Báo cáo khoa học Nghiên cứu công nghệ đúc chính xác không gây ô nhiễm môi trường bằng phương pháp màng mỏng chân không trong khuôn cát không dùng chất dính kế

UỶ BAN NHÂN DÂN TP HỒ CHÍ MINH SỞ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU CÔNG NGHỆ ĐÚC CHÍNH XÁC KHÔNG GÂY Ô NHIỄM MÔI TRƯỜNG BẰNG PHƯƠNG PHÁP MÀNG MỎNG CHÂN KHÔNG TRONG KHUÔN CÁT KHÔNG DÙNG CHẤT DÍNH KẾT TP HỒ CHÍ MINH 09/2007 NHĨM THỰC HIỆN ĐỀ TÀI Thứ Họ tên Nguyễn Ngọc Hà Đặng Vũ Ngoạn chuyên môn GVC-TS PGS-TS Đơn vị công tác Nhiệm vụ Đúc-luyện Khoa CNVL- ĐHBK Chủ nhiệm kim Ngành danh KH tự Học vị/chức TP.HCM Vật liệu học Khoa CNVL- ĐHBK Thành viên TP.HCM Lê Quốc Phong Thạc sĩ CN vật liệu Khoa CNVL- ĐHBK Thành viên TP.HCM Đàm Văn Hoàng Kỹ sư Đúc Khoa CNVL- ĐHBK Thành viên TP.HCM Trương Quốc Thạc sĩ CN vật liệu XNLH Z751 Thành viên Thạc sĩ CN vật liệu Trung tâm TC-ĐL Thành viên Thắng Nguyễn Anh Long KV La Mỹ Nhi Kỹ sư Kỹ sư CN vật liệu CN vật liệu CN vật liệu Cộng tác viên Khoa CNVL- ĐHBK Cộng tác TP.HCM Lê Phương Thu Thạc sĩ Trường THCN Lương thực thực phẩm Trịnh Tiến Thọ viên Công ty TNHH Bách Cộng tác khoa công nghệ viên MỤC LỤC Phần 1: Mở đầu 1.1 Tổng quan tình hình nghiên cứu thuộc lĩnh vực đề tài 1.1.1 Một số so sánh phương pháp đúc 1.1.2 Tình hình nghiên cứu 1.2 Các bước công nghệ đúc khuôn màng mỏng chân không 1.3 Ưu nhược điểm cơng nghệ đúc khn màng mỏng chân không 12 1.3.1 Ưu điểm 12 1.3.2 Nhược 12 1.4 Các yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng khuôn màng mỏng chân không 13 1.5 Mục tiêu đề tài 14 Phần 2: Nội dung nghiên cứu 2.1 Cát làm khn 16 2.1.1 Thành phần khống hàm lượng sét cát 16 2.1.2 Thành phần độ hạt 17 2.1.3 Hình dạng hạt cát 18 2.1.4 Nhận xét 20 2.2 Nghiên cứu chế độ rung lèn chặt 21 2.2.1 Nội dung nghiên cứu 21 2.2.2 Thiết bị thí nghiệm 21 2.2.3 Khảo sát mật độ cát chế độ rung lèn chặt khác 22 2.2.4 Khảo sát phân bố lại độ hạt theo chiều cao hòm khuôn sau rung 24 2.3 Nghiên cứu ảnh hưởng độ chân không đến độ bền khuôn màng mỏng chân không 30 2.3.1 Liên kết khuôn màng mỏng chân không 30 2.3.2 Ảnh hưởng độ chân không đến độ bền khuôn 30 2.3.3 Sự phân bố chân không khuôn màng mỏng chân không 31 2.3.4 Các nhân tố ảnh hưởng đến việc phân bố chân không khuôn 33 2.3.5 Phương pháp nghiên cứu thiết bị nghiên cứu 35 2.3.6 Thực nghiệm 40 2.3.7 Xử lý kết thực nghiệm 45 2.3.8 Bàn luận kết 48 2.4 Nghiên cứu chất sơn màng cho khuôn màng mỏng chân không 50 2.4.1 Mở đầu 50 2.4.2 Nội dung phương pháp nghiên cứu 55 2.4.3 Thực nghiệm 64 2.4.4 Xử lý kết thực nghiệm 68 2.4.5 Bàn luận kết 69 2.4.6 Đúc thử hợp kim