Chương 1: Giới thiệu Chương 2: Tổng quan nghiên cứu đề tài Chương 3: Cơ sở lý thuyết Chương 4: Phương hướng và các giải pháp về thiết kế hệ thống kênh dẫn Chương 5: Tính toán, thiết kế hoàn thiện khuôn đúc Chương 6: Chế tạo và thực nghiệm 2 CHƯƠNG 2 CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU ĐỀ TÀI 2.1 Giới thiệu về công nghệ đúc 2.1 Khái niệm chung về đúc Phương pháp đúc là một quá trình trong đó kim loại được nấu chảy và được rót vào lòng khuôn đúc có hình dáng và kích thước của vật đúc. Sau khi kim loại đông đặc, ta thu được vật đúc có hình dạng giống như lòng khuôn đúc. Vật đúc có thể đem sử dụng ngay được gọi là chi tiết đúc. Tuy nhiên, ở một số trường hợp, vật đúc cần phải trải qua thêm cái công đoạn gia công cơ khí khác để nâng cao độ chính xác về kích thước và độ bóng bề mặt thì được gọi là phôi đúc.2 Công nghệ đúc áp lực cao Công nghệ đúc áp lực cao là quá trình mà kim loại nóng chảy được nén dưới áp lực và tốc độ cao rồi được đẩy vào trong lòng khuôn.
Sau đó được giữ cho đến khi kim loại lỏng hoàn toàn được đông đặc lại. Công nghệ này được sử dụng phổ biến cho các chi tiết có độ phức tạp về mặt hình dáng và độ dày thành nhỏ cũng như có độ chính xác cao như vỏ hoặc các bộ phận của hộp giảm tốc. Đúc áp lực cao thường dùng kim loại màu có nhiệt độ nóng chảy thấp và độ loãng cao như hợp kim nhôm, kẽm, đồng, magie… Có hai loại cơ cấu bắn kim loại lỏng là cơ cấu đúc áp lực buồng nóng và cơ cấu đúc áp lực buồng nguội.1: Cơ cấu đúc áp lực cao buồng nóng 3 CHƯƠNG 2 Cơ cấu đúc áp lực buồng nóng: Piston đẩy vật liệu nóng chảy được đặt nằm thẳng đứng và hướng xuống lò giữ nhiệt. Đây là nơi chứa kim loại nóng chảy, được liên kết với đầu phun thông qua cổ cò.
Các bộ phận như đầu piston đẩy vật liệu và một phần của cổ cò được đặt trong lò giữ nhiệt. Chúng tiếp xúc liên tục với kim loại nóng chảy nên cần sự bảo dưỡng thường xuyên. Cơ cấu này thường áp dụng cho các hợp kim như kẽm, thiếc, chì.2: Cơ cấu đúc áp lực cao buồng nguội Cơ cấu đúc áp lực cao buồng nguội: Kim loại được nung ở lò riêng và được đổ vào buồng ép (sơ mi) bằng thủ công (dùng gáo múc) hoặc tự động (cánh tay robot). Sau đó, piston sẽ đẩy vật liệu lỏng trong buồng ép vào lòng khuôn.
Dựa vào hướng chuyển động của piston, có hai dạng máy đúc áp lực chính: - Máy đúc áp lực buồng nguội với cơ cấu cấp liệu thẳng đứng (chủ yếu áp dụng cho công nghệ đúc áp lực thấp). - Máy đúc áp lực buồng nguội với cơ cấu cấp liệu nằm ngang (chủ yếu áp dụng cho công nghệ đúc áp lực cao). Cơ cấu cấp liệu buồng nguội bao gồm các thành phần như xylanh, piston và buồng ép. Hợp kim nhôm và đồng là hai hợp kim được sử dụng phổ biến nhất đối với cơ cấu đúc áp lực cao buồng nguội này.
Ưu điểm: - Sản xuất các chi tiết lớn với độ dày thành mỏng, thể tích lớn và tốc độ sản xuất nhanh. - Sản phẩm có độ chính xác cao, độ hoàn thiện về bề mặt, tối ưu về mặt cơ tính. - Góp phần thúc đẩy phát triển sản xuất hàng loạt và giảm giá thành sản phẩm. 4 CHƯƠNG 2 Nhược điểm: - Rỗ khí là điểm yếu điển hình và không thể loại bỏ hoàn toàn khỏi sản phẩm, tạo ra các nốt phồng trên bề mặt sản phẩm.
