CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN về CÔNG NGHỆ đúc áp lực

Vật liệu chế tạo khuôn đúc áp lực Vật liệu của khuôn được lựa chọn từ các chức năng yêu cầu, trong trường hợp cần thiết thì sẽ phải thực hiện xử lý nhiệt và xử lý bề mặt.. Do đó thép làm

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ ĐÚC ÁP LỰC

1.1 Công nghệ đúc áp lực

1.1.1 Đặc điểm của quá trình

Đúc áp lực cao là công nghệ đúc trong đó kim loại lỏng điền đầy khuôn và đông đặc dưới tác dụng của áp lực cao do khí nén hoặc dầu ép trong xilanh ép tạo

ra Có thể hình dung quá trình công nghệ như trên (hình 1.1):

a) Giai đoạn cấp liệu; b) Giai đoạn điền đầy và ép tĩnh

c), d) Giai đoạn tháo khuôn, lấy vật đúc Khuôn đúc áp lực cao bao gồm 2 nửa khuôn, nửa khuôn động và nửa khuôn tĩnh (5) Bắt đầu chu trình đúc, hai nửa khuôn đóng lại Rót kim loại lỏng đã định lượng vào buồng ép qua lỗ rót trên xilanh ép (2) Sau khi rót, pittông (1) trong xilanh (2) đẩy kim loại lỏng điền đầy hốc khuôn Thời gian điền đầy rất nhanh chỉ khoảng phần chục giây với tốc độ hàng trăm m/s và áp suất khoảng vài trăm đến

hàng nghìn atmôtphe Áp suất được duy trì đến khi vật đúc đông đặc hoàn toàn Rút ruột khỏi vật đúc Nửa khuôn động tách khỏi nửa khuôn tĩnh Chốt đẩy (4) tống vật đúc khỏi khuôn Chu trình đúc mới lại bắt đầu

Đúc áp lực cao có thể sử dụng máy buồng ép nóng hoặc máy buồng ép nguội Lực ép tác động lên kim loại lỏng để điền đầy khuôn trong quá trình kết tinh,

do pittông ép tạo ra Lực để làm pittông chuyển động lại do một bơm thuỷ lực gây nên Tốc độ dịch chuyển của chất lỏng thuỷ lực và áp lực ép của pittông thay đổi rất khác nhau trong suốt một chu trình đúc Có thể chia 1 chu trình đúc thành 4 giai đoạn như trên (hình 1.1)

1.1.2 Các giai đoạn chính trong quá trình đúc

Giai đoạn 1: Pittông 1 đã đi qua và bịt lỗ rót Vận tốc của pittông ép và áp lực trong buồng ép còn nhỏ Vì khi đó áp lực chỉ cần đủ để thắng lực ma sát trong buồng ép và xilanh thuỷ lực

Giai đoạn 2: Kim loại lỏng đã điền đầy toàn bộ buồng ép Tốc độ của pittông tăng lên và đạt giá trị cực đại v2 Giá trị của áp suất p2 tăng một chút do phải thắng các trở lực của dòng chảy trong buồng ép

Hình 1.2 Vận tốc và áp suất buồng đúc của các giai đoạn trong quá trình đúc

Giai đoạn 3: Kim loại lỏng điền đầy hệ thống rót và hốc khuôn Do thiết diện rãnh dẫn thu hẹp lại cho nên tốc độ pittông giảm xuống thành v3 nhưng áp suất ép lại tăng lên Kết thúc giai đoạn này, pittông dừng lại nhưng do hiện tượng thuỷ kích

áp suất đạt giá trị không đổi Đây là áp suất thuỷ tĩnh cần thiết cho quá trình kết tinh

Giai đoạn 4: Giai đoạn ép thuỷ tĩnh Áp suất có thể đạt tới 50-5000 daN/cm2, tuỳ thuộc vào bản chất vật liệu đúc và yêu cầu công nghệ Khi áp lực đã đạt giá trị thuỷ tĩnh mà tại rãnh dẫn vẫn còn kim loại lỏng thì áp lực sẽ truyền vào vật đúc-kim loại kết tinh trong trạng thái áp lực cao

