4. Ph−ơng pháp nghiên cứu:
4.3.2. Mô hình vật liệu
Các thuộc tính nhiệt động của nhôm - ACD12:
Hình 4.2: Tỷ lệ pha theo nhiệt độ của nhôm ACD12
Trường ðại học Nụng nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ kỹ thuật ... 75
Hình 4.4: Enthalpy của vật liệu nhôm ACD12
Trường ðại học Nụng nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ kỹ thuật ... 76
- Nhiệt độ nóng chảy của nhôm ACD12: 663oC - Nhiệt độ kết tinh của nhôm ACD12: 491oC
* Vật liệu làm khuôn Cr5Mo1V (t−ơng đ−ơng thép SKD11)
Hình 4.6: Biểu đồ Hệ số dẫn nhiệt của vật liệu khuôn
Trường ðại học Nụng nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ kỹ thuật ... 77
Hình 4.8: Tỷ lệ pha theo nhiệt độ của vật liệu làm khuôn 4.3.3. Điều kiện biên
Sử dụng số liệu mụ hỡnh sơ bộ ủể xỏc ủịnh cỏc tham số dũng chảy kim loại hợp kim ACD12. Kết quả tớnh toỏn sơ bộ cỏc tham số chớnh như sau:
Tốc ủộ tại cửa nạp bằng 6,5 m/s; Tốc ủộ tại cửa phun bằng 50 m/s; Áp lực bơm tại xi lanh 250 bar; Lực khúa khuụn 220 tấn.
Chỳ ý: Tiờu chuẩn tối ưu phải là thời gian ủiền ủầy cỏc sản phẩm gần bằng nhau, tại thời ủiểm kết thỳc ủiền ủầy, nhiệt ủộ kim loại lỏng trong lũng khuụn vẫn trờn nhiệt ủộ kết tinh. Nếu khụng ủỏp ứng yờu cầu, ủiều chỉnh dũng chảy kim loại thụng qua ủiều chỉnh hỡnh dỏng kớch thước rónh dẫn và cửa phun.
Với các kích th−ớc sơ bộ của lòng khuôn trong các tính toán, thiết kế khuôn ở trên, lựa chọn các chi tiết cơ bản để mô phỏng: khuôn giữa, khuôn trên, khuôn d−ới. Các chi tiết còn lại nh− tấm gá động, tấm gá tĩnh, tấm đẩy,
Trường ðại học Nụng nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ kỹ thuật ... 78
chốt, bulông, ty đẩy, theo tiêu chuẩn của máy đúc áp lực 350T. Các lỗ khoan phục vụ cho gá lắp không mô phỏng trong bài toán này.
Điều kiện biên nhiệt:
- Khối khuôn nguội trong không khí 40oC - Bề mặt lòng khuôn sau khi sấy đạt 250oC - Làm nguội vật đúc bằng đ−ờng n−ớc 20oC Điều kiện biên dòng chảy
- Vận tốc cửa nạp: 6,5 m/s - Vận tốc cổng: 50m/s
- Tốc độ khi bắn max: 44,5Kg/s - Nhiệt độ khi bắn: 700oC. - Đầu nạp (Inlet): 95 Kg/s
- Biên ngoài (Wall): Vn=0; Vs=0.
- Mặt phẳng đối xứng (Symmetry): Vn=0, Fs=0.
- Bề mặt không tác động (Free Surface): Fs=0, Fn=0, V.n=0. - Đầu ra (Outlet): Fn=0, Vs=0.
