Công nghệ chế tạo phôi

- Có thể đúc đ ợc các vật đúc có hình dáng, kết cấu rất phức tạp - Có thể đúc đ ợc nhiều lớp kim loại khác nhau trong một vật đúc hoặc tạo ra cơ tính khác nhau giữa mặt trong và mặt n

C NG NGHệ chế tạo PH I Ô Ô

Sản xuất đúc

Tài liệu học:

1 Bài giảng Kỹ thuật chế tạo máy – Học phần 1

Tài liệu tham khảo

1 Vật liệu làm khuôn cát, Tg: Đinh Quảng Năng, NXBKH&KT

2 Thiết kế đúc, Tg: Nguyễn Xuân Bông, Phạm Quang Lộc,

NXBKH&KT

3 Hợp kim đúc, Tg: Nguyễn Hữu Dũng, NXBKH&KT

4 Các ph ơng pháp đúc đặc biệt, Tg: Nguyễn Hữu Dũng,

NXBKH&KT

ξ1- Thực chất, đặc điểm của ph ơng pháp đúc

Đúc là ph ơng pháp chế tạo chi tiết bằng cách rót kim loại lỏng vào một dụng cụ đặc biệt gọi là khuôn đúc Khuôn

đúc có phần rỗng mang kích th ớc và hình dáng của chi tiết cần chế tạo Bởi vậy sau khi kim loại lỏng điền đầy khuôn và

đóng rắn ta thu đ ợc vật đúc có hình dáng kích th ớc giống

chi tiết cần chế tạo.

Vật đúc có thể đem dùng ngay, khi đó nó đ ợc gọi là chi tiết đúc Nếu vật đúc ra cần qua gia công cắt gọt để nâng cao

độ chính xác kích th ớc và độ bóng bề mặt thì đ ợc gọi là phôi

đúc.

Sản xuất đúc có những u điểm chính sau:

- Có thể đúc đ ợc các vật liệu khác nhau, Khối l ợng vật đúc

có thể chỉ vài gam đến hàng trăm tấn.

- Có thể đúc đ ợc các vật đúc có hình dáng, kết cấu rất phức tạp

- Có thể đúc đ ợc nhiều lớp kim loại khác nhau trong một vật

đúc hoặc tạo ra cơ tính khác nhau giữa mặt trong và mặt

ngoài của nó.

- Giá thành chế tạo vật đúc rẻ vì đầu từ ban đầu ít

- Có khả năng cơ khí hoá và tự động hoá.

Tuy nhiên sản xuất đúc còn những nh ợc điểm sau:

-Tiêu tốn kim loại lớn do cháy hao khi nấu luyện, hệ thống rót, ngót,

- Tỷ lệ phế phẩm khá cao, chất l ợng vật đúc khó ổn định

(đặc biệt khi đúc trong khuôn cát).

ξ2- Kh¸i niÖm vÒ qu¸

Lµm khu«n

SÊy khu«n SÊy lâi

Lµm lâi

ChÕ t¹o hçn hîp lµm lâi

L¾p r¸p khu«n vµ lâi, rãt kim lo¹i

Håi liÖu PhÕ phÈm

Ch ơng I - công nghệ đúc trong khuôn cát

I Vật liệu làm khuôn và lõi:

Vật liệu làm khuôn là tên gọi chung cho các loại nguyên liệu dùng để chế biến nên hỗn hợp làm khuôn Cũng vì thế trong ngành đúc đặt tên các loại khuôn đúc theo tên vật liệu làm khuôn: khuôn cát, khuôn kim loại, khuôn

gốm

1- Vật liệu hạt (cát)

Vật liệu hạt còn đ ợc gọi là cát Cỡ hạt của cát làm khuôn từ 0,02 ữ 3 mm Loại có cỡ hạt trên 3 mm đ ợc gọi là sỏi, d ới 0,02 mm đ ợc gọi là bụi.

Vật liệu hạt trong hỗn hợp làm khuôn chiếm từ 90 ữ

98%, nó ảnh h ởng rất lớn đến tính chất của hỗn hợp làm

khuôn.

