(Đồ án hcmute) nghiên cứu và lập quy trình công nghệ chế tạo chi tiết hợp kim nhôm ở trạng thái bán lỏng

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP.HCM KHOA ĐÀO TẠO CHẤT LƯỢNG CAO ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP NGHÀNH CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO MÁY NGHIÊN CỨU VÀ LẬP QUY TRÌNH CƠNG NGHỆ CHẾ TẠO CHI TIẾT HỢP KIM NHÔM Ở TRẠNG THÁI BÁN LỎNG GVHD: ThS NGUYỄN VINH DỰ SVTH : TRỊNH XUÂN NGỌC 12143130 NGUYỄN THANH TÚ 12143237 ĐẶNG VŨ NAM 12143343 TRƯƠNG ANH LƯU 12143337 SKL 0 Tp Hồ Chí Minh, tháng năm 2016 an TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH KHOA ĐÀ O TẠO CHẤT LƯỢNG CAO ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP NGHIÊN CỨU VÀ LẬP QUY TRÌNH CƠNG NGHỆ CHẾ TẠO CHI TIẾT HỢP KIM NHÔM Ở TRẠNG THÁI BÁN LỎNG SVTH : TRỊNH XUÂN NGỌC 12143130 NGUYỄN THANH TÚ 12143237 ĐẶNG VŨ NAM 12143343 TRƯƠNG ANH LƯU 12143337 Khố : 2012 Ngành : Cơng nghệ chế tạo máy GVHD: TH.S NGUYỄN VINH DỰ Tp Hồ Chí Minh, tháng năm 2016 an LỜI CẢM ƠN Lời đầ u tiên cho em gửi lời cảm ơn đế n trường Đa ̣i Ho ̣c Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh Trường đã cho em mô ̣t môi trường ho ̣c tâ ̣p và nghiên cứu rấ t tố t Em xin gửi lời cảm ơn đến Trung Tâm Nghiên Cứu Chuyển Giao Công Nghệ Thành Phố Hồ Chí Minh Đă ̣c biê ̣t em muốn gửi lời cảm ơn chân thành tới thầy Nguyễn Vinh Dự, người trực tiếp hướng dẫn giúp em hoàn thành luận văn tốt nghiệp với đề tài “Nghiên cứu lập quy trình cơng nghệ chế tạo chi tiết hợp kim nhôm trạng thái bán lỏng.” Thầy hướng dẫn định hướng trước cho em biết kiến thức cần thiết để làm luận văn tốt nghiệp tốt Thầy hết lòng giúp đỡ em bắt đầu làm luận văn tốt nghiệp Thầy cung cấp tài liệu cho em nghiên cứu, hướng dẫn, giải thích kĩ vấn đề mà em khơng hiểu Điều quan trọng hết lời động viên tinh thần, em gặp khó khăn thầy khơng giải thích mà cịn động viên giúp em có thêm động lực học tập Em xin chân thành cảm ơn tất thầy cô đã trực tiế p giảng da ̣y truyề n đa ̣t kiế n thức khoa ho ̣c cho em, tảng vững giúp em nghiên cứu hoàn thành luận văn Em cũng xin cảm ơn đế n tấ t cả các ba ̣n bè đã nhiê ̣t tin ̀ h đóng góp ý kiế n giúp đỡ em quá triǹ h tìm kiế m tài liê ̣u để hoàn thành luâ ̣n văn Cuối em xin gửi lời cảm ơn chân thành tới gia đình em Họ nguồn động lực tinh thần hỗ trơ ̣ em về tài chiń h giúp em an tâm nghiên cứu học tập i an TÓM TẮT LUẬN VĂN Trong sản xuất chế tạo ngày nay, công nghệ tạo hình khơng phoi rèn, đúc dần thay q trình tạo hình cắt gọt Cơng nghệ đúc rèn tiên tiến có nhiều ưu điểm việc sản xuất hàng loạt chi tiết thành mỏng, hình dạng phức tạp Những năm gần đây, trình xuất nhận nhiều