Báo cáo: Nghiên cứu thiết kế, chế tạo bộ khuôn đúc thân bơm BRA50 dùng trên máy đúc áp lực 420T

Chia sẻ: Nguyen Bao Ngoc | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:44

Thêm vào BST

Báo xấu

312
lượt xem 102
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Đúc áp lực ra đời vào khoảng đầu thế kỷ 19, mặc dù một vài ý tưởng hình thành ngành đúc áp lực đã có từ sớm hơn. Hiện nay, lĩnh vực đúc áp lực cao trên thế giới phát triển rất mạnh, đặc biệt là ở các nước như: Nhật, Mỹ, Đức, Ấn Độ, Canada,... Quá trình thiết kế khuôn đúc áp lực có sự hỗ trợ của các phần mềm mô phỏng như: Magma, Procast, Vissim,…kết hợp với các biện pháp công nghệ xử lý chân không hoá khuôn, tinh luyện kim loại,… đã tạo ra được vật đúc có chất lượng cao về...

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Báo cáo: Nghiên cứu thiết kế, chế tạo bộ khuôn đúc thân bơm BRA50 dùng trên máy đúc áp lực 420T

BỘ CÔNG THƯƠNG TỔNG CÔNG TY MÁY ĐỘNG LỰC VÀ MÁY NÔNG NGHIỆP VIỆN CÔNG NGHỆ BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI - KHCN Mã số: 237.08/RD/HĐ-KHCN Tên đề tài: Nghiªn cøu thiÕt kÕ, chÕ t¹o bé khu«n ®óc th©n b¬m BRA50 dïng trªn m¸y ®óc ¸p lùc 420T CƠ QUAN CHỦ QUẢN: BỘ CÔNG THƯƠNG CƠ QUAN CHỦ TRÌ: VIỆN CÔNG NGHỆ CHỦ NHIỆM ĐỀ TÀI: Th.S NGUYỄN TIẾN TÀI 7103 16/02/2009 Hà Nội, 1 - 2009
BỘ CÔNG THƯƠNG TỔNG CÔNG TY MÁY ĐỘNG LỰC VÀ MÁY NÔNG NGHIỆP VIỆN CÔNG NGHỆ BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI - KHCN Mã số: 237.08/RD/HĐ-KHCN Tên đề tài: Nghiªn cøu thiÕt kÕ, chÕ t¹o bé khu«n ®óc th©n b¬m BRA50 dïng trªn m¸y ®óc ¸p lùc 420T CƠ QUAN CHỦ TRÌ CHỦ NHIỆM ĐỀ TÀI VIỆN CÔNG NGHỆ Th.S NGUYỄN TIẾN TÀI Hà Nội, 1 - 2009
NHỮNG NGƯỜI THAM GIA ĐỀ TÀI 1 NguyÔn TiÕn Tµi ViÖn C«ng nghÖ Vũ văn Miêng 2 ViÖn C«ng nghÖ Thái Văn An 3 ViÖn C«ng nghÖ Nguyễn Chí Dũng 4 ViÖn C«ng nghÖ Nguyễn Cao Minh 5 ViÖn C«ng nghÖ Trần Thanh Mai 6 ViÖn C«ng nghÖ Võ Thanh Sơn 7 ViÖn C«ng nghÖ Lê Văn Trị 8 ViÖn C«ng nghÖ
Mục lục Trang 1 Chương 1. TỔNG QUAN 1.1. Tình hình thiết kế khuôn mẫu trên thế giới 1.2. Nhu cầu về sản phẩm đúc, khuôn đúc áp lực cao ở Việt Nam 1.3. Các dạng sản phẩm đúc áp lực cao và các sản phẩm tiêu biểu 2 1.4. Mục tiêu của đề tài 4 Chương 2: LỰA CHỌN VẬT LIỆU, XÂY DỰNG QUY TRÌNH CHẾ TẠO KHUÔN 5 THÂN BƠM BRA 50 2.1. Phân loại vật liệu chế tạo khuôn đúc áp lực 2.2. Điều kiện làm việc, lựa chọn vật liệu để chế tạo khuôn đúc thân 7 bơm BRA50 9 2.3. Xây dựng quy trình công nghệ chế tạo bộ khuôn đúc áp lực BRA50 Chương 3. CƠ SỞ LÝ THUYẾT, TÍNH TOÁN THIẾT KẾ CHẾ TẠO KHUÔN ĐÚC 11 ÁP LỰC THÂN BƠM BRA50 3.1. Cơ sở lý thuyết tính toán hệ thống rót 3.1.1. Tốc độ nạp và tốc độ rót 3.1.2. Thiết kế hệ thống rót 13 3.1.3. Tính toán rãnh dẫn 15 3.1.4. Tính hệ thống thoát hơi 16 3.2. Tính toán, thiết kế khuôn thân bơm BRA50 17 3.2.1. Một số yếu tố ảnh hưởng đến khuôn-sản phẩm đúc áp lực 3.2.2. Chế độ khí