nhôm 70 2.5 Nghiên cứu khả biến dạng màng 71 2.5.1 Mở đầu 71 2.5.2 Phương pháp nghiên cứu 73 2.5.3 Kết thực nghiệm 77 2.5.4 Xử lý kết thực nghiệm 78 2.5.5 Đánh giá kết thực nghiệm 81 2.5.6 Thử nghiệm làm khn 82 2.6 Nghiên cứu tốc độ rót khn 86 2.6.1 Mở đầu 86 2.6.2 Thực nghiệm 86 2.6.3 Bàn luận kết thực nghiệm 87 2.7 Thiết kế, chế tạo lắp đặt trang thiết bị 89 2.7.1 Mở đầu 89 2.7.2 Hệ thống cấp chân không 89 2.7.3 Hịm khn 91 2.7.4 Tấm mẫu 93 2.7.5 Thiết bị rung 97 2.7.6 Thiết bị nung màng 98 2.7.7 Chế tạo khuôn đúc vật đúc 99 2.8 Đánh giá chất lượng vật đúc 101 Phần 3: Kết luận 105 Tài liệu tham khảo 109 Phụ lục 111 Phụ lục Phụ lục PHẦN MỞ ĐẦU Trang 1.1 TỔNG QUAN TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU THUỘC LĨNH VỰC CỦA ĐỀ TÀI 1.1.1 Một số so sánh phương pháp đúc Đúc trình rót kim loại lỏng vào khuôn tạo hình trước để tạo sản phẩm đúc Cho đến nay, đúc phương pháp tạo phôi quan trọng Căn vào vật liệu làm khuôn đúc ta có phương pháp đúc khuôn cát phương pháp đúc khuôn kim loại Do đặc điểm riêng có mình, đúc khuôn cát giữ vai trò quan trọng sản xuất đúc Căn vào phương pháp tạo mối liên kết hạt cát khuôn, chia khuôn cát sản xuất đúc ba hệ khuôn: -Thế hệ khuôn thứ nhất: Dùng lực học dầm chặt hỗn hợp dẻo dính để tạo nên khuôn, khuôn đạt độ bền không cao (khuôn cát – sét) Thế hệ khuôn thứ tồn từ hàng ngàn năm sử dụng nhờ số ưu điểm -Thế hệ khuôn thứ hai: Dùng phản ứng hóa học tạo lực liên kết hạt cát chất dính, khuôn đạt độ bền cao (khuôn cát – nhựa, khuôn cát – dầu …) Thế hệ khuôn thứ hai bắt đầu xuất từ thập niên 40 cực thịnh thập niên 60, 70, 80 kỷ 20ø số công nghệ thuộc hệ khuôn dần sử dụng đặc điểm tiêu cực môi trường chúng -Thế hệ khuôn thứ ba: Hỗn hợp làm khuôn có cát, không dùng chất dính dùng phương pháp vật lý (từ, chân không …) để giữ hạt cát khô nằm cố định khuôn rót; đúc xong phá dỡ khuôn dễ dàng, cát sử dụng lại hoàn toàn Thế hệ khuôn thứ ba bắt đầu nghiên cứu từ thập niên 70 kỷ 20 dự báo dần thay hai hệ khuôn Tiêu biểu cho hệ khuôn khuôn từ khuôn màng mỏng – chân không Trang Bảng 1.1 : So sánh số đặc điểm hệ khuôn cát [14]: Thế hệ khuôn -Chất dính -Phương pháp tạo liên kết -Khả tạo hình -Tính chịu co bóp -Trang thiết bị -Diện tích sản xuất -Phá dỡ khuôn -Vốn đầu tư -Giá thành -Tiếng ồn -Bụi -Khí độc -Rung -Ô nhiễm nước -Chất thải rắn sét xấu xấu phức tạp lớn khó lớn cao nhiều nhiều trung bình mạnh trung bình nhiều hóa chất hóa trung bình→tốt xấu→trung bình phức tạp trung bình khó→dễ trung bình→ lớn cao trung bình→ trung bình→ nhiều trung bình→ nhiều nặng nhiều lý tốt tốt đơn giản