Nghiên cứu thiết kế, chế tạo bộ khuôn đúc thân bơm BRA50 dùng trên máy đúc

về sản phẩm đúc áp lực của các công ty này cũng rất lớn. Ngoài ra, còn có các sản 2 phẩm phục vụ trong ngành điện, gia dụng, ôtô, xe máy,... Hiện nay, lĩnh vực đang được quan tâm hướng đến là ôtô. Với việc gia tăng số lượng sản phẩm đúc áp lực ở Việt Nam như hiện nay, nhu cầu về thiết kế chế tạo khuôn đúc áp lực cũng tăng theo. Để nâng cao chất lượng và ổn định sản xuất, các doanh nghiệp trong nước thường đặt chế tạo và nhập ngoại khuôn từ Nhật Bản, Hàn Quốc, Đài Loan… Cũng có một số công ty trong nước đã nghiên cứu thiết kế chế tạo khuôn đúc áp lực thấp và cao. Tuy nhiên, những nghiên cứu này chủ yếu dựa trên các kết cấu khuôn nhập ngoại và kinh nghiệm để thiết kế chế tạo nên chất lượng sản phẩm đúc không ổn định. Việc nghiên cứu thiết kế chế tạo khuôn đúc áp lực nhằm nâng cao chất lượng thay thế hàng nhập ngoại là rất cần thiết, giúp các cơ sở sản xuất hạ giá thành sản phẩm và có thể chủ động trong sản xuất. 1.3. Các dạng sản phẩm đúc áp lực cao và các sản phẩm tiêu biểu - Sản phẩm đúc áp lực cao rất đa dạng về hình dáng và kết cấu, phục vụ trong nhiều lĩnh vực khác nhau như chế tạo chi tiết máy, thiết bị điện, y tế, giáo dục, hàng không,… chúng được phân loại theo nhóm như sau: + Các sản phẩm có dạng ống trụ. + Các sản phẩm có dạng thanh, dạng càng. + Các sản phẩm có dạng tấm. + Các sản phẩm có dạng hộp, đây là loại thường gặp nhiều nhất. - Các sản phẩm đúc áp lực cao thường có bề dày từ 0,8 mm đến 10 mm, nhưng trên thực tế thì bề dày 2 mm đến 6 mm sẽ cho kết quả đúc tốt nhất. Vì bề dày càng lớn thì khả năng bị rỗ xốp càng cao, khi bề dày càng nhỏ thì khả năng điền đầy càng kém do quá trình nguội nhanh. 3 a. Các sản phẩm dạng hộp. b. Các sản phẩm dạng thanh, dạng càng. c. Các sản phẩm dạng trụ, dạng đĩa. Các sản phẩm này có yêu cầu cao về độ bóng bề mặt, thành mỏng đều để giảm tiêu hao nguyên vật liệu và giảm khối lượng sản phẩm. Đặc biệt trong các chi tiết máy còn đòi hỏi độ bền cho tính năng sử dụng. Phương pháp đúc áp lực cao sẽ mang lại hiệu quả cao, đáp ứng được những yêu cầu nêu trên. Hình 1.2. Sản phẩm nắp hông động cơ Diezen Hình 1.3. Sản phẩm tay cấy dùng trong nông nghiệp Hình 1.1. Các sản phẩm đúc áp lực cao trong lĩnh vực xe máy 4 1.4. Mục tiêu của đề tài Nhu cầu về sản lượng thân bơm BRA 50 trên thị trường hiện nay là rất lớn. Chỉ tính riêng sản lượng của Nhà máy cơ khí chính xác số 1 thuộc Tổng công ty Máy Động lực và Máy Nông nghiệp đã đạt khoảng 10.000 sản phẩm/năm. Thân bơm BRA50 là loại bơm dầu sử dụng cho các ben thủy lực, làm việc trong chế độ khắc nghiệt chịu áp suất lớn lên đến 200kg/cm2, nên đòi hỏi chi tiết phải có cơ tính tốt. Từ nhu cầu về sản lượng và điều kiện kỹ thuật của sản phẩm, thân bơm BRA50 phù hợp với việc chế tạo hàng loạt và có chất lượng ổn định. Đúc chi tiết thân bơm BRA50 bằng phương pháp đúc áp lực sẽ đảm bảo được độ sít chặt của hợp kim nhôm silic sau khi đông đặc cũng như cơ tính của chi tiết được cải thiện nhiều do hạt tinh thể rất nhỏ mịn. Bởi vì chi tiết thân bơm được điền đầy với vận tốc cao, đông đặc trong điều kiện áp lực lớn. Với việc sử dụng công nghệ đúc thân bơm BRA50 bằng khuôn kim loại thì việc kiểm soát nhiệt độ khuôn là khó khăn, dẫn đến độ ổn định của sản phẩm bị ảnh hưởng nhiều, nên sản lượng rất thấp. Khi đúc sản phẩm bằng phương pháp đúc áp lực sẽ cho sản lượng rất lớn gấp nhiều lần so với đúc trong khuôn kim loại, ngoài ra chất lượng sản phẩm rất ổn định. Các thông số yêu cầu kỹ thuật của thân bơm BRA 50 Bề mặt chi tiết nhẵn đẹp Thử áp lực đạt 200kg/cm2 Trọng lượng phôi đúc: 2,9 kg Tổng diện tích hình chiếu bề mặt (tính cho nửa khuôn cối): 260 cm2. Kích thước bao lớn nhất của phôi đúc: 147x115. Hình 1.4. Sản phẩm dùng trong chi tiết máy 5 Kích thước bao lớn nhất dự kiến của khuôn: 500x500 Các thông số kỹ thuật của máy đúc áp lực ZITAI ZDC420TPS Lực khóa khuôn: 420 Tấn Kích thước mép trục dẫn: 650x650mm Trọng lượng đúc tối đa: 5,05kg Khoảng cách 2 mặt kẹp khuôn 300 ~ 1000mm Áp lực bắn tối đa: 210kg/cm2. Tiết diện bề mặt vật đúc lớn nhất: 760 cm2. Trên cơ sở các thông số kỹ thuật của sản phẩm thân bơm BRA50 và các thông số kỹ thuật của máy đúc áp lực 420 tấn, nhận thấy khuôn đúc áp lực thân bơm BRA50 được thiết kế để đúc trên máy đúc ZITAI ZDC420TPS hoàn toàn đảm bảo và đáp ứng về mặt kỹ thuật. 6 Chương 2: LỰA CHỌN VẬT LIỆU, XÂY DỰNG QUY TRÌNH CHẾ TẠO KHUÔN THÂN BƠM BRA 50 2.1. Phân loại vật liệu chế tạo khuôn đúc áp lực Vật liệu chế tạo khuôn ép nóng: Nhóm vật liệu này thông thường được sử dụng để chế tạo các loại khuôn đúc áp lực thấp và cao, đúc các sản phẩm có thành phần hợp kim cơ sở như: nhôm, kẽm, magiê, đồng. Trong các mác thép dùng để chế tạo khuôn đúc áp lực, thành phần hóa học đều có các nguyên tố có ảnh hưởng lớn đến tính thấm tôi, độ dai, độ bền và độ cứng nhiệt ở nhiệt độ cao, tính chống ôxy hóa ở nhiệt độ cao và đặc biệt là làm mịn độ hạt của vật liệu như: Molipđen, Vanađi, Crôm. Nhóm các loại thép chế tạo khuôn ép nóng (Bảng 2.1) được chia thành 3 nhóm chính sau đây: Thông thường các mác thép như SKD6, SKD7, SKD61, SKD62 được sử dụng để chế tạo khuôn đúc áp lực để đúc các sản phẩm hợp kim cơ sở nhôm. Các mác thép như SKD4, SKD5, SKD8 thường được sử dụng để chế tạo khuôn đúc áp lực để đúc các sản phẩm hợp kim cơ sở đồng, các mác thép này có hàm lượng Vônfram trong khoảng 4-10%. Các mác thép như SKT3, SKT4 thường được sử dụng để chế tạo khuôn đúc áp lực để đúc các sản phẩm hợp kim cơ sở magiê, kẽm. Bảng 2.1. Các mác hợp kim dùng để chế tạo khuôn ép nóng theo tiêu chuẩn JIS của Nhật Bảng [1] Mác Thép C Si Mn Cr Mo W V Nguyên tố khác SKD4 0,25 ~ 0,35 ≤ 0,40 ≤ 0,60 2,0 ~ 3,0 − 5,0 ~ 6,0 0,3 ~ 0,5 ⎯ SKD5 0,25 ~ 0,35 ≤ 0,40 ≤ 0,60 2,0 ~ 3,0 − 9,0 ~ 10,0 0,3 ~ 0,5 ⎯ SKD6 0,32 ~ 0,42 0,8 ~ 1,2 ≤ 0,50 4,5 ~ 5,5 1,0 ~ 1,5 ⎯ 0,3 ~ 0,5 ⎯ SKD61 0,32 ~ 0,42 0,8 ~ 1,2 ≤ 0,50 4,5 ~ 5,5 1,0 ~ 1,5 ⎯ 0,8 ~ 1,2 ⎯ SKD62 0,32 ~ 0,42 0,8 ~ 1,2 ≤ 0,50 4,5 ~ 5,5 1,0 ~ 1,5 1,0 ~ 1,5 0,2 ~ 0,6 ⎯ SKD7 0,28 ~ 0,38 ≤ 0,50 ≤ 0,60 2,5 ~ 3,5 2,5 ~ 