Yêu cầu chung đối với vật liệu hạt là: chịu nóng, trơ

đối với tác dụng của kim loại lỏng, dãn nở về nhiệt nhỏ,

thoát khí tốt, không độc hại và sử dụng đ ợc nhiều lần.

Trong sản xuất đúc th ờng dùng các loại cát sau: cát thạch anh, samốt, manhêdit, crômit, ziêckôn và bột than cốc

- Phân loại theo cát đất sét - Cát gầy (2  10)% Đất sét

- Cát nửa béo (10  20)% Đất sét

- Cát béo (20  30)% Đất sét

- Cát rất béo (30  50)% Đất sét

- Ph©n lo¹i theo nhãm.

Tªn c¸t Nhãm Sè hiÖu r©y KÝch th íc (mm) C¸t th« 063 1 – 063 – 04 0,4  1

b) Các loại vật liệu hạt chịu nhiệt cao:

Để đúc các vật đúc gang lớn, vật đúc thép với bề mặt không bị cháy cát ng ời ta th ờng dùng các vật liệu hạt chịu nhiệt cao.

o C Khả năng tíchnhiệt (Jun) Hệ số dãn nở nhiệt 300ữ 1000 o C

- Chất dính phải đảm bảo hỗn hợp làm khuôn có tuổi thọ

thích hợp với chu kỳ sử dụng nó.

- Chất dính phải đảm bảo thời gian của quá trình hoá bền

- Loại trừ đ ợc khuynh h ớng dính bám vào bộ mẫu.

- Chất dính cần là loại rẻ tiền, dễ kiếm.

Rõ ràng rằng không có một chất dính nào trong thực

tế thoả mãn đồng thời tất cả các yêu cầu nêu trên Bởi vậy trong sản xuất th ờng chọn các chất dính thoả mãn một số lớn các yêu cầu quan trọng, mà yêu cầu này bắt nguồn từ những điều kiện sản xuất cụ thể.

a) Chất dính vô cơ:

Trong số các chất dính vô cơ đất sét là loại đ ợc dùng nhiều nhất.

- Đất sét: trong sản xuất đúc đất sét đ ợc phân loại theo

thành phần khoáng học của nó gồm: Halôysit; Caolinit và Mônmôrilônit.

Tuy nhiên th ờng dùng hơn cả là hai loại sau:

* Sét caolinit: có công thức hoá học Al 2 O 3 2SiO 2 2H 2 O, có màu trắng, hút n ớc ít nên khả năng tr ơng nở kém, tính dẻo thấp Nhiệt độ chảy của caolinit là 1750 ữ1785 o C

Sét mônmôrilônit: có công thức hoá học

Al 2 O 3 4SiO 2 H 2 O + n H 2 O , là loại sét có khả năng hút n ớc lớn, tr ơng nở mạnh (thể tích của nó tăng 16 lần khi hút đủ n ớc) nên có khả năng dính kết tốt hơn nhiều so với caolinit - khi bị nung nóng đến 100 ữ 150 o C từ mônmôrilônit tách ra

n ớc tự do, còn đến 500 ữ 700 o C - n ớc cấu trúc.

Mônmôrilônit bị phân huỷ thành các chất vô định hình ở nhiệt độ 735 ữ 900 o C và khi đó nó mất hoàn toàn

khả năng hút n ớc trở lại.

- Thuỷ tinh lỏng: Ngoài u điểm rẻ tiền, không độc hại, chất dính thuỷ tinh lỏng còn cho phép sử dụng công nghệ

nhanh để sản xuất khuôn và lõi, đặc biệt trong sản xuất đơn chiếc và loạt nhỏ với sự sử dụng tấm mẫu ở nhiệt độ th ờng, nghĩa là nhận đ ợc hỗn hợp đóng rắn nguội.

Thuỷ tinh lỏng là một dung dịch silicát kiềm với thành phần thay đổi - Na 2 O.nSiO 2 hoặc K 2 O.nSiO 2 Trong sản

xuất đúc hay dùng thuỷ tinh lỏng natri vì nó rẻ và sẵn hơn

so với thuỷ tinh lỏng Kali.