1.2 Khuôn đúc áp lực

1.2.1 Cấu tạo khuôn đúc áp lực

Khuôn được cấu thành từ rất nhiều linh kiện, mỗi linh kiện lại có chức năng riêng Ở đúc áp lực cao thì khuôn kim loại rất đắt tiền nên phải tính toán kỹ các chức năng để hướng tới cấu tạo không có lãng phí Ngoài ra, cần phải nỗ lực trong việc cắt giảm chi phí khuôn bằng cách thúc đẩy tiêu chuẩn hóa linh kiện cấu thành, nâng cao khả năng thay thế lẫn nhau của các linh kiện, cắt giảm số lượng linh kiện bằng cách chế tạo liền, sử dụng linh kiện tiêu chuẩn được các công ty chế tạo khuôn bán trên thị trường

Hình 1.3 Kết cấu khuôn đúc áp lực

1- Kênh dẫn; 2- Rãnh dẫn; 3- Khuôn tĩnh; 4- Ruột; 5- Tấm đẩy;

6- Khuôn động; 7,8- Tấm lắp đặt hệ thống làm mát khuôn

1.2.2 Vật liệu chế tạo khuôn đúc áp lực

Vật liệu của khuôn được lựa chọn từ các chức năng yêu cầu, trong trường hợp cần thiết thì sẽ phải thực hiện xử lý nhiệt và xử lý bề mặt Về vật liệu, xử lý nhiệt, xử lý bề mặt của các linh kiện cấu thành khuôn tiêu biểu được thể hiện trong (phụ lục 1)

Hiện nay, khuôn đúc áp lực hợp kim nhôm được sản xuất chủ yếu bằng thép SKD61 (theo tiêu chuẩn JIS G4404 (1983) Nhật Bản, có thành phần (bảng 1.1):

5000C÷6000C Do đó thép làm khuôn đúc áp lực có các yêu cầu sau:

- Tính bền nhiệt cao tức là khả năng bảo đảm bề mặt làm việc của khuôn không bị biến dạng dẻo, tính năng này có thể đánh giá qua chỉ tiêu giới hạn chảy ở nhiệt độ cao hoặc độ cứng ở nhiệt độ cao không nhỏ hơn 45÷50HRC

- Độ dai cao: Độ mỏi nhiệt của thép có quan hệ mật thiết với độ dai của nó Thông thường yêu cầu ở nhiệt độ thường độ dai của thép không nhỏ hơn 35J/cm2, ở nhiệt độ làm việc độ dai không nhỏ hơn 50J/cm2

- Độ bền mỏi nhiệt cao: Thông thường thép có tính bền nhiệt và độ dai càng cao, hệ số giãn nở nhiệt càng nhỏ thì độ bền mỏi nhiệt càng cao

- Có khả năng chống ôxy hoá và chống ăn mòn tốt: Thép làm khuôn có đặc điểm là dựa vào tác dụng hoá bền của cacbit, song để có được độ dai cao, độ bền mỏi nhiệt cao lại mong muốn hàm lượng cacbon càng thấp càng tốt Hàm lượng cacbon trong thép không thể quá cao phần lớn là 0,3÷0,5% Nếu hàm lượng cacbon thấp hơn thì tổng hàm lượng nguyên tố hợp kim cần cao hơn

Xử lý nhiệt được xử lý bằng công đoạn thể hiện trong (hình 1.4) nhưng đặc

biệt điều quan trọng là phải quản lý nhiệt độ, quản lý thời gian, quản lý môi trường Nếu điều kiện bị sai lệch thì sẽ dẫn đến bất thường trong tổ chức, bất thường về độ cứng, dẫn đến thoát cácbon của bề mặt, và trở thành nguyên nhân của tình trạng sớm bị nứt nóng làm suy giảm tuổi thọ của khuôn

Hình 1.4 Sử lý nhiệt khuôn đúc áp lực

Nhiệt độ nhôm khi đúc áp lực khoảng 6000C chà xát lên bề mặt khuôn, vì vậy khuôn cần độ cứng bề mặt cao để không bị mài mòn Đồng thời, khuôn còn chịu lực ép lớn và thay đổi nên phải có độ dai va đập và chống biến dạng tốt Không những thế, khuôn đúc áp lực cần phải bảo đảm giữ được độ cứng ở nhiệt độ làm việc trong thời gian càng dài thì tuổi thọ càng cao Hay nói một cách khác, khuôn đúc áp lực cần có tính cứng nóng cao

