đo án thiết kế đúc van khí- Đại học bách khoa Tp.HCM

Sản xuất đúc là một trong những ngành quan trọng của công nghiệp chế tạo máy. Hầu hết trong tất cả các máy móc, thiết bị đều có các chi tiết đúc. Theo nhiều thống kê cho thấy khoảng 70% phôi sản xuất cho các chi tiết máy được làm bằng phương pháp đúc.Khi thiết kế chi tiết đúc phải đảm bảo các yêu cầu về cơ tính, độ bền làm việc đồng thời phải đảm bảo tính dễ đúc. Bên cạnh đó, khi thiết kế công nghệ đúc cũng cần phải chú ý đến gia công cơ khí sau này, nhất là đối với sản xuất lớn.Trong môn đồ án này, yêu cầu đối với sinh viên là phải hiểu được các quá trình thiết kế trong công nghệ đúc bằng cát tươi như: thiết kế sơ bộ, thiết kế chi tiết, làm khuôn, ruột, giai đoạn nấu luyện và rót… đồng thời phải có tham khảo thêm các công đoạn sau khi đúc: gia công cơ khí, làm sạch chi tiết đúc…Chi tiết đúc của phần Đồ án CN Đúc là chi tiết Van khí của máy làm khuôn, với sản lượng là 500 chiếc bằng Đồng thau. Yêu cầu kỹ thuật đối với vật đúcPhôi đúc không bị rỗ khí xỉ, nứt.Phôi đúc

LỜI MỞ ĐẦU

Sản xuất đúc là một trong những ngành quan trọng của công nghiệp chế tạo máy.Hầu hết trong tất cả các máy móc, thiết bị đều có các chi tiết đúc Theo nhiều thốngkê cho thấy khoảng 70% phôi sản xuất cho các chi tiết máy được làm bằng phươngpháp đúc

Khi thiết kế chi tiết đúc phải đảm bảo các yêu cầu về cơ tính, độ bền làm việcđồng thời phải đảm bảo tính dễ đúc Bên cạnh đó, khi thiết kế công nghệ đúc cũngcần phải chú ý đến gia công cơ khí sau này, nhất là đối với sản xuất lớn

Trong môn đồ án này, yêu cầu đối với sinh viên là phải hiểu được các quá trìnhthiết kế trong công nghệ đúc bằng cát tươi như: thiết kế sơ bộ, thiết kế chi tiết, làmkhuôn, ruột, giai đoạn nấu luyện và rót… đồng thời phải có tham khảo thêm các côngđoạn sau khi đúc: gia công cơ khí, làm sạch chi tiết đúc…

Chi tiết đúc của phần Đồ án CN Đúc là chi tiết Van khí của máy làm khuôn, vớisản lượng là 500 chiếc bằng Đồng thau

Yêu cầu kỹ thuật đối với vật đúc

- Phôi đúc không bị rỗ khí xỉ, nứt

- Phôi đúc φ 40x50

1

PHẦN I: KHÁI QUÁT VỀ

PHƯƠNG PHÁP ĐÚC

BẰNG KHUÔN CÁT-SÉT

A Khái quát về lịch sử và sự phát triển của kỹ

thuật đúc

Sản xuất đúc là một trong các dạng gia công kim loại lâu đời nhất Các nghiên cứukhảo cổ học cho thấy rằng từ 5000 năm trước công nguyên, tại các trung tâm cổ xưa của loài người nghề đúc đã đạt trìng độ cao Người ta xác định được rằng vật liệu đúc đầu tiên là đồng thanh

Ở kỷ nguyên cuối thời đồ đá tổ tiên của người Ural đã biết nấu kim loại và thành thạo nghề đúc Các nhà khảo cổ học đã xác định được rằng tại bờ của hồ Isetsk (LiênXô) đã từng có “nhà máy” luyện kim với đầy đủ chu trình sản xuất

Cuối thế kỷ 12 đầu thế kỷ 13, người Nga đã biết áp dụng các khuôn hai mặt làm từ các loại đá cứng và trang bị các hệ thống rót phân nhánh Vào thế kỷ 14 và 15, nước Nga đã nổi tiếng về đúc các quả chuông và sau đó là các loại súng đại bác Khẩu đại bác Nga Hoàng với khối lượng 38,4 tấn đã được người thợ đúc Nga nổi tiếng Andrey Chokhov đúc năm 1586

