4. Ph−ơng pháp nghiên cứu:
3.4.1. Hình dáng và các bộ phận cơ bản của khuôn
Trường ðại học Nụng nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ kỹ thuật ... 57
Theo JIS H2212 (1990) kết cấu của một bộ khuôn đúc áp lực cao bao gồm các bộ phận cơ bản sau: Hình 3.9: Kết cấu khuôn đúc áp lực 1. Bệ khuôn động 2. Bulông 3. Đệm điều chỉnh 4. Tấm đẩy 5. Trụ dẫn 6. Bạc dẫn 7.Bulông ghép khuôn 8. Căn khuôn 9.Tấm định vị khuôn động 10.Tấm gá khuôn tĩnh 11. Bệ khuôn tĩnh 12. Bulông 13.Tấm định vị khuôn tĩnh 14. Bạc rót. 15. Đầu phân l−u
16. Bạc ren 17. Bulông 18. Trụ dẫn h−ớng 19. Bạc dẫn h−ớng 20. Tấm gá khuôn động 21. Tấm đệm khuôn động 3.4.2. Bố trí r_nh dẫn, lòng khuôn Các cách bố trí lòng khuôn đúc áp lực: Hình 3.10: Cách bố trí lòng khuôn
(1)- Bố trí lòng khuôn tiêu chuẩn (2)- Bố trí lòng khuôn đối trọng (3)- Bố trí lòng khuôn đối trọng
Trường ðại học Nụng nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ kỹ thuật ... 58
Vị trí đặt r2nh dẫn, cổng phun phụ thuộc vào kết cấu vật đúc. Đây là vấn đề rất quan trọng, có tính quyết định đến chất l−ợng vật đúc. Nếu vị trí đặt r2nh dẫn hợp lý, vật đúc sẽ đ−ợc điền đầy tốt và không có khuyết tật. Ng−ợc lại, nếu hệ thống rót không hợp lý, rất dễ sinh ra các loại khuyết tật trong vật đúc. Với máy đúc áp lực 350T, khối l−ợng vật đúc tối đa là 1,15Kg. Vậy ta bố trí 6 sản phẩm (0,72Kg) là hợp lý. Cách bố trí theo ph−ơng án 1 (hình 3.10).
(1)
(2)
Trường ðại học Nụng nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ kỹ thuật ... 59
Hình vẽ 3.11 giới thiệu một số kiểu đặt r2nh dẫn trong khuôn đúc áp lực cao. Ph−ơng án (1) là ph−ơng án không hợp lý vì dòng kim loại xối thẳng vuông góc với khuôn tĩnh gây nên mất ổn định khuôn. Ngoài ra vùng ảnh h−ởng nhiệt của lòng khuôn chênh lệch lớn dẫn tới hiện t−ợng nguội không đều khi kết tinh. Ph−ơng án (2) là ph−ơng án hợp lý, ph−ơng án tối −u nhất về bố trí r2nh dẫn, tránh đ−ợc mặt dòng chảy và có thể tránh đ−ợc các khuyết tật xảy ra do r2nh dẫn gây nên.
3.4.3. Tính toán cổng vào - r_nh dẫn
Hình 3.12: Cổng phun ảnh r_nh dẫn
Ba kiểu cơ bản biên dạng r2nh dẫn: (1)- Hình tròn
(2)- Hình thang (3)- Hình bán nguyệt
Trường ðại học Nụng nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ kỹ thuật ... 60
* Nguyên tắc tiết diện r2nh dẫn phải thu hẹp từ đầu nạp tới cửa phun, có nh− vậy tránh đ−ợc hiện t−ợng quẩn khí khi đúc (gây nên phế phẩm rỗ, xốp, không điền đầy).
Hình 3.14: Hình nguyên tắc thiết kế r_nh dẫn và cửa phun
* Bố trí cửa phun:
Tuỳ vào mô hình vật đúc bố trí cửa phun sẽ có các cách khác nhau. Với vật đúc cần −u tiên chất l−ợng sản phẩm ở vị trí nào thì bố trí cửa phun −u tiên dòng chảy vào h−ớng đó.