nhỏ dễ nhỏ thấp trung bình→ rất không Dưới số so sánh số tiêu phương pháp đúc [10]: ♦Tuổi thọ trang bị mẫu – hòm khuôn : Mẫu hóa khí CÔNG NGHỆ Màng mỏng - chân không Khuôn cát - sét Đúc áp lực Khuôn kim loại Tuổi thọ ngắn Tuổi thọ dài Trang ♦Chi phí cho thiết bị : CHI PHÍ ( USD) 140000 120000 100000 80000 60000 40000 20000 Khuôn cát sét Màng mỏng Chân không Khuôn kim loại Mẫu hoá khí Đúc áp lực CÔNG NGHỆ ♦Độ phức tạp thiết kế mẫu , hòm khuôn , công nghệ đúc : Mẫu hóa khí CÔNG NGHỆ Đúc áp lực Khuôn cát - sét Khuôn kim loại Màng mỏng chân không Đơn giản Phức tạp Trang ♦Độ bóng bề mặt : Đúc áp lực Mẫu hóa khí Màng mỏng - Chân không Khuôn kim lọai Khuôn cát sét 50 100 150 200 250 300 350 Nhẵn 400 450 500 550 600 Nhấp nhô ♦Dung sai kích thước : ±.002n/1n CÔNG NGHỆ Đúc áp lực Mẫu hóa khí ±.007n/1n Màng mỏng chân không ±.010n/1n ±.015n/1n Khuôn kim loại Khuôn cát sét ±.030n/1n Độ xác thấp Độ xác cao Trang100 - Đặt màng lên bề mặt hòm khuôn; hút chân không hòm khuôn với pCK= 40 cmHg - Thải chân không khỏi mẫu - Rút hòm khuôn lên - Chế tạo hòm khuôn theo cách tương tự - Sơn bề mặt lòng khuôn lớp pistolet; thổi không khí vào bề mặt sơn phút - Ráp khuôn; rót khuôn - Chờ cho vật đúc đông đặc nguội đến mức cần thiết; thải chân không khỏi hòm khuôn; dỡ khuôn 101 2.8 Đánh giá chất lượng vật đúc Chúng đúc thử nghiệm 30 chi tiết hợp kim silumin tinh theo thông số công nghệ nhận từ trình nghiên cứu Chúng tiến hành đánh giá tiêu sau chất lượng vật đúc: - Lõm co rỗ xốp nút nhiệt - Rỗ khí vật đúc - Độ bóng bề mặt Việc đánh giá thực Phòng thí nghiệm đo lường (Khoa khí, Trường ĐHBK TP.HCM), Phòng thí nghiệm trung tâm (Khoa công nghệ vật liệu, Trường ĐHBK TP.HCM), Phòng thí nghiệm Bộ môn sở (Khoa công nghệ vật liệu, Trường ĐHBK TP.HCM) 2.8.1 Lõm co rỗ xốp nút nhiệt: Chi tiết đúc có nút nhiệt (hình 2.49) Trong thiết kế đúc không thực biện pháp vô hiệu hóa nút nhiệt (đặt vật làm nguội, đặt đậu ngót) phương pháp đúc thông thường Trong trường hợp này, phương pháp đúc thông thường, vật đúc không tránh khỏi lõm co rỗ xốp nút nhiệt Hình 2.49: Các nút nhiệt vật đúc 102 Những chi tiết đúc thử nghiệm rót khoảng nhiệt độ rộng: 6600C, 6800C, 7000C, 7200C, 7500C Điều vô thú vật đúc thử nghiệm không quan sát thấy lõm co rỗ co nút nhiệt (hình 2.50, 2.51) a b Hình 2.50: vật đúc rót 7500C (a) 7000C (b) Hình 2.51: Không quan sát thấy rỗ co nút nhiệt 103 Có thể giải thích điều sau: trình đông đặc, tác dụng lực hút chân không, kim loại lỏng phễu rót cốc rót “hút vào” để bù ngót cho nút nhiệt (do phễu rót ống rót bị lõm co mạnh, hình 2.52) Cũng