đề tài dòng chảy kim loại khi đúc khi kim loại rót vào khuôn

Dòng chảy kim loại không chỉảnh hưởng đến việc điều tiết hình dạng của sản phẩm, mà còn đặc biệt quan trọngđối với khả năng loại bỏ các khuyết tật như khí bọt và tạo ra bề mặt sản phẩm m

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

🙞···☼···🙞

ĐỀ TÀI: DÒNG CHẢY KIM LOẠI KHI ĐÚC (KHI KIM LOẠI RÓT VÀO KHUÔN)

Giảng viên hướng dẫn:

Thành phố Hồ Chí Minh 2023– 2024

MỤC LỤC

MỞ ĐẦU 5

I Sơ lược về nấu chảy kim loại 6

1.1 Khái niệm nấu chảy kim loại 6

1.2 Các loại máy dùng để nấu chảy kim loai 6

1.3 Nhiệt lượng cần thiết cho quá trình đúc 7

1.4 Nhiệt lượng cần thiết để nâng nhiệt độ kim loại đến nhiệt độ rót 8

II Dòng chảy kim loại lỏng 8

2.1 Khái quát dòng chảy kim loại lỏng 8

2.2 Sự thâm nhập của kim loại lỏng vào thành khuôn 9

III Quá trình rót 14

3.1 Phân loại hệ thống rót: 14

3.2 Rót kim loại lỏng 20

IV Những đặc điểm của việc điền đầy hốc khuôn 22

4.1 Quá trình điền đầy khuôn 22

4.2 Chuyển động của kim loại lỏng trong hốc khuôn 22

4.3 Vận tốc dòng chảy kim loại 23

4.4 Chuyển động êm 23

4.5 Chuyển động tầng 24

4.6 Dòng chảy rối 24

4.7 Chuyển động phân tán 25

4.8 Bảng ưu nhược điểm, chuyển động dòng kim loại lỏng 26

V Dòng chảy kim loại khi đúc 27

VI Đặc điểm 29

6.1 Ưu điểm 29

6.2 Nhược điểm 29

VII Phạm vi sử dụng 29

7.1 Chi tiết đúc có: 29

7.2 Hợp kim dùng để đúc áp lực nên có: 30

7.3 Các hợp kim thường đúc áp lực 30

KẾT LUẬN 31

DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO 32

DANH MỤC HÌNH ẢNH

Hình 1: Cupalos……….5

Hình 2: Direct Fuel- Fired Furnaces (Lò đốt nhiên liệu trực tiếp)………6

Hình 3: Crucrible Furnaces (lò phản ứng lò đốt nhiên liệu gián tiếp)……… 7

Hình 4 : Khuôn kim loại lỏng………

………… 14

Hình 5: Phân loại cốc rót………

………….15

Hình 6: Đặc điểm các loại cốc rót………

……… 15

Hình 7a: Để làm khuôn đảm dòng kim loại chảy đều vào rãnh lọc xỉ….……

… 16

Hình 7b: Nếu ống rót quá cao phải làm ống rót nhiều bậc………

…… 16

Hình 7c: Ống rót hình rắn để giảm tốc độ và lực xung kích của dòng kim loại 17

Hình 8a: Rãnh lọc xỉ có tiết diện hình thang………

…… 18

Hình 8b: Rãnh lọc xỉ có màng lọc hoặc màng ngăn………

…… 18

Hình 8c: Rãnh lọc xỉ gấp khúc hoặc nhiều bậc……….…

…… 19

Hình 9a: Rãnh dẩn nhiều tầng……….…

….19 Hình 9b: Rãnh dẩn có khe mỏng……….…

…….19

Hình 9c: Rãnh dẫn kiểu mưa rơi……….

