đồ án thiết kế công nghệ đúc

Đặc điểm chi tiết : Khi thiết kế công nghệ một chi tiết đúc ta phảinghiên cứu bản vẽ chi tiết đúc để hiểu hình dạng kíchthước, điều kiện làm việc, vị trí của chi tiết trong máy,đặc điểm

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

VIỆN KHOA HỌC & KỸ THUẬT VẬT LIỆU

MỤC LỤC

Giới Thiệu : 2

I Sơ lược về chi tiết : 3

1 Bản vẽ chi tiết : 3

2 Đặc điểm chi tiết : 4

3 Vật liệu đúc chi tiết : 4

II.Phân tích và lựa chọn phương án công nghệ đúc : 6

1 Phương án 1 : 6

2 Phương án 2 : 7

3 Phương án 3 : 8

4 Lựa chọn phương án : 9

III Tính toán các thông số phương án công nghệ đúc : 9

1 Sai lệch về kích thước và khối lượng : 9

2 Thiết kế ruột : 13

3 Tính toán hệ thống rót : 16

4 Đậu ngót : 20

5 Mẫu, ruột và khuôn : 24

6 Vật liệu làm khuôn và ruột : 27

Giới Thiệu :

Ngành luyện kim từ trước đến nay luôn giữ một vai trò quantrọng trong sự nghiệp xây dựng và phát triển xã hội chủ nghĩacủa nước ta Có rất nhiều ngành nghề phát triển mạnh mẽ dựatrên cơ sở ngành luyện kim và một trong số đó là ngành chế tạomáy Mặc dù có nhiều tiến bộ về khoa học và kỹ thuật ở khâuchế tạo phôi, song cho đến nay phần lớn chi tiết của máy mócvẫn được chế tạo bằng phương pháp đúc trong ngành luyện kim Khi thiết kế một chi tiết đúc, phải thoả mãn các yêu cầu về cơtính và tính chất làm việc khác đồng thời phải đảm bảo tính dễđúc Ngược lại khi thiết kế một công nghệ đúc cần phải chú ýđến quá trình gia công cơ khí về sau này, nhất là trong sản xuấtlớn Tăng cường mối quan hệ giữ đúc và chế tạo cơ khí sẽ tạokiều kiện nâng cao chất lượng và hạ giá thành sản phẩm.

Đồ án “Thiết kế công nghệ đúc” đã giúp chúng em nắm đượcquy trình đúc ra được một sản phẩm Toàn bộ quá trình đúc phảitrải qua nhiều công đoạn và tính toán thiết kế Từ đó chúng emcó cái nhìn khái quát về công nghệ đúc Chúng em xin được cảmơn PGS.TS Phạm Mai Khánh đã tận tình hướng dẫn để chúngem có thể hoàn thành đồ án!

Sinh Viên Thực Hiện :

Lê Thanh Tùng – Chu Hữu Giang

I Sơ lược về chi tiết :1 Bản vẽ chi tiết :

2 Đặc điểm chi tiết :

Khi thiết kế công nghệ một chi tiết đúc ta phảinghiên cứu bản vẽ chi tiết đúc để hiểu hình dạng kíchthước, điều kiện làm việc, vị trí của chi tiết trong máy,đặc điểm của vật liệu chế tạo chi tiết cũng như yêu cầuvề cơ lý tính của toàn bộ chi tiết, của từng phần chi tiết,cách gia công chi tiết sau này… Tìm hiểu càng đầy đủbản thiết kế công nghệ đúc càng có chất lượng tốt, sảnphẩm ra sẽ đạt hiệu quả kinh tế cao, vật đúc ít bị hưhỏng.

Đặc điểm của vật liệu và yêu cầu cơ tính của chi tiết :Chi tiết có độ dày không đều ( hình chiếu cạnh): Chỗ dàynhất là 100 mm và chỗ dày ít nhất là 56.5 mm

Khối lượng vật đúc được xác định bằng phần mềm solidwork là 32 kg.

Hướng đông đặc là từ thành dày đến thành mỏng.Chi tiết khi đúc cần đặt ruột thẳng đứng.

Ruột cần phải nhỏ hơn kính thước thực của lỗ để đảmbảo lượng dư gia công cũng như độ co ngót của vật liệu.

3 Vật liệu đúc chi tiết :

Trong đồ án Thiết kế công nghệ đúc này, để đúc chitiết chúng em chọn mác thép C45 vì những đặc tính phùhợp của mác thép đối với yêu cầu của chi tiết.

