CHƢƠNG 4 MỘT SỐ PHƢƠNG PHÁP ĐÚC
PHẦN 5 ĐÚC LI TÂM
PGS.TS. NGUYỄN NGỌC HÀ 1
Từ khóa
• Centrifugal Casting • Semi-centrifugal
PGS.TS. NGUYỄN NGỌC HÀ 2
1. MỞ ĐẦU
Được phát minh vào đầu thế kỷ 19 Lúc đầu: chỉ chế tạo chi tiết tròn xoay: ống
gang, phôi séc măng, phôi sơ mi …
Sau này: cũng sử dụng để chế tạo các vật đúc không tròn xoay (semi-centrifugal) KL lỏng được rót vào khuôn đang quay
(trục quay thẳng đứng hoặc nằm ngang) Suốt quá trình rót & đông đặc: khuôn, vật đúc luôn ở trạng thái quay và chịu tác dụng của lực li tâm
PGS.TS. NGUYỄN NGỌC HÀ 3
Sơ đồ nguyên lý
PGS.TS. NGUYỄN NGỌC HÀ 4
Sơ đồ nguyên lý
Trục quay ngang
Trục quay thẳng đứng
PGS.TS. NGUYỄN NGỌC HÀ 5
1. MỞ ĐẦU
Lực li tâm tác động theo
hướng kính:
P = m2r m-khối lượng phần tử quay -vận tốc góc phần tử
quay
r-bán kính phần tử quay 2r-gia tốc của phần tử
quay
K = m2r /mg= 2r / g : hệ
số trọng trường
PGS.TS. NGUYỄN NGỌC HÀ 6
2. ĐẶC ĐiỂM 2.1. Ƣu điểm
1. KL lỏng kết tinh dưới tác động của lực li tâm & nguội nhanh tổ chức nhỏ mịn, sít chặt
2. Mặt ngoài vật đúc rất sạch (tạp chất &
khí nằm ở mặt trong); vật đúc không có rỗ khí, xỉ
3. Tạo lỗ rỗng mà không cần ruột 4. Hệ số thực thu thành phẩm cao
PGS.TS. NGUYỄN NGỌC HÀ 7
2.1. Ƣu điểm
PGS.TS. NGUYỄN NGỌC HÀ 8
2.1. Ƣu điểm
5. Đúc được các HK có độ chảy loãng thấp
6. Ít hoặc không tiêu tốn vật liệu làm khuôn
7. Có thể tạo phôi nhiều lớp
PGS.TS. NGUYỄN NGỌC HÀ 9
2.2. Nhƣợc điểm
1. Vật đúc dễ bị thiên tích thành phần
đúc li tâm không thể sử dụng cho tất cả HK đúc
2. Khó đúc các vật đúc bằng HK nhẹ 3. Lượng dư gia công lỗ lớn 4. Dễ cháy dính cát khi dùng khuôn có lớp
cát áo
5. Không hiệu quả khi sản xuất nhỏ
PGS.TS. NGUYỄN NGỌC HÀ 10
3. PHẠM VI SỬ DỤNG
Các vật đúc dạng tròn
xoay (ống bạc) Đúc bạc bimetal Các vật đúc nhỏ khác
PGS.TS. NGUYỄN NGỌC HÀ 11
3. PHẠM VI SỬ DỤNG
PGS.TS. NGUYỄN NGỌC HÀ 12
3. PHẠM VI SỬ DỤNG
PGS.TS. NGUYỄN NGỌC HÀ 13
3. PHẠM VI SỬ DỤNG
PGS.TS. NGUYỄN NGỌC HÀ 14
3. PHẠM VI SỬ DỤNG
PGS.TS. NGUYỄN NGỌC HÀ 15
3. PHẠM VI SỬ DỤNG
PGS.TS. NGUYỄN NGỌC HÀ 16
4. HÌNH DẠNG BỀ MẶT THOÁNG 4.1. Trục quay ngang
Giả định: - Tất cả các phần tử của KL lỏng có vận tốc góc như nhau và bằng vận tốc góc của khuôn
Vật đúc nằm ở trạng thái tĩnh tương đối so với khuôn Phương trình bề mặt thoáng
có dạng:
Xdx + Ydy + Zdz = 0
PGS.TS. NGUYỄN NGỌC HÀ 17
4.1. Trục quay ngang