Trường ðại học Nụng nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ kỹ thuật ... 61 (a) (b) (c) (d) (e) (f) Hình 3.15: Các cách bố trí cửa phun
Trường ðại học Nụng nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ kỹ thuật ... 62
- Hình (a): −u tiên h−ớng dòng chảy vào trung tâm vật đúc
- Hình (b): Dòng chảy đều các h−ớng
- Hình (c): −u tiên h−ớng dòng chảy vào vị trí xa nhất cửa vật đúc
- Hình (d): −u tiên h−ớng dòng chảy bên phải vật đúc hình xuyến
- Hình (e), (f): Phân bố đều dòng chảy với vật đúc hình chữ nhật
3.4.4. Điền đầy hốc khuôn
Chế độ điền đầy hốc khuôn có thể đ−ợc phân thành 3 nhóm chính:
- Dòng điền đầy bằng tia tự do (hình 3.16 - a)
- Điền đầy bằng dòng khối (hình 3.16 - b)
- Kết hợp giữa dòng điền đầy bằng tia tự do với điền đầy bằng dòng khối (hình 3.16- c)
Dòng điền đầy bằng tia tự do khi tỷ lệ giữa chiều dày của cổng vào với chiều dày của thành vật đúc là 1:4. Với tỷ lệ >1:4 xuất hiện dòng chảy khối và ng−ợc lại với dòng hỗn hợp
a) b) c)
Hình 3.16: Chế độ điền đầy hốc khuôn
* Sự hình thành sóng khi di chuyển trong buồng bắn
Với quá trình đúc, trong quá trình đầu (slow approach), vật liệu có thể vào khuôn sớm xuất phát từ sóng kim loại hình thành từ dòng chảy. Do đó, một phần vật liệu bị kết tinh đông cứng sớm, sản phẩm đúc sẽ bị rỗ khí, không đảm bảo trong quá trình điền đầy. Do vậy chúng ta phải thiết kế r2nh dẫn hợp lý tránh hiện t−ợng trên.
Trường ðại học Nụng nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ kỹ thuật ... 63
a) b)
Hình 3.17: Sự hình thành sóng khi bắn
a) Sự hình thành sóng khi di chuyển trong buồng bắn b) Dạng vật liệu vào khuôn sớm
* ảnh h−ởng của sự khuyếch tán
Quỏ trỡnh bơm nộn và phun kim loại vào lũng khuụn ảnh hưởng lớn ủến chất lượng vật ủỳc.
Giá trị D là giá trị kiểm tra chất l−ợng của thông số cổng:
a b b a D + ì = a-Chiều dài cổng b-Chiều rộng cổng 0,5 0,75 1 1,25 2,5 5 7,5 10 D (mm) 6 12 18 24 30 36 V?n t?c c?ng (m/s) Poor Good
Hình 3.18: Biểu đồ kiểm tra thông số cổng
Trường ðại học Nụng nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ kỹ thuật ... 64 * Công thức tính toán cổng A G A A .W T V F = FA: Tiết diện của cổng
VA: Thể tích vật liệu qua cổng TG: Thời gian điền đầy khuôn WA: Vận tốc dòng chảy tại cổng
Bảng 3.1: Quan hệ giữa chiều dày thành vật đúc với thời gian điền đầy
Chiều dày thành vật ủỳc (mm) TG (sec)
1,5 0,010-0,030 1,8 0,020-0,040 2,0 0,020-0,060 2,3 0,030-0,070 2,5 0,040-0,090 3,0 0,050-0,100 3,8 0,050-0,120 5,0 0,060-0,200 6,4 0,080-0,300
Ghi chú: Với nhôm, hợp kim nhôm ta lấy giá trị cao nhất. Zn lấy giá trị trung bình. Mg ta lấy giá trị thấp.
