Khái quát công nghệ đúc

Nội dung tài liệu: Đúc( Casting Molding ) I. Đúc áp lực ( casting ) 1. Khái quát về phương pháp đúc 2. Định nghĩa và lịch sử của phương pháp đúc. 2.1 Khái quát v
ề công đoạn sử dụng phương pháp đúc, máy đúc 2.2 Đặc trưng của vật đúc 3. Hợp kim Nhôm sử dụng trong phương pháp đúc 3.1 Phân loại và thành phần hóa học của Hợp kim nhôm sử dụng trong phương pháp đúc 3.2 Các tính chất và các đặc trưng của hợp kim sử dụng trong phương pháp đúc II. Đúc ( molding ) 1. Khái lược về gia công đúc 1.1 Nguyên lý gia công đúc 1.2 Các phưng pháp đúc 2. Khuôn đúc 2.1 Thiết kế sản phẩm và khuôn đúc 3. Chất lượng của vật đúc 3.1 Độ chính xác kích thước của sản phẩm đúc 3.2 Tính chất cơ học của sản phẩm đúc 3.3 Xử lý gia nhiệt và hút ẩm cho sản phẩm đúc 3.4 Phế phẩm đúc

3 H ợ p kim Nhôm s ử d ụ ng trong ph ươ ng pháp ự úc

3.1 Phân lo  i và thành ph n hóa h c c a h  p kim nhôm s 

d  ng trong ph ư ng pháp ự úc 3.2 Các tắnh ch  t và các ự c tr ư ng c a h  p kim nhôm s 

d  ng trong ph ư ng pháp ự úc

II đ úc ( molding )

1 Khái l ượ c v ề gia công ự úc

1.1 Nguyên lý gia công ự úc

3.3 X  lý gia nhi  t và hút  m cho s  n ph  m ự úc 3.4 Ph  ph  m ự úc

I đ úc áp l ự c ( casting )

1 Khái quát v ề ph ươ ng pháp ự úc : đúc là phương pháp tạo ra

sản phẩm bằng cách rót vật liệu nóng chảy vào khuôn ựúc Theo

sơ ựồ 1.1 thì phương pháp ựúc ựược chia thành các loại ựúc chắnh sau : đúc khuôn cát, ựúc khuôn kim loại ( khuôn vĩnh cửu ),

ựúc chắnh xác và ựúc ựặc biệt

• Trong phương pháp ñúc khuôn cát lại ñược chia ra làm 5

loại : ñúc khuôn tươi, ñúc khuôn vỏ cứng, ñúc khuôn hộp nguội, ñúc khuôn hộp nóng, ñúc khuôn gas Khuôn tươi là khuôn ñược làm cứng bằng cách thêm chất kết dính và chất

phụ gia Khuôn vỏ cứng là nung nóng hỗn hợp chất dẻo nhiệt

và cát Khuôn hộp nguội là khuôn ñúc ñược làm bằng cách

trộn chất kết dính và chất làm cứng vào cát và ñược làm cứng

bằng cách cho thổi khí amin

+) Trong những phương pháp ñúc ñặc biệt sử dụng khuôn cát thì có cosworth, ñúc khuôn mẫu chảy, ñúc theo phương pháp V ( hóa hơi ), ñúc hút chân không Cosworth là phương pháp ñúc áp lực thấp sử dụng khuôn cát, phương pháp này

sử dụng bơm ñiện tử ñể cấp kim loại nóng chảy Phương pháp ñúc khuôn mẫu nóng chảy là phương pháp ñúc sử dụng

nhựa bọt polystion xốp cho vào khuôn rồi ñổ cát xung quanh

và ñốt cháy nhựa…

+ ) Phương pháp ñúc chính xác thì có ñúc chính xác bằng

mẫu chảy ( mẫu sáp ) và ñúc chính xác bằng mẫu vĩnh cửu ( mẫu thạch cao ) Bằng phương pháp này chúng ta có thể tạo

ra những sản phẩm có ñộ chính xác cao mà không cần sử

dụng khuôn kim loại Phương pháp ñúc chính xác bằng mẫu

chảy là phương pháp ñúc bằng cách phủ các hạt chịu lửa lên

mẫu sáp và sau khi loại bỏ sáp sẽ ñổ kim loại vào khuôn chịu

lửa và ñây cũng chính là phương pháp tạo ra tuabin Phương pháp ñúc chính xác bằng mẫu vĩnh cửu là phương pháp sử

hợp ựể tạo ra những sản phẩm của hợp kim nhẹ với số lượng

lớn

Ớ Trong phương pháp ựúc ựặc biệt thì có ựúc li tâm, ựúc dập

lỏng Từ ựiểm sử dụng khuôn thì cả 2 ựều là một phần củ ựúc kim loại nhưng nó ựược phân biệt theo ựặc trưng trong kĩ

thuật ựúc đúc li tâm là phương pháp ựúc sử dụng lực li tâm

và thắch hợp cho sản xuất ống gang hoặc sleeve đúc dập

lỏng là phương pháp ựúc dử dụng kim loại ở trạng thái nửa

lỏng nửa ựặc và kĩ thuật này ựang thu hút sự quan tâm ngày càng nhiều trong những năm gần ựây