Hợp lực của lực li tâm và
trọng lực thay đổi về độ lớn theo vị trí Do 2r >> g: - X= 2x - Y= 2y 2x + 2y= 0 Lấy tích phân có tính đến
điều kiện biên:
x2 + y2 = r2
PGS.TS. NGUYỄN NGỌC HÀ 18
4.2. Trục quay đứng
Phương trình bề mặt thoáng: Rdr + Zdz = 0 Điểm M trên mặt thoáng chịu tác
động của các gia tốc:
R= 2r; Z= -g 2rdr – gdz= 0 z= 2r2/2g - Bề mặt thoáng có dạng paraboloid
tròn xoay
- Hình dáng bề mặt thoáng phụ
thuộc vào vận tốc quay của khuôn
PGS.TS. NGUYỄN NGỌC HÀ 19
5. LỰC TÁC ĐỘNG LÊN CHẤT ĐiỂM ĐANG QUAY 5.1. Trục quay nằm ngang
dp= (Xdx+ Ydy + Zdz)= (2xdx + 2ydy)
2)/2
Lấy tích phân và: - Thay x2 + y2 = r2 - Khi r= rtr thì p= 0 p= 2(r2 – rtr
PGS.TS. NGUYỄN NGỌC HÀ 20
5.2. Trục quay thẳng đứng
Đối với điểm M1(zM1,0) nằm
dưới đỉnh parabol:
2/2 + h)
p=g (za + h)=(2r1
Đối với điểm M2(zM2,0) nằm
trên đỉnh parabol:
2
p= g (zC – zB)= g(2/2)(r2
2)
– rB
PGS.TS. NGUYỄN NGỌC HÀ 21
6.LỰC TÁC DỤNG LÊN VẬT LẪN 6.1. Lực tác dụng Nếu KL lỏng ở trạng thái tĩnh, lực nâng tác
dụng lên vật lẫn:
P= vlgV - klgV = gV(vl - kl) vl,kl – khối lượng riêng của vật lẫn & KL
lỏng
V – thể tích vật lẫn Nếu KL lỏng đang quay: Plt= 2r V(vl - kl)= P2r/g= KP
PGS.TS. NGUYỄN NGỌC HÀ 22
6.1. Lực tác dụng lên vật lẫn
Lực tác dụng lên vật lẫn trong KL lỏng
đang quay lớn hơn so với trong KL tĩnh K
lần thiên tích mạnh các vật lẫn có khối
lượng riêng khác KL lỏng
vl < kl (vật lẫn: xỉ, cát …) Plt < 0 và
hướng về mặt thoáng
PGS.TS. NGUYỄN NGỌC HÀ 23
6.2. Vận tốc nổi của vật lẫn
Với lưu chất tĩnh, vận tốc nổi max của vật
lẫn được xác định từ điều kiện cân bằng
giữa lực nâng & lực cản thủy tĩnh, xác
định theo công thức Stock:
vmax= [4dg (kl - vl)/3ckl]0,5
d – đường kính vật lẫn
c – hệ số trở lực, phụ thuộc số Re
PGS.TS. NGUYỄN NGỌC HÀ 24
6.2. Vận tốc nổi của vật lẫn
Đối với KL lỏng đang quay:
vmax’ = K0,5vmax
Nhận xét:
- Vận tốc nổi của vật lẫn phi kim trong KL
lỏng đang quay lớn hơn K0,5
lần so với
trong KL tĩnh: đây là ưu điểm lớn của đúc
li tâm
PGS.TS. NGUYỄN NGỌC HÀ 25
7. QUÁ TRÌNH ĐÔNG ĐẶC 7.1. Quá trình nguội 7.1.1. Nguội bề mặt thoáng a. Nguội do bức xạ nhiệt
Cường độ bức xạ nhiệt:
Q= c[(T1/100)4 - (T0/100)4 ]
Cường độ bức xạ nhiệt lớn nhất xảy ra ngay sau
khi rót
PGS.TS. NGUYỄN NGỌC HÀ 26
a. Nguội do bức xạ nhiệt
Bức xạ nhiệt từ một điểm trên bề mặt thoáng
được đặc trưng bởi góc
