Đang tải... (xem toàn văn)
Bài viết này trình bày phương pháp mô phỏng để tính toán dòng chảy kim loại trong khuôn. Các kết quả cho thấy, vận tốc dòng chảy và nhiệt độ dòng chảy kim loại ảnh hưởng đến chất lượng sản phẩm.
ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ - ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, VOL 19, NO 7, 2021 25 MƠ PHỎNG DỊNG CHẢY KIM LOẠI TRONG KHN ĐÚC ÁP LỰC CAO VẬT LIỆU NHÔM ADC12 SIMULATION OF METALLIFEROUS FLOW IN THE HIGH-PRESSURE MOLD USED FOR ADC12 ALUMINUM MATERIAL Nguyễn Tuấn Linh1* Trường Đại học Công nghiệp Hà Nội Tác giả liên hệ: nguyentuanlinh@haui.edu.vn (Nhận bài: 22/6/2021; Chấp nhận đăng: 09/7/2021) * Tóm tắt - Trong q trình đúc áp lực cao, việc tính tốn dịng chảy kim loại với vận tốc, nhiệt độ hợp lý để đảm bảo cho kim loại đồng thời phun vào lòng khn, điền đầy tất vị trí góc, rãnh trình kết tinh đồng quan trọng để tạo sản phẩm có chất lượng tốt Bài báo trình bày phương pháp mơ để tính tốn dịng chảy kim loại khn Các kết cho thấy, vận tốc dòng chảy nhiệt độ dòng chảy kim loại ảnh hưởng đến chất lượng sản phẩm Trong vùng khảo sát, vận tốc dòng chảy v = 0,7 m/s, nhiệt độ dòng chảy T = 650C thời gian đơng đặc nhỏ nhất, độ co ngót giảm vị trí rỗ khí nằm khu vực đậu ngót Các kết giúp đánh giá, điều chỉnh thơng số cơng nghệ hình học tiết diện kênh dẫn, vận tốc phun, nhiệt độ đầu vào việc phân phối dòng chảy giúp giúp kiểm soát chất lượng sản phẩm trước đưa vào sản xuất Abstract - In the high-pressure casting process, calculating the metal flow with a guaranteed speed, a reasonable temperature ensures that the metal is simultaneously injected into the mold cavity, filling all the corners, grooves, and positions This paper presents a simulation method to calculate the metal flow in the mold The results show that the metal flow rate and temperature affect the product quality The simulation results in the survey area demonstrate that when the flow rate v = 0.7m/s, the flow temperature T = 650C, the solidifying time is the smallest, the shrinkage is reduced and the blowhole is located in the feeder head area This results help to evaluate and adjust technological and geometrical parameters such as channel cross-section, injection speed, inlet temperature Besides, the flow distribution can be used to control the quality of the product before it goes into production Từ khóa - Mơ phỏng; dịng chảy kim loại; đúc áp lực cao; chất lượng sản phẩm Key words - Simulation; flow of metal; high pressure casting; product quality Đặt vấn đề “Đúc áp lực cao công nghệ kim loại lỏng điền đầy khn đơng đặc tác dụng áp lực cao dòng khí nóng dầu ép xilanh ép tạo ra” [1-2] Đối với đúc áp lực cao, dòng chảy giả thiết dịng chất lỏng Newton Trong q trình tính tốn dịng chảy, cần tính đến dịng kim loại chảy với vận tốc bảo đảm khơng gây dịng chảy rối Một yêu cầu quan trọng