Báo cáo CN Duc Ap Luc

Báo cáo

Công nghệ đúc áp lựcBáo cáo

Công nghệ đúc áp lựcGVHD : ThS. Bùi Bỉnh HàSVTH : Lê Quang Huy, Nguyễn Anh Quốc, Đỗ Tiến Thịnh, Trần Văn Long

17/3/2014 CN Đúc Áp Lực

Nội Dung

Tổng Quan1

Đúc áp lực cao2

Đúc dưới áp lực điều chỉnh3

Phân tích chi tiết cụ thể4


Tổng quan

• Khái niệm: Đúc áp lực là công nghệ đúc trong đó kim loại lỏng điền đầy khuôn và đông đặc dưới tác dụng của áp lực cao do khí nén hoặc dầu ép trong xilanh ép tạo ra.

Phương pháp đúc này chủ yếu được sử dụng để sản xuất những vật đúc bằng hợp kim nhôm, magie, kẽm và đồng vì tỉ trọng và nhiệt độ nóng chảy không cao. Rất ít trường hợp dùng để đúc thép hoặc gang vì nhiệt độ nóng chảy và tỷ trọng của chúng rất lớn


Ưu điểmƯu điểm

Tổ chức kim loại của vật đúc nhỏ mịn nhờ tác dụng nguội nhanh của khuôn kim loại và nhờ áp

lực cao ( tăng cường trao đổi nhiệt, bổ ngót)

Hoàn toàn không dùng đến cát làm khuôn và ruột cát

Do bề mặt khuôn có độ nhẵn bóng và độ chính xác cao nên vật đúc có thể đạt độ chính

xác, độ nhẵn cấp cao, phần lớn k cần gia công cơ

Năng suất cao, có thể đạt 1000 – 3600 lần ép/giờ

Khuôn kim loại dùng được nhiều lần ( đúc nhôm có thể từ 10 – 25 vạn, đúc kẽm, chì có thể 50 vạn )


Giá thành khuôn rất cao, nhất là khi đúc các hợp kim nhiệt độ nóng chảy cao như đồng, thép; Vật liệu làm khuôn thường phải là loại hợp kim chịu nóng đặc biệt, gia công cơ tỉ mỉ và nhiệt luyện theo chế độ riêng

Vật đúc có nhiều rỗ khí bên trong do dòng kim loại chảy vào khuôn cuốn theo bọt không khí và do kết tinh nhanh không thoát được ra ngoài

Kích thước và khối lượng vật đúc bị hạn chế theo cỡ máy đúc; thường những chi tiết nào muốn đem đúc áp lực cũng phải thiết kế lại cho phù hợp

Tỷ lệ thành phẩm nhỏ vì hệ thống rót lớn


Tổng quan

Đúc áp lực

Máy buồng ép nguội

Cấp liệu vào khuôn

Điền đầy hốc khuôn

Mở hòm khuôn Lấy vật đúc


Tổng quan

Đúc áp lực

Máy buồng ép nóng

Cấp liệu vào khuôn


Mở hòm khuôn Lấy vật đúc


Tổng quan

Ảnh hưởng của áp lực đến quá trình kết tinh kim loại

Nâng cao hệ số dẫn nhiệt của kim loại lỏng và hệ số trao đổi nhiệt giữa vật đúc và khuôn

Làm giảm kích thước của mầm kết tinh tới hạn và nâng cao số lượng tâm mầm kết tinh

Giảm độ hạt trung bình xủa kim loại, giảm tính không đồng nhất các nhanh cây

Giảm hệ số khuếch tán và giảm tốc độ khuếch tán tương đối của tạp chất

Làm tốt điều kiện lọc thấm của vùng 2 pha => cấu trúc kim loại được chắc chắn

Giảm nhiệt độ bắt đầu co ngót và giảm độ co ngót của hợp kim trong khoảng kết tinh có hiệu quả

