ĐỒ ÁN ĐÚC KHUÔN CÁT

ĐỒ ÁN ĐÚCĐúc trong khuôn cát là dạng đúc phổ biến. Khuôn cát là loại khuôn đúc một lần (chỉ rót một lần rồi phá khuôn). Vật đúc tạo hình trong khuôn cát có độ chính xác thấp, độ bóng bề mặt kém, lượng dư gia công lớn, nhưng khuôn cát có ưu điểm là tạo ra vật đúc có kết cấu phức tạp, khối lượng lớn và giá thành khuôn thấp.

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TP HCM

KHOA CÔNG NGHỆ VẬT LIỆU

BÁO CÁO ĐỒ ÁN CÔNG NGHỆ ĐÚC

ĐỀ TÀI: THIẾT KẾ ĐÚC CHO TẤM GHI TRONG MÁY NGHIỀN

BI VỚI MÁC THÉP 110Mn13 SẢN LƯỢNG 200 CÁI

I.NGHIÊN CỨU BẢN VẼ CHI TIẾT ĐÚC:

1.Bản vẽ chi tiết:

-Bản vẽ 2D

-Bản vẽ 3D

2.Điều kiện làm việc của chi tiết:

Chi tiết là tấm ghi trong máy nghiền xi măng chịu mài mòn dưới áp lực cao và tải trọng va đập,làm việc ở nhiệt độ tương đối cao

3.Đặc điểm của hợp kim đúc:

a.Hợp kim đúc có mác 110Mn13 với thành phần các nguyên tố như sau:

90-1.40%C 11.50-15.00%Mn 0.80-1.00%Si S<0.050% P<0.12%

b.Mác tương đương, mác thay thế theo tiêu chuẩn một số nước:

+Theo tiêu chuẩn Nga:

Ở Nga chỉ có một mác thép hadfield với ký hiệu 110 Г13A (trước đây là Г13)

và các điều kiện kĩ thuật của nó được quy định ở ГOCT 2176-77

Thép có thành phần như sau:

0,09-1,4% C 0,08-1,00% Si 1,50-15,00% Mn

≤1,00% Cr ≤1,00% Ni ≤0,30% Cu

≤0,050%S ≤0,12%P

Một số cơ tính và tính công nghệ của 110 Г13A là:

Giới hạn mỏi với n=106 chu trình R-1=176-196Mpa(Trên mẫu thép có Rm710MPa)

=640-Giới hạn bền lâu(tính cho 100h,chỉ số nhiệt độ thử,0C):

Nhạy cảm với đốm trắng: Không

Khuynh hướng dòn ram: Không

Tính đúc nhiệt độ bắt đầu kết tinh,0C:1350-1370,co dài 2,6-2,7%

Công dụng:làm thân (vỏ) máy nghiền bi và máy nghiền xoáy,hàm (má) và thân

máy nghiền,răng thành trước của gàu máy xúc,máy đào,ghi đường sắt và các chitiết chịu tải nặng,làm việc dước tác dụng của tải trọng tĩnh và động cao và vì thếcần tính chống mài mòn,bi nghiền clanhke

+Theo tiêu chuẩn Mỹ:

Điều kiện kĩ thuật của đúc thép Hadfield của Mỹ hợp kim hóa bằng mangan có

tổ chức là austenit được quy định theo tiêu chuẩn ASTM A128-90.Có các mác Grade A,Grade B-1,Grade B-2,Grade B-3,Grade B-4,Grade C,Grade D,Grade E-1,Grade Grade E-2,Grade F.Thành phần hóa học của các mác này được trình bày ở bảng 4.24

Thành phần hóa học(%) của các mác thép Hadfield của Mỹ theo ASTM 128-90:

Grade C Mn Cr Mo Ni Si,max P,max

1,5-2,5

-0,9-1,21,8-2,10,9-1,2

-3,0-4,0 -

-1,001,001,001,001,001,001,001,001,001,00

0,070,070,070,070,070,070,070,070,070,07

+Theo tiêu chuẩn Nhật:

JIS G5131-91 quy định điều kiện kĩ thuật cho các mác thép Hadfield gồmnăm mác:

SCMnH1 SCMnH2 SCMnH3

SCMnH11 SCMnH21

Thành phần hóa học (%) của các mác thép Hadfield của Nhật theo JIS 91:

