Báo cáo Nghiên cứu thiết kế, chế tạo bộ khuôn đúc thân bơm BRA50 dùng trên máy đúc áp lực 420T
BỘ CÔNG THƯƠNG
TỔNG CÔNG TY MÁY ĐỘNG LỰC VÀ MÁY NÔNG NGHIỆP
VIỆN CÔNG NGHỆ
BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI - KHCN
Mã số: 237.08/RD/HĐ-KHCN
Tên đề tài:
Nghiªn cøu thiÕt kÕ, chÕ t¹o bé khu«n
®óc th©n b¬m BRA50 dïng trªn m¸y ®óc
¸p lùc 420T
CƠ QUAN CHỦ QUẢN: BỘ CÔNG THƯƠNG
CƠ QUAN CHỦ TRÌ:
CHỦ NHIỆM ĐỀ TÀI:
VIỆN CÔNG NGHỆ
Th.S NGUYỄN TIẾN TÀI
7103
16/02/2009
Hà Nội, 1 - 2009
BỘ CÔNG THƯƠNG
TỔNG CÔNG TY MÁY ĐỘNG LỰC VÀ MÁY NÔNG NGHIỆP
VIỆN CÔNG NGHỆ
BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI - KHCN
Mã số: 237.08/RD/HĐ-KHCN
Tên đề tài:
Nghiªn cøu thiÕt kÕ, chÕ t¹o bé khu«n ®óc th©n b¬m BRA50
dïng trªn m¸y ®óc ¸p lùc 420T
CƠ QUAN CHỦ TRÌ
VIỆN CÔNG NGHỆ
CHỦ NHIỆM ĐỀ TÀI
Th.S NGUYỄN TIẾN TÀI
Hà Nội, 1 - 2009
NHỮNG NGƯỜI THAM GIA ĐỀ TÀI
1
2
3
4
5
6
7
8
NguyÔn TiÕn Tµi
Vũ văn Miêng
Thái Văn An
ViÖn C«ng nghÖ
ViÖn C«ng nghÖ
ViÖn C«ng nghÖ
ViÖn C«ng nghÖ
ViÖn C«ng nghÖ
ViÖn C«ng nghÖ
ViÖn C«ng nghÖ
ViÖn C«ng nghÖ
Nguyễn Chí Dũng
Nguyễn Cao Minh
Trần Thanh Mai
Võ Thanh Sơn
Lê Văn Trị
Mục lục
Trang
1
Chương 1. TỔNG QUAN
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
1.4. Mục tiêu của đề tài
2
4
5
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
2.2. Điều kiện làm việc, lựa chọn vật liệu để chế tạo khuôn đúc thân
bơm BRA50
7
2.3. Xây dựng quy trình công nghệ chế tạo bộ khuôn đúc áp lực BRA50
Chương 3. CƠ SỞ LÝ THUYẾT, TÍNH TOÁN THIẾT KẾ CHẾ TẠO KHUÔN ĐÚC
ÁP LỰC THÂN BƠM BRA50
9
11
3.1. Cơ sở lý thuyết tính toán hệ thống rót
3.1.1. Tốc độ nạp và tốc độ rót
3.1.2. Thiết kế hệ thống rót
3.1.3. Tính toán rãnh dẫn
3.1.4. Tính hệ thống thoát hơi
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
3.2.2. Chế độ khí của khuôn trong quá trình đúc áp lực
3.2.2.1. Khí từ buồng ép vào trong hốc khuôn
3.2.2.2. Khí sinh ra do chất bôi trơn bề mặt khuôn khuôn
3.2.3. Lựa chọn buồng ép
13
15
16
17
18
19
3.2.4. Tính toán hệ thống rãnh dẫn
3.2.5. Tính toán hệ thống hơi
3.3. Lựa chọn phương án công nghệ cho kết cấu khuôn-vật đúc
20
21
22
3.3.1. Tính công nghệ của kết cấu khuôn-vật đúc
3.3.2. Lựa chọn phương án kết cấu khuôn-vật đúc
3.3.2.1. Một số kiểu rãnh dẫn tiêu biểu
3.3.2.2. Lựa chọn mặt phân khuôn
3.3.2.3. Lựa chọn vị trí rãnh dẫn, rãnh hơi
23
24
26
Chương 4. THIẾT KẾ VÀ GIA CÔNG CHẾ TẠO KHUÔN ĐÚC ÁP LỰC THÂN
BƠM BRA50
4.1. 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
4.2.1. 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
4.3.1. Gia công các chi tiết bộ khuôn thân bơm BRA50
4.3.2. Bộ khuôn đúc thân bơm BRA50 hoàn chỉnh
28
29
30
Chương 5. ĐÚC THÂN BƠM BRA50 VÀ HIỆU CHỈNH KHUÔN
5.1. Đúc thân bơm BRA50 trên máy đúc áp lực ZITAI ZDC420TPS
bằng bộ khuôn đã thiết kế
31
32
5.2. Kiểm tra chất lượng phôi thân bơm BRA50
5.2.1. Kiểm tra các kích thước phôi thân bơm
33
34
5.2.2. Kiểm tra bề mặt phôi và tiết diện ngang của thân bơm BRA50
5.3. Đánh giá và hiệu chỉnh công nghệ
5.3.1. Phân tích đánh giá khuyết tật
5.3.2. Chế tạo sản phẩm sau khi hiệu chỉnh
Kết luận
36
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
1
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.