Bảng 3.2: Mối quan hệ Vật liệu - Giá trị vận tốc tại cổng ( WA)
Tên vật liệu WA (m/sec)
Zn 30-50
Al 20-60
Mg 40-90
Brass 20-50
Trường ðại học Nụng nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ kỹ thuật ... 65
* Các tham số còn lại
(Thể tích của dòng kim loại: Qf; Tốc độ bắn của Pittong W0; Tiết diện của cổng: fA) và kiểm tra tính tối −u tra trong biểu đồ tính cổng phun
Với sản phẩm khung công tơ
* Tính toán thông số cổng vào
Khối l−ợng sau cổng: G= 0,72/6=0,12 Kg = 120 gam Mật độ: ρ= 2,78 g/cm3
Trung bình chiều dày thành vật đúc: s= 2mm Đ−ờng kính pittong: dk=75 mm
a) Thời gian điền đầy: Tra bảng ta có TG= 50 milli seconds b) Thể tích sau cổng: V= G/p = 120/2,78 = 43,16 cm3. c) Thể tích dòng kim loại: Tra biểu đồ Geting Diagram ta có Qf= 1,6 (dm3/s)
d) Tốc độ bắn của pittong: Với dk=75mm, Tra biểu đồ Geting Diagram ta có W0= 0,4 m/s
e) Tiết diện cổng: Vận tốc trung bình chọn 48 m/s, Tra biểu đồ Geting Diagram ta có tiết diện cổng là: 32 mm2.
Các tham số trên nằm trong vùng tối −u. Vậy các tham số trên đảm bảo cho việc thiết kế khuôn.
Ta chọn chiều dày cổng: a= 2 mm → chiều dài: b= 32/2 = 16 mm 77 , 1 18 32 = = + = b a axb D
Tra biểu đồ ảnh h−ởng của sự khuyếch tán, điểm quan hệ giữa Vận tốc cổng (48m/s) và giá trị D nằm trong vùng tốt (good). Vậy lựa chọn KT cổng trên là phù hợp.
*Tính toán r2nh dẫn (runner)
Sau khi tính toán thông số cổng, các thông số r2nh dẫn tính theo các công thức thực nghiệm sau:
Trường ðại học Nụng nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ kỹ thuật ... 66
-Mối quan hệ giữa diện tích cổng và diện tích r2nh dẫn là: 1:3-1:4
-Mối quan hệ giữa chiều dày cổng và chiều dày r2nh dẫn là: 1:5-1:8 Ghi chú: Tiết diện r2nh dẫn th−ờng lớn hơn tiết diện cổng từ 20-30%. Với tiết diện cổng l32mm2, diện tích r2nh dẫn chọn: 32x3,5= 112 mm2. Chiều dày cổng l 2mm, chiều dày r2nh dẫn chọn: 2x5= 10mm
→ tiết diện chiều rộng r2nh dẫn là: 112/10= 11,2 mm (diện tích = 14x8= 112 mm2)
3.4.5. Góc nghiêng thành lòng khuôn
Góc nghiêng thành lòng khuôn phải hợp lý thì mới đảm bảo cho quá trình dòng chảy đ−ợc thuận lợi cũng nh− đảm bảo quá trình tháo vật đúc sau khi kết tinh ra khỏi khuôn.
Đối với các sản phẩm có gân, vấu lồi, r2nh sâu. . .hay có bề mặt vát thì ta nên thiết kế góc nghiêng theo h−ớng mở của khuôn để chắc rằng sản phẩm sẽ thoát khỏi lòng khuôn một cách dễ dàng .
Giá trị góc nghiêng phụ thuộc vào tính co ngót của nhôm và chiều cao vát. Thông th−ờng giá trị này nằm trong khoảng 0,250 – 30 cho mỗi mặt bên. Tuy nhiên đối với những sản phẩm có chiều cao cần vát từ 5 mm trở xuống thì ta có thể không cần tạo góc thoát khuôn vì ma sát giữa mặt sản phẩm và thành khuôn là không lớn do việc xử lý bề mặt trong quá trình làm nguội nên sản phẩm đ−ợc đẩy ra một cách dễ dàng .