Thép C45 là thép Carbon có hàm lượng Carbon là0,45% (0,45%C), ngoài ra loại thép này còn chứa các tạpchất khác như silic, mangan, lưu huỳnh, crom, phốt pho,đồng, niken… C45 là một loại thép hợp kim có hàm lượngcacbon cao, có độ cứng, độ kéo phù hợp cho việc chế tạokhuôn mẫu, ứng dụng trong cơ khí chế tạo máy, các chi tiếtchịu tải trọng cao và sự va đập mạnh.

% Cmin-max

% Simin-max

% Mnmin-max

% Pmax

% Smax

% Crmin-maxC450,42 - 0,50 0,15 - 0,35 0,5 - 0,80,0250,0250,2 - 0,4

Chọn phương pháp đúc :- Đúc khuôn cát tươi- Khuôn làm bằng tay- Mẫu gỗ

II Phân tích và lựa chọn phương án công nghệ đúc :1 Phương án 1 :

Mặt phân khuôn là mặtphẳng nên thuận lợi choviệc làm khuôn

Việc đặt đậu ngót cũng dễdàng và không bị ảnhhưởng tới bề mặt làm việccủa chi tiết

Chiều cao của vật đúc trongkhuôn thấp.

Việc làm mẫu gỗ đơn giản

Vì mặt phân khuôn cắt mẫulàm đôi nên khi ráp khuôndễ bị lệch, dễ có bavia ởmặt phân khuôn hơn 1 chútvì phải làm mẫu 2 nửa.

2 Phương án 2 :

Mặt phân khuôn là mặtphẳng nên thuận lợi choviệc làm khuôn.

Hệ thống rót được đặt trựctiếp trên bề mặt vật đúc nênđiền đầy khuôn nhanh.

Ít gây hao phí vật liệu chohệ thống rót.

Không có hệ thống rãnhlược xỉ và rãnh rót nên dòngchảy kim loại dễ bị cuốntheo những tạp chất làmgiảm độ sạch của kim loạidẫn đến sản phẩm đúckhông đạt yêu cầu

3 Phương án 3 :

Mặt phân khuôn là mặtphẳng nên thuận lợi choviệc làm khuôn

Hệ thống rót được đặt trựctiếp vào cùng đậu ngót củavật đúc.

Tiêu tốn ít vật liệu vào hệthống rót.

Không có hệ thống rãnhlược xỉ và rãnh rót nên dòngchảy kim loại dễ bị cuốntheo những tạp chất làmgiảm độ sạch của kim loạidẫn đến sản phẩm đúckhông đạt yêu cầu.

Phải đặt thêm nhiều đậu hơiđể khí trong lòng khuônthoát ra, đôi khi dùng để bổsung kim loại cho vật đúc.

4 Lựa chọn phương án :

Qua những phân tích về ưu – nhược điểm của 3 phươngán công nghệ đúc trên, chúng em quyết định lựa chọnphương án 1 để thực hiện.

III Tính toán các thông số phương án công nghệ đúc :

1 Sai lệch về kích thước và khối lượng :

Sai lệch cho phép (±) về kích thước vật đúc bằng thép

Sai lệch cho phép:

Vật đúc với khối lượng 64 kg lấy sai số về khối lượng là 8 với cấp chính xác 2 sản xuất hàng loạt.

Lượng gia công cơ khí :

Với kích thước choán chỗ lớn nhất của vật đúc L = 363 mmta chọn lượng dư cho gia công cơ: T: 6mm ; D: 5m

Lượng trừ co :

Với việc chọn vật liệu chi tiết là Thép C45 Ta lấy lượng co theo chiều dài: 1.5%theo chiều dài nhất của vật đúc là 363 mm=> Lượng co cho toàn vật đúc là 5.5 mm

Lượng dư công nghệ :

Chiều cao thoát khuôn của mẫu 50-100 mm với mẫu gỗ ta lấy độ xiên thoát khuôn là 1°

Đường kính đậu ngót là 60 mm nên lượng dư tại chỗ cắt đậu ngót là 5 mm

Kết luận : Lương dư sai lệch tổng: mm2 Thiết kế ruột :

a) Hình dáng của đầu gác ruột

Khi xác định hình dáng và kích thước của các đầu gác ruột, cần phải tính toán đến:

- Dễ dàng khi đặt ruột vào ổ gác.

- Ngăn ngừa ruột bị xê dịch trong ổ gác theo hướng thẳng gócvới trục đầu gác, xê dịch dọc theo trục hoặc xoay quanh trục.

- Lực sinh ra do trọng lượng bản thân ruột, do tác động của kimloại lỏng và áp lực trên một đơn vị bề mặt của ruột gác và dầugác ruột; tránh bịt kín đường thông hơi và đề phòng mép đầugác bị vỡ làm rơi hỗn hợp cát vào ổ gác trong khi đặt ruột vàokhuôn.

