Nghiên cứu thiết kế, chế tạo bộ khuôn đúc thân bơm BRA50 dùng trên máy đúc áp lực 420T

Nghiên cứu thiết kế, chế tạo bộ khuôn đúc thân bơm BRA50 dùng trên máy đúc áp lực 420T

16/02/2009

Hà Nội, 1 - 2009

CHỦ NHIỆM ĐỀ TÀI

Th.S NGUYỄN TIẾN TÀI

Hà Nội, 1 - 2009

NHỮNG NGƯỜI THAM GIA ĐỀ TÀI

Mục lục

Trang

1.1 Tình hình thiết kế khuôn mẫu trên thế giới

1.2 Nhu cầu về sản phẩm đúc, khuôn đúc áp lực cao ở Việt Nam

1.3 Các dạng sản phẩm đúc áp lực cao và các sản phẩm tiêu biểu 2

Chương 2: LỰA CHỌN VẬT LIỆU, XÂY DỰNG QUY TRÌNH CHẾ TẠO KHUÔN THÂN BƠM BRA 50

52.1 Phân loại vật liệu chế tạo khuôn đúc áp lực

2.2 Điều kiện làm việc, lựa chọn vật liệu để chế tạo khuôn đúc thân bơm BRA50

72.3 Xây dựng quy trình công nghệ chế tạo bộ khuôn đúc áp lực BRA50 9Chương 3.CƠ SỞ LÝ THUYẾT, TÍNH TOÁN THIẾT KẾ CHẾ TẠO KHUÔN ĐÚC

ÁP LỰC THÂN BƠM BRA50

113.1 Cơ sở lý thuyết tính toán hệ thống rót

BƠM BRA50

264.1 Dựng bản vẽ chi tiết phôi thân bơm BRA 50 3D

4.2 Thiết kế hoàn chỉnh bộ bản vẽ khuôn đúc áp lực thân bơm BRA 50 284.2.1 Các cụm kết cấu chính trong bộ khuôn đúc áp lực cao

4.2.2 Các bản vẽ chi tiết trong bộ khuôn thân bơm BRA 50

4.3 Gia công bộ khuôn đúc áp lực thân bơm BRA50 294.3.1 Gia công các chi tiết bộ khuôn thân bơm BRA50

4.3.2 Bộ khuôn đúc thân bơm BRA50 hoàn chỉnh 30

Chương 5 ĐÚC THÂN BƠM BRA50 VÀ HIỆU CHỈNH KHUÔN 315.1 Đúc thân bơm BRA50 trên máy đúc áp lực ZITAI ZDC420TPS bằng bộ khuôn đã thiết kế

5.2 Kiểm tra chất lượng phôi thân bơm BRA50 325.2.1 Kiểm tra các kích thước phôi thân bơm

5.2.2 Kiểm tra bề mặt phôi và tiết diện ngang của thân bơm BRA50 335.3 Đánh giá và hiệu chỉnh công nghệ 345.3.1 Phân tích đánh giá khuyết tật

5.3.2 Chế tạo sản phẩm sau khi hiệu chỉnh

Chương 1 TỔNG QUAN 1.1 Tình hình đúc áp lực cao trên thế giới

Đúc áp lực ra đời vào khoảng đầu thế kỷ 19, mặc dù một vài ý tưởng hình thành ngành đúc áp lực đã có từ sớm hơn Hiện nay, lĩnh vực đúc áp lực cao trên thế giới phát triển rất mạnh, đặc biệt là ở các nước như: Nhật, Mỹ, Đức, Ấn Độ, Canada, Quá trình thiết kế khuôn đúc áp lực có sự hỗ trợ của các phần mềm mô phỏng như: Magma, Procast, Vissim,…kết hợp với các biện pháp công nghệ xử lý chân không hoá khuôn, tinh luyện kim loại,… đã tạo ra được vật đúc có chất lượng cao về độ chính xác hình dáng, kích thước cũng như tổ chức bên trong vật đúc

1.2 Nhu cầu về sản phẩm, khuôn đúc áp lực cao ở Việt Nam

Trong thời kỳ hội nhập như hiện nay, các nhà đầu tư nước ngoài theo xu hướng đổ xô vào Việt Nam đặt hàng các sản phẩm đúc áp lực, với sản lượng rất lớn, hình dạng phong phú và yêu cầu chất lượng từ thấp đến cao