2
a. Các sản phẩm dạng hộp.
Hình 1.1. Các sản phẩm đúc áp lực cao trong lĩnh vực xe máy
Hình 1.2. Sản phẩm nắp hông động cơ Diezen
b. Các sản phẩm dạng thanh, dạng càng.
Hình 1.3. Sản phẩm tay cấy dùng trong nông nghiệp
c. Các sản phẩm dạng trụ, dạng đĩa.
Các sản phẩm này có yêu cầu cao về độ bóng bề mặt, thành mỏng đều để giảm
tiêu hao nguyên vật liệu và giảm khối lượng sản phẩm. Đặc biệt trong các chi tiết
máy còn đòi hỏi độ bền cho tính năng sử dụng. Phương pháp đúc áp lực cao sẽ
mang lại hiệu quả cao, đáp ứng được những yêu cầu nêu trên.
3
Hình 1.4. Sản phẩm dùng trong chi tiết 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.
4
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.
5
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
Thép
Nguyên tố
C
Si
Mn
Cr
Mo
W
V
khác
SKD4 0,25 ~ 0,35
SKD5 0,25 ~ 0,35
2,0 ~ 3,0
2,0 ~ 3,0
5,0 ~ 6,0 0,3 ~ 0,5
9,0 ~ 10,0 0,3 ~ 0,5
≤ 0,40
≤ 0,40
≤ 0,60
≤ 0,60
≤ 0,50
≤ 0,50
≤ 0,50
≤ 0,60
≤ 0,60
−
−
⎯
⎯
SKD6 0,32 ~ 0,42 0,8 ~ 1,2
SKD61 0,32 ~ 0,42 0,8 ~ 1,2
SKD62 0,32 ~ 0,42 0,8 ~ 1,2
4,5 ~ 5,5 1,0 ~ 1,5
4,5 ~ 5,5 1,0 ~ 1,5
0,3 ~ 0,5
0,8 ~ 1,2
⎯
⎯
⎯
⎯
⎯
⎯
4,5 ~ 5,5 1,0 ~ 1,5 1,0 ~ 1,5 0,2 ~ 0,6
2,5 ~ 3,5 2,5 ~ 3,0 0,4 ~ 0,7
SKD7 0,28 ~ 0,38
SKD8 0,35 ~ 0,45
SKT3 0,50 ~ 0,60
≤ 0,50
≤ 0,50
⎯
4,0 ~ 4,7 0,3 ~ 0,5 3,8 ~ 4,5 1,7 ~ 2,2 Co 3,8~4,5
0,6 ~ 1,0 0,9 ~ 1,2 0,3 ~ 0,5
0,6 ~ 1,0 0,7 ~ 1,0 0,2 ~ 0,5
(<0,20)(3) Ni 0,25~0,6
(<0,20)(3) Ni 1,30~2,0
≤ 0,35
⎯
⎯
SKT4 0,50 ~ 0,60
≤ 0,35
(3): Số trong ngoặc là thành phần có thể thêm vào
6
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]
Mỹ
Nga
ΓOCT
Nhật
JIS
Thuỵ điển Anh
No
ISO
SS
BS
ASTM
UNS
1
2
3
4
5
6
7
8
30WCrV5 SKD4
30WCrV9 SKD5
35CrMoV5 SKD6
40CrMoV5 SKD61
⎯
3X2B8Φ
4X5MΦC
4X5MΦΙC
⎯
⎯
⎯
⎯
⎯
2730
⎯
BH12
BH11
BH13
BH12
⎯
H10
H11
H13
H12
⎯
T20821
T20810
T20813
T20812
⎯
⎯
SKD62
SKD7
SKD8
SKT3
⎯
⎯
⎯
⎯
⎯
⎯
⎯
⎯
⎯
⎯
⎯
⎯
⎯
⎯
⎯
⎯
⎯
9 55NiCrMoV2 SKT4
5XHM
~2550 BH244/5 L6
T61206
Từ bảng đối chiếu các mác thép dùng chế tạo khuôn ép nóng, người thiết kế
khuôn có thể chọn mác thép theo tiêu chuẩn của các nước khác. Ví dụ, khi chọn
mác thép SKD61 (theo tiêu chuẩn JIS của Nhật bản), người thiết kế có thể chọn
mác tương đương như: 40CrMoV5 (tiêu chuẩn ISO) hoặc BH13 (tiêu chuẩn Anh
BS)…
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
7
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.