của khuôn trong quá trình đúc áp lực 18 3.2.2.1. Khí từ buồng ép vào trong hốc khuôn 3.2.2.2. Khí sinh ra do chất bôi trơn bề mặt khuôn khuôn 19 3.2.3. Lựa chọn buồng ép 3.2.4. Tính toán hệ thống rãnh dẫn 20 3.2.5. Tính toán hệ thống hơi 21 3.3. Lựa chọn phương án công nghệ cho kết cấu khuôn-vật đúc 22 3.3.1. Tính công nghệ của kết cấu khuôn-vật đúc 3.3.2. Lựa chọn phương án kết cấu khuôn-vật đúc 3.3.2.1. Một số kiểu rãnh dẫn tiêu biểu 3.3.2.2. Lựa chọn mặt phân khuôn 23 3.3.2.3. Lựa chọn vị trí rãnh dẫn, rãnh hơi 24 Chương 4. THIẾT KẾ VÀ GIA CÔNG CHẾ TẠO KHUÔN ĐÚC ÁP LỰC THÂN 26 BƠM BRA50 4.1. Dựng bản vẽ chi tiết phôi thân bơm BRA 50 3D. 4.2. Thiết kế hoàn chỉnh bộ bản vẽ khuôn đúc áp lực thân bơm BRA 50 28 4.2.1. Các cụm kết cấu chính trong bộ khuôn đúc áp lực cao 4.2.2. Các bản vẽ chi tiết trong bộ khuôn thân bơm BRA 50 4.3. Gia công bộ khuôn đúc áp lực thân bơm BRA50 29 4.3.1. Gia công các chi tiết bộ khuôn thân bơm BRA50 4.3.2. Bộ khuôn đúc thân bơm BRA50 hoàn chỉnh 30
Chương 5. ĐÚC THÂN BƠM BRA50 VÀ HIỆU CHỈNH KHUÔN 31 5.1. Đúc thân bơm BRA50 trên máy đúc áp lực ZITAI ZDC420TPS bằng bộ khuôn đã thiết kế 5.2. Kiểm tra chất lượng phôi thân bơm BRA50 32 5.2.1. Kiểm tra các kích thước phôi thân bơm 33 5.2.2. Kiểm tra bề mặt phôi và tiết diện ngang của thân bơm BRA50 5.3. Đánh giá và hiệu chỉnh công nghệ 34 5.3.1. Phân tích đánh giá khuyết tật 5.3.2. Chế tạo sản phẩm sau khi hiệu chỉnh Kết luận 36
Chương 1. TỔNG QUAN 1.1. Tình hình đúc áp lực cao trên thế giới Đúc áp lực ra đời vào khoảng đầu thế kỷ 19, mặc dù một vài ý tưởng hình thành ngành đúc áp lực đã có từ sớm hơn. Hiện nay, lĩnh vực đúc áp lực cao trên thế giới phát triển rất mạnh, đặc biệt là ở các nước như: Nhật, Mỹ, Đức, Ấn Độ, Canada,... Quá trình thiết kế khuôn đúc áp lực có sự hỗ trợ của các phần mềm mô phỏng như: Magma, Procast, Vissim,…kết hợp với các biện pháp công nghệ xử lý chân không hoá khuôn, tinh luyện kim loại,… đã tạo ra được vật đúc có chất lượng cao về độ chính xác hình dáng, kích thước cũng như tổ chức bên trong vật đúc. 1.2. Nhu cầu về sản phẩm, khuôn đúc áp lực cao ở Việt Nam Trong thời kỳ hội nhập như hiện nay, các nhà đầu tư nước ngoài theo xu hướng đổ xô vào Việt Nam đặt hàng các sản phẩm đúc áp lực, với sản lượng rất lớn, hình dạng phong phú và yêu cầu chất lượng từ thấp đến cao. Tại Việt Nam, với giá nhân công rẻ, lực lượng lao động dồi dào, các doanh nghiệp đầu tư lắp ráp máy cần có nhà cung cấp tại chỗ để giảm chi phí vận chuyển. Mặt khác, theo chỉ thị nội địa hoá các loại máy, thiết bị đơn giản như: xe máy, động cơ Diezen, máy nông nghiệp, máy phát điện, thiết bị dân dụng,… đã mở ra một nhu cầu mới về sản phẩm đúc áp lực với số lượng lớn. Với trình độ, thiết bị ở trong nước hiện nay chỉ đáp ứng phần nhỏ các sản phẩm có yêu cầu thấp và trung bình về chất lượng. Vì vậy, để phát triển sản phẩm đúc