Đặt vấn đề Trên thế giới hiện nay, việc chế tạo lớp phủ cứng trên bề mặt khuôn nhằm làm tăng tuổi bền và chất lượng khuôn đã và đang được nghiên cứu với nhiều kết quả ứng dụng tốt. Đối với các doanh nghiệp trong nước, bề mặt của khuôn chế tạo chủ yếu được xử lý theo các phương pháp truyền thống như: tôi ram - thấm nitơ; không có các lớp phủ cứng tăng độ bền, giảm ma sát và mài mòn, chống dính bề mặt, cũng như tạo độ nhẵn bóng sắc nét cao cho sản phẩm. Trong khi đó công nghệ tiên tiến trên thế giới bao gồm các lớp phủ cứng cuối cùng trên bề mặt cho phép tăng tuổi thọ khuôn lên từ 5 20 lần. Với nhiều khuôn có độ chính xác cao thì lớp phủ cứng là bắt buộc.
Vì thế, nghiên cứu chế tạo và sử dụng lớp phủ cứng nhằm nâng cao tuổi bền và chất lượng khuôn mẫu thực sự là một nhu cầu cấp thiết và mang lại hiệu quả kinh tế xã hội lớn…. Chu trình đúc áp lực Đúc áp lực có thể sử dụng máy đúc buồng ép nóng hoặc máy đúc buồng ép nguội. Lực ép tác động lên kim loại lỏng để điền đầy khuôn trong quá trình kết tinh, do pittông ép tạo ra. Lực để làm pittông chuyển động lại do một bơm thuỷ lực gây nên.
Tốc độ dịch chuyển của chất lỏng thuỷ lực và áp lực ép của pittông thay đổi rất khác nhau trong suốt một chu trình đúc. Có thể chia 1 chu trình đúc thành 4 giai đoạn như trên hình Hình 1. Vận tốc và áp suất buồng đúc của các giai đoạn trong quá trình đúc [6] Giai đoạn 1: Pittông 1 đã đi qua và bịt lỗ rót. Vận tốc của pittông ép và áp lực trong buồng ép còn nhỏ.
Vì khi đó áp lực chỉ cần đủ để thắng lực ma sát trong buồng ép và xilanh thuỷ lực. Giai đoạn 2: Kim loại lỏng đã điền đầy toàn bộ buồng ép. Tốc độ của pittông tăng lên và đạt giá trị cực đại v2. Giá trị của áp suất p2 tăng một chút do phải thắng các trở lực của dòng chảy trong buồng ép.
Giai đoạn 3: Kim loại lỏng điền đầy hệ thống rót và hốc khuôn. Do thiết diện rãnh dẫn thu hẹp lại cho nên tốc độ pittông giảm xuống thành v3 nhưng áp suất ép lại tăng lên. Kết thúc giai đoạn này, pittông dừng lại nhưng do hiện tượng thuỷ kích (quán tính ép) mà 4 áp suất ép tiếp tục tăng lên. Sau khi các dao động áp suất tắt dần, áp suất đạt giá trị không đổi.
Đây là áp suất thuỷ tĩnh cần thiết cho quá trình kết tinh. Giai đoạn 4: Giai đoạn ép thuỷ tĩnh. Áp suất có thể đạt tới 5 500 MPa, tuỳ thuộc vào bản chất vật liệu đúc và yêu cầu công nghệ. Khi áp lực đã đạt giá trị thuỷ tĩnh mà tại rãnh dẫn vẫn còn kim loại lỏng thì áp lực sẽ truyền vào vật đúc-kim loại kết tinh trong trạng thái áp lực cao.
Khuôn đúc áp lực Cấu tạo khuôn đúc áp lực Khuôn đúc áp lực có cấu tạo phức tạp bao gồm nhiều bộ phận và chi tiết có chức năng riêng. Cấu tạo khuôn và các bộ phận, chi tiết chính trong khuôn đúc áp lực thể hiện trong Hình 1. Vật liệu chế tạo và xử lý nhiệt với các chi tiết khuôn trong (phụ lục 1, trang 128). Quá trình chế tạo khuôn ảnh hưởng đến chất lượng và khả năng làm việc của khuôn bởi một số yếu tố: khả năng gia công, gia công bề mặt bằng tia lửa điện, xử lý nhiệt, độ ổn định kích thước, xử lý bề mặt, khả năng hàn [18],[21].