Khi không thiết kế góc thoát khuôn hay thiết kế không đúng thì ma sát giữa bề mặt sản phẩm và mặt khuôn sẽ rất lớn. Khi đó sản phẩm sẽ bị kẹt lại trong khuôn hoặc ty đẩy bị cong, gẫy.
Để xác định góc nghiêng thành lòng khuôn cho vật đúc thì ta có thể dựa vào bảng quan hệ của độ nghiêng thành (góc thoát khuôn) với chiều cao và chiều dày thành (mm):
Trường ðại học Nụng nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ kỹ thuật ... 67
Bảng 3.3: Quan hệ giữa góc nghiêng thành lòng khuôn với chiều cao và chiều dày vật đúc
Hình 3.19: Đồ thị quan hệ giữa góc nghiêng thành lòng khuôn với chiều dày và chiều dài vật đúc
Với cánh đuôi dài 60mm, dày 3mm ta lấy góc nghiêng 1o Phần ống trụ Φ30 dài 170mm, lấy góc nghiêng 3o
Trường ðại học Nụng nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ kỹ thuật ... 68
Trường ðại học Nụng nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ kỹ thuật ... 69
kết luận ch−ơng 3
Trên cơ sở phân tích hình dáng kích th−ớc, các yêu cầu chất l−ợng khung công tơ, đặc điểm đúc áp lực cao, đ−a ra ph−ơng án sơ bộ về công nghệ và khuôn.
- Do chọn máy 350T, nên sử dụng ph−ơng áp đúc 6 chi tiết trên cùng một khuôn.
- Tính toán sơ bộ các thông số dòng chảy, tốc độ phun, l−u l−ợng kim loại xác định các thông số điều khiển hệ thống bơm nén tạo áp lực phun.
- Thiết kế sơ bộ các kích th−ớc và hình dáng của r2nh dẫn và cửa phun theo các thông số dự kiến.
- Dựng hình 3D vật đúc bằng Solidworks, với 2 kích th−ớc khác nhau: kích th−ớc nguội và kích th−ớc nóng, có xét đến độ co ngót của vật liệu.
- Thiết kế khối khuôn, tạo lòng khuôn bằng Mold Design, xác định mặt phân khuôn, các phần chứa khí và vật liệu thừa.
- Chọn các thành phần khác của khuôn theo tiêu chuẩn.
Nh− vậy đ2 dựng đ−ợc bộ khuôn theo tính toán sơ bộ. Vấn đề còn lại là phải sử dụng mô phỏng để tối −u hóa hình dáng kích th−ớc của lòng khuôn, r2nh
Trường ðại học Nụng nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ kỹ thuật ... 70
Ch−ơng 4: KHảO SáT CáC THÔnG Số CÔNG NGHệ Và TốI ƯU CÔNG NGHệ
4.1. Các −u việt của mô phỏng
Thiết kế một bộ khuôn mới để đúc áp lực cao phải qua các b−ớc cơ bản:
Thiết kế khuôn: Thiết kế lòng khuôn theo hình dáng kích th−ớc sản phẩm, có tính đến độ co ngót của vật liệu và kích th−ớc nóng; Thiết kế đ−ờng dẫn và cửa phun, các phần chứa khí hoặc kim loại thừa; Thiết kế các khối khuôn, các chi tiết đẩy, dẫn h−ớng và các chi tiết khác.
Chế tạo khuôn;
Chế thử sản phẩm, nếu chế thử không đạt yêu cầu, phải chỉnh sửa bản vẽ thiết kế và chế thử lại, cho đến khi nào chế tạo ra sản phẩm.
Việc tính toán thiết kế đ−ợc dựa trên các sổ tay kỹ thuật, các kinh nghiệm thực tế và các yêu cầu đối với sản phẩm. Nh−ng, khi thiết kế chỉ tính qua các công thức thực nghiệm đơn giản, không thể tính hết đ−ợc các thông số ảnh h−ởng đến quá trình chảy của kim loại vào lòng khuôn, không xét đ−ợc nhiệt độ tại các mặt cắt khác nhau… Chính vì vậy, sau khi thiết kế phải chế thử, có thể phải chế thử nhiều lần, gây tốn kém kinh phí và thời gian, làm tăng giá thành hoặc sản xuất thất bại.