Để tránh ruột bị xê dịch dọc hay quay quanh trục, có thể dùngcác kiểu khóa ruột.

b)Kích thước đầu gác ruột, ổ gác ruột và khe hở giữa chúng

Hình dáng của ruột cơ bản tương ứng với hình dáng phần rỗngtrong vật đúc Ta thiết kế ruột dạng hình trụ liền khối được đặtthẳng đứng.

Với đường kình d = 63 mm, chiều dài cảu ruột L = 100 mm.Ta chọn chiều cao đầu gác ruột dưới h = 35mm=>

Với h = 35 mm theo bảng 32 ta chọn độ nghiêng nửa trên là7°và nửa dưới là 10°

Khe hở đầu gác ruột theo bảng 33 với h = 35 => S1=S2=0.25mm, S3=1.5 mm.

3 Tính toán hệ thống rót :

Chiều dày thành vật đúc:Khối lượng vật đúc: 32 kg

Giả sử khối lượng hệ thống rót bằng 25% vật đúcG =32*125%= 40 (kg)

Thể tích vật đúc: V = 4046

Thời gian rót hợp lý được xác định theo công thức thực nghiệm:

Chọn cách dẫn kim loại vào một nửa chiều cao vật đúc và rót tầng nên s = 1.6

Diện tích nhỏ nhất của hệ thống rót ❖

G: Khối lượng vật đúc kể cả hệ thống rót, ngótμ: Hệ số trở lực riêng của khuôn (μ = 0,25) :Cột áp thủy tĩnh trung bình của kim loại t: thời gian rót.

H: áp suất thỷ tĩnh ban đầu lớn nhất = 20 cm P: chiều cao vật đúc trên rãnh dẫn = 5.5cmC: chiều cao vật đúc ở vị trí rót = 100 mm

Mà với vật đúc thép tiết diện nhỏ nhất là tiết diện rãnh dẫn nênta lấy

Mà có 2 rãnh dẫn nên F 1 rãnh dẫn = 3

Đối với vật đúc bằng thép đơn giản thành dày, ta chọn tỷ lệ sau:

+) Đối với rãnh lọc xỉ có:

Với h = a = 26 cmb = 20 cm

c = 27 cm

+) Đối với rãnh dẫn có h = 12 cm

a = 25 cmb = 22 cm

+) Đường kính ống rót =2.7 (cm)

=> Kích thước phễu rót: d=25, D=80 mm, D1=60 mm, H=80mm

4 Đậu ngót :

Vị trí đặt đậu ngót

Cách xác định vị trí đặt đậu ngót dựa theo nguyên tắc sau:+) Đậu ngót được đặt trên phần dày nhất của vật đúc.+) Đậu ngót không làm cản trở sự co tự do của vật đúc Đểtránh nứt cổ khi phải đặt ruột xốp ở vùng cản co;

+) Đậu ngót phải dễ cắt ra và dễ làm sạch.

+) đậu ngót còn có thể làm nhiệm vụ đậu hơi để thoát khívà tạp chất ra khỏi khuôn Vì vậy nếu có thể, nên bố trí ddậungót ở chỗ cao nhất của vật đúc.

+) Tránh đạt đậu ngót quá sát thành vật đúc tạo nên nhữngkhe cát mỏng, Khi rót bị nung nóng nhiều, dễ sinh rỗ ngót ởthành vật đúc

Tính toán đậu ngót

Dựa vào phương pháp tính dậu ngót theo Ken: ở đây tỉ số diệntích bề mặt vật đúc với thể tích với thể tích khó tính sẽ đượcthay bằng hệ số khuôn (chỉ số hình dạng) dễ xác định hơn:

Trong đó: l – chiều dài vật đúc s – chiều rộng vật đúc g – bề dày thành vật đúc

Với hệ số k=5.4 =>

Dựa vào đồ thi trên với V=3

=> Kích thước của đậu ngót là: H = 100; D=200 nhưng thực tế để tăng khả năng phá dỡ nhưng vẫn đảm bảo kim loại đủ để bù co ta chọn đậu ngót hình nón cụt với kích thước ước chừng

mm.

