Luận văn thạc sĩ Kỹ thuật cơ khí: Mô hình mô phỏng khuyết tật trong đúc áp lực cao

8 Thành khuôn Vùng lỏng Vùng đặc Hướng đông đặcHướng truyền nhiệt Vùng lỏngThành khuôn Hình 2.6: Quá trình đông đặc 2.2 Khuyết tật trong đúc áp lực cao 2.2.1 Phân loại khuyết tật Đúc

Giới thiệu

1.1 Đúc áp lực cao Đúc áp lực cao là ngành công nghiệp sản xuất chi tiết cơ khí với chất lượng vượt trội cho năng suất rất cao, có khả năng tạo hình các chi tiết có hình dạng phức tạp mà các phương pháp khác không thực hiện được hoặc tồn tại nhiều hạn chế Với đặc điểm như trên mà sản phẩm của phương pháp đúc áp lực thường được sử dụng trong các ngày có yêu cầu kỹ thuật cao (với cơ tính cao nhất, khối lượng nhẹ nhất) như: ô tô, quốc phòng, điện tử hay hàng không

Hình 1.1: Sản phẩm đúc áp lực cao

Tuy nhiên phương pháp này tồn tại những hạn chế là chi tiết tạo thành rất dễ hình thành khuyết tật do việc thiết lập các thông số công nghệ chưa phù hợp, điều này xuất phát từ tính phức tạp trong quy trình công nghệ Phương pháp sản xuất hiện nay thường được sử dụng là thử sai, tức là chi tiết được đúc thử và kiểm tra chất lượng Việc điều chỉnh thông số công nghệ hoàn toàn phụ thuộc vào người vận hành Với phương pháp sản xuất như vậy sẽ tốn khá nhiều thời gian và chi phí để có thể tạo ra sản phẩm mới, điều này lại không phù hợp với xu hướng sản xuất hiện đại

Yêu cầu đặt ra là giảm thời gian và chi phí cho giai đoạn phát triển sản phầm mà vẫn đạt được chất lượng mong muốn Do đó, việc áp dụng các tiến bộ kỹ thuật, các mô hình lý thuyết vào thực tế sản xuất có ý nghĩa rất lớn trong bối cảnh biến động của quá trình sản xuất hiện nay Quy trình sản xuất mới được đưa ra là xây dựng lại quá trình hình thành vật đúc thực tế với sự trợ giúp của máy tính Từ kết quả của quá trình sản xuất ảo này có thể kiểm tra được chất lượng chi tiết từ đó đánh giá được tính phù hợp của quy trình công nghệ đối với chi tiết sản xuất

Thông số quy trình công nghệ sẽ được thay đổi cho đến khi đạt được kết quả tốt nhất đáp ứng yêu cầu kỹ thuật đã đề ra Để có thể xây dựng quá trình đúc ảo đúng với thực tế cần phải có các mô hình toán diễn tả đầy đủ các quá trình trong sản xuất Thực tế đã cho thấy sự phát triển mạnh mẽ của lĩnh vực này trong nghiên cứu và đã khẳng định được tính hiệu quả trong sản xuất Mặc dù vậy lĩnh vực mô phỏng vẫn chưa đáp ứng hết nhu cầu sản xuất hiện tại, cần phải được bổ xung để phủ rộng khắp các hình thái sản xuất trong thực tế Do đó bước đầu tiên để có thể xây dựng mô hình mô phỏng là hiểu các mô hình hiện tại hoạt động như thế nào, khả năng và những giới hạn của các mô hình đó ra sao

Trong luận văn này sẽ tìm hiểu khuyết tật trong đúc áp lực cao bao gồm những loại nào, cách phân loại khuyết tật ra sao Sự hình thành và phát triển khuyết tật trong quá trình hình thành vật đúc, mức độ ảnh hưởng của các thông số quá trình lên sự hình thành khuyết tật và sự tác động đến chất lượng vật đúc

Các mô hình dự báo, diễn tả sự hình thành khuyết tật của một số loại khuyết tật thường gặp sẽ được khảo sát và đánh giá thông qua mô phỏng và thực nghiệm

Từ đó rút ra đươc vai trò của các mô hình dự báo trong sản xuất

Quá trình thực nghiệm được thực hiện tại cơ sở đúc áp lực cao Hữu Thọ, ấp 17, xã Tân Quí Tây, quận Bình Chánh, thành phố Hồ Chí Minh

Chương 1: Giới thiệu Chương 2: Tổng quan Chương 3: Giới thiệu phần mềm mô phỏng Chương 4: Dự báo khuyết tật, thực nghiệm và đánh giá kết quả Chương 5: Kết luận

Tổng quan

Tổng quan đúc áp lực cao

2.1.1 Đặc điểm quá trình điền đầy khuôn

Trong đúc áp lực cao kim loại lỏng được đưa vào lòng khuôn thông qua ống phun và hệ thống kênh dẫn Với các phương pháp đúc khác thì dòng kim loại điền đầy khuôn phải đảm bảo sự ổn định tránh hiện tượng dòng chảy rối dẫn đến hiện tượng hòa tan không khí Trong khi đó quá trình điền đầy lòng khuôn trong phương pháp đúc áp lực cao trải qua ba giai đoạn với đặc điểm hoàn toàn khác nhau hinh 3

Hình 2.1: Trạng thái pittông trong quá trình điền đầy khuôn

Giai đoạn 1 : Pittông di chuyển với vận tốc chậm với nguyên tắc bảo toàn hình dạng dòng chảy cho đến khi kim loại lỏng điền đầy cửa vào Di chuyển với tốc độ chậm sẽ không làm cho dòng chảy bị xáo động, ngăn chặn được hiện tượng xâm thực của không khí và tạp chất vào trong kim loại lỏng gây ra khuyết tật Từ đây mô hình mô tả dòng chảy trong xilanh đã được xây dựng nhằm tìm ra vận tốc tối ưu cho từng trường hợp cụ thể Trong đó có mô hình của Garber xây dựng trên nền tảng phương trình Bernoulli

Hình 2.2: Mô hình dòng chảy trong pittông

Như trong hình 2.2 dòng chảy trong xilanh sẽ taọ sóng tại vị trí pittông, sóng này có xu hướng di chuyển nhanh hơn pittông và khi gặp thành cửa vào khuôn sẽ tạo thành sóng ngược Tùy vào độ lớn của sóng này mà không khí, tạp chất bề mặt sẽ lẫn vào kim loại lỏng

Mặt khác dựa vào thực nghiệm mà ta có công thức vận tốc sóng tới hạn (vận tốc sóng lớn nhất không làm lẫn không khí, tạp chất)

𝑓 𝑓𝑖𝑙𝑙 : lượng kim loại lỏng 𝐷 𝑝𝑙 : đường kính xilanh

Dựa vào công thức trên có thể xác định được vận tốc tối đa cho pittông trong giai đoạn đầu Tuy nhiên, hiện nay ta có thể quan sát được dòng chảy trong xilanh thông qua các phần mềm mô phỏng để có thể đánh giá được chế độ dòng chảy

Hình 2.3: Dòng chảy mô phỏng trong xilanh

Giai đoạn 2 : giai đoạn tăng tốc để đẩy kim loại lỏng vào lòng khuôn, thời điểm này được xác định khi kim loại lỏng điển đầy của vào (hình ()) Lúc này, có hai hình thức để kim loại lỏng đi vào khuôn: duới dạng chùm tia kim loại lỏng ( dòng kim loại lỏng được phun vào lòng khuôn tạo thành các hạt mịn) thường xảy ra đối với lòng khuôn dạng hình hộp Ưu điểm của điền việc điền đâỳ khuôn với chế độ này là có thể nâng cao chất lượng bề mặt, tuy nhiên việc này cũng là nguyên nhân đẩy nhanh quá trình xâm thực khuôn Chế độ khác là điền đầy khuôn với dòng chảy rối, do chi tiết đúc thường các bộ phận như gân tăng cứng, góc lượn Ở chế độ này sẽ giảm được một phần xâm thực khuôn Khi dòng kim loại đi đến gần cuối khuôn thì vận tốc pittông giảm, do lực cảng tăng và áp suất tăng lên

Hình 2.4: Vị trí tăng tốc

Giai đoạn 3 : giai đoạn tăng áp, sau khi lòng khuôn đã được điền đầy hoàn toàn, thì áp suất pittông cũng sẽ tăng cho đến khi quá trình đông đặc hoàn toàn kết thúc Tăng áp suất trong quá trình đông đặc sẽ làm tăng khả năng bù kim loại lỏng cho cho những vùng đông đặc sau cùng, giảm thiểu lõm co xuất hiện

