Báo cáo khoa học: "Nghiên cứu chế tạo răng gầu máy đào trong điều kiện khai thác tại việt nam bằng phương pháp đúc" pdf

TRần thị vân nga Bộ môn Công nghệ giao thông Khoa Cơ khí Trường ĐH Giao thông Vận tải Tóm tắt: Bài báo trình bày tóm tắt kết quả nghiên cứu xây dựng quy trình đúc trong khuôn cát , kh

CT 2

Nghiên cứu chế tạo răng gầu máy đào trong điều kiện khai thác tại việt nam

bằng phương pháp đúc

ThS TRương nguyên trung ThS TRần thị vân nga

Bộ môn Công nghệ giao thông Khoa Cơ khí

Trường ĐH Giao thông Vận tải

Tóm tắt: Bài báo trình bày tóm tắt kết quả nghiên cứu xây dựng quy trình đúc trong khuôn cát ,

khuôn kim loại, nhiệt luyện để chế tạo răng gầu nhằm nâng cao độ bền, tuổi thọ răng gầu của máy đào

trong điều kiện khai thác tại Việt Nam

Summary: The article briefly presents the result of a research

into casting process by sand moulds and metal moulds to manufacture the tip of an excavator, the tempering process, to improve its duration and longevity in Vietnamese context

i Đặt vấn đề

Hiện nay ở Việt Nam việc xây dựng cơ sở hạ tầng đang phát triển Thiết bị, cơ bản phục

vụ nó là máy đào Do điều kiện làm việc khắc nghiệt, do cấu trúc nền đất, đá, sỏi rất khác nhau, các răng gầu máy đào thường bị mòn nhanh, gãy hỏng, phải thay thế luôn trong quá trình thi công Trong khi đó ở nước ta chưa có nhà máy nào đi sâu nghiên cứu chế tạo chúng mà chủ yếu các đơn vị thi công dừng ở chỗ mua của nước ngoài thay thế hoặc hàn phục hồi sửa chữa tại chỗ để kịp thời phục vụ sản xuất, tuy nhiên có số cơ sở đúc răng gầu nhưng những cơ sở này sản xuất chủ yếu là do kinh nghiệm, chưa xây dựng được quy trình đúc, tính toán các thông số hợp lý Sau một thời gian ngắn đưa vào sử dụng răng gầu của máy đào lại bị mòn với tốc độ lớn Chính vì vậy cần phải nghiên cứu công nghệ đúc hợp lý nhằm nâng cao độ bền, tuổi thọ răng gầu của máy đào trong điều kiện khai thác tại việt Nam Để cụ thể, chúng tôi nghiên cứu công nghệ đúc một loại răng gầu

II Phần nội dung

2.1 Đặc điểm của chi tiết và chọn dạng sản xuất

a Điều kiện làm việc của chi tiết

Răng gầu làm việc trong điều kiện trà xát, va đập với đất đá trong quá trình máy xúc, đào

do đó răng cần có độ cứng cao, độ chịu mài mòn và va đập lớn Trong điều kiện hiện nay để máy làm việc bình thường thì các máy đào làm việc liên tục đào đất đá thì thời gian của răng gầu làm việc được từ 60 – 80 ngày là phải thay để đảm bảo cho máy đào làm việc và đảm bảo năng suất

CT 2

Từ thực tế và qua nghiên cứu các vật liệu sử dụng để chế tạo răng gầu hiện nay, chọn loại

vật liệu chịu mài mòn cao và chịu va đập là vật liệu thép hợp kim dụng cụ 13

b Chọn phương pháp chế tạo và dạng sản xuất

Chi tiết có độ chính xác không cao, không gia công bề mặt Sai số về kích thước và trọng

lượng vài % mà không ảnh hưởng đến tính chất làm việc và độ bền nên chọn phương pháp

chế tạo là phương pháp đúc: đúc trong khuôn cát hoặc đúc trong khuôn kim loại Trong sản

xuất loạt nhỏ, người ta thường tiến hành đúc trong khuôn cát Khi cần năng suất cao, tiến hành

đúc trong khuôn kim loại

2.2 Vật liệu làm khuôn lõi đúc trong khuôn cát

a Yêu cầu của hỗn hợp làm khuôn lõi

Tính dẻo, độ bền, tính lún, tính thông khí, tính bền nhiệt, độ ẩm, tính bền lâu

b.Vật liệu làm khuôn, làm lõi

Vật liệu làm khuôn và làm lõi gồm chủ yếu là: cát, đất sét, chất dính kết, chất phụ

