ĐÚC LI TÂM
• Từ khóa: Centrifugal Casting
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
Sơ đồ nguyên lý
Sơ đồ nguyên lý
• Trục quay ngang
• Trục quay thẳng đứng
1. Mở đầu
• Lực li tâm tác động theo
hướng kính:
2r
P = m(cid:0) m – khối lượng phần tử quay (cid:0) - vận tốc góc phần tử quay r – bán kính phần tử quay (cid:0) 2r – gia tốc của phần tử quay • K = m(cid:0)
2r /mg= (cid:0)
2r / g : hệ số
trọng trường
2. Đặc điểm 2.1. Ưu điểm
1. KL lỏng kết tinh dưới tác động của lực li tổ chức nhỏ mịn,
tâm & nguội nhanh (cid:0) 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
2.1. Ưu điểm
2.1. Ưu 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
2.2. Nhược điểm
1. Vật đúc dễ bị thiên tích thành phần (cid:0)
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
3. Phạm vi sử dụng
• Các vật đúc dạng tròn
xoay (ống bạc) • Đúc bạc bimetal • Các vật đúc nhỏ khác
3. Phạm vi sử dụng
3. Phạm vi sử dụng
3. Phạm vi sử dụng
3. Phạm vi sử dụng
3. Phạm vi sử dụng
4. Hình dáng bề mặt thoáng
• 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
(cid:0) (cid:0)
4.1. Trục quay ngang
• Hợp lực của lực li tâm
và trọng lực thay đổi về độ lớn theo vị trí 2r >> g: 2x 2y 2x + (cid:0)
2y= 0
• Do (cid:0) - X= (cid:0) - Y= (cid:0) (cid:0) (cid:0) • Lấy tích phân có tính đến điều kiện biên:
x2 + y2 = r2
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:
2r; Z= -g 2rdr – gdz= 0 2r2/2g
R= (cid:0) (cid:0) (cid:0) z= (cid:0) (cid:0) •
(cid:0)
- Bề mặt thoáng có dạng paraboloid tròn xoay - Hình dáng bề mặt thoáng
phụ thuộc vào vận tốc quay của khuôn
5. Lực tác động lên chất điểm đang quay 5.1. Trục quay nằm ngang
• dp= (cid:0) (Xdx+ Ydy +
2xdx +
Zdz)= (cid:0) ((cid:0) 2ydy)
(cid:0)
p= (cid:0)
2)/2
• Lấy tích phân và: - Thay x2 + y2 = r2 - Khi r= rtr thì p= 0 2(r2 – rtr
(cid:0) (cid:0) (cid:0)
5.2. Trục quay thẳng đứng
• Đối với điểm M1(zM1,0)
nằm dưới đỉnh parabol:
p= (cid:0) g (za + h)=
(cid:0) ((cid:0)
2/2 + h)
2r1
• Đối với điểm M2(zM2,0)
nằm trên đỉnh parabol:
(cid:0) g((cid:0)
p= (cid:0) g (zC – zB)= 2) 2 – rB 2/2)(r2
6. Lực tác dụng lên vật lẫn 6.1. Lực tác dụng • Nếu KL lỏng ở trạng thái tĩnh, lực nâng tác
klgV = gV((cid:0)
kl)
dụng lên vật lẫn: vl - (cid:0) vlgV - (cid:0) kl – khối lượng riêng của vật lẫn & KL
2r((cid:0)
2r/g= KP
P= (cid:0) vl,(cid:0) (cid:0) lỏng
kl)= P(cid:0)
V – thể tích vật lẫn • Nếu KL lỏng đang quay: vl - (cid:0) Plt= V(cid:0)
6.1. Lực tác dụng lên vật lẫn
• Lực tác dụng lên vật lẫn trong KL lỏng
(cid:0) (cid:0) Plt < 0 và
đang quay lớn hơn so với trong KL tĩnh K lần (cid:0) thiên tích mạnh các vật lẫn có khối lượng riêng khác KL lỏng kl (vật lẫn: xỉ, cát …) (cid:0) vl < (cid:0) hướng về mặt thoáng
6.2. Vận tốc nổi của vật lẫn
vl)/3c(cid:0) vmax= [4dg ((cid:0) d – đường kính vật lẫn c – hệ số trở lực, phụ thuộc số Re
• 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: kl - (cid:0) kl]0,5