3,0 ⎯ 0,4 ~ 0,7 ⎯ SKD8 0,35 ~ 0,45 ≤ 0,50 ≤ 0,60 4,0 ~ 4,7 0,3 ~ 0,5 3,8 ~ 4,5 1,7 ~ 2,2 Co 3,8~4,5 SKT3 0,50 ~ 0,60 ≤ 0,35 0,6 ~ 1,0 0,9 ~ 1,2 0,3 ~ 0,5 ⎯ (<0,20)(3) Ni 0,25~0,6 SKT4 0,50 ~ 0,60 ≤ 0,35 0,6 ~ 1,0 0,7 ~ 1,0 0,2 ~ 0,5 ⎯ (<0,20)(3) Ni 1,30~2,0 (3): Số trong ngoặc là thành phần có thể thêm vào 7 Ngoài bảng thành phần các mác thép dùng chế tạo khuôn ép nóng có thể tra cứu các mác thép tương đương như ở bảng 2.2. Bảng 2.2. Đối chiếu các mác thép dùng chế tạo khuôn ép nóng [1] Mỹ No ISO Nhật JIS Nga ΓOCT Thuỵ điển SS Anh BS ASTM UNS 1 30WCrV5 SKD4 ⎯ ⎯ ⎯ ⎯ ⎯ 2 30WCrV9 SKD5 3X2B8Φ 2730 BH12 H10 T20821 3 35CrMoV5 SKD6 4X5MΦC ⎯ BH11 H11 T20810 4 40CrMoV5 SKD61 4X5MΦΙC ⎯ BH13 H13 T20813 5 ⎯ SKD62 ⎯ ⎯ BH12 H12 T20812 6 ⎯ SKD7 ⎯ ⎯ ⎯ ⎯ ⎯ 7 ⎯ SKD8 ⎯ ⎯ ⎯ ⎯ ⎯ 8 ⎯ SKT3 ⎯ ⎯ ⎯ ⎯ ⎯ 9 55NiCrMoV2 SKT4 5XHM ~2550 BH244/5 L6 T61206 Từ bảng đối chiếu các mác thép dùng chế tạo khuôn ép nóng, người thiết kế khuôn có thể chọn mác thép theo tiêu chuẩn của các nước khác. Ví dụ, khi chọn mác thép SKD61 (theo tiêu chuẩn JIS của Nhật bản), người thiết kế có thể chọn mác tương đương như: 40CrMoV5 (tiêu chuẩn ISO) hoặc BH13 (tiêu chuẩn Anh BS)… 2.2. Điều kiện làm việc, lựa chọn vật liệu để chế tạo khuôn đúc thân bơm BRA50 Thông thường khuôn đúc áp lực bao gồm hai phần chính: Phần áo khuôn thường được sử dụng vật liệu có độ bền thấp, bởi vì yêu cầu của vùng này trong khuôn chủ yếu làm giá đỡ cho toàn bộ hệ thống khuôn. Phần ruột khuôn thường dùng các loại vật liệu có tính chịu mòn, chịu nhiệt, chịu va đập tốt tùy theo hợp kim được đúc mà người thiết kế lựa chọn mác vật liệu cho phù hợp. a. Vỏ khuôn: là phần kết cấu lắp ráp ruột khuôn và các phụ kiện khác, đồng thời là kết cấu để lắp gá khuôn lên máy. Phần kết cấu này hoàn toàn không tiếp xúc với kim loại lỏng cũng như ảnh hưởng của áp lực bắn của máy đúc. Cho nên, phần 8 kết cấu này lựa chọn vật liệu là thép đúc C45. Bởi vì có thể đúc phôi vỏ theo bản vẽ thiết kế một cách đơn giản và giá rẻ. b. Ruột khuôn bao gồm ruột khuôn chày và ruột khuôn cối: đây là phần kết cấu khuôn tạo hình sản phẩm, là phần kết cấu chịu ảnh hưởng trực tiếp của dòng kim loại lỏng nhiệt độ cao, vận tốc trượt trên bề mặt khuôn rất cao và dưới áp lực ép lớn. Với mác vật liệu AЛ9, nhiệt độ rót vào khoảng 670-700oC. Áp lực bắn trung bình trên bề mặt chi tiết là từ 553-983kg/cm2. Như vậy, với vận tốc trượt trên bề mặt khuôn rất lớn cùng với nhiệt độ rót vật liệu đúc khoảng 680oC và áp lực lên bề mặt khuôn lớn nhất có thể lên đến 983kg/cm2, nên phải lựa chọn vật liệu có độ chịu mài mòn bề mặt lớn, chịu tải trọng tĩnh lớn. Như vậy, để bảo đảm phần ruột khuôn có các cơ tính tốt như: chịu mài mòn, chịu nhiệt, chịu va đập, đề tài chọn vật liệu là SKD61 (theo tiêu chuẩn JIS Nhật Bản) có thành phần hóa học như bảng 2.1 và bảng 2.2. 9 2.3. Xây dựng lưu trình công nghệ chế tạo bộ khuôn đúc áp lực BRA50 - Dụng cụ đo - Thiết bị số hoá 3 chiều - Lựa chọn vật liệu vùng tiếp giáp với hợp kim - Lựa chọn vùng làm việc không tiếp giáp với hợp kim - Chọn vật liệu làm chốt đẩy Vẽ bản vẽ chi tiết sản phẩm Thiết kế công nghệ - Tính toán thiết kế công nghệ cho khuôn - Vẽ thiết kế công nghệ 2D - Vẽ thiết kế công nghệ 3D Lựa chọn vật liệu chế tạo khuôn - Các máy gia công chuyên dùng - Lắp ráp hoàn chỉnh bộ khuôn - Đúc trên máy đúc áp lực 420Tấn - Đúc 20 ÷ 40 sản phẩm - Kiểm tra kích thước sản phẩm Nhiệt luyện khuôn Thấm Nitơ trong chân không Hiệu chỉnh khuôn Khuôn hoàn chỉnh - Đúc 20 ÷ 40 sản phẩm - Kiểm tra kích thước sản phẩm - Kiểm tra độ bóng bề mặt sản phẩm - Đúc trên máy đúc áp lực 420Tấn - Đúc sản phẩm trên máy đúc áp lực 420 tấn - Tôi, Ram - Chuẩn bị bề mặt để thấm Nitơ - Thấm Nitơ Hình 2.1. Sơ đồ lưu trình công nghệ chế tạo khuôn Gia công chế tạo bộ khuôn Đúc thử sản phẩm 10 Quy trình thiết kế chế tạo khuôn đúc áp lực thường bắt đầu từ bản vẽ chi tiết của khách hàng hoặc khách hàng mang sản phẩm đến. Trong trường hợp khách hàng mang sản phẩm đến thì cần tiến hành khâu đo đạc bằng các thiết bị chuyên dụng sau đó dựng bản vẽ chi tiết dưới dạng 2D. Các chi tiết trên bộ khuôn sau khi vẽ xong thường lựa chọn vật liệu phù hợp với loại hợp kim đúc (lựa chọn cho ruột khuôn), còn các chi tiết vỏ khuôn, giá đỡ thường sử dụng thép CT3 để chế tạo. Phần tính toán, thiết kế công nghệ được triển khai tiếp theo. Trên cơ sở chi tiết đúc, lựa chọn phương án công nghệ để thiết kế. Khi đã lựa chọn được phương án công nghệ rồi thì tiến hành tính toán các thông số kỹ thuật cho bộ khuôn như: hệ thống rót, hệ thống hơi… Trên cơ sở các thông số tính toán được vẽ thiết kế, lựa chọn hợp lý toàn bộ hệ thống khuôn. Kết hợp các bản vẽ dự kiến 2D, 3D để đưa ra bản lắp sơ bộ. Sau khi có bản lắp sơ bộ hiệu chỉnh các kích thước của các chi tiết sao cho hợp lý đối với sản phẩm cũng như kết cấu bộ khuôn. Hoàn chỉnh các kích thước bản lắp sau đó vẽ tách các chi tiết của bộ khuôn đúc. Khi đó phôi đúc đã tính co, dốc đúc thoát khuôn, ruột và cộng lượng dư các vị trí gia công, được dựng phôi đúc 3D. Từ phôi đúc 3D tạo ruột và khuôn chày, khuôn cối. Các bản vẽ 3D khuôn chày, khuôn cối và ruột là cơ sở dữ liệu tích hợp với các máy gia công CNC để chế tạo khuôn. Khi gia công xong các chi tiết, lắp ráp khuôn hoàn chỉnh đưa lên máy đúc thử khoảng 20÷40 sản phẩm trên máy đúc áp lực. Sau đó đo kiểm sản phẩm phôi đã đúc được, hiệu chỉnh các kích thước chưa đạt cũng như độ bóng bề mặt sản phẩm. Khuôn sau khi hiệu chỉnh được đúc thử 20÷40 sản phẩm đạt chất lượng ổn định thì tháo các chi tiết vật liệu SKD61 đưa đi nhiệt luyện chân không. Cuối cùng các chi tiết sau khi nhiệt luyện được làm sạch, đánh bóng bề mặt và được lắp vào khuôn. 