Giáo trình công nghệ chế tạo phôi

Giáo trình công nghệ chế tạo phôi

Lời nói đầu

Công nghệ chế tạo phôi là một trong các ch-ơng trình chuyên ngành

của ngành học Cơ khí chế tạo máy, đ-ợc giảng dạy sau khi sinh viên đã học xong các ch-ơng trình cơ bản và cơ sở, bố trí vào kỳ học cuối cùng của sinh viên tr-ớc kỳ thực tập tốt nghiệp

Giáo trình bao gồm những kiến thức cơ bản về công nghệ chế tạo phôi th-ờng dùng trong chế tạo máy: Làm khuôn - mẫu, kỹ thuật nấu và rót các kim loại - hợp kim, gia công cán, kéo, rèn - dập và hàn … Trong đó, tập trung chủ yếu để trình bày nội dung thiết kế công nghệ đúc trong khuôn cát

Giáo trình "Công nghệ chế tạo phôi" bao gồm 3 phần:

sở “ Ch-ơng trình khung” của Bộ Giáo dục - Đào tạo và “ Ch-ơng trình môn

viên sẽ đ-ợc thực tập tại nhà máy trong thời gian thực tập tốt nghiệp

Trong quá trình biên soạn, chúng tôi đã cố gắng tham khảo các tài liệu

từ nhiều nguồn và cập nhật những thông tin mới nhất, vì vậy nội dung của giáo trình đã đáp ứng phần nào tính mới, tính tổng quát

Tài liệu có sử dụng một số t- liệu của các đồng nghiệp đang giảng dạy

ở các tr-ờng Đại học, Cao đẳng trong cả n-ớc, chúng tôi xin chân thành cảm

ơn những t- liệu quý giá này Thay mặt nhóm biên soạn, tôi xin cảm ơn sự nhiệt tình giúp đỡ của các giảng viên Đại học kỹ thuật Công nghiệp, các đồng nghiệp trong quá trình biên soạn giáo trình

Vì đây là lần biên soạn đầu tiên, giáo trình khó tránh khỏi những sai sót Rất mong sự góp ý của bạn đọc để giáo trình đ-ợc hoàn thiện hơn Mọi ý

kiến đóng góp xin gửi về: Tổ Bộ môn Lý thuyết chuyên ngành - Khoa cơ khí

- Tr-ờng Cao đẳng Công nghiệp Thái Nguyên

Thái nguyên, tháng 08 năm 2009

Biên soạn

D-ơng Đức Thắng

Lượng dư, độ xiên

Chổ roựt moọt laàn roài phaự khuoõn

Khuoõn kim loaùi , ủuực voỷ moỷng, maóu chaỷy)

Sơ đồ quá trình sản xuất đúc cơ bản đ-ợc trình bày trên (Hình 1.4.1)

Để đúc một chi tiết (Hình 1.4.2.a), tr-ớc tiên phải vẽ bản vẽ vật đúc (Hình 1.4.2.b) có tính đến độ ngót của vật liệu, l-ợng d- gia công cơ khí

Căn cứ vào bản vẽ đúc, bộ phận mộc mẫu chế tạo ra bộ mẫu gồm mẫu

(Hình 1.4.2.b), hộp lõi (Hình 1.4.2.d) Mẫu dùng để tạo ra hốc khuôn - có hình dáng bên ngoài của vật đúc (Hình 1.4.2.g) Hộp lõi dùng để tạo ra lõi (Hình 1.4.2.e) Lõi dùng để tạo ra phần rỗng trong vật đúc (Hình 1.4.2.f) Để

dẫn kim loại lỏng vào khuôn, khi làm khuôn ta phải tạo hệ thống rót bao gồm

phễu rót (2), ống đứng (3), rãnh lọc xỉ (4) và rãnh dẫn (5)(Hình 1.4.2.g)

