Đồ án tốt nghiệp đồ án khuôn đúc áp lực

Sản xuất đúc được phát triển mạnh và sử dụng rộng rãitrong các ngành công nghiệp trên thế giới.b Hiện trạng nghành đúc trên thế giới* Vai trò của nghành đúc Trang 2 Nghành Đúc không chỉ

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ ĐÚC ÁP LỰC 1.1 Lịch sử phát triển công nghệ đúc áp lực

Đúc áp lực là một nhánh của ngành đúc truyền thống tồn tại từ rất lâu đời, do

đó trước khi tìm hiểu về công nghệ đúc áp lực, ta tìm hiểu qua về quá trình hình thành và phát tiển của nghành đúc

1.1.1 Lịch sử hình thành và hiện trạng ngành đúc hiện nay

để định hướng vào nghành này là điều vô cùng cấp thiết Sản xuất đúc được phát triển mạnh và sử dụng rộng rãitrong các ngành công nghiệp trên thế giới

b) Hiện trạng nghành đúc trên thế giới

* Vai trò của nghành đúc

Nghành Đúc đang phát triển mạnh để đáp ứng nhu cầu công nghiệp hóa Xu hướng chuyển vị trí nhà sản xuất ra ngước ngoài và yêu cầu môi trường khắt khe là thách thức lớn cho nghành đúc Thêm vào đó, sự gia tăng nhu cầu sử dụng chi tiết bền, nhẹ và việc dùng vật liệu nhẹ hơn là xu hướng chủ đạo trong nghành cơ khí hiện

Nghành Đúc không chỉ phục vụ cho nghành công nghiệp ô-tô mà còn các nghành nông nghiệp, máy móc – công cụ và các dịch vụ khác Nó thực sự

là xương sống của nhiều ngành công nghiệp Tuy nhiên, công nghiệp ô-tô vẫn

là khách hàng chính Nhu cầu vật đúc cho nghành công nghiệp ô-tô thế giới lớn nhất ở Nhật Bản vào khoảng 50% và chiếm khoảng 40% trong các

nghành công nghiệp chính ở các nước

Thương mại toàn cầu được cho là ảnh hưởng đến nghành đúc vì vật đúc

có thể xuất qua các nước Tuy nhiên, tỷ lệ khối lượng xuất khẩu/ nhập khẩu sovới lượng sản xuất trong nước chỉ khoảng 5% So sánh với sản phẩm khác như xe hơi, thiết bị điẹn và máy móc, thì tỉ lệ trên của vật đúc thấp Ở các nước công nghiệp, lượng vật đúc “chảy” qua đường biên giới thấp Lý do là chưa bao gồm vật đúc đã được gia công hay lắp ráp Mặc dù số liệu thống kê này là phần quan trọng để đánh giá ảnh hưởng của thương mại toàn cầu đến ngành đúc nhưng cho đến nay thống kê này vẫn chưa có Trong mọ trường hợp, sự cộng tác gần gũi giữa người sử dụng và nhà sản xuất là điều rất quan trọng, sơ sở sản xuất đúc thường nằm gần nhà máy của khách hàng Thêm vào

đó, khối lượng và thể tích vật đúc lớn làm tăng chi phí vận chuyển Do đó sự gia tăng đáng kể trong thương mại toàn cầu của ngành đúc sẽ không diễn ra trong vài năm tới

Doanh số bán hàng gần đây tại Mỹ thể hiện xu hướng nghành đúc trên toàn thế giới Doanh số năm 2021 theo từng hợp kim như sau:

Ứng dụng của sản phẩm đúc trong các ngành công nghiệp cũng có sự phân không đồng đều với tỉ lệ có sự chênh lệch lớn tập trung chủ yếu vào nghành xe hơi và xe tải hạng nhẹ Cụ thể như sau:

Hình 1.1: Sản lượng vật đúc gang thép tại các nước

Hình 1.2: Sản lượng vật đúc kim loại màu tại các nước

Theo thống kê sản lượng vật đúc là gang thép và kim loại màu của Mỹ và Trung Quốc vẫn đang đứng thứ nhất và thứ hai thế giới Tình hình sản xuất đúc ghi nhận sự nổi lên của các nước công nghiệp phát triển như Đức, Ấn Độ,Mê-hi-cô, Bra-xin,…Sản xuất đúc ngày càng dùng ít nhân công, xưởng do mức độ tự động hóa tăng, công nghệ máy móc ngày càng phát triển mạnh, ứng dụng khoa học kỹ thuật vào trong sản xuất ngày càng phổ biến

b) Hiện trạng nghành đúc ở Việt Nam

Ngành đúc ở Việt Nam vẫn còn khá mới mẻ và chỉ đang thực sự được chú trọng và quan tâm tới trong một vài năm gần đây, vì là một nghành mới

do đó trong quá trình phát triển chúng ta đang gặp phải một vài vấn đề làm ảnh hưởng tới các doanh nghiệp có nhu cầu muốn phát triển trong nghành đúc, cụ thể là hai vấn đề lớn sau: Thiếu mô hình quản lý thiết kế hợp lý và thiếu vốn, thiếu định hướng đầu tư

* Thứ nhất, thiếu mô hình quản lý quy trình thiết kế của nhà sản xuất đúc ở Việt Nam.

Hiện nay, mô hình quản lý thiết kế của nhà sản xuất đúc ở Việt Nam được tổ chức theo công đoạn Trong đó, mỗi công đoạn độc lập với nhau, nếu một công đoạn gặp vấn đề thì nhà sản xuất phải mất rất nhiều thời gian ( quaylại từ đầu ) để hiệu chỉnh thiết kế Điều này làm tăng thời gian và chi phí thiết kế

Hình 1.3:Sơ đồ quản lý thiết kế tại đa số nhà sản xuất đúc ở Việt Nam

Một nguyên nhân khác khiến thời gian và chi phí thiết kế cao là quá trình phát triển sản phẩm phải trải qua nhiều lần sản xuất thử Thông thường, sau khi nhận yêu cầu của khách hàng, nhà sản xuất tiến hành thiết kế đúc theokinh nghiệm và sản xuất thử Nếu không thành công, nhà sản xuất sẽ liên hệ với khách hàng để hiệu chỉnh thiết kế Tuy nhiên, vì đã sản xuất thử nên thời gian chuẩn bị và chi phí sản xuất đã tăng

Hình 1.4: Quy trình thiết kế đúc của nhà sản xuất ở Việt NamĐường đậm chỉ những công đoạn tốn nhiều chi phí Khung lớn gồm những công đoạn trong nhà máy đúc.

Công tác thiết kế không dự toán đúng chi phí sản xuất – cơ sở đưa ra báo giá cho khách hàng Điều này do tính đa dạng của vật đúc nên mô hình tính toán chi phí sản xuất không giống nhau cho những vật đúc khác nhau Từ

đó nhà sản xuất có thể đưa ra báo giá không chính xác, đôi lúc gây tổn thất cho chính mình và khách hàng

* Thứ hai, thiếu vốn và định hướng đầu tư

Đa số nhà sản xuất đúc có trình độ công nghệ, thiết bị lạc hậu, sản xuất vật đúc trung bình cộng với tỷ lệ phế phẩm cao nên lợi nhuận kinh doanh thấp Thêm vào đó, chính phủ, công chúng và nhà sản xuất chưa hiểu hết ưu điểm của chi tiết đúc và vai trò của công nghệ đúc đối với nền kinh tế Kết quả là trong thời gian dài ngành thiếu sự quan tâm và vốn đầu tư để phát triển.

Gần đây, trong điều kiện có vốn, phần lớn doanh nhgiệp đầu tư vào công nghệ đúc mới, tự động hóa dây chuyền sản xuất, nâng cấp đổi mới các thiết bị phân tích – kiểm tra,…Hiển nhiên, điều này mang lại những chuyển biến tích cực nhưng chưa thể giúp ngành đúc phát triển lên mức cao hơn vì thiết bị phân tích – kiểm tra không giúp giảm được phế phẩm ( chỉ giảm được lượng hàng bị trả về ), công nghệ mới và năng suất tăng chỉ làm tăng thiệt hại nếu thiết kế chưa tốt ( theo thống kê, 90% khuyết tật đúc có nguyên nhân từ lỗi thiết kế )

Mặt khác, vì hiệu quả đầu tư của các doanh nghiệp đi trước chưa đạt yêu cầu nên không tạo ra động lực cho cho các doanh nghiệp cùng ngành