Cát: cát thạnh anh 2K Với 96% thành phần SiO2 Đất sét: làm khuôn đúc là cao lanh ()

loại rất bền (B) là loại có khả năng chịu nhiệt độ cao nhóm I Chất dính kết: nước đường Chất

phụ: Mùn cưa, rơm vụn, bột than Chất sơn khuôn: Phấn chì

2.3 Mặt phân khuôn

- Qua nghiên cứu kết cấu của chi tiết ta chọn mặt phân khuôn là mặt phẳng bổ dọc chi tiết

và đi qua tâm hai lỗ 22 và mũi của răng gầu

- Qua mặt phân khuôn đó ta chọn mặt phân mẫu là mặt phẳng bổ đôi mẫu

- Mặt phân khuôn và phân mẫu trên là hợp lý nhất vì nó thuận tiện cho quá trình chế tạo

lòng khuôn, rút mẫu cũng như trong quá trình lắp ráp khuôn và rót kim loại lỏng vào khuôn

- Hộp lõi: Dùng lõi bổ đôi có mặt phân lõi trùng với mặt phân khuôn

2.4 Lượng dư gia công cơ khí

Do tính chất làm việc và kết cấu của chi tiết cũng như vật liệu chế tạo chi tiết có độ cứng

cao, chịu mài mòn, còn độ chính xác không yêu cầu cao nên sau khi đúc xong chi tiết không gia

công cơ khí ở bất kỳ vị trí nào nên chi tiết không có lượng dư gia công cơ khí

2.5 Dung sai kích thước và góc đúc

- Răng gầu là chi tiết không đòi hỏi độ chính xác cao Đúc bằng khuôn cát với dạng sản

xuất loạt nhỏ nên ta chọn dung sai cho mẫu là 0,3mm và dung sai cho khuôn đúc là 1mm

- Để đạt năng suất trong quá trình làm khuôn và không ảnh hưởng đến yêu cầu kỹ thuật

của chi tiết, cũng như lắp ráp chọn các góc đúc từ R5 R8 nhằm chống dính bám cát khi lấy

mẫu và chống vỡ lở cát cũng như làm tăng độ bền cho thành khuôn, chống rạn nứt giữa các

phần của thành khuôn của vật đúc và hạn chế ứng suất cho vật đúc

2.6 Độ co ngót của kim loại

- Trong quá trình tạo vật đúc là nấu chảy kim loại rồi rót vào khuôn chế tạo sẵn Kim loại

kết tinh trong khuôn, rỡ khuôn ra ta được vật đúc, trong quá trình kim loại chuyển từ trạng thái

CT 2

lỏng sang trạng thái đặc và giảm nhiệt độ về nhiệt độ thường thì kim loại xảy ra hiện tượng co giảm thể tích Cho nên chế tạo mẫu phải có kích thước lớn hơn kích thước của vật đúc bằng độ

co ngót của kim loại

- Vật liệu chế tạo răng gầu là thép hợp kim chịu va đập và chịu mài mòn 13, là thép hợp kim Măng gan có độ co ngót 3,5% Chi tiết thành tương đối dày 14mm Độ co kích thước bên ngoài của chi tiết kéo theo phần lỗ rỗng bên trong cũng bị thu hẹp tương đương Nên ta tính các kích thước:

- Chiều cao: 220 x 1,035 = 227

- Chiều dài: 100 x 1,035 = 103 99 x 1,035 = 102 84 x 1,035 = 86

58 x 1,035 = 60 73 x 1,035 = 75

- Lỗ 22 x 1,035 = 23

2.7 Độ dốc đúc

Là chiều nghiêng vát theo chiều rút mẫu hoặc tháo hộp lõi để thận lợi cho quá trình làm khuôn, lõi Độ dốc đúc phải có để dễ rút mẫu và lõi Chọn độ dốc công nghệ 10 theo dọc các

bề mặt của chi tiết có hướng rút mẫu

Sau đây là hình dạng của mẫu:

Hình 1 Hình d ạng của mẫu

2.8 Lõi và gối lõi

Khi đúc răng gầu, cần lõi tạo bề mặt trong để lắp vào phần lợi của gầu, lõi tạo lỗ 22 để bắt chốt 20 giữ răng gầu và lợi gầu Khi răng mòn người ta tháo chốt thay răng khác

Lõi chế tạo bằng hộp lõi bổ đôi có một gối lõi chính lớn và 2 gối lõi phụ nhỏ để tạo lỗ 22 Như vậy lõi có 3 gối lõi để tránh siêu định vị thì gối lõi chính khi chế tạo trên hộp lõi ngắn hơn trên mẫu để khi lắp lõi đi trước dọc theo thân và định vị bằng hai gối lõi đồng tâm 22