G5131-Mác thép C Mn P,max S,max Si,max Cr VSCMnH1

11,0-14,011,0-14,011,0-14,011,0-14,011,0-14,0

0,100,070,050,070,07

0,050,040,0350,040,04

0,80,3-0,80,80,8

1,5-2,52,0-3,0

-0,4-0,7

-Theo JIS G5131-91 công dụng của các mác như sau:

SCMnH1:thông dụng(thông thường)

SCMnH2:thông dụng(cao cấp,không từ tính)

-Cơ chế hóa bền : khi làm việc bị ma sát dưới áp lực lớn và chịu tải trọng va

đập, lớp bề mặt thép bị biến dạng dẻo, xảy ra hai quá trình sau :

+ Hóa bền biến cứng do biến dạng nguội

+Chuyển biến máctenxit , do ôstenit chứa C cao nên mactenxit biến dạng có độ cứng rất cao, 600HB, trong khi lõi thì vẫn có độ dẻo dai cao.

Khi làm việc, lớp bề mặt biến cứng bị mài mòn và liên tục được tạo thành dưới tác động của tải trọng, vì vậy, nó tốt hơn là hóa nhiệt luyện

-Độ co dài lớn (2,5-2,8%) do đó cần lượng bù co ở mẫu nhiều hơn thép thường.

Đặc biệt sau khi đúc phải nhiệt luyện để tạo tổ chức hoàn toàn ôstenit và sản phẩm sau khi đúc không thể gia công được do đó đỏi hỏi phải đúc chính xác

4.Đề xuất phương án thay đổi kết cấu vật đúc:

-Để đảm bảo độ bền cho ụ cát khi làm khuôn ta phải thay đổi kích thước chiều rộng của các khe của tấm ghi

-Công dụng của tấm ghi là để cản không cho bi trong máy nghiền chạy qua.-Có hai loại bi là bi hình cầu và bi hình trụ,bi cầu có đường kính từ 60-150 mm ,

bi hình trụ có đường kính đáy là 20-30 mm và chiều cao khoảng 30-50 mm-Đề phòng cho việc bi bị mòn trong quá trình sử dụng ta chọn chiều rộng của các khe hở của tấm ghi thay đổi từ 12,5 sang 15mm

-Hợp kim đúc: thép Mangan cao 110Mn13

Do các đặc điểm trên ta lựa chọn phương pháp đúc trong khuôn cát nước thủy tinh, làm khuôn tay,dùng mẫu bổ đôi,mặt phân khuôn trùng với mặt phân

mẫu,mẩu gỗ

*Ưu và nhược điểm cơ bản đối với vật đúc đang thiết kế của hỗn hợp làm khuôn bằng cát nước thủy tinh là :

-Ưu điểm:Hỗn hợp làm khuôn có độ bền vững cao giúp cho các ụ cát được đảm bảo

-Nhược điểm:Nhược điểm chính là khó phá dỡ khuôn

-Khắc phục:Sử dụng hỗn hợp chất phụ gia vô cơ hoặc hữu cơ để dễ phá khuôn.(Sách Vật liệu làm khuôn-Đinh Quảng Năng)

+Chất phụ gia vô cơ bao gồm:bột macsalit,bột đá,sét chịu lửa,xỉ luyện

kim,corun,cromit.Các chất phụ gia vô cơ có tác dụng đẩy điểm biến mềm của màng chất dính về phía nhiệt độ cao làm không xuất hiện độ bền cực đại lần đầuhoặc làm giảm độ bền cực đại lần hai

+Chất phụ gia hữu cơ gồm có bột than đá mùn cưa,bột ngũ cốc dầu

mazut,pek,nhựa polime.Các chất phụ gia hữu cơ có tác dụng tạo ra lỗ trống không liên tục của màng chất dính do nó bị cháy sau khi đúc rót ,làm giảm độ bền của màng chất dính

*Hỗn hợp cát áo chống cháy dính cát nhiệt hóa :