Hình 12: Quy trình 2……….………22

Hình 13: Quy trình 3……….………23

MỞ ĐẦU

Trong ngành công nghiệp kim loại, quy trình đúc chính là một trong những côngđoạn quan trọng nhất để tạo ra các sản phẩm cuối cùng Trong quá trình đúc, việckiểm soát dòng chảy kim loại trong khuôn đúc đóng vai trò quan trọng để đảm bảochất lượng và độ chính xác của sản phẩm cuối cùng Dòng chảy kim loại không chỉảnh hưởng đến việc điều tiết hình dạng của sản phẩm, mà còn đặc biệt quan trọngđối với khả năng loại bỏ các khuyết tật như khí bọt và tạo ra bề mặt sản phẩm mịnmàng và đồng đều.Trong bài tiểu luận này, chúng ta sẽ tìm hiểu sâu hơn về dòngchảy kim loại trong quá trình đúc kim loại, từ cơ sở lý thuyết đến ứng dụng thực tế.Chúng ta sẽ khám phá các yếu tố ảnh hưởng đến dòng chảy kim loại, cũng như cácphương pháp và kỹ thuật được sử dụng để kiểm soát và tối ưu hóa dòng chảy nàytrong quá trình sản xuất Bằng cách này, chúng ta sẽ hiểu rõ hơn về tầm quan trọngcủa việc hiểu và quản lý dòng chảy kim loại trong quá trình đúc, góp phần nângcao chất lượng và hiệu suất sản xuất trong ngành công nghiệp kim loại Việc tínhtoán dòng chảy kim loại với vận tốc, nhiệt độ hợp lý để đảm bảo cho kim loại đượcđồng thời phun vào lòng khuôn, điền đầy tất cả các vị trí góc, rãnh và quá trình kếttinh đồng đều là rất quan trọng để tạo ra được sản phẩm có chất lượng tốt Bài tiểuluận này trình bày phương pháp mô phỏng để tính toán dòng chảy kim loại trongkhuôn Các kết quả cho thấy, vận tốc dòng chảy và nhiệt độ dòng chảy kim loạiảnh hưởng đến chất lượng sản phẩm

I Sơ lược về nấu chảy kim loại

1.1 Khái niệm nấu chảy kim loại

Nấu chảy kim loại là quá trình nung nóng một loại kim loại cho đến khi nó đạtđến điểm nấu chảy và trở thành chất lỏng Quá trình này thường được thực hiệntrong lò luyện kim hoặc lò nấu chảy chuyên dụng Việc tính toán dòng chảykim loại với vận tốc, nhiệt độ hợp lý để đảm bảo cho kim loại được đồng thờiphun vào lòng khuôn, điền đầy tất cả các vị trí góc, rãnh và quá trình kết tinhđồng đều là rất quan trọng để tạo ra được sản phẩm có chất lượng tốt Bài tiểuluận này trình bày phương pháp mô phỏng để tính toán dòng chảy kim loạitrong khuôn Các kết quả cho thấy, vận tốc dòng chảy và nhiệt độ dòng chảykim loại ảnh hưởng đến chất lượng sản phẩm

1.2 Các loại máy dùng để nấu chảy kim loai

Hình 1: cupalos

7 | 3 2

Hình 2: direct Fuel- Fired Furnaces (Lò đốt nhiên liệu trực tiếp )

Hình 3: Crucrible Furnaces (lò phản ứng lò đốt nhiên liệu gián tiếp)

1.3 Nhiệt lượng cần thiết cho quá trình đúc

 Nhiệt lượng để tăng nhiệt độ kim loại của kim loại lên nhiệt độ nóng chảy:Đây là năng lượng cần thiết để đưa kim loại từ nhiệt độ phòng lên nhiệt độnóng chảy, nơi mà nó sẽ chuyển từ trạng thái rắn sang trạng thái lỏng

 Nhiệt lượng để chuyển kim loại từ trạng thái rắn sang trạng thái lỏng: Đây lànăng lượng cần thiết để vượt qua nhiệt độ nóng chảy của kim loại và làmcho các phân tử hoặc nguyên tử trong kim loại di chuyển và thay đổi thànhtrạng thái lỏng.

