4. Ph−ơng pháp nghiên cứu:
2.2.1. Kết cấu khuôn
Đúc áp lực là một công nghệ tiến tiến đem lại hiệu quả và năng suất cao song công nghệ này lại yêu cầu khuôn đúc phải có kết cấu thật hợp lý, đặc biệt là hệ thống r2nh dẫn, cửa phun, hợp kim dùng để đúc phải có tính đúc tốt. Do đó để thiết kế kết cấu khuôn đúc đ−ợc chính xác và tận dụng triệt để kim loại lỏng thì việc nghiên cứu, tính toán thiết kế lòng khuôn và các thông số công nghệ là vô cùng cần thiết.
Mô hình bài toán đ−ợc đặt ra nh− sau: Số liệu đầu vào đ2 có là: Máy đúc CHF-350T-CL(lực ép danh nghĩa 350T, trọng l−ợng lớn nhất của vật đúc là 1,15kg, diện tích chiếm hình là 1420cm2), hợp kim đúc ACD12, nhiệt độ rót khuôn 7000C.
Đầu ra cần phải tính đ−ợc các thông số sau:
o R2nh dẫn
o Cửa nạp
o Thời gian điền đầy khuôn
o áp suất thuỷ động của kim loại lỏng lên thành khuôn
o Tốc độ nạp
Trường ðại học Nụng nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ kỹ thuật ... 36
o Lực khoá khuôn
o Lực tách khuôn
o Thời gian ép tĩnh
o Hệ thống thoát hơi
o Thời gian dẫn nhiệt quá nhiệt
Hình 2.3: Sơ đồ kết cấu khuôn đúc áp lực cao 2.2.2. Tính toán thiết kế lòng khuôn đúc Solidworks
Lòng khuôn đúc tạo thành vật đúc gồm: hệ thống đậu rót, r2nh dẫn, cửa phun, phần chứa kim loại thừa và khí…
2.2.2.1. Thiết kế hệ thống rót
Do đặc điểm kết tinh của kim loại trong đúc áp lực cao là không thể tạo điều kiện đông đặc có h−ớng, do đó phải tạo điều kiện cho vật đúc đông đặc đồng thời. Mặt khác, kim loại lỏng điền đầy khuôn trong khoảng thời gian vô cùng ngắn, bởi vậy thiết kế hệ thống rót cần tuân thủ
Trường ðại học Nụng nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ kỹ thuật ... 37
những nguyên tắc sau:
•Qu2ng đ−ờng chuyển động của kim loại lỏng trong khuôn là ngắn nhất có thể đ−ợc.
•Diện tích r2nh dẫn thu hẹp dần từ buồng ép tới hốc khuôn, hệ thống rót thu hẹp dần có tác dụng làm giảm sự quẩn khí vào vật đúc, đồng thời làm tăng tốc độ dòng điền đầy.
Điều khác biệt giữa 2 hệ thống rót của 2 kiểu buồng ép là trong kiểu nằm ngang, hệ thống rót không có phần nối trung gian từ buồng ép đến r2nh dẫn. Khi đó đ−ờng đi của kim loại lỏng sẽ ngắn hơn, tránh đ−ợc hiện t−ợng nguội sớm của kim loại trong buồng ép.
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. Trong buồng ép nằm ngang, diện tích kênh nạp tính bằng diện tích buồng ép.
Hệ thống rót bên trong đ−ợc sử dụng đối với vật đúc có lỗ ở tâm kích th−ớc lớn cho phép đặt các kênh dẫn và r2nh dẫn ở đó. Hệ thống rót kiểu này th−ờng áp dụng cho khuôn đúc chiếc một, làm giảm đáng kể kích th−ớc khuôn ép.
