Giới thiệu dự án

Trong ngành công nghiệp chế tạo máy động lực và cơ giới công trình, piston là chi tiết đầu biên đóng vai trò đặc biệt quan trọng, cùng với xilanh và nắp máy tạo thành buồng đốt kín chịu tải trọng cơ - nhiệt chu kỳ khắc nghiệt (nhiệt độ làm việc tức thời lên đến $300^\circ\text{C} - 400^\circ\text{C}$, áp suất cháy cực đại $8 - 12\text{ MPa}$). Đồ án tốt nghiệp "Thiết kế khuôn đúc áp lực Piston CMD-62" của sinh viên Dương Hiển Sinh (GVHD: TS. Nguyễn Hữu Thật, Khoa Cơ khí - Trường Đại học Nha Trang) giải quyết bài toán chế tạo chi tiết piston động cơ máy đào hào CMD-62 phục vụ tăng gia sản xuất và nhiệm vụ kỹ thuật của Bộ Tư lệnh Công binh.

Hiện nay, ngành đúc kim loại màu tại Việt Nam đang từng bước chuyển dịch từ phương pháp đúc khuôn cát và rèn dập nóng/ép chảy sang đúc áp lực cao (HPDC - High Pressure Die Casting). Các phương pháp truyền thống tồn tại nhiều nhược điểm nghiêm trọng: độ nhám bề mặt lớn ($Ra > 12.5\ \mu\text{m}$), dung sai kích thước phôi thô lớn đòi hỏi lượng dư gia công cắt gọt cao (gây hao phí $30% - 40%$ khối lượng vật liệu), năng suất thấp và tỷ lệ khuyết tật rỗ co, rỗ khí cục bộ vượt quá $8%$.

Nhằm khắc phục triệt để các tồn tại trên, dự án tập trung vào các mục tiêu cụ thể:

  1. Xác lập cơ sở lý thuyết nhiệt - thủy động lực học của dòng kim loại lỏng nhôm silumin ACD12 trong khuôn kim loại dưới áp lực cao.
  2. Thiết kế kết cấu bộ khuôn đúc áp lực 1 lòng khuôn hoàn chỉnh trên phần mềm SolidWorks 2016 và Creo Parametric (Cast Cavity), tích hợp hệ thống cấp kim loại, rãnh xả xỉ/rãnh rửa (overflow wells), thoát khí (air vents), hệ thống làm mát đối lưu và cơ cấu đẩy cơ khí.
  3. Mô phỏng số hóa toàn diện quá trình điền đầy, truyền nhiệt và kết tinh đông đặc bằng phần mềm ProCAST chuyên dụng nhằm dự đoán, triệt tiêu khuyết tật bọt khí và rỗ ngót.
  4. Lập quy trình công nghệ gia công CNC chế tạo vỏ khuôn, lõi khuôn (insert) bằng phần mềm Mastercam và thiết lập 9 nguyên công gia công tinh sau đúc.

Phạm vi nghiên cứu ứng dụng cho dòng máy đúc áp lực buồng ép nguội nằm ngang công suất 350 Tấn, khối lượng phôi đúc 2.6 kg (tổng lượng rót 2.79 kg bao gồm hệ thống rót và đậu ngót). Giới hạn của đề tài tập trung vào bộ khuôn đúc đơn chiếc phục vụ chế tạo loạt vừa và lớn, bảo đảm độ chính xác hình học và cơ tính làm việc của chi tiết sau khi đúc mà không cần nhiệt luyện thể tích.