Cùng đường kính mặt thoáng, vật đúc càng dài thì góc càng bé cường độ bức xạ nhiệt giảm ảnh hưởng đến tốc độ nguội của vật đúc và chiều sâu vùng rỗ co
PGS.TS. NGUYỄN NGỌC HÀ 27
b. Nguội do truyền nhiệt qua không khí tiếp xúc mặt thoáng
Trục quay thẳng đứng nguội mạnh hơn
trục quay ngang do không khí lạnh đi
xuống, nóng bốc lên
PGS.TS. NGUYỄN NGỌC HÀ 28
7.1.2. Nguội mặt ngoài
Phụ thuộc vào độ dẫn nhiệt của VLLK, lớp sơn khuôn, khe hở khí giữa vật đúc và khuôn
Phủ bề mặt khuôn một lớp vật liệu làm khuôn giảm tốc độ nguội vật đúc Tăng tốc độ quay lực li tâm tăng
giảm khe hở khí tăng tốc độ nguội vật đúc
PGS.TS. NGUYỄN NGỌC HÀ 29
7.2. Các hiện tƣợng co 7.2.1. Vật đúc đƣợc làm nguội 1 phía
Vật đúc đặc hoặc rỗng nhưng có 2 đầu mút kín đông đặc có hướng từ mặt ngoài vào
a. Khi khoảng đông hẹp đông đặc có
hƣớng:
• Rỗ co tập trung ở trục quay (vật đúc đặc) • Rỗ co ở mặt thoáng (vật đúc rỗng)
PGS.TS. NGUYỄN NGỌC HÀ 30
7.2.1. Vật đúc đƣợc làm nguội 1 phía
b. Khi khoảng đông rộng: • Vật đúc đang kết tinh có 4 vùng: - Lỏng - Lỏng – rắn: các tinh thể nhánh cây nằm
giữa pha lỏng
- Rắn – lỏng: nhánh cây liên tục và KL lỏng
nằm giữa các nhánh cây
- Rắn
PGS.TS. NGUYỄN NGỌC HÀ 31
7.2.1. Vật đúc đƣợc làm nguội 1 phía
• Quá trình đông đặc: - Hình thành vỏ rắn ở mặt ngoài - Các nhánh cây phát triển về phía mặt
thoáng
- Vùng lỏng xuất hiện các tinh thể nhánh
cây. Do lực li tâm, các tinh thể này bắn ra mặt ngoài & và nhập với các nhánh cây của vùng L-R. Sự co được bù từ KL lỏng từ các vùng trung tâm
PGS.TS. NGUYỄN NGỌC HÀ 32
7.2.1. Vật đúc đƣợc làm nguội 1 phía
- Ở vùng trung tâm, các tinh thể nhánh cây lớn lên hình thành vùng R-L. Việc bù co: lọc KL lỏng qua lưới nhánh cây
- Độ sệt KL lỏng tăng lên quá trình lọc khó khăn xuất hiện rỗ co ở vùng mặt thoáng
PGS.TS. NGUYỄN NGỌC HÀ 33
7.2.2. Vật đúc đƣợc làm nguội 2 phía
• Tự đọc
PGS.TS. NGUYỄN NGỌC HÀ 34
8. MỘT SỐ VẤN ĐỀ VỀ CÔNG NGHỆ 8.1. Chọn vị trí trục quay
Không nên chọn trục quay đứng cho
các vật đúc có chiều dài lớn vì:
- Chênh lệch độ dày ở dưới và trên lớn - Phần dưới dày đông đặc sau rỗ co - Cột áp KL lỏng lớn khuôn bị ăn mòn
mạnh; dễ bắn tóe
PGS.TS. NGUYỄN NGỌC HÀ 35
8.1. Chọn vị trí trục quay
Chọn trục quay đứng
cho các trƣờng hợp:
- Các vật đúc đặc
- Các vật đúc không có
dạng tròn xoay
- Các vật đúc tròn xoay,
rỗng có H/D<1