11 Chương 3. TÍNH TOÁN THIẾT KẾ CHẾ TẠO KHUÔN ĐÚC ÁP LỰC THÂN BƠM BRA50 3.1. Cơ sở lý thuyết tính toán hệ thống rót [2] 3.1.1. Tốc độ nạp và tốc độ rót Tốc độ chảy của kim loại trong rãnh dẫn Vn gọi là tốc độ nạp và tốc độ chảy của kim loại trong buồng ép; Vc gọi là tốc độ ép. Đây là hai thông số quan trọng, mang tính quyết định đến các điều kiện thuỷ động và điều kiện nhiệt của quá trình điền đầy khuôn áp lực. Giá trị tốc độ nạp và tốc độ ép có liên quan lẫn nhau theo phương trình dòng liên tục: * *n n c cv f v f= (3.1) Trong đó: - fn và fc là diện tích thiết diện ngang của rãnh dẫn và buồng ép (m2) Bảng 3.1 Tốc độ nạp đối với các vật đúc bằng hợp kim khác nhau, hình dáng khác nhau Tốc độ nạp (m/s) Nhôm Đồng Chiều dày vật đúc (mm) Hình dáng vật đúc Kẽm Magiê Lỏng Bán lỏng Lỏng Bán lỏng 5 ÷ 10 Đơn giản Phức tạp 30-40 40-60 - - 0.5-1.0 - 2-5 5-7 - - 2-5 3-5 3 ÷ 6 Đơn giản Phức tạp 30-60 60-80 30-40 40-50 25-30 30-40 5-8 8-12 - 8-15 5-8 5-8 1.5 ÷ 3.0 Đơn giản Phức tạp 80-100 100-150 50-60 50-80 30-40 35-40 - - 15-20 - 5-8 - 1.5 ÷ 3.0 (không đều) Đơn giản Phức tạp 80-100 100-120 40-45 50-70 25-35 25-40 10-12 - - - - - Tốc độ nạp kim loại phụ thuộc vào chế độ điền đầy khuôn đã chọn trước: Chế độ phân tán, chế độ phân tán - rối tuần tự hoặc chế độ chảy tầng. Giá trị tới hạn của tốc độ nạp vn tính theo công thức 3.2: Trong đó: υ – độ nhớt động học; Re – tiêu chuẩn Reynold; δvd – chiều dày thành vật đúc; δ – chiều dày rãnh dẫn. Đối với chế độ chảy phân tán và theo công thức 3.3 với chế độ chảy tầng. Giá trị tối ưu của tốc độ nạp đối với các loại vật đúc bằng các hợp kim có hình dáng khác nhau thì cũng rất khác nhau (bảng 3.1). )2.3( )(2 .Re δδ υ −= vdth V 12 Trong đó: C, m, n là những hệ số thực nghiệm bảng 3.2. Bảng 3.2. Các hằng số thực nghiệm của công thức 3.3. Hợp kim C m n Chì-antimon 32 0,35 0,4 Kẽm 59 0,42 0,54 Nhôm 82 0,4 0,61 Magiê 75 0,52 0,65 Đồng thau 71 0,53 0,68 Đối với vật đúc mỏng thành, hình dáng phức tạp, có nhiều vị trí quay dòng trong hốc khuôn, tốc độ nạp tính theo công thức: 1* *vdn vd L nv K tδ Σ += (3.4) Trong đó: - K: Hệ số phụ thuộc loại hợp kim và nhiệt độ rót, khi nhiệt độ rót cao hơn nhiệt độ nóng chảy, K lấy giá trị bằng 0.013-0.02 đối với hợp kim kẽm; 0.015-0.02 đối với hợp kim nhôm; 0.018-0.035 với hợp kim magiê và 0.02- 0.03 với hợp kim đồng; - n: Số vị trí quay dòng trong hốc khuôn Trong công thức (3.4), thường phải tính giá trị tốc độ nạp vn trung bình trong toàn bộ khoảng thời gian nạp. Sau khi thay thế giá trị này vào phương trình liên tục (3.1) sẽ xác định được tốc độ ép ve khi đã biết đường kính buồng ép De và diện tích rãnh dẫn fn: 2 4* * *e n n e v v f Dπ= Giá trị tốc độ ép tính toán trên mới chỉ tính đến tác động của các điều kiện thuỷ động học quá trình điền đầy mà chưa kể đến chế độ nhiệt của quá trình, tức là chưa kể đến thời gian điền đầy tđ . Giữa tốc độ điền đầy và thời gian điền đầy có quan hệ: 2 4*( ) * *e e d Vv D tπ Σ= (3.5) Trong đó: ΣV tổng thể tích kim loại lỏng đi vào hốc khuôn trong khoảng thời gian td (m3) )3.3(.2 n vd m th vCV ⎟⎟⎠ ⎞ ⎜⎜⎝ ⎛= δ δ 13 3.1.2. Thiết kế hệ thống rót Do đặc điểm kết tinh của kim loại lỏng trong đúc áp lực cao là không thể tạo điều kiện đông đặc có hướng, do đó phải tạo điều kiện cho vật đúc đông đặc đồng thời. Mặt khác, kim loại lỏng điền đầy khuôn trong một khoảng thời gian vô cùng ngắn, bởi vậy thiết kế hệ thống rót cần tuân thủ một số điều cơ bản sau đây: • Quãng đường chuyển động của kim loại lỏng trong khuôn là ngắn nhất có thể được • Diện tích rãnh dẫn thu hẹp từ buồng ép tới hốc khuôn. Hệ thống rót thu hẹp dần có tác dụng làm giảm sự cuốn khí vào vật đúc, đồng thời làm tăng tốc độ dòng điền đầy. Hệ thống rót cho vật đúc trong máy đúc buồng ép nguội kiểu thẳng đứng và kiểu nằm ngang được mô tả như hình 3.1. Điều khác biệt giữa hai hệ thống rót của hai kiểu buồng ép này là, trong buồng ép nguội nằm ngang, hệ thống rót không có phần nối trung gian từ buồng ép đến rãnh dẫn. Khi đó, đường đi của kim loại lỏng sẽ ngắn hơn, tránh được hiện tượng nguội sớm của kim loại trong buồng ép. Phụ thuộc vào vị trí tương đối giữa các đường dẫn, kênh dẫn trong hệ thống rót đối với vật đúc, có thể phân hệ thống rót thành ba kiểu: - Rót trực tiếp - Rót phía trong - Rót ngoài Trong hệ thống rót trực tiếp, không có kênh dẫn trung gian, diện tích kênh nạp trong máy buồng ép thẳng đứng tính bằng diện tích thiết diện ngang của ống dẫn Hình 3.1. Hệ thống rót trong máy đúc buồng ép thẳng đứng a) và buồng ép nằm ngang b) 1-buồng ép; 2-ống dẫn; 3-kênh dẫn phụ; 4-rãnh dẫn; 5-kênh nối; 6-vấu lồi; 7-rãnh thoát hơi Hình 3.2. Hệ thống rót trực tiếp không có rãnh dẫn a) và b); có rãnh dẫn c) 1-hốc lõm nên dùng để ngăn ngừa lõm co 14 hình 3.2.a; trong buồng ép nằm ngang, diện tích kênh nạp tính bằng diện tích buồng ép hình 3.2.b. Khi vật đúc có các lỗ hướng trục, ống dẫn kết thúc ở cuối rãnh dẫn bố trí xung quanh cái ngắt dòng hình 3.2.c. Hệ thống rót bên trong được sử dụng đối với vật đúc có lỗ ở tâm kích thước lớn cho phép đặt các kênh dẫn và rãnh dẫn ở đó. Hệ thống rót kiểu này thường áp dụng cho khuôn đúc chiếc một, làm giảm đáng kể kích thước khuôn ép. Hệ thống rót ngoài được áp dụng phổ biến nhất. Đây là biện pháp có thể ép một lần vào nhiều hốc khuôn. Để làm được việc đó, trong hệ thống rót, người ta bố trí thêm một ụ tích kim loại vừa có tác dụng phân phối kim loại lỏng, vừa duy trì nhiệt độ ổn định ở rãnh dẫn. Vị trí đặt rãnh dẫn phụ thuộc vào kết cấu của vật đúc. Đây là vấn đề rất quan trọng, có tính quyết định đến chất lượng vật đúc. Nếu vị trí đặt rãnh dẫn hợp lý, vật đúc sẽ được điền đầy tốt và không có khuyết tật. Ngược lại, nếu đặt hệ thống rót không hợp lý, rất dễ sinh ra các loại khuyết tật trong vật đúc. Hình 3.3 giới thiệu một số kiểu đặt rãnh dẫn trong khuôn đúc áp lực cao. Mỗi chi tiết đưa ra hai phương án: phương án 1 là phương án bất hợp lý, phương án 2 là phương án hợp lý về mặt dòng chảy và tránh được các khuyết tật có thể xảy ra do rãnh dẫn gây nên. Người ta cố gắng tránh kiểu rãnh dẫn tạo dòng chảy gặp nhau hoặc xối thẳng vào thành khuôn. Hình 3.3. Hệ thống rót cho vật đúc có cấu tạo hình dáng khác nhau 15 3.1.3. Tính toán rãnh dẫn Rãnh dẫn là thành phần cơ bản nhất của hệ thống rót. Diện tích thiết diện ngang của rãnh dẫn quyết định tốc độ nạp kim loại. Chiều dãy rãnh dẫn quyết định động học quá trình điền đầy và khả năng ép trong buồng ép. Công thức tính diện tích rãnh dẫn fr : * * vd p r m n d m m