Lực đẩy nổi tác dụng lên hòm trên:

P = k.[ H.(F + Fvđhtr).pkl + (p – pklr).Vr - q] (kg)k - Hệ số an toàn 1.5 – 3

Fvđ - Diện tích hình chiếu bằng của vật đúc (lênmặt ráp khuôn)

Fhtr - Diện tích hệ thống rót ở mặt ráp khuônpkl - Khối lượng riêng của kim loại lỏng

pr - Khối lượng riêng của ruộtVr - Thể tích ruột không kẻ đầu gác

q - Trọng lượng nửa khuôn trên kgVới các thông số:

k = 2 H = 1,5 dm Fvd = 10.8 Fhtr = 1,2 pkl = 7,8 pr = 2,5 Vr = 0,46

q = 22+ 84 = 106 kg (Bao gồm 22 kg hòm và 84 kg cát) P = 2.[ 1,5.(10,8+ 1,2).7,8 + (7,8 – 1,4).0,46 - 106] = 74 (kg)

Vậy ta cần đè khuôn với trọng lượng tối thiểu là 74 kg.

5 Mẫu, ruột và khuôn :a) Mẫu :

• Do chi tiết sản xuất đơn chiếc, mẫu chế tạo nhanh và đơngiản nên ta chọn phương pháp làm mẫu bằng gỗ

• Hạn chế biến dạng và đảm bảo bề mặt mẫu nhẵn mịn bằngcách sơn mẫu

• Thanh nhấc, mục đích để rút mẫu ra dễ dàng mà vẫn bảo vềđược mẫu.

• Kích thước mẫu gỗ được chế tạo có hình dáng giống mẫuvật đúc nhưng do khi đúc sẽ có nhiều yếu tố ảnh hưởng đếnkích thước như độ co ngót của kim loại, sai số trong quá trìnhlàm mẫu, trong khi gia công nên kích thước của mẫu gỗ sẽđược điều chỉnh qua công thức dưới đây:

Lmẫu gỗ = Lvđ + Lco + Lgia công - Lcông nghệ

b)Ruột :

• Hình dáng của ruột về cơ bản giống với các phần rỗng trongvật đúc Do bi bao quanh bởi kim loại lỏng nên ruột phải làmbằng vật liệu có nhiệt độ nóng chảy cao, đồng thời phải đượcsấy kỹ trước khi ráp khuôn để tránh sinh khí

❖ Ruột trong :

Ruột trong để tạo phần lỗ hình trụ bên trong vật đúc, đượclàm bằng cát furan Dựa vào tính toán ta có được khuôn ruộtnhư bản vẽ :

c) Hòm khuôn :

❖ Hòm dùng để làm khuôn phải đảm bảo độ bền, cứngvững, không thay đổi kích thước, nhẹ,kích thước nhỏ, phùhợp với mẫu

❖ Có nhiều loại hòm khuôn:

Hòm khuôn đúc bằng gang Hòm đúc bằng thép.

Hòm bằng hợp kim nhôm Hòm bằng thép hình, thép tấm.

Hòm lắp ghép bằng nhiều mảnh ( thường dùngcho cỡ lớn)

Hòm dùng làm khuôn bằng tay ( dưới 20kg) Hòm dùng làm khuôn máy yêu cầu kích thướcngoài nhỏ, gia công chính xác, dùng trong dâytruyền tự động

❖ Cỡ hòm được xác định bằng kích thước bên trong củahòm, tùy cách bố trí mẫu trong khuôn mà chọn cỡ hòm, đểđảm bảo khoảng cách giữa mẫu và thành hòm không quánhỏ Về cơ bản, ở các xưởng đã có những cỡ hòm tiêuchuẩn, nên chỉ trong những trường hợp thật cần thiết mớicần thiết kế lại hòm khuôn

❖ Ở đây, chi tiết được đúc bằng thép có kích thước và khốilượng khá lớn (xấp xỉ 32kg) nên ta chọn hòm đúc bằnggang vì loại hòm này được sử dụng phổ biến và chi phíthấp, nhưng vẫn đảm bảo được các yêu cầu về độ bền củahòm khuôn khi đúc

6 Vật liệu làm khuôn và ruột :a) Vật liệu làm khuôn :

Hỗn hợp cát tươi : là hỗn hợp được trộn đều giữa cát,nước và đất sét theo tỷ lệ nhất định theo quy chuẩn Hỗn hợpcát tươi được phân ra làm hai loại là cát áo hay còn gọi là cátphủ bề mặt sản phẩm và cát đệm là cát có yêu cầu kỹ thuậtkém hơn cát áo Cát đệm được dùng đệm phía trên bề mặt cátáo hay sản phẩm Quy chuẩn trộn hỗn hợp cát như sau:

Cát: Tuỳ theo từng loại sản phẩm mà người ta chọn cátlàm khuôn, nếu bề mặt sản phẩm yêu cầu mịn, bóng thìcát được chọn sẽ là cát tuyển với độ hạt nhỏ mịn Nếuyêu cầu bề mặt sản phẩm không cao thì ta có thể chọncát đã qua sử dụng hay còn gọi là cát tái chế Đối với cáttái chế cần được đánh tơi và sàng lọc hết những cục cátto và ba via bằng máy sàng lắc với kích thuớc lỗ sàng 0.4– 0.6mm