Phân tích và thiết kế giải pháp

Phân tích hiện trạng

Quá trình lựa chọn công nghệ tạo phôi piston được phân tích dựa trên sự so sánh đa tiêu chí giữa các giải pháp đúc và tạo hình cơ khí hiện hành:

Tiêu chí kỹ thuật / Kinh tế Đúc khuôn cát truyền thống Đúc ép chảy / Dập nóng Đúc áp lực cao (HPDC - Đề tài)
Độ chính xác kích thước Cấp chính xác thô IT14 - IT16 Cấp chính xác IT11 - IT12 Cấp chính xác cao IT8 - IT10
Độ nhám bề mặt ($Ra$) $25 - 50\ \mu\text{m}$ $6.3 - 12.5\ \mu\text{m}$ $0.63 - 3.2\ \mu\text{m}$ (đạt $Ra = 0.63\ \mu\text{m}$ tại lỗ chốt)
Cơ tính & Mật độ tổ chức Hạt thô, dễ phân nhánh dendrite Tổ chức mịn, dẻo dai cao Tổ chức sít chặt, hạt siêu mịn, bền nén cao
Khả năng đúc thành mỏng Hạn chế ($> 4.0\text{ mm}$) Trung bình ($> 3.0\text{ mm}$) Rất cao ($< 1.0\text{ mm}$)
Năng suất sản xuất $5 - 15\text{ sản phẩm/giờ}$ $40 - 80\text{ sản phẩm/giờ}$ $1000 - 3600\text{ lần ép/giờ}$
Chi phí gia công cắt gọt Rất cao (chiếm $50%$ giá thành) Trung bình (chiếm $30%$) Cực thấp (tiết kiệm $70%$ thời gian tiện/phay)

Dựa trên phương pháp phân loại yêu cầu MoSCoW:

  • Must have (Bắt buộc): Chịu được áp suất ép thủy tĩnh giai đoạn cuối $p_4 = 350\text{ bar}$, bảo đảm kích thước lắp ghép lỗ chốt ắc piston dung sai $0.01 - 0.015\text{ mm}$, độ ovan và độ côn $\le 0.005\text{ mm}$, không xuất hiện nứt nóng bề mặt.
  • Should have (Nên có): Bố trí hệ thống làm nguội cân bằng nhiệt độ khuôn ở dải $180^\circ\text{C} - 220^\circ\text{C}$, tối ưu đường dẫn kim loại cong tiếp tuyến hạn chế xói mòn lòng khuôn.
  • Could have (Có thể mở rộng): Tích hợp cảm biến áp suất buồng ép và van chân không hỗ trợ hút khí chủ động.
  • Won't have (Không xét trong đồ án): Hệ thống cấp phôi nhôm tự động hóa bằng robot công nghiệp đa trục.

Thiết kế hệ thống

Kiến trúc bộ khuôn đúc áp lực piston CMD-62 được thiết kế đồng bộ theo kết cấu khuôn 2 nửa (nửa cố định bắt trên tấm tĩnh và nửa di động bắt trên tấm động của máy đúc):

+---------------------------------------------------------------+
|                    HỆ THỐNG KHUÔN ĐÚC HPDC                   |
+-------------------------------+-------------------------------+
                                |
      +-------------------------+-------------------------+
      |                                                   |
+-----v-------------------------+   +---------------------v-----+
|       NỬA KHUÔN CỐ ĐỊNH       |   |      NỬA KHUÔN DI ĐỘNG    |
+-------------------------------+   +---------------------------+
| - Bạc cuống phun (Shot sleeve)|   | - Lõi khuôn đực (Core)    |
| - Insert lòng khuôn cái       |   | - Tấm giữ & Tấm đẩy chốt  |
| - Kênh dẫn dòng tiếp tuyến    |   | - Chốt hồi (Return pins)  |
| - Vỏ khuôn tĩnh (SKD61)       |   | - Hệ thống kênh làm mát   |
+-------------------------------+   +---------------------------+

Technology Stack kỹ thuật số ứng dụng trong đồ án:

  • Phần mềm thiết kế hình học CAD: SolidWorks 2016 (dựng mô hình 3D tham số hóa, tính toán thể tích và trọng tâm), Creo Parametric 3.0 Module Cast Cavity (tính toán góc nghiêng thoát khuôn, tự động phân tách mặt phân khuôn phẳng - phức hợp, tạo lòng khuôn đực/cái).
  • Phần mềm tính toán mô phỏng CAE: ESI ProCAST (phương pháp phần tử hữu hạn FEM giải hệ phương trình Navier-Stokes và phương trình truyền nhiệt Fourier 3D).
  • Phần mềm lập trình gia công CAM: Mastercam 2017 (lập đường chạy dao phay CNC 3 trục gia công vỏ khuôn và hạt insert tôi cứng).
  • Vật liệu chế tạo chi tiết đúc: Hợp kim nhôm đúc Silumin phức tạp mác ACD12 (thành phần: $12%\text{ Si}$, $3.5%\text{ Cu}$, $0.9%\text{ Fe}$, $0.3%\text{ Mg}$, $1%\text{ Zn}$, $0.5%\text{ Mn}$, $0.5%\text{ Ni}$, $0.3%\text{ Sn}$; nhiệt dung riêng $C_1 = 910\text{ J/kg}\cdot\text{K}$, hệ số dẫn nhiệt $140.4\text{ W/m}\cdot\text{K}$, mô đun đàn hồi $E = 6900\text{ kg/mm}^2$).
  • Vật liệu chế tạo khuôn: Thép hợp kim dụng cụ gia công nóng DAC (tương đương JIS SKD61 / AISI H13), tôi chân không ram đạt độ cứng thể tích $43 - 46\text{ HRC}$, lớp mặt làm việc thấm Nitơ chiều sâu $0.15\text{ mm}$ đạt độ cứng bề mặt $68 - 70\text{ HRC}$ nhằm chống mài mòn thủy động và chống sốc nhiệt (thermal fatigue).

Methodology

Quy trình nghiên cứu áp dụng mô hình phát triển tích hợp kỹ thuật số (Digital Engineering Methodology), kết hợp lý thuyết giải tích và mô phỏng số kiểm chứng liên tục:

  • Milestone 1 (Tuần 1 - 3): Khảo sát hình học Piston CMD-62, xác lập yêu cầu kỹ thuật và tính toán nhiệt động học đúc áp lực.
  • Milestone 2 (Tuần 4 - 7): Thiết kế kết cấu 3D hệ thống rót, miệng phun, rãnh xỉ, kênh dẫn và cơ cấu cơ khí bộ khuôn trên CAD.
  • Milestone 3 (Tuần 8 - 11): Thiết lập lưới phần tử hữu hạn, gán điều kiện biên nhiệt - thủy lực và chạy mô phỏng ProCAST; tối ưu hóa kích thước cổng vào $F_A$.
  • Milestone 4 (Tuần 12 - 14): Lập trình gia công CAM Mastercam cho lòng khuôn và xây dựng quy trình 9 nguyên công sau đúc.
  • Milestone 5 (Tuần 15): Tổng hợp dữ liệu, đánh giá độ tin cậy và nghiệm thu đồ án.

Đánh giá rủi ro kỹ thuật: Hiện tượng thủy kích (water hammer effect) khi kết thúc hành trình điền đầy dễ gây biến dạng mặt phân khuôn làm tràn ba via nhôm; giải pháp là tính toán lực khóa khuôn tĩnh $P_{khóa} \ge 350\text{ Tấn}$ kết hợp đệm khuếch đại áp lực khí nitơ $N_2$ bổ hồi áp suất tĩnh $p_4$.

Implementation và kết quả

Development process

Quá trình tính toán động học và thủy lực học điền đầy dựa trên hệ phương trình dòng liên tục và định luật bảo toàn năng lượng:

// Mô phỏng thuật toán tính toán thông số động học phun ép
Input: Khối lượng đúc m = 2.6 kg; Khối lượng hệ thống rót m_r = 0.1 kg;
       Đường kính buồng ép D_p = 75 mm; Hành trình ép L = 450 mm;
Output: Vận tốc phun rãnh dẫn v_p; Vận tốc piston v_pt; Thời gian điền đầy T_G;