quan tâm nhà nghiên cứu cơng ty chế tạo Đó q trình tạo hình trạng thái bán lỏng Quá trình khơng kế thừa ưu điểm vốn có cơng nghệ đúc, rèn thơng thường mà cịn khắc phục hầu hết nhược điểm hai công nghệ Trong cơng nghệ tạo hình bán lỏng đề xuất thixoforming trình ứng dụng nhiều Luận văn tập trung vào việc áp dụng kỹ thuật nung cảm ứng vào công đoạn gia nhiệt lại phơi q trình thixoforming xác định thơng số q trính ép bán lỏng Nội dung luận văn xoay quanh cơng việc tìm hiểu phương pháp nung cảm ứng đưa giải pháp gia nhiệt vận dụng chúng vào sản xuất thực tế Luận văn cịn tiến hành tính tốn mô hành vi hợp kim nhôm A356 q trình ép bán lỏng Cùng với tiến hành thiết kế khn đơn giản cho q trình ép bán lỏng Hy vọng tương lai không xa công nghệ thixoforming thật phổ biến Việt Nam! ii an CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN Nếu phương pháp tạo hình vật liệu trạng thái lỏng, kim loại trước đem tạo hình nấu chảy lỏng hồn tồn tạo hình vật liệu trạng thái bán lỏng, kim loại nung đến trạng thái hai pha: pha rắn pha lỏng với tỉ lệ phù hợp Cơng nghệ tạo hình kim loại trạng thái bán lỏng xuất từ đầu năm 1970, Giáo sư Flemings cộng nghiên cứu trạng thái dòng chảy kim loại trạng thái bán lỏng Quá trình đưa vào công nghiệp lần công ty Alumax ITTTEVES, với ứng dụng ô-tô chi tiết khung gầm, xilanh thắng, vành xe…Vào cuối năm 1980, giai đoạn phát triển sâu bắt đầu Châu Âu Với phương pháp khuấy từ trường triển khai nhà sản xuất Pechiney (Pháp), Ormet (Mỹ) SAG (Áo), nguồn phôi ban đầu - với kích thước thay đổi chất lượng đảm bảo trở nên thực tế Những công nghệ nung nóng với thiết bị đúc áp lực điều khiển trực tiếp tạo tảng cho việc chế tạo thiết bị thích hợp với sản xuất Từ mở đường cho ứng dụng sản xuất hàng khối lĩnh vực khung gầm (hãng xe Porsche, DaimlerChrysler, Alfa Romeo) phận thân xe (hãng Audi, Fiat, DiamlerChrysler) sản xuất loạt nhỏ lĩnh vực khác Tuy nhiên, cạnh tranh tăng lên với chất lượng cải thiện nhanh chóng hiệu kinh tế cao q trình đúc lỏng hồn tồn, số hoạt động nghiên cứu bị ngưng lại khoảng thời gian Nhược điểm chi phí sản xuất giảm nhờ ý tưởng cải tiến trình rheocasting truyền thống, giúp trì số ứng dụng tạo hình trạng thái bán lỏng Ví dụ, hãng STAMPAL thay đổi trình sản xuất số chi tiết từ phương pháp thixocasting truyền thống sang phương pháp Rheocasting Dưới trình bày sơ lược vài phương pháp tạo hình trang thái bán lỏng 1.1 Tổng quan cơng nghệ tạo hình trạng thái bán lỏng 1.1.1 Giới thiệu sơ lược trạng thái bán lỏng an Hình 1.1 Sơ đồ cơng nghệ tạo hình vật liệu trạng thái bán lỏng Khi kim loại gia nhiệt lên nhiệt độ đường đặc (Hình 1.1), kim loại bắt đầu chảy pha lỏng