-Khi đúc thép hadfield chứa 13% Mn sẽ xảy ra sự tương tác giữa ôxit trên bề mặt kim loại lỏng (kết quả của sự oxy hóa các nguyên tố trong kim loại lỏng).Ở đây là SiO2 mang tính axit trong hỗn hợp làm khuôn và MnO mang tính bazơ tạo thành các hợp chất có nhiệt độ nóng chảy thấp bám lên bề mặt vật đúc với phản ứng:

III.PHƯƠNG ÁN BỐ TRÍ VẬT ĐÚC TRONG KHUÔN:

Bố trí vật đúc trong khuôn đòi hỏi sao cho có thể dễ lấy sản phẩm sau đúc ,dễ dàng cho quá trình làm khuôn,tiết kiệm chi phí,quan trọng hơn hết là phải đảm bảo chất lượng vật đúc tránh các khuyết tật.Bố trí vật đúc trong khuôn đòi hỏi tuân thủ các nguyên tắc cơ bản sau:

 Bề mặt nào quan trọng hơn nên đặt phía dưới của khuôn

 Phần lớn khối lượng nằm ở hòm khuôn dưới

 Nếu có ụ cát thì nên đặt ở hòm khuôn dưới và phải đảm bảo ụ cát được bền vững

 Tạo mọi điều kiện để các khuyết tật nằm ở những phần có thể cắt bỏ đi được

 Vị trí vật đúc phải đảm bảo ít tốn kém nhất về vật liệu, về nguyên công vềmẫu và hòm khuôn,ruột…

 Vị trí trong khuôn rót phải bố trí sao cho dễ đặt ruột và đảm bảo sao cho ruột chắc chắn trong suốt quá trình đúc

 Ngoài ra còn một số nguyên tắc khác.

1.Các phương án bố trí vật đúc trong khuôn:

Có 4 phương án bố trí vật đúc trong khuôn như sau:-Phương án 1:Vật đúc lật lên

Ưu điểm:Không có ưu điểm đáng kể

Nhược điểm:Phần lớn khối lượng nằm hòm khuôn trên,ụ cát nằm ở cả hai hòm khuôn,phải đặt ruột ngoài hoặc gia công lỗ

-Phương án 2:Vật đúc úp xuống

Ưu điểm: Phần lớn khối lượng nằm hòm khuôn dưới tốt hơn so với phương án 1Nhược điểm: Ụ cát nằm ở cả hai hòm khuôn, phải đặt ruột ngoài hoặc gia công lỗ.

-Phương án 3:Phần đa số vật đúc nằm hòm khuôn dưới

+Ưu điểm :Làm khuôn đơn giản hơn,ụ cát nằm ở hòm khuôn dưới,phần lớn vật đúc nằm ở hòm khuôn dưới.

+Nhược điểm:phải tạo biên dạng vật đúc nhỏ(tuy nhiên không đáng kể), phải đặt ruột ngoài hoặc gia công lỗ

*Ta tạo biên dạng nhỏ của vật đúc ở hòm khuôn trên bằng cách lấy tấm gỗ tạo biên dạng giống hình dạng của vật đúc ở hòm khuôn trên

-Phương án 4:Làm khuôn bằng hòm khuôn chồng với 3 hòm khuôn

Ưu điểm :Không đặt ruột ngoài hay gia công lỗ

Nhược điểm:Làm khuôn khá phức tạp,thiết kế và chế tạo thêm hòm khuôn phứctạp,hiệu suất làm khuôn thấp,công nhân làm khuôn mệt nhọc

Sau khi so sánh tất cả ưu nhược điểm của 4 phương án ta thấy

phương án 2 và 3 là có lợi nhất.Phương án 3 có phần lớn vật đúc và

ụ cát nằm ở hòm khuôn dưới nhưng do ụ cát có kích thước quá nhỏ nên để đảm bảo độ bền vững của ụ cát nên ta chọn phương án 2.