Tại Việt Nam, với giá nhân công rẻ, lực lượng lao động dồi dào, các doanh nghiệp đầu tư lắp ráp máy cần có nhà cung cấp tại chỗ để giảm chi phí vận chuyển Mặt khác, theo chỉ thị nội địa hoá các loại máy, thiết bị đơn giản như: xe máy, động cơ Diezen, máy nông nghiệp, máy phát điện, thiết bị dân dụng,… đã mở ra một nhu cầu mới về sản phẩm đúc áp lực với số lượng lớn

Với trình độ, thiết bị ở trong nước hiện nay chỉ đáp ứng phần nhỏ các sản phẩm có yêu cầu thấp và trung bình về chất lượng Vì vậy, để phát triển sản phẩm đúc áp lực nói chung, lĩnh vực chế tạo máy nói riêng, chúng ta phải nâng cao cả về chất lượng và số lượng để đáp ứng nhu cầu và tăng khả năng cạnh tranh với các nước trong khu vực Đặc biệt, lĩnh vực quan tâm nhất hiện nay là các chi tiết xe ôtô Cụ thể như các hãng xe máy LIFAN, SYM, YAMAHA, SUZUKI, riêng công ty HONDA Việt Nam trong năm 2005 và 2006 mỗi năm đã sản xuất 1 triệu chiếc xe máy các loại, năm 2007 tăng lên 1,2 triệu chiếc Trong năm 2008, công ty có kế hoạch sản xuất tăng lên 1,5 triệu chiếc Trong mỗi chiếc xe máy có khoảng 10 chi tiết được chế tạo bằng phương pháp đúc áp lực Như vậy, mỗi năm hãng xe HONDA Việt Nam cần đến hơn 10 triệu chi tiết đúc áp lực Hiện tại, chưa có nhà cung cấp Việt Nam nào có thể đáp ứng được nhu cầu này Trong miền Nam, các công ty sản xuất và lắp ráp động cơ Diezen như: VIKYNO, VINAPPRO, CƠ KHÍ AN GIANG,… với sản lượng các loại mỗi năm khoảng 60.000 máy (trong đó xuất khẩu chiếm khoảng 60%) và hàng năm đang có chiều hướng gia tăng Nhu cầu về sản phẩm đúc áp lực của các công ty này cũng rất lớn Ngoài ra, còn có các sản

phẩm phục vụ trong ngành điện, gia dụng, ôtô, xe máy, Hiện nay, lĩnh vực đang được quan tâm hướng đến là ôtô

Với việc gia tăng số lượng sản phẩm đúc áp lực ở Việt Nam như hiện nay, nhu cầu về thiết kế chế tạo khuôn đúc áp lực cũng tăng theo Để nâng cao chất lượng và ổn định sản xuất, các doanh nghiệp trong nước thường đặt chế tạo và nhập ngoại khuôn từ Nhật Bản, Hàn Quốc, Đài Loan… Cũng có một số công ty trong nước đã nghiên cứu thiết kế chế tạo khuôn đúc áp lực thấp và cao Tuy nhiên, những nghiên cứu này chủ yếu dựa trên các kết cấu khuôn nhập ngoại và kinh nghiệm để thiết kế chế tạo nên chất lượng sản phẩm đúc không ổn định

Việc nghiên cứu thiết kế chế tạo khuôn đúc áp lực nhằm nâng cao chất lượng thay thế hàng nhập ngoại là rất cần thiết, giúp các cơ sở sản xuất hạ giá thành sản phẩm và có thể chủ động trong sản xuất

1.3 Các dạng sản phẩm đúc áp lực cao và các sản phẩm tiêu biểu

- Sản phẩm đúc áp lực cao rất đa dạng về hình dáng và kết cấu, phục vụ trong nhiều lĩnh vực khác nhau như chế tạo chi tiết máy, thiết bị điện, y tế, giáo dục, hàng không,… chúng được phân loại theo nhóm như sau:

+ Các sản phẩm có dạng ống trụ

+ Các sản phẩm có dạng thanh, dạng càng + Các sản phẩm có dạng tấm

+ Các sản phẩm có dạng hộp, đây là loại thường gặp nhiều nhất

- Các sản phẩm đúc áp lực cao thường có bề dày từ 0,8 mm đến 10 mm, nhưng trên thực tế thì bề dày 2 mm đến 6 mm sẽ cho kết quả đúc tốt nhất Vì bề dày càng lớn thì khả năng bị rỗ xốp càng cao, khi bề dày càng nhỏ thì khả năng điền đầy càng kém do quá trình nguội nhanh