xuất hiện, trạng thái gọi trạng thái “mushy” Nếu tiếp tục gia nhiệt nhiệt độ đường lỏng, kim loại sẽ chuyể n sang trạng thái lỏng hoàn toàn Tuy nhiên, để đạt trạng thái bán lỏng (tức tỉ lệ pha rắn, pha lỏng gần pha rắn có cấu tạo dạng hạt mịn) trạng thái “mushy”, nhiệt độ phải phân bố đồng tồn thể tích phơi Ngược lại với trạng thái “mushy”, tức làm nguội kim loại từ trạng thái lỏng hồn tồn Q trình nhiệt độ giảm xuống nhiệt độ đường lỏng, nhiệt độ đường đơng đặc, lúc có xuất pha rắn, trạng thái gọi trạng thái “semisolid” (Hình 1.2) Chú ý trình làm nguội đông đặc trạng thái “semisolid” không cho hình thành cấu trúc nhánh thành phần bán lỏng phải phân bố an Hình 1.2 Thành phần rắn lỏng kim loại trạng thái mushy/semi-solid So sánh trạng thái “mushy” trạng thái “semisolid”:  Giống nhau: tỉ lệ pha lỏng rắn phân bố tồn thể tích phôi  Khác nhau: Bảng 1.1 Bảng so sánh trạng thái “mushy” trạng thái “semisolid” [1] Trạng thái Mushy - Trạng thái Semisolid Trạng thái mushy có tỷ lệ pha rắn - Trạng thái semisolid có tỷ lệ pha cao biến dạng giống lỏng cao chảy lưu chất phi khối đất sét - Newton Pha lỏng trạng thái mushy sinh - Pha rắn kim loại trạng thái tan chảy phần hạt semisolid sinh q trình đơng rắn, xảy biên giới hạt pha lỏng đặc phần kim loại nóng chảy thường tồn gây tách biệt hạt rắn Thông thường, người ta dùng thuật ngữ “semisolid”, tạm dịch trạng thái bán lỏng để miêu tả hai trạng thái Trong vùng từ nhiệt độ đường đặc đến nhiệt độ đường an lỏng, hai trạng thái “mushy” “semisolid” có tỷ lệ rắn lỏng tương đồng lúc tính vật liệu gần giống Hình 1.3 Các dạng tinh thể đúc thông thường đúc bán lỏng [2] (a) Tinh thể nhánh (b) Tinh thể dạng gần cầu Không giố ng các sản phẩ m đươ ̣c sản xuấ t từ những phương pháp ta ̣o hình thông thường đúc khuôn kim loa ̣i, đúc áp lực ở tra ̣ng thái lỏng, đúc khuôn cát,…cấ u trúc tế vi của sản phẩ m đươ ̣c ta ̣o từ phương pháp ta ̣o hin ̀ h vâ ̣t liê ̣u ở tra ̣ng thái bán lỏng là có da ̣ng hình cầ u nên chất lượng sản phẩm cao hẳ n cấ u trúc có da ̣ng nhánh ở các phương pháp ta ̣o hin ̀ h khác an 1.1.2 Các phương pháp tạo hình vật liệu trạng thái lỏng Phương pháp Rheocasting Quá trình đúc Rheoforming thể hình 1.3 Đầu tiên nấu luyện hợp kim cần đúc tới trạng thái lỏng hoàn tồn, sau ta tiến hành làm nguội kết hợp khuấy trộn hợp kim Khi hợp kim làm nguội đến trạng thái bán lỏng, chuyển đến thiết bị đúc tạo hình với lực ép lớn Hình 1.3 Quá trình đúc Rheoforming Việc tạo tinh thể dạng hạt cầu gần cầu quan trọng trình đúc lưu biến : Hình 1.4 Nguyên lý phá vỡ thiên tích nhánh [1] (a) Tinh thể nhánh ban đầu (b) Tinh thể nhánh phát triển (c) Tinh thể hình bơng an (d) Tinh