f v tρ += (3.6) Trong đó: - mvd, mp : Khối lượng của vật đúc và khối lượng của vấu lồi - vn: Vận tốc nạp. - td: thời gian điền Tuy đã có xét đến chiều dầy vật đúc và áp suất trong buồng ép nhưng giá trị tính rãnh dẫn theo công thức trên vẫn còn thiếu chính xác. Hiện nay, còn một phương pháp tính khác có độ chính xác hơn. Đó là tính diện tích rãnh dẫn thông qua các hệ số. Trong phương pháp này, người ta coi tốc độ nạp vn là tích của các hệ số và tốc độ trung bình: vn=K1*K2*vtb. Trong đó vtb là tốc độ trung bình của dòng nạp và lấy bằng 15m/s. K1 và K2 các hệ số tính đến kiểu dáng vật đúc và áp suất ép. Thời gian điền đầy tdd=K3*K4*ttb với ttb là thời gian điền đầy trung bình, lấy bằng 0.06s. K3, K4 là các hệ số tính đến loại hợp kim và chiều dày trung bình của vật đúc. Với cách đặt hệ số như vậy, diện tích rãnh dẫn tính theo: ( ) 1 2 3 4 1.12* * * * * vd p d M m m f K K K K ρ += (3.7) Các giá trị K1,K2,K3,K4 đối với vật đúc hợp kim nhôm, khối lượng nhỏ hơn 2 kg; khối lượng tính theo gam và khối lượng riêng ρ tính theo g/cm3 cho ở bảng 3.4. Bảng 3.3. Hệ số K đối với các hợp kim khác nhau theo công thức 3.6 Hệ số K Kẽm Nhôm Magiê Đồng Chiều dày vật đúc (mm) Áp lực buồng ép (Mpa) 1-4 4-8 1-4 4-8 1-4 4-8 1-4 4-8 20-40 3.37 2.7 3.04 2.53 2.7 2.16 3.0 2.4 40-60 1.69 1.35 1.52 1.21 1.35 1.1 1.5 1.2 60-80 1.35 1.05 1.21 0.97 1.1 0.86 1.2 0.96 80-100 1.02 0.82 0.91 0.73 0.80 0.65 0.90 0.72 >100 0.68 0.54 0.61 0.49 0.54 0.43 0.60 0.48 16 Bảng 3.4. Giá trị các hệ số K của công thức 3.7 Loại vật đúc K1 Áp suất (Mpa) K2 Dày, đơn giản 0.75 <20 2.5 Thiết diện cong 1.0 20-40 2.0 Phức tạp 1.5 40-60 1.75 60-80 1.5 80-100 1.5 Rất phức tạp, gân mỏng 2.0 >100 1.0 Hệ số K3 và K4 Hợp kim K3 Chiều dày thành (mm) K4 Hợp kim thiếc-chì 1.1 <1 0.5 Chì thiếc 2.5 1-2 0.75 Kẽm 1.0 2-4 1.0 Nhôm 0,75 4-6 1.15 Đồng 0.6 6-8 1.3 Magiê 0.45 >8 1.5 Để đảm bảo nguyên tắc thắt dòng của hệ thống rót, người ta sử dụng diện tích thiết diện ngang của kênh dẫn phụ có giá trị fdp=(1.2-1.5)*fd. Chiều cao kênh dẫn phụ xác định bằng công thức thực nghiệm: 0.77*dp dh f= 3.1.4. Tính hệ thống thoát hơi Hệ thống thoát hơi thường được thiết kế có rãnh đặt vuông góc. Chiều dày hδ của rãnh thoát hơi phụ thuộc vào loại hợp kim đúc, bảng 3.5. Khi dòng kim loại điền đầy khuôn ở trạng thái hai pha thì giá trị chiều dày rãnh hơi tăng lên khoảng 2 ÷ 3 lần. Chiều rộng của rãnh hơi tính bằng cách chia tổng thiết diện hfΣ của rãnh hơi chia cho chiều dày hδ . Trong đó tổng diện tích rãnh hơi tính theo công thức (3.8) và (3.9). )8.3(1 1 ***2 1 ⎥⎦ ⎤⎢⎣ ⎡ −−= − k k k k kTRgv β ( ) )9.3(12,0 71,141,1 k k k T p fq ββ −= ∑ Đối với chế độ chảy dưới giá trị tới hạn, pk < 0,19Mpa: 1.43 1.71 dd * * 0.65* * * * k vd k h k V T f g p t ρ β βΣ = − (3.10) Với dòng chảy trên giá trị tới hạn, pk > 0,19Mpa: 17 dd * * 2.5* * k vd k h k V T f p t ρΣ = (3.11) Trong đó: - g: Gia tốc trọng trường - kρ : Khối lượng riêng của khí trong hốc khuôn, lấy theo bảng 3.6 - Vvd: Thể tích vật đúc - Tk: Nhiệt độ khí trong hốc khuôn - pk: Áp suất khí trong hốc khuôn - tdd: thời gian điền đầy - β : Tỷ lệ của áp suất khí bên ngoài chia cho áp suất khí trong hốc khuôn Bảng 3.5. Chiều dày rãnh hơi trên khuôn đúc Hợp kim hδ Hợp kim hδ Chì - thiếc 0.05-0.1 Magiê 0.1-0.15 Kẽm 0.08-0.12 đồng 0.15-0.20 Nhôm 0.1-0.12 Thép 0.2-0.3 Bảng 3.6. Khối lượng riêng của không khí phụ thuộc nhiệt độ toC kρ toC kρ toC kρ 20 0.1164 300 0.0596 700 0.0361 50 0.1056 400 0.0508 800 0.0325 100 0.0916 500 0.0451 600 0.0291 200 0.0723 600 0.04 1000 0.0268 3.2. Tính toán, thiết kế khuôn thân bơm BRA50. 3.2.1. Một số yếu tố ảnh hưởng đến khuôn-sản phẩm đúc áp lực. * Khuôn: Hình dạng, chất lượng của sản phẩm được quyết định bởi quá trình thiết kế công nghệ khuôn đúc áp lực. Kết cấu khuôn quyết định đến khả năng cơ giới hóa và sản lượng vật đúc. + Hình dạng của hốc khuôn quyết định hình dạng của chi tiết. Nếu quá trình gia công khuôn để lại những sai số gia công, trong quá trình đông đặc đến khi nguội bằng nhiệt độ môi trường sản phẩm bị co ngót, biến dạng, gây ra sai số hình dáng. Như vậy, để có được sản phẩm chính xác cần tính toán co, độ thoát khuôn hợp lý. + Hệ thống rãnh dẫn trong khuôn là yếu tố rất quan trọng, quyết định dòng chảy trong khuôn và quá trình điền đầy của sản phẩm. 18 + Kết cấu khuôn ảnh hưởng đến quá trình truyền nhiệt, đông đặc của sản phẩm, nó còn tác động đến chất lượng tổ chức bên trong, ứng suất trên sản phẩm và tốc độ tạo sản phẩm đúc. * Máy đúc: các thông số kỹ thuật của máy đúc quyết định đến khả năng và hiệu suất chế tạo sản phẩm. Lực khóa khuôn của máy đúc áp lực, áp lực ép tối đa, trọng lượng đúc lớn nhất, tiết diện bề mặt vật đúc lớn nhất, khoảng cách lớn nhất giữa các mặt kẹp khuôn: quyết định đến khả năng chế tạo sản phẩm. Chế độ vận hành của máy cũng tác động trực tiếp đến chất lượng vật đúc như: thời gian phun chất bôi trơn và thời gian chờ để đóng khuôn, nếu thời gian đóng khuôn quá nhanh lượng nước trong chất bôi trơn chưa bốc hơi kịp sẽ nằm lại trong hốc khuôn sinh khí. Nếu mở khuôn sớm kim loại chưa đông đặc hoàn toàn sẽ bị biến dạng, mở khuôn chậm sẽ dễ gây nứt sản phẩm và giảm năng suất. Ngoài ra, còn các thông số khác như: hành trình của các giá trị vận tốc, khả năng đáp ứng vận tốc của máy, hiệu suất ép,… * Vật liệu: thiết kế khuôn đúc áp lực phụ thuộc vào tính chất nhiệt lý của vật liệu. Tính chất của vật liệu chế tạo sản phẩm quyết định đến khả năng đúc như: nhiệt độ rót, co ngót của sản phẩm, cơ tính của vật đúc, tổ chức kim loại bên trong vật đúc và loại vật liệu để chế tạo khuôn. + Thành phần vật liệu có tính chảy loãng càng cao thì khả năng điền đầy càng tốt, độ sít chặt càng cao. Khoảng kết tinh hẹp cho tổ chức hạt mịn, cơ tính tốt, nhưng khoảng kết tinh quá ngắn kim loại sẽ không kịp điền đầy. + Loại vật liệu dùng để chế tạo sản phẩm quyết định đến vật liệu chế tạo khuôn đúc áp lực và chế độ làm mát khuôn. 