Hình 4.9. Mô hình vật đúc và điểm đặt đầu vào
Trường ðại học Nụng nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ kỹ thuật ... 79
Hình 4.10: Vị trí các điều kiện biên
Điều kiện biên tính bền - áp lực lòng khuôn
- Nhiệt độ bề mặt khuôn lớn nhất: 650oC
Với các tham số tính toán và tra cứu sơ bộ, nhập dữ liệu đầu vào trong ch−ơng trình Procast:
- Tiết diện cổng vào - Tốc độ đầu nạp
- Thời gian tăng chậm (giai đoạn 1) - Thời gian tăng áp (giai đoạn 2) - Thời gian giữ áp
4.4. Kết quả mô phỏng và phân tích
4.4.1. Khảo sỏt nhiệt ủộ
Kết quả nghiờn cứu trỡnh bày ở hỡnh 4.12. Nhiệt ủộ kim loại sau khi ủiền ủầy hết lũng khuụn vẫn cũn nằm trờn nhiệt ủộ ủường ủặc. Như vậy, nhiệt ủộ kim loại bảo ủảm cho sự kết tinh khụng bị rỗ xốp trong vật ủỳc; nhiệt ủộ tại
Wall
Trường ðại học Nụng nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ kỹ thuật ... 80
cỏc vựng của 1 chi tiết cũng gần bằng nhau, nờn sau khi nguội sự chờnh cỏc tớnh chất cơ học khụng lớn.
Hỡnh 4.11. Kết quả mụ phỏng nhiệt ủộ
Nhiệt ủộ kim loại giảm ủều trờn 6 chi tiết. Như vậy, nhiệt ủộ kim loại bảo ủảm cho sự kết tinh khụng bị cong vờnh trong vật ủỳc
Trường ðại học Nụng nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ kỹ thuật ... 81
Hỡnh 4.12. Thời gian ủiền ủầy
Hỡnh 4.13.Thời gian kết tinh sau khi ủiền ủầy
Thời gian kết tinh của khung cụng tơ : 1,49 s Thời gian kết tinh của rónh dẫn: 1,9 s
Thời gian kết tinh của ủầu nạp: 4s
→Chọn thời gian giữ ỏp cho kết tinh là: 3,8 s.
Số liệu nghiờn cứu giỳp cho việc tối ưu húa cụng nghệ, hợp lý húa kết cấu khuụn và nhất là cho thời gian cần thiết ủể làm số liệu xỏc ủịnh tham số ủiều khiển PLC.
Trường ðại học Nụng nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ kỹ thuật ... 82
Nhận xét sau khi tối −u thiết kế:
- Sau thời gian 1,492s điền đầy lòng khuôn
- Nhiệt độ khu bơm phun vào lòng khuôn luôn ở trên nhiệt độ tới hạn TL, - Sau 3,8s nhiệt độ nguội đều trên chi tiết và gần đồng đều trên các chi tiết. Phần khung bảo đảm nhiệt độ đồng nhất.
4.4.2. Khảo sỏt dũng chảy
Hỡnh 4.15 biểu diễn hỡnh mụ phỏng dũng chảy qua cỏc bước. Mụ phỏng cho phộp quan sỏt ủược dũng chảy của kim lọai lỏng theo thời gian. Kết quả mụ phỏng thiết kế ban ủầu nhận thấy kim loại lỏng ủiền ủầy lần lượt từ chi tiết gần ủậu rút, sau mới ủến chi tiết xa. Nhận thấy dũng chảy chưa hợp lý, ủề tài ủó chỉnh sửa lại mụ hỡnh, kớch thước ủường dẫn và cửa phun. Chạy mụ phỏng nhiều lần, tối ưu húa quỏ trỡnh tớnh toỏn dũng. Cuối cựng tỡm ủược sự bố trớ cỏc rónh dẫn và cửa phun tương ủối hợp lý, nờn kim loại lỏng phun vào lũng khuụn và kết thỳc ủiền ủầy gần như cựng thời ủiểm, như vậy, bảo ủảm cho quỏ trỡnh nhiệt ủồng ủều.
Kết quả: Sau khi khảo sỏt cỏc tham số (thay ủổi tiết diện rónh dẫn, cổng vào,…), qua cỏc kết quả mụ phỏng lựa chọn thụng số tối ưu cho thiết kế khuụn ủỳc như sau:
- Tốc ủộ tại cửa nạp bằng 6,5 m/s; - Tốc ủộ tại cửa phun bằng 50 m/s; - Tiết diện ủường dẫn là: 112 mm2; - Tiết diện cửa phun là: 32mm2; - Thời gian ủiền ủầy là: 1,492 giõy; - Áp lực bơm tại xi lanh 280 bar; - Lực khúa khuụn 220 tấn.