Hình 1.2 Sản phẩm nắp hông động cơ Diezen

Hình 1.3 Sản phẩm tay cấy dùng trong nông nghiệp Hình 1.1 Các sản phẩm đúc áp lực cao trong lĩnh vực xe máy

1.4 Mục tiêu của đề tài

Nhu cầu về sản lượng thân bơm BRA 50 trên thị trường hiện nay là rất lớn Chỉ tính riêng sản lượng của Nhà máy cơ khí chính xác số 1 thuộc Tổng công ty Máy Động lực và Máy Nông nghiệp đã đạt khoảng 10.000 sản phẩm/năm

Thân bơm BRA50 là loại bơm dầu sử dụng cho các ben thủy lực, làm việc trong chế độ khắc nghiệt chịu áp suất lớn lên đến 200kg/cm2, nên đòi hỏi chi tiết phải có cơ tính tốt

Từ nhu cầu về sản lượng và điều kiện kỹ thuật của sản phẩm, thân bơm BRA50 phù hợp với việc chế tạo hàng loạt và có chất lượng ổn định

Đúc chi tiết thân bơm BRA50 bằng phương pháp đúc áp lực sẽ đảm bảo được độ sít chặt của hợp kim nhôm silic sau khi đông đặc cũng như cơ tính của chi tiết được cải thiện nhiều do hạt tinh thể rất nhỏ mịn Bởi vì chi tiết thân bơm được điền đầy với vận tốc cao, đông đặc trong điều kiện áp lực lớn

Với việc sử dụng công nghệ đúc thân bơm BRA50 bằng khuôn kim loại thì việc kiểm soát nhiệt độ khuôn là khó khăn, dẫn đến độ ổn định của sản phẩm bị ảnh hưởng nhiều, nên sản lượng rất thấp Khi đúc sản phẩm bằng phương pháp đúc áp lực sẽ cho sản lượng rất lớn gấp nhiều lần so với đúc trong khuôn kim loại, ngoài ra chất lượng sản phẩm rất ổn định

Các thông số yêu cầu kỹ thuật của thân bơm BRA 50

Bề mặt chi tiết nhẵn đẹp Thử áp lực đạt 200kg/cm2 Trọng lượng phôi đúc: 2,9 kg

Tổng diện tích hình chiếu bề mặt (tính cho nửa khuôn cối): 260 cm2 Kích thước bao lớn nhất của phôi đúc: 147x115

Hình 1.4 Sản phẩm dùng trong chi tiết máy

Kích thước bao lớn nhất dự kiến của khuôn: 500x500

Các thông số kỹ thuật của máy đúc áp lực ZITAI ZDC420TPS

Lực khóa khuôn: 420 Tấn

Kích thước mép trục dẫn: 650x650mm Trọng lượng đúc tối đa: 5,05kg

Khoảng cách 2 mặt kẹp khuôn 300 ~ 1000mm Áp lực bắn tối đa: 210kg/cm2

Tiết diện bề mặt vật đúc lớn nhất: 760 cm2

Trên cơ sở các thông số kỹ thuật của sản phẩm thân bơm BRA50 và các thông số kỹ thuật của máy đúc áp lực 420 tấn, nhận thấy khuôn đúc áp lực thân bơm BRA50 được thiết kế để đúc trên máy đúc ZITAI ZDC420TPS hoàn toàn đảm bảo và đáp ứng về mặt kỹ thuật

Chương 2: LỰA CHỌN VẬT LIỆU, XÂY DỰNG QUY TRÌNH CHẾ TẠO KHUÔN THÂN BƠM BRA 50

2.1 Phân loại vật liệu chế tạo khuôn đúc áp lực

Vật liệu chế tạo khuôn ép nóng: Nhóm vật liệu này thông thường được sử dụng để chế tạo các loại khuôn đúc áp lực thấp và cao, đúc các sản phẩm có thành phần hợp kim cơ sở như: nhôm, kẽm, magiê, đồng

Trong các mác thép dùng để chế tạo khuôn đúc áp lực, thành phần hóa học đều có các nguyên tố có ảnh hưởng lớn đến tính thấm tôi, độ dai, độ bền và độ cứng nhiệt ở nhiệt độ cao, tính chống ôxy hóa ở nhiệt độ cao và đặc biệt là làm mịn độ hạt của vật liệu như: Molipđen, Vanađi, Crôm