2.1.2 Đặc điểm quá trình đông đặc

Bản chất của quá trình đông đặc là quá trình giải phóng năng lượng từ vật đúc ra môi trường bên ngoài (khuôn) Năng lượng giải phóng dưới dạng nhiệt năng

(đó là quá trình thay đổi ethanpy của phân tử cấu thành vật đúc) bằng cả ba hình thức (dẫn nhiệt, đối lưu, bức xạ), trong đó quá trình dẫn nhiệt chiếm vai trò quan trọng nhất

Phương trình cân bằng nhiệt :

𝜌 : khối lượng riêng V : thể tích

T : nhiệt độ K : hệ số dẫn nhiệt 𝑄̇ : độ hình thành nhiệt ẩn C : nhiệt dung riêng

L : tổng nhiệt ẩn 𝑓 𝑠 : tỉ lệ đông đặc t : thời gian

Quá trình giảm ethanpy trong kim loại lỏng sẽ dẫn đến quá trình hình thành mầm đông đặc (mầm đồng nhất), quá trình đông đặc sẽ phát triển từ các mầm đồng nhất (hoặc mầm dị thể) theo phương truyền nhiệt

Mầm đồng nhất : trong quá trình di chuyển của các nhóm nguyên tử trong dung dịch kim loại lỏng sẽ tồn tại các nhóm nguyên tử có khối lượng riêng lớn hơn khối lượng riêng trung bình Từ các nhóm nguyên tử này sẽ phát triển tinh thể hoàn chỉnh

Sự hình thành hạt mới đi kèm với sự hình thành bề mặt mới, điều này cần một năng lượng nhất định để hình thành thành bề mặt

∆𝐺 : năng lượng tự do khối

∆𝐺 𝑣 : năng lượng tự do khối đơn vị 𝜇 : năng lượng tự do bề mặt

Tổng năng lượng tự do khối và năng lượng tự do bề mặt là năng lượng tự do để hình thành hạt mầm mới :

Hình 2.5: Sự thay đổi năng lượng tự do [9]

Trong biểu đồ trên ta thấy ∆𝐺 đạt cực đại tại 𝑟 𝑐 , tại những vùng này thì sẽ phát triển thanh hạt lớn hơn tạo nên vật đúc Việc tăng kích thước hạt sẽ đi kèm với hiện tượng giảm nhiệt độ và làm tăng khả năng sinh mầm Để có thể đạt được tổ chức hạt mịn thì cần phải làm tăng số lượng mầm càng nhiều càng tốt

Quá trình phát triển mầm: mầm sinh ra đầu tiên thường ở vùng tiếp xúc với thành khuôn, từ mầm này sẽ lớn lên hình thành tinh thể cấu thành vật đúc Hướng phát triển sẽ trùng với hướng của gradient nhiệt (chiều đi từ vùng nhiệt độ thấp đến vùng nhiệt độ cao) (hình 2.6) Kích thước mầm sẽ phụ thuộc vào thời gian đông đặc của vật đúc Thời gian đông đặc càng lâu tức là tốc độ nguội thấp sẽ cho kích thước hạt lớn và ngược lại Bên cạnh đó, độ đồng đều trong quá trình giải nhiệt sẽ ảnh hưởng đến độ đồng đều trong cấu trúc vật đúc, tránh được các hiện tượng biến dạng, hay nứt gãy do tồn tại ứng suất khi quá trình đông đặc không đều gây ra

Hướng đông đặc Hướng truyền nhiệt

Hình 2.6: Quá trình đông đặc

Khuyết tật trong đúc áp lực cao

2.2.1 Phân loại khuyết tật Đúc áp lực cao là phương pháp đúc có khả năng đáp ứng được các yêu cầu kỹ thuật ở mức cao như: yêu cầu về độ chính xác thông số hình học, yêu cầu về cơ tính và chất lượng bề mặt khá cao Tuy nhiên với những ưu điểm trên thì vẫn tồn tại các dạng khuyết tật khác nhau làm ảnh hưởng đến chất lượng vật đúc cũng như làm tăng tỉ lệ phế phẩm Có nhiều dạng khuyết tật khác nhau như: rỗ khí, rỗ co, nứt gãy bên trong hoặc bên ngoài vật đúc, bong tróc, phồng… Tùy vào mục đích xác định khuyết tật mà ta có cách phân loại khuyết tật khác nhau:

- Phân loại theo Cock : khuyết tật được phân loại dựa trên đặc điểm hình học và vị trí xuất hiện

- Phân loại theo Campell : dựa trên nguồn góc hình thành khuyết tật - Phân loại theo NDACA (North American Die Casting Association) : phân loại theo hình thái khuyết tật

2.2.2 Quá trình hình thành và các yếu tố ảnh hưởng

2.2.2.1 Quá trình hình thành - Rỗ khí

Khí tồn tại trong kim loại lỏng dưới dạng nguyên tử hoặc phân tử kết tủa tạo thành bọt khí trong quá trình đông đặc Tùy thuộc vào cách thức hình thành, loại khí chứa bên trong sẽ tạo nên bọt khí với những đặc điểm về hình dáng, kích thước và một số đặc điểm đi kèm khác nhau Đối với rỗ khí hình thành từ việc trộn lẫn không khí trong quá trình rót, điền đầy và kẹt lại trong lòng khuôn tạo nên khuyết tật khi quá trình đông đặc hoàn thành Có nhiều nguyên nhân dẫn đến dạng khuyết tật này, về cơ bản có hai nguyên nhân chính : Quá trình điền đầy khuôn với dòng chảy rối tạo điều kiện cho không khí lẫn vào dung dịch kim loại lỏng hoặc khuôn thiết kế chưa tốt tạo nên sự xáo động dòng chảy hoặc chưa thoát khí tốt

Hình 2.7: Khí lẫn trong quá trình điền đầy

Trong hình ta thấy dòng chảy rối là nguyên nhân trộn lẫn không khí vào lòng dụng dịch lỏng tạo thành các túi khí, bề mặt các túi khí thường được bao bởi lớp màng oxit tương đối bền vững gây cản trở quá trình thoát khí ra khỏi dung dịch

Khi quá trình đông đặc xảy ra thì tại các túi khí sẽ hình thành khuyết tật dạng rỗ khí Dạng rỗ khí này có thể được nhận biết thông qua lớp màng oxit ở bề mặt bên trong

10 Đối với rỗ khí được tạo thành từ khí hydro hòa tan vào kim loại lỏng dưới dạng nguyên tử trong quá trình nấu chảy hợp kim đúc (hợp kim nhôm) hoặc quá trình phản ứng với tạp chất trong lòng khuôn tạo hidro nguyên tử Khả năng hòa tan hidro trong hợp kim nhôm lỏng là rất khác nhau phụ thuộc vào nhiệt độ và căn bậc hai của áp suất

Hình 2.8: Độ hòa tan hydro vào nhôm theo nhiệt độ tại 1 at [8]

Như hình 2.8 trên ta thấy độ hòa tan sẽ tăng dần theo nhiệt độ và khi tăng nhiệt độ lên trên đường lỏng thì độ hoà tan hydro tăng rất nhanh Do đó kiểm soát quá trình nấu chảy sẽ hạn chế được mức độ hòa tan hidro vào trong hợp kim lỏng, điều này đồng nghĩa với làm giảm tỉ lệ hình thành rỗ khí do sự ngưng tụ hydro trrong quá trình đông đặc

Trong quá trình làm nguội và đông đặc những nguyên tử khí hidro hòa tan trong điều kiện quá bão hòa sẽ được ngưng tụ lại tạo thành phân tử hidro, từ những phân tử hydro này sẽ hình thành mầm rỗ khí

Bán kính mầm rỗ khí bất kỳ:

∆𝑃 (2.1) Với: r: bán kính lỗ trống bất kỳ được tạo thành 𝛾: năng lượng đơn vị bề mặt

∆𝑃: độ chênh áp giữa chất lỏng và bên trong lỗ trống

∆𝑃 = 𝑃 𝑒𝑥𝑡 − 𝑃 𝑖𝑛𝑡 Một số mầm đạt được kích thước lớn cần thiết sẽ phát triển về kích thước và hình thành rỗ khí dao động từ 0.05 ÷ 0.5 mm

Từ công thức trên ta thấy quá trình hình thành và phát triển rỗ khí bị chi phối trực tiếp bởi áp suất tại nơi đang xét, cụ thể là chịu ảnh hưởng bởi sức căng tại bề mặt phân giới lỏng khí

Tương tự như quá trình sinh mầm và phát triển mầm trong quá trình đông đặc thì quá trình hình thành khuyết tật từ khí hòa tan cũng bao gồm các giai đoạn sau:

Hình 2.9: Quá trình hình thành rỗ khí do hydro +Giai đoạn 1: quá trình khuếch tán hydro nguyên tử vào kim loại lỏng + Giai đoạn 2: quá trình hình thành mầm khuyết tật chịu sự ảnh hưởng của yếu tố thời gian và qúa trình làm nguội

+ Giai đoạn 3: một số mầm ổn định sẽ phát triển để đạt được kích thước tới hạn

+ Giai đoạn 4: từ những mầm đạt kích thước tới hạn sẽ tiếp tục phát triển về kích thước và hình thành khuyết tật

Với dạng khuyết tật này thì kích thước dao động từ 0.05÷0.5 mm và có thể được phát hiện bằng cách chụp siêu âm

Hầu hết quá trình chuyển trạng thái từ thể lỏng sang thể rắn đều xảy ra hiện tượng giãn nở thể tích, tuy nhiên trường hợp hợp giảm thể tích chiếm hầu hết đối với các chất Riêng đối với hợp kim nhôm thì tỉ lệ giảm thể tích dao động từ 3,5 ÷ 8,5% Do quá trình đông đặc xảy ra hiện tượng giảm thể tích do đó cần phải bù kim loại lỏng liên tục để tránh hiện tượng thiếu hụt dẫn đến sự xuất hiện lỗ trống trong nền vật đúc Lõm co được chia ra làm hai loại: lõm co thô đại ( macroporosity) và lõm co tế vi ( microporosity)

Xảy ra đối với các loại hợp kim có khoảng đông đặc nhỏ “ short solidification range” Quá trình hình thành lõm co diễn ra như sau:

Hình 2.10: Quá trình hình thành lõm co lớn Quá trình đông đặc diễn ra đầu tiên tại thành khuôn nơi mà có độ quá nguội lớn nhất và truyền dần đến vị trí có độ quá nguội thấp hơn Tại vị trí có độ quá nguội thấp nhất là nơi đông đặc cuối cùng, tại vị trí này tỉ lệ lõm co xuất hiện nhiều nhất khi các đường dẫn kim loại lỏng đã đông đặc và không thể bù đắp kim loại trong quá trình co ngót vật liệu Từ đó hình thành các lỗ trống với hình dạng bất kỳ

Hình 2.11: Lõm co lớn Kích thước của dạng khuyết tật này có thể lên đến vài mm ( > 0.5 mm)

Lõm co tế vi: Đối với loại khuyết tật này thường xảy ra với các hợp kim nhôm có khoảng đông đặc lớn ( long solidification range) hoặc đối chế độ làm nguội có gradient nhiệt thấp ( hợp kim có độ dẫn nhiệt lớn, nhiệt độ khuôn cao, khuôn có độ dẫn nhiệt thấp)

Hình 2.12 : Dòng kim loại lỏng trong quá đông đặc Tại những vùng tập trung nhiệt, kim loại chuyển dần sang trạng thái bán lỏng thì vẫn tồn tại các dòng kim loại lỏng di chuyển từ vùng lỏng đến vùng đông đặc do sự chênh áp giữa vùng đông đặc và cùng lỏng Dòng chảy này di chuyển giữa các vùng đã đông đặc ( giữa cấu trúc nhánh cây) Khi quá trình đông đặc là hoàn tất thì tại các dòng chảy này sẽ xuất hiện các lõm co với kích thước từ 10÷150 𝜇𝑚

Hình 2.13: Dòng chảy giữa các nhánh cây

Dạng khuyết tật này thường không đi kèm với lõm co lớn và cũng không đặc biệt nghiêm trọng Tuy nhiên với chi tiết dùng ở áp suất lớn có thể dẫn đến hiện tượng rò rĩ khí hoặc chất lỏng, bên cạnh đó nó còn là nguyên nhân kéo dài các nứt gãy

Mô hình dự báo rỗ xốp

- Áp suất Áp suất là thông số quan trong trong quá trình đúc áp lực Áp suất tham gia vào các mô hình hình thành khuyết tật như rỗ khí, lõm co hay ảnh hưởng đến kích thước hạt tạo thành Nghiên cứu của Matthew S.Dargusch và đồng nghiệp đã tiến hành khảo sát tác động của áp suất lên quá trình đông đặc trong đúc áp lực cao chi tiết hợp kim nhôm với kết quả cho thấy rằng khi tăng áp suất trong giai đoạn cuối của quá trình điền đầy thì lượng rỗ sẽ giảm

2.3 Các mô hình dự báo rỗ xốp

Khuyết tật được hình thành trong vật đúc với nhiều nguyên nhân khác nhau với các cơ chế hình thành khác nhau cho từng loại khuyết tật Tuy nhiên về cơ bản nguyên nhân hình thành rỗ xốp bao gồm hai nhóm nguyên nhân chính là: nhóm nguyên nhân có liên quan đến quá trình đông đặc và nhóm nguyên nhân có liên quan đến quá trình điền đày lòng khuôn Việc mô hình hóa khuyết tật đã được thực hiện dựa trên các phương pháp tiếp cận khác nhau và có thể được phân làm hai loại:

- Dựa vào các tiêu chuẩn chức năng: phương pháp này dựa trên khảo sát sự ảnh hưởng của các thông số trong quá trình đông đặc lên quá trình hình thành khuyết tật

- Tính toán trực tiếp: mô phỏng trực tiếp quá trình hình thành khuyết tật, quá trình đông đặc hình thành vật đúc

2.3.1 Mô hình tiêu chuẩn chức năng

Các mô hình tiêu chuẩn chức năng dự báo khuyết tật hầu hết xuất phát từ việc khảo sát thực tế hoặc phương trình lý thuyết dựa trên các thông số của quá trình đông đặc như: gradient nhiệt, thời gian đông đặc, vận tốc đông đặc Dựa trên các tiêu chuẩn này có xác định được khả năng xảy ra khuyết tật (tỉ lệ phần trăm) cũng như xu hướng hình thành khuyết tật tại với các điều kiện cho trước Để có thể xác định được vị trí và vùng có khả năng hình thành khuyết tật cần phải kết hợp giữa các điều kiện vật lý với các yếu tố thời gian và không gian Các thông số quá trình đúc được sử dụng trong các tiêu chuẩn bao gồm:

- Thông số dòng chảy: vận tốc, áp suất

- Thông số nhiệt: nhiệt độ, gradient nhiệt hay các quá trình truyền nhiệt ( dẫn nhiệt, bức xạ nhiệt và đối lưu)

- Quá trình đông đặc: sự thay đổi tính chất vật lý trong suốt quá trình đông đặc (khối lượng riêng, độ nhớt động học, hệ số truyền nhiệt)

Năm 1982, Niyama và đồng nghiệp lần đầu tiên phát triển mô hình để đánh giá những vùng có khả năng xảy ra khuyết tật cao nhất tại những vùng điểm cuối của một hướng đông đặc có gradient nhiệt thấp dựa trên cơ sở mô hình cho dòng lưu chất dư chảy qua mạng lưới tinh thể đã đông đặc của Darcy Khuyết tật xảy ra khi giá trị 𝑁 𝑦 tại một vùng xác định trên vật đúc lớn hơn giá trị tham tham chiếu

𝑁 𝑦 : tiêu chuẩn Niyama 𝐺: gradient nhiệt

𝑇̇: tốc độ làm nguội Tuy nhiên tiêu chuẩn này tồn tại một số hạn chế:

- Giá trị tham chiếu thường không được xác định cho những loại vật liệu khác thép

- Khá nhạy cảm cho các loại vật liệu khác nhau và với các điều kiện đúc khác nhau

- Không xác định được tỉ lệ khuyết tật được hình thành ( chỉ dự báo khả năng hình thành)

2.3.1.2 Tiêu chuẩn Niyama không thứ nguyên Tiêu chuẩn Niyama là tiêu chuẩn khá đơn giản nhưng hiệu quả trong việc dự báo chính xác khả năng xuất hiện khuyết tật trong vật đúc bằng thép Nhiều nhà nghiên cứu đã tiếp tục phát triển mô hình này để có thể sử dụng được cho các loại vật liệu khác thép và có thể dự báo được tỉ lệ khuyết tật được hình thành Trong đó có mô hình của Carlson và đồng nghiệp(2008) Với ý tưởng sử dụng tiêu chuẩn Niyama cho các vật liệu khác và khắc phục hạn chế từ việc phải xác định giá trị tham chiếu cho từng loại vật liệu, Carlson và đồng nghiệp đã xây dựng cách tiếp cận khác cho tiêu chuẩn này xuất phát từ việc viết lại phương trình Darcy theo chất lỏng trong vùng xốp