Giảm khuynh hướng nứt nóng của kim loại


Thủy động lực học quá trình điền đầy khuôn

Nguyên tắc 1Va đập dòng nạp lên thành khuôn 2

Điền đầy hốc khuôn 3ĐK Thủy động học QT thoát khí 4

Khuôn đúc áp lực cao 5

Tính toán hệ thống rót 6

Máy đúc áp lực cao 8

Tính hệ thống thoát hơi 7


Giai đoạn điền đầy khuôn được tính bắt đầu tại thời điểm gia tốc của pittong = 0 và pittong đạt trạng thái chuyển động ổn định.Khi tốc độ và áp lực dòng ổn định sau khi đã qua rãnh dẫn, dòng kim loại sẽ bảo toàn hình dạng.Nguyên tắc bảo toàn hình dạng của dòng nạp là cơ sở thủy động học của quá trình điền đầy khuôn trong đúc áp lực

NGUYÊN TẮC

Sự ổn định của dòng chảy phụ thuộc vào ứng suất trong và sức căng bề mặt làm xuất hiện dao động ngang trong dòng chảy.Chiều dài bước sóng dao động ngang tính theo công thức:

𝐿=2𝐶 .𝑣 . 𝛿 .√2.𝛿 .𝜌

Chiều dài tới hạn của dòng chảy = 100 – 200 lần chiều dài rãnh dẫn là thích hợp

Tốc độ dòng chảy ổn định với 2 kênh nối tiếp :

max 1 1

2v p v

Tốc độ dòng lớn có thể gây ăn mòn bề mặt kênh dẫn > khắc phục: hệ thống rót thu hẹp có chuyển tiếp đều đặn từ phần dày sang mỏng mà áp lực dòng không giảm xuống 0


Va đập của dòng nạp lên thành khuôn

Áp suất thủy tĩnh càng lớn, chất lượng bề mặt vật đúc càng tốt nhưng vận tốc dòng cũng lớn

- Ăn mòn xâm thực càng mạnh- Dòng kim loại bị biến dạng

Chọn góc nghiêng dòng chảy kim loại với thành khuôn góc nhỏ nhất và tốc độ không vượt quá v tới hạn đảm bảo dòng chảy tầng.

Re.

2( )thvd

vv

Hợp kim T ( ◦C) v. 10^-6, m2/s Vth, m/s

HK kẽm 450395

0,421,9

0,452,36

HK nhôm AK12 650585

0,512,33

0,552,67

HK nhôm AlCu4 650580

0,483,35

0,574,57

Tốc độ tới hạn của một số hợp kim



Ứng với thời điểm điền đầy cả thành mỏng lẫn thành dày, tốc độ dòng giảm đi, chế độ là chảy rối nhưng dòng liên tục

Giai đoạn 2

Ứng với thời gian điền đầy hốc khuôn có chiều dày đồng đều, dòng phân tán được duy trì

Giai đoạn 1

Để vật đúc điền đầy hốc khuôn cần xác định chế độ dòng chảy ( phân tán, tầng, rối ) thiết diện ngang dòng kim loại, vận tốc trung bình dòn chảy, độ giảm áp lực, chiều sau ép thêm


ĐK thủy động học quá trình thoát khí

Khi kim loại chảy theo dòng chảy liên tục theo rãnh dẫn vào hốc khuôn, các chất khí bị dồn về phần cuối của hốc khuôn, khí này thoát ra ngoài hoặc sẽ lưu lại trong vật đúc.