Mỗi phương pháp trên ựây ựều có những ựặc trưng riêng và việc

lựa chọn một phương pháp sao cho phù hợp cần dựa trên việc xem xét tổng thể về kắch thước, chất liệu, hình dáng, chất lượng,

ựộ chắnh xác, số lượng, ựộ chắnh xác, thời hạn giao hàng và giá

cả sản phẩm

2 ð úc áp l ự c ( die casting )

• ðịnh nghĩa : Theo ñịnh nghĩa ñược quy ñịnh bởi hiệp hội ñúc

Nhật Bản năm 1964 thì ñúc áp lực là phương pháp ñúc sản xuất

ra số lượng lớn những sản phẩm có ñộ chính xác cao trong một

thời gian ngắn bằng cách ép hợp kim nóng chảy ở nhiệt ñộ cao vào khuôn kim loại Nói cách khác ñây là phương pháp tạo ra

sản phẩm ñúc khi hợp kim kim loại ñược bơm liên tục vào khuôn

ở áp lực cao Khuôn ñúc có ñộ chính xác cao và lắp trên một máy ñúc, trong ñó có thiết bịñể mở và ñóng khuôn với mục ñích

ñưa kim loại nóng chảy vào ñúc Ngoài ra, sản phẩm ñúc thu

ñược bằng phương pháp die casting cũng ñược gọi là die casting, do ñó không có sự phân biệt rõ ràng giữa phương pháp

ñúc và sản phẩm ñúc ðể phân biệt, người ta gọi phương pháp

chế tạo là phương pháp die casting còn vật ñúc ñược tạo ra gọi

là sản phẩm die casting Ở mỹ, phương pháp chế tạo ñược gọi

là die casting còn sản phẩm thì ñược gọi là die castings Ở Anh,

nó ñược gọi là pressure die casting ñể phân biệt với ñúc vĩnh

cửu, tại ðức nó ñược gọi là Spritzguss nhưng những năm gần

ñây thì ñược gọi là Druckguss

• Lịch sử của phương pháp die casting :

Niên biểu của sản phẩm ñúc và phương pháp ñúc die casting ñược thể hiện ở bảng 2.1 Mặc dù, vẫn chưa làm sáng tỏñược nguồn gốc của phương pháp ñúc nhưng nó ñược cho là phát minh bởi Bruce tại Mĩ năm 1838 Việc hoàn thành máy pittong ( ñập ) giống như máy ñúc của Doehler năm 1905 ñược coi là một thành công thương mại Phương pháp ñúc ñược công nghiệp hóa ở Nhật Bản vào năm 1917 và hợp kim nhôm ñược

sử dụng rộng rãi ñể ñúc Từ sau chiến tranh thế giới thứ 2, sản

xuất bằng phương pháp ñúc ñã phát triển rất nhanh chóng và

rộng rãi ở Nhật Bản và hợp kim kẽm chính thức bắt ñầu từ

khoảng năm 25 Chiêu Hòa ( 1951 ) Nhu cầu lớn ñến từ các lĩnh

vực như máy ảnh, thiết bị gia dụng từ 1950 – 1955 và ô tô từ

khoảng năm 1965 Những thay ñổi về số lượng sản xuất trong

những năm qua ñược thể hiện trong hình 2.2 Các ứng dụng của

hợp kim nhôm và hợp kim kẽm ñược thể hiện ở hình 2.3

2.1 Khái quát v
công ñ o  n s  d  ng ph ư ng pháp ñ úc

Quá trình ñúc ñược hình thành từ

3 yếu tố : nguyên vật liệu ( hợp kim ),

máy ñúc và khuôn Phương pháp cho

hợp kim nóng chảy vào khuôn ở nhiệt

ñộ cao ñược cho là lộ trình ngắn nhất

có ñủ 4 yếu tố : kích thước chính xác, hoàn thiện chính xác, bề mặt

ñẹp, cường ñộ ưu việt Những giá trị này ñược ñánh giá rất cao và

chiếm một vị trí quan trọng trong các nghành công nghiệp chế biến kim loại

Máy ñúc

Máy ñúc bao gồm có phần giá ñỡñể ñóng mở khuôn cố ñịnh và khuôn di chuyển, có phần xilanh bơm phun ñể dẫn vật liệu nóng

chảy vào trong, có phần ñẩy ra ñể ñưa sản phẩm ra ngoài Tùy theo

cấu trúc của buồng áp lực phun thì máy ñúc ñược phân thành 2 loại sau ñây:

(1) Máy ñ úc bu ồ ng nóng : Cấu tạo và cơ chế của máy ñúc buồng nóng ñược thể hiện ở hình 3.2 ðây là loại máy có buồng áp lực chìm trong dung dịch nóng chảy và ñược hâm nóng bởi chính dung dịch ñó ðặc trưng của máy ñúc buồng nóng là mỗi chu kì

nó không cần phải ñổ ñầy lại vào buồng áp lực nên tốc ñộ sản

xuất nhanh hơn Loại này thường chủ yếu sử dụng cho những

hợp kim có ñiểm nóng chảy thấp nhưng gần ñây nó ñã ñược sử

dụng thành công với các hợp kim magiê và cách sử dụng thực tế

của phương pháp này với hợp kim nhôm ñang ñược xem xét

• Ứng dụng những hợp kim chủ yếu : Hợp kim kẽm, hợp kim magiê, hợp kim chì, họp kim thiếc

• ðộ lớn của máy ( Lực siết khuôn ) : 5~1.250 tấn

(2) Máy ñ úc bu ồ ng l ạ nh : Cấu tạo và cơ chế hoạt ñộng của máy ñúc

buồng lạnh ñược mô tả ở hình 3.3 Buồng áp lực không chìm

trong dung dịch, mỗi chu kì dung dịch ñược rót vào buồng áp lực

bằng máy cấp tự ñộng hoặc bằng tay khi có lò giữ nhiệt Vì lý do

này, các chu kì của máy ñúc buồng lạnh sẽ dài hơn so với máy

áp lực ngày càng ñược mở rộng Hình 2.4 ñã thể hiện dung sai thông

thường của JIS B0407 và JIS B0409 Từ bảng này chúng ta có thể

thấy rằng ñộ chính xác của ñúc áp lực là rất cao Dung sai cho phép

của chiều dài kích thước quy ñịnh bởi hiệp hội ñúc áp lực Nhật Bản

ñược thể hiện ở bảng 2.1 và bảng 2.2 thể hiện thêm dung sai kích

thước cho phép của kích

thước hướng vuông góc với

mặt phân khuôn và phần

khuôn di chuyển Dung sai

chiều dài là dung sai kích

thước chỉ phụ thuộc vào

khuôn Khi thiết kế người ta

không gây lãng phí cho cả người sản xuất và tiêu dùng Bảng 2.2 là

bảng thể hiện dung sai cho phép bổ sung vào giá trị dung sai chiều dài , nguyên nhân là do ñộ chính xác của vật ñúc sẽ xấu ñi khi khuôn

hoặc lõi di chuyển

Những sản phẩm ñúc bằng khuôn lớn thì cũng có khi phát sinh ñộ

nhám là 17S hoặc 25S Hơn nữa, khi ñúc với số lượng lớn sẽ gây ra

vết nứt ở khuôn và làm bề cho bề mặt vật ñúc bị xấu ñi ðối với hợp kim nhôm, thông thường vết nứt sẽ xảy ra khi làm vài nghìn sản phẩm

ðể giảm ñược các khuyết ñiểm này cần phải thực hiện cẩn thận việc

ñịnh kì ñánh bóng khuôn Tuy nhiên, việc phát sinh những khuyết ñiểm

cũng khác nhau tùy thuộc vào ựiều kiện ựúc, loại vật liệu, loại hợp kim

sử dụng ựúc

Bằng phương pháp ựúc áp lực ta có thể tạo ra những sản phẩm

ựúc có ựộ dày mỏng và góc sắc Do ựó có thể giảm ựược trọng lượng

của vật ựúc và ựòi hỏi chi phắ thấp hơn so với phương pháp ựúc cát

đối với phương pháp ựúc cát và ựúc khuôn kim loại thì 2~4mm ựã

ựược coi là thành mỏng nhưng khi ựúc áp lực thì ựó là bình thường và

ựộ dày >5mm là rất hiếm Thông thường khi ựộ dày lớn thì dễ bị rỗ,

xốp nên trong trường hợp cần thiết ựòi hỏi phải có cường ựộ thì việc

sử dụng Vib ( gân ) ựể làm cho ựộ dày mỏng Ngoài ra, nếu ựộ dày quá mỏng thì việc lưu thông dung dịch cũng rất khó khăn