𝑔 𝑙 : tỉ lệ thể tích phần lỏng 𝑢 𝑙 : vận tốc chất lỏng trong vùng xốp P: áp suất chất lỏng x: vị trí trên hệ trục 1-D

𝑢 𝑙 : độ nhớt động học của kim loại lỏng K: hằng số Kozeny-Carman

𝐾 0 = 𝜆 2 2 𝜆 2 : khoảng cách nhánh cây thứ 2 180 Gọi 𝛽 là lượng co ngót cực đại và được tính theo phương trình sau:

𝛽 = (𝜌 𝑠 − 𝜌 𝑙 )𝜌 𝑙 𝜌 𝑠 , 𝜌 𝑙 : tương ứng là khối lượng riêng pha rắn và pha lỏng Từ đây có thể tính được 𝑢 𝑙 = −𝛽𝑅 với R là hằng số vận tốc đẳng nhiệt (hình 2.23)

Trong đó: 𝐺𝑇̇: tốc độ nguội 𝐺: gradient nhiệt

Hình 2.29: Mô hình đông đặc tại vùng xốp [10]

𝐾𝐺 (2.5) Gọi 𝑃 𝑐𝑟 là áp suất mà khuyết tật (lõm co) bắt đầu xuất hiện Δ𝑃 𝑐𝑟 = 𝑃 𝑙𝑖𝑞 − 𝑃 𝑐𝑟

Với 𝑃 𝑙𝑖𝑞 áp suất tại vùng lỏng (hình 2.23) Từ phương trình (2.5) ta có thể tính được áp suất rơi tại vùng xốp tại vị trí bắt đầu xuất hiện lõm co bằng cách lấy tích phân phương trình 2.5 trên vùng toàn bộ vùng xốp bắt đầu từ điểm mầm cho đến vùng lỏng ( từ vị trí 𝑥 𝑐𝑟 đến vị trí 0 như trong hình 2.23) trong điều kiện ổn định (tức các thông số độ nhớt, gradient nhiệt, tốc độ nguội phải ổn định trong khoảng thời gian lấy tích phân)

Từ phương trình (2.4), (2.6) ta được Δ𝑃 𝑐𝑟 = 𝜇 𝑙 𝛽Δ𝑇 𝑓

Với 𝑁 𝑦 ∗ tiêu chuẩn Niyama không thứ nguyên Trong tiêu chuẩn này không những chứa các điều kiện nhiệt độ cục bộ mà còn chứa các thông số đặc trưng cho quá trình đông đặc (độ nhớt động học, lượng co ngót cực đại, khoảng nhiệt độ đông đặc, khoảng cách nhánh cây thứ hai) và áp suất rơi trong vùng xốp

Trong đó khoảng cách nhánh cây thứ hai được tính theo công thức:

𝜆 2 = 𝐶 𝜆 𝑇̇ − 1 3 (2.10) Với 𝐶 𝜆 : là hằng số vật liệu

Từ phương trình (2.8) có thể thấy rằng tỉ lệ phần lỏng tới hạn đã được xác định, do đó có thể dựa vào phương trình liên tục để tìm tỉ lệ lỗ trống được hình thành (𝑔 𝑝 )

𝜌 𝑠 So với tiêu chuẩn Niyama thì tiêu chuẩn Niyama không thứ nguyên có thể xác định được tỉ lệ hình thành lõm co dựa trên đặc điểm quá trình đông đặc của từng loại vật liệu Tức là tiêu chuẩn mới có thể sử dụng cho các loại vật liệu khác nhau và cho các chi tiết có hình dạng khác nhau

2.3.1.3 Một số tiêu chuẩn khác

STT Tên Tác giả Vật liệu Năm

2 𝑡 𝑓 G.V.K Rao, V.Panchanathan Al-Cu-Si 1973

𝑓 (FI) G.V.K Rao, V.Panchanathan Al-Cu-Si 1973

4 𝑉 𝑠 V.L Davies Thép,gang, hợp kim Al, Mg và Cu

𝐺 0.38 /𝑉 𝑠 1.62 S.T.Kao, E.Chang Al-7Si-0.3Mg 1996

2.3.2 Mô hình tính toán trực tiếp

2.3.2.1 Mô hình rỗ co hình thành trong quá trình đông đặc tại vùng xốp Các mô hình được xây dựng dựa trên cơ chế hình thành và các yếu tố ảnh hưởng đến sự hình thành khuyết tật, và các ảnh hưởng tương hỗ giữa các dạng khuyết tật trong quá trình hình thành làm tăng tính phức tạp trong quá trình mô hình hóa Riêng với khuyết tật thường gặp là rỗ xốp cũng chỉ được xây dựng với các mô hình đơn giản trong không gian một chiều, hai chiều và rất ít các mô hình xây dựng trong không gian ba chiều

Trong đó nghiên cứu của Pequet, Gremaud và Rappaz (2006) dựa trên kết quả từ phương trình Darcy kết hợp với các cơ chế hình thành khuyết tật khác đã phát triển mô hình có thể sử dụng được cho hình dạng chi tiết bất kỳ để dự báo sự xuất hiện của các dạng khuyết tật ( rỗ khí và lõm co) Khuyết tật chỉ xuất hiện tại các vùng vật liệu xốp (mushy zone) khi áp xuất tại những điểm này giảm dưới giá trị tới hạn nào đó Vùng xốp được chia làm ba loại như hình 2.30 dựa vào khả năng bù kim loại lỏng thiếu hụt do hiện tượng co ngót trong quá trình đông đặc gây ra:

Hình 2.30: Phân vùng khuyết tật [5]

- Vùng 1: được gọi là vùng mở, vùng này nối liền với bề mặt tự do, tiếp xúc với nguồn áp điền đầy hoặc nối với nguồn kim loại lỏng để bù cho quá trình đông đặc ( overflows, riser)

- Vùng 2: Vùng chuyển tiếp, vùng này được bao quanh bởi vùng vật liệu xốp, kim loại lỏng bù cho vùng này phaỉ chảy qua vùng xốp này do đó khả năng bù ngót thấp

- Vùng 3: vùng được bao quanh bởi kim loại đã đông đặc, do đó hoàn toàn không được bù ngót Đối với từng loại vùng vật liệu thì sẽ hình thành các loaị khuyết tật khác nhau, do đó mô hình áp dụng và điều kiện biên sẽ khác nhau cho từng loại Tuy nhiên, điều kiện cân bằng thể tích Kỹ thuật được được tác giả sử dụng là chi nhỏ vùng xốp mạng lưới phần tử thể tích (finite volume) chồng lên các phần tử hữu hạn

Một số nghiên cứu trong đúc áp lực cao

Tác giả Năm Tên báo Tóm tắt

Paul Cleary 1998 Effect of Heat Transfer and Solidification on High Pressure Die Casting

Khảo sát sự tác động, của quá trình truyền nhiệt ( dẫn nhiệt, bức xạ nhiệt và nhiệt ẩn) từ vật đúc ra môi trường bên ngoài đến quá trình đông đặc Bên cạnh đó, dòng chảy trong lòng khuôn, điều kiện biên nhiệt cũng ảnh hưởng trực tiếp đến quá trình hình thành vật đúc

2006 The influence of pressure during dolidification of high pressure die cast aluminium telecommunications components

Thông số quá trình ảnh hưởng trực tiếp đến chất lượng vật đúc Trong bài này tác giả khảo sát sự ảnh hưởng của việc tăng áp tại thời điểm đông đặc, vận tốc điền đầy lên chất lượng vật đúc Chất lượng được khảo sát thông qua việc so sánh lượng khuyết tật (rỗ) xảy ra trong từng trường hợp Kết

36 luận đưa ra là : khi tăng áp suất và vận tốc thì lượng rỗ xốp giảm

L.X Kong 2007 Integrated optimization system for high pressure die casting process

Mục tiêu trong bài báo này là nâng cao hiệu quả của quá trình giải nhiệt tránh hiện tượng tạo vùng tập trung nhiệt trên khuôn Phương pháp được đưa ra là sử dụng ảnh hồng ngoại để tìm nơi tập trung nhiệt từ đó có cơ sở cho việc tính toán thiết kế lại hệ thống giải nhiệt

2007 Melt flow velocity in high pressure die casting: its effect on microtrucsture and mechanical properties in an Al-Si alloy

Bằng cách phân tích độ bền kéo của ba mẫu đúc áp lực cao hợp kim nhôm CA313 (tương đương mác A380) dưới ba chế độ vận tốc khác nhau đã đi đến kết luận rằng: khi tăng vận tốc điền đầy khuôn sẽ cho vật đúc có cấu trúc hạt mịn hơn và có ít rỗ xốp hơn Điều này tương ứng với việc chi tiết có cơ tính tốt hơn