 Nhiệt lượng để tăng nhiệt độ của kim loại lên nhiệt độ rót (độ quá nhiệt):Đây là lượng nhiệt cần thiết để đảm bảo rằng khi kim loại được rót vàokhuôn, nó vẫn giữ ở trạng thái lỏng đủ lâu để đổ thành hình dạng mongmuốn và không đông ngay lập tức khi tiếp xúc với bề mặt khuôn

 Phụ thuộc vào quy trình công nghệ: Lượng nhiệt lượng cần thiết cũng phụthuộc vào các yếu tố công nghệ như loại kim loại, kích thước và hình dạngcủa sản phẩm đúc, và các yếu tố khác như áp lực, tốc độ làm lạnh sau khiđúc, v.v

1.4 Nhiệt lượng cần thiết để nâng nhiệt độ kim loại đến nhiệt độ rót.

H= ρVV {Cs (Tm−¿)+ H +Cl (Tp−Tm) }

 H là nhiệt lượng cần thiết (đơn vị: joule hoặc calorie)

 ρ là khối lượng riêng của kim loại (đơn vị: kg/m3 hoặc g/cm3)

 V là thể tích của kim loại (đơn vị: m^3 hoặc cm^3)

 Cs là nhiệt dung riêng của kim loại ở trạng thái rắn (đơn vị: J/kg-độ Choặc cal/g-độ C)

 Cl là nhiệt dung riêng của kim loại ở trạng thái lỏng (đơn vị: J/kg-độ Choặc cal/g-độ C)

 Tm là nhiệt độ nóng chảy của kim loại (đơn vị: độ C)

 To là nhiệt độ ban đầu của kim loại (đơn vị: độ C)

 Tp là nhiệt độ rót của kim loại (đơn vị: độ C)

9 | 3 2

II Dòng chảy kim loại lỏng

2.1 Khái quát dòng chảy kim loại lỏng.

Dòng chảy của kim loại có thể giúp tối ưu hóa quá trình đúc với sự trợ giúpcủa các công cụ trong cơ học chất lỏng, việc phân tích chi tiết về dòng chảy cóthể được thực hiện với sự trợ giúp của việc tối ưu hóa thiết kế Dòng chảykhông phù hợp trong quá trình đúc có thể dẫn đến khuyết tật trong quá trìnhđúc các bộ phận Dòng chảy hỗn loạn có thể dẫn đến hư hỏng khuôn cát

2.2 Sự thâm nhập của kim loại lỏng vào thành khuôn.

2.2.1 Tính lưu động của kim loại nóng chảy:

 Một thuật ngữ thường được sử dụng để mô tả khả năng của kim loại nóngchảy để lấp đầy các khoang khuôn là tính lưu động Thuật ngữ này bao gồmhai yếu tố cơ bản: đặc tính kim loại nóng chảy và các thông số đúc

 Các đặc điểm sau đây của kim loại nóng chảy ảnh hưởng đến tính lưu động:

 Độ nhớt: khi độ nhớt và độ nhạy của nó với nhiệt độ (chỉ số độ nhớt) tănglên thì tính lưu động giảm

 Sức căng bề mặt: sức căng bề mặt cao của kim loại lỏng làm giảm tính lưuđộng Do đó, màng oxit phát triển trên bề mặt kim loại nóng chảy có ảnhhưởng đáng kể đến tính lưu động Ví dụ, màng oxit trên bề mặt nhôm nóngchảy nguyên chất làm tăng sức căng bề mặt lên gấp ba lần

 Tạp chất: là các hạt không hòa tan, tạp chất có thể có tác động bất lợi đáng

kể đến tính lưu động Hiệu ứng này có thể được xác minh bằng cách quansát độ nhớt của chất lỏng như dầu có và không có hạt cát trong đó; cái trước

có độ nhớt cao hơn

 Mô hình hóa rắn của hợp kim: Tính lưu động tỷ lệ nghịch với phạm vi đóngbăng Do đó, phạm vi càng ngắn (như trong kim loại nguyên chất vàeutectic), tính lưu động càng cao Ngược lại, hợp kim có phạm vi đóng băngdài (chẳng hạn như hợp kim dung dịch rắn) có độ lưu động thấp hơn