Để đánh giá n ớc thuỷ tinh ng ời ta dùng tỷ số mol của SiO 2 và Na 2 O và gọi nó là môđun của n ớc thuỷ tinh:

- Xi m¨ng: §Æc ®iÓm cña xi m¨ng lµ khi t ¬ng t¸c víi n íc sÏ t¹o thµnh c¸c thuû ph©n tö, khi ph©n huû chóng t¹o ra liªn kÕt gi÷a c¸c h¹t c¸t cña hçn hîp lµm khu«n Ph¶n øng nµy

Các chất dính hữu cơ là loại chất dính có chất l ợng cao, chỉ cần đ a vào hỗn hợp làm khuôn một l ợng nhỏ cũng

có thể đạt đ ợc giá trị độ bền khô cao

Ngoài ra hỗn hợp dùng chất dính hữu cơ có tính thông khí và tính lún cao Độ bền còn lại thấp.

Tuy có những u điểm nh đã trình bày trên, trong thực

tế sản xuất đúc chất dính hữu cơ đ ợc sử dụng ngày càng hạn chế vì chúng là những chất đắt tiền và ngày càng trở nên

- N ớc bã giấy: N ớc bã giấy là chất dính kết đứng hàng thì ba

đ ợc sử dụng rộng rãi trong sản xuất đúc sau đất sét và n ớc thuỷ tinh N ớc bã giấy là phế thải của công nghiệp giấy khi sản xuất bột giấy từ gỗ theo ph ơng pháp kiềm sunphit.

N ớc bã giấy là một chất dính hữu cơ rất rẻ và sẵn Nó

có thể dùng làm chất dính khi làm khuôn t ơi, khuôn khô,

chế tạo lõi trong hộp ruột nóng, làm chất dính trong hỗn

hợp sơn chống cháy cát

Tuy nhiên cần l u ý rằng n ớc bã giấy có độ bền riêng thấp (độ bền nén t ơi khoảng 0,5 KG/cm2/1%) vì vậy muốn tăng bền cần dùng cát hạt nhỏ và bổ sung thêm các chất

dính vô cơ khác Ngoài ra n ớc bã giấy còn có một nh ợc điểm khác là hút ẩm rất mạnh làm độ bền của khuôn và lõi giảm dần sau khi sấy khô chờ rót kim loại lỏng

- Chất dính dầu: Trong sản xuất đúc chất dính dầu đ ợc chia làm hai nhóm: dầu thực vật và dầu tổng hợp.

Thuộc nhóm dầu thực vật cần phải kể đến dầu lanh, dầu trẩu, dầu gai Trong đó dầu lanh là loại chất dính kết tốt hơn cả do dễ đóng cứng và cho độ bền riêng lớn, ít sinh khí và cho độ thông khí cao.

Tuy có hàng loạt các u điểm nh đã kể trên song do yêu cầu bảo vẻ môi tr ờng và hạ giá thành vật đúc dầu tổng hợp đ

ợc khuyên sử dụng chỉ trong tr ờng hợp chế tạo các lõi phức tạp đòi hỏi độ bền cao.

II Hỗn hợp làm khuôn và lõi:

1- Những yêu cầu đối với hỗn hợp làm khuôn và lõi:

Xuất phát từ yêu cầu nhận đ ợc vật đúc chính xác và

có chất l ợng trong khuôn cát khi chi phí là tối thiểu, hỗn

hợp làm khuôn trong các giai đoạn khác nhau của quá trình công nghệ cần phải có các tính chất cơ lý và tính chất công nghệ tối u:

a) Tính dẻo: Là khả năng của hỗn hợp làm khuôn bị biến dạng dẻo d ới tác dụng của ngoại lực hoặc trọng l ợng bản

thân.

