loại, thực hiện trên thiết bị riêng biệt, trong đó, dới áp lực nén hay lực hút
chân không kim loại lỏng đợc đa vào lòng khuôn và đông đặc. áp lực nén
khoảng từ 6 ữ 15 atm. Loại máy đúc áp lực thấp có thể vận hành bằng tay, bán
tự động hoặc tự động, đợc dùng để đúc kim loại có nhiệt độ nóng chảy thấp
< 450oC (nh thiếc, chì, kẽm); khi đúc những kim loại có điểm chảy Tnc >
450oC thì giữa thành xilanh và pittông tạo thành một màng oxyt dễ làm cho

máy bị tắc. Khuyết điểm của máy này là hệ thống pittông xilanh chóng mòn.

Hình 1.3: Sơ đồ công nghệ đúc áp lực thấp

Trng i hc Nụng nghip H Nội – Luận văn thạc sĩ kỹ thuật ........... 5


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

1.

2.

3.

5.

4.

6.

7.
Hình 1.4: Sơ đồ công nghệ đúc áp lực cao
Trng i hc Nụng nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ kỹ thuật ........... 6


Đúc áp lực cao là công nghệ đúc trong khuôn kim loại, trên máy đúc áp
lực. Kim loại lỏng dới áp lực cao đợc phun điền đầy lòng khuôn và đông

đặc dới tác dụng của áp lực (khoảng từ 100ữ200 atm) do khí nén và dầu ép
trong xilanh tạo ra.
Máy đúc áp lực cao gắn 2 nửa khuôn, nửa khuôn tĩnh và nửa khuôn
động. Bắt đầu chu trình đúc nửa khuôn động đóng lại. Cánh tay Robot rót kim
loại lỏng đ định lợng 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 độ hàng trăm m/s và áp
suất từ vài trăm đến hàng ngàn at. áp suất đợc duy trì đến khi vật đúc đông
đặc hoàn toàn. Nửa khuôn động tách khỏi nửa khuôn tĩnh. Chốt đẩy tống vật
đúc khỏi khuôn. Chu trình đúc mới lại bắt đầu.
Các bớc tiến trình hoạt động bao gồm 7 bớc cơ bản:
1. Chuẩn bị khuôn; 2. Đóng khuôn; 3. Rót kim loại lỏng; 4. Pittong
chuyển động chậm (phase 1); 4. Pittong chuyển động nhanh tạo áp lực điền
đầy kim loại lỏng vào lòng khuôn và giữ áp kết tinh; 6. Mở khuôn; 7. Lấy vật
đúc khỏi lòng khuôn.
Đúc áp lực cao có thể sử dụng máy ép buồng nguội. Do kim loại đợc
phun với áp lực cao để điền đầy lòng khuôn, nên thời gian điền đầy nhanh, có
thể tạo đợc chi tiết thành mỏng đều. Tất cả các tính chất của kim loại (tính
chất nhiệt, cơ học, điện, từ...) đều bị thay đổi khi chịu tác dụng của áp lực. Khi
áp lực tăng, làm tăng nhiệt độ kim loại lỏng nên cần chú ý để xác định chế độ
công nghệ chính xác.
Lĩnh vực ứng dụng đúc áp lực cao: Đúc áp lực cao chủ yếu để sản xuất
vật đúc bằng hợp kim nhôm, magiê, kẽm, đồng (có khối lợng vật đúc không
lớn). Cũng có thể dùng công nghệ đúc áp lực cao để đúc thép và gang nhng
rất ít vì nhiệt độ nóng chảy và tỉ trọng của thép và gang rất lớn. Đúc áp lực cao
đúc đợc vật có thành mỏng (0,3mm), độ chính xác cao, chất lợng vật đúc
tốt, năng suất cao.
Trng i hc Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ kỹ thuật ........... 7

* Đúc ép bán lỏng (RheoCasting):
Là phơng pháp tạo hình sản phẩm bằng cách dùng lực ép, ép kim loại
ở trạng thái nửa rắn nửa lỏng, vào lòng khuôn, tại đó kim loại ở trạng thái có
tỷ lệ pha lỏng cao trên 50%. Đúc bán lỏng là một hớng mới tạo khả năng
giảm giá thành, tiết kiệm năng lợng và giảm ảnh hởng của môi trờng.