Pore Volume Fraction Using Dimensionless Niyama Criterion

Tiêu chuẩn Niyama được sử dụng để dự báo lượng lõm co được hình thành trong quá trình đông đặc Chi tiết mẫu được sử dụng để kiểm chứng tính đúng của mô hình thông qua việc so sánh kết quả mô phỏng và thực tế

2010 Simulation of mold filling and prediction of gas entrapment on practical high pressure die castings

Phương pháp DFDM được xây dựng để diễn tả lại bề mặt và vị trí của bề mặt chất lỏng trong quá trình lưu chất Từ đó xây dựng nên các mô hình đặc trưng để quan sát quá trình truyền khối, động lượng hay quá trình truyền nhiệt Với nền tản này thì các phương pháp theo dõi dòng khí lẫn trong quá trình đúc áp lực cao cũng được xây dựng nhằm dự báo sự hình

37 thành khuyết tật trong vật đúc

Mô hình được kiểm nghiệm thông qua việc so sánh với mẫu thực tế

Lejla Lavtar 2011 Simulations of the shrinkage porosity of Al- Si-Cu Automotive Components

Trong bài bào này tác giả trình bày lại quá trình sử dụng phần mềm mô phỏng Procast để mô phỏng quá trình lưu chất tại piston đồng thời sử dụng các chức năng dự báo rỗ co trong đúc áp lực cao chi tiết hợp kim nhôm silic đồng Kết quả của quá trình mô phỏng sẽ đươc so sánh với chi tiết thực tế

Jindong Zhu 2007 Three dimentional computer simulation of mold filling of casting by direct finite difference method

Trong phần này tác giả trình bày giải thuật mô phỏng dòng chảy trong quá trình điền đầy khuôn trong đúc áp lực cao dựa trên phương pháp sai phân hữu hạn trực tiếp

P.Homayonifar 2008 Numerical modeling of splashing and air entrapment in high pressure die casting

Mô hình tính toán rỗ khí được xây dựng dựa trên sự tập trung khí trong quá trình điền đầy khuôn trong đúc áp lực cao kết hợp với giải thuật VOF-Lagrange

Giới thiệu phần mềm mô phỏng

Thông số kết quả

3.3.1 Thông số kết quả sử dụng trong đề tài

Tốc độ nguội (cooling rate): Tốc độ nguội của chi tiết sẽ được tính toán cho từng vùng cụ thể thông qua giải phương trình truyền nhiệt theo Với kết quả này ta có thể áp dụng vào tiêu chuẩn Niyama không thứ nguyên để xác định khả năng hình thành khuyết tật hoặc kiểm tra mức độ đồng đều trong quá trình làm nguội chi tiết

Hình 3.3: Tốc độ nguội trong khuôn kim

Vận tốc dòng chảy trong khuôn (velocity): Trong đúc áp lực cao, tốc độ điền đầy ảnh hưởng rất lớn đến chất lượng chi tiết đúc như: chất lượng bề mặt, khả năng điền đầy, khả năng trộn lẫn không khí

Hình 3.4: Vận tốc dòng chảy trong khuôn

Thông số khuyết tật (shrinkage porosity): trong phần mềm Procast, “shrinkage porosity” là thông số khuyết tật chiệu ảnh hưởng bởi hai yếu tố là: co ngót do vật liệu và kết tủa khí hòa tan trong quá trình đông đặc Kết quả cho biết được vị trí và kích thước khuyết tật xuất hiện

Hình 3.5: Khuyết tật trong vật đúc

Tỉ lệ hòa tan khí (gas entrapment): khí lẫn trong quá trình điền đầy là hiện tượng thường xảy ra các quá trình đúc do chế độ dòng chảy không tốt hoặc bố trí của vào, của thoát hơi không hợp lý Với kết quả này sẽ cho phép theo dõi quá trình lẫn khí vào trong dung dịch kim loại lỏng, điểm tập trung khí lẫn, từ đó xây dựng các giải pháp hạn chế

Hình 3.6: Khí lẫn trong quá trình điền đầy

3.3.2 Một số kết quả khác

Thời gian đông đặc (solidification time): thời gian đông biết được thời gian đông đặc tiết kiệm được thời gian mở khuôn Điều này có ý nghĩa rất lớn trong việc giảm chi phí trong sản xất tự động loạt lớn

Hình 3.7: Thời gian đông đặc Tỉ lệ đông đặc (fraction solid): Trong quá trình rót và điền đầy, nhiệt độ hợp kim lỏng sẽ giảm, quá trình đông đặc sẽ hình thành khi nhiệt độ hạ xuống tới nhiệt độ đông đặc Quá trình đông đặc sớm sẽ gây cản trở dòng kim loại, gây ra khuyết tật Với kết quả này sẽ phát hiện được các vùng đông đặc sớm, từ đó đưa ra được các giải pháp cải thiện

Hình 3.8: Tỉ lệ đông đặc

Nhiệt độ (temperature): nhiệt độ của hợp kim lỏng sẽ được theo dõi từ lúc rót vào pittong cho tới lúc đông đặc hoàn toàn Sự khác biệt về sự phân bố nhiệt độ cũng như các điểm tập trung nhiệt hoặc các điểm có nhiệt độ xuống thấp sẽ là những vùng dễ sinh khuyết tật

Hình 3.9: Nhiệt độ trên chi tiết đúc

Dự báo khuyết tật, thực nghiệm và đánh giá kết quả

Thông số thực nghiệm

Chi tiết được chọn để làm thực nghiệm là chi tiết nằm trong cụm tay vịn trên xe buýt Bao gồm tay vịn và giá đỡ, tay vịn xoay quanh một trục của giá đỡ và những chi tiết để giữ vị trí của tay vịn Ta sẽ chọn chi tiết giá đỡ để thực hiện khảo sát

Khối lượng: 1.1 Kg (tổng khối lượng chi tiết và rãnh dẫn) Kích thước tổng thể:

Hình 4.1: Kích thước tổng thể Vật liệu được sử dụng là hợp kim nhôm ADC12 Bảng 4.1: Thành phần hóa học ADC12

Tên Si Fe Ni Mn Cu Zn Sn Mg Al

Bảng 4.2: Thành phần hóa học làm khuôn (SKD61)

Tên C Si Mn Cr Mo V P S Fe

Tỉ lệ(%) 0.385 1 0.375 5.65 1.25 0.975 0.03 0.02 Còn lại Bảng 4.3: Thông số quá trình đúc

Tên Đơn vị Độ lớn

Chu kỳ sản phẩm giây 260

Thời điểm pittông đi chậm giây 68

Thời điểm pittông đi nhanh giây 69

Thời điểm mở khuôn giây 78

Thời điểm lấy chi tiết giây 90

Thời điểm tưới dung dịch bôi trơn giây 110

Thời điểm kết thúc tưới dung dịch bôi trơn giây 120

Thời điểm đóng khuôn giây 140 Áp suất cực đại bar 120

Tất cả các thông số của quá trình sản xuất sẽ được đưa vào mô hình mô phỏng để đảm bảo tính tương đồng giữa kết quả thực nghiệm và kết quả mô phỏng Riêng đối với hệ số truyền nhiệt sẽ lấy tương đương theo giá trị cài đặt cho từng vật liệu

Mẫu được chọn ngẫu nhiên trong quá trình sản xuất, khi mà quá trình sản xuất đã đi vào ổn định không còn xảy ra lỗi mà mắt thường nhìn thấy như: không điền đầy hết khuôn, các đường tiếp giáp Thông số nhiệt độ tại thời điểm đóng khuôn của chi tiết được chọn làm mẫu được ghi nhận lại theo bảng 4.3

Kết quả dự báo khí lẫn trong quá trình điền đầy

4.2.1 Mô phỏng và thực nghiệm

Trong suốt quá trình loại lỏng được điền đầy vào khuôn Chế độ dòng chảy sẽ ảnh hưởng đến khả năng hòa trộn không khí vào trong dung dịch kim loại lỏng Đối tượng quan sát bao gồm các điểm sóng trong dung dịch, thời điểm bắt đầu và kết thúc quá trình rót kim loại lỏng vào xilanh, thời điểm bắt đầu tăng vận tốc điền đầy, các hốc khuôn nơi điền đầy cuối cùng