3

B Sơ đồ quy trình công nghệ chế tạo vật đúc trong khuôn cát – sét dùng một lần:

Chế tạo mẫu, hòmruột và các thiết bị

khácĐiều chế hỗn hợplàm khuôn và ruột

Lắp ráp khuôn vàchuẩn bị chờ rótRót khuônLàm nguội vật đúc

Tháo dỡ vật đúc rakhỏi hòm khuôn

Loại bỏ ruột rakhỏi vật đúc

Cắt bỏ hệ thốngrót và làm sạch

Chế tạo và sấy khô ruột

Nấu chảy hợp kim

đúcChế tạo khuôn

Xử lý nhiệt vật đúc

1 Đầm hỗn hợp làm khuôn cho khuôn dưới

2 Chuẩn bị nhồi đầm hòm khuôn trên

3 Nhồi và đầm chặt hỗn hợp làm khuôn cho hòm khuôn trên

4 Tinh xửa, ráp khuôn và chuẩn bị khuôn để rót kim loại lỏng

Các phương pháp làm khuôn bằng tay:

1 Làm khuôn bằng 2 hòm khuôn: dùng mẫu nguyên khối, mẫu bổ đôi…

2 Làm khuôn trong 3 hòm khuôn và nhiều hơn

3 Làm khuôn trên nền xưởng

4 Làm khuôn bằng dưỡng gạt

5 Làm khuôn bằng mẫu xương

6 Làm khuôn bằng gạch

Ở đây ta sẽ dưới thiệu khái quát về cách làm khuôn trong hòm đôi dùng mẫu nguyên khối, các cách còn lại có thể tham khảo thêm trong sách Công nghệ đúc – Đặng Mẫu Chiến:

1 Lắp đặt mẫu đúc lên tấm đỡ mẫu đã được làm sạch

2 Đặt hòm khuôn dưới lên tấm đỡ mẫu, dùng rây rải 1 lớp cát đệm lên mẫu

3 Đắp thêm hỗn hợp làm khuôn và đầm chặt nó bằng chày Dùng thước phẳng gạt bỏ phần thừa của hỗn hợp đã đầm ra khỏi nửa khuôn dưới

4 Xiên lỗ thoát khí cho khuôn dưới bằng dúi hơi

5 Lật ngửa khuôn dưới cùng mẫu vật đúc 1800 và đặt nó xuống nền xưởng làm khuôn

6 Dùng chốt định vị lắp đặt hòm khuôn trên lên hòm khuôn dưới Phủ mặt ráp khuôn một lớp cát phân cách

7 Dùng rây rắc lên mẫu đúc 1 lớp cát đệm, lắp đặt mẫu ống rót Sau đó thực hiệncác công đoạn từ 2 đến 4

8 Xẻ cốc rót, lấy mẫu ống rót ra Nhấc nửa khuôn trên, xoay lật 1800 và đặt sangbên cạnh

9 Dùng bay xẻ các rãnh dẫn của hệt th61ng rót trên nửa khuôn dưới

10.Nhờ thanh rút mẫu được đóng hay vặn xoáy vào mẫu, gõ nhẹ và rút mẫu ra.11.Tinh xửa khuôn dưới

12.Úùp nửa khuôn trên lên

13.Sau khi rót kim loại lỏng vào khuôn, để nguội và làm sạch vật đúc, ta thu được sản phẩm

5

D Sơ đồ các chi tiết chính trong hòm khuôn đúc bằng khuôn cát

 Chú thích:

- Casting: vật đúc

- Cope : nửa khuôn trên

- Drag: nửa khuôn dưới

- Parting line: mặt phân khuôn

- Core: ruột

- Pouring basin: cốc rót

E Một số ưu nhược điểm của phương pháp đúc bằng cát tươi

- Đúc được các chi tiết nặng đến 3000Kg

- Dung sai: ±0,2” đến 10”

- Độ bóng bề mặt: 120 đến 175 RMS

- Độ xiên thành: 0,50 đến 30

- Thành vật đúc: 0,14” đến 0,187”