Hình 1.5. Máy đúc áp lực sử dụng

Hình 1. 6. 2 dạng đúc bán lỏng

công nghệ bán lỏng
Có 2 dạng đúc bán lỏng: đúc lu biến (Rheocasting) và đúc xúc biến
(ThixoCasting). Đúc lu 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 đợc chuẩn bị về thành phần và tổ chức, nung lên nhiệt độ bán lỏng và
đợc đa vào khuôn đúc.
Nhờ quá trình nấu đúc có tác dụng của khuấy (khuấy cơ học hoặc
khuấy từ trờng) các nhánh cây hình thành đến đâu đợc phá vỡ hoặc bẻ gẫy.
Chính vì vậy đúc bán lỏng cho chất lợng sản phẩm tốt. Ngoài ra, khi khuấy,
có thể cho thêm các pha rắn gia cố, hợp kim đợc 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 dòng kim loại chảy và điền đầy lòng khuôn, giảm thiểu chảy rối,
tránh mòn khuôn. 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 khuôn
Trng i hc Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ kỹ thuật ........... 8


cũng thấp hơn, từ đó tuổi thọ khuôn tăng. Đối với hợp kim đúc, điều kiện hòa
tan khí ít hơn, chất lợng sẽ tăng. Nhiệt độ thấp còn làm độ co ngót giảm, độ

rỗ xốp giảm. Mặt khác, kim loại kết tinh dới áp lực, nên tổ chức mịn đặc hơn.
1.2. Các u nhợc điểm của công nghệ đúc
1.2.1. Đúc trong khuôn kim loại
u điểm:
- Khuôn có thể dùng đợc nhiều lần (vài trăm đến hàng vạn lần) tùy
thuộc vào kim loại vật đúc.
- Vật đúc có độ chính xác cao (cấp 7 .. 9) và độ bóng bề mặt cao vì độ
chính xác và độ bóng bề mặt cao.
- Tổ chức hạt kim loại nhỏ mịn (do nguội nhanh) nên cơ tính tốt.
- Tiết kiệm đợc vật liệu làm khuôn và điều kiện lao động tốt.
Nhợc điểm:
- Giá thành khuôn đắt nên chỉ dùng trong sản xuất hàng loạt, hàng khối.
- Độ dẫn nhiệt của khuôn lớn nên giảm khả năng điền đầy của kim loại,
do đó khó đúc vật phức tạp và vật có thành mỏng.
- Độ dẫn nhiệt của khuôn lớn nên khi đúc gang dễ bị hoá trắng.
- Khuôn, lõi bằng kim loại nên không có tính lún, ngăn trở sự co của
kim loại nhiều làm cho vật đúc dễ nứt.
Tuy có một số nhợc điểm nhng do có nhiều u điểm nên khuôn kim
loại ngày nay đợc dùng rất rộng r i để đúc các vật bằng thép, gang, đồng,
nhôm, magiê... khi chế tạo các chi tiết nh ống dẫn khí áp lực cao, secmăng,
xilanh của bơm thuỷ lực, bàn là, van, pittông, biên, trục khuỷu, cam và những
chi tiết khác...
1.2.2. Đúc áp lực thấp hay đúc trong khuôn nóng
Ưu điểm
- Đúc đợc sản phẩm có khối lợng lớn (từ vài cân đến vài chục cân).
- Vật đúc có độ chính xác và độ bóng cao (độ chính xác đạt tới 0,1 mm).
Trng i hc Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ kỹ thuật ........... 9