Hộp lõi cũng có độ dốc để khi làm lõi được thuận tiện Chọn độ dốc của lõi 20 và các góc lượn của lõi, chọn R = 6mm làm cho bề mặt lõi trơn đều đồng thời giảm ứng suất khi kim loại co ngót Hai gối lõi phụ là hình trụ 23 để tiện cho việc chế tạo hộp lõi và lắp lõi dài 10mm, gối lõi

CT 2

chính độ dài 80 để cho trọng tâm của lõi nằm sát gối lõi chính Gối lõi có dạng như ngàm công

son

Sau đây là cấu tạo hộp lõi:

Hình 2 C ấu tạo hộp lõi

2.9 Chọn vị trí rót kim loại lỏng vào khuôn và thiết kế hòm khuôn

Dựa vào mặt phân khuôn và kết của răng gầu, chọn chỗ dẫn kim loại lỏng từ mặt phân

khuôn vào lòng khuôn (Rót từ giữa khuôn) ở vị trí mặt bên của răng gầu

Rãnh dẫn đạt ở khuôn dưới, rãnh lọc xỉ đặt ở khuôn trên

Đặt đậu hơi ở vị trí cao nhất trong lòng khuôn

Phương pháp làm khuôn trên nền xưởng và hòm khuôn

2.10 Thiết kế hệ thống rót

Hệ thống rót nhằm dẫn kim loại lỏng từ cốc rót vào lòng khuôn

Yêu cầu của hệ thống rót:

Dòng kim loại chảy vào khuôn phải êm và liên tục, không tạo ra dòng chảy xoáy (Tránh

gây xỏi lở hệ thống rót, lòng khuôn và lõi) và không có hiện tượng phun bắn

Phải giữ được xỉ và tạp chất trong hệ thống rót, không cho chảy vào khuôn

Phải đảm bảo toàn bộ lòng khuôn được điền đầy hợp kim đúc, để vật đúc không bị thiếu hụt

Để khắc phục những phế phẩm do hệ thống rót gây ra, đồng thời nhằm nâng cao chất

lượng và số lượng sản phẩm tiết kiệm nguyên vật liệu ta phải tính toán các kích thước của các

bộ phận trong hệ thống rót

( Cốc rót, ống rót, rãnh dẫn, rãnh lọc xỉ)

1 Tính toán hệ thống rót

4

1 Cèc rãt

2 èng rãt

3 R· nh läc xØ

4 R· nh dÉn

3 2 1

Hình 3 Cấu tạo hệ thống rót

CT 2

Tổng tiết diện rãnh dẫn Phương pháp Ô dan di te:

) cm ( t

Frd









- G: Khối lượng kim loại lỏng của vật đúc và hệ thống rót (gam) Khối lượng hệ thống rót = 30% khối lượng vật đúc

-  : Khối lượng riêng của kim loại lỏng (gam/cm3);  = 7.85 g/cm3

- t: thời gian rót ( giây)

- v: vận tốc rót (cm/giây)

- Frd: tổng tiết diện rãnh dẫn

a.Tính khối lượng kim loại lỏng để rót khuôn (Khối lượng vật đúc và hệ thống rót) (G)

- Khối lượng vật đúc = 4,6 kg

- Khối lượng hệ thống rót = 30% khối lượng vật đúc = 1,4 kg  G = 4,6 + 1,4 = 6 kg = 6000 gam

b Tính vận tốc rót (v)

Theo công thức: v =  2ght

- : Hệ số trở lực của khuôn phụ thuộc vào độ phức tạp của vật đúc  = 0,30  0,85; Chọn  = 0,40

- g: gia tốc trọng trường 9,8 m/s2 = 980cm/s2

- Ht: cột áp thuỷ tĩnh (cm): Ht = H –

C 2

P2

+ H: Chiều cao tính từ vị trí dẫn kim loại lỏng vào khuôn cho tới mặt thoáng cốc rót (cm) cao bằng hòm khuôn trên H = 18 cm

+ P: Chiều cao tính từ vị trí dẫn kim loại lỏng đến mặt trên của vật đúc (cm); P = 1/2 chiều cao vật đúc = 4.3cm