dòng chảy phải bảo đảm vận tốc đủ lớn để kim loại đồng thời phun vào lịng khn, làm cho q trình kết tinh đồng Q trình xác định vận tốc dịng chảy kim loại đúc áp lực cao giúp tối ưu kích thước rãnh dẫn, kích thước cửa phun, vận tốc, áp lực phun, thời gian điền đầy khuôn Quá trình kết tinh kim loại phụ thuộc vào yếu tố nhiệt động học Bằng phương pháp mô xác định thời gian nguội, thời gian kết tinh, vùng kết tinh nhanh chậm vật đúc Trên sở dự đốn q trình kết tinh bảo đảm tổ chức kim loại đồng tiết diện sản phẩm sản phẩm khác với lần đúc Ngồi ra, mơ giúp xác định ứng suất dư vùng khác vật đúc Đồng thời tính bền khn chịu áp lực nhiệt độ cao [3] Việc tính tốn thiết kế khn đúc khơng có mơ địi hỏi phải chế thử cần có nhiều kinh nghiệm, gây tốn thời gian, kinh phí, làm tăng giá thành sản phẩm Chính vậy, việc ứng dụng kỹ thuật mô phỏng, theo phương pháp thiết kế cơng nghệ giảm thiểu chi phí nhanh chóng đưa sản phẩm thị trường điều cần thiết Trên sở tính tốn sơ thông số công nghệ đúc áp lực cao, lấy thơng số làm điều kiện đầu vào cho mơ Trên giới có số cơng trình nghiên cứu lĩnh vực đúc áp lực Guoding Yuan cộng [4], nghiên cứu nhằm kiểm sốt tồn diện, hợp lý xác thơng số khác q trình đúc áp lực, từ đảm bảo ổn định q trình sản xuất nâng cao chất lượng sản phẩm Trong nghiên cứu [5], Jayant K Kittur mơ hình hóa q trình đúc khn áp lực cao cách sử dụng thuật toán mạng nơ-ron lan truyền ngược Quá trình đúc áp lực coi mơ hình đầu vào - đầu với vận tốc phun nhanh, tăng cường áp suất, thay đổi pha theo điểm thời gian coi thông số đầu vào, độ nhám bề mặt, độ cứng độ xốp coi thông số đầu hệ thống Y Abdulfatah Abdu cộng [6] đề xuất cách thiết kế phân tích khn đúc áp lực Nhằm đạt dung sai nhỏ nhất, giảm chi phí gia cơng làm cho quy trình trở thành lựa chọn tối ưu cho sản xuất số lượng nhỏ M Thirugnanam nghiên cứu [7] phân tích quy trình đúc đại, khắc phục nhược điểm trình đúc bình thường khơng khí lỗ khí giảm thiểu nhiều, cấu trúc tế vi sản phẩm sau đúc tốt, độ dày thành đúc giảm xuống giá trị sấp xỉ 0,5 mm mà q trình đúc thơng thường khơng thể làm co ép Qua khảo sát ta thấy, phần mềm Procast có đầy đủ chức cho việc phân tích mơ q trình đúc áp lực Do đó, nghiên cứu này, phần mềm Procast sử dụng để mô mô đun Postprocessor sử dụng để lấy Hanoi University of Industry (Nguyen Tuan Linh) Nguyễn Tuấn Linh 26 kết Phân tích kết tính tốn nhiệt độ, vận tốc phun, thời gian phun, so sánh phương án để tìm kết tốt Vật liệu phương pháp 2.1 Mơ hình vật liệu Chi tiết dùng để đúc áp lực chi tiết sử dụng đèn LED có chứa cánh mỏng tản nhiệt, dạng chi tiết khó đúc Bản vẽ chi tiết đúc thể Hình Sử dụng vật liệu đúc nhôm ADC12 với thành phần hóa học Bảng 1, tính chất vật lý đặc tính thể Bảng Hình Bản vẽ chi tiết đúc Bảng Thành phần hóa học nhơm ADC12 Mã hợp Cu % Si % Mg % Zn% Fe % Mn % Ni % Sn % kim ADC12 1,5 3,5 Lịng khn lõi khn thiết kế để