2.2.4 C ấ u t ạ o và c ườ ng ựộ c ủ a ự úc áp l ự c

Vì phương pháp ựúc áp lực có tốc ựộ làm mát lớn và bị ựông lại

ở áp lực cao nên kắch thước hạt tinh thể là rất nhỏ Thông thường việc

kết ựông của sản phẩm ựúc cát ựược thể hiện ở bảng 2.6, quá trình

kết ựông sẽ tạo ra khu các hạt tinh thể như lớp làm lạnh, tinh thể lăng

trụ hay tinh thể dạng hạt đúc áp lực ựược phun bơm vào bằng tốc ựộ

cao và có cấu trúc mịn hơn các sản phẩm ựúc khác nên rất khó phân

biệt phần bên trong với phần bên ngoài cấu trúc vi mô Tuy nhiên, nếu quan sát bằng kắnh hiển vi ta có thể thấy lớp làm lạnh có ựộ sâu từ bề

mặt khoảng 0.05~0.3mm

Thông thường ñộ lớn hạt tinh thể của vật ñúc khuôn cát khoảng 1mm, khuôn kim loại 0.5~1.25m, vật ñúc áp lực 0.01~0.1mm ðộ mịn của

hạt tinh thể có thể cải thiện cường ñộ, cùng là một hợp kim nhưng sản

phẩm ñúc không có quá trình xúc tiến sẽ có cường ñộ cao nhất Tuy nhiên, cường ñộ chịu ảnh hưởng rất nhiều bởi những ñiều kiện dưới

ñây, do dó những ảnh hưởng của nó cần ñược nghiên cứu kĩ lưỡng trong giai ñoạn thiết kế

2.2.5 T ự do trong thi ế t k ế

Phương pháp ñúc áp lực có ñộ chính xác cao, ñộ phân bố ít, sản

phẩm ñúc hoàn thành lại rất ñẹp Hơn nữa, chúng ta có thể sản xuất

một số lượng sản phẩm lớn có ñộ dày mỏng, cường ñộ lớn và hình

dạng phức tạp nên có thể dễ dàng ñáp ứng ñược những nhu cầu chặt

chẽ của người thiết kế

Bằng phương pháp ñúc áp lực chúng ta có thể dễ dàng sản xuất

một số lượng lớn vật ñúc có hình dạng yêu cầu phức tạp, nhưng vì khuôn ñúc làm bằng thép nên không thể sản xuất ñược những vật ñúc yêu cầu tiện rãnh với chi phí rẻ Thật vậy, có rất nhiều trường hợp mà chúng ta hoàn toàn không thể làm ñược nên thông thường người ta

mong muốn thiết kế những sản phẩm có hình dạng không phải tiện rãnh

Sản phẩm ñúc áp lực có cấu trúc tốt và cường ñộ cao Tuy nhiên, không khí ở trong khuôn và khí ñốt từ các chất bôi trơn khó có thể

thoát ra hoàn toàn mà vẫn có thể ở lại nơi có các vết rỗ của vật ñúc Ngoài ra, thành dày do việc co lại của dung dịch khi ñông dễ làm phát sinh những lỗ hổng Ở công ty chúng ta, những người ñi trước ñã sử

dụng phương pháp ñúc hút chân không và sau ñó phát triển lên sử

• Phương pháp ñúc hút chân không : Là phương pháp ñúc áp lực

ñề phòng phát sinh những lỗ rỗ bằng cách sau khi hút chân không trong khuôn thì sẽ ép dung dịch nhôm ở tốc ñộ và áp lực cao

• Phương pháp ñúc ép khuôn : Là phương pháp ñúc áp lực phòng

chống phát sinh những lỗ hổng co lại bằng cách sau khi dung

dịch nhôm cho vào khuôn ở tốc ñộ và áp lực cao thì sẽ gia áp

trực tiếp vào sản phẩm

2.2.8 Kim lo ạ i ñ úc

Nhúng linh kiện làm bằng chất liệu khác vào một phần sản phẩm

ñúc áp lực có thể mang lại tính chất vật lý và tính chất cơ học không

thể có ñược nếu chỉ sử dụng các hợp kim ñúc Thông thường, người

ta thường sử dụng sắt thép hoặc ñồng nhưng tùy theo việc sử dụng các kim loại ñúc mà người thiết kế có thể mở rộng ñược phạm vi sử