- Sản lượng: áp dụng được cho tất cả các sản lượng sản xuất

- Chi phí cho trang thiết bị: 800$ đến 4000$

Một vài hình ảnh minh họa trong công nghệ đúc bằng cát tươi

7

Rót kim loại lỏng vào khuôn cát tươi

F Một vài sản phẩm đúc bằng phương pháp khuôn cát-sét

9

PHẦN II: THIẾT

KẾ ĐÚC

11

TRÌNH TỰ THIẾT KẾ ĐÚC

1 Nghiên cứu bản vẽ chi tiết đúc:

- Tìm hiểu điều kiện làm việc của chi tiết đúc

- Nghiên cứu đặc điểm của vật liệu chế tạo và yêu cầu tính chất cơ lý của chi tiết

- Phân tích tính công nghệ của kết cấu đúc

2 Nghiên cứu các vấn đề liên quan đến hình dạng vật đúc:

- Vị trí của vật đúc khi làm khuôn và rót

- Mặt phân khuôn và mặt phân mẫu

- Hình dạng ruột, cách cố định và lắp ruột

- Lượng dư gia công, lượng dư công nghệ và lượng co

3 Tính toán, chọn kiểu, bố trí hệ thống rót, phân tích về các hiện tương nhiệt xảy ra khi vật đúc đông đặc.

4 Chọn phương pháp là khuôn, kích thước khuôn cho phù hợp với chi tiết số lượng mẫu khi đúc.

5 Thiết kế bộ mẫu và khuôn đúc.

6 Xây dựng quy trình công nghệ chế tạo bộ mẫu và khuôn đúc.

7 Lập các hồ sơ kỹ thuật:

- Bản vẽ công nghệ đúc

- Bản vẽ bộ mẫu

- Bản vẽ khuôn đúc

- Các phiếu công nghệ

- Các bản hướng dẫn kỹ thuật

CÁC HÌNH THỨC THIẾT KẾ ĐÚC

1 Thiết kế đơn giản:

- Phạm vi sử dụng: sản xuất đơn chiếc hoặc loạt nhỏ, vật đúc không lớn, khôngphức tạp

- Nội dung: Xây dựng bản vẽ công nghệ đúc, thiết lập các phiếu công nghệ cókèm theo các hướng dẫn kỹ thuật

2 Thiết kế đầy đủ:

- Phạm vi sử dụng: sản xuất hàng loạt vật đúc nhở và vừa không kể mức độ phứctạp Sản xuất loạt nhỏ vật đúc lớn phức tạp

- Nội dung: Xây dưng bản vẽ công nghệ đúc Thiết kế các bản vẽ bộ mẫu Xâydựng bản vẽ khuôn Thiết lập các phiếu công nghệ co kèm hướng dẫn kỹ thuật

3 Thiết kế toàn diện:

- Phạm vi sử dụng: sản xuất lớn với các loại vật đúc Sản xuất hàng loạt vật đúclớn phức tạp

- Nội dung: giống như thiết kế đầy đủ và thêm: bản vẽ chi tiết cho các dụng cụ vàphụ tùng Hướng dẫn tỉ mỉ từng động tác, có định mức thợ và thời gian Tính toánkinh tế chặc chẽ

13

1 Nghiên cứu bản vẽ chi tiết đúc:

a Chi tiết được làm bằng đồng thau:

Đồng thau là hợp kim của đồng với kẽm, nếu có pha thêm một ít các nguyên tố khácgọi là đồng thau đa nguyên Đồng thau và đồng thanh là 2 nhóm hợp kim đồng sử dụngrộng rãi để chế tạo chế tạo các chi tiết chịu mài mòn và chịu ăn mòn như bạc đỡ, bánhvít, cánh bơm, chân vịt tàu biển, tượng đài, chuông…

Ký hiệu (theo Liên Xô): Đồng thau: π

Đồng thau đơn có đặc điểm là màu của nó thay đổi rõ rệt theo tỷ lệ kẽm: màu 10%Zn, đỏ tươi-20%Zn, vàng xanh 28-33%Zn, vàng hồng 37-40%, vàng kim 50%Zn.Đồng thau đơn chủ yếu dùng gia công áp lực

đỏ-Đồng thau đúc, phần lớn là đồng thau nhiều nguyên, đồng này có nhiều tính chấtcông nghệ tốt hơn hẳn đồng thau đơn Tên từng loại đồng thau nhiều nguyên lấy theotên của nguyên tố hợp kim thứ 3 trở đi (trừ Zn), ví dụ đồng thau nhôm, đồng thau silic…Tính đúc của hợp kim đồng thau:

- Có độ co lớn nhưng nhờ độ dẽo cao nên ít bị nức nóng

- Co dài: từ 1,5% đến 2,3%

- Hút khí:hợp kim đồng hút khí mạnh, nhưng với đồng thau do nồng độ kẽm cao nêncó tác dụng bảo vệ hợp kim không bị bão hoà Hydrô và ít rổ khí

- Tạp chất:dễ bị lẫn oxit vì co nhiều nguyên tố dễ bị oxy

- Khối lượng riêng: 8,6 - 8,8 g/cm3

.

- Chi tiết chịu lực nén liên tục

b Điều kiện làm việc của chi tiết đúc:

- Chi tiết làm việc trong môi trường nhiệt ổn định, nhiệt độ không cao

- Đòi hỏi phải có 1 độ chính xác nhất định

- Độ bóng bề mặt đạt yêu cầu trong khi làm việc

Khoảng làm việc

c Các vị trí vật đúc có thể trong khuôn:

Xỉ và rổ khí tập trung ở vị trí đáy của chi tiết, không ảnh hưởng đến khoảng làmviệc của chi tiết Để chi tiết không bị rổ khí, ta có thể thiết kế chi tiết dài hơn ở phầnđáy(nơi tập trung xỉ, khí), sau khi đúc chi tiết ra, ta cắt bỏ phần dài dư đó.

Vậy ta sẽ chọn vị trí vật đúc trong khuôn như cách thứ 3 này.

d Vị trí mặt phân khuôn:

T

D Vị trí đặt hệ

thống rót

Vậy ta chọn mặt phân khuôn như cách chọn thứ 2.

2 Xác định các lượng dư:

Vật đúc được làm bằng đồng thau, só lượng là 500 chiếc, vậy đây là sản xuất hàngloạt, nên ta sẽ dùng gỗ để làm mẫu Chi tiết cần đúc có kích thước nhỏ (phôi đúc chỉkhoảng Þ40x50mm) nên ta có thể thiết kế sao cho hòm khuôn có thể đúc được 4-16 chitiết 1 lúc, vừa tiết kiệm thời gian và nhân lực làm khuôn cát, vừa tiết kiệm được khoảngkim loại dư do thiết kế hệ thống rót

Đặc điểm của bộ mẫu:

- Gỗ mềm vừa, đôi chỗ dùng gỗ rắn (mẫu hệ thống rót)

- Hộp ruột chắc, nẹp ruột rắn, mặt bộc tôn, có dùng kẹp kim loại

a Xác định lượng dư gia công cơ khí:

Dựa vào kích thước của vật đúc, ta tra bảng 2.9/ 49 sách ĐA thiết kế công nghệ vàthiết bị luyện kim, ta có lượng gia công co khí lớn nhất cho vật đúc là 1,5mm (chi tiếtđơn giản sản xuất hàng loạt)

Chi tiết có 6 lỗ có đường kính 6mm,chiều sâu 2,9mm;do đó ta không cần đúc chi cáclỗ này Ta sẽ đúc liền chúng, và sẽ gia công cơ khí sau

17

b Độ xiên thành:

Độ xiên thành của mẫu là 1030’do chiều cao thoát khuôn lớn nhất của mẫu là22,5mm

Đối với các chiều cao còn lại, độ xiên thành sẽ là 30

c Lượng trừ co

Tra bảng 2.11 sách ĐA thiết kế công nghệ và thiết bị luyện kim trang 50 ta có:

Bị cản trở Tự do

Đối với đồng thau: 1,5-1,7% 2,0-2,3%

Đối với yêu cầu của môn đồ án, ta chọn lượng co là 1,5%

Trong khi thiết kế mẫu, các kích thuớc sẽ được ghi đúng theo kích thước chi tiết thật,người thợ làm mẫu khi làm mẫu sẽ dùng thước phòng co (1,5%) để đo đạc và làm mẫu

d Lượng dư công nghệ:

Đó chính là 6 lỗ ∅6mm; dày 3,5mm và phần dư công nghệ như hình:

h

Phần gia công cơ

Lượng dư âm do đánh động để rút mẫu 0,5mm

3 Thiết kế ruột

A Thiết kế Ruột:

Để xác định phần rỗng của chi tiết nên làm ruột hay ụ cát, ta xét chỉ số sau: hdụ , nếutỷ số ấy lớn hơn 1 ta sẽ dùng ruột (với d la øđường kính nhỏ nhất của ụ cát)Trong trườnghợp này, d=20, h=14,5

Vậy ta sẽ chọn cách làm ruột

19

Ruột sẽ có hình dạng như hình vẽ, với các kích thước sẽ được tra theo bảng 2.15trang 56 sách ĐA thiết kế công nghệ và thiết bị nhiệt luyện Với các thông số như sau:d: <30mm

l: 35mm

r: 4mm

α:100

(Đường kính trung bình của ruột là: (34+25,8)/2=29,9mm)

Do điều kiện thực tế không cho phép ta thiết kế theo các thiết kế trên Với kíchthước đường kính của ruột quá lớn 35x2+34=104mm, chiều cao ruột là 35mm, ruột sẽchiếm 1 thể tích trong khuôn cát quá lớn, khó cho phép ta thiết kế đặc được nhiều chitiết trong hòm khuôn

Do đó, ta có thể chọn l=25mm d=20mm Đường kính và chiều cao của ruột sẽ cũng

là phần rỗng của chi tiết

Trong công nghệ hiện đại hiện nay, ruột được làm bằng cát nhựa (nhựaphenolformanđehit) Vỏ ruột chỉ khoảng 6-8mm, độ bền vỏ mõng khoảng 0,6kG/mm2 Ởnhiệt độ phòng nó có dạng bột khô màu trắng Sau khi phủ lên tấm mẫu bằng kim loạiđã được nung nóng 200-2200C và giữ nhiệt trong khoảng 20-30s, nhựa sẽ nóng chảy,bao bọc các hạt cát thạch anh bằng 1 màng nhớt mõng, tạo thành 1 vỏ mõng có hìnhthù, chất nhựa sẽ đóng rắn Ở nhiệt độ cao hơn (khoảng trên 4500C) hỗn hợp cát nhựa sẽ

bị đốt cháy, tạo nên cho vật đúc có bề mặt láng bóng và dễ phá dỡ khuôn

I

II

α

Hộp ruột là 2 nữa ghép lại, có chốt định vị là hình côn và bản lề để ghép 2 nữa hộpruột lại với nhau, có hình dạng như hình.

21

4 Thiết kế mẫu

a Thiết kế đậu ngót:

Ở chi tiết van trượt này, ta không cần thiết kế đậu ngót, mà chỉ cần tăng chiều cao h1thêm 5mm nữa để tránh bị rổ khí và xỉ

b Thiết kế mẫu

- Đối với các mặt cần gia công cơ khí, ta sẽ công thêm vào kích thước của chúng là1,5mm

- Toàn bộ kích thườc mẫu sẽ được trừ 0,5mm do đánh động để rút mẫu

- Lượng bù co sẽ được cộng vào khi người thợ làm mẫu sử dụng thước phòng co đểlàm mẫu

- Độ xiên thành là 30 để rút mẫu ra khỏi hòm cát

5 Thiết kế hệ thống rót

a Yêu cầu chung:

- Đảm bảo ngăn không cho xỉ và các tạp chất khác lẫn vào vật đúc cùng với kim loạilỏng

- Cung cấp kim loại lỏng và điều chỉnh hiện tượng nhiệt cho vật đúc trong thời gianđông đặc và làm nguội

- Dòng kim loại lỏng chảy êm, đều, liên tục

- Khối lượng bé, ít chiếm chỗ

b Các điểm cần lưu ý khi thiết kế hệ thống rót cho kim loại màu:

- Những vật đúc không lớn được đúc theo nguyên tắc đông đặc đồng thời

- Những vật đúc bé thường được đúc bằng 1 ống rót chung trong khuôn dựng đứng

- Mạng lọc được áp dụng rộng rãi

- Các chi tiết dạng bạc, xilanh và các dạng tương tự thường rót bằng kiểu mưa rơi

- Khi rót cần chú ý đến lớp ôxít sinh ra trên bề mặt kim loại Vì vậy phải dẫn kimloại vào khuôn êm, không xoáy, không bắn toé Muốn vậy thì phải rót kim loại từdưới lên