Các bề mặt lòng khuôn I, II trên khuôn chính (3) và bề mặt chốt tạo lỗ (5) trên Hình 1.2 được gọi chung là bề mặt khuôn khi làm việc. Các bề mặt này có cùng điều kiện làm việc, chịu tác động dòng kim loại lỏng có nhiệt độ, vận tốc và áp lực đúc cao. Trong trường hợp xét tác động của dòng chảy theo các hướng lên bề mặt khuôn mới cần phân biệt bề mặt lòng khuôn và bề mặt chốt tạo lỗ. Cấu tạo và các bộ phận chính của khuôn đúc áp lực [3] Điều kiện làm việc của khuôn khi đúc áp lực Đúc áp lực là một quá trình sản xuất hàng loạt lớn, tạo ra vật đúc có hình dạng phức tạp, dung sai kích thước và chất lượng bề mặt cao.
Chế tạo từ 100.000 vật đúc trên một khuôn trong một loạt thông thường của khuôn. Trong đúc nhôm áp lực, nhôm nóng chảy ở nhiệt độ từ 670 710 0C được phun vào khuôn, ở vận tốc từ 30 100 m/s, với áp lực phun là từ 50 80 MPa [20], [21], [71]. Trong chu kỳ đúc của khuôn đúc áp lực hợp kim nhôm, nhiệt độ bề mặt khuôn thay đổi nhanh trong thời gian ngắn qua các giai đoạn: nhôm lỏng phun vào khuôn, nhôm đông 5 đặc, phun nước làm mát và dung dịch dầu bôi trơn (chống dính nhôm với bề mặt khuôn). Chu kỳ nhiệt trên bề mặt khuôn thay đổi theo chu kỳ đúc được thể hiện trong Hình 1.
Sự thay đổi nhiệt độ bề mặt khuôn được nung nóng từ 400 450 0C trong thời gian 1 giây và giảm nhiệt từ 150 200 0C trong 20 giây [13], Hình 1. Quá trình làm mát khuôn cũng có sự khác biệt giữa bề mặt và lõi khuôn. Lõi khuôn được làm mát bởi hệ thống nước làm mát tuần hoàn bên trong, bề mặt khuôn được phun nước cùng chất bôi trơn bề mặt.a cho thấy sự thay đổi nhiệt độ trên bề mặt khuôn trong một chu kỳ đúc tăng từ 204 510 0C trong 11 giây, tiếp theo nhiệt độ giảm từ 510 120 0C trong 40 giây, sau đó tăng lên 204 0C trong 13 giây; tại vị trí 12,7 mm dưới bề mặt khuôn nhiệt độ tăng từ 220 320 0 C trong 10 giây, sau đó giảm về 220 0C trong 44 giây; tại vị trí 38,1 mm dưới bề mặt khuôn nhiệt độ thay đổi nhỏ xung quanh 230 0C trong 44 giây [14]. Trong một chu kỳ đúc nhiệt độ thay đổi theo thời gian với khoảng thay đổi lớn nhất ở bề mặt khuôn và giảm dần ở các vị trí dưới bề mặt khuôn.
Sự thay đổi nhiệt độ dẫn đến ứng suất nhiệt, mức độ thay đổi kiểu ứng suất và độ lớn ứng suất cũng khác nhau với các vị trí từ bề mặt khuôn vào đến lõi khuôn. Khi nung nóng, ứng suất xuất hiện trên bề mặt khuôn là ứng suất nén có giá trị - 317 MPa, khi làm mát ứng suất bề mặt khuôn chuyển từ nén sang kéo có giá trị 255 MPa, khi kết thúc làm mát bề mặt khuôn tồn tại ứng suất kéo là 138 MPa, Hình 1. Sơ đồ thay đổi nhiệt độ bề mặt khuôn theo chu kỳ đúc [13] Trong quá trình làm việc, bề mặt khuôn chịu tác động khắc nghiệt của điều kiện đúc như áp suất, vận tốc dòng chảy và nhiệt độ hợp kim đúc. Tuy nhiên, tác động về biến thiên nhiệt độ trên bề mặt lớn trong thời gian ngắn ảnh hưởng mạnh đến khả năng làm việc của khuôn.