8
2.3. Xây dựng lưu trình công nghệ chế tạo bộ khuôn đúc áp lực BRA50
- Dụng cụ đo
Vẽ bản vẽ chi tiết sản phẩm
- 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
Lựa chọn vật liệu chế tạo khuôn
Thiết kế công nghệ
- Tính toán thiết kế công nghệ cho khuôn
- Vẽ thiết kế công nghệ 2D
- Vẽ thiết kế công nghệ 3D
- Các máy gia công chuyên dùng
- Lắp ráp hoàn chỉnh bộ khuôn
Gia công chế tạo bộ khuôn
Đúc thử sản phẩm
- Đúc trên máy đúc áp lực 420Tấn
- Đúc 20 ÷ 40 sản phẩm
- Kiểm tra kích thước sản phẩ
- 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
Hiệu chỉnh khuôn
- Tôi, Ram
- Chuẩn bị bề mặt để thấm Nitơ
Nhiệt luyện khuôn
Thấm Nitơ trong chân không
Khuôn hoàn chỉnh
- Thấm Nitơ
- Đúc sản phẩm trên máy đúc áp lực
420 tấn
Hình 2.1. Sơ đồ lưu trình công nghệ chế tạo khuôn
9
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.
10
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:
vn * fn = vc * fc
(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
Chiều
dày vật
đúc
Tốc độ nạp (m/s)
Hình
dáng vật
đúc
Nhôm
Đồng
Kẽm
Magiê
Lỏng
Bán lỏng Lỏng Bán lỏng
(mm)
-
-
Đơn giản 30-40
Phức tạp 40-60
0.5-1.0
-
2-5
5-7
-
-
2-5
3-5
5 ÷ 10
Đơn giản 30-60
Phức tạp 60-80
Đơn giản 80-100
30-40
40-50
50-60
25-30
30-40
30-40
35-40
5-8
8-12
-
-
-
8-15
15-20
-
5-8
5-8
5-8
-
3 ÷ 6
1.5 ÷ 3.0
Phức tạp 100-150 50-80
1.5 ÷ 3.0
(không
đều)
Đơn giản 80-100 40-45
Phức tạp 100-120 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:
Re.υ
2(δvd − δ )
Vth =
(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).
11
n
⎛
⎞
δ
δvd
Vth2 = C.vm
(3.3)
⎜
⎜
⎟
⎟
⎝
⎠
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.
Hợp kim
Chì-antimon
Kẽm
C
m
n
32
59
82
75
71
0,35
0,42
0,4
0,4
0,54
0,61
0,65
0,68
Nhôm
Magiê
0,52
0,53
Đồng thau
Đối với vật đúc mỏng thành, hình dáng phức tạp, có nhiều vị trí quay dòng
trong hốc khuôn, tốc độ nạp tính theo công thức:
Lvd
Σn +1
vn = K *
*
(3.4)
δvd
t
Trong đó:
- K: Hệ số phụ thuộc loại hợp kim và nhiệt độ rót, khi nhiệt độ rót cao hơn
nhiệt độ nóng chảy, K lấy giá trị bằng 0.013-0.02 đối với hợp kim kẽm;
0.015-0.02 đối với hợp kim nhôm; 0.018-0.035 với hợp kim magiê và 0.02-
0.03 với hợp kim đồng;
- 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:
4
ve = vn * fn *
π *De2
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:
4*(ΣV )
ve =
(3.5)
π *De2 *td
Trong đó: ΣV tổng thể tích kim loại lỏng đi vào hốc khuôn trong khoảng thời
gian td (m3)
12
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
Hình 3.1. Hệ thống rót trong máy đúc buồng ép
phần nối trung gian từ buồng ép
đến rãnh dẫn. Khi đó, đường đi của
kim loại lỏng sẽ ngắn hơn, tránh
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
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
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
trong máy buồng ép thẳng đứng tính bằng diện tích thiết diện ngang của ống dẫn
13
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
Hình 3.3. Hệ thống rót cho vật đúc có cấu tạo
hình dáng khác nhau
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.