b) Tính đầm chặt : Là khả năng giảm thể tích của hỗn hợp (bị đầm chặt) d ới tác dụng của ngoại lực hoặc trọng l ợng

c) Tính dính mẫu: Muốn đảm bảo bề mặt hốc khuôn nhẵn hỗn hợp cần phải có tính dính mẫu thấp

d) Tính bền: Trong quá trình đúc khuôn và lõi phải qua

nhiều nguyên công nhỏ rợt mẫu, lắp ráp, chịu tác động của dễng chảy kim loại

e) Tính chảy: Là khả năng tự chuyển động của hỗn hợp d ới tác dụng của trọng lực

g) Tính chịu nóng: Tính chịu nóng của hỗn hợp là khả năng chịu đ ợc sự nung nóng đến nhiệt độ cao mà không bị biến dạng, chảy dẻo.

h) Tính hút ẩm: Là khả năng hút ẩm từ không khí của hỗn hợp làm khuôn Tính hút ẩm càng lớn khi trong hỗn hợp có chứa các chất dính háo n ớc

2- C¸c lo¹i hçn hîp lµm khu«n:

Cã nhiÒu c¸ch ph©n lo¹i hçn hîp lµm khu«n vµ lâi:

+ Theo tÝnh chÊt sö dông chia ra:

+ Theo tr¹ng th¸i cña hçn hîp tr íc khi lµm khu«n hoÆc lâi chia ra:

3- Hỗn hợp làm ruột (lõi) :

Lõi dùng để tạo nên lồ rỗng bên trong vật đúc, vì vậy

nó bị kim loại lỏng bao bọc, chịu tác động cơ học và chịu

nóng lớn hơn nhiều so với khuôn đúc

a) Hỗn hợp làm lõi qua sấy:

Theo hình dáng, kích th ớc và điều kiện làm việc của mình, lõi đ ợc chia làm 5 cấp:

- Lõi cấp I: là lõi có kết cấu phức tạp, thành mỏng, đầu gác lõi nhỏ, dùng tạo hình các lồ không qua gia công cơ.

- Lõi cấp II: là lõi có hình dáng phức tạp, có phần dày, phần mỏng tạo ra một số bề mặt không qua gia công cơ.

- Lõi cấp III: là lõi có độ phức tạp vừa phải, đầu gác lớn,

không có phần mỏng thành.

- Lõi cấp IV: là lõi kết cấu đơn giản, dùng để tạo ra các bề mặt có thể gia công cơ , có thể không gia công cơ, song

không có yêu cầu gì đặc biệt.

- Lõi cấp V: là lõi cỡ lớn.

Hỗn hợp làm lõi cấp II cũng phải thoả mãn những yêu cầu nh cấp I song ở mức thấp hơn Từ lõi cấp III đến

cấp V có thể dùng thêm hỗn hợp dùng rồi, pha chế vào

thành phần hỗn hợp làm lõi để đảm bảo tính kinh tế cao của quá trình sản xuất

4- Hỗn hợp chống cháy cát:

Khi rót kim loại lỏng vào khuôn, trên bề mặt tiếp xúc giữa khuôn và vật đúc có thể xẩy ra t ơng tác hoá học giữa các thành phần của kim loại vật đúc với ôxyt silic của vật

liệu làm khuôn, tạo thành hợp chất dễ chảy dính bám lên bề mặt vật đúc tạo nên cháy cát hoá học sau này.

D ới tác dụng của cột áp kim loại trong khuôn, kim loại lỏng cũng có thể chui vào khe hở giữa các hạt cát trên

bề mặt hốc khuôn Sau khi đông đặc, các hạt cát này sẽ bị giữ lại trên bề mặt vật đúc Hiện t ợng đó gọi là sự cháy cát cơ học.

Vì vậy chống cháy cát là một nhiệm vụ quan trọng của sản xuất đúc Tùy theo trạng thái của khuôn và lõi là t ơi hay qua sấy khô ng ời ta chọn các hỗn hợp chống cháy cát khác nhau Tuy nhiên tất cả các hỗn hợp chống cháy cát đều phải thoả mãn các yêu cầu sau:

- Lớp sơn chống cháy cát phải dính bám chặt vào bề mặt của khuôn hoặc lõi.

- Phải có nhiệt độ chảy cao, không t ơng tác hoá học với

III ChuÉn bÞ hçn hîp lµm khu«n vµ lâi:

ChuÉn bÞ hçn hîp lµm khu«n vµ lâi gåm hai kh©u chÝnh lµ: s¶n xuÊt hçn hîp vµ kiÓm tra tÝnh chÊt cña chóng.