2.Các phương án để tạo biên dạng lỗ ở vật đúc:

Với phương án mặt phân khuôn 1,2 và 3 ta phải tạo 2 lỗ cho chi tiết bằng một trong hai cách sau:

-Cách 1:Dùng ruột ngoài đặt bên cạnh để tạo lỗ

-Cách 2:Dùng mũi khoan kim cương hoặc ceramic

Mũi khoan kim cương (hay gọi tắt là PCD) được làm từ loại vật liệu có sẵn nhưng đắt nhất trên thị trường Mũi khoan kim cương không hoạt động giống bất kì loại nào khác Nó nghiền nhỏ các tinh thể vật chất khác thay vì cắt vào bề mặt chúng PCD thường được dùng để khoan những bề mặt cực kì cứng bao gồm đá granit, sứ, đá cẩm thạch, thủy tinh và kim loại nặng,các hợp kim đặc biệt

Mũi khoan này có giá từ khoản 4 đến 15 đô la Mỹ tùy thuộc vào các yều tố như:số lượng đặt mua,nhà sản xuất đặc biệt là kích thước và vật liệu phủ

lên.Các công ty cung cấp mặt hàng này hiện nay là chủ yếu là các doanh nghiệp Trung Quốc và Châu Âu

Ta lựa chọn phương án đặt ruột ngoài để tiết kiệm chi phí sản xuất

3.Độ bền vững của ụ cát trong khuôn theo phương án làm khuôn đã chọn:

-Với phương án làm khuôn đã chọn ta có:

+Chiều cao ụ cát ở trên và ở dưới là như nhau: Hụ==36(mm)

+Chiều rộng ụ cát nhỏ hơn chiều dài ụ cát nên ta lấy chiều rộng ụ cát để tính toán.Chiều rộng ụ cát: Dụ=15(mm)

=>=2,4

-Theo sách Thiết kế đúc-Nguyễn Xuân Bông trang 68 ta có:

Trường hợp khuôn cát sét theo kinh nghiệm thì tỉ số ở hòm khuôn dưới phải

nhỏ hơn 1 và hòm khuôn trên phải nhỏ hơn 0,3

Theo trường hợp khuôn cát nước thủy tinh có độ bền gấp 8 đến 10 lần khuôn cát

sét do đó tỉ số cho hòm khuôn dưới là từ 8-10 và hòm khuôn trên là 2,4-3

Vậy với trường hợp này ụ cát đủ bền vững trong suốt quá trình làm khuôn và rót khuôn.

IV.SỐ LƯỢNG VẬT ĐÚC TRONG KHUÔN THIẾT KẾ SƠ BỘ HỆ

THỐNG RÓT ĐẬU NGÓT VẬT LÀM NGUỘI,THUYẾT TRÌNH CƠ BẢN VỀ CÁCH LÀM KHUÔN:

1.SỐ LƯỢNG VẬT ĐÚC TRONG KHUÔN:

Do vật đúc có kích thước trung bình và khối lượng khá lớn nên ta chỉ bố trí 1 vật đúc trên 1 hòm khuôn

2.THIẾT KẾ SƠ BỘ HỆ THỐNG RÓT,ĐẪU NGÓT:

-Do hợp kim đúc 110Mn13 có độ co dài lớn nên ta phải bố trí hai đậu ngót

-Một đậu ngót đặt tại nút nhiệt để vô hiệu hóa nút nhiệt , một vật làm nguội vô hiệu hóa nút nhiệt phải đảm bảo cho việc đông đặc có hướng,rót trực tiếp vào nút nhiệt trái.

3 THUYẾT TRÌNH CƠ BẢN VỀ CÁC BƯỚC LÀM KHUÔN:

B1:Lấy phần mẫu làm hòm khuôn dưới đặt lên tấm gỗ đặt hòm khuôn dưới lên cho cát vào làm khuôn,làm hòm khuôn dưới

B2:Lật hòm khuôn dưới lên lấy mẫu tạo rãnh dẫn

B3:Làm hòm khuôn trên tương tư như làm hòm khuôn dưới,nhưng phải tạo hệ thống rót, rãnh lọc xỉ và cốc rót,đậu ngót

B4:Đặt ruột vào hòm khuôn dưới đặt hòm khuôn trên lên hòm khuôn dưới

Ngoài ra còn các thao tác khác trong quá trình làm khuôn

V.TÍNH TOÁN LƯỢNG DƯ CHO VẬT ĐÚC:

1.Cấp chính xác của vật đúc , sai lệch kích thước và sai lệch khối lượng của vật đúc :

a.Cấp chính xác :

-Cấp chính xác bằng III do sản xuất đơn chiếc ,làm khuôn bằng tay với mẫu gỗ.b.Sai lệch khối lượng vật đúc:

-Tra bảng 14 sách Thiết kế đúc-Nguyễn Xuân Bông cho vật đúc bằng thép(theo OCT 1855-55 và OCT 2009-55) có khối lượng 100-1000 (kg) và cấp chính xác

là III ta có:

+Khối lượng danh nghĩa của vật đúc là 245 (kg)

+Sai lệch khối lượng của vật đúc là (±) 10% , tức là (±) 24,5 (kg)

-Đối với các phần co tự do ta chọn độ co dài bằng 2,8%

-Đối với các kích thước bị cản co ta chọn độ co dài bằng 2,5%

4.Lượng dư công nghệ:

Lượng dư công nghệ khi đúc các lỗ ,rãnh,chỗ hõm,do cắt đậu ngót được tính toán tùy theo từng kích thước

5.Lượng dư lay mẫu:

-Để bù trừ cho việc thành vật đúc bị dày lên do việc lấy mẫu ra hoặc do khuôn

bị phình, ta phải giảm kích thước tương ứng ở mẫu một lượng nào đó để sau đó tạo thành kích thước chi tiết như mong muốn (lượng dư âm)

-Dựa theo bảng 27 sách Thiết kế đúc-Nguyễn Xuân Bông trang 96 lượng dư âm trên mẫu (mm) đối với chi tiết có khối lượng 245kg (100-250kg) và chiều dày thành vật đúc nhỏ hơn 80mm, do đó lượng dư âm là không đáng kể

VI.THIẾT KẾ RUỘT:

1.Yêu cầu đối với ruột:

-Hình dáng của ruột về cơ bản phải tương ứng với hinh dáng của phần rỗng trong vật đúc

-Ruột phải phù hợp không gây biến dạng khuôn

-Ruột phải đảm bảo vững chắc không gãy đỗ

-Ruột phải đơn giản và dễ làm nhất có thể

-Ruột phải đảm bảo độ thông khí,độ bền,chịu nhiệt

-Ruột phải tối ưu nhằm tăng chỉ tiêu kinh tế

2.Phương án chế tạo ruột cho vật đúc:

Dựa theo phương án mặt phân khuôn và số lượng vật đúc trong khuôn ta bố trí ruột như sau:

Bản vẽ 2D đặt ruột

Bản vẽ 3D đặt ruột

-Bao gồm 2 ruột ngoài và 1 ruột thẳng

+Bố trí ruột nằm ngang và cần bố trí đầu gác ruột vững chắc, không bị biến dạng hoặc xê dịch trong khuôn dưới tác dụng của trong lực cũng như áp suất của kim loại lỏng

+Phải giữ sao cho đầu gác ruột nằm đúng vị trí trong ổ gác

+Ruột ngoài dạng nguyên khối,2 ruột ngoài có kích thước như nhau từ 1 hộpruột

+Ruột thẳng dạng nguyên khối

+Ruột được làm bằng cát nước thủy tinh tự đóng rắn làm ruột trên máy và ruột được sấy kĩ

a)Thiết kế ruột dài:

Hình dạng cơ bản của ruột dài (chưa được tính toán)

-Cấu tạo của ruột : ruột được chia làm hai phần như trên,phần trên nằm khuôn

trên và phần dưới nằm khuôn dưới đồng thời mặt phân khuôn trùng với mặt phân ruột

-Đặt ruột vào khuôn: Ruột được đặt nằm ngang và gác một đầu

-Hình dáng và kích thước của đầu gác ruột ,khe hở giữa đầu gác và ổ gác:

+Kích thước trung bình mặt cắt ngang:286mm

+Kích thước của đầu gác ruột nằm ngang ở mẫu và hộp ruột bằng gỗ(bảng 28 sách Thiết kế đúc):

 Chiều dài đầu gác:120mm

 Khe hở giửa đầu gác và ổ gác ở một phía(khuôn khô):Phần dưới của khuôn là 1,5mm,phần trên của khuôn là 2 mm

 Bán kính lượn ở chân đầu gác:8mm

 Độ xiên của đầu gác :70

+Chiều cao của đầu gác h: 72mm

+ Độ nghiêng của đầu gác ruột ở mẫu gỗ(bảng 32 sách Thiết kế đúc):