1

Tính toán tốc độ chảy dòng khí phù hợp

2Chân không hóaTạo vật đúc kín khít, độ bền cao, giảm lỗ xốp, chiều dày mỏng


Khuôn đúc áp lực cao

Cấu tạo khuôn áp lực cao

Khuôn gồm: - Nửa khuôn cố định gọi nửa khuôn tĩnh- Nửa khuôn còn lại là nửa khuôn động

Vật liệu chế tạo khuôn có độ bền, chịu ma sát, mài mòn, dẫn nhiệt tốt … Bề mặt cần nhẵn bóng. Thường thép hợp kim : 4Cr5W2PPb, 3Cr2W8b đúc nhôm, đồng thau; 5CrMnNi cho đúc kẽm.Các thông số :- Lực tách khuôn- Tính toán cơ cấu khóa khuôn


Tính toán hệ thống rót

Tốc độ nạp và tốc độ ép

𝑣𝑛 . 𝑓 𝑛=𝑣𝑒 . 𝑓 𝑒¿

Chế độ nạp phụ thuộc vào chế độ điền đầy khuôn đã cho trước: chế độ phân tán, chế độ phân tán – chảy rối, chảy tầng

Thời gian điền đầy khuôn 𝑣𝑒=¿¿Thiết kế hệ thống rót đảm bảo:Quãng đường chuyển động của kim loại lỏng là ngắn nhấtDiện tích rãnh dẫn thu hẹp dần từ buồng ép tới hốc khuôn tránh cuộn khí và tăng tốc độ điền đầy


Tính toán hệ thống thoát hơi

Hệ thống thoát hơi thuờng thiết kế rãnh vuông góc. Khi kim loại điền đầy khuôn ở trạng thái hai pha thì giá trị chiều dày rãnh tăng lên khoảng 2 – 3 lầnTổng diện tích rãnh hơi được tính theo công thức


Máy đúc áp lực cao

Bộ phận ép kim loại lỏng

Gồm 2 bộ phận thủy lực

Máy đúc áp lực

cao

Cơ cấu ép

Ép thẳng đứng

Ép nằm ngang

Cơ cấu khóa khuôn

Kiểu nằm

ngang

Bộ phận đóng mở khuôn

Bơm thủy lực

Bộ phận dẫn động

Chất lỏng công tác trong máy đúc áp lực thường là dầu khoáng vật hoặc huyền phù dầu – nước 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 nên được sử dụng khá phổ biến.


Buồng ép nóng dạng thẳng đứng

Nguyên lý làm việc của máy đúc buồng ép nóng kiểu thẳng đứng: pittong 3 và xilanh ép 2 đều nhúng ngập trong bể kim loại. Khi pittong 3 đi lên hết hành trình, kim loại lỏng qua lỗ 5 đi vào xilanh ép 2.Nửa hành trình sau, pittong đi xuống vượt qua vị trí của lỗ 5, sẽ đẩy kim loại vào hốc khuôn dưới một áp suất tính toán trước. Phương pháp ép này thích hợp cho các kim loại dễ chảy hoặc dễ cháy như kẽm, magie.


Buồng ép nguội nằm ngangĐúc áp lực trong buồng ép nguội nằm ngang, mặt phân khuôn thẳng đứng. Đa số các máy đúc hiện đại đều được thiết kế theo nguyên tắc này.

Nguyên lý hoạt động như sau: Pittong dịch sang trái, ngoài lỗ rót, rót kim loại vào xilanh ép . Pittong dịch chuyển sang phía phải, đẩy kim loại lỏng vào hốc khuôn và duy trì áp lực ép cho đến khi kim loại lỏng đông đặc hoàn toàn.


Buồng ép nguội kiểu thẳng đứng

Đây có thể coi là phương pháp ép trực tiếp. Khi pittong đi lên, kim loại lỏng được nạp vào buồng ép nhưng sẽ đông đặc ngay tại chỗ thắt dòng 2 mà không thể đi vào hốc khuôn được. Khi pittong 1 đi xuống, dưới tác dụng của áp lực cao, phần kim loại đã đông đặc tại chỗ thắt dòng 2 sẽ bị đẩy xuống dưới và kim loại lỏng điền đầy hốc khuôn trong khuôn đúc 3.