14
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 :
mvd + mp
fr =
(3.6)
ρm *vn *td
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:
1.12* m + m
vd
p
fd =
(3.7)
K1 *K2 *K3 *K4 *ρM
Các giá trị K1,K2,K3,K4 đối với vật đúc hợp kim nhôm, khối lượng nhỏ hơn 2
kg; khối lượng tính theo gam và khối lượng riêng ρ tính theo g/cm3 cho ở bảng 3.4.
Bảng 3.3. Hệ số K đối với các hợp kim khác nhau theo công thức 3.6
Hệ số K
Áp lực
buồng
ép
Kẽm
Nhôm
Magiê
Đồng
Chiều dày vật đúc (mm)
(Mpa)
1-4
4-8
2.7
1-4
4-8
1-4
2.7
4-8
2.16
1.1
1-4
3.0
4-8
2.4
20-40
40-60
60-80
80-100
>100
3.37
1.69
1.35
1.02
0.68
3.04
1.52
1.21
0.91
0.61
2.53
1.21
0.97
0.73
0.49
1.35
1.05
0.82
0.54
1.35
1.1
1.5
1.2
0.86
0.65
0.43
1.2
0.96
0.72
0.48
0.80
0.54
0.90
0.60
15
Bảng 3.4. Giá trị các hệ số K của công thức 3.7
Loại vật đúc
Dày, đơn giản
Thiết diện cong
Phức tạp
K1
0.75
1.0
Áp suất (Mpa)
<20
K2
2.5
2.0
1.75
1.5
1.5
1.0
20-40
40-60
60-80
80-100
>100
1.5
Rất phức tạp, gân
mỏng
2.0
K3
Hệ số K3 và K4
Chiều dày thành
Hợp kim
K4
(mm)
<1
Hợp kim thiếc-chì
Chì thiếc
Kẽm
1.1
2.5
1.0
0,75
0.6
0.45
0.5
0.75
1.0
1.15
1.3
1-2
2-4
4-6
6-8
>8
Nhôm
Đồng
Magiê
1.5
Để đảm bảo nguyên tắc thắt dòng của hệ thống rót, người ta sử dụng diện tích
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:
hdp = 0.77* fd
3.1.4. Tính hệ thống thoát hơi
Hệ thống thoát hơi thường được thiết kế có rãnh đặt vuông góc. Chiều dày
δh của rãnh thoát hơi phụ thuộc vào loại hợp kim đúc, bảng 3.5. Khi dòng kim loại
điền đầy khuôn ở trạng thái hai pha thì giá trị chiều dày rãnh hơi tăng lên khoảng 2
÷ 3 lần. Chiều rộng của rãnh hơi tính bằng cách chia tổng thiết diện Σfh của rãnh
hơi chia cho chiều dày δh . Trong đó tổng diện tích rãnh hơi tính theo công thức
(3.8) và (3.9).
k−1
k
⎡
⎤
⎥
⎦
k
vk = 2* g *R*T
1− β
(3.8)
(3.9)
⎢
⎣
k −1
pk β1,41 − β1,71
q = 0,12
(
f
)
∑
k
Tk
Đối với chế độ chảy dưới giá trị tới hạn, pk < 0,19Mpa:
ρk *Vvd * Tk
Σfh = 0.65* g *
(3.10)
pk *tdd * β1.43 − β1.71
Với dòng chảy trên giá trị tới hạn, pk > 0,19Mpa:
16
ρk *Vvd * Tk
pk *tdd
Σfh = 2.5*
(3.11)
Trong đó:
- g: Gia tốc trọng trường
- ρk : Khối lượng riêng của khí trong hốc khuôn, lấy theo bảng 3.6
- Vvd: Thể tích vật đúc
- Tk: Nhiệt độ khí trong hốc khuôn
- pk: Áp suất khí trong hốc khuôn
- tdd: thời gian điền đầy
- 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
δh
δh
Hợp kim
Chì - thiếc
Kẽm
Hợp kim
Magiê
đồng
0.05-0.1
0.08-0.12
0.1-0.12
0.1-0.15
0.15-0.20
0.2-0.3
Nhôm
Thép
Bảng 3.6. Khối lượng riêng của không khí phụ thuộc nhiệt độ
toC
20
ρk
toC
300
400
500
600
ρk
toC
700
800
600
1000
ρk
0.1164
0.1056
0.0916
0.0723
0.0596
0.0508
0.0451
0.04
0.0361
0.0325
0.0291
0.0268
50
100
200
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.
