Mở đầu Công nghệ đúc là công nghệ chế tạo sản phẩm bằng cách rót vật liệu ở dạng chảy lỏng vào khuôn để tạo ra sản phẩm có hình dạng theo khuôn mẫu. Đa phần công nghệ đúc thực hiện với các vật liệu kim loại. Hiện nay, xu thế của ngành đúc đi theo hai hướng chính: - Giảm ô nhiễm môi trường: sử dụng hỗn hợp làm khuôn thân thiện với môi trường, xử lý hỗn hợp làm khuôn sau khi sử dụng hoặc đúc theo phương pháp dùng khuôn kim loại. - Tăng độ chính xác cho vật đúc: Độ chính xác của vật đúc phụ thuộc vào độ bóng của bề mặt hốc khuôn, có hay không có mặt phân khuôn.
Trong mảng các phương pháp đúc chính xác có thể chia làm hai nhóm: • Nhóm có mặt phân khuôn: đúc trong khuôn kim loại, đúc trong khuôn áp lực,… • Nhóm không có mặt phân khuôn: đúc trong khuôn mẫu chảy, đúc trong khuôn mẫu hóa khí,… Các phương pháp đúc có mặt phân khuôn sẽ tồn tại hai nhược điểm chính: - Khó đúc các chi tiết có hình dạng phức tạp, yêu cầu rất cao về độ chính xác kích thước hình học do phải có nhiều mặt phân khuôn. - Có mặt phân khuôn sẽ dễ dẫn đến sai lệch kích thước. Do đó, nhóm các phương pháp đúc chính xác không có mặt phân khuôn đang được định hướng là một trong các xu thế phát triển của ngành đúc, chúng cho thấy ưu thế vượt trội so với các phương pháp đúc khác vì những lý do nêu trên. Công nghệ đúc trong khuôn mẫu hóa khí là một trong các phương pháp đó.
[1] [2] [3] [4] [5] [6] 1 Luận văn cao học– Chất sơn mẫu 1.2 Lịch sử hình thành và phát triển Năm 1958, H. Đầu tiên, mẫu được gia công từ tấm vật liệu polystyrene (EPS), dùng hỗn hợp cát - đất sét làm khuôn đúc mỹ nghệ. Theo phương pháp này, làm khuôn xong không cần lấy mẫu, khi rót kim loại lỏng vào khuôn, mẫu sẽ tự bốc cháy lộ ra hốc khuôn để điền đầy kim loại lỏng; sau khi kim loại lỏng đông đặc vật đúc sẽ hình thành. Năm 1961, Công ty Grunzweig và Hartmann (Đức) mua bản quyền này và có cải tiến để đến năm 1962 đưa vào ứng dụng trong thực tiễn sản xuất.
Kỹ thuật dùng cát khô không chứa chất dính trong sản xuất đúc do H. Smith (Mỹ) đăng ký bản quyền năm 1964. Vì trong quá trình rót vào khuôn cát không chất dính thường xuyên có hiện tượng sụt lún (slump) nên năm 1967 A. Wittemoser (Đức) dùng các hạt sắt nhiễm từ làm vật liệu khuôn thay thế cho cát thạch anh và từ trường được dùng làm “chất dính” nên phương pháp này còn được gọi là “đúc trong khuôn từ”.
Cũng vì máy làm khuôn từ khó tạo được các khuôn kích thước lớn , độ phức tạp cao nên năm 1971, Nagano – người Nhật phát minh ra phương pháp V ( V-process: phương pháp đúc trong khuôn chân không). Ở đây cát khô không chứa chất dính được dùng làm vật liệu khuôn, dùng biện pháp hút chân không để cố định cát khuôn và tạo nên hốc khuôn phục vụ cho quá trình rót kim loại lỏng. Từ phương pháp này, ngày nay rất nhiều nơi dùng phương pháp hút chân không để cố định cát trong khuôn mẫu xốp, một mặt khắc phục được hiện tượng sụt lún cát trong quá trình rót, mặt khác có lợi cho việc phân huỷ mẫu nhựa xốp và loại trừ chúng. Trước năm 1980, nếu dùng công nghệ cát khô không chứa chất dính phải được sự đồng ý của công ty Full Mold Process, Inc – Mỹ.