Quá trình rót kim loại vào xilanh c a b d

Hình 4.2: Khí lẫn trong quá trình rót kim loại vào xilanh

Hình 4.2-a là thời điểm kim loại bắt đầu được rót vào xilanh Tại thời điểm kim loại lỏng tiếp xúc vào bề mặt xilanh, nếu bề mặt xilanh không tốt hoặc tốc độ rót ban đầu quá lớn đều gây ra hiện tượng sóng kéo theo không khí lẫn vào kim loại lỏng Tại hình 4.2-b, kim loại lỏng được rót vào xilanh di chuyển theo hai hướng, hướng về lòng khuôn và hướng về piston, đối với hướng dòng chảy đi về piston thì do piston ngăn lại cộng với vận tốc dòng kim loại lớn nên tạo ra sóng trên bề mặt kim loại lỏng (trong vùng khoanh tròn) do đó tạo điều kiện cho khí lẫn vào trong dung dịch kim loại lỏng (hình 4.2-c) Do trên bề mặt nhôm lỏng luôn có một lớp màng oxit nhất định nên không khí lẫn sẽ khó thoát ra khỏi dung dịch và tồn tại trong lòng dung dịch cho đến khi quá trình rót kim loại hoàn thành

Trong hình 4.2-d, trong vùng khoanh tròn là khí lẫn trong quá trình rót Khí này sẽ được đưa vào lòng khuôn Nếu vùng khí lẫn này không gặp điều kiện để thoát ra khỏi lòng dung dịch kim loại lỏng sẽ gây ra bọt khí

Do đó, vận tốc rót kim loại lỏng phải được thực hiện tăng dần lúc bắt đầu rót và giảm dần khi đến cuối giai đoạn rót Có như vậy mới không gây ra sự thay đổi đột ngột trong dòng chảy tránh được hiện tượng sóng bề mặt

Quá trình điền đầy của vào: piston sẽ di chuyển với vận tốc chậm để đảm bảo không gây ra sóng bề mặt, quá trình này sẽ kéo dài cho đến khi kim loại lỏng điền đầy cửa vào a b c d

Hình 4.3: Dòng kim loại điền đầy cửa vào

Mục đích của việc di chuyển piston với vận tốc chậm là bảo toàn hình dạng bề mặt dòng chảy, do đó khí lẫn trong quá trình rót kim loại vào xilanh sẽ được bảo toàn và đi theo dòng kim loại lỏng vào lòng khuôn Do vùng kim loại lẫn khí hoà tan có khối lượng riêng nhỏ hơn phần còn lại nên vùng này thường nằm ở bề mặt kim loại lỏng

Khi kim loại lỏng điền đầy cửa vào thì vận tốc piston tông thay đổi từ 0.3 (m/s) lên 2 (m/s) Với tốc độ này, kim loại lỏng sẽ được phun vào lòng khuôn

Hình 4.4: Quá trình điền đầy lòng khuôn

Kim loại lỏng được phun vào lòng khuôn, tùy vào kết cấu cửa vào và hình dạng chi tiết mà dòng kim loại lỏng đi vào khuôn dưới dạng hạt nhỏ li ti hay dòng chảy rối Trong trường hợp đang xét thì kim loại đi vào khuôn dưới dạng dòng chảy rối Trong trường hợp này sẽ bao gồm hai hiện tượng: khí lẫn trong kim loại trong trong các quá trình trước đó sẽ có điều kiện thoát ra khỏi mặt thoáng chất lỏng và đi ra khỏi lòng khuôn thông qua hệ thống thoát hơi, trường hợp thứ hai là không khí tồn tại trong lòng khuôn có cơ hội xâm nhập vào dòng chảy rối và hình thành khuyết tật khi qúa trình đông đặc hoàn thành

Trong hình 4.4-b, dòng chảy điền đầy khuôn tách thành hai nhánh để điền đầy hốc khuôn Trong trường hợp khuôn không bố trí đủ các rãnh thoát hơi tại các điểm điền đầy cuối cùng sẽ gây ra bọt khí trong lòng vật đúc hoặc trên bề mặt tại các vị trí này (hình 4.4-c và 4.4-b) Trong hình 4.4-c, tại điểm khoanh tròn có xuất hiện vùng chứa khí, tuy nhiên tại đây có bố trí rãnh thoát hơi nên vùng khí này sẽ theo các rãnh thoát đi ra ngoài lòng khuôn (hình 4.3-d, vùng khoanh tròn màu vàng) Trong hình 4.3-d, vùng khoanh tròn màu xanh có chứa khí lẫn với tỉ lệ theo cột bên trái Do vùng này không bố trí rãnh thoát hơi đầy đủ nên khí không thể thoát ra ngoài như hình 4.5

Hình 4.5: Khuyết tật do khí lẫn trong quá trình điền đầy

Với kết quả trong hình 4.5 cho biết được vị trí và tỉ lệ khí bị kẹt lại trong lòng khuôn Từ kết quả này ta có thể so sánh sới kết quả thực nghiệm trong hình 4.6

Hình 4.6: Kết quả chi tiết đúc thực tế

Trong hình 4.6 tại vùng ô vuông (phóng to ở góc phải bên dưới) là vùng có bề mặt không được điền đầy hết Có thể xuất phát từ các nguyên nhân sau:

- Nhiệt độ khuôn không đủ làm đông đặc kim loại trước khi điền đầy và gặp nhau tại vị trí điền đầy cuối cùng gây ra hiện tượng không điền đầy khuôn như hình 4.6 Tuy nhiên theo kết quả kiểm tra tỉ lệ đông đặc như trong hình 4.7 thì khuôn điền đầy vào thời điểm t=9.3494 s thì hiện tượng đông đặc tại điểm đang xét chưa xảy ra Do đó nguyên nhân do đông đặc sớm được loại bỏ

Hình 4.7: Tỉ lệ đông đặc khi điền đầy khuôn

- Rót không đủ lượng kim loại cũng sẽ gây ra hiện tượng không điền đầy hết lòng khuôn Tuy nhiên trong trường hợp này kim loại lỏng được định lượng trước khi rót đồng thời kết cấu khuôn cho phép luôn luôn rót dư một lượng kim loại lỏng để hạn chế khuyết tật trên xảy ra

- Không thoát khí tốt, không có hệ thống rãnh thoát khí tại các điểm hốc khuôn sẽ là nguyên nhân gây ra các khuyết tật có liên quan đến khí trên bề mặt hoặc trong lòng khuôn Với kết cấu khuôn hiện tại không có các hệ thống overflow tại điểm đông đặc cuối như trong hình 4.7 mà chỉ bố trí các rãnh thoát khí trên bề mặt phân khuôn Do đó, khuyết tật trong hình 4.6 là do khí không thoát ra khỏi lòng khuôn gây ra

So sánh kết quả dự báo khí lẫn trong quá trình điền đầy và kết quả từ qúa trình thực nghiệm cho thấy mô hình dự báo có khả năng dự báo chính xác khả năng tạo thành khuyết tật dưới sự tác động của yếu tố dòng chảy trong xilanh hay khuôn gây ra

Dự báo khuyết tật do co ngót gây ra

4.3.1 Dự báo khuyết tật do lõm co với phần mềm Procast

Phần mềm Procast hỗ trợ chức năng dự báo khuyết tật trên nền tảng nghiên cứu của Pequet và đồng nghiệp được trình bày trong phần 2.3.2.1 Trong phần này sẽ xử dụng chức năng dự báo này để phát hiện khuyết tật có thể xảy ra đối với đối tượng đang xét

Khuyết tật do co ngót

Hình 4.8: Khuyết tật do co ngót

Hình 4.8 là kết quả mô phỏng sự hình thành khuyết tật do lõm co gây ra trong đúc áp lực cao Khuyết tật hình thành tại một số vị trí trên chi tiết, tuy nhiên vị trí được đánh đấu là có kích thước đáng kể cần được xem xét

Hình 4.9: Kích thước khuyết tật

Hình 4.9 cho thấy kích thước vùng có khả năng hình thành khuyết tật là 0.4044 (cc) với tỉ lệ hình thành 13.652 (%) đẫn đến kích thước khuyết tật có thể xảy ra là 0.055 (cc)

4.3.2 Dự báo khuyết tật với tiêu chuẩn Niyama không thứ nguyên

Trong phần này tiêu chuẩn Niyama không thứ nguyên sẽ được sử dụng để tính toán mối liên hệ giữa khuyết tật do co ngót gây ra dưới sự tác động của chế độ làm nguội khác nhau Dựa vào kết quả tính trong phần này có thể chọn được chế độ làm nguội phù hợp cho vật liệu được sử dụng là hợp kim nhôm ADC12

Phần mềm Jmatpro sẽ được sử dụng để tính toán đặc tính nhiệt của hợp kim nhôm ADC12

Hình 4.10: Đường đông đặc hợp kim nhôm ADC12 Bảng 4.4: Thông số đặc tính nhiệt động