Trường ðại học Nụng nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ kỹ thuật ... 83
Hỡnh 4.14. Kết quả mụ phỏng dũng chảy, thời gian ủiền ủầy
Trường ðại học Nụng nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ kỹ thuật ... 84
Phân tích các b−ớc:
Hình 4.15. Sau 0,004 giây, dòng chảy điền đầy r_nh dẫn chính dòng chảy vào r_nh dẫn phụ và bắt đầu tới cửa phun thực hiện quá trình điền đầy
lòng khuôn.
Hình 4.16. Sau 0,0122 giây, điền đầy khoảng 50% lòng khuôn
Trường ðại học Nụng nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ kỹ thuật ... 85
Hình 4.17. Sau 0,016 giây, điền đầy khoảng 70% lòng khuôn
Hình 4.18. Sau thời gian 1, 492 giây kim loại điền đầy lòng khuôn, không còn chỗ trống
Trường ðại học Nụng nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ kỹ thuật ... 86
.
Hình 4.19. Đến 1,492 giây (tính từ sau khi điền đầy) phần chi tiết kết tinh hoàn thành, còn phần r_nh dẫn
Hình 4.20. Đến 3,6s (tính từ sau khi điền đầy hoàn toàn) vật đúc kết tinh hoàn toàn.
Trường ðại học Nụng nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ kỹ thuật ... 87
4.4.3. Khảo sát vectơ vận tốc
Hình 4.21. Hình khảo sát tốc độ dòng
Qua khảo sát vec tơ vận tốc vào thời điểm kim loại chảy vào phần đế, nhận thấy tốc độ chảy theo h−ớng tiếp tuyến, không xói vào khuôn. Vận tốc max 189m/s. Kim loại từ vành dẫn phun vào các cánh đ−ợc khống chế theo tốc độ quy định d−ới 200m/s.
Trường ðại học Nụng nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ kỹ thuật ... 88
Hình 4.23. Tốc độ dòng tại thời điểm đ_ điền đầy 1 phần lòng khuôn
Trường ðại học Nụng nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ kỹ thuật ... 89
Hình 4.25. Tốc độ dòng tại điểm kết thúc phun
Đến cuối giai đoạn phun điền đày, do phần kim loại tiếp xúc lòng khuôn đ2 đông đặc nên thu hẹp dòng chảy, làm cho tốc độ dòng ở những vùng đ−ợc phun ép cuối tăng lên đến khoảng 236 m/s.
Nh− vậy, qua mô phỏng vận tốc, ta thấy dòng chảy kim loại là chảy tầng. Đây là yếu tố quan trọng, tránh gây ra hiện t−ợng không điền đầy lòng khuôn.
So sánh 2 kết quả
Sử dụng 2 kết quả kết cấu lòng khuôn và r2nh đẫn, kết quả phun trục tiếp điền đầy tong chi tiết và kết quả phun cùng lúc toàn bộ chi tiết.
Trường ðại học Nụng nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ kỹ thuật ... 90
Nhận xét:
Dòng chảy kết quả (1) điền đầy cụm sản phẩm đầu tiên rồi mới điền đầy cụm sản phẩm tiếp theo. Nh− vậy, sẽ xuất hiện hiện t−ợng nguội không đều, dẫn đến:
- Vật đúc sẽ có khuyết tật nh− nứt, vỡ - Cơ tính không đảm bảo
- Độ bền khuôn thấp
Dòng chảy kết quả (2) đồng thời vào các cửa phun cùng một lúc. Sự điền đầy các lòng khuôn gần nh− cùng thời điểm. Do vậy sẽ tránh đ−ợc các khuyết tật trên.