thể hình bơng phát triển (e) Tinh thể dạng gần cầu Trong trình đúc, thường xuất dạng tinh thể hình 1.4 Với tinh thể nhánh hình thành khơng có lực khuấy Tinh thể dạng “hình bơng” hình thành lực khuấy kết hợp dòng chảy tầng Tinh thể dạng hình cầu hình thành lực khuấy kết hợp dịng chảy rối Nhưng q trình đúc theo phương pháp Rheoforming, việc khuấy (hình 1.5) giúp phá vỡ thiên tích nhánh (hình 1.4) hình thành tinh thể dạng hình cầu, từ cho tổ chức hạt mịn, làm tăng tính cho vật đúc Có thể khuấy trộn khuấy trộn điện từ Nhưng phương pháp khuấy trộn từ trường sử dụng phổ biến tạo độ đồng cao đặc biệt thân thiện với mơi trường Hình 1.5 Các phương pháp khuấy trộn : a) lô, b) liên tục, c) khuấy điện từ [2] an Hình 5.17 Tạo liệu cho q trình mơ  Sau giao diện phần mềm, chọn thư mục lưu chọn mơ phỏng: Hình 5.18 Chạy chương trình 5.4 Kết mô 105 an Ta mô với vận tốc chày sau đây: 2.5mm/s, 9mm/s, 5mm/s, 25mm/s, ứng với vận tốc máy ép cần lực ép để đầy kim loại khỏi khn, q trình mơ cho ta xấp xỉ số cần Đây q trình tính tốn mơ đơn giản, sở cho q trình phức tạp Q trình mơ cho thấy nhiệt độ tăng vùng q trình ép, ảnh hưởng nhiệt độ khn đến q trình ép, ta mơ nhiệt độ khuôn 2500C nhiệt độ khuôn 5630C 5.4.1 Kết mô ứng suất lực Kết mô ứng suất: Tại góc khn tập trung ứng suất nhiếu góc bo ứng suất chủ yếu tập trung vùng côn trở lên, điều với lý thuyết hành vi dịng chảy vật liệu q trình đùn u cầu ứng suất trình ép ứng suất điểm phải có chênh lệch khơng lớn Tốc độ ép nhanh ứng suất vị trí góc bo lớn, không nên đùn nhanh với hợp kim nhôm A356 Vùng tập trung ứng suất vùng phần kim loại chưa đẩy container Phần kim loại khỏi khuôn chịu lực cản lực ma sát nên ứng suất bé 106 an Hình 5.19 Ứng suất với vận tốc mm/s Hình 5.20 Ứng suất với vận tốc mm/s 107 an Hình 5.21 Ứng suất với vận tốc 15mm/s Hình 5.22 Ứng suất với vận tốc 25mm/s Hình 5.23 Ứng suất điểm suốt trình ép v=8mm/s 108 an  Nhận xét: Khi ép nhanh ứng suất điểm có khác biệt Khi ép nhanh vùng ứng suất lớn dịch chuyển dần xuống dưới, điều không tốt Ứng suất chi tiết ổ định nhiều so với mặt biên  Kết mơ lực: Hình 5.24 Giản đồ lực – thời gian với V = mm/s Hình 5.25 Giản đồ lực – thời gian với V = 8mm/s 109 an Hình 5.26 Giản đồ lực – thời gian với V=15mm/s Hình 5.27 Giản đồ lực – thời gian với V= 25mm/s 5.4.2 Kết mô vận tốc hướng thớ vật liệu  Vận tốc phơi ra: Như nói chương 2, vận tốc vật liệu góc khn ln bé không chảy, kết mô bên gần với kết tính tốn 110 an Hình 5.28 Trường vận tốc với vận tốc chày mm/s Hình 5.29 Trường vận tốc với vận tốc chày 8mm/s 111 an Hình 5.30 Trường vận tốc với vận tốc chày 15 mm/s Hình 5.31 Trường vận tốc với vận tốc chày 25mm/s 5.4.3 