1. Xác định thể tích kim loại lỏng cần thiết:
   V_total = (m + m_r) / rho_Al = 2.7 kg / (2.8 * 10^-3 kg/cm^3) = 964.28 cm^3;
2. Xác định diện tích cổng vào F_A (Gate Area):
   F_A = V_total / (v_p * T_G)
   Với v_p = 105 m/s (chọn max dải 35 - 105 m/s cho nhôm ACD12);
   T_G = 0.045 s (tra theo chiều dày thành danh nghĩa delta = 3.8 mm);
   => F_A = 96428 mm^3 / (105000 mm/s * 0.045 s) = 20.4 mm^2;
3. Xác định phân đoạn tiệm cận chậm (Slow Shot Phase):
   L_slow = L_total - L_fast = 450 mm - 166 mm = 284 mm;
   Vận tốc tiệm cận chậm v_1 = 2.8 m/s (tránh tạo sóng cuộn khí trong buồng xilanh);
4. Tăng áp giai đoạn 2 (Fast Shot): Vị trí bắt đầu tăng áp 60% tại 270 mm, đạt 80% tại 360 mm.

Kiểm tra điều kiện không đông đặc sớm qua công thức tính thời gian dẫn nhiệt quá nhiệt $t_{qn}$:

$$t_{qn} = \frac{C_1 \cdot \rho \cdot \delta}{\alpha} \ln\left( \frac{T_r - T_k}{T_{kt} - T_k} \right)$$

Trong đó:

  • $C_1 = 0.26\text{ kcal/kg}\cdot^\circ\text{C}$ (nhiệt dung riêng nhôm lỏng)
  • $\rho = 2800\text{ kg/m}^3$ (khối lượng riêng)
  • $\delta = 17\text{ mm} = 0.017\text{ m}$ (bán chiều dày thành vật đúc lớn nhất)
  • $\alpha = 17.45\text{ W/m}^2\cdot^\circ\text{C}$ (hệ số trao đổi nhiệt khuôn - kim loại)
  • Nhiệt độ rót $T_r = 700^\circ\text{C}$, nhiệt độ kết tinh $T_{kt} = 585^\circ\text{C}$, nhiệt độ nung nóng khuôn $T_k = 200^\circ\text{C}$.

Kết quả tính toán: $t_{qn} = 0.56\text{ s}$. Do $t_{qn} = 0.56\text{ s} > T_G = 0.45\text{ s}$, kim loại hoàn toàn duy trì trạng thái lỏng trong suốt hành trình điền đầy, bảo đảm khả năng truyền áp suất nén đồng đều.

Tính toán lực tách khuôn $P_{tách}$ tác dụng lên ruột lõi: $$P_{tách} = f \cdot p \cdot F = 0.35 \times (350 \times 10^5\text{ N/m}^2) \times 0.128\text{ m}^2 = 156.8\text{ kN}$$ (với hệ số ma sát $f = 0.35$, diện tích tiếp xúc lòng khuôn $F = 1280\text{ cm}^2$).

Testing và validation

Kết quả mô phỏng CAE trên phần mềm ProCAST cho thấy các đặc tính định lượng vượt trội:

  • Vận tốc điền đầy tại cổng vào: Đạt ổn định $v_p = 104.2\text{ m/s}$ (sai lệch $0.76%$ so với tính toán lý thuyết $105\text{ m/s}$), dòng chảy phẳng dạng tầng, không xảy ra va đập trực giao gây xói mòn lòng khuôn đực.
  • Áp suất điền đầy: Phân bố đều $320 - 350\text{ bar}$, áp lực dồn nén đỉnh triệt tiêu hoàn toàn bẫy khí cục bộ ở đáy váy piston.
  • Trường nhiệt độ và tiêu chuẩn Niyama ($Ny$):

$$Ny = \frac{G}{\sqrt{\dot{T}}}$$

Chỉ số Niyama tại khu vực vấu chốt ắc piston đạt giá trị $> 1.2\text{ (K}\cdot\text{s})^{1/2}/\text{mm}$, chứng minh vùng này không có nguy cơ hình thành rỗ xốp tế vi (micro-porosity).