17
+ Kết cấu khuôn ảnh hưởng đến quá trình truyền nhiệt, đông đặc của sản
phẩm, nó còn tác động đến chất lượng tổ chức bên trong, ứng suất trên sản
phẩm và tốc độ tạo sản phẩm đúc.
* Máy đúc: các thông số kỹ thuật của máy đúc quyết định đến khả năng và hiệu suất
chế tạo sản phẩm.
Lực khóa khuôn của máy đúc áp lực, áp lực ép tối đa, trọng lượng đúc lớn
nhất, tiết diện bề mặt vật đúc lớn nhất, khoảng cách lớn nhất giữa các mặt kẹp
khuôn: quyết định đến khả năng chế tạo sản phẩm.
Chế độ vận hành của máy cũng tác động trực tiếp đến chất lượng vật đúc như:
thời gian phun chất bôi trơn và thời gian chờ để đóng khuôn, nếu thời gian
đóng khuôn quá nhanh lượng nước trong chất bôi trơn chưa bốc hơi kịp sẽ
nằm lại trong hốc khuôn sinh khí. Nếu mở khuôn sớm kim loại chưa đông đặc
hoàn toàn sẽ bị biến dạng, mở khuôn chậm sẽ dễ gây nứt sản phẩm và giảm
năng suất. Ngoài ra, còn các thông số khác như: hành trình của các giá trị vận
tốc, khả năng đáp ứng vận tốc của máy, hiệu suất ép,…
* Vật liệu: thiết kế khuôn đúc áp lực phụ thuộc vào tính chất nhiệt lý của vật liệu.
Tính chất của vật liệu chế tạo sản phẩm quyết định đến khả năng đúc như:
nhiệt độ rót, co ngót của sản phẩm, cơ tính của vật đúc, tổ chức kim loại bên
trong vật đúc và loại vật liệu để chế tạo khuôn.
+ Thành phần vật liệu có tính chảy loãng càng cao thì khả năng điền đầy càng
tốt, độ sít chặt càng cao. Khoảng kết tinh hẹp cho tổ chức hạt mịn, cơ tính tốt,
nhưng khoảng kết tinh quá ngắn kim loại sẽ không kịp điền đầy.
+ Loại vật liệu dùng để chế tạo sản phẩm quyết định đến vật liệu chế tạo
khuôn đúc áp lực và chế độ làm mát khuôn.
3.2.2. Chế độ khí của khuôn trong quá trình đúc áp lực
3.2.2.1. Khí từ buồng ép vào trong hốc khuôn
Chuyển động của khí và kim loại lỏng trong buồng ép: Khi piston chuyển
động, lượng khí chứa trong buồng ép bắt đầu thoát ra qua miệng rót. Ngoài ra, kim
loại lỏng khi rót vào chỉ điền đầy phần bên dưới của buồng ép, giữa piston và
xylanh buồng ép tồn tại khe hở làm cho khí có thể thoát ra được. Sau đó, kim loại
lỏng tại bề mặt piston sẽ dâng lên và điền đầy buồng ép, làm cho khí không còn
thoát ra được nữa. Khí còn lại từ buồng ép đi qua rãnh dẫn chảy vào trong hốc
khuôn. Piston tiếp tục chuyển động, kim loại lỏng điền đầy rãnh dẫn, dưới sự thu
hẹp của rãnh dẫn tại miệng phun, tạo nên sự nén trong buồng ép. Các bọt khí lớn
còn lại trong buồng ép bị nén vỡ vụn thành các bọt khí nhỏ, chúng bị đẩy vào trong
hốc khuôn cùng với kim loại lỏng.
18
3.2.2.2. Khí sinh ra do chất bôi trơn bề mặt khuôn khuôn
Khí sinh ra trong quá trình phân hủy nhiệt của chất bôi trơn cũng ảnh hưởng
lớn đến chế độ khí của khuôn. Mức độ ảnh hưởng của chất bôi trơn đến chế độ khí
của khuôn có thể đánh giá bằng tỷ số giữa thể tích khí (Vkhí) tiết ra khi phân hủy
nhiệt của chất bôi trơn và thể tích không khí (Vk.khí) ở trong hốc khuôn. Để xác định
nó, cần biết diện tích bề mặt của hốc khuôn Skhuôn
.