Hệ thống rót ngoài đ−ợc áp dụng phổ biến nhất. Đây là biện pháp có thể ép một lần vào nhiều lòng khuôn. Để làm đ−ợc việc đó, trong hệ thống rót, ng−ời ta còn bố trí thêm một ụ tích kim loại vừa có tác dụng phân phối kim loại lỏng vừa có tác dụng duy trì nhiệt độ ổn định ở r2nh dẫn.
2.2.2.2. Tính toán rKnh dẫn
R2nh dẫn là thành phần cơ bản nhất của hệ thống rót, nơi kim loại lỏng đổ trực tiếp vào lòng khuôn. Mô hình minh họa vị trí r2nh dẫn nh− trên hình2.4.Diện tích thiết diện ngang của r2nh dẫn quyết định tốc độ nạp kim loại.
Trường ðại học Nụng nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ kỹ thuật ... 38
Hình 2.5: Vị trí r_nh dẫn trong khuôn đúc
Chiều dày r2nh dẫn quyết định động học quá trình điền đầy và khả năng ép trong buồng ép.
Việc tính toán r2nh dẫn ở đây không phải là thiết kế chính xác hình dạng và kích th−ớc r2nh dẫn mà chỉ với mục đích tìm ra kích th−ớc min, với kích th−ớc này trong quá trình thực hành chế thử ta có thể sửa để tạo ra r2nh dẫn có hình dạng phù hợp và kích th−ớc hợp lý tạo ra sản phẩm.
Mô phỏng chi tiết ở dạng 3D, sau đó định nghĩa với vật liệu bằng phần mềm Solidworks ta tìm ra đ−ợc khối l−ợng của chi tiết.
Theo tài liệu [5] diện tích mặt cắt ngang r2nh dẫn đ−ợc tính theo công thức
Frd= mvd/k (2.1) Trong đó: Frd – diện tích mặt cắt ngang r2nh dẫn
mvd – khối l−ợng của chi tiết (kg)
k - hệ số phụ thuộc vào độ phức tạp của vật đúc (kg/m2) Tra bảng 15 [5] đối với chi tiết phức tạp thì k = 1,25.104 kg/m2.
R2nh dẫn đ−ợc phân thành 2 nhánh tiếp xúc một cạnh của chi tiết. Ta chọn mặt cắt ngang có dạng hình chữ nhật và r2nh dẫn phân đôi, tạo thành đ−ờng tiếp xúc một cạnh của chi tiết, nhằm mục đích là kim loại chảy dễ dàng
Trường ðại học Nụng nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ kỹ thuật ... 39
vào trong khuôn, giảm khả năng nguội sớm của kim loại lỏng và tăng tuổi thọ
cho khuôn. Chọn chiều dày của r2nh dẫn là δrd, bề rộng của mỗi r2nh dẫn là: b b = Frd /2δrd (2.2)
Chiều dài r2nh dẫn theo [5] thì nên chọn từ 2ữ2.5 mm.
Các bán kính góc l−ợn nên lấy trong khoảng từ 0,5 đến 5 mm để đảm bảo sự chuyển động êm dịu của kim loại vào lòng khuôn và tăng độ bền cho khuôn.
2.2.2.3. Tốc độ nạp và tốc độ phun ép
Tốc độ chảy của kim loại trong r2nh dẫn vn gọi là tốc độ nạp và tốc độ chảy của kim loại trong buồng ép ve gọi là tốc độ ép. Minh hoạ nh− hình 2.6
Đây là 2 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 liên quan lẫn nhau theo ph−ơng trình dòng liên tục. Theo [5] tr20 ta có:
Vn.fn = ve.fe (2.3) Trong đó fn và fe là diện tích thiết diện ngang của r2nh dẫn và buồng ép, m2.