Sau này, bản quyền trên không còn hiệu lực; do đó 20 năm gần đây kỹ thuật đúc trong khuôn mẫu cháy trên phạm vi toàn thế giới phát triển rất nhanh. Sự phát triển của kỹ thuật đúc trong khuôn mẫu cháy trải qua ba giai đoạn: Giai đoạn thứ nhất:dùng nhựa bọt xốp làm mẫu và cát - đất sét làm khuôn, khuôn được chế tạo trên máy làm khuôn (ví dụ như máy ép, máy dằn). 2 Luận văn cao học– Chất sơn mẫu Giai đoạn hai: dùng nhựa xốp làm mẫu, cát nhựa (vô cơ hoặc hữu cơ) làm khuôn. Giai đoạn ba:dùng mẫu tự tiêu và các hạt vật liệu khuôn không chứa chất dính, đầm khuôn bằng phương pháp vật lý (chân không hoặc từ trường).
Đúc bằng mẫu cháy được viết tắt theo tiếng Anh là LFC (Lost Foam Casting) hoặc EFC (Expandable Pattern Casting), cũng còn gọi là đúc trong khuôn đầy (Full Mold Casting). Để giảm bớt những nhầm lẫn do ngôn ngữ gây nên, trong đề tài gọi phương pháp công nghệ này là “đúc trong khuôn mẫu hóa khí” (LFC – Lost Foam Casting).3 Nguyên lý và đặc điểm phương pháp đúc trong khuôn mẫu hóa khí 1.1 Nguyên lý Đây là phương pháp đúc lợi dụng đặc tính của vật liệu xốp để tạo hình mẫu một cách đơn giản và rẻ tiền. Các bước tiến hành cơ bản được mô tả như hình 1.1: Quy trình công nghệ khuôn mẫu hóa khí tổng quát 3 Luận văn cao học– Chất sơn mẫu - Tạo mẫu xốp theo hình dạng của chi tiết, các mẫu này có thể dùng như chi tiết đơn hoặc lắp thành cụm lại với nhau, sau đó mẫu được sơn bằng chất sơn mẫu. - Đặt mẫu vào hòm khuôn có đáy, đổ cát không hoặc có chất dính vào.
- Rung hòm khuôn với chế độ rung (phương, biên độ, tần số và thời gian rung) thích hợp để cát điền đầy kín các hốc của mẫu và được lèn chặt để tạo thành một khối ổn định về mặt kích thước và duy trì không đổi trong quá trình đúc. - Rót kim loại vào khuôn. Khi tiếp xúc với kim loại lỏng, mẫu sẽ chảy và hóa hơi tạo ra sản phẩm cháy đi vào cát rời. Một số sản phẩm cháy sẽ nhanh chóng ngưng tụ, một số khác thoát ra ngoài qua khe cát nhờ hệ thống thông gió và được giữ lại ở hệ thống xử lý.
Chân không có thể được sử dụng trong quá trính rót nhằm tránh hiện tượng sụt lún hóc khuôn , bắn tóe kim loại do lượng khí sinh ra trong quá trình phân hủy mẫu xốp. - Sau khi vật đúc đông đặc và nguội, đổ cát ra, tách chi tiết, xử lý cát và hoàn nhiệt cho cát ở chu kỳ tiếp theo. Lượng cát tiêu hao rất thấp.1 Ưu điểm - Tiết kiệm thời gian cho khâu chuẩn bị sản xuất, năng suất cao hơn so với một số phương pháp đúc truyền thống. Giảm được các chi phí cho khâu chuẩn bị và xử lý hỗn hợp, khâu chế tạo khuôn, xử lý bavia,… - Mẫu nhẹ, rẻ tiền, dễ tạo hình.
Đối với mẫu lớn: cắt bằng dây điện trở nung đỏ rồi dán lại. Đối với mẫu nhỏ: sản xuất hàng loạt bằng phương pháp ép ở 200÷250oC. Thời gian và chi phí tạo mẫu giảm đáng kể. - Không cần lấy mẫu ra khỏi khuôn.
Không cần hai hòm khuôn cho một vật đúc và các thao tác liên quan. - Quá trình thiết kế đơn giản do hệ thống rót đơn giản, không có mặt phân khuôn, mặt phân mẫu. - Về nguyên tắc, có thể đúc các vật đúc có hình dạng bất kỳ, kích thước vật đúc nói chung không bị hạn chế (đã đúc được các vật đúc tới 20 tấn). - Không cần ruột và đầu gác ruột đối với các vật đúc phúc tạp có lỗ và hốc.