Nhiệt độ trình đùn ép Rõ ràng, nhiệt độ chi tiết phải đồng chênh lệch vài độ, chênh lệnh q nhiều thất bại việc kiểm soát nhiệt độ Hơn việc kiểm sốt nhiệt độ có ý nghĩa quan với cấu trúc tế vi phôi, phôi sau có chênh nhiệt độ lớn vùng khơng có tổ hạt chức đồng nữa, u cầu đặt 112 an tính chi tiết sau ép bán lỏng phải tốt phương pháp thông thông thường, vậy, việc biết nhiệt độ tăng vùng giúp ta kiểm soát nhiệt độ cách xác Hình 5.32 cho thấy trường nhiệt độ ép với vận tốc thấp Hình 5.32 Nhiệt độ ép với vận tốc thấp 3mm/s Tại vùng tập trung ứng suất nhiệt độ tăng lên cách đồng tồn thể tích vùng chứa phôi Phần phôi giảm cách đồng Nhiệt độ phôi trường hợp giảm xuống khoảng 100C (5710C) Nhiệt độ tăng cao vùng cơn, điều xác phân tử linh động chịu ma sát lớn Rõ ràng ép chậm làm giảm nhiệt độ phơi 113 an Hình 5.33 Nhiệt độ với vận tốc 8mm/s Nhiệt độ trường hợp giảm không đáng kể khoảng – 20C Tuy nhiên nhiệt độ cao lại tập trung gần góc dịng chảy với vận tốc lớn gặp phần gấp khúc làm tăng độ linh động phần tử nhôm mang nhiệt cách đáng kể Ở vận tốc ép 9mm/s nhiệt phân bố so với vận tốc ép 15mm/s 5.5 Một số kết luận Ta đưa bảng so sánh kết tính tốn kết mơ lực vận tốc như sau: Bảng 5.2: bảng kết so sánh lực (tấn) Vận tốc mm/s Tính tốn Mơ Sai lệch % 30,8 31,3 1,62 33,5 33,1 1,3 15 42 37,1 11,67 114 an 25 45,3 40,1 11,48  Nhận xét: kết mô khơng khác nhiều so với kết tính tốn Kết sai lệch cho thấy tính đắn phương pháp tính tốn  Nhiệt độ suốt q trình đùn ép tăng nhiệt độ phôi giảm  Khi ép với tốc độ chậm 3mm/s nhiệt độ phơi giảm có nhiều thời gian để phôi tỏa nhiệt môi trường Khi ép với tốc độ cao nhiệt độ giảm khơng kể q trình ép diễn nhanh khơng có nhiều thời gian để phơi tỏa nhiệt, nhiệt độ tập trung cục số vùng gấp khúc hay góc  Tốc độ ép thực nghiệm đem lại kết xác khoảng mm/s Có thể mở rộng cho vận tốc ép sau : 8mm/s, 11.5mm/s  Đây sở cho trình thực nghiệm  Như với vận tốc 8mm/s lực chọn không nhỏ 33.5 115 an CHƯƠNG 6: THỰC NGHIỆM Thực nghiệm nấu luyện hợp kim nhôm A356 6.1.1 Chuẩn bị chất sơn bảo vệ nồi nấu - Thành phần nước sơn: 130 gr ZnO, 63 cm3 nước thuỷ tinh, 25 gr bột amiăng hồ với lít nước - Cách trộn: Cho nước vào thùng, sau cho ZnO, thuỷ tinh lỏng vào thùng trộn (nếu khơng có bột amiăng dùng hỗn hợp: 145 gr ZnO, 75 cm3 nước thuỷ tinh lỏng, lít nước thay thế) 6.1.2 Chuẩn bị chất sơn dụng cụ (gáo múc, chụp khử khí, que khuấy) - Thành phần nước sơn: 60% ZnO, 4% sét bentơnít, 36% nước - Cách trộn: Cho nước vào thùng, cho bột ZnO vào trộn đều, sau cho bột bentơnít vào trộn 6.1.3 Chuẩn bị lò nấu Nồi nấu làm gang Để tránh tạp chất xâm nhập vào hợp kim nhôm, phải đảm bảo nồi phải quét lớp sơn