Ép từ trên xuống Ép từ dưới lên

Buồng ép bố trí ở nửa khuôn dưới. Khi pittong 1 đi xuống, kim loại lỏng được nạp vào buồng ép. Khi pittong đi lên và vượt qua lỗ nạp, quá trình điền đầy và ép khuôn bắt đầu xảy ra và duy trì cho đến khi vật đúc đông đặc hoàn toàn. Ưu điểm là sử dụng mặt phân khuôn nằm ngang, khi nhấc nửa khuôn 3, vật đúc không bị rơi xuống.


Khuyết tật đúc và các biện pháp phòng ngừa

Dạng khuyết tật Nguyên nhân Biện pháp ngăn ngừa

Không liền Dòng kim loại hoặc dòng khí trong khuôn chảy đối kháng

Tăng tốc độ dòng nạp và áp lực ép; giảm thời gian điền đầy, thay đổi vị trí dẫn kim loại và vật đúc để khử áp lực đối kháng.

Không đầy Kim loại nguội và đông đặc quá sớm; áp lực khí trong khuôn quá lớn. Thiếu kim loại lỏng.

Tăng nhiệt độ rót, tốc độ nạp và tốc độ ép; Đặt thêm màng lọc khí ở chỗ vật đúc dày; tăng dung tích gầu định lượng và buồng ép

Vết nứt nóng Quá nhiệt kim loại; cấu trúc kim loại không đều.

Giảm nhiệt độ rót hoặc nâng cao nhiệt độ khuôn; khử oxy và khuấy kim loại trước khi rót.

Vết nứt xuyên suốt Ứng suất do nguội không đều; lỗ xốp lớn làm giảm độ bền ở trạng thái nóng.

Thay đổi kết cấu vật đúc, tăng diện tích rãnh hơi; tăng thời gian điền đầy khuôn

Bề mặt lồi lõm không đều

Tốc độ dòng chảy quá nhỏ; trở lực thủy lực trong khuôn quá lớn.

Tăng tốc độ dòng và tốc độ ép; thay đổi kết cấu vật đúc, tăng rãnh thoát hơi.

Rỗ co Chiều dày thành vật đúc không đều; hợp kim co quá nhiều.

Điều chỉnh chiều dày vật đúc; tăng diện tích rãnh dẫn, lực ép khuôn. Giảm nhiệt độ rót, thay đổi hợp kim đúc.


Đúc dưới áp lực khí điều chỉnh1. Khái niệm và phân loại

Khái niệm: Đúc dưới áp lực khí điều chỉnh là phương pháp đúc trong đó kim loại lỏng đi vào từ nồi lò ở phía dưới lên khuôn ở phía trên thông qua một ống dẫn, dưới tác dụng của áp lực khí lên bề mặt thoáng của kim loại

2. Phân loại:

Phụ thuộc vào tương quan giữa áp lực khí trong nồi lò và áp suất khí trong hốc khuôn, có thể chia phương pháp đúc này thành 3 kiểu:

- Đúc áp lực thấp.- Đúc đối áp.- Đúc hút chân không.


a. Đúc áp lực thấp

Khi áp lực khí trong khuôn bằng với áp suất môi trường , việc điền đầy khuôn được thực hiện nhờ chênh lệch áp tác dụng lên bề mặt thoáng kim loại lỏng trong nồi lò:

Trong đó:

: áp lực lên mặt thoáng kim loại lỏng trong lò.

: áp suất môi trường

1: Kim loại lòng2: Ống dẫn kim loại3: Vỏ lò kín khí4: Khuôn đúc5: Hốc khuôn6: Nắp kín khí