- Bề mặt bên trong của vật đúc cũng có độ bóng cao do dùng lõi kim

loại, không dùng lõi cát.
- Năng suất cao (80~150 sản phẩm/giờ).
Nhợc điểm:
- Không dùng lõi cát nên hình dáng bên trong của vật đúc không đợc
quá phức tạp.
- Hệ thống Pittong xilanh do làm việc ở nhiệt độ cao nên mau bị mòn,
độ bền giảm.
Đúc dới áp lực thấp dùng để chế tạo các chi tiết phức tạp nh vỏ bơm
xăng dầu, nắp buồng ép, lagăng ôtô...
1.2.3. Đúc áp lực cao hay đúc trong khuôn nguội
u điểm:
- Vật đúc có độ chính xác và độ bóng cao (độ chính xác đạt tới
0,01mm).
- Bề mặt bên trong của vật đúc cũng có độ bóng cao do dùng lõi kim loại.
- Đúc đợc những vật mỏng (chiều dày > 0,3mm) và đúc đợc vật phức
tạp (đúc đợc lỗ có đờng kính 1,5 - 3mm) do kim loại lỏng đợc ép vào
khuôn nên có khả năng điền đầy tốt.
- Do đúc trong khuôn kim loại áp lực cao nên vật đúc nguội nhanh, cơ
tính tốt (do tính chất điền đầy kiểu phun hạt).
- Năng suất rất cao (100 - 200 vật đúc/giờ).
Nhợc điểm:
- Không dùng đợc lõi cát nên hình dáng bên trong của vật đúc không
đợc quá phức tạp.
- Không đúc đợc các chi tiết lớn (thờng < 5Kg).
- Kim loại lỏng dẫn vào khuôn dới áp lực cao, tốc độ lớn nên làm
khuôn mau mßn.

Trường ðại học Nơng nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ kỹ thuật ........... 10

- ít dùng để đúc kim loại đen vì nhiệt độ chảy của kim loại đen cao làm
cho tuổi bền khuôn giảm.
Đúc dới áp lực dùng để chế tạo các chi tiết phức tạp, có độ bền cao
nh các chi tiết dùng trong quân sự, máy bay, ...
1.2.4. Đúc ép bán lỏng
u điểm:
- Do nhiệt độ thấp hơn so với kim loại lỏng: Tốc độ tạo hình chi tiết, tạo
hình liên tục nhanh, độ mòn khuôn thấp.
- Có mặt pha rắn ở thời điểm điền đầy khuôn: Loại trừ đợc co ngót,
tốn ít nguyên vật liệu, thiên tích vĩ mô nhỏ, tổ chức hạt tơng đối đều.
- áp suất dòng chảy thấp hơn so với áp suất tạo dòng chảy kim loại ở
trạng thái rắn: nên tạo đợc hình phức tạp (hạn chế đợc quá trình chảy rối).
Nhợc điểm:
Công nghệ ép bán lỏng là một công nghệ khó, đòi hỏi khống chế chính
xác phạm vi nhiệt độ ép và thời gian ép. Công nghệ đòi hỏi nắm chắc các
nhiệt độ tới hạn, phạm vi nhiệt độ kim loại ở trạng thái bán lỏng. Nhng khi
kim loại nóng chảy đợc rót vào khuôn kim loại lỏng bị nguội do sự truyền
nhiệt qua khuôn và ra ngoài môi trờng. Quá trình truyền nhiệt này phụ thuộc
vào nhiều yếu tố công nghệ. Nhiệt độ khuôn, hình dáng kích thớc khuôn,
thời gian rót kim loại, thời gian đóng khuôn, các yếu tố này tuỳ thuộc điều
kiện thiết bị và khả năng thao tác của công nhân.
1.3. Kết cấu máy đúc áp lực cao
Kết cấu máy đúc áp lực cao cơ bản nh máy đúc áp lực thông thờng có
các cơ cấu chính:
- Thân khung máy.
- Giá máy cố định.
- Giá máy di động.
- Hệ thống Pittong - xilanh đóng mở khuôn.
Trng i hc Nụng nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ kỹ thuật ........... 11

- HƯ thèng xi lanh pittong Ðp phun kim lo¹i láng.
- HƯ thèng thđy lùc.
- HƯ thèng lÊy vËt ®óc ra khỏi khuôn.
- Hệ thống điều khiển điện.
Máy đúc áp lực cao có bình tích áp Nitơ - Chất lỏng áp lực cao tạo áp
lực phun kim loại lỏng vào lòng khuôn.