đúc đồng thời hai sản phẩm theo tiêu chuẩn hãng FUTABA, vẽ thiết kế lịng khn lõi khn thể Hình Vật liệu làm khn SKD61 với thành phần hóa học Bảng Bảng Thành phần hóa học SKD61 Thành phần hoá học (%) Mác thép C Si Mn SKD61 0.4 0.5 ≤ 0.35 ≤ 1.0 Cr 1.0 1.5 0.2 0.4 2.2 Sơ đồ khối mơ dịng chảy phần mềm Procast Mục tiêu toán mô thời gian điền đầy sản phẩm gần nhau, thời điểm kết thúc điền đầy, nhiệt độ kim loại lỏng lịng khn nhiệt độ kết tinh Nếu không đáp ứng yêu cầu, điều chỉnh dịng chảy kim loại thơng qua điều chỉnh hình dáng kích thước rãnh dẫn cửa phun Với kích thước sơ lịng khn tính tốn, thiết kế khn trên, lựa chọn chi tiết để mô phỏng: Khuôn giữa, khn trên, khn Các chi tiết cịn lại gá động, gá tĩnh, đẩy, chốt, bulông, ty đẩy, theo tiêu chuẩn máy đúc áp lực 350 Các lỗ khoan phục vụ cho gá lắp khơng mơ tốn Sơ đồ khối q trình mơ dịng chảy kim loại khn đúc áp lực thể Hình Bắt đầu Al Còn 9,6 < 0,3 < 1,0 < 0,9 < 0,5 < 0,5 < 0,3 lại 12 Xác định mơ hình hình học, điều kiện biên, vật liệu Bảng Tính chất vật lý đặc tính nhôm ADC12 Nhiệt Độ Nhiệt Hệ Trọng độ bền Độ Dẫn Dẫn độ kết Mã hợp số lượng kéo giãn nóng điện % nhiệt tinh kim giản riêng chảy (Kgf/ % LACS CGS (C) nỡ % (C) mm2) ADC12 33 663 491 23 0,23 20,5 Hiệu chỉnh mô hình hình học 2,7 Mơ q trình đúc Sai Mơ hình tối ưu? Đúng Kết thúc Hình Sơ đồ khối mơ đúc áp lực Hình Bản vẽ 3D lịng khn lõi khn Mo Điều kiện biên nhiệt: - Khối khn nguội khơng khí 40oC; - Bề mặt lịng khn sau sấy đạt 250oC; - Làm nguội vật đúc đường nuớc 20oC; - Nhiệt độ bề mặt khuôn lớn 650oC ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ - ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, VOL 19, NO 7, 2021 27 Điều kiện biên dòng chảy - Vận tốc cửa nạp: m/s; - Vận tốc cổng: 30 m/s; - Vận tốc lớn bắn max: 44,5 Kg/s; - Đầu nạp: 95 Kg/s Kết bàn luận 3.1 Ảnh hưởng vận tốc dòng chảy kim loại 3.1.1 Ảnh hưởng đến thời gian đông đặc Khảo sát nhiệt độ dòng kim loại mức T = 700C, hai trường hợp vận tốc V = m/s V = 0,7 m/s Hình Vị trí rỗ khí trường hợp V =1m/s, T = 700 C Hình Vị trí rỗ khí trường hợp V = 0,7 m/s, T = 700oC Hình Thời gian đơng đặc trường hợp V = m/s, T = 700oC 3.1.3 Ảnh hưởng đến độ co ngót Co ngót tính chất hợp kim nhơm đúc hợp kim chuyển từ thể lỏng sang thể rắn làm nguội đến nhiệt độ phịng Co ngót chia thành ba giai đoạn: co ngót chất lỏng, co ngót hóa rắn co ngót rắn Sự co ngót hợp kim có ảnh hưởng định đến chất lượng vật đúc, ảnh hưởng đến kích thước lỗ co ngót, sinh ứng suất, hình thành vết nứt thay đổi kích thước vật đúc Hình Thời gian đơng đặc trường hợp V = 0,7 m/s, T = 700oC Bảng Thời gian điền đầy trường hợp vận tốc khác Thông số Trường hợp V = m/s Trường hợp V = 0,7 m/s Thời gian đông đặc chi tiết 15,6s 15,05s Thời gian đông đặc rãnh dẫn 47,79s 47,71s Thời gian đông đặc đầu nạp 62,34s 62,23s Mô cho phép quan sát dòng chảy kim lọai lỏng theo thời gian