1.1.2 Lịch sử hình thành và phát triển của ngành đúc áp lực

a) Trên thế giới

Đúc áp lực là một ngành sản xuất phôi nhằm tạo ra các chi tiết có kích thước chính xác do những chuyển động của d òng lưu chất kim lọai lỏng dướitác dụng của ngọai lực tạo nên dòng áp suất vào trong khuôn kim loại Đúc áplưc là một nhánh của ngành đúc tồn tại rất lâu đời, các nhánh c òn lại là ngànhĐúc trọng lực và đúc áp lực thấp Có những bằng chứng khảo cổ học cho thấyrằng Đúc trong lực đã có thời thời kỳ Đồng Thiếc được người nguyên thủy dùng để đúc các dụng cụ lao động như : rìu, nỏ,…Ngày xưa tổ tiên chúng ta cũng đã thấy được những ưu điểm nhất định của đúc như : có thể sản xuất ra các sản phẩm với số l ượng lớn có cùng kiểu dáng Và ngày nay phát huy những đặc tính ưu việt này để phát triển ngành Đúc lên thêm một bước, cụ thể

là ngành Đúc áp lực

Cũng giống như các ngành kỹ thuật khác, người ta không biết chắc chắn thời gian xuất hiện của ngành Đúc áp lực vào thời gian cụ thể nào mà chỉ có thể ước lượng thời gian ra đời của nó vào khoảng đầu thế kỷ 19, mặc

dù đã có một vài ý tưởng hình thành ngành đúc áp lực đã có từ sớm hơn nữa bởi vì nó có sự liên hệ với việc sản xuất máy in

Máy Đúc áp lực đầu tiên Sturgiss được phát minh vào năm 1849 (hình 1.5), máy này có buồng nấu chảy kim loại được đặt phía dưới Vào năm 1877,Dusenbery dựa trên nguyên lý của máy Sturiss để hình thành nên máy thế hệ mới có bổ sung thêm một pitông rỗng có gắn van một chiều cho phép kim loạilỏng có thể chảy từ khoang trên xuống khoang dưới Đặc biệt kể từ năm 1904

ng ành Đúc áp lực thực sự - 2 - bắt đầu phát triển khi mà công ty H.H

Franklin bắt đầu cho xuất hiện những máy đúc áp lực có gắn các thiết bị tự động bắt đầu từ đây ngành Đúc áp lực đã chuyển sang một bước ngoặt mới cùng song hành tồn tại với ngành công nghiệp xe máy, xe hơi và ngành công nghiệp này đã trở thành khách hàng lớn của ngành Đúc áp lực Vào những thời gian đầu, người ta sử dụng hợp kim chì, thiếc để làm nguyên liệu cho Đúc áp lực bởi vì hợp kim này dễ dàng đúc ở nhiệt độ thấp, hơn nữa hợp kim này có khả năng chống ăn mòn tốt nhưng chúng lại có nhược điểm là rất mềm

và khả năng chịu kéo thấp

Ngày nay hai hợp kim này không còn được sử dụng trong ngành Đúc

áp lực nữa Để khắc phục nhược điểm của hợp kim trên thì vào năm 1906 người ta sử dụng hợp kim kẽm để thay thế V ào năm 1914 cùng với sự phát triển của ngành sản xuất động cơ xe máy và ô tô người ta đã nghiên cứu và đưa vào sử dụng hợp kim nhôm do nó có những ưu điểm sau : có khả năng chống mài mòn ở nhiệt độ cao, tính đúc tốt, khó kết tinh và là kim lọai tương đối nhẹ,…

Hình 1.5: Sơ đồ nguyên lý máy đúc áp lực Sturgiss năm 1849

Hình 1.6: Sơ đồ máy đúc áp lực Dusenbery năm 1877

Hình 1.7: Sơ đồ máy đúc áp lực của công ti H.H Franklin chế tạo năm 1904

b) Ở Việt Nam

Trong những năm gần đây công nghệ đúc áp lực cao tại Việt Nam đang dần cải thiện và khẳng định vai trò lớn trong các cơ sở sản xuất Các sản phẩm của đúc áp lực ngày càng đa dạng như: nắp hông, tay biên… Nhưng nhìn chung công nghệ đúc áp lực ở các cơ sở sản xuất đều có hiệu quả l àm việc không cao thể hiện là lượng phế phẩm trong mỗi ca l àm việc khá lớn Nguyên nhân chính của thực trạng này là: Chất lượng khuôn đúc và vật liệu kim loại đúc chưa đủ tốt, chưa ứng dụng CAE trong thiết kế khuôn

Hình 1.8: Một số sản phẩm củ công nghệ đúc áp lực.