bảo vệ trước mẻ nấu 6.1.5 Chuẩn bị chất biến tính, tinh luyện - Thành phần muối khử khí: 70% NaCl, 30% KCl - Thành phần muối biến tính: 62,5% NaCl; 12,5% KCl; 25% NaF Các hỗn hợp muối cần trộn sẵn trước, để riêng thùng kín bảo quản nơi khô Phải đảm bảo sử dụng hỗn hợp muối sấy kỹ 6.1.6 Nấu luyện biến tính hợp kim nhơm đúc áp lực Hợp kim nấu luyện lị điện trở thể giếng có điều khiển nhiệt độ Bật lò điện, đặt nhiệt lò 150÷200oC Sau nồi lị đạt nhiệt độ này, tiến hành quét lớp sơn mỏng bảo vệ nồi Sấy tiếp lò lên 300oC khoảng 30 phút, chất liệu vào lị Rải hồi liệu nhỏ xuống đáy nồi tiến hành chất thỏi nhôm hợp kim trung gian Al-Si (50-50) Nâng nhiệt lò lên khoảng 800oC Khi hợp kim chảy, cho thêm dần nhôm thỏi hợp kim trung gian Al-Si (50-50) vào để đạt khối lượng mẻ nấu 116 an Trong trình nung sấy loại muối dụng cụ thao tác quét lớp sơn bảo vệ Khi kim loại lỏng đạt nhiệt độ khoảng 730÷750 độ C, tiến hành khử khí biến tính sau: Cho 0,75kg muối/100kg kim loại lỏng, chất khử khí (gói giấy) dìm xuống nhơm lỏng chụp khử khí, di chuyển nhẹ nhàng chụp khử khí khắp nồi, cách đáy 25mm phút Sau khử khí, chờ khoảng 10 phút tiến hành biến tính với 0,65kg muối/100kg kim loại lỏng, thao tác tiến hành với q trình khử khí, đợi phút vớt xỉ Khi kim loại lỏng đạt nhiệt độ khoảng 700÷730oC, cho hợp kim trung gian Al-Ti (80-20) vào nồi lị dùng que khuấy có chụp dìm xuống sát đáy nồi, di chuyển nhẹ nhàng khắp nồi khoảng thời gian 5-8 phút 6.2 Thực nghiệm chế tạo phôi mẫu đúc áp lực 6.2.1 Chế tạo mẫu thử - - Làm bề mặt khn nung nóng khn điện trở chuẩn bị cho chu trình đúc áp lực Khi nhiệt độ khn đạt 270oC cho dung dịch bảo vệ khuôn vào Dung dịch bảo vệ khuôn giúp nhôm không bị bám vào khuôn gây hư hỏng tách sản phẩm dễ Tiếp tục nung khuôn đạt 270oC, nung phôi đạt nhiệt độ bên khoảng 280oC nhiệt độ bên đạt 260oC Cho phôi vào khuôn tiến hành ép phôi Tiến hành tách phôi la khỏi khuôn 6.2.2 Kết Sau tiến hành chế tạo mẫu, ta thu kết thực nghiệm sau: Hình 6.1 Kết thực nghiệm 117 an 118 an an ... trang thái bán lỏng 1.1 Tổng quan cơng nghệ tạo hình trạng thái bán lỏng 1.1.1 Giới thiệu sơ lược trạng thái bán lỏng an Hình 1.1 Sơ đồ cơng nghệ tạo hình vật liệu trạng thái bán lỏng Khi kim loại... HỒ CHÍ MINH KHOA ĐÀ O TẠO CHẤT LƯỢNG CAO ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP NGHIÊN CỨU VÀ LẬP QUY TRÌNH CƠNG NGHỆ CHẾ TẠO CHI TIẾT HỢP KIM NHÔM Ở TRẠNG THÁI BÁN LỎNG SVTH : TRỊNH XUÂN NGỌC 12143130 NGUYỄN THANH... nhỏ mịn trình xử lý bán lỏng phụ thuộc vào thành phần hóa học hợp kim Bảng 3.3 Thông số nhiệt độ hợp kim Nhôm ứng dụng chế tạo vật liệu bán lỏng [1] 38 an 3.1.2 .Nhôm A356 khả tạo hình bán lỏng Như