áp lực nói chung, lĩnh vực chế tạo máy nói riêng, chúng ta phải nâng cao cả về chất lượng và số lượng để đáp ứng nhu cầu và tăng khả năng cạnh tranh với các nước trong khu vực. Đặc biệt, lĩnh vực quan tâm nhất hiện nay là các chi tiết xe ôtô. Cụ thể như các hãng xe máy LIFAN, SYM, YAMAHA, SUZUKI,... riêng công ty HONDA Việt Nam trong năm 2005 và 2006 mỗi năm đã sản xuất 1 triệu chiếc xe máy các loại, năm 2007 tăng lên 1,2 triệu chiếc. Trong năm 2008, công ty có kế hoạch sản xuất tăng lên 1,5 triệu chiếc. Trong mỗi chiếc xe máy có khoảng 10 chi tiết được chế tạo bằng phương pháp đúc áp lực. Như vậy, mỗi năm hãng xe HONDA Việt Nam cần đến hơn 10 triệu chi tiết đúc áp lực. Hiện tại, chưa có nhà cung cấp Việt Nam nào có thể đáp ứng được nhu cầu này. Trong miền Nam, các công ty sản xuất và lắp ráp động cơ Diezen như: VIKYNO, VINAPPRO, CƠ KHÍ AN GIANG,… với sản lượng các loại mỗi năm khoảng 60.000 máy (trong đó xuất khẩu chiếm khoảng 60%) và hàng năm đang có chiều hướng gia tăng. Nhu cầu về sản phẩm đúc áp lực của các công ty này cũng rất lớn. Ngoài ra, còn có các sản 1
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. 2
a. Các sản phẩm dạng hộp. Hình 1.1. Các sản phẩm đúc áp lực cao trong lĩnh vực xe máy Hình 1.2. Sản phẩm nắp hông động cơ Diezen b. Các sản phẩm dạng thanh, dạng càng. Hình 1.3. Sản phẩm tay cấy dùng trong nông nghiệp 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. 3
Hình 1.4. Sản phẩm dùng trong chi tiết máy 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. 4
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. 5
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 Nguyên tố C Si Mn Cr Mo W V Thép khác ≤ 0,40 ≤ 0,60 − ⎯ SKD4 0,25 ~ 0,35 2,0 ~ 3,0 5,0 ~ 6,0 0,3 ~ 0,5 ≤ 0,40 ≤ 0,60 − ⎯ SKD5 0,25 ~ 0,35 2,0 ~ 3,0 9,0 ~ 10,0 0,3 ~ 0,5 ≤ 0,50 ⎯ ⎯ SKD6 0,32 ~ 0,42 0,8 ~ 1,2 4,5 ~ 5,5 1,0 ~ 1,5 0,3 ~ 0,5 ≤ 0,50 ⎯ ⎯ SKD61 0,32 ~ 0,42 0,8 ~ 1,2 4,5 ~ 5,5 1,0 ~ 1,5 0,8 ~ 1,2 ≤ 0,50 ⎯ SKD62 0,32 ~ 0,42 0,8 ~ 1,2 4,5 ~ 5,5 1,0 ~ 1,5 1,0 ~ 1,5 0,2 ~ 0,6 ≤ 0,50 ≤ 0,60 ⎯ ⎯ SKD7 0,28 ~ 0,38 2,5 ~ 3,5 2,5 ~ 3,0 0,4 ~ 0,7 ≤ 0,50 ≤ 0,60 SKD8 0,35 ~ 0,45 4,0 ~ 4,7 0,3 ~ 0,5 3,8 ~ 4,5 1,7 ~ 2,2 Co 3,8~4,5 (
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 Nga Nhật Thuỵ điển Anh No ISO ΓOCT JIS SS BS ASTM UNS ⎯ ⎯ ⎯ ⎯ ⎯ 1 30WCrV5 SKD4 3X2B8Φ 2 30WCrV9 SKD5 2730 BH12 H10 T20821 4X5MΦC ⎯ 3 35CrMoV5 SKD6 BH11 H11 T20810 40CrMoV5 SKD61 4X5MΦΙC ⎯ 4 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 7
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. 8