nhờ việc dịch chuyển dòng kim loại lỏng, khung xương tinh thể rắn kết tinh bị phá vỡ, làm biến xốp co vật đúc Hình 2.52: Xốp co phễu rót ống rót 2.8.2 Rỗ khí vật đúc: Ở tất vật đúc thử nghiệm không quan sát thấy rỗ khí bề mặt bên vật đúc Điều giải thích sau: - Khuôn màng mỏng - chân không chế tạo từ cát khô, cát khuôn không chứa nhân tố tạo khí vật đúc - Nếu kim loại lỏng chứa khí, nhờ tác động lực hút chân không, khí hút 2.8.3 Độ bóng bề mặt vật đúc Việc đo độ bóng bề mặt chi tiết thực đầu dò Các chi tiết đo làm sơ bề mặt cần đo cách lau nhẹ vải Kết đo trình bày bảng 2.28 104 Bảng 2.28: Kết đo độ bóng bề mặt Chi tiết Mặt RZ , μm Mặt Tương RZ , μm đương cấp Ghi Tương đương cấp 132 ∇2 77 ∇3 98 ∇2 64 ∇3 86 ∇2 67 ∇3 127 ∇2 96 ∇2 115 ∇2 78 ∇3 Nhận xét: - Các chi tiết đúc khuôn màng mỏng – chân độ bóng bề mặt cao hẳn so với đúc khuôn cát - sét, khuôn cát – nước thủy tinh tương đương với vật đúc khuôn cát – nhựa - Độ bóng chi tiết đúc khuôn màng mỏng – chân không nâng cao sử dụng cát làm khuôn có độ hạt mịn PHẦN KẾT LUẬN Trang105 PHẦN III : KẾT LUẬN Đây đề tài nghiên cứu Việt Nam, gặp không khó khăn trình thực hiện: tài liệu hầu hết dạng giới thiệu, tổng quan; tham khảo mô hình, đề tài tương tự … Tuy nhiên đạt mục tiêu nội dung đăng ký thực với kết khả quan Các nội dung thực đề tài: ♦ Đã tiến hành nghiên cứu để đánh giá số tiêu lựa chọn loại cát làm khuôn ♦ Nghiên cứu xác định chế độ rung lèn chặt (biên độ rung, tần số rung, thời gian rung) tối ưu cho loại cát trên, đồng thời xác định khả phân lớp độ hạt rung lèn chặt ♦ Nghiên cứu ảnh hưởng độ chân không đến độ bền không gian cỡ khuôn có kích thước 600 x 400 x 150 mm 400 x 300 x150 mm Đã xác định độ chân không hợp lý để khuôn đạt độ bền cần thiết ♦ Nghiên cứu chất sơn khuôn chế độ sơn để đúc hợp kim nhôm khuôn chân không Thành phần chất sơn khuôn lựa chọn bao gồm: bột thạch anh (chất độn chịu nhiệt), cồn (dung môi – môi trường phân tán), nhựa thông (chất dính), sét bentonit (chất chống sa lắng), axit boric (phụ gia) ♦ Nghiên cứu ảnh hưởng độ chân không chế độ nung màng (nhiệt độ thời gian nung) đến độ bền khả biến dạng màng PE daøy 0,181 mm vaø maøng PEVA daøy 0,149 mm Trang106 ♦ Nghiên cứu ảnh hưởng tốc độ rót khuôn đến khả trào (do màng bị phân huỷ chuyển thành hơi), sụp khuôn (do chân không), chất lượng vật đúc ♦ Nghiên cứu, tính toán, thiết kế, chế tạo trang thiết bị, dụng cụ phục vụ cho việc nghiên cứu công nghệ khuôn màng mỏng – chân không, bao gồm: - Hệ thống cấp chân không: bơm chân không P=5 HP, bình tích V=1.200 dm3, đo khống chế tự động độ chân không - Thiết bị rung theo phương đứng: sàn rung có kích thước 900 x 600 mm, môtơ rung P= HP, điều chỉnh vô cấp biên độ rung (A = 0÷10 mm) tần số rung (f= 0÷50 Hz) - Thiết bị nung màng điện trở có tổng công suất nung P= KW - Bộ hòm khuôn mẫu có kích thước 400 x 300 x 150 mm - Bộ hòm khuôn mẫu có kích thước 600 x 400 x 150 mm - Hệ thống lọc cát - Hệ thống đường ống van cấp, xả chân không - Các trang bị, dụng cụ thí nghiệm để đánh giá thông số công nghệ: ống mô để đánh giá phân bố lại độ hạt cát sau rung lèn chặt, ống mô để đánh giá mức độ biến dạng màng chế độ nung độ chân không khác nhau, trang bị để đánh giá độ bền khuôn Qua trang thiết bị, dụng cụ nêu thông số công nghệ nhận qua trình thí nghiệm, chế tạo khuôn màng mỏng – chân kích thước 600 x 400 x 150 mm vaø 400 x 300 x 150 mm đạt tiêu độ bền khuôn, độ xác độ bóng bề mặt lòng khuôn Chúng chế tạo thử chi tiết đúc hợp kim nhôm Trang107 Đã xây dựng thí nghiệm, thực hành liên quan đến công nghệ đúc từ năm 2006, đưa hệ thống thiết bị vào phục vụ đào tạo cho sinh viên khoa Công nghệ vật liệu, chuyên ngành công nghệ vật liệu kim loại (môn Thí nghiệm công nghệ đúc thực tập kỹ thuật) Qua trình thực đề tài, Chúng hướng dẫn bốn luận văn tốt nghiệp đại học ba Luận văn Thạc só: 1) Nghiên cứu cát làm khuôn chế độ rung lèn chặt cho công nghệ đúc khuôn màng mỏng chân không, Trương Quốc Thắng, LV thạc só, Người hướng dẫn: TS Nguyễn Ngọc Hà, bảo vệ: 09/2004 2) Đánh giá mức độ tạo hình khuôn màng mỏng chân không, Nguyễn Anh Long, LV thạc só, Người hướng dẫn: TS Nguyễn Ngọc Hà, bảo vệ: 09/2005 3) Nghiên cứu ảnh hưởng độ chân không đến độ bền khuôn màng mỏng chân không, Trần Xuân Tường, LV thạc só, Người hướng dẫn: TS Nguyễn Ngọc Hà, bảo vệ: 09/2005 Với kết đạt trình nghiên cứu công nghệ đúc khuôn chân không, công bố báo: 1) Nguyễn Ngọc Hà, Trương Quốc Thắng, Nghiên cứu chế độ rung lèn chặt theo phương pháp màng mỏng chân không, Tạp chí khoa học công nghệ, Số 54, 2005 2) Nguyễn Ngọc Hà, Trần Xuân Tường, Nghiên cứu ảnh hưởng độ chân không đến độ bền khuôn màng mỏng chân không, Tạp chí khoa học công nghệ, Số 56, 2006 3) Nguyễn Ngọc Hà, Xác định thành phần chất sơn khuôn hợp lý cho khuôn chân không, Tạp chí Phát triển khoa học công nghệ, 2007 Trang108 Với mức độ hoàn chỉnh thông số công nghệ, hoàn toàn có đủ khả để chuyển giao công nghệ chế tạo thiết bị đúc khuôn chân không Chúng chân thành cảm ơn Sở Khoa học & công nghệ TP.HCM, Quý thầy cô Khoa công nghệ vật liệu Khoa khí Trường D9HBK TP.HCM nhiệt tình giúp đỡ thực đề tài Tp.HCM , ngày tháng năm Tp.HCM , ngày Cơ quan chủ trì