Các yếu tố ảnh hưởng đến tính cứng nóng của khuôn trong quá trình làm việc:

Nếu coi thành phần SKD61 đã đúng theo tiêu chuẩn JIS quy định thì yếu tố quan trọng nhất ảnh hưởng quyết định đến tính cứng nóng của khuôn là quá trình nhiệt luyện khuôn Trước hết là nhiệt độ tôi khuôn (hình 1.5)

Để đạt được độ cứng từ 48-53 HRC thép SKD61 có thể tôi ở các nhiệt độ khác nhau từ 9500C đến 11000C Tuy nhiên khi được tôi ở nhiệt độ thích hợp thì tính cứng nóng và độ bền nóng sẽ được cải thiện

Khi nung ở nhiệt độ cao, lượng nguyên tố hợp kim hòa tan vào austenit lớn Nền thép giàu nguyên tố hợp kim sẽ ổn định và giữ được độ cứng ở nhiệt độ cao hơn, thời gian dài hơn

Tôi ở nhiệt độ cao quá (trên 10800C) hạt tinh thể của thép sẽ bị thô, độ dai của thép nhỏ và do đó khuôn dễ bị nứt vỡ, tuổi thọ giảm Trái lại, nung tôi ở nhiệt

độ thấp quá (dưới 10000C) nền thép ít được hoà tan nguyên tố hợp kim sẽ kém ổn định, nhanh chóng bị phân huỷ làm giảm độ cứng của khuôn

Tiếp nhận Gia Làm sạch nhiệt Làm nguội Ram Kiểm tra

Tôi

Hình 1.5 Quy trình tôi thép SKD61 làm khuôn đúc áp lực

Kết quả nghiên cứu cho thấy nung tôi SKD61 tốt nhất ở 1020÷10700C Giới hạn dưới dùng cho khuôn lớn, thời gian giữ nhiệt khi nung tôi dài Giới hạn trên dùng cho các khuôn nhỏ, thành mỏng dưới 20 mm Môi trường làm nguội khi tôi khuôn SKD61 tốt nhất là dầu nóng Dùng quạt thổi gió lạnh để tôi cũng có thể áp dụng cho khuôn nhỏ Song đối với khuôn lớn, thổi gió lạnh không đủ để làm nguội nhanh trong lõi do đó độ cứng trong lõi thấp, chất lượng sẽ kém đi

Chế độ ram cũng ảnh hưởng tới tính cứng nóng nhưng theo chiều hướng ngược lại:

Hình 1.6 Quy trình ram thép SKD61 làm khuôn đúc áp lực

Nhiệt độ ram lớn hơn 6000C tính cứng nóng giảm mạnh do hiện tượng tiết cacbit làm nền thép nghèo nguyên tố hợp kim đi, do đó tính cứng nóng giảm

Ram ở nhiệt độ thấp (500, 5500C) độ cứng giảm chậm theo thời gian, nhưng khả năng chống mài mòn kém vì không tận dụng được độ cứng thứ hai nhờ chuyển biến austenit dư thành mactenxit khi ram

Kết quả tốt nhất là ram 2 lần ở nhiệt độ từ 570 đến 5900C

Phân tích các các kết quả trên có thể nhận thấy rằng tôi và ram thép SKD61

ở các chế độ khác nhau có thể cho cùng một giá trị độ cứng (ví dụ từ 48÷53 HRC) ở nhiệt độ thường nhưng độ cứng và độ bền ở nhiệt độ cao thay đổi theo thời gian rất khác nhau Hơn nữa nung tôi ở nhiệt độ thấp, chi phí năng lượng giảm đi, nguy cơ gây nứt khi tôi

Yêu cầu cụ thể cơ tính của khuôn đúc áp lực như sau: Lõi khuôn yêu cầu từ 48÷53 HRC Độ cứng đó đạt được nhờ quá trình nhiệt luyện Để chống mài mòn, khuôn cần thấm nitơ để có độ cứng bề mặt khoảng 62÷65 HRC Chiều dày lớp thấm tốt nhất trong khoảng từ 0,1 đến 0,2 mm Nếu chiều dày nhỏ hơn, khuôn chóng bị mòn, tuổi thọ thấp, nếu lớn quá cũng không tốt vì lớp thấm dễ bị bong tróc Trong thành phần cơ cấu, lớp thấm cần có một lượng pha nitơrit hợp kim có độ cứng cao