Sét: Sét có khả năng kết dính cao theo tỷ lệ cát Sétthường được dùng đó là sét Bentonit - Nước: Giúp chokhả năng kết dính của sét và cát tốt hơn

Tỷ lệ trộn:

Đối với hỗn hợp làm cát đệm: Có thể dùng ngay cáttái chế cho thêm 1 – 2% sét Bentonit và 2.5 – 3.5%nước Hỗn hợp được trộn đều trong máy trộn 0.3m3/h

Đối với hỗn hợp cát áo: Là cát được sử dụng phủlên bề mặt hình dạng sản phẩm nên tiêu chuẩn kỹthuật của cát áo cần được kiểm tra khắt khe hơn.

b) Vật liệu làm ruột :

Để đảm bảo độ bền ta sử dụng cát furan để làm ruột.Cát furan là hỗn hỗn gồm cát tuyển, nhựa furan và chấtxúc tác cho quá trình đóng rắn (axit) Hỗn hợp cát tuyển+ nhựa + axit được trộn đều trong máy trộn dạng tangquay 0.1 /h

Hỗn hợp sẽ được trộn đều theo tỷ lệ: + Nhựa Furan: 1.6 – 2.0 %

+ Axit: H3BO4: 40 – 60 % so với lượng dùng nhựa Furan + Cát tuyển 97.5 – 98 % Hỗn hợp được trộn đều và sử dụngluôn trong vòng 15 phút, nếu để lâu hỗn hợp sẽ bị chuyểnmàu và khả năng kết dính sẽ kém đi dẫn đến sản phẩm khôngđạt chất lượng.

7 Phương pháp nấu luyện thép C45 :

Các yêu cầu, ảnh hưởng đến quá trình nấu luyện :

Bảo đảm quy trình công nghệ làm khuôn đơn giản, thuậntiện Xác định vị trí lòng khuôn trong khuôn đúc để tạo ra

hướng kết tinh đúng nhằm nâng cao chất lượng hợp kimđúc loại bỏ các khuyết tật đúc Bảo đảm cho quy trình côngnghệ gia công cắt gọt được thuận tiện Bảo đảm cơ tính vậtđúc Trong sản xuất đúc, vật đúc được phân chia thành khốilượng gồm: Nhỏ, trung bình, và lớn Vật đúc nhỏ: ≤100 kg

Vật đúc trung bình 100 - 150 kg Vật đúc lớn > 500 kg

Tính chất sản xuất:

Đơn chiếc: 1- 50 vật đúc / năm

Hàng loạt: Nhỏ : 50 - 100 vật đúc / năm Vừa: 100 - 1000 vật đúc / năm

Lớn: 1000 - 10.000 vật đúc / năm Hàng khối: > 10.000 vật đúc / năm

Ảnh hưởng của quá trình đúc rót :

Quá trình đúc phải sử dụng các biện pháp bảo vệ hợp lýlàm cho chi tiết đạt được sau khi kết tinh đặc chắc và đồngđều Điều đó có thuận lợi cho khâu gia công, nhiệt luyệnkhi nung nóng và làm nguội sẽ ít gây ứng suất dẫn đến nứtsản phẩm

Khi tính toán được kích thước đậu ngót tối ưu đảm bảo :Dòng rót phải liên tục, không quá mảnh để tránh hiện

tượng cuộn xỉ trong thép, ôxy hoá, đưa khí vào trong kimloại lỏng.

Ảnh hưởng của quá trình xử lý nhiệt :

- Sau khi tạo phôi, cần tiến hành ủ hoàn toàn (áp dụng chothép trước cùng tích) với đặc điểm nung nóng thép tới trạngthái hoàn toàn là austenit, với nhiệt độ ủ là:

T = 825 - 835°C

Mục đích của ủ hoàn toàn là:

- Làm nhỏ hạt: nếu chỉ nung nóng quá đường AC3 khoảng20-30°C thì hạt Austenit thu được vẫn nhỏ, nên khi làmnguội tiếp theo tổ chức ferit + peclit nhận được cũng có hạtnhỏ Làm giảm độ cứng và tăng độ dẻo để dễ cắt gọt và dậpnguội với độ cứng đạt được là HB = 160-200.

- Khi ủ hoàn toàn thép ta tiến hành các biện pháp gia côngcơ khí để đạt được hình dạng yêu cầu.