(Hình 1.4.2) trình bày các bộ phận cơ bản của một khuôn đúc Lòng

khuôn (1) có hình dáng kích th-ớc bên ngoài của vật đúc Kim loại lỏng đ-ợc rót vào phễu rót (2), theo ống đứng (3), rãnh lọc xỉ (4) và rãnh dẫn (5) vào lòng khuôn (1) Đậu hơi (6) để dẫn hơi từ lòng khuôn ra ngoài, đôi khi nó còn đóng vai trò đậu ngót để bổ sung kim loại lỏng cho vật đúc Hai nửa hòm khuôn trên (7) và nửa hòm khuôn d-ới (9) chứa hai nửa khuôn trên (10) và

định vị (8) Vật liệu tạo nên 2 nửa khuôn là hỗn hợp cát - sét (12) Lõi (13)

định vị trong khuôn nhờ gối lõi (14) nằm trong ổ đỡ lõi (16) Các đ-ờng xiên hơi (17) dùng để thoát hơi sinh ra trong hỗn hợp làm khuôn ra môi tr-ờng bên ngoài

Hình 1.4.2 Quy trình chế tạo phôi đúc, các bộ phận cơ bản của khuôn đúc

Gang, thép, hợp kim







Hình 2.1.2.1

Hình 2.1.2.2

Hình 2.1.2.3

Ví duï: Hình 2.1.2.4

Lượng dư gia công cắt gọt

(Tra bảng trong sổ tay công nghệ chế tạo máy; thiết kế đúc).

Lượng dư công nghệ

Góc đúc

Hình 2.1.3).

Dung sai đúc:

Tra bảng

Nếu có

Ruột và đầu gác

Khuôn cát Khuôn kim loại

Hình 2.1.4.1

Hình 2.1.4.2

 





Đầu gác

Hình 2.2.2

, Hình 2.3.1.1

Hình 2.3.1.2

H×nh 2.2.2.2 C¸c kiÓu hép lâi

2.3.2.1 Đậu hơi, đậu ngót

Đậu hơi

Ví dụ: gang xám

Đậu ngót

2.3.2.2 Phân loại đậu ngót

Đậu ngót hở:

Đậu ngót ngầm

2.3.2.3 Dẫn kim loại vào trong khuôn (Hình 2.3.2)

a) èng rãt trơ b) èng rãt nhiỊu bËc c) èng rãt h×nh r¾n

d) R·nh dÉn nhiỊu tÇng e) R·nh dÉn cã khe hë máng f) R·nh dÉn KiĨu m-a r¬i

Thép, kim loại màu

Bộ mẫu gồm:

Hợp kim Silumin, gang, thép, đồng

Phửụng phaựp taùo maóu, hoọp loừi:

Hình 3.2.1.3 Ph-ơng án chọn (c) Hình 3.2.1.4 Mặt phân mẫu

Hình 3.2.1.1 Bản vẽ chi tiết Hình 3.2.1.2 Bản vẽ vật đúc

3.2.1 Chọn ph-ơng án phân mẫu

Từ bản vẽ chi tiết (Hình 3.2.1.1) thiết kế bản vẽ vật đúc (Hình

3.2.2.2) xác định mặt phân khuôn (Hình 3.2.2.3), chọn ph-ơng án (c)

Mặt phân mẫu tốt nhất là chọn trùng mặt phân khuôn (Hình 3.2.2.4) Khi

đó thao tác làm khuôn là đơn giản và có năng suất cao nhất Tuy nhiên đối với những vật đúc quá mỏng đôi khi phải dùng mẫu liền để đảm bảo mẫu đủ bền

3.2.2 Thiết kế mẫu - Hộp lõi

Thiết kế mẫu: Về cơ bản kích th-ớc mẫu t-ơng tự nh- bản vẽ vật đúc,

trừ phần ổ gác và dung sai chế tạo mẫu Tùy theo t- thế lõi là thẳng đứng hay nằm ngang mà chọn khe hở giữa ổ gác và đầu gác cũng nh- góc vát phù hợp Khi chế tạo mẫu gỗ, để hạn chế cong vênh đến mức tối thiểu cần phải

nắm vững kỹ thuật ghép gỗ Khi chế tạo mẫu kim loại nếu là mẫu nhỏ (D-ới

50 x 50) có chiều cao d-ới 30 mm thì làm đặc, với mẫu lớn hơn nên làm rỗng (Dùng thành mỏng kết hợp với gân tăng cứng) để tiết kiệm kim loại và giảm

trọng l-ợng của mẫu Trong sản xuất loạt lớn và nhất là khi làm khuôn trên máy ng-ời ta phải thiết kế tấm mẫu Có ba loại tấm mẫu: Tấm mẫu một mặt, tấm mẫu thuận nghịch, tấm mẫu hai mặt