4 Luận văn cao học– Chất sơn mẫu - Vật đúc không bị các khuyết tật về bavia, lệch khuôn, các khuyết tật liên quan đến ruột và hỗn hợp làm khuôn. Vật đúc yêu cầu lượng dư gia công ít hơn, đạt được độ chính xác cao hơn so với các phương pháp đúc truyền thống. - Có thể dùng cát không cần chất dính do đó cát không bị nhiễm bẩn phải loại đi, có thể sử dụng lại nhiều lần, ít ô nhiễm môi trường. Cũng có thể dùng các loại hỗn hợp khác để làm khuôn: hỗn hợp chảy lỏng, hỗn hợp tự đông rắn, hỗn hợp cát – sét…Có thể đúc trong khuôn chân không hoặc khuôn từ.
- Có thể sử dụng cho mọi loại hình sản xuất: đơn chiếc, loạt nhỏ, hàng loạt. - Có thể đúc tất cả các kim loại và hợp kim 1.2 Nhược điểm - Cần phải có thiết bị đúc chuyên dùng (tuy nhiên chi phí đầu tư thấp hơn nhiều phương pháp khác). - Hộp mẫu để chế tạo mẫu xốp tương đối đắt tiền. - Cần thời gian chuẩn bị dài để chế tạo chi tiết mới.
- Khi đúc gang và thép, thành phần cacbon khó xác định do việc hình thành lớp cacbon khi mẫu cháy sẽ sinh ra muội than và xâm nhập lên ở mặt trên và dưới. Khắc phục nhược điểm này người ta dùng copolymers.3 Phạm vi sử dụng Đây là phương pháp rẻ tiền và có thể đúc các chi tiết có hình dạng phức tạp như blốc động cơ, trục khuỷu, nắp xilanh, bộ lọc dầu, thân máy bơm, bệ tấm đỡ,… phù hợp cho sản xuất hàng loạt các chi tiết đúc bằng hợp kim nhôm có khối lượng đến 20kg, bằng gang và hợp kim đồng có khối lượng đến 50kg. Phương pháp này không phù hợp đối với các chi tiết đúc bằng thép cacbon thấp và trung bình do khả năng làm tăng hàm lượng cacbon của mẫu xốp nhưng thích hợp để đúc thép có hàm lượng cacbon cao. Dưới đây trình bày một số ứng dụng cụ thể của phương pháp này: Hợp kim Nhôm.
5 Luận văn cao học– Chất sơn mẫu Cho đến nay, tỉ lệ lớn nhất của đúc nhôm là phục vụ cho ngành sản xuất động cơ. Điều đó chứng tỏ rằng, có một thị trường rất lớn cần phương pháp đúc trong khuôn mẫu hóa khí. Ống nạp (động cơ): đây là một trong những ứng dụng thành công đầu tiên và được sử dụng cho đến tận ngày nay. Thông thường, để sản xuất chi tiết này người ta dùng phương pháp đúc trong khuôn kim loại tĩnh (gravity die casting), quy trình này thường chậm và giá thành đầu tư thiết bị khá đắt.
Phương pháp đúc trong khuông mẫu hóa khí là phương pháp tốt nhất để chế tạo ống nạp trong áo nước của bộ chế hòa khí [8]. Nắp xilanh: đây là ứng dụng có sự tăng trưởng nhanh nhất đối với ngành ô tô. Thông thường nắp xilanh được chế tạo bằng phương pháp đúc trọng lực với bộ ruột rất phức tạp. Đúc trong khuôn mẫu hóa khí, giúp quá trình làm nguội bề mặt làm việc của nắp xilanh được dễ dàng.
Buồng đốt, các lỗ bu lông có thể được tạo hình thông qua quá trình đúc, tránh gia công cơ khí, giúp giảm chi phí sản xuất [8]. Thân xilanh: các công ty sản xuất đang có xu hướng chuyển dần từ sử dụng gang xám qua hợp kim nhôm. Hàng loạt các bộ phận ô tô khác cũng đang được đúc bằng phương pháp này như vỏ máy bơm nước, giá đỡ, bộ trao đổi nhiệt, bơm nhiên liệu, xylanh phanh.