Trường ðại học Nụng nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ kỹ thuật ... 40
2.2.2.4. Xác định tốc độ của dòng kim loại, tốc độ pittông bắn ép và thời gian bắn ép
Xác định tốc độ của dòng kim loại bắn ép là vô cùng quan trọng, việc xác định này đảm bảo cho dòng kim loại điền đầy khuôn tr−ớc khi kết tinh, tốc độ bắn ép phụ thuộc vào nhiều yếu tố và rất khó có thể xác định chính xác, ở đây ta chỉ tính tốc độ trung bình tại mặt cắt ngang của r2nh dẫn. Theo tài liệu [5] tr165 thì vận tốc phun với hợp kim nhôm hợp lý nằm trong khoảng từ 35 ữ 105 m/s, để đảm bảo tốt nhất ta nên chọn tốc độ là cao nhất nghĩa là tốc độ phun kim loại vào lòng khuôn vp = 105 m/s. Với vận tốc phun vào lòng khuôn nh− vậy, ta hoàn toàn có thể xác định đ−ợc tốc độ của pittông bắn ép theo ph−ơng trình bảo toàn khối l−ợng:
FPT.vPT = Frd. vp (2.4)
ở đây FPT là diện tích mặt cắt ngang của pittông, vPT là vận tốc trung bình của pittông.
Xác định đ−ợc vận tốc của pittông là cơ sở ban đầu để cài đặt vận tốc ban đầu của pittông.
Thời gian bắn ép đ−ợc xác định theo công thức sau:
tbe = V/FPT.vPT (2.5) ở đây V là thể tích của chi tiết.
2.2.2.5. Xác định lực ép
Cần phải xác định áp lực cần thiết để đẩy kim loại điền đầy lòng khuôn. Theo bảng 16 [5] thì đối với hợp kim nhôm, áp lực cần thiết vào khoảng 35.106ữ 85.106N/m2, do vật liệu ở trạng thái lỏng nên ta chọn với áp suất lớn nhất có thể, vậy p = 85.106 N/m2. Đ−ờng kính của pittông là D = 0,075m.
Cần phải xác định lực cần thiết để bẻ g2y các thiên tích nhánh cây, tạo nhỏ hạt điền đầy khuôn, loại trừ rỗ xốp, lõm co. Nh− ch−ơng 2 đ2 trình bày, ứng suất t−ơng đ−ơng phải lớn hơn giá trị τ0 nào đó thì ứng xử của vật liệu mới là ứng xử của dòng. Đối với vật liệu ADC12 thì τ0 = 18.106 N/m2.
Trường ðại học Nụng nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ kỹ thuật ... 41
Nếu coi cả hệ thống gồm 6 sản phẩm và hệ thống rót là một chi tiết thì chi tiết này là một chi tiết đối xứng trục, có trục đối xứng trùng với trục của bạc rót.
Công thức tính toán lực: áp lực nén trung bình đ−ợc tính cho vật đối xứng trục theo công thức sau:
o o tb h h R P 2 π σ = (2.6)
Trong đó P là áp lực ép kim loại
R là bán kính hình chiếu chi tiết trên mặt phẳng nằm ngang; h0 là chiều cao chi tiết tr−ớc khi ép;
h là chiều cao chi tiết sau khi ép.
Nh− vậy để đảm bảo ứng xử của vật liệu nh− dòng ta phải có:
0 τ σtb > hay P > 0 2 0 . h h R π τ
Do không có sự thay đổi lớn về chiều cao chi tiết nên bỏ qua tỷ số h/h0. Bán kính lớn nhất ở đây chính là bán kính của vòng ngoài cùng chi tiết
2.2.2.6. Xác định thời gian dẫn nhiệt quá nhiệt
Quá trình điền đầy lòng khuôn đ−ợc coi là hoàn hảo nếu sau khi rót kim loại bắt đầu điền đầy mà vẫn ch−a có một phần nhỏ kim loại nào đ2 bắt đầu đông đặc. Điều này xảy ra chỉ khi vật đúc điền đầy ở chế độ quá nhiệt.