dụng cho sản phẩm ñúc áp lực

2.2.9 Ti ế t ki ệ m chi phí gia công c ắ t g ọ t

Sản phẩm ñúc áp lực có ñộ chính xác cao nên có thể giảm ñược các bộ phận gia công, hơn nữa ñộ phân bố nhỏ nên jig gia công cũng

có thể ñược ñơn giản hóa Do ñó khi sử dụng phương pháp ñúc áp lực chúng ta có thể giảm ñược khá nhiều số nhân công Cũng có những ví

dụ cho thấy vật ñúc sử dụng phương pháp ñúc áp lực có thể giảm

ñược 90% nhân công so với vật ñúc khuôn cát, và hình 2.8 ñã chỉ ra

một vài ví dụ

2.2.10 Tính kinh t ế c ủ a v ậ t ñ úc áp l ự c

Mặc dù, phương pháp ñúc áp lực có năng suất cao và rất kinh tế

cho sản xuất ñại trà nhưng do chi phí của khuôn cao nên nó không có

hiệu quả về măt kinh tế cho việc sản xuất với số lượng nhỏ Khi sản

xuất khối lượng nhiều thì chi phí khuôn chia cho mỗi sản phẩm ñúc là

rất nhỏ nên hiệu quả kinh tế cao Hình 2.9 ñã thể hiện một vài ví dụ so sánh về hiệu quả kinh tế với vật ñúc khuôn cát

3 H ợ p kim nhôm s ử d ụ ng trong ph ươ ng pháp ñ úc

3.1 Phân lo  i và thành ph n hóa h c c a h  p kim nhôm s  d  ng trong

ph ư ng pháp ñ úc

Phân loại và thành phần hóa học của hợp kim nhôm ñược chỉ ra ở

bảng 3.1 Bảng này ñược dựa trên các loại và thành phần hóa học

ñược hiển thị trong JIS H 5302 cho việc ñúc hợp kim nhôm_ ñây là

bảng phân loại hợp kim ứng dụng nói chung và các ứng dụng ñặc biệt

của hiệp hội ñúc Nhật Bản_ Các hợp kim ứng dụng nói chung ñược sử

dụng rất rộng rãi và là hợp kim có thể sản xuất với chi phí kinh tế thấp

Hợp kim cho các ứng dụng ñặc biệt ñược sử dụng cho các mục ñích

cụ thể và ñặc biệt, và chi phí sản xuất tương ñối cao

B ả ng 3.1 Phân lo ạ i và thành ph ầ n hóa h ọ c c ủ a h ợ p kim nhôm dùng trong

ñ úc áp l ự c

Từ thành phần hóa học của những hợp kim ñúc áp lực ta có thể thấy

rằng các hợp kim ñúc áp lực chủ yếu là hợp kim nhôm nhưng những

hợp kim dùng cho những ứng dụng thông thường thường có hàm

lượng silicon cao ADC1 là hợp kim của Al-Si, ADC10, ADC12 là hợp kim của Al-Si-Cu ADC5, ADC6 là hợp kim của Al-Mg, ADC3 là hợp kim của Al-Si-Mg Trong thực tế thì hợp kim Al-Si-Cu ñược sử dụng nhiều nhất trong ñúc áp lực và ở trong bảng 3.2 người ta ñã tóm tắt

ảnh hưởng của mỗi thành phần trong hợp kim

B ả ng 3.2 Ả nh h ưở ng c ủ a các nguyên t ố trong h ợ p kim nhôm s ử d ụ ng trong

Tính chịu ăn mòn thấp

Mg

Cải thiện ñược tính chất lớp màng phủ cực dương

Nâng cao ñược cường ñộ

sử dụng cho phương pháp ñúc áp lực ñược thể hiện ở bảng

B ả ng 3.3 Tính ch ấ t c ơ h ọ c và tính ch ấ t v ậ t lý c ủ a h ợ p kim nhôm dùng trong

ph ươ ng pháp ñ úc áp l ự c

Hợp kim ñúc thông thường Hợp kim ñúc ñặc biệt

Cường ñộ kéo

căng (Mpa)

240 (289) 296 (324) 296 (331) 295 (317) 283 (310)

tốt

Tính chất

cơ học và tính cắt

gọt tốt

Tính chất

cơ học và tính ñúc

Nếu vật mẫu ñược tiến hành cắt và ño ở trên thực tế thì cường ñộ

thực tế của nó cũng thấp hơn nhiều ðối với những hợp kim thông

thường khi cao thì khoảng 200~240Mpa, khi thấp thì khoảng 120~150Mpa