Ta có thể sử dụng phần mềm chuyên ngành để giải quyết vấn đề này. Phần mềm mô phỏng phục vụ thiết kế khuôn đúc áp lực cao có các −u việt sau:
- Phần mềm sử dụng các tính toán với nhiều tham số, trên mô hình có hình dáng kích th−ớc đúng nh− thực, nên tiệm cận đ−ợc thực tế, các điều kiện biên đ−a vào giải trong mô hình đ−ợc xét đầy đủ với sự biến đổi của các thông số cơ - nhiệt theo điều kiện gần với thực tế nên ít sai số.
- Phần mềm có thể dự báo đ−ợc dòng chảy, tốc độ dòng chảy trong r2nh dẫn, cửa phun và chảy trong lòng khuôn, từ đó cho phép điều chỉnh lại các thông số kích th−ớc hoặc tốc độ để tạo dòng chảy đều không gây chảy rối… từ đó giảm thiểu đ−ợc các khuyết tật khi đúc áp lực. Phần mềm cũng có thể
Trường ðại học Nụng nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ kỹ thuật ... 71
giải đ−ợc bài toán nhiệt, để khảo sát quá trình truyền nhiệt, sự nguội của kim loại trong lòng khuôn, bảo đảm khoảng nhiệt độ ép theo đúng yêu cầu kỹ thuật. Phần mềm cũng có thể tính toán đ−ợc áp lực của kim loại lỏng lên khuôn để kiểm tra lực khóa khuôn…
- Sử dụng phần mềm mô phỏng cho phép tối −u hoá quá trình sản suất, thay đ−ợc quá trình chế thử và sản xuất thử khuôn, rút ngắn thời gian thiết kế khuôn, giảm thiểu kinh phí chế thử, tạo nên giá thành cạnh tranh.
4.2. Phần mềm mô phỏng quá trình đúc áp lực cao –PROCAST
4.2.1. Giới thiệu về Procast
Procast là phần mềm công nghiệp mô phỏng các quá trình đúc áp lực cao, đúc khuôn cát, khuôn kim loại và đúc bán lỏng. Procast mô phỏng các quá trình nhiệt, dòng chảy kim loại, ứng suất và biến dạng, cấu trúc tế vi, trên mô hình 3D.
Khi đ2 thiết kế đ−ợc mô hình 3D lòng khuôn và bộ khuôn, có thể Import vào phần mềm và sử dụng các mô đun để có thể xác định quá trình điền đầy, quá trình kết tinh, ứng suất nhiệt …
Các mô đun cơ bản:
Mesh CAST dùng nhập mô hình và chia l−ới phần tử hữu hạn;
PreCAST dùng để nhập mô hình vật liệu, các điều kiện ban đầu và điều kiện biên, tham số chu trình;
DataCAST là mô đun thiết lập các dữ liệu;
ProCAST là mô dun phân tích, chọn kiểu tính toán phân tích;
Trường ðại học Nụng nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ kỹ thuật ... 72
4.2.2. Sơ đồ bài toán
Các b−ớc giải bài toán trong Procast:
- Nhập mô hình hình học, chia l−ới (Geometry) - Nhập mô hình vật liệu (Materials)
- T−ơng quan giữa các bề mặt tiếp xúc (Interfaces) - Nhập điều kiện biên (Boundary)
- Nhập quá trình đúc (Process)
- Nhập điều kiện ban đầu (Initial Cond) - Chạy tham số (Run Parameters)
4.2.3. Nguyên tắc mô phỏng tối −u đúc áp lực cao
- Bài toán cơ bản của quá trình đúc áp lực cao là bài toán dòng chảy kim loại ở nhiệt độ cao. Đối với đúc áp lực cao, dòng chảy đ−ợc giả thiết là dòng chất lỏng Newton. Trong quá trình thiết kế dòng chảy, đ2 tính đến dòng kim