================ PROCAST SIMULATION BENCHMARK SUMMARY ================
[Metric]                  [Theoretical Target]    [ProCAST Result]
Filling Time (T_G)        0.45 s                  0.442 s
Max Filling Velocity      105.0 m/s               104.2 m/s
Liquid Temp at Fill End   > 585.0 °C              612.4 °C (No Pre-solidification)
Air Entrapment Volume     < 1.0 %                 0.32 %
Residual Shrinkage Por.   < 0.5 %                 0.18 % (Concentrated in overflows)
======================================================================

Kết quả đạt được

Hệ thống khuôn đúc áp lực Piston CMD-62 hoàn thiện đáp ứng toàn bộ các thông số thiết kế:

  1. Bản vẽ lắp tổng thể và chi tiết 2D/3D của 18 cụm chi tiết khuôn (Vỏ khuôn đực/cái, lõi insert SKD61, chốt đẩy $\varnothing 12$, chốt dẫn hướng $\varnothing 32$, bạc cuống phun $\varnothing 75$, tấm gối đỡ).
  2. Tỷ lệ điền đầy buồng ép đạt $34.5%$ thể tích, hành trình chuyển tiếp êm thuận loại bỏ $99.6%$ bọt khí cuốn theo.
  3. Quy trình 9 nguyên công gia công cơ khí hoàn thiện chi tiết sau đúc:
    • Nguyên công 1: Tiện vát mép lỗ $\varnothing 20.1 \times 4^\circ$.
    • Nguyên công 2 & 3: Tiện thô và tiện tinh 3 rãnh xéc-măng (vòng găng) đạt dung sai bề rộng rãnh $\pm 0.015\text{ mm}$.
    • Nguyên công 4 & 5: Phay doa tinh lỗ ắc piston đạt $Ra = 0.63\ \mu\text{m}$ và phay rãnh phe gài chốt.
    • Nguyên công 6: Tiện định hình profile ô-van thân piston bù biến dạng giãn nở nhiệt khi làm việc.
    • Nguyên công 7: Khoan cụm lỗ hồi dầu bôi trơn $\varnothing 2.5\text{ mm}$.
    • Nguyên công 8 & 9: Kiểm tra tổng thành trên máy đo toạ độ CMM và thử nghiệm lắp ghép cụm động cơ.

Đổi mới và đóng góp

  1. Cải tiến thủy động hệ thống rót cong tiếp tuyến: Thay thế phương án rót trực giao truyền thống bằng kênh dẫn cong tiếp tuyến R15, giảm góc va đập dòng chảy từ $90^\circ$ xuống $< 30^\circ$. Đổi mới này giúp giảm $65%$ hiện tượng mài mòn xói lở bề mặt insert khuôn và giảm độ xoáy cuốn khí (turbulence).
  2. Thiết kế tích hợp rãnh rửa cân bằng nhiệt (Thermal Balanced Overflows): Bố trí hệ thống rãnh rửa cục bộ thể tích $0.1\text{ kg}$ ($3.8%$ thể tích vật đúc) tại vị trí hội lưu của hai dòng nhôm nguội, nâng nhiệt độ vùng kết thúc điền đầy lên trên $610^\circ\text{C}$, loại bỏ triệt để khuyết tật nếp xếp chồng (cold shut).
  3. Quy trình nhiệt luyện thấm Nitơ thể tích - bề mặt: Đề xuất chế độ nhiệt luyện kép cho thép DAC/SKD61: Tôi chân không $1030^\circ\text{C}$ ram 2 lần đạt $45\text{ HRC}$, sau đó thấm Nitơ thể khí ở $520^\circ\text{C}$ tạo lớp biến tính $0.15\text{ mm}$ độ cứng $70\text{ HRC}$, giúp tăng tuổi thọ làm việc của bộ khuôn lên tới hơn $120.000\text{ shot}$ (so với $40.000\text{ shot}$ của khuôn không thấm nitơ).
  4. Hiệu quả kinh tế - kỹ thuật: So sánh định lượng với phương pháp phôi dập nóng ép chảy trước đây:
Chỉ số kinh tế / Kỹ thuật Phôi ép chảy dập nóng Đúc áp lực cao HPDC CMD-62 Tỷ lệ cải thiện (%)
Thời gian chu kỳ tạo phôi $180\text{ giây/sản phẩm}$ $38\text{ giây/shot}$ $\mathbf{78.8%}$ nhanh hơn
Tiêu hao kim loại nguyên liệu $3.9\text{ kg phôi thô}$ $2.79\text{ kg (cả cuống rót)}$ $\mathbf{28.5%}$ tiết kiệm vật liệu
Thời gian gia công cắt gọt $45\text{ phút/chi tiết}$ $12\text{ phút/chi tiết}$ $\mathbf{73.3%}$ giảm giờ máy CNC
Độ bám dính & Rỗ co bề mặt $4.2%$ tỷ lệ phế phẩm $< 0.8%$ tỷ lệ khuyết tật $\mathbf{80.9%}$ giảm phế phẩm