Tên Ký hiệu Độ lớn Đơn vị Độ nhớt động học(tại nhiệt độ lỏng) 𝜇 𝑙 1.75 mPa.s

Khối lượng riêng thể lỏng 𝜌 𝑙 2.57 𝑔

Khối lượng riêng thể rắn 𝜌 𝑠 2.71 𝑔

Nhiệt độ lỏng hoàn toàn 𝑇 𝑙𝑖𝑞 630 ℃

Nhiệt độ rắn hoàn toàn 𝑇 𝑠 450 ℃

Hằng số vật liệu 𝐶 𝜆 40.9 𝜇𝑚(℃/𝑠) 1/3 Áp suất rơi tới hạn ∆𝑃 𝑐𝑟 1.01 bar

Dựa vào cơ sở tính toán trong phần 2, quá trình tính toán được thực hiện theo các bước sau:𝜃(𝑔 𝑙 ) → 𝐼(𝑔 𝑙,𝑐𝑟 ) → 𝑁 𝑦 ∗ → 𝑔 𝑙,𝑐𝑟 → 𝑔 𝑝 Để có thể tính được tích phân của phương trình 2.8 cần phải xác định hàm 𝜃(𝑔 𝑙 ), như trong hình 4.10 là đồ thị của hàm 𝜃(𝑔 𝑠 ), do đó hàm 𝜃(𝑔 𝑙 ) = 1 − 𝜃(𝑔 𝑠 ) Để có được hàm 𝜃(𝑔 𝑙 ) tường minh cần phải thực hiện xấp xỉ hàm dựa trên các giá trị rời rạc theo đồ thị hình 4.10

Hàm xấp xỉ (xem phụ lục 1) Đồ thị hàm xấp xỉ θ = (T -T li q )/ T li q

Hình 4.11: Đồ thị hàm nhiệt không thứ nguyên

Từ kết quả hàm xấp xỉ 𝜃(𝑔 𝑙 ) trong phương trình 4.1 có thể tính được tích phân 𝐼(𝑔 𝑙,𝑐𝑟 ) của phương trình 2.8 theo giá trị 𝑔 𝑙,𝑐𝑟 Kết quả thu được theo đồ thị hình 4.12

Tỉ lệ pha lỏng tới hạn gl,cr

Hình 4.12: Kết quả tính tích phân 𝐼(𝑔 𝑙,𝑐𝑟 ) theo 𝑔 𝑙,𝑐𝑟

Trong hình 4.12 là kết quả tính tích phân 𝐼(𝑔 𝑙,𝑐𝑟 ) theo 𝑔 𝑙,𝑐𝑟 , từ kết quả này có thể tìm được giá trị Niyama không thứ nguyên 𝑁 𝑦 ∗ theo phương trình 2.9 Đồng thời dựa vào phương trình 2.11 để tìm tỉ lệ hình thành khuyết tật lõm co Dựa vào hai kết quả này sẽ có đồ thị biểu diễn mối quan hệ giữa giá trị Niyama không thứ nguyên và tỉ lệ hình thành khuyết tật theo đồ thị hình 4.13

Giá trị Niyama không thứ nguyên Ny*

Hình 4.13: Mối quan hệ giữa tiêu chuẩn Niyama không thứ nguyên (𝑁 𝑦 ∗ ) vào tỉ lệ hình thành khuyết tật 𝑔 𝑝

Từ mối quan hệ giữa tiêu chuẩn Niyama không thứ nguyên và tỉ lệ hình thành khuyết tật có thể khảo sát được xu hướng hình và mức độ tác động của các thông số công nghệ lên sự hình thành khuyết tật lõm co Với 𝑁 𝑦 ∗ càng lớn thì tỉ lệ hình thành khuyết tật càng giảm, bên cạnh đó theo phương trình 2.9 giá trị 𝑁 𝑦 ∗ tỉ lệ với 𝑇̇ −5/6 , nói một cách khác với độ quá ngội càng thấp thì giá trị của tiêu chuẩn Niyama không thứ nguyên càng cao dẫn đến tỉ lệ hình thành khuyết tật càng giảm Điều này được thể hiện trong đồ thị hình 4.14

Hình 4.14: Mối quan hệ giữa độ quá nguội và tỉ lệ hình thành khuyết tật

Hình 4.14 cho thấy rằng, khi tăng tốc độ nguội của chi tiết đúc sẽ làm tăng tỉ lệ hình thành khuyết tật lõm co Cụ thể theo đồ thị, với độ quá nguội 𝑇̇ = 0 ÷ 1 (℃/𝑠) thì tỉ lệ hình thành khuyết tật 𝑔 𝑝 tăng từ 0 ÷ 2 (%) và khi tăng độ quá nguội thì tỉ lệ lên 100 (℃/𝑠) thì tỉ lệ hình thành khuyết tật tương ứng khoảng 4 % Điều này có thể đuợc giải thích như sau: theo hình 2.23, khi tốc độ nguội càng lớn thì tốc độ sinh mầm càng lớn dẫn đến khả năng thấm của kim loại lỏng trong vùng xốp giảm xuống (được biểu thị qua hằng số Kozeny-Carman trong phương trình 2.4) Cũng xuất phát từ phương trình 2.9 có mối quan hệ giữa áp suất rơi và tỉ lệ hình thành khuyết tật được thể hiện trong đồ thị hình 4.15

56 Áp suất rơi tới hạn ∆Pcr (bar)

Hình 4.15: Mối quan hệ giữa tỉ lệ hình thành khuyết tật và áp suất rơi

Hình 4.15 biểu thị mối quan hệ giữa áp suất rơi tới hạn và tỉ lệ hình thành khuyết tật, khi tăng giá trị áp suất rơi tới hạn Δ𝑃 𝑐𝑟 , mà Δ𝑃 𝑐𝑟 = 𝑃 𝑙𝑖𝑞 + 𝑃 𝜎 tức là tăng giá trị áp suất kim loại lỏng sẽ làm giảm tỉ lệ hình thành khuyết tật Tương ứng trong hình 4.15 tỉ lệ hình thành khuyết tật tăng rất nhanh khi Δ𝑃 𝑐𝑟 < 1.01 bar (Δ𝑃 𝑐𝑟 = 1.01 (𝑏𝑎𝑟) 𝑙à á𝑝 𝑠𝑢ấ𝑡 𝑘ℎí 𝑞𝑢𝑦ể𝑛, 𝑔 𝑝 = 2.1 (%)) Ngược lại khi Δ𝑃 𝑐𝑟 >3 bar thì 𝑔 𝑝 giảm chậm (𝑔 𝑝 < 1.5 (%) và đạt gía trị dưới 0.1(%) khi Δ𝑃 𝑐𝑟 = 30 𝑏𝑎𝑟 với 𝑇̇ = 1 (℃/𝑠)

Với kết quả tính toán trên, có thể tính được khoảng giá trị Niyama không thứ nguyên 𝑁 𝑦 ∗ cho tiết đang xét Dựa vào kết quả mô phỏng bằng phần mềm Procast tìm được miền giá trị Niyama 𝑁 𝑦 = 0 ÷ 78.04 ( (℃.𝑠) 1/2

Bên cạnh đó kết giá trị độ quá nguội cũng thu được từ quá trình mô phỏng trên sẽ được dùng để tình miền giá trị 𝑁 𝑦 ∗ Trong hình 4.17 là miền giá trị độ quá nguội 𝑇̇ = 0 ÷ 73.28 (℃/𝑠)

Từ các giá trị trên kết hợp với phương trình 2.9 tính được giá trị 𝑁 𝑦 ∗ = 0 ÷ 44

Với giá trị này kết hợp với đồ thị hình 4.15 tính được giá tỉ lệ khuyết tật có thể hình thành đối với vật liệu ADC12 là 𝑔 𝑝 = 0.119 ÷ 7.95 (%) đối với áp suất rơi

∆𝑃 𝑐𝑟 = 1.01 (𝑏𝑎𝑟)( với trường hợp đúc không tăng áp) Riêng trong trường hợp hiện tại áp suất điền đầy khuôn tăng đến 120 bar, do đó tỉ lệ hình thành khuyết tật trong trường hợp này được thể hiện trong hình 4.18

T ỉ l ệ kh uy ết tậ t g p (% ) Độ quá nguội Ṫ (ºC/s)

Hình 4.18: Mối quan hệ giữa tỉ lệ hình hình khuyết tật và độ quá nguội ở áp suất rơi 120 (bar)

Quan sát biểu đồ hình 4.18 tỉ lệ hình thành khuyết tật lõm co lớn nhất trong trường hợp mẫu thực nghiệm hiện tại là 0.2% Như vậy trong trường hợp đúc áp lực cao hợp kim nhôm ADC12 với độ quá nguội lớn nhất 100 (℃/𝑠) thì khuyết tật dạng lõm co hình thành trong vật đúc không đáng kể (với tỉ lệ này thì kích thước khuyết tật sẽ rất nhỏ và không ảnh hưởng nhiều đến tính chất chi tiết) trong điều kiện khuôn thiết kế tốt, quá trình đông đặc xảy ra đồng đều không để xảy ra hiện tạo vùng đông đặc cuối được bao quanh bởi vùng rắn như trong hình 2.1