Trong những năm gần đây, các công ty về đúc áp lực tại Việt Nam ngày càng phát triển về số lượng và chất lượng Thiết bị đúc áp lực tại Việt Nam rất đa dạng về về thương hiệu và chủng loại bao gồm có các công ty Toshiba-Nhật Bản, Hidroteknik-Đức, Lakeside Casting-Mỹ với dải khối lượng lớn lên tới 1600T (do Công ty Hapulico nhập về năm 2016) Ngoài ra, theo báo cáo về thực trạng ngành đúc áp lực, ngành đúc áp lực ở Việt Nam sản xuất khoảng 300.000 tấn mỗi năm với nguồn nhân lực 100.000 người sản xuất trực tiếp và 300.000 người sản xuất gián tiếp Với gia tăng số lượng sản phẩm đúc áp lực

ở Việt Nam hiện nay, nhu cầu về thiết kế chế tạo khuôn đúc áp lực cũng tăng theo Về các bộ khuôn đúc áp lực thường được các doanh nghiệp trong nước đặt chế tạo và nhập ngoại từ Nhật Bản, Hàn Quốc, Đài Loan có giá thành khá cao Một phần do các nguyên công thiết kế, gia công khuôn đúc áp lực ở nước ngoài đắt đỏ và một phần do các doanh nghiệp nước ngoài dùng thép nguyên khối để chế tạo vỏ khuôn Việc nghiên cứu thiết kế chế tạo vỏ khuôn đúc áp lực bằng gang cầu, thay thế việc sử dụng thép nguyên khối nhằm giảmkhối lượng phôi và giảm nguyên công gia công để hạ giá thành sản phẩm

1.2 Vật liệu làm khuôn đúc áp lực

Lựa chọn vật liệu làm khuôn là một bước vô cùng quan trọng trong quátrình thiết kế khuôn đúc Việc lựa chọn phù hợp với yêu cầu của thiết kế sẽ giúp cho thành phẩm đạt được chất lượng tốt nhất và giảm thiểu tới thấp nhất các sai sót trong quá trình chế tạo sản phẩm phát sinh từ việc lựa chọn sai vật liệu chế tạo khuôn Để lựa chọn được vật liệu chế tạo khuôn trước tiên ta đi tìm hiểu về đặc tính làm việc và các yêu cầu đối với vật liệu làm khuôn đúc

Trong quá trình thực hiện gia công đúc áp lực, khuôn phải chịu một áp suất rất lớn từ kim loại lỏng Vì vậy, khuôn phải đảm bảo độ cứng vững cao, không bị biến dạng, sai lệch dưới tác dụng của lực ép, từ đó đảm bảo chất lượng của sản phẩm tạo thành

Khuôn đúc áp lực làm việc trong môi trường có nhiệt độ cao, áp suất lớn và thay đổi liên tục nên yêu cầu đối với vật liệu chế tạo khuôn phải có độ dai va đập và chống biến dạng tốt Không những thế, khuôn phải đảm bảo độ cứng ở nhiệt độ làm việc trong thời gian càng dài thì tuổi thọ càng cao Nói cách khác, khuôn đúc áp lực cần có tính cứng nóng cao

Yêu cầu về thiết kế và gia công khuôn: Chi tiết cần gia công là vỏ động

cơ điện – chi tiết dạng hộp với các thành, lỗ, gân trợ lực, biên dạng chi tiết phức tạp Khuôn cần được gia công cắt gọt trên các máy CNC vì vậy vật liệu

Yêu cầu về độ bóng: Độ bóng của bề mặt lòng khuôn và lõi trên thực tế yêu cầu kỹ thuật khá nghiêm ngặt, đây là yếu tố quyết định đến độ bóng, tính thẩm mỹ của sản phẩm tạo thành Vì vậy vật liệu chế tạo khuôn cần yêu cầu khả năng đánh bóng bằng các phương pháp có năng suất cao nhưng vẫn đảm bảo yêu cầu kỹ thuật.