Những thay đổi nhiệt độ bề mặt khuôn đòi hỏi vật liệu chế tạo phải có khả năng chịu được các tác động nhiệt trong quá trình sản xuất. Thay đổi nhiệt độ bề mặt khuôn theo chu kỳ đúc áp lực hợp kim nhôm [13] 6 Hình 1. Thay đổi nhiệt độ a) và thay đổi ứng suất b) trong chu kỳ đúc thứ 51 [14] 1. Chốt tạo lỗ sản phẩm trong khuôn đúc áp lực Vai trò của chốt tạo lỗ Chốt tạo lỗ được sử dụng trong khuôn đúc áp lực để tạo ra các lỗ trên sản phẩm.
Tùy thuộc vào yêu cầu của lỗ trên sản phẩm (lỗ công nghệ hoặc lỗ không gia công) chốt tạo lỗ cũng có đặc điểm khác nhau. Các lỗ công nghệ được sử dụng để định vị, gá đặt hoặc dẫn hướng cho các chốt của đồ gá khi gia công chi tiết. Các lỗ không gia công trên sản phẩm thường được sử dụng theo yêu cầu chi tiết khi thiết kế. Đối với hai dạng lỗ trên thì chất lượng bề mặt và hình dáng hình học của lỗ được quyết định bởi bề mặt chốt tạo lỗ độ bền của chốt trong quá trình làm việc.
Chốt tạo lỗ sản phẩm trong khuôn đúc áp lực có vai trò quan trọng đến sự hình thành và chất lượng cuối cùng của lỗ trên sản phẩm. Bố trí các chốt trong khuôn đúc áp lực Các chốt tạo lỗ cho sản phẩm trong khuôn đúc áp lực được lắp cố định trên tấm khuôn chính của nửa khuôn động Hình 1.6a; hoặc được lắp trên khối trượt của khuôn động đối khi sử dụng chốt trượt, khối trượt kéo chốt ra khỏi lòng khuôn khi mở khuôn và đẩy chốt trở lại lòng khuôn khi đóng khuôn Hình 1. Các lỗ trên chi tiết đúc có đường tâm lỗ vuông góc với bề mặt phân khuôn sử dụng chốt tạo lỗ cố định; các lỗ có đường tâm song song hoặc tạo thành góc với bề mặt phân khuôn phải dùng chốt trượt để đảm bảo đẩy được chi tiết đúc ra khỏi khuôn. Số lượng các chốt phụ thuộc vào số lượng chi tiết đúc được bố trí trong khuôn.
Kết cấu khuôn đúc áp lực và bố trí chốt trong khuôn (a) khuôn động, (b) khuôn tĩnh [40] Kết cấu, điều kiện làm việc chốt a. Kết cấu chốt Kết cấu chốt tạo lỗ được chia làm hai phần chính là phần làm việc nằm trong lòng khuôn và phần cố định nằm trong tấm khuôn chính. Hình dáng chủ yếu của chốt thường là hình trụ, một số khác là hình vuông hoặc chữ nhật tùy theo thiết kế lỗ trên chi tiết đúc. Phần làm việc của chốt trong khuôn được chế tạo côn thu về phía đầu chốt đảm bảo đẩy chi tiết đúc dễ dàng.
Phần cố định của chốt gồm phần trượt và phần chống xoay đối với chốt cố định hoặc kẹp chặt đối với chốt trượt. Chốt tạo lỗ sản phẩm vòng ôm Hình 1. Chốt tạo lỗ sản phẩm vòng ôm (Z117 - Bộ Quốc phòng) Chi tiết chốt tạo lỗ sản phẩm vòng ôm có kích thước chế tạo như trên Hình 1.7, gồm có hai phần chính: phần tạo lỗ sản phẩm (I) và phần (II) được lắp cố định trên tấm khuôn chính của khuôn động, đường tâm của chốt vuông góc với mặt phân khuôn. Phần (I) có kích thước côn với góc 10 và chiều dài L = 11+0,3 mm, đảm bảo thuận lợi cho quá trình rút chốt ra khỏi sản phẩm sau khi đông đặc được dễ dàng.