Hình 3.2.2.1 Đặt lõi trên khay sấy a,b) Khay sấy định hình; c,d,đ,e) Khay sấy phẳng; g) Khay sấy có

gắn que xiên hơi dùng đỡ lõi t-ơi

Thiết kế hộp lõi: Kết cấu của hộp lõi đ-ợc quyết định bởi hình dáng,

kích th-ớc của lõi, công nghệ chế tạo lõi Khi thiết kế hộp lõi phải đảm bảo lõi có một mặt phẳng đủ rộng có thể nằm vững trên khay sấy phẳng đơn giản; mặt thoáng của hộp lõi để qua đó đầm chặt cát cũng phải đủ lớn Khi thiết kế

hộp lõi bằng gỗ cần thể hiện rõ trên bản vẽ cách ghép gỗ, chốt định vị, cách gá

kÂp các nửa hộp lõi, các miếng rời nếu có, v.v

Thiết kế các dụng cụ phụ khác:

- Khay sấy: Thông th-ờng là khay sấy phẳng, khay sấy định hình chỉ

dùng cho những lõi dễ bị biến dạng khi sấy (Hình 3.2.2.1)

- D-ỡng kiểm khuôn và lõi: Trong quá trình chế tạo, vận chuyển khuôn

và lõi có thể bị biến dạng Khi lắp ráp lõi có thể bị lệch, xoay khỏi vị trí yêu

cầu Vì vậy cần thiết kế d-ỡng kiểm tra khuôn và lõi (Hình 3.2.2.2)

Gia coõng vụựi toỏc ủoọ caột cao treõn maựy coõng cuù - High speed machining - HSM

Scaner Maựy ủo toaù ủoọ 3 chieàu

Auto Cad, Inventer, Pro-Engineer )

ơn

Chốt chặt

Mặt cắt A-A B

B

Mặt cắt B-B M1:1

Three dimension printer

Stereo lithography apparatus Photocurable

(Solid ground curing

Laminated object manufacturing

Selective laser sintering

Fused deposition manufacturing

Độ bền:

ới



Tính bền lâu:

Tính thù hình của vật liệu Kiểu mạng tinh the

4.2.1.2 Làm khuôn trên nền xưởng (Hình 4.2.1.2

4.2.1 Làm khuôn xén (Hình 4.2.1.3

4.2.1.4 Làm khuôn bằng mẫu có miếng rời

Khi mÉu cã phÇn nhá nh« ra c¶n trë viƯc rĩt mÉu khái khu«n th× phÇn Êy ph¶i lµm thµnh mét hoỈc nhiỊu miÕng rêi, dïng ®inh ghim hoỈc r·nh mang c¸ g¾n vµo mÉu chÝnh Khi rĩt mÉu, phÇn nµy sÁ n»m l¹i trong khu«n vµ lÊy ra

theo h-íng n»m ngang (H×nh 4.2.1.4)

4.2.2.1 Làm khuôn trên máy ép (Hình 4.2.2.1)

Cao H Cao h

Nguyeõn lyự laứm vieọc:



4.2.2.2 Laứm khuoõn treõn maựy daốn (Hình 4.2.2.2)

EÙp treõn xuoỏng EÙp dửụựi leõn

Hình 4.2.2.2 Sơ đồ máy dằn - Quan hệ độ đầm chặt và số lần dằn

Mẫu (2), hòm khuôn (3) lắp trên bàn máy (1) Sau khi đổ hỗn hợp làm khuôn, mở cho khí ép theo rãnh (4) vào xi lanh (5) đẩy píttông (6) cùng bàn

lỗ khí (7), nên khí ép trong xi lanh thoát ra ngoài, áp suất trong xi lanh giảm

đột ngột, bàn máy bị rơi xuống va đập vào thành xi lanh Khi píttông rơi xuống thì lỗ khí vào (4) lại hở ra, quá trình dằn lặp lại Nh- vậy hỗn hợp làm khuôn đ-ợc đầm chặt nhờ trọng l-ợng bản thân hỗn hợp khi va chạm