Đại lượng đánh giá tỷ số này thường khó khăn, việc xác định Skhuôn đối với
hốc khuôn có hình dáng phức tạp cũng khó khăn. Hiện nay, việc tính toán này sẽ dễ
dàng hơn khi có sự hỗ trợ của các phần mềm với mô hình 3D có sẵn. Nhưng vật đúc
được nghiên cứu bao gồm tổng hợp của toàn bộ thể tích vật đúc và diện tích bề mặt
khuôn. Khi đó, tỷ số Vkhí/Vk.khí có thể thay thế tỷ số của thể tích riêng Vkhí tiết ra khí
từ lớp vật liệu bôi trơn, với đơn vị diện tích liên quan tới thể tích không khí Vk.khí
trong phần tử đơn vị của thể tích vật đúc.
3.2.3. Lựa chọn buồng ép
Đối với thiết kế khuôn đúc áp lực việc lựa chọn buồng ép cũng rất quan
trọng. Bởi vì, đây cũng là một trong những yếu tố ảnh hưởng đến chế độ khí trong
khuôn. Trọng lượng của vật đúc và vấu lồi quyết định việc chọn buồng ép, theo
kinh nghiệm chiều cao kim loại điền đầy buồng ép tốt nhất nằm trong khoảng 2/3 –
4/5 đường kính buồng nạp.
Các thông số kỹ thuật để tính toán:
- Tổng mức kim loại ≈ 3,2 kg, bao gồm cả vấu lồi
- Tổng chiều dài hành trình piston: 406 mm
- Buồng nạp theo máy có kích thước như sau: Ø60, Ø70, Ø80 mm.
* Sau khi tính toán, cho
Phần trống còn lại
thấy với buồng nạp Ø70
đáp ứng được yêu cầu như
sau:
Chiều cao kim loại điền
đầy trong buồng nạp là
53mm (53/70 = 0,757)
nằm trong giới hạn cho
phép.
Phần kim loại điền đầy
Hình 3.4. Chiều cao kim loại lỏng trong buồng nạp
19
3.2.4. Tính toán hệ thống rãnh dẫn
Việc thiết kế khuôn đúc áp lực phụ thuộc vào các thông số kỹ thuật của máy
đúc. Các thông số của máy đúc áp lực có ảnh hưởng rất lớn đến kết cấu hệ thống
khuôn nên các thông số kỹ thuật của máy được sử dụng để tính toán công nghệ cho
khuôn đúc áp lực.
Khi thiết kế hệ thống rãnh dẫn, ngoài những nguyên tắc cơ bản, người thiết kế
cần phải sử dụng kinh nghiệm. Mức độ hoàn thiện hệ thống rãnh dẫn còn phụ thuộc
vào kinh nghiệm tích lũy của người thiết kế. Ngoài ra còn phụ thuộc vào đặc điểm
kỹ thuật của sản phẩm, loại máy đúc áp lực…
Các thông số kỹ thuật chính của máy đúc áp lực ZITAI ZDC420TPS:
Máy đúc buồng ép kiểu nằm ngang (loại máy kiểu này không có phần nối
trung gian từ buồng ép đến rãnh dẫn, đường đi của kim loại lỏng ngắn, tránh được
sự giảm nhiệt độ kim loại lỏng).
Tổng chiều dài hành trình Piston là: 406mm.
L1 = 66 mm: (pha 1: kim loại lỏng điền đầy buồng nạp; với vận tốc v1; áp lực
nén p1)
L2 = 280 mm: (pha 2: kim loại lỏng điền đầy hốc khuôn; với vận tốc v2; áp lực
nén p2)
L3 = 60mm: (pha 3: kim loại đông đặc dưới áp suất lớn; với vận tốc v3; áp lực
nén p3).
Bình tăng áp 1 áp lực nén: 90-110 kG/cm2
Bình tăng áp 2 áp lực nén: 180-210 kG/cm2
Các thông số của chi tiết thân bơm BRA50:
- Trọng lượng vật đúc: 2,9 kg
- Trọng lượng hệ thống rót (vấu lồi): 0,3 kg
- Khối lượng riêng ρm = 2.600 kg/m3.
Áp dụng công thức (3.1), ta tính toán được tổng diện tích rãnh dẫn:
Trong đó: tdd=0,08 s (Lnạp = 0,28m; v2 = 3,5m/s); ρm = 2.600 kg/m3;
Lựa chọn Vnap = 24 m/s (đối với đúc hợp kim cơ sở nhôm Vnap thông thường
nằm trong khoảng từ 20-60m/s) tuy nhiên đối với chi tiết đúc là khuôn thân bơm
BRA50 có thành dày lớn và đồng đều nên được chọn ở mức giới hạn dưới.