Trường ðại học Nụng nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ kỹ thuật ... 91
Kết luận ch−ơng 4
Việc tính toán thiết kế bằng ph−ơng pháp kinh điển đòi hỏi phải chế thử và cần có nhiều kinh nghiệm, trong điều kiện kinh tế thị tr−ờng việc làm đó gây tốn kém thời gian, kinh phí, làm tăng giá thành sản phẩm và nhiều khi mất cơ hội nhận đặt hàng. Chính vì vậy, trong thời đại CNTT, nhiều phần mềm công nghiệp phục vụ công nghệ đúc và đúc áp lực đ2 bán trên thị tr−ờng, nên việc ứng dụng kỹ thuật mô phỏng, theo ph−ơng pháp thiết kế công nghệ hiện đại để giảm thiểu các chi phí và nhanh chóng đ−a sản phẩm ra thị tr−ờng là điều cần thiết.
Phần mềm ProCAST đáp ứng yêu cầu, cho phép mô phỏng các quá trình xảy ra khi đúc áp lực cao. Phần mềm có thể tính đ−ợc dòng chảy kim loại lỏng để tối −u hóa đ−ợc các kênh dẫn và cửa phun; có môđun tính nhiệt để xác định đ−ợc điều kiện nhiệt động trong quá trình kết tinh, thời gian kết tinh, bảo đảm các phần của chi tiết đ−ợc điền đầy đủ và nguội đều, từ đó cho chất l−ợng sản phẩm tốt.
Luận văn đ2 học và nắm đ−ợc cách sử dụng phần mềm mô phỏng tối −u công nghệ đúc áp lực cao và ứng dụng giải quyết công nghệ đúc áp lực cao cho khung công tơ điện.
Để tối −u hóa, tác giả đ2 phải sử dụng ph−ơng pháp lặp.
Tr−ớc hết, thiết kế sơ bộ, tính toán theo các công thức kinh điển của sổ tay và kinh nghiệm thực tế, mô hình thiết kế đ−ợc đ−a vào phần mềm để tính toán mô phỏng. Kết quả cho thấy, các yêu cầu tối −u dòng chảy và nhiệt độ đều không đạt. Nguyên nhân là việc chọn các thông số ch−a hợp lý, nh− tiết diện kênh dẫn, tốc độ phun, phân phối dòng chảy.
Sau khi mô phỏng, phân tích các kết quả, chỉnh sửa bản thiết kế và mô phỏng lại quá trình đúc. Nhận thấy, các thông số chọn đ2 t−ơng đối hợp lý, tốc độ chảy đ2 bảo đảm đ−a đều kim loại vào lòng khuôn. tốc độ phun vào khuôn theo đúng thiết kế, nhiệt độ kim loại đ−ợc khống chế theo yêu cầu của hợp kim đúc, bảo đảm nhiệt đồng đều cho các chi tiết khi nguội…
Từ đó có thể kết luận, việc tối −u hóa công nghệ có tác dụng rất lớn, tính toán hợp lý hóa các thông số hình học, kết cấu khuôn nhờ tối −u dòng chảy và nhiệt độ.
Trường ðại học Nụng nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ kỹ thuật ... 92
KếT LUậN
1.Đúc áp lực cao là một công nghệ tiên tiến đ−ợc áp dụng tại các n−ớc gần chục năm nay. Việc ứng dụng đúc áp lực cao đúc khung công tơ là một việc có ý nghĩa thực tiễn. Nh−ng, khó khăn nhất hiện nay là việc thiết kế khuôn đúc áp lực ở Việt Nam ch−a làm đ−ợc. Trong khi đó các n−ớc đ2 sử dụng công nghệ mô phỏng để khảo sát tối −u công nghệ từ đó thay cho khâu chế thử, đ2 rút ngắn đ−ợc thời gian và kinh phí, tạo điều kiện nhanh chóng đ−a sản phẩm ra thị tr−ờng. Việc nghiên cứu áp dụng phần mềm Solidworks và ProCAST để thiết kế chính xác một kết cấu của bộ khuôn đúc áp lực cao trên cơ sở nghiên cứu và khảo sát dòng chảy của kim loại lỏng chảy trong lòng khuôn sẽ mở ra một giai đoạn đ−a công nghệ cao vào thiết kế chế tạo khuôn đáp ứng xu thế kinh tế thị tr−ờng.