- Chi phí đầu tư cao hơn các phương pháp gia công khác.2 Các khuyết tật khi đúc Trong quá trình đúc, dòng kim loại được đông đặc trong lòng khuôn để tạo thành hình dạng của vật mẫu mong muốn. Và trong quá trình hóa rắn của vật liệu nóng chảy, các khuyết tật có thể phát sinh do sự bất thường của vật liệu đúc hoặc quá trình đúc. Một số nguyên nhân dẫn đến các khuyết tật đúc như là do sự phát triển của khí, cách đổ dung dịch vào khuôn, hoặc do độ co ngót trong quá trình đông đặc của kim loại chuyển từ trạng thái lỏng sang trạng thái rắn.1 Rỗ Có hai loại rỗ trong sản phẩm đúc. Một là rỗ khí (gas porosity), hình thành trong quá trình điền đầy kim loại, phần khí bị cuộn xoắn vào trong dòng kim loại, từ đó tạo nên các phần bọt khí có kích thước khác nhau và làm giảm chiều dày vật đúc.
Hai là rỗ co (shrinkage), được sinh ra trong quá trình đông đặc của vật liệu khi chuyển trạng thái từ lỏng sang rắn. Từ đó hình thành các rỗ trong sản phẩm đúc.3: Hiện tượng rỗ trong đúc kim loại Các khuyết tật về rỗ làm ảnh hưởng đến bề mặt và tính thẩm mỹ của vật đúc, làm giảm độ bền cơ học, làm giảm chất lượng của sản phẩm (dễ bị phá hủy khi gặp ứng suất lớn).2 Nứt nguội Khuyết tật nứt nguội (ngắt nguội) sinh ra trên sản phẩm tại những khu vực mà có hai dòng chảy kim loại tiếp xúc với nhau trong quá trình điền đầy, vì thế chúng tạo thành các đường đứt đoạn không liên tục trong quá trình đúc. Hiện tượng này thường làm giảm sự kết dính của vật liệu và độ bền của sản phẩm. 5 CHƯƠNG 2 Nứt nguội Hình 2.4: Hiện tượng nứt nguội trong đúc kim loại 2.3 Xói mòn khuôn Hiện tượng này xảy ra khi dòng kim loại có nhiệt độ cao và vận tốc cao tiếp xúc trực tiếp với bề mặt lòng khuôn.
Kết quả là, làm giảm thiểu chất lượng bề mặt của sản phẩm, tăng độ nhám và giảm tuổi thọ của khuôn.1: Một số khuyết tật đúc và biện pháp phòng ngừa [1] Dạng STT Nguyên nhân Biện pháp phòng ngừa khuyết tật Tăng tốc độ dòng nạp và áp lực ép, Dòng kim loại hoặc dòng khí giảm thời gian điền đầy, thay đổi vị 1 Không liền trong khuôn chảy đối kháng. trí dẫn kim loại và vật đúc để khử áp lực đối kháng. Kim loại nguội và đông đặc Tăng nhiệt độ rót, tốc độ nạp và tốc quá sớm, áp lực khí trong 2 Không đầy độ ép, tăng dung tích gáo định lượng khuôn quá lớn hoặc thiếu kim và buồng ép. Ứng suất do nguội không đều, Thay đổi kết cấu vật đúc, tăng diện Vết nứt 3 lỗ xốp lớn làm giảm độ bền ở tích rãnh hơi và tăng thời gian điền xuyên suốt trạng thái nóng.
Bề mặt lồi Tốc độ dòng chảy quá nhỏ và Tăng tốc độ dòng và tốc độ ép, thay 4 lõm, không trở lực thủy lực trong khuôn đổi kết cấu vật đúc hoặc tăng rãnh đều quá lớn.3 Tổng quan về vật liệu đúc Hợp kim nhôm là hợp chất được tạo ra từ nhôm và các nguyên tố kim loại khác như đồng, magie, silic, kẽm, sắt. Trong đó, tỷ trọng của nhôm thường cao hơn các thành phần kim loại khác nên hợp chất thường mang nhiều đặc tính của kim loại nhôm. Hợp kim nhôm thường có màu trắng bạc, ánh kim nhẹ, cấu trúc tốt và các đặc tính cơ bản như khả năng chống ăn mòn, chống oxy hóa tốt, khối lượng nhẹ, mềm, độ cứng, độ bền cao hơn so với vật liệu nhôm nguyên chất. Hiện nay, hợp kim nhôm được sử dụng phổ biến, đặc biệt là đối với các sản phẩm sử dụng công nghệ đúc.