3.2.2. Chế độ khí của khuôn trong quá trình đúc áp lực 3.2.2.1. Khí từ buồng ép vào trong hốc khuôn Chuyển động của khí và kim loại lỏng trong buồng ép: Khi piston chuyển động, lượng khí chứa trong buồng ép bắt đầu thoát ra qua miệng rót. Ngoài ra, kim loại lỏng khi rót vào chỉ điền đầy phần bên dưới của buồng ép, giữa piston và xylanh buồng ép tồn tại khe hở làm cho khí có thể thoát ra được. Sau đó, kim loại lỏng tại bề mặt piston sẽ dâng lên và điền đầy buồng ép, làm cho khí không còn thoát ra được nữa. Khí còn lại từ buồng ép đi qua rãnh dẫn chảy vào trong hốc khuôn. Piston tiếp tục chuyển động, kim loại lỏng điền đầy rãnh dẫn, dưới sự thu hẹp của rãnh dẫn tại miệng phun, tạo nên sự nén trong buồng ép. Các bọt khí lớn còn lại trong buồng ép bị nén vỡ vụn thành các bọt khí nhỏ, chúng bị đẩy vào trong hốc khuôn cùng với kim loại lỏng. 19 3.2.2.2. Khí sinh ra do chất bôi trơn bề mặt khuôn khuôn Khí sinh ra trong quá trình phân hủy nhiệt của chất bôi trơn cũng ảnh hưởng lớn đến chế độ khí của khuôn. Mức độ ảnh hưởng của chất bôi trơn đến chế độ khí của khuôn có thể đánh giá bằng tỷ số giữa thể tích khí (Vkhí) tiết ra khi phân hủy nhiệt của chất bôi trơn và thể tích không khí (Vk.khí) ở trong hốc khuôn. Để xác định nó, cần biết diện tích bề mặt của hốc khuôn Skhuôn. Đại lượng đánh giá tỷ số này thường khó khăn, việc xác định Skhuôn đối với hốc khuôn có hình dáng phức tạp cũng khó khăn. Hiện nay, việc tính toán này sẽ dễ dàng hơn khi có sự hỗ trợ của các phần mềm với mô hình 3D có sẵn. Nhưng vật đúc được nghiên cứu bao gồm tổng hợp của toàn bộ thể tích vật đúc và diện tích bề mặt khuôn. Khi đó, tỷ số Vkhí/Vk.khí có thể thay thế tỷ số của thể tích riêng Vkhí tiết ra khí từ lớp vật liệu bôi trơn, với đơn vị diện tích liên quan tới thể tích không khí Vk.khí trong phần tử đơn vị của thể tích vật đúc. 3.2.3. Lựa chọn buồng ép Đối với thiết kế khuôn đúc áp lực việc lựa chọn buồng ép cũng rất quan trọng. Bởi vì, đây cũng là một trong những yếu tố ảnh hưởng đến chế độ khí trong khuôn. Trọng lượng của vật đúc và vấu lồi quyết định việc chọn buồng ép, theo kinh nghiệm chiều cao kim loại điền đầy buồng ép tốt nhất nằm trong khoảng 2/3 – 4/5 đường kính buồng nạp. Các thông số kỹ thuật để tính toán: - Tổng mức kim loại ≈ 3,2 kg, bao gồm cả vấu lồi - Tổng chiều dài hành trình piston: 406 mm - Buồng nạp theo máy có kích thước như sau: Ø60, Ø70, Ø80 mm. * Sau khi tính toán, cho thấy với buồng nạp Ø70 đáp ứng được yêu cầu như sau: Chiều cao kim loại điền đầy trong buồng nạp là 53mm (53/70 = 0,757) nằm trong giới hạn cho phép. Hình 3.4. Chiều cao kim loại lỏng trong buồng nạp Phần kim loại điền đầy Phần trống còn lại 20 3.2.4. Tính toán hệ thống rãnh dẫn Việc thiết kế khuôn đúc áp lực phụ thuộc vào các thông số kỹ thuật của máy đúc. Các thông số của máy đúc áp lực có ảnh hưởng rất lớn đến kết cấu hệ thống khuôn nên các thông số kỹ thuật của máy được sử dụng để tính toán công nghệ cho khuôn đúc áp lực. Khi thiết kế hệ thống rãnh dẫn, ngoài những nguyên tắc cơ bản, người thiết kế cần phải sử dụng kinh nghiệm. Mức độ hoàn thiện hệ thống rãnh dẫn còn phụ thuộc vào kinh nghiệm tích lũy của người thiết kế. Ngoài ra còn phụ thuộc vào đặc điểm kỹ thuật của sản phẩm, loại máy đúc áp lực… Các thông số kỹ thuật chính của máy đúc áp lực ZITAI ZDC420TPS: Máy đúc buồng ép kiểu nằm ngang (loại máy kiểu này không có phần nối trung gian từ buồng ép đến rãnh dẫn, đường đi của kim loại lỏng ngắn, tránh được sự giảm nhiệt độ kim loại lỏng). Tổng chiều dài hành trình Piston là: 406mm. L1 = 66 mm: (pha 1: kim loại lỏng điền đầy buồng nạp; với vận tốc v1; áp lực nén p1) L2 = 280 mm: (pha 2: kim loại lỏng điền đầy hốc khuôn; với vận tốc v2; áp lực nén p2) L3 = 60mm: (pha 3: kim loại đông đặc dưới áp suất lớn; với vận tốc v3; áp lực nén p3). Bình tăng áp 1 áp lực nén: 90-110 kG/cm2 Bình tăng áp 2 áp lực nén: 180-210 kG/cm2 Các thông số của chi tiết thân bơm BRA50: - Trọng lượng vật đúc: 2,9 kg - Trọng lượng hệ thống rót (vấu lồi): 0,3 kg - Khối lượng riêng ρm = 2.600 kg/m3. Áp dụng công thức (3.1), ta tính toán được tổng diện tích rãnh dẫn: Trong đó: tdd=0,08 s (Lnạp = 0,28m; v2 = 3,5m/s); ρm = 2.600 kg/m3; Lựa chọn Vnap = 24 m/s (đối với đúc hợp kim cơ sở nhôm Vnap thông thường nằm trong khoảng từ 20-60m/s) tuy nhiên đối với chi tiết đúc là khuôn thân bơm BRA50 có thành dày lớn và đồng đều nên được chọn ở mức giới hạn dưới. Thay các thông số vào công thức 3.1 ta được fr: Như vậy diện tích rãnh dẫn là fr = 641 mm2; (diện tích miệng phun chỗ thắt) 2000641,0 08,0*24*2600 3,09,2 mfr =+= 21 3.2.5. Tính toán hệ thống hơi Áp dụng công thức thực nghiệm (3.10) và tính toán được fh như sau: Ta có: Vvđ = 755*10-6m3; Tk = 943oK; Thời gian điền đầy Tdd = 0,08s; áp suất khi trong khuôn pk = 0,16Mpa = 16.315,5kg/m2,đổi 1Mpa = 101.971,6 kg/m2; (pk: lấy theo thực nghiệm đối với khuôn thông thường); gia tốc trọng trường g=9,81m2/s; ρk = 0,0361 (theo bảng 3.6) ta có fh: 26 71,143,1 6 10*3,16 6,1 1 6,1 1*08,0*5,315.16 943*10*755*0361,081,9*65,0 mfh − − = ⎟⎠ ⎞⎜⎝ ⎛−⎟⎠ ⎞⎜⎝ ⎛ =∑ Như vậy diện tích rãnh hơi là fh = 16,3 mm2 22 3.3. Lựa chọn phương án công nghệ cho kết cấu khuôn-vật đúc 3.3.1. Tính công nghệ của kết cấu khuôn-vật đúc Kết cấu của vật đúc phải đảm bảo dễ lấy vật đúc ra khỏi khuôn, dễ rút ruột ra khỏi vật đúc, ít tạo nên ứng suất ở vật đúc và trong khuôn. Nguyên tắc về kết cấu khuôn-vật đúc khi đúc dưới áp lực: - Do độ chính xác của vật đúc phụ thuộc trước tiên vào cách bố trí nó trong khuôn và số lượng mặt phân khuôn, nên thiết kế chi tiết đúc sao cho số lượng mặt phân khuôn là ít nhất. - Vật đúc không được tạo bóng khi chiếu bằng các tia vuông góc với mặt phân khuôn - Vật đúc nên có phần lớn ruột nằm ở nửa khuôn động - Các thành bên trong nên nằm nghiêng để giảm ứng suất co - Khi đúc áp lực không thể tạo điều kiện đông đặc có hướng do đó cần phải tạo điều kiện để vật đúc đông đặc đồng thời. Muốn vậy, vật đúc nên có thành dày đều. 3.3.2. Lựa chọn phương án kết cấu khuôn-vật đúc 3.3.2.1. Một số kiểu rãnh dẫn tiêu biểu Kiểu rãnh dẫn cho một sản phẩm/khuôn Kiểu rãnh dẫn cho hai sản phẩm/khuôn Kiểu rãnh dẫn cho nhiều sản phẩm/khuôn Hình 3.5. Một số kiểu rãnh dẫn trong khuôn