Loừi ủụn giaỷn,

Loừi coự mieỏng rụứi, loừi phửực taùp - Hỡnh 4.3.3

Hình 4.3.1 Hộp lõi nguyên

Hình 4.3.2 Hộp lõi hai nửa

Hình 4.3.2 Hộp lõi có miếng rời

Hỡnh 4.3.3 Hỡnh 4.3.4)

Đúc đặc biệt là những ph-ơng pháp có nhiều đặc điểm khác với đúc

trong khuôn cát (Đúc khuôn một lần), nh- đúc trong khuôn kim loại, đúc

trong khuôn vỏ mỏng, đúc ly tâm, mẫu chảy, đúc trong khuôn từ, đúc hút chân không v.v

Hiện nay trên 90% chi tiết bằng thép là phôi cán hoặc rèn, nên hệ số sử

pháp đúc đặc biệt, bảo đảm cơ tính cho chi tiết sẽ có ý nghĩa kinh tế rất lớn,

80%

Có nhiều dạng đúc đặc biệt (Khoảng 50 dạng), ở đây chỉ giới thiệu

những ph-ơng pháp thông dụng nhất, trong đó có nhiều dạng đã đ-ợc áp dụng

ở n-ớc ta nh-: Đúc mẫu chảy, đúc khuôn kim loại, đúc ly tâm, đúc áp lực, đúc

vỏ mỏng

ệu ủieồm

Hình 4.3.3 Máy nhồi đẩy Hỡnh 4.3.4 Maựy eựp

Ngang hoặc thẳng đứng

P = m r 2

cần đặt lõi

Nhược điểm

Ưu điểm:

Nhược điểm



Tính đúc của hợp kim là khả năng đúc dễ hay khó của hợp kim đó, được đánh giá bằng các chỉ tiêu cơ bản sau đây:

Thành phần hóa học kim loại, hợp kim ảnh hưởng đến tính chảy loãng:

Gạch Manhêhit - MgO Crôm-Manhêhit

6.2.6.1 Mẻ liệu nấu

Nhiên liệu:



Chất trợ dung

6.2.6.2 Vật liệu kim loại

GĐ Gang máy Phế phẩm + hệ thống rót, đậu hơi, đậu ngót

Nhìn chung trong thực tế sản xuất để tính phối liệu mẻ liệu ng-ời ta căn

cứ vào Si và Mn Khi đó cho phép ta đặt 3 ẩn số (ứng với 3 loại vật liệu), các thành phần khác trong mẻ liệu phải qui định tỷ lệ tr-ớc

Caựch tớnh:

Sibs

Tính hàm l-ợng Si có đ-ợc từ 3 loại vật liệu phối liệu:

T-ơng tự có hàm l-ợng Mn có đ-ợc từ 3 loại vật liệu phối liệu:

cho mẻ liệu là: Sibs = (Sivd - SiPL ).(Sich + 1 )

45

Mnbs (1+ Mnch) FeMn72 = %

Ví dụ: GX 15-32

Tra bảng biết thành phần hỗn hợp C, Si, Mn, sau đó áp dụng cách tính

6.2.6.3 Đặc điểm đúc gang

Hợp kim màu

Brông(B), BSn 5 Pb

Vật liệu nấu



Chất trợ dung

NaCl + bo sát (Na 2 B 4 O 7

Si



1



Đặc điểm đúc hợp kim đồng

Al-Cu-Si, Al-Mg, AL-Ni

Lò nấu

Vật liệu nấu

Chất trợ dung

Chất biến tính làm nhỏ hạt

Quá trình nấu

Chú ý:

Đặc điểm đúc nhôm

Hình dạng vật đúc không đầy đủ có nhiều nguyên nhân, trong đó có một số nguyên nhân cơ bản, như:

Nguyên nhân cháy cát bao gồm:

Nguyên nhân có thể là:

Nguyên nhân chính là

Biện pháp khắc phục rỗ khí:

7.8.1 Kiểm tra khuyết tật vật đúc

Căn cứ vào đặc điểm và tính chất của khuyết tật vật đúc ta có các ph-ơng pháp kiểm tra sau:

- Kiểm tra khuyết tật bên ngoài bằng mắt th-ờng: Dùng để phát hiện các

dạng khuyết tật nh- cháy cát, thiếu hụt, nứt, cong vênh

- Kiểm tra khuyết tật bên trong: Kiểm tra độ kín của vật đúc bằng ph-ơng

pháp thử n-ớc, thử dầu hoả để phát hiện vết nứt bên trong, dò rỉ do rỗ xốp Duứng các ph-ơng pháp vật lý kiểm tra khuyết tật bên trong vật đúc gồm có:

7.8.2 Sửa chữa khuyết tật đúc

Tùy theo tính chất của khuyết tật, đặc điểm sử dụng của vật đúc ng-ời ta tiến hành sửa chữa bằng một trong các ph-ơng pháp sau:

- Khuyết tật bề mặt tại những phần không quan trọng đ-ợc sơn phủ bằng mattit hoặc nhựa bakêlít

- Khuyết tật bề mặt tại những chỗ quan trọng đ-ợc sửa chữa bằng cách hàn hơi hoặc hàn điện

- Với khuyết tật thiếu hụt lớn trong vật đúc có thể sửa chữa bằng cách rót thêm kim loại lỏng vào đó

- Với khuyết tật sai tổ chức, sai cơ tính có thể dùng ph-ơng pháp nhiệt luyện

để sửa chữa

1.2.1.1 Ưu điểm

1.2.1.2 Nhược điểm

1.2.2.1 Ưu điểm

1.2.2.2 Nhược điểm

H×nh 1.3.2 C¸c ph-¬ng ph¸p gia c«ng b»ng ¸p lùc

Hình 1.3.2.a

Khe hở giữa 2 trục cán

1.3.2.1 Phương pháp kéo Hình 1.3.2.b

1.3.2.2 Phương pháp ép Hình 1.3.2.c

1.3.3.1 Rèn tự do Hình 1.3.2.d

1.3.3.2 Rèn khuôn Dập nóng, dập thể tích

Hình 1.3.2.e

Hình 1.3.2.g

Biểu đồ biến dạng - Sức bền vật liệu

1.4.1.1 Biến dạng dẻo của đơn tinh thể

1.4 12 Biến dạng dẻo của đa tinh thể

Biến dạng trong nội bộ hạt

Biến dạng ở vùng tinh giới

1.4.2.1 Sự thay đổi hình dạng hạt

1.4.2.2 Sự đổi hướng của hạt

1.4.2.3 Sửù taùo thaứnh ửựng suaỏt dử

Hỡnh 1.4.2

1 (2

3

1.4.2.4 Sửù thay ủoồi theồ tớch vaứ theồ troùng

Taùo ra nhửừng veỏt nửựt

Quaự trỡnh haứn gaộn

1.4.3.1 Traùng thaựi ửựng suaỏt

Chiều tăng của tính dẻo

Hình 1.4.3.1 Sơ đồ trạng thái ứng suất xếp theo tính dẻo tăng dần

1.4.3.2 Toỏc ủoọ bieỏn daùng vaứ nhieọt ủoọ

Nhieọt ủoọ keỏt tinh laùi

ẹoỏi vụựi theựp t 0 = 900 0 C

dV

.