Kết mô thiết kế ban đầu nhận thấy, kim loại lỏng điền đầy từ chi tiết gần đậu rót, sau đến chi tiết xa Nếu thấy dòng chảy chưa hợp lý, chỉnh sửa lại mơ hình, kích thước đường dẫn cửa phun Chạy mơ nhiều lần, tính tốn dịng chảy để bố trí rãnh dẫn cửa phun hợp lý, kim loại lỏng phun vào lịng khn kết thúc điền đầy gần thời điểm Do đó, bảo đảm cho q trình nhiệt đồng Thời gian chênh lệch điền đầy hai sản phẩm 1,52s 3.1.2 Ảnh hưởng đến vị trí rỗ khí Qua kết mơ cho thấy, vị trí tập trung rỗ khí nhiều trường hợp tập trung vào đậu rót đậu ngót sản phẩm đúc, vị trí rỗ khí trường hợp không ảnh hưởng đến chi tiết, vận tốc gần khơng ảnh hưởng đến rỗ khí Hình Độ co ngót trường hợp V = m/s, T = 700oC Hình Độ co ngót trường hợp V = 0,7 m/s, T = 700 oC Các kết mô cho thấy, trường hợp V = m/s co ngót tập trung đậu ngót rãnh dẫn đặc biệt tập trung nhiều thành chi tiết Còn trường hợp V = 0,7 m/s co ngót tập trung nhiều đậu rót rãnh dẫn xuất chi tiết nên không gây ảnh hưởng đến chi tiết Do đó, thấy, tăng vận tốc dịng kim loại lỏng độ co ngót tăng ngược lại Nếu độ co Nguyễn Tuấn Linh 28 ngót lớn gây tập trung ứng suất lớn điều làm tăng khả nứt sản phẩm Cả hai trường hợp không ảnh hưởng đến thời gian đông đặc chi tiết Dòng kim loại chảy chi tiết, kim loại lỏng phun vào lòng khuôn kết thúc điền đầy gần thời điểm, vậy, bảo đảm cho trình nhiệt đồng 3.2 Ảnh hưởng nhiệt độ 3.2.1 Ảnh hưởng đến thời gian đông đặc Tiến hành khảo sát với thông số vận tốc đầu vào V = 0,7 m/s, nhiệt độ dòng kim loại T = 650C T = 700C Các kết mô thể Hình 10 Bảng thức kinh điển dựa vào sổ tay kinh nghiệm thiết kế, việc kiểm soát chất lượng sản phẩm sau thiết kế gặp nhiều khó khăn Do đó, việc mơ dịng chảy kim loại khn để đánh giá điều chỉnh thông số công nghệ hình học tiết diện kênh dẫn, vận tốc phun, nhiệt độ đầu vào việc phân phối dịng chảy giúp giúp kiểm sốt chất lượng sản phẩm trước đưa vào sản xuất Diện tích kênh dẫn thu hẹp dần từ buồng ép tới hốc khn Hệ thống rót thu hẹp dần có tác dụng làm giảm khí vào vật đúc, đồng thời làm tăng vận tốc điền đầy Hình 11 Độ co ngót trường hợp V = 0,7 m/s; T = 650 oC 650oC Hình 10 Phân bố nhiệt trường hợp V = 0,7 m/s; T = Bảng Thời gian điền đầy trường hợp nhiệt độ khác Thông số Thời gian đông đặc chi tiết Trường hợp Trường hợp T = 650C T = 700C 12,45s 15,05s Thời gian đông đặc rãnh dẫn 40s 47,71s Thời gian đông đặc đầu nạp 52,24s 62,23s Kết mô cho thấy, thời gian đông đặc toàn vật đúc trường hợp T = 650C nhanh nhiều thời gian đông đặc trường hợp T = 700C Do đó, nhiệt độ đầu vào dịng kim loại có ảnh hưởng lớn đến vận tốc đơng đặc Nhiệt độ cao thời gian đơng đặc kim loại chậm ngược lại 3.2.2 Ảnh hưởng đến vị trí rỗ khí Trong trường hợp T = 700C có xuất rỗ khí nằm dải rác đậu rót đậu ngót vật đúc, nhiên trường hợp T = 650C không xuất hiện tượng rỗ khí Như vậy, nung nhiệt kim loại trình đúc gây tượng rỗ khí 