1- S¶n xuÊt hçn hîp lµm khu«n vµ lâi:

ChÊt dÝnh ChÊt phô vµ n íc C¸t míi C¸t cò

Ph©n ly tõ

§Ëp vôn

Sµng T¸i sinh

Trén

2 Kỹ thuật chế biến hỗn hợp làm khuôn và lõi:

Yêu cầu chính khi pha trộn hỗn hợp làm khuôn và lõi

là làm cho chất dính phân bố đều trên bề mặt hạt cát Vì vậy tùy thuộc vào tính chất của chất dính mà chọn một trong hai

ph ơng án trộn sau:

a Nghiền trộn: Để thực hiện nghiền trộn ng ời ta dùng máy trộn con lăn có lắp cụm cánh gạt và bánh lăn quay quanh trục cố định Khi đổ hỗn hợp vào máy, con lăn làm nhiệm vụ chà sát cho chất dính bị đàn ra d ới dạng màng mỏng bao lấy các hạt vật liệu, cánh gạt làm nhiệm vụ trộn đều khối hỗn hợp.

b Đảo trộn: Để thực hiện công nghệ đảo trộn ng ời ta dùng máy trộn kiểu cánh gạt

3- Kiểm tra tính chất của hỗn hợp làm khuôn, lõi:

Hỗn hợp tr ớc khi đem làm khuôn hoặc lõi cần đ ợc kiểm tra một số tính chất quan trọng nh : độ bền, độ thông

khí, độ ẩm (đối với khuôn t ơi)

a- Kiểm tra độ bền:

b) Kiểm tra độ thông khí

Trong đó:

Q-l ợng không khí thổi qua mẫu (cm3)

L- chiều cao của mẫu (cm)

F- diện tích tiết diện ngang của mẫu (cm2)

P- áp xuất của khí tr ớc khi qua mẫu (N/ cm2)

t - thời gian khối khí thoát hết qua mẫu (phút)

t P F

L

Q k

100

.

=

ξ2- các ph ơng pháp làm khuôn và lõi

Tùy theo sản l ợng của vật đúc, mức độ cơ khí hoá của

x ởng đúc, việc làm khuôn và lõi có thể đ ợc tiến hành theo một trong những hình thức sau:

- Làm khuôn và lõi bằng tay,

- Làm khuôn và lõi bằng máy,

- Làm khuôn và lõi trên dây truyền tự động

I Các ph ơng pháp làm khuôn

A- Các ph ơng pháp làm khuôn bằng tay

1- Đặc điểm

Làm khuôn bằng tay có những đặc điểm sau:

- Độ chính xác của khuôn không cao

2- C¸c ph ¬ng ph¸p lµm khu«n

2.1- Lµm khu«n trong hai hßm khu«n.

2.2- Lµm khu«n trªn nÒn x ëng.

2.3- Lµm khu«n b»ng d ìng g¹t

2.4- Lµm khu«n kh«ng hßm:

2.5 Lµm khu«n trong ba hoÆc nhiÒu hßm khu«n:

2.6 Lµm khu«n xÐn:

2.7- Lµm khu«n b»ng mÉu cã miÕng rêi:

2.8- Lµm khu«n dïng lâi phô:

2.9- Làm khuôn dùng miếng đất phụ:

B- C¸c ph ¬ng ph¸p lµm khu«n b»ng m¸y:

1- Ph©n lo¹i theo ph ¬ng ph¸p ®Çm chÆt.

1.1- Lµm khu«n trªn m¸y Ðp.