Thay các thông số vào công thức 3.1 ta được fr:
2,9 + 0,3
fr =
= 0,000641 m2
2600*24*0,08
Như vậy diện tích rãnh dẫn là fr = 641 mm2; (diện tích miệng phun chỗ thắt)
20
3.2.5. Tính toán hệ thống hơi
Áp dụng công thức thực nghiệm (3.10) và tính toán được fh như sau:
Ta có: Vvđ = 755*10-6m3; Tk = 943oK; Thời gian điền đầy Tdd = 0,08s; áp suất
khi trong khuôn pk = 0,16Mpa = 16.315,5kg/m2,đổi 1Mpa = 101.971,6 kg/m2; (pk:
lấy theo thực nghiệm đối với khuôn thông thường); gia tốc trọng trường
g=9,81m2/s; ρk = 0,0361 (theo bảng 3.6) ta có fh:
0,0361*755*10−6 * 943
f = 0,65*9,81
= 16,3*10−6 m2
1,71
∑
h
1,43
1
1
⎛
⎜
⎞
⎟
⎛
⎜
⎞
⎟
16.315,5*0,08*
−
1,6
1,6
⎝
⎠
⎝
⎠
Như vậy diện tích rãnh hơi là fh = 16,3 mm2
21
3.3. Lựa chọn phương án công nghệ cho kết cấu khuôn-vật đúc
3.3.1. Tính công nghệ của kết cấu khuôn-vật đúc
Kết cấu của vật đúc phải đảm bảo dễ lấy vật đúc ra khỏi khuôn, dễ rút ruột ra
khỏi vật đúc, ít tạo nên ứng suất ở vật đúc và trong khuôn.
Nguyên tắc về kết cấu khuôn-vật đúc khi đúc dưới áp lực:
- Do độ chính xác của vật đúc phụ thuộc trước tiên vào cách bố trí nó trong
khuôn và số lượng mặt phân khuôn, nên thiết kế chi tiết đúc sao cho số
lượng mặt phân khuôn là ít nhất.
- Vật đúc không được tạo bóng khi chiếu bằng các tia vuông góc với mặt phân
khuôn
- Vật đúc nên có phần lớn ruột nằm ở nửa khuôn động
- Các thành bên trong nên nằm nghiêng để giảm ứng suất co
- Khi đúc áp lực không thể tạo điều kiện đông đặc có hướng do đó cần phải tạo
điều kiện để vật đúc đông đặc đồng thời. Muốn vậy, vật đúc nên có thành
dày đều.
3.3.2. Lựa chọn phương án kết cấu khuôn-vật đúc
3.3.2.1. Một số kiểu rãnh dẫn tiêu biểu
Kiểu rãnh dẫn cho một sản phẩm/khuôn
Kiểu rãnh dẫn cho hai sản phẩm/khuôn
Kiểu rãnh dẫn cho nhiều sản phẩm/khuôn
Hình 3.5. Một số kiểu rãnh dẫn trong khuôn đúc áp lực
22
3.3.2.2. Lựa chọn mặt phân khuôn
Từ bản vẽ chi tiết thân bơm hình 3.6 dưới đây:
F
E
Hình 3.6. Bản vẽ thân bơm BRA 50
Các mặt gia công cộng lượng dư = 1,5mm.
Riêng 2 lỗ trụ Ф55 x 104,5 cộng lượng dư gia công =1,5mm và côn đúc là 1o.
Độ co lấy = 0,6%.
a. Giả sử ta chọn mặt phân khuôn qua mặt phẳng E thì:
+ Toàn bộ chi tiết nằm trong khuôn tĩnh
+ Phần ruột Ф55 nằm trong khuôn chày
+ Hai lỗ Ф30 hai bên phải sử dụng 02 ben rút ruột
Như vậy, với phương án trên thì toàn bộ thân bơm dài 128mm khi khuôn động
lùi về phía sau toàn bộ thân bơm gây lên 1 lực cản rất lớn chưa kể hướng thoát
khuôn là rất khó khăn. Ngoài ra còn phải sử dụng 02 ben thủy lực để rút 2 ruột Ф30
hai bên.
23
Với phương án trên kết cấu khuôn rất phức tạp.
b. Lựa chọn mặt phân khuôn đi qua F.
Phương án này tạo hướng thoát khuôn rất thuận lợi và chỉ phải sử dụng 1 ben
thủy lực đẩy ruột, lỗ Ф30 được tạo ra từ hai ruột cố định trên hai nửa khuôn.
Với phương án này kết cấu khuôn đơn giản, dễ chế tạo hướng thoát dao quá
trình gia công khá thông thoáng.
3.3.2.3. Lựa chọn vị trí rãnh dẫn, rãnh hơi.
a. Lựa chọn vị trí rãnh dẫn.