2.3. Xây dựng lưu trình công nghệ chế tạo bộ khuôn đúc áp lực BRA50 - Dụng cụ đo Vẽ bản vẽ chi tiết sản phẩm - Thiết bị số hoá 3 chiều - Lựa chọn vật liệu vùng tiếp giáp với hợp kim - Lựa chọn vùng làm việc không tiếp giáp Lựa chọn vật liệu chế tạo khuôn với hợp kim - Chọn vật liệu làm chốt đẩy - Tính toán thiết kế công nghệ cho khuôn - Vẽ thiết kế công nghệ 2D Thiết kế công nghệ - Vẽ thiết kế công nghệ 3D - Các máy gia công chuyên dùng Gia công chế tạo bộ khuôn - Lắp ráp hoàn chỉnh bộ khuôn - Đúc trên máy đúc áp lực 420Tấn Đúc thử sản phẩm - Đúc 20 ÷ 40 sản phẩm - Kiểm tra kích thước sản phẩm - Đúc 20 ÷ 40 sản phẩm - Kiểm tra kích thước sản phẩm Hiệu chỉnh khuôn - Kiểm tra độ bóng bề mặt sản phẩm - Đúc trên máy đúc áp lực 420Tấn - Tôi, Ram Nhiệt luyện khuôn - Chuẩn bị bề mặt để thấm Nitơ - Thấm Nitơ Thấm Nitơ trong chân không - Đúc sản phẩm trên máy đúc áp lực Khuôn hoàn chỉnh 420 tấn Hình 2.1. Sơ đồ lưu trình công nghệ chế tạo khuôn 9
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. 10
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: vn * f n = vc * f c (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 Chiều Tốc độ nạp (m/s) Hình dày vật Nhôm Đồng dáng vật đúc Kẽm Magiê đúc Lỏng Bán lỏng Lỏng Bán lỏng (mm) - Đơn giản 30-40 0.5-1.0 2-5 - 2-5 5 ÷ 10 - Phức tạp 40-60 - 5-7 - 3-5 Đơn giản 30-60 30-40 25-30 5-8 - 5-8 3÷6 Phức tạp 60-80 40-50 30-40 8-12 8-15 5-8 Đơn giản 80-100 50-60 30-40 - 15-20 5-8 1.5 ÷ 3.0 Phức tạp 100-150 50-80 35-40 - - - 1.5 ÷ 3.0 Đơn giản 80-100 40-45 25-35 10-12 - - (không Phức tạp 100-120 50-70 25-40 - - - đều) 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: Re .υ Vth = ( 3 .2 ) 2(δ vd − δ ) 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). 11
n ⎛δ ⎞ = C .v ⎜ ⎟ m Vth 2 (3.3) ⎜δ ⎟ ⎝ vd ⎠ 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: Σn + 1 Lvd vn = K * (3.4) * δ vd t 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: 4 ve = vn * f n * π * De2 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: 4*(ΣV ) ve = (3.5) π * De2 * td Trong đó: ΣV tổng thể tích kim loại lỏng đi vào hốc khuôn trong khoảng thời gian td (m3) 12
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 Hình 3.1. Hệ thống rót trong máy đúc buồng ép phần nối trung gian từ buồng ép thẳng đứng a) và buồng ép nằm ngang b) 1-buồng ép; 2-ống dẫn; 3-kênh dẫn phụ; 4-rãnh đến rãnh dẫn. Khi đó, đường đi của dẫn; 5-kênh nối; 6-vấu lồi; 7-rãnh thoát hơi 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 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 trong máy buồng ép thẳng đứng tính bằng diện tích thiết diện ngang của ống dẫn 13
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 Hình 3.3. Hệ thống rót cho vật đúc có cấu tạo hình dáng khác nhau 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. 14
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 : mvd + m p fr = (3.6) ρ m * vn * td 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: 1.12* ( mvd + m p ) fd = (3.7) K1 * K 2 * K 3 * K 4 * ρ M 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 Áp lực Kẽm Nhôm Magiê Đồng buồng ép Chiều dày vật đúc (mm) (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 15