+ C: chiều cao vật đúc: C = 86 mm = 8.6cm

Ht = 20 -

11 x 2 5 ,

5 2

= 16,9 cm

V = 0,4 2x98x16,9=72.8 cm/s

c.Tính thời gian rót

áp dụng công thức: t = S G

- S: Hệ số chiều dày vật đúc; Chiều dày vật đúc 13  25 mm; S = 1,65

CT 2

- G:Khối lượng kim loại lỏng của vật đúc và hệ thống rót (kg); G = 6 kg

T = 1,65 6 = 4,026 = 4s

d Tổng tiết diện rãnh dẫn

Frd=

t v

G

 =7.85x72.8x4

6000

= 2,62 cm2

e Chọn hình dáng và số lượng rãnh dẫn

Để thuận tiện cho chế tạo khuôn, chọn rãnh dẫn hình thang dẹt, số lượng 01 rãnh

Các kích thước của rãnh dẫn (a xb xh)

Chọn h = 7 mm; b = 0,8a

Frd = 262 = 7

2 a 0 a





 a = 41,5 lấy a = 42

B = 0,8a lấy b = 34

2 Tính tiết diện rãnh lọc xỉ và ống rót

- áp dụng công thức: Frd: FLX: For = 1 : 1,15 : 1,2

- Tiết diện của rãnh lọc xỉ: FLX = Frd x 1,15

FLX = 262 x 1,15 = 301 mm2

Chọn tiết diện là hình thang cân: b = 0,8a; h = 0,9a

FLX = 301 = 0, a

2 ) a a , 0 (





 a = 20; b = 16; h = 18

- Tiết diện ống rót For = Frd x 1,2

For = 301 x 1,2 = 361 mm2

Chọn ống rót tiết diện hình tròn

For = 361 =

4

d2

  d = 21.5

Chọn d = 22mm

ống rót hơi côn nên đầu nhỏ ống rót 22, đầu lớn ống rót 28 để làm khuôn dễ dàng

3 Dung tích cốc rót

Thể tích cốc rót xác định qua công thức : VCr = n 1000cm3

t

G







n = 1

VCr = 127.3cm3

85 , 7

1000 1

6

6







2.11 Quy trình làm khuôn lõi bằng cát

b a

a

CT 2

a Công việc chuẩn bị

- Chuẩn bị bộ mẫu: Gồm mẫu, hộp lõi, mẫu ống rót, mẫu rãnh lọc xỉ, xương lõi

- Chuẩn bị hòm khuôn: 400 x 300 x 180 (dài x rộng x cao)

- Chuẩn bị dụng cụ làm khuôn: Các loại bay, thước, dùi xiên hơi, dùi lấy mẫu, chốt định vị

- Chuẩn bị hỗn hợp làm lõi: Trộn hỗn hợp làm lõi có thành phần cát - đất sét Đất sét 20%, Cát thạch anh loại 2K có độ chịu nhiệt 1743oC chiếm 80%, chất dính kết là nước đường Chất phụ: mùn cưa, rơm vụn tăng tính thông khí

- Chuẩn bị hỗn hợp làm khuôn: Trộn hỗn hợp làm khuôn cát - đất sét Cát thạch anh 2K chiếm 90  93 %, Đất sét chiếm 7  10%, chất dính kết là nước đường, Chất phụ: mùn cưa, rơm vụn tăng tính thông khí

- Chuẩn bị chất sơn khuôn lõi: dùng phấn chì

b Các nguyên công trong quy trình đúc trong khuôn cát

Nguyên công 1: Chế tạo lõi

Bao gồm các bước: Đưa hỗn hợp làm lõi vào trong hộp lõi và đầm chặt; Tạo lỗ thoát hơi

cho lõi qua các đầu gác lõi, dùng dùi xiên hơi; Lấy lõi ra khỏi hộp lõi; Sửa lõi, sửa bề mặt lõi cho nhẵn đẹp, sửa các góc cạnh bị nứt lở; Sơn lõi; Sấy lõi

Kết cấu lõi:

Hình4 K ết cấu lõi

Nguyên công 2: Làm khuôn Bao gồm các bước: Hạ mẫu xuống nền xưởng; đầm chặt cát trên nền xưởng Làm khuôn

trên và nửa khuôn dưới, lấy mẫu và sửa khuôn, sơn khuôn, sấy khuôn Dùng máy phun phun bột phấn chì lên bề mặt lòng khuôn, rồi tiến hành sấy khuôn

Nguyên công 3: Lắp ráp khuôn

Bước 1: Lắp lõi vào khuôn dưới theo các vị trí của đầu gác lõi

Bước 2: Lắp nửa khuôn trên vào nửa khuôn dưới theo chốt định vị khuôn Dùng 2 cọc

CT 2

định vị dạng chốt côn xuyên vào khuôn trên và từ từ lắp nửa khuôn trên với nửa khuôn dưới