Với phương án chọn mặt phân khuôn đi qua F, thì mặt phẳng E là nơi nắp ruột
hướng vào nên vị trí rãnh dẫn đi qua đây là không phù hợp.
Chọn rãnh dẫn đi trực tiếp vào đáy bơm nhìn theo B. Thân bơm có tiết diện
ngang trung bình tương đối dày, ở vị trí này cùng lực ép của Piston có thể bù xốp
ngót cho phía đáy thân bơm rất tốt.
Đối với thiết kế khuôn đúc áp lực, việc tính toán về dòng chảy, thoát hơi,
truyền nhiệt…, trong khuôn là rất khó khăn. Kết quả tính toán rãnh dẫn và rãnh hơi
được tính bởi các công thức thực nghiệm cùng với các hệ số và kinh nghiệm của
người thiết kế. Đề tài không chọn ngay giá trị tính toán được để thiết kế rãnh dẫn,
rãnh hơi, bởi vì khi đã gia công rãnh dẫn, rãnh hơi rồi việc thay đổi lại hệ thống dẫn
và hơi lại phải hàn đắp, mài sửa làm tuổi thọ của khuôn không cao, thực hiện các
thao tác công nghệ phức tạp. Kết cấu của hốc khuôn thân bơm BRA50 đơn giản, trở
lực thấp nên đề tài chọn hệ thống rãnh dẫn, rãnh hơi bằng khoảng 90% thống số đã
tính toán được.
Ở mục 3.2.4 đã tính tổng diện tích rãnh dẫn fd = 641 mm2 (diện tích miệng
Hình 3.7. Hệ thống rãnh dẫn
24
phun chỗ thắt). Như vậy lựa chọn thiết diện ngang của rãnh dẫn là 640mm2: chiều
ngang rãnh = 64mm và chiều sâu rãnh = 10mm như hình 3.7.
Trên thực tế rãnh dẫn thường được chia thành nhiều rãnh có tiết diện ngang rất
nhỏ để sau khi đúc chỉ cần đập nhẹ là có thể tách phần vật đúc và rãnh dẫn. Tuy
nhiên, đối với chi tiết thân bơm BRA50 có bề dày vật đúc khá dày, diện tích hình
chiếu bề mặt chi tiết nhỏ nên đề tài lựa chọn phương án đưa rãnh dẫn trực tiếp vào
đáy thân bơm trong quá trình đúc có thể bù xốp ngót dưới áp lực lớn.
b. Lựa chọn vị trí rãnh hơi.
Đường thoát hơi trong khuôn đúc áp lực thông thường được bố trí tại các vùng
xa nhất của vật đúc. Tuy nhiên, quá trình chuyển động của khí trong hốc khuôn khi
đúc trong điều kiện vận tốc, áp lực lớn thường diễn ra khá phức tạp. Với chi tiết
thân bơm BRA 50 thiết kế hệ thống hơi như hình 3.8.
Đã tính toán được tổng diện tích rãnh hơi là: 16,3 mm2. Đối với vật đúc bằng
nhôm thông thường chiều sâu rãnh hơi từ 1-1,2mm.
Đề tài chọn bằng 1mm cho chiều sâu rãnh.
Chọn 2 rãnh hơi hai bên chi tiết đúc như hình 3.8.
Bề rộng rãnh hơi lấy = 7,5mm
Thông thường, đối với hệ thống khuôn đúc áp lực thường tại các vị trí rãnh
thoát hơi sẽ có một đậu hơi. Đậu hơi này được tính toán để chứa lượng kim loại đầu
tiên đi qua khuôn, lượng kim loại này có nhiệt độ thấp sau khi đi qua bề mặt khuôn
(vùng xa nhất của khuôn tính từ rãnh rót). Tuy nhiên, đối với sản phẩm thân bơm
BRA50 không tính toán thiết kế
đậu hơi, bởi vì độ dày trung bình
của thân bơm tương đối lớn
(>10mm) cho nên lượng kim loại
lỏng điền đầy giai đoạn sau hoàn
toàn có thể hòa lẫn được lượng
kim loại lúc đầu cùng với hốc
khuôn có trở lực thấp.
Hình 3.8. Đường thoát hơi
25
Tải về để xem bản đầy đủ
44 trang
10/04/2024
1190
Bạn đang xem 30 trang mẫu của tài liệu "Báo cáo Nghiên cứu thiết kế, chế tạo bộ khuôn đúc thân bơm BRA50 dùng trên máy đúc áp lực 420T", để tải tài liệu gốc về máy hãy click vào nút Download ở trên.
File đính kèm:
- bao_cao_nghien_cuu_thiet_ke_che_tao_bo_khuon_duc_than_bom_br.pdf