Ứng dụng thực tế và triển khai

Kịch bản triển khai sản xuất

Bộ khuôn đúc áp lực piston CMD-62 được thiết kế chuẩn hóa để gá đặt trực tiếp trên các dòng máy đúc áp lực buồng ép nguội nằm ngang lực kẹp $350 - 400\text{ Tấn}$ (như máy Toshiba DC350, Toyo BD-350V5 hoặc LK Machinery DCC350). Quy trình triển khai thực tế gồm 4 giai đoạn chuẩn:

  • Giai đoạn 1: Chuẩn bị nhiệt: Sấy nóng khuôn sơ bộ bằng thanh gia nhiệt điện trở hoặc dầu tải nhiệt đạt $180^\circ\text{C} - 200^\circ\text{C}$; nấu chảy hợp kim nhôm ACD12 trong lò múp điện trở, khử khí bằng khí trơ Argon và biến tính tinh luyện hạt bằng muối Na/Sr ở $720^\circ\text{C}$, hạ nhiệt độ rót về $700^\circ\text{C}$.
  • Giai đoạn 2: Chu kỳ đúc tự động: Phun chất bôi trơn làm mát bề mặt khuôn $\rightarrow$ Đóng khuôn kẹp chặt (Lực khóa $350\text{ T}$) $\rightarrow$ Múc nhôm lỏng $2.79\text{ kg}$ vào cốc rót buồng ép $\rightarrow$ Piston di chuyển chậm $284\text{ mm}$ ($v_1 = 2.8\text{ m/s}$) $\rightarrow$ Phun ép tốc độ cao $v_p = 105\text{ m/s}$ ($T_G = 0.045\text{ s}$) $\rightarrow$ Tăng áp tĩnh $p_4 = 350\text{ bar}$ duy trì trong $3.5\text{ s}$ $\rightarrow$ Mở khuôn, chốt đẩy đẩy sản phẩm ra ngoài.
  • Giai đoạn 3: Cắt bavia và gia công cơ khí: Cắt bavia rãnh dẫn/rãnh xỉ bằng khuôn dập nguội, chuyển phôi sang chuyền gia công CNC thực hiện 9 nguyên công.

Phân tích chi phí và hiệu quả đầu tư (ROI)

  • Chi phí chế tạo bộ khuôn: Ước tính 180.000.000 VNĐ (bao gồm vật liệu thép SKD61, gia công CNC, nhiệt luyện tôi chân không và thấm nitơ).
  • Quy mô lô sản xuất tối ưu: $5.000 - 50.000\text{ sản phẩm/năm}$.
  • Thời gian hoàn vốn đầu tư (Payback Period): Nhờ giảm $73.3%$ chi phí giờ máy cắt gọt và tiết kiệm $1.11\text{ kg}$ nhôm nguyên sinh trên mỗi đầu sản phẩm, chi phí khấu hao bộ khuôn được thu hồi toàn bộ sau khi sản xuất $2.200\text{ chi tiết}$ (tương đương khoảng $1.5\text{ tháng}$ vận hành ở công suất trung bình).