để tăng tính chống mài mòn Tuy nhiên, nếu lượng pha này nhiều quá, lớp thấm sẽ

bị giòn

Thấm nitơ là giai đoạn cuối cùng trong sản xuất khuôn Sau một quá trình làm việc, khuôn bị mòn đi hoặc sự đồng đều độ cứng trên bề mặt khuôn không đảm bảo làm giảm chất lượng sản phẩm Vì vậy, sau một số chu kỳ vận hành, hoặc sau một số lượng sản phẩm nhất định (tùy theo hình dáng và kích thước chi tiết để định lượng sản phẩm), khuôn được phục hồi bằng cách chỉnh hình (nếu cần) và thấm nitơ lại Tiếp theo, khuôn còn được làm việc và thấm lại cho đến khi chất lượng khuôn không đáp ứng được yêu cầu kỹ thuật nữa Một khuôn thường được thấm nitơ phục hồi nhiều lần Thực tế cho thấy, có khuôn có thể thấm lại và sử dụng được hàng chục lần, có khuôn chỉ được vài lần đã hỏng Vấn đề đặt ra là có thể thấm lại bao nhiêu lần để khuôn có thể làm việc với số chu kỳ lớn nhất và không bị sứt, vỡ, biến

dạng trong quá trình làm việc

Đặc điểm của khuôn đã qua sử dụng và thêm nitơ nhiều lần

Trong quá trình làm việc do ma sát với nhôm lỏng, bề mặt khuôn dần bị mài mòn đi Càng sâu vào phía trong càng mềm, do đó tốc độ mài mòn càng nhanh

Thấm nitơ không những tạo ra lớp bề mặt có độ cứng cao, chịu mài mòn tốt

mà còn làm tăng thể tích bù lại lượng mất đi do mài mòn

Bất lợi khi thấm nitơ là nitơ khuếch tán dần từ bề mặt vào lõi nên chiều dày lớp thấm của các khuôn cũ thấm lại tăng lên rất nhiều (tất nhiên không tăng tuyến tính theo thời gian) Chiều dày lớp thấm quá lớn làm giảm khả năng chịu uốn và chịu dai va đập của khuôn Ngoài ra, hiện tượng tiết nitơrit ở những vùng có nhiệt

độ thích hợp làm cho hàm lượng nitơ tập trung rất cao, dễ gây bong tróc dưới tác động cơ nhiệt

Do khuôn bị nung nóng nhiều giờ trong quá trình làm việc và thấm nitơ lại, nên độ cứng của lõi dần giảm đi; nghĩa là chênh lệch độ cứng bên trong của khuôn

và lớp bề mặt ngày càng lớn Khi đúc áp lực cao, nền mềm bị lún xuống, dẫn đến gãy vỡ lớp thấm hoặc sứt khuôn, hoặc khuôn có thể bị biến dạng khi chịu lực ép

Trong quá trình làm việc, do bề mặt khuôn tiếp xúc với nhôm, nhôm khuếch tán vào bề mặt khuôn Sự có mặt của nhôm làm cho quá trình thấm thuận lợi hơn, tạo ra nhiều nitơrit nhôm trên bề mặt khuôn làm tăng độ cứng và chiều dày lớp thấm Có nhôm thấm nitơ sẽ dễ dàng hơn, song nhiều quá thì dễ gây tập trung AlN ở gần bề mặt dễ gây bong tróc

Để giữ được độ bền, tính cứng nóng của khuôn đòi hỏi phải nhiệt luyện đúng chế độ

Ngoài ra khuôn còn bị giảm độ cứng lõi do bị nung nóng gia nhiệt trước mỗi chu kỳ đúc và trong quá trình đúc Quá trình đó thường thực hiện trong môi trường không bảo vệ nên khuôn bị ôxy hoá dưới lớp thấm nitơ làm lớp thấm dễ bị bong tróc