3.2.3 Ảnh hưởng đến độ co ngót Kết mô cho thấy, trường hợp T = 700C có xuất độ co ngót nhiều chi tiết dẫn đến tập trung ứng xuất gây nứt sản phẩm Trường hợp T = 650C độ co ngót chi gần khơng xuất hiện, xuất với mật độ đậu rót đậu ngót Do đó, q nhiệt dịng kim loại lỏng ảnh hưởng nhiều đến co ngót sản phẩm đúc Nhiệt độ nhiệt lớn độ co ngót sản phẩm cao Từ kết phân tích mơ cho thấy, vận tốc dòng chảy nhiệt độ dòng kim loại ảnh hưởng nhiều đến chất lượng sản phẩm Trong trình thiết kế truyền thống, thiết kế khn tính tốn theo cơng Kết luận Xây dựng mơ hình sản phẩm mơ hình hình học khn đúc nhôm ADC12 đảm bảo yêu cầu kỹ thuật theo tiêu chuẩn khuốn FUTABA Khi vận tốc dòng chảy kim loại tăng thời gian đơng đặc tăng, độ co ngót tăng Tuy vận tốc dịng chảy gần khơng ảnh hưởng đến vị trí rỗ khí Nhiệt độ dòng chảy kim loại ảnh hưởng nhiều đến thời gian đơng đặc, vị trí rỗ khí độ co ngót Khi tăng nhiệt độ dịng chảy kim loại yếu tố thời gian đông đặc độ co ngót tăng lên với xuất rỗ khí chi tiết Khảo sát điều chỉnh mơ dòng chảy kim loại giúp lựa chọn hợp lý thơng số cơng nghệ, tính tốn hợp lý thơng số hình học kết cấu khn trình đúc áp lực cao TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Nguyễn Hữu Dũng Các phương pháp đúc đặc biệt Nhà xuất Khoa học Kỹ thuật, 2006 [2] Nguyễn Ngọc Hà Các phương pháp công nghệ đúc đặc biệt Nhà xuất Đại học Quốc Gia TP HCM, 2006 [3] Edward J Vinarcik High integrity die casting processes John Wiley & Sons, Inc, 2003 [4] Guoding Yuan, Hai Gu, Jianhua Sun, and Zhufeng Li, “The Lowpressure Casting Technology of aluminum alloy motor” 3rd International Conference on Material, Mechanical and Manufacturing Engineering, pg 1825-1831, 2015 [5] Jayant K Kittur and G C Manjunath Patel, “Modeling of pressure die casting process: An artificial intelligence approach”, International Journal of Metalcasting Volume 10, issue 1, 2016 [6] Y Abdulfatah Abdu, T M Shafii, K K Dubey, U K Gupta, “Design and Analysis of Pressure Die Casting Die for Automobile Component” Global Journal of Researches in Engineering: A Mechanical and Mechanics Engineering Volume 16, issue 3, 2016 [7] M Thirugnanam, “Modern High Pressure Die-casting Processes for Aluminium Castings”, Transactions of 61st Indian foundry congress, 2013 ... tốt Vật liệu phương pháp 2.1 Mơ hình vật liệu Chi tiết dùng để đúc áp lực chi tiết sử dụng đèn LED có chứa cánh mỏng tản nhiệt, dạng chi tiết khó đúc Bản vẽ chi tiết đúc thể Hình Sử dụng vật liệu. .. chốt, bulông, ty đẩy, theo tiêu chuẩn máy đúc áp lực 350 Các lỗ khoan phục vụ cho gá lắp không mô tốn Sơ đồ khối q trình mơ dịng chảy kim loại khuôn đúc áp lực thể Hình Bắt đầu Al Cịn 9,6 < 0,3... đó, nhiệt dòng kim loại lỏng ảnh hưởng nhiều đến co ngót sản phẩm đúc Nhiệt độ q nhiệt lớn độ co ngót sản phẩm cao Từ kết phân tích mơ cho thấy, vận tốc dòng chảy nhiệt độ dòng kim loại ảnh hưởng