Hạn chế và hướng phát triển

Hạn chế kỹ thuật hiện tại

  • Đồ án thiết kế khuôn 1 lòng khuôn đơn chiếc nhằm bảo đảm an toàn lực khóa trên máy 350T; chưa khai thác hết công suất nếu chuyển giao sang các máy đúc lớn hơn ($650 - 800\text{ T}$).
  • Hệ thống thoát khí là kênh rãnh hở tự nhiên ($0.10 - 0.20\text{ mm}$), chưa tích hợp khối van hút chân không chủ động (Vacuum-assisted Die Casting).
  • Quá trình rót kim loại lỏng từ lò nấu vào buồng ép vẫn dự kiến thực hiện bán thủ công, phụ thuộc vào tay nghề công nhân.

Hướng phát triển và nghiên cứu tiếp theo

  1. Ứng dụng đúc áp lực hỗ trợ hút chân không (VPDC): Tích hợp cảm biến áp suất và van chân không siêu tốc rút áp suất lòng khuôn xuống $< 50\text{ mbar}$ trước khi kim loại phun vào, giúp triệt tiêu hoàn toàn rỗ khí siêu nhỏ, cho phép xử lý nhiệt luyện T6 sau đúc để nâng giới hạn bền kéo lên $> 320\text{ MPa}$.
  2. Kênh làm mát bảo toàn hình học (Conformal Cooling Channels): Ứng dụng công nghệ in 3D kim loại SLM chế tạo các lõi insert có kênh làm mát uốn lượn sát biên dạng váy piston, giảm chu kỳ làm nguội từ $15\text{ s}$ xuống $8\text{ s}$.
  3. Tự động hóa hoàn toàn xưởng đúc (Smart Foundry 4.0): Tích hợp tay máy Robot rót nhôm tự động, robot gắp sản phẩm và hệ thống giám sát nhiệt độ lòng khuôn bằng camera hồng ngoại thời gian thực (Thermal Imaging Monitoring).

Đối tượng hưởng lợi

  • Sinh viên & Học viên ngành Cơ khí Chế tạo máy / Kỹ thuật Vật liệu: Nguồn tài liệu tham khảo chuẩn xác về phương pháp tính toán thủy - nhiệt động lực học khuôn đúc kim loại màu, quy trình kết nối chuỗi phần mềm CAD/CAE/CAM (SolidWorks - Creo - ProCAST - Mastercam).
  • Kỹ sư thiết kế khuôn mẫu (Mold & Die Engineers): Cung cấp các công thức tính thực nghiệm, kích thước tiêu chuẩn rãnh dẫn, rãnh xả khí và bảng chế độ công nghệ phun ép cho hợp kim nhôm đúc Silumin ACD12.
  • Doanh nghiệp đúc và phụ tùng ô tô - xe máy - máy công trình: Giải pháp công nghệ thay thế phôi rèn ép dập giúp giảm $28.5%$ chi phí nguyên vật liệu, nâng cao năng lực cạnh tranh trong chuỗi cung ứng linh kiện cơ khí chính xác.
  • Bộ Tư lệnh Công binh & Các đơn vị kỹ thuật quân sự: Tự chủ công nghệ chế tạo phụ tùng thay thế chất lượng cao cho khí tài, máy công binh đặc chủng CMD-62 mà không phụ thuộc vào nguồn phụ tùng nhập khẩu.

Câu hỏi thường gặp

1. Yêu cầu kỹ thuật cốt lõi để gá đặt và vận hành bộ khuôn này trên máy đúc là gì?

Máy đúc áp lực phải có lực kẹp khuôn tối thiểu $350\text{ Tấn}$ ($3500\text{ kN}$), đường kính xilanh ép $\varnothing 75\text{ mm}$, hành trình mở khuôn tối thiểu $450\text{ mm}$ bảo đảm không gian đẩy piston ra ngoài, và hệ thống thủy lực có bộ tích năng khí $N_2$ đạt áp suất tăng cường $\ge 350\text{ bar}$.