2.2.2 Trong khi thiết kế đậu rót phải tuân theo các thông số nhất định:

 Kích thước của đậu rót được tối ưu hóa theo tốc độ dòng chảy của kim loại

 Chiều cao của đậu rót được xác định bằng cách đúc và chiều cao của đỉnhthanh có thể tính theo định luật liên tục của khối lượng

 Đậu rót nên được thuôn nhọn khoảng 5% để tránh hút không khí/khe hởgiữa khuôn đúc và kim loại do rỗ khí

 Các đường dẫn phải được đặt ở trung tâm với số lượng cổng bằng nhau ởmỗi bên

-Vùng nhỏ nhất xảy ra ở đáy của đường dẫn được gọi là vùng Choke Điều nàyđược thiết kế trên cơ sở Phương trình Bernoulli: sự gia tăng tốc độ của chấtlỏng xảy ra đồng thời với sự giảm áp suất tĩnh hoặc giảm thế năng của chấtlỏng

-Định lý Bernoulli: Định luật thủy lực cơ bản này liên quan đến áp suất, vận tốc

và độ cao dọc theo dòng chảy theo cách có thể áp dụng cho các hệ thống cổng.Định lý phát biểu rằng: “Trong một dòng chảy ổn định, tổng mọi dạng nănglượng trong chất lưu dọc theo đường dòng là như nhau tại mọi điểm trên đường

đó Đối với ống dòng nằm ngang, tổng áp suất tĩnh và áp suất động tại mộtđiểm bất kỳ được bảo toàn Định lý được thể hiện trong phương trình đã cho

-Để rút ra công thức diện tích vùng Choke, ta thực hiện các giả thuyết sau:

-Theo định luật Bernoulli, vận tốc của kim loại lỏng ở đỉnh ống rót được tính bằng

V b=(2 g Hb)2

-Tương tự với đáy rãnh rót

V c=(2 g Hc)2

-Lưu lượng dòng chảy tại choke trong thời gian nhất định

A b= ¿Diện tích mặt cắt ngang của rãnh rót ở đỉnh của nó

A c= ¿Diện tích mặt cắt ngang của rãnh rót tại vùng Choke

V b= ¿Vận tốc của kim loại lỏng tại đỉnh rãnh rót

V c= ¿Vận tốc của kim loại lỏng ở đáy rãnh rót (Choke)

H b= ¿chiều cao của bể rót

H c= ¿chiều cao của tổng kim loại phía trên choke

 Dòng chảy có Re ≤ 2300 là dòng chảy tầng

 Dòng chảy có 104 > Re > 2300 là dòng chảy chuyển tiếp từ chảy tầng sangchảy rối hay còn gọi là chảy quá độ

 Dòng chảy có Re ≥ 104 là dòng chảy rối

 Đối với ống dẫn mặt cắt hình tròn đường kính d thì công thức được viếtthành:

ℜ=v d p

μ Reẻể Rềdsvsdvsd

+Định luật liên tục

13 | 3 2

Định luật này phát biểu rằng, đối với một hệ có tường không thấm nước vàchứa đầy chất lỏng không nén được, tốc độ dòng chảy sẽ như nhau ở mọi điểmtrong hệ Điều này có thể được biểu diễn dưới dạng:

Q = Α1μ1 = Α2μ2

-Trong đó

 Q là tốc độ dòng chảy

 A là diện tích mặt cắt ngang của dòng

 μ là vận tốc của dòng và chỉ số 1 và 2 chỉ định hai vị trí khác nhau trong hệthống

2.2.3 Thiết kế hệ thống cổng:

Bất kỳ hệ thống cổng nào được thiết kế đều phải nhằm mục đích cung cấp vậtđúc không có khuyết tật Điều này có thể đạt được bằng cách xem xét các yêucầu sau:

 Hệ thống cổng nên tránh những thay đổi hướng đột ngột hoặc vuông góc

 Hệ thống cổng phải lấp đầy khoang khuôn trước khi đông đặc

 Kim loại phải chảy trơn tru vào khuôn mà không bị nhiễu loạn Dòng kimloại hỗn loạn có xu hướng hình thành cặn trong khuôn

 Việc đưa kim loại vào khoang khuôn phải được kiểm soát hợp lý sao chongăn chặn việc hút không khí vào khuôn

 Dòng chảy kim loại phải được duy trì sao cho không xảy ra hiện tượng xóimòn cổng hoặc khuôn

 Hệ thống cổng phải đảm bảo có đủ kim loại nóng chảy tới khoang khuôn

+Hợp lý hóa hệ thống cổng:

Các hệ thống cổng truyền thống được biết đến với một thanh dẫn hướngxuống thẳng đáy và các đường cong 90° trong hệ thống dẫn hướng Cáchthiết kế hệ thống cổng truyền thống tạo ra sự không nhất quán cao trong môhình dòng chảy trong quá trình lấp đầy Trong các hệ thống cổng được sắpxếp hợp lý, không có sự thay đổi đột ngột về hướng và nỗ lực lớn được thựchiện để hạn chế và kiểm soát dòng chảy của kim loại nóng chảy trong quátrình đổ đầy khuôn Tinh giản hóa bao gồm việc loại bỏ các khối nhọn cótrong hệ thống cổng truyền thống và cũng bao gồm cả việc thu gọn cácđường dẫn.

+Nguyên lý lót dòng của hệ thống cổng:

 Ý tưởng cơ bản đằng sau hệ thống cổng được sắp xếp hợp lý là sử dụng sứccăng bề mặt và ma sát lớp biên của kim loại nóng chảy để giữ cho mặt trướccủa kim loại nóng chảy chảy kết dính trong quá trình đổ đầy khuôn Điềunày được thực hiện chủ yếu bằng cách giữ cho chiều rộng của đường dẫncàng nhỏ càng tốt và cũng tránh được tất cả các khúc cua 90° và thay vào đó

sử dụng các đường cong mềm hơn, điều này cho thấy rằng có thể giữ cho hệthống đường dẫn luôn được lấp đầy

 Trong hệ thống cổng được sắp xếp hợp lý, nhiễu loạn đã được giảm bằngcách đổ trực tiếp vào bộ lọc Để giữ cho thanh dẫn hướng xuống luôn đượclấp đầy trong quá trình rót, cần phải đảm bảo mặt cắt ngang ở trên cùngđược lấp đầy

+ Ưu điểm của việc hợp lý hóa hệ thống cổng là:

 Sự nhiễu loạn kim loại giảm

 Tránh rỗ khí

 Xói mòn khuôn và cặn bã được giảm thiểu

 Thu được vật đúc sạch sẽ

15 | 3 2

III Quá trình rót

Sau khi nung kim loại đến nhiệt độ nóng chảy, rót kim loại vào khuôn dưới tác dụngcủa trọng lực Để quá trình rót thành công, kim loại phải điền đầy tất cả vị trítrước khi đông đặc lại

c Cốc rót có máng lọc

d Cốc rót có màng ngắn

đ Cốc rót có nút đậy

3.1.2 Ống rót:

 Dùng để dẩn kim loại từ phễu đến rãnh lọc xỉ

 Ảnh hưởng đến tốc độ chảy của kim loại lỏng vào khuôn đúc

 Áp lực của kim loại lên thành khuôn đúc phụ thuộc vào chiều cao ống rót

Hình 7a: để làm khuôn đảm dòng kim loại chảy đều vào rãnh lọc xỉ

Hình 7b: nếu ống rót quá cao phải làm ống rót nhiều bậc.