đúc áp lực 23 3.3.2.2. Lựa chọn mặt phân khuôn Từ bản vẽ chi tiết thân bơm hình 3.6 dưới đây: Các mặt gia công cộng lượng dư = 1,5mm. Riêng 2 lỗ trụ Ф55 x 104,5 cộng lượng dư gia công =1,5mm và côn đúc là 1o. Độ co lấy = 0,6%. a. Giả sử ta chọn mặt phân khuôn qua mặt phẳng E thì: + Toàn bộ chi tiết nằm trong khuôn tĩnh + Phần ruột Ф55 nằm trong khuôn chày + Hai lỗ Ф30 hai bên phải sử dụng 02 ben rút ruột Như vậy, với phương án trên thì toàn bộ thân bơm dài 128mm khi khuôn động lùi về phía sau toàn bộ thân bơm gây lên 1 lực cản rất lớn chưa kể hướng thoát khuôn là rất khó khăn. Ngoài ra còn phải sử dụng 02 ben thủy lực để rút 2 ruột Ф30 hai bên. E F Hình 3.6. Bản vẽ thân bơm BRA 50 24 Với phương án trên kết cấu khuôn rất phức tạp. b. Lựa chọn mặt phân khuôn đi qua F. Phương án này tạo hướng thoát khuôn rất thuận lợi và chỉ phải sử dụng 1 ben thủy lực đẩy ruột, lỗ Ф30 được tạo ra từ hai ruột cố định trên hai nửa khuôn. Với phương án này kết cấu khuôn đơn giản, dễ chế tạo hướng thoát dao quá trình gia công khá thông thoáng. 3.3.2.3. Lựa chọn vị trí rãnh dẫn, rãnh hơi. a. Lựa chọn vị trí rãnh dẫn. Với phương án chọn mặt phân khuôn đi qua F, thì mặt phẳng E là nơi nắp ruột hướng vào nên vị trí rãnh dẫn đi qua đây là không phù hợp. Chọn rãnh dẫn đi trực tiếp vào đáy bơm nhìn theo B. Thân bơm có tiết diện ngang trung bình tương đối dày, ở vị trí này cùng lực ép của Piston có thể bù xốp ngót cho phía đáy thân bơm rất tốt. Đối với thiết kế khuôn đúc áp lực, việc tính toán về dòng chảy, thoát hơi, truyền nhiệt…, trong khuôn là rất khó khăn. Kết quả tính toán rãnh dẫn và rãnh hơi được tính bởi các công thức thực nghiệm cùng với các hệ số và kinh nghiệm của người thiết kế. Đề tài không chọn ngay giá trị tính toán được để thiết kế rãnh dẫn, rãnh hơi, bởi vì khi đã gia công rãnh dẫn, rãnh hơi rồi việc thay đổi lại hệ thống dẫn và hơi lại phải hàn đắp, mài sửa làm tuổi thọ của khuôn không cao, thực hiện các thao tác công nghệ phức tạp. Kết cấu của hốc khuôn thân bơm BRA50 đơn giản, trở lực thấp nên đề tài chọn hệ thống rãnh dẫn, rãnh hơi bằng khoảng 90% thống số đã tính toán được. Ở mục 3.2.4 đã tính tổng diện tích rãnh dẫn fd = 641 mm2 (diện tích miệng Hình 3.7. Hệ thống rãnh dẫn 25 phun chỗ thắt). Như vậy lựa chọn thiết diện ngang của rãnh dẫn là 640mm2: chiều ngang rãnh = 64mm và chiều sâu rãnh = 10mm như hình 3.7. Trên thực tế rãnh dẫn thường được chia thành nhiều rãnh có tiết diện ngang rất nhỏ để sau khi đúc chỉ cần đập nhẹ là có thể tách phần vật đúc và rãnh dẫn. Tuy nhiên, đối với chi tiết thân bơm BRA50 có bề dày vật đúc khá dày, diện tích hình chiếu bề mặt chi tiết nhỏ nên đề tài lựa chọn phương án đưa rãnh dẫn trực tiếp vào đáy thân bơm trong quá trình đúc có thể bù xốp ngót dưới áp lực lớn. b. Lựa chọn vị trí rãnh hơi. Đường thoát hơi trong khuôn đúc áp lực thông thường được bố trí tại các vùng xa nhất của vật đúc. Tuy nhiên, quá trình chuyển động của khí trong hốc khuôn khi đúc trong điều kiện vận tốc, áp lực lớn thường diễn ra khá phức tạp. Với chi tiết thân bơm BRA 50 thiết kế hệ thống hơi như hình 3.8. Đã tính toán được tổng diện tích rãnh hơi là: 16,3 mm2. Đối với vật đúc bằng nhôm thông thường chiều sâu rãnh hơi từ 1-1,2mm. Đề tài chọn bằng 1mm cho chiều sâu rãnh. Chọn 2 rãnh hơi hai bên chi tiết đúc như hình 3.8. Bề rộng rãnh hơi lấy = 7,5mm Thông thường, đối với hệ thống khuôn đúc áp lực thường tại các vị trí rãnh thoát hơi sẽ có một đậu hơi. Đậu hơi này được tính toán để chứa lượng kim loại đầu tiên đi qua khuôn, lượng kim loại này có nhiệt độ thấp sau khi đi qua bề mặt khuôn (vùng xa nhất của khuôn tính từ rãnh rót). Tuy nhiên, đối với sản phẩm thân bơm BRA50 không tính toán thiết kế đậu hơi, bởi vì độ dày trung bình của thân bơm tương đối lớn (>10mm) cho nên lượng kim loại lỏng điền đầy giai đoạn sau hoàn toàn có thể hòa lẫn được lượng kim loại lúc đầu cùng với hốc khuôn có trở lực thấp. Hình 3.8. Đường thoát hơi 26 Chương 4. THIẾT KẾ VÀ GIA CÔNG CHẾ TẠO KHUÔN ĐÚC ÁP LỰC THÂN BƠM BRA50 4.1. Dựng bản vẽ chi tiết phôi thân bơm BRA 50 3D. Quá trình dựng bản vẽ 3D có thể sử dụng nhiều loại phần mềm, tùy thuộc vào khả năng của người thiết kế sử dụng thành thạo phần mềm gì. Các phần mềm vẽ thiết kế 3D hiện nay gồm: Autodesd Inventor, Solid works, AutoCAD … Đề tài này sử dụng phần mềm Autodesd Inventor để vẽ thiết kế. Từ bản vẽ chi tiết thân bơm BRA50 (hình 3.6), dựng bản vẽ thân bơm 3D với tỷ lệ co của hợp kim nhôm đúc trong khuôn áp lực là 0,6%, các kích thước gia công cộng lượng dư là 1,5 mm, riêng 2 lỗ trụ Ф55 cộng lượng dư gia công là 1,5mm và Hình 4.1. Chi tiết phôi thân bơm BRA Hình 4.2. Ruột khuôn thân bơm BRA 50 Hình 4.3. Nửa ruột khuôn chày thân bơm BRA 50 Hình 4.4. Nửa ruột khuôn cối thân bơm BRA 50 27 chiều côn thoát ruột là 1o. Sau khi dựng được bản vẽ phôi thân bơm BRA50 3D hình 4.1. Từ bản vẽ phôi thân bơm BRA50 3D hình 4.1 tạo phần ruột khuôn chày, ruột khuôn cối và ruột. Ruột khuôn chày và ruột khuôn cối lựa chọn kích thước phôi như sau: 252x202x82, kích thước phôi này đảm bảo sau khi gia công ruột khuôn xong tại những vị trí mỏng nhất còn đủ độ dày >20 mm. Trên cơ sở kích thước ruột khuôn chày và cối đã lựa chọn, dựng bản vẽ 3D toàn bộ hệ thống khuôn đúc áp lực thân bơm BRA50. Việc lựa chọn kết cấu khuôn phải đảm bảo được các yêu cầu kỹ thuật của toàn bộ kết cấu, nhưng sao cho tiết kiệm được vật liệu khuôn mức tối đa. Các chi tiết trong khuôn đúc áp lực có kết cấu phức tạp đòi hỏi độ chính xác cao được thiết kế và dựng 3D, sau đó được hiệu chỉnh kết cấu hợp lý và xuất bản vẽ 3D dạng đuôi “.igs” khi bản vẽ hoàn chỉnh được đưa dữ liệu bản vẽ vào các máy gia công chuyên dụng CNC để gia công chế tạo. Các chi tiết như: ruột, nửa ruột khuôn chày, nửa ruột khuôn cối có hình dáng phức tạp được dựng 3D và gia công trên máy CNC. Các chi tiết phụ trợ cho khuôn không đòi hỏi độ chính xác cao, cũng như có kết cấu đơn giản được vẽ thiết kế dưới dạng bản vẽ 2D và được gia công trên các máy gia công thông thường như: tiện, phay, bào… Các chi tiết phụ trong kết cấu