Trong đó:

δo , δ1 - Độ đầm chặt tr ớc và sau khi đầm chặt

(g/cm 3 )

H - chiều cao hòm khuôn chính (cm)

h - chiều cao hòm khuôn phụ (cm)

F - diện tích tiết diện hòm khuôn (cm 2 )

V - thể tích mẫu đúc (cm 3 )

) 1 ).(

h

dsged

1.2- Lµm khu«n trªn m¸y d»n:

1.3- Lµm khu«n trªn m¸y võa d»n võa Ðp: (trªn m¸y d»n cã

Ðp phô)

1.4- Lµm khu«n b»ng m¸y phun c¸t:

II- Các ph ơng pháp làm lõi:

1 Khái niệm chung:

Lõi là bộ phận nằm trong khuôn đúc để tạo phần rỗng bên trong, phần lồi hoặc phần lõm trên vật đúc

Hình 34: Cấu tạo lõi đơn giản

2- Các ph ơng pháp làm lõi bằng tay

Làm lõi bằng tay có thể chế tạo những lõi rất to hoặc rất nhỏ, rất phức tạp hoặc rất đơn giản, đồng thời vốn đầu t làm hộp lõi rất ít Tùy theo độ phức tạp và kích th ớc của lõi

ng ời ta dùng các ph ơng pháp chế tạo khác nhau.

2.1- ChÕ t¹o lâi trong hép lâi nguyªn

2.2- ChÕ t¹o lâi b»ng c¸ch g¾n hai nöa ë tr¹ng th¸i t ¬i

2.3- ChÕ t¹o lâi trong hép lâi hai nöa

2.4- ChÕ t¹o lâi trong hép lâi cã miÕng rêi

2.5- ChÕ t¹o lâi trong hép lâi l¾p ghÐp

2.6- ChÕ t¹o lâi b»ng d ìng g¹t ngang

2.7- Lµm lâi b»ng d ìng g¹t kÐo

3- Các ph ơng pháp làm lõi bằng máy:

Làm lõi bằng máy cho ta các lõi có chất l ợng tốt, năng suất cao, nh ng chỉ dùng trong sản xuất hàng loạt và hàng khối Ng ời ta có thể dùng máy làm khuôn để làm lõi bằng cách thay tấm mẫu trên bàn máy bằng hộp lõi

3.1- M¸y nhåi ®Èy

3.2- M¸y Ðp

ξ3- sấy khuôn và lõi

1- Khái niệm

Mục đích của sấy khuôn và lõi là nhằm giảm độ ẩm của khuôn, lõi do đó giảm đ ợc độ tạo khí, giảm khả năng tạo rỗ khí trong vật đúc Tuy nhiên song song với quá trình bốc hơi

n ớc còn có quá trình ôxy hoá các loại chất dính hữu cơ, quá trình trùng hợp các chất dính từ phân tử l ợng nhỏ thành

phân tử l ợng lớn (polyme hoá chất dính) Vì vậy độ bền của khuôn và lõi tăng lên

Sự trao đổi nhiệt khi sấy có thể thực hiện d ới 3 hình thức:

- Sấy tiếp xúc: cho bề mặt khuôn hoặc lõi tiếp xúc với một bề mặt nóng nhiệt đ ợc truyền bằng dẫn nhiệt trực tiếp từ bề mặt nóng đến khuôn hoặc lõi

- Sấy đối l u: Cho dòng khí nóng l ớt trên bề mặt khuôn và lõi,

n ớc trên lớp bề mặt sẽ bốc hơi tr ớc, sau đó ẩm ở những lớp phía trong sẽ khuếch tán ra ngoài rồi tiếp tục bay hơi

- Sấy bức xạ: bề mặt khuôn và lõi nhận đ ợc nhiệt của các tia hồng ngoại từ một nguồn nhiệt đặt gần đó truyền tới

2- Chế độ sấy

Chế độ sấy quyết định chất l ợng của nguyên công sấy Chế

độ sấy bao gồm: Nhiệt độ sấy, thời gian sấy.

a- Nhiệt độ sấy:

Nhiệt độ sấy càng cao thì tốc độ bốc hơi của ẩm càng lớn, do đó thời gian sấy càng giảm Tuy nhiên nhiệt độ sấy quá cao làm tốc độ bốc hơi n ớc v ợt xa tốc độ thoát hơi từ

trong lòng khuôn qua khe hở giữa các hạt cát ra bên ngoài

sẽ dẫn đến làm tăng áp lực hơi n ớc trong khối khuôn Hậu quả cuối cùng là khuôn hoặc lõi bị nứt vỡ