Hình 8b: Rãnh lọc xỉ có màng lọc hoặc màng ngăn

Hình 8c: Rãnh lọc xỉ gấp khúc hoặc nhiều bậc.3.1.5 Rãnh dẫn

 Dùng để dẩn kim loại lỏng rừ rãnh lọc xỉ vào long khuôn

 Khống chế tốc độ và hướng kim loại chảy vào khuôn

 Bố trí rãnh dẩn có ảnh hưởng đến chất lượng vật đúc

+Phân loại rãnh dẫn:

Hình 10: Quy trình rót kim loại lỏng

+ Sau khi nung kim loại đến nhiệt độ nóng chảy, rót kim loại vào khuôn thông quaống rót Để quá trình rót thành công, kim loại phải điền tất cả vị trí trước khi đôngđặc lại tromg buồng ép

Hình 11: Quy trình 1

+Piston ép đẩy kim loại điền đầy hóc khuôn

IV Những đặc điểm của việc điền đầy hốc khuôn.

4.1 Quá trình điền đầy khuôn

 Với áp lực ép từ vài trăm đến vài ngàn kG/cm2 (đúc áp lực cao)

 Xảy ra trong vòng vài phần mười đến vài phần trăm giây

 Với vận tốc nạp (vận tốc kim loại lỏng đi qua rãnh dẫn) rất cao: 20 -120 m/s

 đúc được những vật đúc rất mỏng

4.2 Chuyển động của kim loại lỏng trong hốc khuôn

Tính chất chuyển động của kim loại lỏng trong hốc khuôn phụ thuộc:

 Vận tốc nạp (Vnạp): Vận tốc nạp ảnh hưởng đến cách mà kim loại lỏngđược đổ vào hốc khuôn Vận tốc nạp cao có thể tạo ra áp lực cao, giúp kim

23 | 3 2

loại lỏng chuyển động nhanh và điều chỉnh một cách hiệu quả vào mọi góccủa khuôn.

 Độ nhớt & sức căng bề mặt của kim loại lỏng: Độ nhớt của kim loại lỏngảnh hưởng đến khả năng di chuyển của nó trong khuôn Sức căng bề mặtcũng quan trọng trong việc xác định cách mà kim loại lỏng phản ứng với bềmặt của khuôn và khả năng lan truyền trong các góc cạnh và rãnh dẫn

 Tương quan giữa chiều dày thành rãnh dẫn & chiều dày vật đúc: Chiều dàycủa rãnh dẫn ảnh hưởng đến áp lực và lưu lượng của kim loại lỏng khi đivào hốc khuôn Chiều dày của vật đúc ảnh hưởng đến việc làm nguội vàđông đặc của kim loại lỏng sau khi nạp vào khuôn

 Các điều kiện nhiệt: Nhiệt độ của kim loại lỏng cũng quan trọng trong quátrình đúc, vì nó ảnh hưởng đến độ nhớt và sự căng bề mặt của nó Nhiệt độcủa khuôn cũng ảnh hưởng đến quá trình làm nguội và đông đặc của kimloại lỏng sau khi đổ vào khuôn

4.3 Vận tốc dòng chảy kim loại

Thời gian lấp đầy tối ưu được xác định sao cho các kênh cổng có thể được thiết

kế để tránh nhiễu loạn bề mặt và giảm thiểu nhiễu loạn khối trong các kênhcổng cũng như khoang khuôn Điều này chủ yếu phụ thuộc vào vận tốc của kimloại nóng chảy, vận tốc này thay đổi rất nhiều trong các kênh dẫn cũng như bêntrong khoang khuôn Đối với một vị trí nhất định trong quá trình đúc, vận tốccũng thay đổi theo thời gian, từ khi bắt đầu cho đến khi kết thúc quá trình đổđầy Thời điểm quan trọng nhất là kim loại nóng chảy nổi lên từ cổng vào, ngaysau khi lấp đầy các kênh dẫn và trước khi đổ đầy khoang khuôn Kim loại vừanóng vừa nhanh tại vị trí này và tức thời, có thể dẫn đến hư hỏng đáng kể nếukhông được kiểm soát đúng cách Vận tốc của kim loại nóng chảy ở cổng vàophụ thuộc chủ yếu vào hai thông số: đầu tĩnh kim và tỷ lệ mặt cắt ngang củađường dẫn ra