Hình 1.6. Sơ đồ máy đúc áp lực cao

Hình 1.7. Máy đúc áp lực cao

Trng i hc Nụng nghip Hà Nội – Luận văn thạc sĩ kỹ thuật ........... 12


1.3.1. Sơ đồ kết cấu máy đúc áp lực cao

Hình 1.8. Bản vẽ kết cấu máy đúc áp lực cao
Trng ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ kỹ thuật ........... 13


Ghi chú:
1. Thân xi lanh ghép

23. Piston tăng áp

45. Buồng áp suất

khuôn

24. ống bạc trợt

thờng

2. Piston

25. Bộ phân phối

46. Piston cắt nguyên

3. Thân máy

26. Van điều khiển rút

liệu

4. Lng

lõi

47. Cần nối

5. Đòn lớn

27. Cần đẩy ra

48. Đai ốc nối

6. Tấm khuôn động

28. Giá đỡ

49. Bạc

7. Bệ khuôn

29. Cần dẫn

50. Piston vật liệu về

8. Khuôn động

30. Bệ đỡ dới

51. Cần khống chế

9. Thân piston

31. Bạc xi lanh bắn ép

52. Van cắt vật liệu

10. Đĩa piston

32. ống xi lanh bắn ép

53. Van phân phối cắt

11. Buồng áp suất

33. Vòi phun

vật liệu

thờng

34. Tấm đệm

54. Buồng áp suất

12. Buồng làm việc

35. Piston bắn ép

thờng

13. Bình khí Nitơ áp lực

36. Piston trong

55. Van điều khiển vật

cao

37. Chụp trên

liệu về

14. Van chặn ngợc

38. Đĩa piston

56. Buồng làm việc

15. Buồng làm việc

39. Buồng áp suất

57. Bộ lọc dầu

16. Tấm cam

thờng

58. Chụp an toàn

17. Van tăng áp

40. Cần khống chế

59. Khuôn tĩnh

18. Bạc ngoài của bộ

41. Buồng làm việc

60. Van điều khiển bằng

tăng áp

42. Đầu ép

tay

19. Buồng áp suất

43. Tấm nối

61. Van chung

thờng

44. Tấm nối

62. Vô lăng

20. Cần đẩy

63. Tấm đáy

21. Van

64. ống bạc

22. Buồng làm việc

Trng i học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ kỹ thuật ........... 14


1.3.2. Nguyên lý vận hành

Trong các máy đúc áp lực cao cã 2 cơm thủ lùc, mét bé phËn ®ãng mở
khuôn và một bộ phận ép kim loại lỏng vào lòng khuôn. Bộ phận đóng mở
khuôn gọi là cơ cấu khoá khuôn, bộ phận ép hay còn gọi là cơ cấu ép. Hầu hết
các máy đều có cơ cấu khoá khuôn 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 công tác trong máy đúc áp lực thờng là dầu khoáng vật hoặc
huyền phù dầu nớc hoặc dầu khác. Dầu khoáng vật có tính bôi trơn và
chống ăn mòn tốt, tính chất làm việc khá ổn định, giá thành thấp cho nên đợc
sử dụng khá phổ biến. Nhợc điểm của dầu khoáng vật là dễ cháy, làm ô
nhiễm môi trờng và đắt hơn nhũ tơng dầu nớc.
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: đợc chia thành kiểu đúc nằm ngang và kiểu đúc
thẳng đứng.
Kiểu đứng: khi piston 1 đi lên, kim loại lỏng đợc nạp vào xi lanh ép,
sau đó đợc nén ép vào lòng khuôn.
Xi lanh ghép

Cơ cấu khoá
khuôn

khuôn

tủ điều
khiển

Động

Bình tích

cơ

áp

Bảng điều
khiển

Bảng đồng hồ áp
suất

Ac
c

Khuôn
ép

Xi lanh bắn
ép

Hình 1.9. Sơ đồ máy đúc ¸p lùc kiĨu ®øng

Trường ðại học Nơng nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ kỹ thuật ........... 15