PGS.TS. NGUYỄN NGỌC HÀ 36
8.1. Chọn vị trí trục quay
PGS.TS. NGUYỄN NGỌC HÀ 37
8.2. Tốc độ quay của khuôn
Đây là thông số CN quan trọng nhất Trục quay ngang: - Tốc độ quay nhỏ bề mặt thoáng của KL lỏng
chỉ nghiêng 1 góc hoặc xảy ra tình trạng mưa rơi - Tốc độ quay quá lớn: VĐ bị nứt, chảy dính, rung
máy …
PGS.TS. NGUYỄN NGỌC HÀ 38
Một số phƣơng pháp tính tốc độ quay
Công thức Kemmen: n= c/(r)0,5 n – tốc độ quay, vòng/phút r – bán kính bề mặt thoáng, cm c – hệ số, phụ thuôc HK đúc thép – 1350; gang – 1675; đồng – 1675;
nhôm – 2250
PGS.TS. NGUYỄN NGỌC HÀ 39
Một số phƣơng pháp tính tốc độ quay
Công thức Konstatinov: n= 5520/(r)0,5 - trọng lượng riêng HK đúc
PGS.TS. NGUYỄN NGỌC HÀ 40
Một số phƣơng pháp tính tốc độ quay
Cơ sở của cả 2 p/p trên là hệ số trọng
trường K:
K = 2r/g = (n/30)2(r/g) n= 300 (K/r)0,5 Như vậy: - Trong công thức Kemmen: K= (c/300)2 - Trong công thức Konstatinov: K= 340/ HK càng nhẹ tốc độ quay càng lớn R càng lớn tốc độ quay càng nhỏ
PGS.TS. NGUYỄN NGỌC HÀ 41
8.3. Tốc độ rót
Thông số CN quan trọng Trong quá trình rót, chiều dày lớp vỏ rắn của vật đúc phải luôn nhỏ hơn chiều dày lớp KL lỏng
Lúc đầu: rót nhanh để KL nhanh chóng
phủ bề mặt khuôn, sau đó giảm tốc độ rót tạo thuận lợi đông đặc có hướng, giảm áp lực lên lớp vỏ rắn …
PGS.TS. NGUYỄN NGỌC HÀ 42
8.4. Khuôn đúc li tâm
Khuôn kim loại Khuôn cát Khuôn KL và cát
PGS.TS. NGUYỄN NGỌC HÀ 43
8.4.1. Khuôn kim loại
Sử dụng trong các trường hợp: - SX loạt lớn - Vật đúc không bị cản co, dễ lấy
khỏi khuôn
- Vật đúc cần nguội nhanh - Đúc bạc, ống … GX 18-36, GX 24-44 Thép cacbon Gang cầu
PGS.TS. NGUYỄN NGỌC HÀ 44
8.4.2.Khuôn KL có lớp phủ cách nhiệt
Phủ lên bề mặt khuôn chất phủ ở dạng
lỏng hoặc 1 lớp vật liệu tản rời (cát thạch
anh mịn, khô)
Mục đích chất phủ ở dạng lỏng :
- Tăng tuổi thọ khuôn
- Chống biến trắng khi đúc gang
PGS.TS. NGUYỄN NGỌC HÀ 45
8.4.2.Khuôn KL có lớp phủ cách nhiệt
Mục đích chất phủ vật liệu tản rời:
- Giảm tốc độ & mức độ nung nóng khuôn
- Giảm tốc độ nguội của vật đúc
- Giữ KL ở trạng thái lỏng lâu để đúc 2 lớp
- Thay đổi đường kính ngoài của vật đúc
bằng cách thay đổi chiều dày lớp vật liệu
tản rời
PGS.TS. NGUYỄN NGỌC HÀ 46
8.4.3. Khuôn có lớp cát áo
Sử dụng trong các trường hợp: - SX nhỏ - Vật đúc bị cản co & vướng không lấy ra
khỏi khuôn KL được
PGS.TS. NGUYỄN NGỌC HÀ 47