2. Tr−ớc hết cần nghiên cứu cơ sở lý thuyết dòng chảy kim loại, các yếu tố công nghệ khi đúc áp lực cao, bảo đảm các yêu cầu khi đúc dòng chảy chảy đều vào các lòng khuôn, cùng một thời gian để khi kết tinh cùng một nhiệt độ, từ đó bảo đảm chất l−ợng vật liệu trong một chi tiết và các chi tiết trong cùng mẻ đúc. Các yếu tố công nghệ chính là tốc độ dòng chảy, thời gian điền đầy lòng khuôn, nhiệt độ kim loại, đ−ợc tính toán sơ bộ cho khuôn ban đầu, với các thông số tính toán.
3.Trên cơ sở tính toán sơ bộ, mô hình đ−ợc đ−a vào ProCAST mô phỏng quá trình chảy của kim loại, tính nhiệt, tính thời gian điền đầy khuôn, kết quả cho thấy, thiết kế sơ bộ ch−a tối −u. Theo điều kiện tối −u công nghệ, chỉnh sửa lại các thông số công nghệ, điều chỉnh hình dáng kích th−ớc của r2nh dẫn và cửa phun. Kết quả cho thấy, sau khi tối −u hóa công nghệ, dòng chảy kim loại đi đều vào các lòng khuôn, tốc độ phun đều và đáp ứng yêu cầu, thời gian điền đầy các lòng khuôn là nh− nhau. Từ đó có thể kết luận, khuôn thiết kế đáp ứng yêu cầu và bảo đảm chất l−ợng sản phẩm đúc.
Trường ðại học Nụng nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ kỹ thuật ... 93
4.Luận văn sử dụng 2 phần mềm: Phần mềm Solidworks để thiết kế mô hình 3D vật đúc với kết cấu chùm 6 sản phẩm, cùng r2nh dẫn, cửa phun và phần chứa kim loại thừa. Nhờ phần mềm, có thể xác định mặt phân khuôn và tạo lòng khuôn theo đúng yêu cầu, xét đến độ co ngót của vật liệu và độ d2n nở nhiệt của sản phẩm. Vật đúc và khuôn đ−ợc đ−a vào phần mềm ProCAST mô phỏng dòng chảy, nhiệt độ, thời gian kết tinh. Phần mềm cho phép lấy ra đ−ợc các số liệu tính toán chính xác, sát đúng với mô hình sản phẩm. Nhờ mô phỏng đ2 tối −u đ−ợc kết cấu r2nh dẫn và cửa phun, bảo đảm nhiệt độ kim loại, tốc độ phun và thời gian phun đáp ứng yêu cầu.
Trường ðại học Nụng nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ kỹ thuật ... 94
TàI LIệU THAM KHảO
1. Nguyễn Hữu Dũng, 2004, Các ph−ơng pháp đúc đặc biệt, nhà xuất bản KHKT.
2. D−ơng Trọng Hải, 2000, Cơ sở lý thuyết các quá trình đúc, nhà xuất bản KHKT.
3. Nguyễn Khắc X−ơng, 2003, Vật liệu kim loại màu, nhà xuất bản KHKT. 4. Monaghan, J. J. (1992). Ann. Rev. Astron. Astrophys., 30, 543.
5. Paul W.Cleary, Joseph HA, Mahesh Prakash and Thang Nguyen, "SPH: A new way of modelling high pressure die casting",Third International Confence on CFD in the Minerals and Process Industries, CSIRO, Melbourne, Australia, 10=12 Dec 2003, p421-426.
6. Paul W. Cleary and Joseph Ha, Modelling the High Pressure Die Casting Process Using SPH, CRC for Cast Metals Manufacturing (CAST), CSIRO Mathematical and Information Sciences, Victoria, Australia.
7. Paul W. Cleary a and Joseph Ha, Three-Dimensional SPH Simulation of Light Metal Components, CSIRO Mathematical and Information Sciences, Victoria, Australia , CRC for Cast Metals Manufacturing (CAST)
8. Paul W. CLEARY1, Joseph HA1, Mahesh PRAKASH1 and Thang NGUYEN2, SPH: A NEW WAY OF MODELLING HIGH PRESSURE DIE CASTING, Third International Conference on CFD in the Minerals