tháng Chủ nhiệm đề tài Tp.HCM , ngày tháng Cơ quan chủ quản năm năm Trang109 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Trung tâm kỹ thuật chất dẻo TP HCM, Tính chất vật liệu nhựa ứng dụng, 2002 [2] Vũ Bá Minh, Hoàng Minh Nam, Cơ học vật liệu rời, NXB Khoa học Kỹ thuật, 1998 [3] Nguyễn Cảnh, Qui Hoạch Thực Nghiệm, Trường Đại Học Bách Khoa Tp Hồ Chí Minh, 2001 [4] LU A XTÊPANÔV – V I XÊMÊNOV (dịch giả Nguyễn Thủ), Những vật liệu làm khuôn, NXB Khoa học kỹ thuật, năm 1975 [5] Đinh Quảng Năng, Vật liệu làm khuôn cát, NXB Khoa học kỹ thuật, Hà Nội, 2003 [6] Trương Quốc Thắng, Nguyễn Ngọc Hà (hướng dẫn), Nghiên cứu cát làm khuôn chế độ rung lèn chặt cho công nghệ đúc màng mỏng chân không, Luận văn Thạc só, 09/2004 [7] Nguyễn Anh Long, Nguyễn Ngọc Hà (hướng dẫn), Đánh giá mức độ tạo hình khuôn màng mỏng chân không, Luận văn Thạc só, 09/2005 [8] Trần Xuân Tường, Nguyễn Ngọc Hà (hướng dẫn), Nghiên cứu ảnh hưởng độ chân không đến độ bền khuôn màng mỏng chân không, Luận văn Thạc só, 09/2005 [9] Thomas S Piwonka, Specialized Sand Casting, WTEC Hyper-Librarian, 1997 [10] V-Process Castings, Harmony Castings, LLC, 2001 [11] ИНж А.Л.БЛИЗНюк–квИТко,ΗекоТорЫе особеННости ГермеТизаЦии Периметра вакуумно – ПлеНоуной формЫ,лИТЕЙНОЕ ПΡоизводсТво No 2, 1987 Trang110 [12] ИНженерЫ B T Барский, ю Л Комаьский; канб Техн Наук B A AНДеРСон; цнж A E сокоЛов, ТематиУескаЯ Подбора По вакуумНо – ПЛеНочНОЙ фоРмовке, лИТЕЙНОЕ ПΡоизводсТво No 7, 1988 [13] http://www.acept.la.asu.edu [14] http://www.harmonycastings.com/ v-proccess adventages [15] http://www.eng.uab.edu [16] http://www.lostfoam.com/process/pdf/ironcasting.pdf [17] www.ctu.edu.vn/coursewares/khoahoc/conhietdc/ [18] http://Harmony.com/History/V-processAdventages, 2004 [19] http://Bermag_Corp.com/V-process-explanation_and_Benefit , 2004 Trang111 PHUÏ LUÏC ĐỀ CƯƠNG CHI TIẾT ĐỀ TÀI Trang112 PHỤ LỤC HP ĐỒNG NGHIÊN CỨU KHOA HỌC VÀ TRIỂN KHAI CÔNG NGHEÄ Trang113 PHỤ LỤC BẢN VẼ (xem đĩa CD) ... CỦA ĐỀ TÀI Nghiên cứu công nghệ đúc xác không gây ô nhiễm môi trường phương pháp màng mỏng- chân không khuôn cát không dùng chất dính kết Đây công nghệ đúc mới, dự báo công nghệ đúc có triển vọng... ĐỘ CHÂN KHÔNG ĐẾN ĐỘ BỀN CỦA KHUÔN MÀNG MỎNG – CHÂN KHÔNG 2.3.1 Liên kết khuôn màng mỏng – chân không Liên kết khuôn màng mỏng – chân không lực kết dính chất dính khuôn cát thông thường Các chất. .. Độ chân không công suất cấp chân không Đối với khuôn màng mỏng – chân không, áp lực chân không lực để liên kết hạt cát, tạo cho khuôn có độ bền định Nếu độ chân không không đủ lớn, khuôn không