1.2.2 Vật liệu chế tạo khuôn và cơ tính vật liệu

Hiện nay, vật liệu được sử dụng phổ biến nhất để chế tạo khuôn đúc áp lực là thép SKD61 theo tiêu chuẩn JIS 4404 hoặc một số mác thép tương đương như: thép H13 theo tiêu chuẩn Hoa Kỳ ASTM A681, thép 1.2344 ( X40CrMoV5-1) theo tiêu chuẩn Đức DIN EN ISO 4957

Thành phần hóa học của thép SKD61 và các mác thép tương đương:

Tiêu

chuẩn Mác thép (%)C (%)Mn (%)P (%)S (%)Si (%)Cr (%)V (%)MoAST

0.35-1.15

1.5

1.1-JIS

4404 SKD61 0.35-0.42 0.25-0.5 0.03 0.02 0.8-1.2 4.8-5.5 0.8-1.15 1.0-1.5Một số cơ tính của thép SKD61:

Độ bền, giới hạn kéo (20 C/68 F, với ⁰ ⁰

phương pháp xử lý nhiệt khác nhau)

1200 – 1590 MPa

174000 –231000 psi

Độ bền kéo, giới hạn chảy (20 C/68 F, ⁰ ⁰

với phương pháp xử lý nhiệt khác

nhau)

1000 – 1380 MPa

145000 –200000 psi

Rèn thép SKD61: Nung nóng để rèn phải diễn ra chậm và đồng đều Giữ nhiệt trong khoảng 1900 – 2000 F và lặp nếu cần thiết, không rèn khi nhiệt độ phôi dưới 1377 oC Sau khi rèn phôi SKD61, làm nguội chậm Thép SKD61 luôn được ủ sau rèn.

- Khử ứng suất dư thép SKD61: Để đảm bảo biến dạng khi gia công, nâng nhiệt chậm từ 1050 – 1250 F để cân bằng sau đó làm nguội trong không khí

- Hóa bền thép SKD61: Thép dụng cụ SKD61 là thép có độ cứng rất cao và nên được làm cứng bằng cách làm nguội trong không khí tĩnh Nên sử dụng

bể muối hoặc lò khí quyển có kiểm soát để giảm thiểu quá trình khử cacbon,

và nếu không có sẵn, nên bảo vệ trong than cốc đã qua sử dụng Nhiệt độ được sử dụng thường là 1800 ° -1850 ° F, tùy thuộc vào phần kích thước

- Tôi thép SKD61: Quá trình tôi thép nên được thực hiện trong môt trường khíbảo vệ, tôi trong dầu hoặc khí nén Kinh nghiệm tôi chi tiết trong dầu khi màubắt đầu biến mất (1000 – 1100 C) và kết thúc làm nguội dưới 150 – 125 F ⁰trong không khí, sau đó ram ngay Độ cứng đạt được sau khi tôi 55 – 56 HRC

- Ram thép SKD61: Ram thép có thể được tiến hành thực tế với kích thước vàứng dụng khác nhau, nhưng thông thường được ram thấp trong khoảng nhiệt

độ 250 C (480F) Độ cứng đạt được sau khi ram thấp 50 – 52 HRC.⁰

1.3 Máy và trang thiết bị đúc áp lực

1.3.1 Máy đúc áp lực

Trong các máy đúc áp lực cao, loại máy nào cũng bao gồm hai bộ phận thủy lực, một bộ phận đóng mở, một bộ phận ép kim loại lỏng Bộ phận đóng mở khuôn gọi là cơ cấu khóa khuôn, bộ phận ép hay c òn gọi là cơ cấu ép Hầu hết các máy đều có cơ cấu khóa khuôn kiểu nằm ngang Cơ cấu ép có thể là

ép thẳng đứng hoặc ép nằm ngang, phủ thuộc cách bố trí ph òng ép Dẫn độngcho các cơ cấu này là bơm thủy lực kểu pittông hoặc bơm kiểu cánh Bơm thủy lực có thể lắp trực tiếp trên máy hoặc bố trí độc lập

Hình 1.9: Mô hình khuôn đúc áp lực nằm ngang

Chất lỏng công tác trong máy đúc áp lực thường là dầu khoáng vật hoặc huyền phù dầu – nước hoặc dầu khác Dầu khoáng vật có tính bôi tr ơn

và chống ăn mòn tốt, tính chất làm việc khá ổn định, giá thành thấp cho nên được sự dụng khá phổ biến Nhược điểm của dầu khoáng vật là dễ cháy, làm ônhiễm môi trường và đắt hơn nhũ tương dầu – nước