Hình 1.4.3.2 Quan hệ giữa nhiệt độ và cơ tính

Giảm độ bền, tăng độ cứng

màu sáng trắng - phôi quá nhiệt, thép màu vàng rơm - t 0

BĐGC = t 0

nung , thép màu tím hoa cà - t 0

KTGC , t 0

KTGC > 0.25 t 0

nc , t 0 BĐGC, KTGC, nc là nhiệt độ bắt đầu, kết thúc gia công và nhiệt độ nóng chảy

ản đồ chọn nhiệt độ gia cơng đối với thép cacbon

Giờ

(α : Hệ số sắp xếp phôi trong lò, βß: Hệ số kích thước phôi, K: Hệ số truyền nhiệt kim loại, D: Đường kính phôi hoặc chiều dài cạnh ngắn nhất của phôi

Giản đồ lý thuyết Giản đồ thực tế Phạm vi nhiệt độ gia cơng áp lực

có kết cấu

Loứ buoàng Hỡnh 2.4.1.1

aứ loại lò có nhiệt độ khoảng không gian công tác của lò đồng nhất Lò buồng là một buồng kín, khống chế đ-ợc nhiệt độ nung, có thể xếp nhiều phôi, sự hao phí kim loại ít, phôi không trực tiếp tiếp xúc với nhiên liệu

Hỡnh 2.4.1.2 là loại lò mà nhiệt độ trong không

gian làm việc của nó tăng dần từ cửa chất phôi đến cửa lấy phôi ra Lò này th-ờng dùng khi nung thép hợp kim, nung thép cán Nhiên liệu dùng khí đốt

Lò gồm hai buồng chính: Buồng nung sơ bộ và buồng nung đến nhiệt

độ cần thiết Kiểm tra, điều chỉnh nhiệt độ thực hiện từng buồng Phôi di chuyển bằng băng truyền cơ khí phẳng, nghiêng hoặc quay đáy lò Phôi đ-ợc

ảm ứng

phức tạp

: D=500mm1500mm



Hình 3.1.1

- Hệ số kéo dài

l 0 , F 0 : Chiều dài, diện tích phôi cán, l 1 , F 1 : Chiều dài, diện tích tiết diện sau khi cán

cán, α: Góc ăn

Phản lực N

Lực ma sát T

T= N.tgß = N.f (N: Lực pháp tuyến, ß: Góc ma sát, f: Hệ số ma sát

sin

N N

N N

Y X

cos cos

T T

f N T

T

Y X

Thép, nhôm, hợp kim nhôm, đồng

K: Hệ số kéo cho phép ; d 0 , d 1 : Đường kính phôi trước và sau khi kéo;

: Giới hạn bền trung bình của kim loại (N/mm 2 ); f: Hệ số ma sát; : Aùp lực khuôn kéo lên kim loại (N/mm 2 ) ; : Góc nghiêng lỗ khuôn

Tính số lần kéo n:

1





d0 k

d1 k

d0

k2

dn-1 k

d0

kn

d0

dn

log log log

Máy kéo có tang cuộn

 H: Hành trình lớn nhất của đầu búa,

h 0 : Chiều cao ban đầu của phôi chồn

0

0

d h

H×nh 4.3.6 C¸c lo¹i k×m kÑp chÆt

H×nh 4.3.7 C¸c lo¹i dông cô ®o H×nh 4.3.5 C¸c lo¹i dông cô chÝnh

Hỡnh 4.3.5

Hỡnh 4.3.6

Hỡnh 4.3.7

Hỡnh hoọp, hỡnh truù

Trửứ theựp cacbon coự S>10mm

Thiết bị dập tấm th-ờng có 2 loại: Máy ép trục khuỷu và ép thuỷ lực

Máy dập tác dụng đơn (Chỉ có một con tr-ợt chính dùng để đột, cắt, tạo hình), tác dụng kép (Hình 5.2.1, có 2 con tr-ợt, 1 để ép phôi, 1 để dập sâu), 3 tác dụng (Ngoài 2 con tr-ợt nh- trên còn bộ phận đẩy sản phẩm khỏi khuôn)

Hỡnh 5.2.2

Hỡnh 5.2.3

Hỡnh 5.3.1

H.3.33 Sơ đồ máy ép thuỷ lực có bình trữ áp

1 Thanh ngang d-ới; 2 Xi lanh; 3 Pittông; 4 Thanh ngang di động

5 Trụ dẫn; 6 Thanh ngang cố định; 7 Xilanh làm việc; 8 Pittông

9 Thùng hở; 10 Bình chứa kín; 11 Van tháo; 12 Bình trữ áp; 13 Van

phân phối; 14 Máy bơm; 15 Động cơ điện.