Hình 5 K ết cấu khuôn đúc răng gầu bằng cát

Nguyên công 4: Đè khuôn chờ rót kim loại lỏng

Chít hỗn hợp làm khuôn vào bề mặt phân khuôn giữa khuôn trên và khuôn dưới Dùng vật

nặng (đối trọng) đè khuôn nếu cần

2.12 Quy trình nấu rót kim loại

a Chuẩn bị

- Chuẩn bị nguyên vật liệu nấu: Sắt, thép vụn, vật đúc phế phẩm, thép thỏi, hệ thống rót đã

loại bỏ mác 13, Ferô hợp kim Măng gan và Ferô Crôm

- Chuẩn bị lò điện cảm ứng trung tần công suất 500 kg trên một mẻ nấu Đắp sửa tường lò

bằng hỗn hợp làm khuôn cát Magiê Nhít, bởi lần nấu trước tường lò bị hao mòn

- Chuẩn bị càng khiêng, nồi rót, gáo rót: Các nồi rót, gáo rót được đắp một lớp hỗn hợp cát

đất sét dày 15 - 20 mm để giữ nhiệt cho kim loại lỏng đồng thời tránh dính bám kim loại lỏng

vào nồi rót, gáo rót Nồi rót và gáo rót phải được sấy khô kiệt

b Qui trình nấu

Quy trình vận hành lò trung tần KGPS - 1000Hz

- Kiểm tra trước khi chạy máy

- Kiểm tra nước làm mát

- Kiểm tra trước khi đóng điện

- Vận hành lò: Nấu kim loại lỏng

- Rót vào các thùng rót

- Rót kim loại lỏng vào khuôn

2.13 Kiểm tra

Sau khi rót kim loại lỏng vào khuôn, kim loại đông đặc ta được vật đúc Dỡ khuôn, làm

sạch, kiểm tra các thông số kỹ thuật của răng gầu theo bản vẽ

CT 2

Hình 6 Hình d ạng vật đúc nhận được sau khi phá khuôn

2.14 Đúc răng gầu trong khuôn bằng kim loại

a Đặc điểm

Khi sản lượng nhiều có thể chọn phương pháp chế tạo răng gầu bằng cách đúc trong khuôn kim loại

Ưu điểm của đúc trong khuôn kim loại khi chế tạo răng gầu là :

- Khuôn kim loại có thể dùng được nhiều lần

- Vật đúc có độ chính xác cao (cấp 6, 7) và độ bóng bề mặt cao (4-7) Vì độ chính xác

và độ bóng bề mặt lòng khuôn cao

- Tổ chức kim loại nhận được nhỏ mịn (Do tốc độ nguội nhanh), cơ tính tốt

Nhược điểm:

- Giá thành chế tạo khuôn đắt nên chỉ thích hợp trong sản xuất hàng khối và loạt lớn

b Vật liệu làm khuôn

Vật liệu làm khuôn là: X23H13

CT 2

Vật liệu làm lõi là hỗn hợp làm lõi cát, đất sét, chất phụ và chất dính kết

c Kết cấu khuôn

Hình 7 K ết cấu khuôn kim loại để đúc răng gầu

d Các bước thực hiện khi tiến hành đúc trong khuôn kim loại

- Làm sạch lòng khuôn

- Sấy khuôn,lõi đến nhiệt độ 300OC

- Sơn lên bề mặt khuôn lõi

- Lắp ráp khuôn lõi và rót kim loại lỏng: Đặt khuôn dưới nằm ngang, lắp lõi vào khuôn dưới

theo đầu gác lõi lắp khuôn trên vào khuôn dưới theo chốt định vị khuôn Kẹp chặt khuôn trên

vào khuôn dưới bằng hai bu lông đai ốc M14 Xoay khuôn 90O để cho cốc rót lên phía trên chờ

rót kim loại lỏng

- Rót kim loại lỏng sau 10’ mở hai bu lông đai ốc M14, rồi quay trục ren vật đúc bị đẩy ra

khỏi khuôn

Chú ý: trong quá trình đúc trong khuôn kim loại, khí được thoát ra qua mặt phân khuôn nên

trong quá trình chế tạo gia công khuôn, người ta tạo những rãnh nhỏ trên mặt phân khuôn để

cho khí thoát ra khi rót kim loại lỏng

2.15 Nhiệt luyện răng gầu chế tạo bằng phương pháp đúc

Trong chế tạo cơ khí, nhiệt luyện đóng vai trò quan trọng vì không những nó tạo cho chi

tiết sau khi gia công cơ những tính chất cần thiết như độ cứng, độ bền, độ dẻo dai, khả năng