6.2. Vận tốc nổi của vật lẫn
lần so với
• 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 trong KL tĩnh: đây là ưu điểm lớn của đúc li tâm
7. Quá trình đông đặc 7.1. Quá trình nguội 7.1.1. Nguội bề mặt thoáng
• 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
7.1.1. Nguội bề mặt thoáng
- Bức xạ nhiệt từ một điểm trên bề mặt thoáng
cường độ bức xạ nhiệt
càng bé (cid:0)
ảnh hưởng đến tốc độ nguội của vật đúc
được đặc trưng bởi góc (cid:0) Cùng đường kính mặt thoáng, vật đúc càng dài thì góc (cid:0) giảm (cid:0) và chiều sâu vùng rỗ co
(cid:0)
7.1.1. Nguội bề mặt thoáng
• 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
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 (cid:0)
• Tăng tốc độ quay (cid:0) giảm tốc độ nguội vật đúc lực li tâm tăng (cid:0) giảm
khe hở khí (cid:0) tăng tốc độ nguội vật đúc
7.2. Các hiện tượng co 7.2.1. Vật đúc được làm nguội 1 phía
• Vật đúc đặc hoặc rỗng nhưng có 2 đầu
đông đặc có hướng từ mặt
mút kín (cid:0) ngoài vào
a. Khi khoảng đông hẹp (cid:0) đông đặc có
hướng:
• Rỗ co tập trung ở trục quay (vật đúc đặc) • Rỗ co ở mặt thoáng (vật đúc rỗng)
7.2.1. Vật đúc được 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
7.2.1. Vật đúc được 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
7.2.1. Vật đúc được 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 (cid:0)
quá trình lọc xuất hiện rỗ co ở vùng mặt
khó khăn (cid:0) thoáng
7.2.2. Vật đúc được làm nguội 2 phía
• Tự đọc
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:
đông đặc sau (cid:0)
rỗ co khuôn bị ăn mòn
- Chênh lệch độ dày ở dưới và trên lớn - Phần dưới dày (cid:0) - Cột áp KL lỏng lớn (cid:0) mạnh; dễ bắn tóe
8.1. Chọn vị trí trục quay
• Chọn trục quay đứng cho các trường hợp:
- Các vật đúc đặc - Các vật đúc không có
dạng tròn xoay
- Các vật đúc tròn xoay,
rỗng có H/D<1
8.1. Chọn vị trí trục quay
8.2. Tốc độ quay của khuôn
• Đây là thông số CN quan trọng nhất • Trục quay ngang: - Tốc độ quay nhỏ (cid:0)
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 …
Một số phương 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
Một số phương pháp tính tốc độ quay
• Công thức Konstatinov: n= 5520/((cid:0) r)0,5 (cid:0) - trọng lượng riêng HK đúc
Một số phương pháp tính tốc độ quay
• Cơ sở của cả 2 p/p trên là hệ số trọng
2r/g = ((cid:0) n/30)2(r/g)
trường K:
n= 300 (K/r)0,5
K = (cid:0) (cid:0) • Như vậy: - Trong công thức Kemmen: K= (c/300)2 - Trong công thức Konstatinov: K= 340/(cid:0) • HK càng nhẹ (cid:0) tốc độ quay càng lớn • R càng lớn (cid:0) tốc độ quay càng nhỏ
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 …
8.4. Khuôn đúc li tâm
• Khuôn kim loại • Khuôn cát • Khuôn KL và cát
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
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
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
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