khuôn như: Giá kẹp khuôn, tấm đẩy sản phẩm, chốt dẫn hướng… Hình 4.5. Nửa khuôn chày thân bơm BRA 50 Hình 4.6. Nửa khuôn cối thân bơm BRA 50 28 4.2. Thiết kế hoàn chỉnh bộ bản vẽ khuôn đúc áp lực thân bơm BRA 50 4.2.1. Các cụm kết cấu chính trong bộ khuôn đúc áp lực cao: 1. Cụm kết cấu tạo hình sản phẩm: thông thường cụm chi tiết này tiếp xúc trực tiếp với kim loại lỏng ban đầu và cả khi đông đặc dưới vận tốc dòng chảy cao, áp lực cao. Nên đòi hỏi vật liệu chế tạo các chi tiết này có độ bền, độ chịu mòn, độ chịu nhiệt cao. Phần kết cấu này được sử dụng vật liệu SKD61 như đã chọn ở mục 2.2 chương 2, các chi tiết đó là: nửa ruột khuôn chày, nửa ruột khuôn cối, ruột, đạo, nòng. Các chi tiết này sau khi gia công hoàn chỉnh được lắp vào khuôn, sau đó đúc thử sản phẩm để kiểm tra các kích thước gia công và độ thoát khuôn. Sản phẩm đúc được kiểm tra toàn bộ các kích thước, độ bóng bề mặt sản phẩm cũng như tính hợp lý của công nghệ. Khuôn được hiệu chỉnh đảm bảo tính công nghệ, kích thước hình học, độ thoát khuôn…, sau đó toàn bộ các chi tiết vật liệu sử dụng là SKD61 được tháo ra và đưa đi nhiệt luyện chân không “thấm N2 trong điều kiện chân không”. 2. Cụm kết cấu lắp gá ruột khuôn: các chi tiết không trực tiếp tiếp xúc với kim loại lỏng có nhiệm vụ làm giá đỡ để lắp các chi tiết tạo hình sản phẩm “phần tạo hình sản phẩm” và lắp toàn bộ khuôn lên máy. Các chi tiết này được chế tạo từ vật liệu thép C45 bao gồm: vỏ khuôn tĩnh, vỏ khuôn động, tấm gá khuôn động, tấm đẩy mẫu. 3. Cụm chi tiết phụ trợ: bao gồm các chốt, bạc dẫn hướng hai nửa khuôn, chốt dẫn hướng tấm đẩy sản phẩm, các ty đẩy sản phẩm, bộ phận khóa ruột. 4.2.2. Các bản vẽ chi tiết trong bộ khuôn thân bơm BRA 50. Bộ bản vẽ thân bơm bao gồm các bản vẽ chi tiết có ký hiệu BRA50-00 cho tới Hình 4.7. Bản lắp khuôn đúc thân bơm BRA50 29 BRA50-25. Bộ bản vẽ này được trình bày trong phụ lục 1 “Bản vẽ gia công chế tạo khuôn thân bơm BRA50” dưới đây là bản lắp của bộ khuôn hình 4.7. Các chi tiết gia công trên máy CNC chuẩn gia công lấy theo tâm xy lanh. 4.3. Gia công bộ khuôn đúc áp lực thân bơm BRA50 4.3.1. Gia công các chi tiết bộ khuôn thân bơm BRA50. Như đã trình bày ở trên các chi tiết như: ruột khuôn chày, ruột khuôn cối, ruột là các chi tiết có hình dáng phức tạp nên được dựng duới dạng bản vẽ 3D, sau đó được đưa dữ liệu bản vẽ vào máy CNC để gia công theo hình dáng. Một số hình ảnh khi gia công trên các máy CNC. Hình 4.9. Vỏ khuôn tĩnh Hình 4.10. Vỏ khuôn động Hình 4.11. Nửa khuôn cối đã gia công hoàn chỉnh Hình 4.12. Nửa khuôn chày đang gia công Hình 4.8. Dẫn hướng ruột đang gia công 30 4.3.2. Bộ khuôn đúc thân bơm BRA50 hoàn chỉnh. Bộ khuôn đúc áp lực thân bơm BRA50 được lắp ráp hoàn chỉnh chuẩn bị lắp lên máy đúc áp lực ZITAI ZDC420TPS, hình 4.13a và hình 4.13b. Bề mặt hốc khuôn đạt độ bóng 0,63. Hình 4.13. Bộ khuôn đúc áp lực thân bơm BRA 50 a. Nửa khuôn động b. Nửa khuôn tĩnh 31 Chương 5. ĐÚC THÂN BƠM BRA50 VÀ HIỆU CHỈNH KHUÔN 5.1. Đúc thân bơm BRA50 trên máy đúc áp lực ZITAI ZDC420TPS bằng bộ khuôn đã thiết kế Sau khi chế tạo xong các chi tiết của bộ khuôn đúc áp lực thân bơm BRA50, tiến hành lắp ráp hoàn chỉnh bộ khuôn. Đúc sản phẩm thân bơm BRA50 trên máy đúc áp lực ZITAI ZDC420TPS tại Viện Công nghệ. Để tiến hành đúc thân bơm BRA50 bộ khuôn được lắp lên máy theo quy trình lắp khuôn. Sau khi lắp khuôn xong lập trình các thông số công nghệ cho sản phẩm thân bơm BRA50. Hợp kim nhôm AЛ9 được nấu chảy, khử khí, biến tính sau đó hạ nhiệt đến 680oC chuẩn bị cho quá trình đúc sản phẩm thân bơm BRA50. Trong quá trình biến tính hợp kim nhôm AЛ9 và hạ nhiệt thì hai nửa khuôn đã lắp trên máy được gia nhiệt bằng mỏ gaz, để đảm bảo bề mặt khuôn có nhiệt độ >120oC như hình 5.1. Trên thực tế khi bắt đầu đúc thì một vài sản phẩm ban đầu được loại bỏ bởi vì khuôn lúc đầu mặc dù được gia nhiệt bằng mỏ gaz nhưng nhiệt độ bề mặt khuôn thấp và không đồng đều. Sau khi đúc từ 3-4 sản phẩm và ép không áp, nhiệt độ khuôn đồng đều thì bắt đầu có thể đúc sản phẩm dưới vận tốc và áp lực cao. Chế độ đúc thân bơm BRA50 trên máy đúc áp lực ZITAI ZDC420TPS như sau: V1 = 2,1 m/s; áp lực p1 = 100 kG/cm2 V2 = 3,5 m/s; V3 = 4 m/s; áp lực tăng áp P2 = 180 kG/cm2 Sản phẩm thân bơm BRA50 sau khi được đúc hình 5.2. Hình 5.2. Thân bơm BRA 50 bao gồm cả hệ thống rót Hình 5.1. Khuôn đúc áp lực thân bơm BRA 50 đã lắp trên máy 32 5.2. Kiểm tra chất lượng phôi thân bơm BRA50. 5.2.1. Kiểm tra các kích thước phôi thân bơm Phôi thân bơm sau khi đúc được làm sạch và tiến hành kiểm tra các kích thước, có hai kích thước được kiểm tra là: - Kích thước gia công ký hiệu là “GC”. - Kích thước không gia công ký hiệu là “TH” Ký hiệu bản vẽ kiểm tra các kích thước phôi thân bơm BRA50 hình 5.3. Bảng 5.1. So sánh các kích thước kiểm tra phôi thân bơm BRA50. Kích thước không gia công Kích thước gia công TT Phôi thân bơm BRA50 TH1 TH2 TH3 TH4 GC1 GC2 GC3 GC4 GC5 GC6 GC7 GC8 GC9 Bản vẽ thiết kế 51 94 147 143 10 104,5 129,5 35 52 115 51,5 45 27 1 Phôi số 1 51,1 94 146,9 143,2 10,5 105 130,1 35,3 52 114,5 52,1 45 27 2 Phôi số 2 51 94,2 147 143,1 10,6 105 130 35,2 52,1 114,4 52 45,1 27,2 3 Phôi số 3 51 94,1 147 143,2 10,6 105,2 129,9 35,2 52,1 114,6 51,9 45,1 27,2 4 Phôi số 4 51,1 94,1 147,1 143,2 10,5 105 129,8 35,4 52,2 114,5 51,8 45 27,3 5 Phôi số 5 51 94 147 143,1 10,5 105,1 130 35,3 52 114,6 52 45,1 27,1 Hình 5.3. Bản vẽ kiểm tra các kích thước phôi thân bơm BRA50 33 Qua bảng so sánh các kích thước phôi thân bơm cho thấy, sai số của các kích thước không gia công và các kích thước gia công đều đạt chỉ tiêu chất lượng đối với sản phẩm như sau: - Sai số kích thước không gia công ≤ 0,2mm - Sai số kích thước gia công ≤ 0,7mm. 5.2.2. Kiểm tra bề mặt phôi và tiết diện ngang của thân bơm BRA50 Chất lượng bề mặt sản phẩm đẹp. Tuy nhiên, có một số vị trí bị nhăn bề mặt hình 5.4. Trọng lượng phôi thân bơm sau khi đúc là 2,5 kg. Do độ dày trung bình của phôi là khá lớn nên khả năng xảy ra khuyết tật như rỗ co tập chung, rỗ khí tại các vị trí có tiết diện ngang lớn, cắt kiểm tra tại các