- Để kim loại chảy êm, tốc độ nhỏ thường chọn hệ thống rót sao cho Fr<Fx<Fd hayFr<Fx>Fd (Fr>Fd) Rót theo nguyên tắc đông đặc có huớng

c Tính toán hệ thống rót:

V 

Khối lượng riêng đồng thau :8,8g/cm3

 Khối lượng vật đúc: mđúc=27,914 x 8,8=245,6 g

* Nhận xét: Vật đúc có khối lượng chưa tới 200g, nên ta giả sử khối lượng hệ thống

rót là 100%, trong quá trính tính toán, ta sẽ xác định lại khối lượng của hệ thống rót saocho phù họp hơn

 G=245,6x(1+100%)=491,2g

Trị số tốc độ rót :

6 , 8 2 10 ) 3 8 14 29 ( 4 10 2 , 36 4

3 10 2 , 491 2

1 ) 7 ' 6 ' 3 ' 1 ' ( 4

3 10 2 , 491

x

x d

h h h h

x V

Với G: khối lượng kim loại rót qua hệ thống Kg

K: tốc độ rót vào khuôn, kg/cm2s

Trị số K được tra theo bảng 2.28 trang 73 sách Đồ án thiết kế công nghệ và thiết bịnhiệt luyện, với vk=8,6=> K=0,75 (kg/cm2s)

Thời gian rót hợp lý được tính theo công thức:

s x

x G

s

t   0 , 65 491 , 2 4 10 3  0 , 91 (với s được tra theo bảng 2.27 trang 73 sáchĐồ án thiết kế công nghệ và thiết bị nhiệt luyện)

2 3

~ 2 88 , 2 75 , 0 9 , 0

3

10 4 2 , 491

cm cm

x K

t

G d





25

Vậy tiết diện của rãnh dẫn vào 1 vật đúc là 0,75cm2

Tỷ lệ tiết diện giữa các phần của hệ thống rót: fr:fx:fd=1:2:2 (theo sách hỏi đáp đúchợp kim màu trang 98)

4 r

 Đường kính ống rót như trên chỉ dùng rót cho 4 chi tiết trong 1 hòm khuôn, ta cothể chọn đường kính là 16mm để có thể cùng lúc rót cho nhiều nhiều khuôn Kíchthước cốc rót ta tra theo bảng H.2.12.c trang 69 sách Đồ án thiết kế công nghệ vàthiết bị luyện kim

Ta tính theo tỷ lệ với fd=0,75cm2 ; tức các kích thước của rãnh dẫn giảm đi

0,75 lần Do đó ta có kích thước rãnh dẫn

b R2

a

6 Thiết kế đậu ngót

a Cách xác định đậu ngót dựa theo nguyên tắc sau:

- Đậu ngót được đặt trên phần dày nhất của vật đúc

- Đậu ngót không làm cản trở sự co tự do của vật đúc Để tránh nứt có khi phải đặtruột xốp ở vùng cản co

- Đậu ngót phải dễ cắt ra và dễ làm sạch vết cắt

- Đậu ngót còn phải làm nhiệm vụ đậu hơi để thoát khí và chất bẩn ra khỏi khuôn

Vì vậy nếu có thể nên bố trí đậu ngót ở vị trí cao của vật đúc

- Tránh đặt đậu ngót qúa sát thành vật đúc tạo nên khe cát mỏng, khi rót bị nungnóng nhiều, dễ sinh rổ ngót ở thành vật đúc

b Các loại đậu ngót và phạm vi sử dụng:

 Đậu ngót trên hở

- Cách đặt: đặt trực tiếp trên nút nhiệt, phía trên hở

- Phạm vi sử dụng: cho hầu hết các trường hợp

 Đậu ngót trên kín

- Cách đặt: đặt trực tiếp trên nút nhiệt, phía trên kín

- Phạm vi sử dụng: Khi hòm khuôn quá cao, nếu sử dụng đậu ngót hở sẽ tốn nhiềukim loại Khi làm khuôn trên máy bằng tấm mẫu, mẫu đậu ngót liền với mẫu vậtđúc

 Đậu ngót bên hông

- Cách đặt: đặt bên hông nút nhiệt

27

Rãnh dẫn thang cao