Trường ðại học Nụng nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ kỹ thuật ... 42
Điều kiện đặt ra để giải quyết là:
- Kim loại đ−ợc phun vào lòng khuôn ở trạng thái lỏng, có nghĩa là nhiệt độ khi kim loại điền đầy toàn bộ lòng khuôn phải trên nhiệt độ nóng chảy.
- Khi kim loại đ−ợc phun vào lòng khuôn với tốc độ bảo đảm ch−a làm cho nhiệt độ nguội d−ới đ−ờng đặc.
Vấn đề này đ−ợc giải quyết nh− sau: Nếu ta tính đ−ợc thời gian quá nhiệt của kim loại lỏng lớn hơn thời gian điền đầy khuôn thì nhiệt độ phần điền đầy sau cùng vẫn sẽ nằm trên nhiệt độ đ−ờng đặc. Khi đó có thể kết luận đ−ợc những thông số đ2 chọn và thời gian điền đầy tính toán đ−ợc là hoàn toàn hợp lý. Còn không sẽ phải chọn lại các thông số nh− nhiệt độ rót khuôn, nhiệt độ sấy khuôn...và tính lại thời gian điền đầy khuôn cho phù hợp với thời gian quá nhiệt của kim loại lỏng.
Thời gian dẫn nhiệt quá nhiệt đ−ợc tính theo công thức : 1 1 0 r k kt k c . . T T ln T T r d - t = a - (2.7) Trong đó :
C1- nhiệt dung riêng của kim loại lỏng 0,26Kcal/kg.độ = 0,302W.h/kg.độ ρ - khối l−ợng riêng của kim loại lỏng 2,8.10-3kg/cm3
δ0 - nửa chiều dày thành vật đúc 0,6cm
α - hệ số truyền nhiệt tiếp xúc khuôn - vật đúc.17,45W/cm2.độ
Tr, Tkt, Tk - lần l−ợt là nhiệt độ rót 7200C, nhiệt độ kết tinh 5500C và nhiệt độ khuôn 1200C.
Nh− vậy đối chiếu với kết quả tính thời gian điền đầy là tdd = 0,2s ta có thể kết luận rằng kim loại lỏng đ2 điền đầy hết lòng khuôn khi còn ở trong trạng thái lỏng.
Trường ðại học Nụng nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ kỹ thuật ... 43
2.2.2.7. Cơ sở công nghệ tính toán cơ cấu ép và cơ cấu khoá khuôn
Cơ cấu ép trong máy đúc áp lực là yếu tố quan trọng, đảm bảo cho các điều kiện nhiệt, điều kiện thuỷ lực của quá trình điền đầy và quá trình ép kim loại. Thành phần chủ yếu của cơ cấu ép chính là hệ thống bơm, van thuỷ lực và piston ép.
Tốc độ ép, tức là tốc độ của piston ép không tính đến trở lực thuỷ lực của kim loại lỏng trong hệ thống rót và khuôn, phụ thuộc vào l−ợng chất lỏng công tác đ2 sử dụng chảy qua một ống dẫn có đ−ờng kính d. Sau khi piston ép đ−ờng kính Dn v−ợt qua và bịt kín lỗ rót của buồng ép thì chất lỏng công tác mới đ−ợc cấp vào xilanh ép. Muốn vậy chất lỏng công tác từ bình chứa đi vào xilanh phải qua một ống dẫn hẹp có đ−ờng kính d0 để đảm bảo cho piston ép Dn chuyển động một cách từ từ.
Tốc độ ép đ−ợc tính theo công thức:
(2.8) Trong đó:
là tổng trở lực của đ−ờng vào và đ−ờng ra.
Pa - áp lực lên chất lỏng công tác trong bình chứa, N/m2 ρl – khối l−ợng riêng của chất lỏng công tác, kg/m3.