Nhưng trên hết, như đã phân tích, khuôn bị giảm độ cứng, độ bền nhiều nhất trong quá trình thấm lại nitơ vì quá trình đó khuôn bị nung nóng ở nhiệt độ cao, thời

gian khá dài

Cấu trúc lõi mềm với vỏ cứng trên bề mặt khi chịu lực ép, nền mềm bị lún xuống, lớp thấm cứng trên bề mặt kém biến dạng sẽ bị bị bong, nứt vỡ là điều khó tránh khỏi Điều đáng quan tâm là do đã thấm lại nhiều lần, chiều dày lớp thấm quá lớn (gấp đôi so với yêu cầu) làm lớp thấm càng dễ bị bong tróc hơn

1.2.4 Xử lý bề mặt khuôn đúc áp lực

Ruột (thao tạo lỗ) có lượng nhiệt dung lớn thì có thể chịu được sự biến đổi nhiệt độ khuôn do làm mát bên trong ở một mức độ nhất định nào đó nhưng phần khoét nhỏ trên khuôn và pin tạo lỗ mà không thể lắp đặt làm mát bên trong thì do sự biến động nhiệt độ lớn nên dễ phát sinh dính khuôn, gãy, cong pin, và đó là nguyên nhân làm giảm năng suất chạy máy Để giải quyết những vấn đề này, việc xử lý bề mặt đã được lựa chọn áp dụng

Ăn mòn, mòn điện hóa và mỏi nhiệt là những cơ chế phá hỏng chính, làm hạn chế tuổi thọ của khuôn đúc nhôm áp lực Ăn mòn, mòn điện hóa gây ra bởi các phản ứng hóa học giữa các hợp kim đúc và vật liệu làm khuôn Xói mòn gây ra do

va đập vật lý của nhôm lỏng đến khuôn Mỏi nhiệt do sự thay đổi ứng suất gây ra bởi các thay đổi nóng lạnh khi nung và làm mát bề mặt khuôn trong quá trình đúc Dưới ảnh hưởng kết hợp của những cơ chế sai hỏng này, khuôn sẽ bị vỡ, các mảnh

vỡ ra làm ảnh hưởng đến bề mặt khuôn, khuôn cần phải sửa và kết quả là tăng chi phí quá trình đúc Kỹ thuật bề mặt đã được sử dụng để kéo dài tuổi thọ khuôn bao gồm thay đổi bề mặt của khuôn thép dụng cụ, như nitrocarburizing, nitriding bằng ion, lắng đọng lớp phủ giảm ma sát, phủ lớp chống mòn lên khuôn bằng thép dụng

cụ bằng PVD và CVD, xử lý bề mặt hai lần, bề mặt khuôn đã được xử lý và phủ chống mài mòn

Phương pháp xử lý bề mặt CVD (Chemical Vapour Deposition: Phương pháp lắng đọng hóa học từ hơi) và phương pháp PVD (Physical Vapour Deposition: Phương pháp lắng đọng vật lý từ hơi) là những phương pháp tạo lớp phủ cứng hệ Titan phủ trên bề mặt khuôn Những phương pháp này đã được phát triển và giúp nâng cao hiệu quả

Phương pháp CVD là phương pháp tạo lớp phủ bằng phản ứng hóa học, gia nhiệt vật liệu gốc trong buồng phản ứng ở nhiệt độ 1273K (10000C), cho 2 loại khí trở lên phản ứng với nhau, với dòng chính là TiN, TiC tạo ra màng mỏng trên bề mặt vật liệu gốc Trong phương pháp CVD thì nhiệt độ xử lý cao 1273K (10000C) nên dễ phát sinh biến đổi kích thước như cong pin tạo lỗ và không thể xử lý lại được nhưng hiệu quả về khả năng chống dính khuôn lại nổi bật Gần đây, người ta đã phát triển phương pháp vỏ W2C dựa vào phương pháp CVD nhiệt độ thấp và phương pháp mới này có thể xử lý lại được

Phương pháp PVD có phương pháp lắng đọng hơi bằng chân không, phương pháp phun kim loại (Sputtering), phương pháp mạ kiểu Ion (Ion Platting) Là phương pháp gia nhiệt vật liệu gốc lên 473÷773K (200÷5000C), cho kim loại lỏng bốc hơi bên trong buồng chân không, cho hơi lắng đọng mang tính vật lý vào bề mặt vật liệu gốc, TiN là dòng chính Do nhiệt độ xử lý thấp hơn so với phương pháp CVD nên thay đổi kích thước ít nhưng về độ mịn bề mặt lại kém hơn so với phương pháp CVD