Nhóm các loại thép chế tạo khuôn ép nóng (Bảng 2.1) được chia thành 3 nhóm chính sau đây:

Thông thường các mác thép như SKD6, SKD7, SKD61, SKD62 được sử dụng để chế tạo khuôn đúc áp lực để đúc các sản phẩm hợp kim cơ sở nhôm

Các mác thép như SKD4, SKD5, SKD8 thường được sử dụng để chế tạo khuôn đúc áp lực để đúc các sản phẩm hợp kim cơ sở đồng, các mác thép này có hàm lượng Vônfram trong khoảng 4-10%

Các mác thép như SKT3, SKT4 thường được sử dụng để chế tạo khuôn đúc áp lực để đúc các sản phẩm hợp kim cơ sở magiê, kẽm

Bảng 2.1 Các mác hợp kim dùng để chế tạo khuôn ép nóng theo tiêu chuẩn JIS của Nhật Bảng [1]

Mác

SKD4 0,25 ~ 0,35 ≤ 0,40 ≤ 0,60 2,0 ~ 3,0 − 5,0 ~ 6,0 0,3 ~ 0,5 ⎯ SKD5 0,25 ~ 0,35 ≤ 0,40 ≤ 0,60 2,0 ~ 3,0 − 9,0 ~ 10,0 0,3 ~ 0,5 ⎯ SKD6 0,32 ~ 0,42 0,8 ~ 1,2 ≤ 0,50 4,5 ~ 5,5 1,0 ~ 1,5 ⎯ 0,3 ~ 0,5 ⎯ SKD61 0,32 ~ 0,42 0,8 ~ 1,2 ≤ 0,50 4,5 ~ 5,5 1,0 ~ 1,5 ⎯ 0,8 ~ 1,2 ⎯ SKD62 0,32 ~ 0,42 0,8 ~ 1,2 ≤ 0,50 4,5 ~ 5,5 1,0 ~ 1,5 1,0 ~ 1,5 0,2 ~ 0,6 ⎯ SKD7 0,28 ~ 0,38 ≤ 0,50 ≤ 0,60 2,5 ~ 3,5 2,5 ~ 3,0 ⎯ 0,4 ~ 0,7 ⎯ SKD8 0,35 ~ 0,45 ≤ 0,50 ≤ 0,60 4,0 ~ 4,7 0,3 ~ 0,5 3,8 ~ 4,5 1,7 ~ 2,2 Co 3,8~4,5SKT3 0,50 ~ 0,60 ≤ 0,35 0,6 ~ 1,0 0,9 ~ 1,2 0,3 ~ 0,5 ⎯ (<0,20)(3) Ni 0,25~0,6SKT4 0,50 ~ 0,60 ≤ 0,35 0,6 ~ 1,0 0,7 ~ 1,0 0,2 ~ 0,5 ⎯ (<0,20)(3) Ni 1,30~2,0

(3): Số trong ngoặc là thành phần có thể thêm vào

Ngoài bảng thành phần các mác thép dùng chế tạo khuôn ép nóng có thể tra cứu các mác thép tương đương như ở bảng 2.2

Bảng 2.2 Đối chiếu các mác thép dùng chế tạo khuôn ép nóng [1]

2.2 Điều kiện làm việc, lựa chọn vật liệu để chế tạo khuôn đúc thân bơm BRA50

Thông thường khuôn đúc áp lực bao gồm hai phần chính:

Phần áo khuôn thường được sử dụng vật liệu có độ bền thấp, bởi vì yêu cầu của vùng này trong khuôn chủ yếu làm giá đỡ cho toàn bộ hệ thống khuôn

Phần ruột khuôn thường dùng các loại vật liệu có tính chịu mòn, chịu nhiệt, chịu va đập tốt tùy theo hợp kim được đúc mà người thiết kế lựa chọn mác vật liệu cho phù hợp

a Vỏ khuôn: là phần kết cấu lắp ráp ruột khuôn và các phụ kiện khác, đồng thời là kết cấu để lắp gá khuôn lên máy Phần kết cấu này hoàn toàn không tiếp xúc với kim loại lỏng cũng như ảnh hưởng của áp lực bắn của máy đúc Cho nên, phần

kết cấu này lựa chọn vật liệu là thép đúc C45 Bởi vì có thể đúc phôi vỏ theo bản vẽ thiết kế một cách đơn giản và giá rẻ

b Ruột khuôn bao gồm ruột khuôn chày và ruột khuôn cối: đây là phần kết cấu khuôn tạo hình sản phẩm, là phần kết cấu chịu ảnh hưởng trực tiếp của dòng kim loại lỏng nhiệt độ cao, vận tốc trượt trên bề mặt khuôn rất cao và dưới áp lực ép lớn