Ưu điểm:- Kim loại lỏng ít bị oxy hóa, tiết kiệm chất tại xỉ và chất trợ dung.- Dễ dàng điều chỉnh thông số nhiệt động của quá trình thông qua áp lựa của khí nén.- Tiết kiệm kim loại rót.- Vật đúc sít chặt hơn.- Mật độ cao và tổ chức nhỏ mịn cơ tính cao hơn.- Độ chính xác vật đúc cao hơn, độ nhám bề mặt cao hơn.- Dễ cơ khí hóa và tự động hóa.Cơ sở công nghệ đúc áp lực thấp: Những chi tiết đc chọn để đúc áp lực thấp thường có đặc tính- Vật đúc có thành mỏng kéo dài, nếu rót thông thg sẽ không điền đầy.- Vật đúc có chiều dày thành không đều, có một hoặc vài nút nhiệt.- Những chi tiết làm việc chịu tác dụng của lực, muốn giảm khối lg nhưng vẫn đảm

bảo tính năng làm việc.- Vật đúc có kết cấu đảm bảo tính đông đặc có hướng từ bên ngoài vào đến nút nhiệt

cuối cùng là chân ống dẫn kim loại.- Nếu trong vật đúc có 1 vài nút nhiệt nằm phân tán thì công nghệ đúc sẽ khó hơn 1

chút do hệ thống rót, ngót, hơi sẽ phức tạp hơn.- Để đảm bảo dễ dàng lấy vật đúc ra khỏi khuôn thì độ nghiêng thành khuôn, góc

lượn phải lấy bằng hoặc lớn hơn một chút so với tiêu chuần đã cho trong sổ tay.


b. Đúc đối áp.

Giống như phương pháp đúc áp lực thấp, phương pháp đúc đối áp cũng dựa trên nguyên lý tác dụng của áp lực thấp lên bề mặt kim loại lỏng. Kim loại lỏng điền đầy khuôn theo hai cách- Giảm áp suất trong hốc khuôn xuống giá trị - Nâng áp suất trên mặt thoáng kim loại lên đến giá trị

Đặc điểm: Ở những điều kiện nhất định, trc khi chuyển động lên phía trên theo ống dẫn và trong quá trình điền đầy hốc khuôn, KL lỏng luôn tồn tại ở trạng thái bị nén, dưới tác dụng của áp lực khí dư. Ngăn ngừa hiện tượng tiết các loại khí tan trong kim loại lỏng.


c. Đúc hút chân không.

Là công nghệ dựa trên nguyên lý chân không hóa hốc khuôn hoặc chân không hóa toàn bộ cả bình chứa khuôn đúc. Do sự chênh lệch áp giữa áp lực trên mặt thoáng kim loại lỏng và áp lực trong hốc khuôn mà kim loại lỏng sẽ điền đầy khuôn đúc thông qua một ống dẫn kim loại Chỉ áp dụng cho đúc trong khuôn kim loại

Đặc điểm:- Tính điền đầy khuôn khá tốt, có thể đúc được vật đúc có thành mỏng đến 1mm- Không bị hạn chế về độ thông khí của khuôn.- Chi tiết ít bị hút khí và không bị oxy hóa bề mặt.- Chân không làm thay đổi điều kiện đông đặc của hợp kim và đặc tính của quá trình trao đổi nhiệt tại vùng nhiệt tại vùng tiếp xúc khuôn – vật đúc.- Lượng khí tiết ra từ hợp kim lỏng phụ thuộc vào mức độ chân không và

thời gian đông đặc của vật đúc.- Chân không trong công nghệ này không có tác dụng nâng cao chất lượng

vật đúc thông qua hiện tượng khử khí mà chỉ có tác dụng làm tốt việc điền đầy hốc khuôn và làm thay đổi căn bản điều kiện hình thành vật đúc.


Đặc tính công nghệ:

- Chất lượng vật đúc phụ thuộc nhiều vào việc lựa chọn thông số nhiệt động của quá trình, sự xung đột của dòng chảy, sức căng bề mặt kim loại, tốc độ điền đầy và độ chênh áp.

- Việc thay đổi giá trị áp suất sẽ làm ảnh hưởng đến chất lượng vật đúc.- Những vật đúc thành mỏng có dạng nắp đậy nên chuyển từ đúc khuôn kim loại sang đúc

hút chân không làm cho chi tiết tăng độ nhẵn bóng bề mặt, giảm lượng tiêu tốn kim loại do hệ thống rót, nâng cao năng suất lao động.