Lớp phủ cứng có được nhờ những phương pháp xử lý này không chỉ ngăn chặn dính khuôn mà còn giúp chịu mòn tốt và khả năng tách khuôn cũng tốt lên, nếu tính toán cả đến độ chính xác kích thước, mức độ cần thiết xử lý lại và độ lớn

để lựa chọn sử dụng thì có thể còn đạt được hiệu quả cao hơn nữa

Phương pháp xử lý bề mặt có phương pháp phổ biến nhất là xử lý thấm nitơ dạng khí, giúp nâng cao hiệu quả tạo ra sự ổn định trên phạm vi rộng từ pin tạo lỗ tới ruột hình dáng lớn

Quá trình Ferritic nitrocarburizing dẫn đến tách sản phẩm nhôm dễ dàng hơn khi đúc, ít cần thường xuyên làm sạch lõi khuôn và tăng tuổi thọ của khuôn đến 50% Lớp phủ cứng dựa trên nitrit và cacbit kim loại chuyển tiếp, ví dụ như TiN, CrN, TiAlN, CRC, CrAlN, và các phương pháp xử lý kép đã kết hợp biến đổi bề mặt khuôn và một lớp phủ cứng cũng đã được phát triển Mặc dù việc sử dụng các lớp phủ trên khuôn được chứng minh làm làm tăng tuổi thọ khuôn từ 4 đến 17 lần,

đã tìm được cải thiện lớn trong lớp phủ chống mỏi nhiệt

1.2.5 Cơ tính của khuôn đúc áp lực

Cứ mỗi chu kỳ đúc, khuôn phải chịu tác động của lực đóng khuôn cực mạnh,

áp lực nhôm lỏng, ứng suất nhiệt và lặp đi lặp lại trạng thái biến dạng đàn hồi phức tạp Khuôn không đủ cơ tính sẽ làm phát sinh bavia và gây ra sự bất ổn định về kích thước, làm giảm năng suất Đặc biệt, phát sinh bavia sẽ trở thành nguyên nhân gây hại nghiêm trọng nhất tới tự động hóa, đồng thời gây ra những ảnh hưởng tiêu cực lớn như làm cho thao tác hoàn thiện tay trở nên vất vả Gần đây, xét từ quan điểm cải thiện môi trường thao tác và cắt giảm chi phí, hoạt động nỗ lực hướng tới “sản phẩm đúc không bavia” đang được đẩy mạnh, người ta đã tiến hành một số thử nghiệm giảm áp lực nhôm lỏng bằng phương pháp đúc chân không hay phương pháp gia áp cục bộ nhưng trước hết vấn đề là khuôn có đủ cơ tính cần thiết hay không, đây là điều quan trọng hơn cả so với điều kiện đúc đã được thiết lập

Vấn đề về cơ tính của khuôn là võng ở phần phiến đáy khuôn động, võng ở phần dừng của lõi khuôn động đã được lắp đặt ở khuôn tĩnh Về vấn đề võng ở phần phiến đáy khuôn động, nhìn chung rầm đỡ chịu tải trọng phân bố đều cố định 2 bên

đã được tính toán cơ tính nhưng ở khuôn thực tế thì có rất nhiều lỗ bulong bắt của pin tạo lỗ, pin đẩy và lõi khuôn được lắp đặt, vì hình dáng phức tạp nên không thể đánh giá một cách chính xác, những khuôn đã tính toán cả đến giá trị kinh nghiệm dựa vào cơ sở dữ liệu thực tế cũng đang được sử dụng Về cơ tính của phần dừng, nhiều khi bị hạn chế bởi kích cỡ của tấm đẩy chẳng hạn nên những khuôn đã tính toán dư ra từ giá trị kinh nghiệm và điều kiện hạn chế của kích thước được sử dụng

Hình 1.7 Khuôn đã sử dụng để đo biến dạng (khuôn động)

(Khuôn tĩnh cũng có kích thước đồng nhất)

Đây là ví dụ điều tra sự biến dạng của khuôn trong 1 chu kỳ đúc và sự biến dạng của khuôn trong trường hợp đã làm cho áp lực đúc, tốc độ pitston thay đổi