Dựa quy trình chọn mẫu đã được đề cập trong phần 4.2, mẫu được chọn sẽ được chụp X-ray để kiểm tra có khuyết tật tồn tại bên trong hay không, trong trường hợp khuyết tật xảy ra thì tại vị trí khuyết tật sẽ được cắt ra để kiểm tra thuộc tính của vùng khuyết tật từ đó xác định nguyên nhân hình thành khuyết tật làm cơ sở so sánh với kết quả mô phỏng

Hình 4.19: Kết quả chụp X-ray mẫu

Các biện pháp cải thiện chất lượng chi tiết

Dựa trên kết quả mô phỏng và thực nghiệm trong phần trước thì chi tiết được sản xuất còn các mặt hạn chế sau:

Bố trí rãnh thoát khí chưa tốt, gây ra hiện tượng khí đọng lại trong chi tiết thành phẩm Điều kiện làm nguội chưa phù hợp với chi tiết gây ra rỗ co trên chi tiết Các biện pháp được áp dụng:

- Bố trí thêm các rãnh thoát khí tại vị trí điền đầy cuối cùng ( theo hình 4.6) - Thay đổi chế độ giải nhiệt cho chi tiết Do điều kiện không cho phép áp dụng các biện pháp điều khiển nhiệt độ khuôn để điều khiển quá trình đông đặc theo ý muốn Tuy nhiên các biện pháp điều chỉnh nhiệt độ khuôn bằng cách thay đổi thời gian giải nhiệt và vị trí giải nhiệt sẽ được áp dụng Bên cạnh đó kết hợp với kiểm tra nhiệt độ phù hợp cho khuôn bằng phần mềm procast sẽ được sử dụng

Hình 4.22: Kết quả kiểm tra nhiệt độ ổn định của khuôn

Hình 4.22 thể hiện kết quả mô phỏng nhiệt độ khuôn thay đổi theo chu kỳ đúc, có thể thấy rằng nhiệt độ khuôn bắt đầu ổn định từ chu kỳ thứ 14, khi mà nhiệt độ khuôn khoảng 210 ℃ Dựa trên kết qủa này sẽ điều chỉnh lại thời gian giải nhiệt sao cho nhiệt độ trong khoảng 205 ÷ 215 ℃ Bên cạnh đó, tại vị trí số 2 trong hình 4.19 sẽ tăng thời gian giải nhiệt để cho nhiệt độ xuống thấp hơn 200 ℃ (nhiệt độ khuôn sẽ được kiểm tra bằng thiết bị đo nhiệt độ trước khi đóng khuôn)

Kết quả áp dụng các biện pháp cải tiến:

Hình 4.23: Kết quả chi tiết sau khi bố trí rãnh thoát khí

Theo hình 4.23, sau khi bố trí rãnh thoát khí thì khuyết tật tại vị trí này đã được loại khỏi chi tiết

Hình 4.24: Chi tiết sau khi thay đổi điều kiện đông đặc

Sau khi áp dụng các biện pháp thay đổi nhiệt độ trên các vùng của khuôn thì tình trạng khuyết tật tại vị trí hình vuông trong hình 4.24 đã giảm kích đáng kể so với trước khi áp dụng (theo hình 4.25)

Trước cải tiến Sau cải tiến

Hình 4.25: Chi tiết trước và sau cải tiến

Hình 4.25 cho thấy số lượng vị trí và kích thước của khuyết tật xảy ra trên chi tiết sau khi cải tiến đã giảm đáng kể Tuy nhiên vẫn chưa hoàn toàn triệt, nhưng xét về hướng giải quyết thì phương án điều chỉnh nhiệt độ cục bộ (thay đổi độ quá nguội) tại các vùng khuyết tật thể hiện được tính đúng trong việc xác định nguyên nhân gây ra khuyết tật

Tổng kết

Kết luận

Xuất phát từ việc tìm hiểu các khuyết tật thường xảy ra đối với chi tiết đúc áp lực cao bằng hợp kim nhôm đi đến việc phân loại khuyết tật theo đặc điểm và cơ chế hình thành làm nền tản cho việc nghiên cứu các mô hình dự báo khuyết tật hiện tại Thông qua việc khảo sát mô hình lý thuyết và thực hiện các thực nghiệm đã đi đến các kết luận sau:

Có hai nhóm khuyết tật chính liên quan đến đặc điểm hình thành chi tiết bao gồm:

+ Nhóm khuyết tật có liên quan đến chế độ điền đầy khuôn như: khí lẫn trong lòng khuôn, kim loại không điền đầy hết khuôn, nhăn bề mặt Đối với những khuyết tật này chế độ dòng chảy để điền đầy khuôn là yếu tố quyết định ảnh hưởng đến sự hình thành khuyết tật Dựa vào kết quả mô phỏng dòng chảy trong khuôn và áp dụng các nguyên tắc trong đúc áp lực cao cho từng giai đoạn để tìm điểm bất thường có khả năng gây ra khuyết tật

+ Nhóm khuyết tật có liên quan đến chế độ đông đặc như: lõm co, nứt gãy nhiệt, ứng suất dư…Mỗi loại vật liệu được sử dụng sẽ có chế độ đông đặc phù hợp mà không gây ra các hiện tượng dẫn đến khuyết tật, dựa vào đặc tính này kết hợp với đặc điểm hình dạng chi tiết sẽ tìm được chế độ làm nguội phù hợp cho từng chi tiết riêng biệt với vật liệu khác nhau

- Tương ứng với các khuyết tật riêng biệt sẽ có các mô hình dự báo khuyết tật cho từng loại khuyết tật dựa trên đặc điểm và cơ chế hình thành cho mỗi khuyết tật được xét Dựa vào kết quả tính toán kết hợp với kết quả thực nghiệm ở các phần trước cho thấy việc ứng dụng của các mô hình vào thực tế sản xuất sẽ giúp tìm ra được khuyết tật hình thành trong chi tiết từ đó tiến hành tối ưu hóa thông số công nghệ giúp giảm phế phẩm, tiết kiệm thời gian và nâng cao chất lượng chi tiết sản phẩm

Dựa vào kết quả dự báo đã áp dụng các biện pháp cải tiến nhằm ngăn chặn hoặc làm giảm sự xuất hiện của khuyết tật trên các chi tiết thành phẩm Kết quả đạt được cho thấy tính hiệu quả của các mô hình dự báo trong việc tìm ra nguyên nhân từ đó đề ra các phương án cải tiến đúng đắn

Ý nghĩa mô hình

Mỗi mô hình có chức năng khác nhau và mức độ ảnh hưởng lên từng phương pháp đúc khác nhau, do đó hiểu được ý nghĩa của từng mô hình sẽ cho phép người sử dụng mô hình hiệu quả hơn:

- Với kết quả từ mô hình dự báo khí lẫn trong quá trình điền đầy khuôn sẽ cho biết được tính phù hợp của chế độ dòng chảy đang xét, là cơ sở so sánh với các phương án thiết kế khuôn khác nhau, ngược lại cũng là cơ sở để hiệu chỉnh bản thiết kế khuôn cho phù hợp hình dạng chi tiết

- Với mô hình tiêu chuẩn Niyama không thứ nguyên sẽ cho biết được tính phù hợp của chế độ đông đặc áp dụng lên cho từng chi tiết với vật liệu khác nhau và hình dạng khác nhau Trong đúc áp lực cao, mô hình này không có ý nghĩa lớn do khuyết tật dạng lõm co sẽ rất khó hình thành trong điều kiện áp suất cao và thời gian đông đặc ngắn nếu chi tiết đảm bảo được các nguyên tắc hình dạng trong đúc áp lực cao

Tuy nhiên mô hình này sẽ giúp lựa chọn chế độ đông đặc tối ưu nhất cho từng vật liệu khác nhau

- Mô hình dự báo khuyết tật của Pequet và đồng nghiệp: mô hình này có khả năng dự báo vị trí và kích thước khuyết tật do co ngót, khí kết tủa (chủ yếu hydro hòa tan) tất cả các phương pháp đúc với các vật liệu khác nhau Việc nắm được các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình hình thành lõm co kết hợp với kết quả dự báo của mô hình sẽ cho người kỹ sư đúc các phương án loại bỏ khuyết tật ra khỏi chi tiết hạn chế sự phụ thuộc vào kinh nghiệm.