Với mác vật liệu AЛ9, nhiệt độ rót vào khoảng 670-700oC Áp lực bắn trung bình trên bề mặt chi tiết là từ 553-983kg/cm2 Như vậy, với vận tốc trượt trên bề mặt khuôn rất lớn cùng với nhiệt độ rót vật liệu đúc khoảng 680oC và áp lực lên bề mặt khuôn lớn nhất có thể lên đến 983kg/cm2, nên phải lựa chọn vật liệu có độ chịu mài mòn bề mặt lớn, chịu tải trọng tĩnh lớn

Như vậy, để bảo đảm phần ruột khuôn có các cơ tính tốt như: chịu mài mòn, chịu nhiệt, chịu va đập, đề tài chọn vật liệu là SKD61 (theo tiêu chuẩn JIS Nhật Bản) có thành phần hóa học như bảng 2.1 và bảng 2.2

2.3 Xây dựng lưu trình công nghệ chế tạo bộ khuôn đúc áp lực BRA50

- Dụng cụ đo

- Thiết bị số hoá 3 chiều

- Lựa chọn vật liệu vùng tiếp giáp với hợp kim- Lựa chọn vùng làm việc không tiếp giáp

với hợp kim

- Chọn vật liệu làm chốt đẩy Vẽ bản vẽ chi tiết sản phẩm

Thiết kế công nghệ

- Tính toán thiết kế công nghệ cho khuôn - Vẽ thiết kế công nghệ 2D

- Vẽ thiết kế công nghệ 3D Lựa chọn vật liệu chế tạo khuôn

- Các máy gia công chuyên dùng - Lắp ráp hoàn chỉnh bộ khuôn

- Đúc trên máy đúc áp lực 420Tấn - Đúc 20 ÷ 40 sản phẩm

- Kiểm tra kích thước sản phẩm

Nhiệt luyện khuôn

Thấm Nitơ trong chân không Hiệu chỉnh khuôn

Khuôn hoàn chỉnh

- Đúc 20 ÷ 40 sản phẩm

- Kiểm tra kích thước sản phẩm - Kiểm tra độ bóng bề mặt sản phẩm - Đúc trên máy đúc áp lực 420Tấn

- Đúc sản phẩm trên máy đúc áp lực 420 tấn

Quy trình thiết kế chế tạo khuôn đúc áp lực thường bắt đầu từ bản vẽ chi tiết của khách hàng hoặc khách hàng mang sản phẩm đến Trong trường hợp khách hàng mang sản phẩm đến thì cần tiến hành khâu đo đạc bằng các thiết bị chuyên dụng sau đó dựng bản vẽ chi tiết dưới dạng 2D

Các chi tiết trên bộ khuôn sau khi vẽ xong thường lựa chọn vật liệu phù hợp với loại hợp kim đúc (lựa chọn cho ruột khuôn), còn các chi tiết vỏ khuôn, giá đỡ thường sử dụng thép CT3 để chế tạo

Phần tính toán, thiết kế công nghệ được triển khai tiếp theo Trên cơ sở chi tiết đúc, lựa chọn phương án công nghệ để thiết kế Khi đã lựa chọn được phương án công nghệ rồi thì tiến hành tính toán các thông số kỹ thuật cho bộ khuôn như: hệ thống rót, hệ thống hơi…

Trên cơ sở các thông số tính toán được vẽ thiết kế, lựa chọn hợp lý toàn bộ hệ thống khuôn Kết hợp các bản vẽ dự kiến 2D, 3D để đưa ra bản lắp sơ bộ Sau khi có bản lắp sơ bộ hiệu chỉnh các kích thước của các chi tiết sao cho hợp lý đối với sản phẩm cũng như kết cấu bộ khuôn Hoàn chỉnh các kích thước bản lắp sau đó vẽ tách các chi tiết của bộ khuôn đúc Khi đó phôi đúc đã tính co, dốc đúc thoát khuôn, ruột và cộng lượng dư các vị trí gia công, được dựng phôi đúc 3D Từ phôi đúc 3D tạo ruột và khuôn chày, khuôn cối Các bản vẽ 3D khuôn chày, khuôn cối và ruột là cơ sở dữ liệu tích hợp với các máy gia công CNC để chế tạo khuôn