Thời gian đóng khuôn

Thời gian chu kỳ

Diện tích hình chiếu lòng khuôn

Trọng lượng trung bình lượng

nhôm lỏng cho vào đúc

Nhiệt độ khi lấy sản phẩm ra

ADC 12 Hợp kim nung lại

923 ± 15 K

373 - 413 K 8s

40 - 60s 0.3

0.7m/s 12m/s

0.6 1.2m/s 21m/s

Hình 1.8 Vị trí gắn thước đo cong vênh

(Nhìn từ mặt sau khuôn động và mã số của thước đo)

- Vật liệu khuôn SCM4, khuôn liền (hình 1.7)

- Độ dày lòng khuôn 4 mm

- Đường kính xilanh φ 50 mm

- Hợp kim sử dụng ADC12

- Nhiệt độ nhôm lỏng 923 ± 15 K (650±150C)

- Chu kỳ đúc 40-60 giây

- Điều kiện đúc (bảng 1.2)

- Vị trí đo cong vênh (hình 1.8)

Về kết quả kiểm nghiệm thực tế, biến đổi ứng suất của phần trung tâm mặt sau khuôn động trong 1 chu kỳ đúc được thể hiện trong (hình 1.9) còn so sánh ứng suất kéo căng, độ dày bavia và giá trị tính toán độ võng trong các điều kiện đúc được thể hiện trong (bảng 1.3)

Công thức tính độ võng của rầm đỡ chịu tải phân bố đều cố định cả 2 bên như sau:

Wl4

δ =

384 EI 4bh2 l2

E: Mô đun đàn hồi (kgf/cm2)

I: Mô men thứ 2 của mặt cắt (cm3)

l: Khoảng cách giữa 2 điểm đỡ (cm)

Hình 1.9 Thay đổi ứng suất tại phần chính giữa mặt sau khuôn động

trong 1 chu kỳ đúc

Cơ tính kéo tối đa: σMax (N/mm2) 160 215 172

Độ võng: δ (mm) 0,076 0,141 0,100

Độ dày bavia đúc (mm) 0,20-0,30 0,22-0,53 0,25-0,38

Kết luận từ kết quả thực nghiệm:

Khi kết thúc điền đầy, do gia tăng ứng suất đóng khuôn và ứng suất do áp lực

đúc nên độ võng đạt đến đỉnh điểm (peak), ứng suất kéo căng là 245-343N/mm2

(25-35 kgf/mm2) Lượng võng xuống trở thành trạng thái trung gian giữa nâng đỡ

cố định 2 đầu và nâng đỡ đơn thuần

1.2.6 Làm mát khuôn

Về dung lượng làm mát khuôn và hiệu quả làm mát, có thể tính toán khái

lược bằng công thức tính Về dung lượng thì chỉ đánh giá tình trạng thu tỏa nhiệt

lượng của toàn thể khuôn, còn về hiệu quả làm mát thì áp dụng định luật Furiê (định

luật về độ dẫn nhiệt của các môi trường đẳng hướng, liên hệ građien nhiệt độ trong

môi trường với mật độ thông lượng nhiệt Do Furiee (J B J Fourier) lập ra năm

1822), do đó khi thiết kế làm mát khuôn, định luật này được sử dụng làm tiêu

chuẩn

Ở sản phẩm có hình dáng 3 chiều phức tạp thì cần cài đặt nhiệt độ khuôn cho

phù hợp với chức năng yêu cầu, căn cứ vào điều kiện đúc như thời gian chu kỳ mục

tiêu, phương pháp Atomize (phun sương) v.v, thiết kế làm mát khuôn để thực hiện

được việc phân bố nhiệt độ khuôn theo đúng ý đồ không thể thực hiện được bằng

tính toán tay, quyết định dựa vào kinh nghiệm và sai lầm đã thực hiện sẽ chi phối

Tuy nhiên, gần đây thiết kế làm mát bằng cách mô phỏng trên máy vi tính có sử

dụng phân tích quá trình đông kết đã được báo cáo

(1) Tính toán dung lượng làm mát của khuôn

Nhiệt lượng được truyền tới khuôn trong một đơn vị thời gian:

Q = WN (C (Tc - ts) + H) W: Trọng lượng cho vào đúc (kg) N: Số shot trên một đơn vị thời gian (cái/h) C: Tỷ nhiệt trung bình

H: Ẩn nhiệt nóng chảy (latent heat of fusion)

Tc: Nhiệt độ đúc

ts: Nhiệt độ gắp sản phẩm ra Nhiệt lượng loại bỏ nhờ làm mát bên trong khuôn:

Q’ = (0,6-0,7)Q Với vai trò là năng lực làm mát của đường nước làm mát:

Kiểu phun chảy, kiểu tuần hoàn: 50-80 kcal/cm2/h (209-335kJ/cm2/h) Kiểu đường thẳng: 25-30 kcal/cm2/h (105-126kJ/cm2/h)

Có thể tính diện tích truyền nhiệt của đường nước làm mát cần thiết

(2) Tính toán hiệu quả làm mát

Truyền nhiệt với đường nước làm mát có khoảng cách L từ bề mặt khuôn có thể tính bằng công thức:

λS(t1 - t2)

Q =

L λ: Tỷ suất truyền nhiệt

S: Diện tích truyền nhiệt

L: Khoảng cách từ bề mặt khuôn đến đường nước làm mát

t1: Nhiệt độ bề mặt khuôn

t2: Nhiệt độ bên trong khuôn tại vị trí L

(3) Cấu tạo của mạch làm mát

Cấu tạo tiêu biểu của mạch làm mát được thể hiện trong (hình 1.10a: kiểu phun chảy), (hình 1.10b: kiểu đường thẳng) và (hình 1.10c: kiểu tuần hoàn) Kiểu phun chảy thì điều chỉnh làm mát đơn giản nhưng hiệu quả làm mát chỉ có tính chất cục bộ Kiểu đường thẳng thì được sử dụng để làm mát toàn bộ khuôn và làm mát một phần đường dẫn, kiểu tuần hoàn được sử dụng để làm mát miệng cho nhôm

lỏng vào đúc Làm mát khuôn cần phải lựa chọn và lắp ráp cho phù hợp với vị trí lắp đặt, chức năng yêu cầu

a) Kiểu phun chảy b) Kiểu đường thẳng c) Kiểu tuần hoàn

Hình 1.10 Cấu tạo mạch nước làm mát khuôn

1.2.7 Bảo dưỡng khuôn, tuổi thọ của khuôn

1.2.7.1 Bảo dưỡng khuôn

Khuôn đúc áp lực cao được sử dụng trong môi trường khắc nghiệt phải tiếp xúc với nhôm lỏng có nhiệt độ cao, tốc độ cao, áp lực cao với chu kỳ đúc ngắn lặp

đi lặp lại nên dễ phát sinh hư tổn nặng, nếu không được tiến hành bảo dưỡng khuôn hợp lý thì sẽ làm giảm tỷ lệ chạy máy, chất lượng và giảm năng suất Đặc biệt, ở sản phẩm có mức độ khó cao thì có thể nói rằng sản xuất ổn định được phải nhờ bảo dưỡng khuôn Với vai trò là nguyên nhân được quan tâm trong trường hợp bảo dưỡng không hợp lý, các nguyên nhân như sau đã được nêu ra:

(1) Kích thước ban đầu của phương án đúc bị thay đổi: Chất lượng tồi đi; độ dày cổng rót gắn trực tiếp với sản phẩm, độ rộng rãnh dẫn, hình dáng cổng rót đặc biệt dễ chịu hư tổn nên phải quản lý kích thước thường xuyên, phục hồi lại kích thước chuẩn trước khi lệch quy cách

(2) Phát sinh bavia do biến dạng mặt phân khuôn: Tỷ lệ chạy máy giảm sút, thao tác hoàn thiện tay tăng lên, chất lượng tồi đi, mặt ăn khớp khuôn động, lõi đút bên động, lõi đút bên tĩnh bị biến dạng do chịu áp lực phản kháng nhôm lỏng và lực đóng khuôn ở từng lần bắn và phát sinh lõm do tình trạng này lặp đi lặp lại Bavia tích tụ sẽ dẫn đến biến dạng nặng hơn và hư tổn khuôn nặng hơn, do đó cần phục