Một số đặc tính vượt trội của hợp kim nhôm như độ bền cao, dễ gia công do có tính dẻo dai, tính hàn tốt. Ngoài ra, khả năng đúc tăng lên đáng kể khi tăng tỷ lệ tương ứng theo thành phần hóa học cùng với khoảng thời gian đông đặc ngắn. Hợp kim nhôm đúc có tính hóa học vô cùng ổn dụng nên có khả năng chống ăn mòn cao và có đặc tính bề mặt tốt. Theo tiêu chuẩn Việt Nam, hợp kim của nhôm được ký hiệu bằng các ký hiệu hóa học của các nguyên tố và theo sau mỗi ký hiệu là số chỉ hàm lượng theo %.
Nếu là hợp kim nhôm đúc, ở cuối cùng ghi thêm chữ Đ. Theo tiêu chuẩn AA (Aluminium Association) của Mỹ, hợp kim nhôm được ký hiệu AA xxxx, số đầu tiên có nghĩa như bảng 2.2, ba số xxx tiếp theo sẽ dùng để tra bảng để biết cụ thể các tính chất.2: Một số ký hiệu của nhôm và hợp kim nhôm [15] Loại biến dạng Loại đúc 1xxx Al sạch (>99%) 1xx.x Al thỏi 2xxx Al-Cu hoặc Al-Cu-Mg 2xx.x Al-Cu 3xxx Al-Mn 3xx.x Al-Si-Mg hoặc Al-Si-Cu 4xxx Al-Si 4xx.x Al-Si 5xxx Al-Mg 5xx.x Al-Mg 6xxx Al-Mg-Si 6xx.x Không có 7xxx Al-Zn-Mg hoặc Al-Zn-Mg-Cu 7xx.x Al-Zn 8xxx Al-các nguyên tố khác 8xx.x Al-Sn 7 CHƯƠNG 2 Đối với mỗi nguyên tố khác nhau trong hợp kim nhôm sẽ tạo ra những đặc tính khác nhau. Ví dụ như Silic – tăng tính lỏng, độ bền, giảm nhiệt độ nóng chảy và cải thiện tính đúc, Đồng – cải thiện độ bền, khả năng tạo hình, khả năng chống ăn mòn và Magie – tăng độ bền độ dẻo và độ va đập. Một số đặc điểm và tính ứng dụng của một số loại hợp kim nhôm điển hình: - Hợp kim Al-Cu loại 2xxx và các hợp kim Al-Zn-Mg-Cu loại 7xxx thường được sử dụng trong ngành công nghiệp hàng không vì độ bền tương đối cao.
- Hợp kim Al-Mg loại 5xxx có khả năng chống ăn mòn tốt, phù hợp cho các ứng dụng trong môi trường ăn mòn, ví dụ như xây dựng hoặc đóng tàu. - Hợp kim nhôm đúc Al-Si loại 4xxx và hợp kim Al-Mg-Si loại 6xxx được sử dụng rộng rãi trong ngành công nghiệp ô tô do khả năng đúc, khả năng hàn và cơ tính tốt.1 Máy đúc áp lực cao YOTA DC-100V5 Hình 2.5: Máy đúc áp lực cao YOTA DC-100V5 Máy đúc áp lực cao YOTA DC-100V5 - Nhà sản xuất: YOTA - Mô hình: DC-100V5 - Nơi sản xuất: Taiwan 8 CHƯƠNG 2 Bảng 2.3: Thông số kỹ thuật máy đúc Yota [13] Model Đơn vị DC-100V5 Cơ cấu kẹp Lực kẹp tấn 100 Khoảng mở khuôn mm 275 Chiều cao khuôn (min/max) mm 200 – 450 Bệ máy mm 620 × 620 Khoảng cách thanh nối (Tie Bar) mm 395 × 395 Cơ cấu đúc Lực đúc tấn 16.6 Hành trình piston mm 355 Áp suất đúc kg/cm2 100 Đường kính piston (tùy chọn) mm 42 mm (45 mm; 50 mm) Khả năng đúc Khối lượng vật đúc (phụ thuộc vào piston) kg 0.0 Cơ cấu đẩy sản phẩm Lực đẩy tấn 7.1 Khoảng đẩy mm 50 Thông số chung Công suất động cơ kW 11.25 Kích thước máy mm 4230 × 1640 × 1960 Khối lượng máy tấn 4.2 Dung tích dầu thủy lực L 400 Nguồn điện AC380V/3 pha 9 CHƯƠNG 2 Hình 2.6: Máy đúc áp lực cao cùng với lò nung và bảng điều khiển 2.