vị trí trên phôi thân bơm hình 5.5 như sau: Hình 5.4. Vị trí sản phẩm bị nhăn do thoát hơi kém. Hình 5.5. Cắt sản phẩm qua các vị trí có tiết diện ngang lớn 34 5.3. Đánh giá và hiệu chỉnh công nghệ 5.3.1. Phân tích đánh giá khuyết tật Các kích thước gia công và các kích thước không gia công đảm bảo được yêu cầu kỹ thuật đã đề ra. Với việc sản phẩm bị nhăn bề mặt tại một số vị trí như hình 5.4 cho thấy độ thoát hơi của khuôn kém. Mài sửa đường hơi đảm bảo kích thước tiết diện ngang là 0,1x9 (phần vẽ thiết kế là 1x7,5) Sản phẩm bị nhiều bọt khí phân bố đều trên toàn bộ thể tích, khuyết tật này do áp lực ép nhỏ cần tăng áp lực ép. 5.3.2. Chế tạo sản phẩm sau khi hiệu chỉnh: Sau khi mài sửa đường hơi đúc sản phẩm phôi thân bơm theo các thông số công nghệ như sau: V1 = 2,1 m/s; áp lực p1 = 100 kG/cm2 Hình 5.6. Sản phẩm đúc đã được cắt Các vị trí bị xốp bọt Hình 5.7. Sản phẩm thân bơm BRA50 sau khi hiệu chỉnh Xốp tập trung 35 V2 = 3,5 m/s; V3 = 4 m/s; áp lực tăng áp P2 = 190 kG/cm2 Sản phẩm thân bơm BRA50 sau khi hiệu chỉnh 5.7. Như vậy, sau khi đã sửa đường thoát hơi và hiệu chỉnh công nghệ, sản phẩm có chất lượng bề mặt nhẵn đẹp, không bị giáp mí. Tuy nhiên, vẫn còn hiện tượng xốp tập chung tại vị trí gần rãnh dẫn. Trọng lượng phôi sau hiệu chỉnh lần 1 là 2,65 kg. Đúc sản phẩm sau khi hiệu chỉnh lần 2 với các thông số công nghệ như sau: V1 = 2,1 m/s; áp lực p1 = 100 kG/cm2 V2 = 4,15 m/s; V3 = 4,5 m/s; áp lực tăng áp P2 = 200 kG/cm2 Sau khi tăng vận tốc dòng nạp và áp lực ép, sản phẩm có bề mặt nhẵn đẹp, toàn bộ mặt cắt ngang của chi tiết sít chặt không có rỗ xốp (hình 5.8; hình 5.9) và đạt trọng lượng là: 2,92 kg Như vậy, sản phẩm thân bơm BRA50 đã đảm bảo được các yêu cầu kỹ thuật đề ra. Hình 5.9. Sản phẩm thân bơm BRA 50 đúc trên bộ khuôn BRA 50 sau khi hiệu chỉnh. Hình 5.8. Sản phẩm BRA50 sau khi hiệu chỉnh lần 3 36 Kết luận Đề tài đã xây dựng được quy trình công nghệ thiết kế chế tạo khuôn đúc áp lực. Các cán bộ kỹ thuật ứng dụng thành thạo các phầm mềm thiết kế công nghệ phục vụ cho thiết kế khuôn đúc áp lực cao. Thiết kế, chế tạo, hiệu chỉnh và hoàn thiện được bộ khuôn đúc áp lực thân bơm BRA50. Chế tạo được 05 sản phẩm phôi thân bơm BRA50 trên máy đúc áp lực 420 tấn tại Viện Công nghệ. Đội ngũ cán bộ kỹ thuật hoàn toàn làm chủ được quy trình công nghệ thiết kế khuôn đúc áp lực. Hướng phát triển của đề tài: Nghiên cứu thiết kế khuôn đúc áp lực có hệ thống hút chân không (chân không hóa hốc khuôn), làm giảm trở lực trong khuôn cho phép đúc được vật đúc có chiều dày dưới 1mm. Nghiên cứu thiết kế khuôn đúc áp lực ứng dụng cho công nghệ đúc ép bán lỏng. Tài liệu tham khảo 1. Nghiêm Hùng (1997), Sách tra cứu thép, gang thông dụng, Bộ môn Vật liệu học & Nhiệt luyện-Trung tâm nghiên cứu Vật liệu học-ĐHBK Hà Nội. 2. Ngô Trí Phúc-Trần Văn Địch (2003), Sổ tay sử dụng thép thế giới- NXBKH&KT Hà Nội, 1870 [1], tr, 1151, 1266. 3. Nguyễn Hữu Dũng (2006), Các phương pháp đúc đặc biệt, NXB KH&KT Hà Nội, 231 [2], tr 77-94. 4. Nguyễn Ngọc Hà (2006), Các phương pháp và công nghệ đúc đặc biệt, NXB ĐHQG TPHCM 5. Nguyễn Xuân Bông-Phạm Quang Lộc (1978), Thiết kế đúc, ĐHBK Hà Nội-NXB KH&KT 6. Phan Tử Phùng (1991), Sách tra cứu kỹ thuật đúc thép, NXB KH&KT, Hội đúc-Luyện kim Việt Nam Phụ lục I Phiếu mô tả công nghệ (Ban hành kèm theo Quyết định số 03/2007/QĐ-BKHCN ngày 16/3/2007 của Bộ trưởng Bộ Khoa học và Công nghệ) 1. Tên công nghệ: Chế tạo bộ khuôn đúc thân bơm BRA 50 dùng trên máy đúc áp lực 420tấn 2. Thuộc đề tài: Nghiên cứu thiết kế, chế tạo bộ khuôn đúc thân bơm BRA 50 dùng trên máy đúc áp lực 420tấn 3. Chủ nhiệm đề tài: Th.s. Nguyễn Tiến Tài 4. Cơ quan quản lý đề tài: Bộ Công Thương. 5. Tên sản phẩm : Bộ khuôn đúc thân bơm BRA 50 6. Mô tả (sơ lược quy trình sản xuất; sản phẩm và đặc tính kỹ thuật; lĩnh vực áp dụng; yêu cầu nguyên vật liệu; yêu cầu nhà xưởng, nhiên liệu...; yêu cầu nhân lực). Bộ khuôn đúc thân bơm BRA 50 đạt các yêu cầu kỹ thuật sau: Độ cứng 45 ÷ 48 HRc, sai số kích thước không gia công ≤ 0,2 mm, sai số kích thước gia công ≤ 0,7 mm, độ bóng bề mặt khuôn đạt 0,63. 7. Công suất, sản lượng: 01 bộ khuôn đúc thân bơm BRA 50 cho máy đúc áp lực ZDC- 420T 8. Mức độ triển khai: Chế tạo hoàn chỉnh 01 bộ khuôn đúc thân bơm BRA50 dùng trên máy đúc áp lực 420 tấn và chế tạo 05 sản phẩm thân bơm BRA50. 9. Số liệu kinh tế (đơn giá thành phẩm, giá thiết bị, phí đào tạo, phí vận hành, phí bản quyền, phí bí quyết, tỷ lệ xuất khẩu sản phẩm...) 10. Hình thức chuyển giao (chìa khóa trao tay, liên doanh, bán thiết bị, bán li-xăng ...): 11. Dạng tài liệu (công nghệ, dự án, tiến bộ kỹ thuật...): 12. Địa chỉ liên hệ : Viện Công nghệ, 25 Vũ Ngọc Phan, Đống Đa, Hà Nội Phụ lục 1 (kèm theo Hợp đồng số 237.08/RD/HĐ – KHCN, ký ngày 13 tháng 3 năm 2008) TT Nội dung công việc Kết quả đạt được Thời gian bắt đầu, kết thúc Người, cơ quan thực hiện 1 Thu thập tài liệu, dịch thuật Báo cáo tổng quan Tháng 1-2/2008 Viện Công nghệ 2 Khảo sát điều kiện làm việc Báo cáo khảo sát điều kiện làm việc, tính năng của khuôn đúc áp lực Tháng 2- 3/2008 Viện Công nghệ và các cộng tác viên 3 Xây dựng quy trình công nghệ chế tạo bộ khuôn Quy trình công nghệ chế tạo khuôn Tháng 3- 4/2008 Viện Công nghệ và các cộng tác viên 4 Lựa chọn vật liệu chế tạo khuôn Chọn vật liệu có cơ, lý tính phù hợp làm khuôn Tháng 3- 4/2008 Viện Công nghệ và các cộng tác viên 5 Nghiên cứu thiết kế chế tạo bộ khuôn trên các phần mềm hiện có Các bản vẽ chế tạo khuôn và sản phẩm, 2D và 3D Tháng 4- 5/2008 Viện Công nghệ và các cộng tác viên 6 Chế tạo bộ khuôn và hiệu chỉnh để đúc sản phẩm thân bơm BRA50 Bộ khuôn đúc thân bơm BRA50 Tháng 5- 8/2008 Viện Công nghệ và các cộng tác viên 7 Chế tạo thân bơm BRA50 bằng bộ khuôn đã chế tạo trên máy đúc áp lực 420Tấn 05 sản phẩm thân bơm BRA50 Tháng 8- 10/2008 Viện Công nghệ và các cộng tác viên 8 Lắp đặt chạy thử, kiểm nghiệm sản phẩm. Kiểm nghiệm sản phẩm và đánh giá chất lượng Tháng 10- 11/2008 Viện Công nghệ và các cộng tác viên 9 Viết báo cáo tổng kết, nghiệm thu đề tài Báo cáo tổng kết Tháng 12/2008 VCN