- Thường được sủ dụng đển đúc nhôm


Liên hệ phân tích 1 chi tiết tiêu biểu

Nắp hông là một chi tiết của động cơ RV-125-2, nằm ở phía ngoài bên phải của động cơ diezen. Nó đóng vai trò rất quan trọng trong việc che chắn bảo vệ động cơ và định vị một số chi tiết đối với động cơ như: bơm cao áp, cần điều tốc, cần ga, bơm dầu nhớt, ống dẫn dầu, van điều áp, trục khởi động.


Liên hệ phân tích 1 chi tiết tiêu biểu

Do có hình dạng không gian phức tạp cùng với độ mỏng của nắp (~ 3mm), các công nghệ đúc thông thường như đúc khuôn cát tươi, khuôn cát khô rất khó chế tạo và không đạt yêu cầu.. Công nghệ đúc áp lực cao thích hợp nhất để đúc nắp vì cho sản phẩm có chất lượng tốt, ổn định, năng suất cao, bề mặt đẹp.

Được kết tinh dưới áp lực cao, tổ chức vật liệu của nắp sẽ nhỏ mịn, sít kín, tránh được rỗ khí. Như vậy sẽ bảo đảm chịu được áp lực làm việc cho nắp. Ngoài ra, đúc áp lực cao cũng sẽ tạo cho nắp có bề mặt nhẵn bóng và giúp cho các kích thước, tọa độ lắp ráp của nắp đạt độ chính xác cần thiết

Vật liệu sử dụng để chế tạo chi tiết là hợp kim nhôm-silic-đồng.

Hợp kim nhôm thường được đúc với buồng nguội vì có thể sử dụng áp lực đúc lớn, thiết bị không phải liên tục tiếp xúc với nhiệt độ cao.


Bộ khuôn đúc áp lựcBộ khuôn bao gồm hai nửa, lắp ghép thông qua các chốt định vị. Một nửa gọi là

khuôn tĩnh, một nửa là khuôn động. Khuôn tĩnh nằm liền với buồng nạp- ép, cố định trên vị trí này trong suốt quá trình đúc. Khuôn tĩnh thường được cấu tạo lõm

Khuôn động nằm đối diện với khuôn tĩnh, di chuyển đóng- mở hốc khuôn nhờ xi lanh thủy lực liên kết với hệ thống tay giằng. Khuôn gắn liền với hộp tống phôi đúc ở phía sau và cho phép các chốt đẩy xuyên qua mình. Khuôn động có cấu tạo lồi, tạo điều kiện dễ lấy phôi sau khi đúc của chi tiết


Bộ khuôn đúc áp lực



Trên nắp hông RV125-2 có rất nhiều vị trí lắp ghép và định vị các chi tiết với những tọa độ khác nhau. Vì vậy việc đảm bảo kích thước hình học chính xác là một trong những yêu cầu quan trọng đối với nắp.

Nhằm tới mục tiêu này, yếu tố đầu tiên phải nhắc đến là bộ khuôn đúc nắp hông RV125-2. Bộ khuôn được thiết kế với công nghệ tiên tiến là chép mẫu và thiết lập bản vẽ 3 chiều theo hiện vật sản phẩm thật. Sau khi tính toán hiệu chỉnh các kích thước trên cơ sở vật liệu và công nghệ đúc, bộ khuôn được lập trình và gia công trên máy CNC.

Yếu tố thứ hai nằm ở công nghệ đúc áp lực cao với đặc điểm làm hợp kim kết tinh nhanh dưới áp lực và làm giảm độ co ngót của hợp kim. Hai yếu tố trên cộng với sự tuân thủ nghiêm chỉnh quy trình công nghệ đã giúp đề tài thu được sản phẩm nắp hông với các kích thước chuẩn xác. Các đường cong tự do, các kết cấu chuyển tiếp đều được tạo nên một cách tự nhiên, mềm mại, đúng hình dạng.

Documents

Báo cáo CN Duc Ap Luc