2.2.2.8. Lực tách khuôn
Lực tách khuôn phụ thuộc vào lực cần thiết để tách vật đúc ra khỏi ruột. Đ−ợc tính bằng công thức sau:
Pd = f.p.F (2.9)
Tra bảng ta tính đ−ợc giá trị lực tách khuôn nh− sau: f - hệ số masát giữa vật đúc và ruột 0,35 theo [5.tr84]
Trường ðại học Nụng nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ kỹ thuật ... 44
p - áp lực của kim loại lên ruột 27,5.103N/m2 theo [5. Tr84] F - diện tích tiếp xúc bề mặt giữa ruột - vật đúc.m2
Theo công thức trên ta phải đi tính giá trị F.
2.2.2.9. Thời gian ép tĩnh
Khi tính toán thời gian ép ng−ời ta giả thiết rằng nhiệt độ kim loại tại thời điểm kết thúc quá trình điền đầy khuôn coi bằng nhiệt độ kết tinh;
(2.10)
Trong đó:
K - hệ số phụ thuộc hợp kim đúc, trong khuôn bằng thép K = 1225 đối với nhôm.
2.2.2.10. Tính hệ thống thoát hơi
Hệ thống thoát hơi th−ờng đ−ợc thiết kế có dạng r2nh vuông góc. Chiều dày δh của r2nh thoát hơi phụ thuộc vào loại hợp kim đúc.
Theo bảng 2.12[5]:
Đối với chế độ chảy d−ới chế độ tới hạn pk < 1,9.102N/m2:
(2.11)
Với dòng chảy trên giá trị tới hạn pk > 1,9.102N/m2:
(2.12)
Trong đó:
g - gia tốc trọng tr−ờng
ρk - khối l−ợng riêng của khí trong hốc khuôn lấy theo bảng 2.13 [1] Vvd - thể tích vật đúc
Trường ðại học Nụng nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ kỹ thuật ... 45
Tk - nhiệt độ khí trong hốc khuôn Pk - áp suất khí trong hốc khuôn tdd - thời gian điền đầy
β - tỉ lệ của áp suất khí bên ngoài chia cho áp suất khí trong hốc khuôn.
2.2.2.11. Va đập của dòng nạp lên thành khuôn
áp suất thuỷ động p của dòng chảy lên thành khuôn đ−ợc xác định từ điều kiện dòng chảy đối xứng: p = ρ.v2(1- cosα) (2.13)
Trong đó: α - góc nghiêng thành khuôn so với h−ớng chuyển động của dòng chảy lấy = 900.
2.3. Mô phỏng bài toán dòng chảy trong rãnh dẫn
2.3.1. Điều kiện biên bài toán
Mô hình đúc áp lực
Hình 2.8. Mô hình khuôn đúc áp lực cao
Các yêu cầu về r2nh dẫn dòng: Giả thiết kim loại bắt đầu điền đầy khuôn khi dòng chảy qua r2nh dẫn ổn định, có nghĩa là, piton bơm kim loại dịch chuyển ổn định với gia tốc bằng không. Lúc này có thể coi kim loại đ2 điền đầy xilanh và dòng chảy qua r2nh dẫn là cố định và tốc độ phun tại cửa vào là ổn định. Yếu tố gây ra mất ổn định là ứng suất và sức căng bề mặt, chúng làm xuất hiện sóng ngang trong dòng chảy.
Từ ph−ơng trình dòng Becnuli, có thể xác định quan hệ tốc độ và áp suất giữa r2nh dẫn và lòng khuôn nối nhau qua cửa phun.
Trường ðại học Nụng nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ kỹ thuật ... 46 1 1 2 max v p v ρ = + = + = + = + (2.14) trong đó: v1và v2 là tốc độ và p1 và p2 là áp suất của kim loại lỏng, t−ơng ứng, tại r2nh dẫn và trong lòng khuôn, khi p2 = 0, v2 = vmax. Khi đúc áp lực cao hợp kim nhôm, vmax có thể đạt đến 200m/sec. Khi đó dòng kim loại sẽ gây va đập