2. Vì sao trong tính toán động học phải chia giai đoạn bắn ép thành "tiệm cận chậm" và "phun ép cao tốc"?

Nếu piston đẩy nhanh ngay từ đầu, sóng nhôm lỏng sẽ hình thành bên trong buồng ép, cuộn không khí vào trong dòng chảy gây ra rỗ khí thể tích nghiêm trọng. Hành trình tiệm cận chậm ($284\text{ mm}$ ở tốc độ $2.8\text{ m/s}$) gom kim loại lỏng điền kín miệng cốc rót và đuổi khí ra ngoài trước khi kích hoạt pha bắn cao tốc ($105\text{ m/s}$) để điền đầy lòng khuôn trong $0.045\text{ s}$.

3. Làm thế nào để kiểm soát và triệt tiêu hiện tượng dính khuôn và nứt nhiệt insert SKD61?

Cần thực hiện đồng bộ 3 giải pháp: (1) Gia công đánh bóng lòng khuôn đạt $Ra \le 0.4\ \mu\text{m}$ và góc thoát khuôn $\ge 1^\circ - 1.5^\circ$; (2) Thấm Nitơ bề mặt đạt độ cứng $68 - 70\text{ HRC}$; (3) Phun phủ chất bôi trơn gốc nước chuyên dụng kết hợp duy trì nhiệt độ khuôn ổn định $180^\circ\text{C} - 220^\circ\text{C}$ bằng hệ thống làm mát đối lưu tuần hoàn.

4. Tại sao chi tiết sau khi đúc áp lực cao ACD12 không cần nhiệt luyện tôi - ram?

Do kim loại lỏng được điền đầy dưới áp suất cao và nguội cực nhanh trong khuôn kim loại ($> 100^\circ\text{C/s}$), tổ chức hạt pha $\alpha$ và cùng tinh Al-Si phân tán siêu mịn sít chặt tự nhiên, mang lại cơ tính bền nén và độ cứng vững cao ($HB \ge 85 - 100$) đáp ứng ngay điều kiện làm việc của piston mà không cần nhiệt luyện (vốn dễ gây phồng rộp bề mặt do khí giãn nở ở nhiệt độ tôi).

5. Dung sai hình học biên dạng ô-van của piston CMD-62 được bảo đảm bằng cách nào?

Đúc áp lực tạo phôi thô có dung sai $\pm 0.2\text{ mm}$. Biên dạng ô-van phi đối xứng (trục lớn vuông góc với tâm chốt ắc, trục nhỏ song song tâm chốt) được hoàn thiện ở Nguyên công 6 bằng máy tiện CNC chuyên dụng sử dụng đầu dao điều khiển thủy lực/servo dao động theo góc quay trục chính (Non-circular CNC Turning), bảo đảm độ ô-van chính xác $\le 0.005\text{ mm}$.

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp "Thiết kế khuôn đúc áp lực Piston CMD-62" của tác giả Dương Hiển Sinh dưới sự hướng dẫn của TS. Nguyễn Hữu Thật là một công trình nghiên cứu ứng dụng toàn diện, giải quyết trọn vẹn chuỗi giá trị kỹ thuật từ tính toán nhiệt - thủy động lực học, mô hình hóa 3D CAD, mô phỏng số hóa dòng chảy CAE ProCAST đến lập trình công nghệ chế tạo CAM Mastercam và quy trình gia công cơ khí chính xác.

Kết quả nghiên cứu không chỉ chứng minh tính khả thi cao trong việc làm chủ công nghệ đúc áp lực nhôm silumin chất lượng cao tại Việt Nam mà còn mang lại giá trị kinh tế trực tiếp: tăng năng suất chế tạo phôi lên $78.8%$, giảm $73.3%$ thời gian gia công cắt gọt và tối ưu hóa chi phí sản xuất phụ tùng cơ giới đặc chủng phục vụ quốc phòng và dân sinh. Đây là mô hình kiểu mẫu cho các đề tài đồ án tốt nghiệp kỹ thuật cơ khí định hướng ứng dụng và chuyển giao công nghệ thực tiễn.