Khi gia công xong các chi tiết, lắp ráp khuôn hoàn chỉnh đưa lên máy đúc thử khoảng 20÷40 sản phẩm trên máy đúc áp lực Sau đó đo kiểm sản phẩm phôi đã đúc được, hiệu chỉnh các kích thước chưa đạt cũng như độ bóng bề mặt sản phẩm

Khuôn sau khi hiệu chỉnh được đúc thử 20÷40 sản phẩm đạt chất lượng ổn định thì tháo các chi tiết vật liệu SKD61 đưa đi nhiệt luyện chân không

Cuối cùng các chi tiết sau khi nhiệt luyện được làm sạch, đánh bóng bề mặt và được lắp vào khuôn

Chương 3.TÍNH TOÁN THIẾT KẾ CHẾ TẠO KHUÔN ĐÚC ÁP LỰC THÂN BƠM BRA50

3.1 Cơ sở lý thuyết tính toán hệ thống rót [2] 3.1.1 Tốc độ nạp và tốc độ rót

Tốc độ chảy của kim loại trong rãnh dẫn Vn gọi là tốc độ nạp và tốc độ chảy của kim loại trong buồng ép; Vc gọi là tốc độ ép Đây là hai thông số quan trọng, mang tính quyết định đến các điều kiện thuỷ động và điều kiện nhiệt của quá trình điền đầy khuôn áp lực Giá trị tốc độ nạp và tốc độ ép có liên quan lẫn nhau theo phương trình dòng liên tục:

vf =vf (3.1) Trong đó:

- fn và fc là diện tích thiết diện ngang của rãnh dẫn và buồng ép (m2)

Bảng 3.1 Tốc độ nạp đối với các vật đúc bằng hợp kim khác nhau, hình dáng khác nhau Tốc độ nạp (m/s)

Chiều dày vật

đúc (mm)

Hình dáng vật

đúc Kẽm Magiê Lỏng Bán lỏng Lỏng Bán lỏng 5 ÷ 10 Đơn giản Phức tạp 30-40 40-60 - - 0.5-1.0 - 2-5 5-7 - - 2-5 3-5

3 ÷ 6 Đơn giản Phức tạp 30-60 60-80 30-40 40-50 25-30 30-40 8-12 5-8 8-15 - 5-8 5-8 1.5 ÷ 3.0 Đơn giản Phức tạp 100-15080-100 50-60 50-80 30-40 35-40 - - 15-20 - 5-8 - 1.5 ÷ 3.0

(không đều)

Đơn giản Phức tạp

80-100 100-120

40-45 50-70

25-35 25-40

10-12 -

- -

- - Tốc độ nạp kim loại phụ thuộc vào chế độ điền đầy khuôn đã chọn trước: Chế độ phân tán, chế độ phân tán - rối tuần tự hoặc chế độ chảy tầng Giá trị tới hạn của tốc độ nạp vn tính theo công thức 3.2:

Trong đó: υ – độ nhớt động học; Re – tiêu chuẩn Reynold; δvd – chiều dày thành vật đúc; δ – chiều dày rãnh dẫn

Đối với chế độ chảy phân tán và theo công thức 3.3 với chế độ chảy tầng

Giá trị tối ưu của tốc độ nạp đối với các loại vật đúc bằng các hợp kim có hình dáng

khác nhau thì cũng rất khác nhau (bảng 3.1)

V

Trong đó: C, m, n là những hệ số thực nghiệm bảng 3.2 Bảng 3.2 Các hằng số thực nghiệm của công thức 3.3

- n: Số vị trí quay dòng trong hốc khuôn

Trong công thức (3.4), thường phải tính giá trị tốc độ nạp vn trung bình trong toàn bộ khoảng thời gian nạp Sau khi thay thế giá trị này vào phương trình liên tục (3.1) sẽ xác định được tốc độ ép ve khi đã biết đường kính buồng ép De và diện tích rãnh dẫn fn:

Giá trị tốc độ ép tính toán trên mới chỉ tính đến tác động của các điều kiện thuỷ động học quá trình điền đầy mà chưa kể đến chế độ nhiệt của quá trình, tức là chưa kể đến thời gian điền đầy tđ Giữa tốc độ điền đầy và thời gian điền đầy có quan hệ:

Trong đó: ΣV tổng thể tích kim loại lỏng đi vào hốc khuôn trong khoảng thời gian td (m3)

δδ

3.1.2 Thiết kế hệ thống rót

Do đặc điểm kết tinh của kim loại lỏng trong đúc áp lực cao là không thể tạo điều kiện đông đặc có hướng, do đó phải tạo điều kiện cho vật đúc đông đặc đồng thời Mặt khác, kim loại lỏng điền đầy khuôn trong một khoảng thời gian vô cùng ngắn, bởi vậy thiết kế hệ thống rót cần tuân thủ một số điều cơ bản sau đây:

• Quãng đường chuyển động của kim loại lỏng trong khuôn là ngắn nhất có thể được

• Diện tích rãnh dẫn thu hẹp từ buồng ép tới hốc khuôn Hệ thống rót thu hẹp dần có tác dụng làm giảm sự cuốn khí vào vật đúc, đồng thời làm tăng tốc độ dòng điền đầy

Hệ thống rót cho vật đúc trong máy đúc buồng ép nguội kiểu thẳng đứng và kiểu nằm ngang được mô tả như hình 3.1 Điều khác biệt giữa hai hệ thống rót của hai kiểu buồng ép này là, trong buồng ép nguội nằm ngang, hệ thống rót không có phần nối trung gian từ buồng ép đến rãnh dẫn Khi đó, đường đi của kim loại lỏng sẽ ngắn hơn, tránh

được hiện tượng nguội sớm của kim loại trong buồng ép

Phụ thuộc vào vị trí tương đối giữa các đường dẫn, kênh dẫn trong hệ thống rót đối với vật đúc, có thể phân hệ thống rót thành ba kiểu:

- Rót trực tiếp - Rót phía trong - Rót ngoài

Trong hệ thống rót trực tiếp, không có kênh dẫn trung gian, diện tích kênh nạp

trong máy buồng ép thẳng đứng tính bằng diện tích thiết diện ngang của ống dẫn Hình 3.1 Hệ thống rót trong máy đúc buồng ép

thẳng đứng a) và buồng ép nằm ngang b) 1-buồng ép; 2-ống dẫn; 3-kênh dẫn phụ; 4-rãnh

dẫn; 5-kênh nối; 6-vấu lồi; 7-rãnh thoát hơi

Hình 3.2 Hệ thống rót trực tiếp không có rãnh dẫn a) và b); có rãnh dẫn c) 1-hốc lõm nên dùng để ngăn ngừa lõm co

hình 3.2.a; trong buồng ép nằm ngang, diện tích kênh nạp tính bằng diện tích buồng ép hình 3.2.b Khi vật đúc có các lỗ hướng trục, ống dẫn kết thúc ở cuối rãnh dẫn bố trí xung quanh cái ngắt dòng hình 3.2.c

Hệ thống rót bên trong được sử dụng đối với vật đúc có lỗ ở tâm kích thước lớn cho phép đặt các kênh dẫn và rãnh dẫn ở đó Hệ thống rót kiểu này thường áp dụng cho khuôn đúc chiếc một, làm giảm đáng kể kích thước khuôn ép

Hệ thống rót ngoài được áp dụng phổ biến nhất Đây là biện pháp có thể ép một lần vào nhiều hốc khuôn Để làm được việc đó, trong hệ thống rót, người ta bố trí thêm một ụ tích kim loại vừa có tác dụng phân phối kim loại lỏng, vừa duy trì nhiệt độ ổn định ở rãnh dẫn

Vị trí đặt rãnh dẫn phụ thuộc vào kết cấu của vật đúc Đây là vấn đề rất quan

trọng, có tính quyết định đến chất lượng vật đúc Nếu vị trí đặt rãnh dẫn hợp lý, vật đúc sẽ được điền đầy tốt và không có khuyết tật Ngược lại, nếu đặt hệ thống rót không hợp lý, rất dễ sinh ra các loại khuyết tật trong vật đúc Hình 3.3 giới thiệu một số kiểu đặt rãnh dẫn trong khuôn đúc áp lực cao Mỗi chi tiết đưa ra hai phương án: phương án 1 là phương án bất hợp lý, phương án 2 là phương án hợp lý về mặt dòng chảy và tránh được các khuyết tật có thể xảy ra do rãnh dẫn gây nên Người ta cố gắng tránh kiểu rãnh dẫn tạo dòng chảy gặp nhau hoặc xối thẳng vào thành khuôn