 α =60

 α1 =10

 β =80

+ Khe hở giữa đầu gác ruột và ổ gác ruột(bảng 33 sách Thiết kế đúc),với L=30:

-Đặt ruột vào khuôn:Ruột được đặt nằm ngang và gác một đầu

-Cấu tạo của ruột:

-Ruột phải đảm bảo đứng vững do đó ruột hơi xiên để cân bằng làm cho trọng tâm hướng về phía sau để không ngã nên:

+Chiều dày đáy dưới 4mm

+Chiều dày đáy trên 5mm

+Kích thước trung bình mặt cắt ngang:=298,41(mm)

+Kích thước của đầu gác ruột nằm ngang ở mẫu và hộp ruột bằng gỗ(bảng 28 sách Thiết kế đúc):

 Chiều dài đầu gác:120mm

 Khe hở giửa đầu gác và ổ gác ở một phía(khuôn khô):Phần dưới của khuôn là 1,5mm,phần trên của khuôn là 2 mm

 Bán kính lượn ở chân đầu gác:8mm

 Độ xiên của đầu gác :70

+Chiều cao của đầu gác h: 230mm

+ Độ nghiêng của đầu gác ruột ở mẫu gỗ(bảng 32 sách Thiết kế đúc):

 α =00

 α1 =0045’

VI.THIẾT KẾ SƠ BỘ KÍCH THƯỚC HÒM KHUÔN:

1.Số chi tiết trên 1 hòm khuôn:1 chi tiết

2.Cách bố trí chi tiết trong hòm khuôn:

-Chi tiết có khối lượng 245(kg) (±) 24,5 (kg),Tra bảng 68 sách Thiết kế đúc ta được:

+ Khoảng cách giữa mặt trên vật đúc và mặt trên của khuôn là 120mm

+Khoảng cách giữa mặt dưới vật đúc và mặt dưới của khuôn là 120mm +Khoảng cách giữa mặt bên của vật đúc và thành hòm là 70mm

-Rót vào từ bên hông,rảnh dẫn vào chân đậu ngót

-Ưu và khuyết điểm của cách lựa chọn hệ thống rót:

+Ưu điểm:vô hiệu hóa được nút nhiệt,kim loại bù co vào nút nhiệt tránh khuyết tật,dễ làm hệ thống rót

+Nhược điểm:kim loại lỏng khi mới rót vào khuôn dễ phun bắn do rơi từ trên xuống và khối lượng hệ thống rót lớn

-Tra cứu trang 135 sách Thiết kế đúc ta có:s=1,5(1,4-1,6)

-Cho khối lượng của HTR và đậu ngót bằng 60% khối lượng vật đúc,ta có: G=245+0,6×245=392(Kg)

Khi đó thời gian rót hợp lý là:t= 1,5 x = 40,2(s)(cần kiểm tra lại)

b) Tốc độ dâng kim loại (kiểm tra lại thời gian rót hợp lý):

t = ==28,75(s)

Vậy ta chọn t=28 (s) (làm tròn xuống)

c)Cột áp thuỷ tĩnh trung bình của kim loại

htb = H0 - = 15,6 - = 15,32 (cm)trong đó :

H0 : áp suất thuỷ tĩnh ban đầu lớn nhất (cm)(H0=120+36=156mm)

P : chiều cao vật đúc trên rãnh dẫn (cm)

C : chiều cao vật đúc ở vị trí khi rót (cm)

d)Tiết diện chỗ hẹp nhất của hệ thống rót:

Fmin = = = 22,53 (cm2)Trong đó :

µ : hệ số trở lực chung của khuôn (Tùy thuộc vào điều kiện rót khuôn nên hệ số trở lực hiệu chỉnh như sau:

+Đậu ngót hở:+0,2

+Hệ thống rót phân nhánh vói nhiều rãnh dẫn:-0,1

Tra cứu bảng 36 sách Thiết kế đúc cho trường hợp trở lực khuôn trung bình ta

có µ= 0,38)

htb : cột áp suất thuỷ tĩnh trung bình của kim loại (cm)

G : khối lượng vật đúc cộng HTR(kg)

t : thời gian rót hợp lý (s) : tốc độ cung cấp kim loại từ thùng rót (kg/s)

Và Fr = 27,04(cm2)