Hình 3.3 Hệ thống rót cho vật đúc có cấu tạohình dáng khác nhau

3.1.3 Tính toán rãnh dẫn

Rãnh dẫn là thành phần cơ bản nhất của hệ thống rót Diện tích thiết diện ngang của rãnh dẫn quyết định tốc độ nạp kim loại Chiều dãy rãnh dẫn quyết định động học quá trình điền đầy và khả năng ép trong buồng ép Công thức tính diện tích rãnh dẫn fr :

Trong đó:

- mvd, mp : Khối lượng của vật đúc và khối lượng của vấu lồi - vn: Vận tốc nạp

- td: thời gian điền

Tuy đã có xét đến chiều dầy vật đúc và áp suất trong buồng ép nhưng giá trị tính rãnh dẫn theo công thức trên vẫn còn thiếu chính xác Hiện nay, còn một phương pháp tính khác có độ chính xác hơn Đó là tính diện tích rãnh dẫn thông qua các hệ số Trong phương pháp này, người ta coi tốc độ nạp vn là tích của các hệ số và tốc độ trung bình: vn=K1*K2*vtb Trong đó vtb là tốc độ trung bình của dòng nạp và lấy bằng 15m/s K1 và K2 các hệ số tính đến kiểu dáng vật đúc và áp suất ép Thời gian điền đầy tdd=K3*K4*ttb với ttb là thời gian điền đầy trung bình, lấy bằng 0.06s K3, K4 là các hệ số tính đến loại hợp kim và chiều dày trung bình của vật đúc Với cách đặt hệ số như vậy, diện tích rãnh dẫn tính theo:

Áp lực buồng

ép (Mpa)

1-4 4-8 1-4 4-8 1-4 4-8 1-4 4-8 20-40 3.37 2.7 3.04 2.53 2.7 2.16 3.0 2.4 40-60 1.69 1.35 1.52 1.21 1.35 1.1 1.5 1.2 60-80 1.35 1.05 1.21 0.97 1.1 0.86 1.2 0.96 80-100 1.02 0.82 0.91 0.73 0.80 0.65 0.90 0.72

>100 0.68 0.54 0.61 0.49 0.54 0.43 0.60 0.48

Bảng 3.4 Giá trị các hệ số K của công thức 3.7

Phức tạp 1.5 40-60 1.75 60-80 1.5 80-100 1.5 Rất phức tạp, gân

>100 1.0 Hệ số K3 và K4

Hợp kim K3 Chiều dày thành

thiết diện ngang của kênh dẫn phụ có giá trị fdp=(1.2-1.5)*fd Chiều cao kênh dẫn phụ xác định bằng công thức thực nghiệm:

Tpf

- β: Tỷ lệ của áp suất khí bên ngoài chia cho áp suất khí trong hốc khuôn Bảng 3.5 Chiều dày rãnh hơi trên khuôn đúc

Chì - thiếc 0.05-0.1 Magiê 0.1-0.15 Kẽm 0.08-0.12 đồng 0.15-0.20 Nhôm 0.1-0.12 Thép 0.2-0.3 Bảng 3.6 Khối lượng riêng của không khí phụ thuộc nhiệt độ

toC ρk toC ρk toC ρk

20 0.1164 300 0.0596 700 0.0361 50 0.1056 400 0.0508 800 0.0325 100 0.0916 500 0.0451 600 0.0291

3.2 Tính toán, thiết kế khuôn thân bơm BRA50

3.2.1 Một số yếu tố ảnh hưởng đến khuôn-sản phẩm đúc áp lực

* Khuôn: Hình dạng, chất lượng của sản phẩm được quyết định bởi quá trình thiết

kế công nghệ khuôn đúc áp lực Kết cấu khuôn quyết định đến khả năng cơ giới hóa và sản lượng vật đúc

+ Hình dạng của hốc khuôn quyết định hình dạng của chi tiết Nếu quá trình gia công khuôn để lại những sai số gia công, trong quá trình đông đặc đến khi nguội bằng nhiệt độ môi trường sản phẩm bị co ngót, biến dạng, gây ra sai số hình dáng Như vậy, để có được sản phẩm chính xác cần tính toán co, độ thoát khuôn hợp lý

+ Hệ thống rãnh dẫn trong khuôn là yếu tố rất quan trọng, quyết định dòng chảy trong khuôn và quá trình điền đầy của sản phẩm