Đề tài Nghiên cứu đúc mẫu chảy (investment casting; lost wax mold)

BỘ CÔNG THƢƠNG TRƢỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP TP HỒ CHÍ MINH KHOA CÔNG NGHỆ NHIỆT LẠNH BỘ MÔN: CÁC PHƢƠNG PHÁP GIA CÔNG CƠ KHÍ —o0o— Đề tài: ĐÚC MẪU CHẢY (INVESTMENT CASTING; LOST WAX MOLD) Nhóm: 6 SVTH: Trần Thanh Hiếu 07710051 Nguyễn Hoàng Nam 07706511 Nguyễn Văn Nhật 07715121 Phạm Như Nhiên 07700631 Lê Nhật Phúc 07730751 Hà Thị Phương 07705231 GVHD: Tôn Thất Nguyên Thy Tp. Hồ Chí Minh, tháng 07 năm 2010 Tiểu luận: Các phương pháp gia công cơ khí Nhóm 6 GVHD: Tôn Thất Nguyên Thy 1 LỜI MỞ ĐẦU: Công nghệ đúc hiện là tứ đại thiên vương trong chuyên ngành kim loại và hợp kim cho nên việc hiểu rõ để định hướng vào ngành này là điều vô cùng cấp thiết. Theo xu hướng hiện nay đúc có nhiều công dụng hữu ích trong đời sống. Đúc có vai trò quan trọng đối với nền kinh tế. Tuy nhiên, ở nước ta vẫn chưa quan tâm nhiều đến vai trò của nó, ví như: những lợi ích từ việc sản xuất các chi tiết thay thế, vai trò trong đời sống hằng ngày. Thêm vào đó, một số nhà sản xuất, quản lý và chuyên viên kỹ thuật chưa hiểu được sự khác biệt của chi tiết được chế tạo từ Đúc và từ các phương pháp khác. Kết quả là thiếu cơ hội cho các nhà sản xuất. Sản xuất đúc được phát triển rất mạnh và được sử dụng rất rộng rãi trong các ngành công nghiệp, khối lượng vật đúc trung bình chiếm khoảng 40% đến 80% tổng khối lượng máy móc, trong ngành cơ khí khối lượng vật đúc chiếm đến 90% mà giá thành chỉ chiếm có 20% đến 25%. Ứng dụng lớn nhất là xe hơi và xe tải hạng nhẹ vào khoảng 31%. Các lĩnh vực khác bao gồm xây dựng, khai khoáng và dầu khí khoảng 6%, đường ống và khớp nối 15%, máy bơm và nén khí 3%, đô thị 3%, đường sắt 6%, máy nông nghiệp 6%, van 5%, động cơ đốt trong 5%. Đầu tư về phát triển công nghệ mới để giảm ô nhiễm môi trường. Đúc mẫu chảy hiện đang được sử dụng rất nhiều trên thế giới. Các dòng sản phẩm đúc bằng công nghệ mẫu chảy ngày càng nhiều vì có chất lượng cao và tỷ lệ sản phẩm hư hỏng thấp. Theo khảo sát của khoa công nghệ vật liệu trường đại học bách khoa TP.HCM, ở TP.HCM hiện chỉ có một doanh nghiệp sử dụng công nghệ đúc mẫu chảy, chỉ để sản xuất các sản phẩm trang trí mỹ nghệ. Trong khu chế xuất Tân Thuận có một công ty của Nhật áp dụng công nghệ này để sản xuất các chi tiết máy, song các sản phẩm chủ yếu được xuất về thị trường Nhật và ra thị trường thế giới. Hiện nay các doanh nghiệp trong nước cho đến nay chủ yếu vẫn đang sử dụng công nghệ đúc bằng khuôn cát, mà mặt hạn chế là chất lượng vật đúc thấp và tỷ lệ phế phẩm cao (trên 30%). Hiện nay, công ty cổ phần cơ khí & đúc kim loại Sài Gòn (Sameco) đã thực hiện thành công quy trình công nghệ đúc mẫu chảy các chi tiết phức tạp chất lượng cao cho ngành cơ khí, với công suất 600 tấn/năm. Đây là lần đầu tiên công nghệ này được công ty Tiểu luận: Các phương pháp gia công cơ khí Nhóm 6 GVHD: Tôn Thất Nguyên Thy 2 trong nước thực hiện thành công. Kết quả này sẽ thiết thực góp phần cung cấp cho thị trường trong nước những sản phẩm phôi đạt chất lượng cao (giúp các doanh nghiệp trong nước giảm giá thành sản xuất), nâng cao khả năng cạnh tranh và xuất khẩu cho các doanh nghiệp cơ khí... Vì vậy, Đúc trong khuôn mẫu chảy là một phương pháp mới nhiều ưu điểm. So với đúc bằng khuôn cát, đúc mẫu chảy có thể làm được các chi tiết phức tạp, có thành mỏng, chất lượng bề mặt cao, giảm đáng kể lượng gia công cơ khí, nhiều chi tiết đúc xong có thể sử dụng ngay. Đúc mẫu chảy có thể làm được các sản phẩm có trọng lượng từ vài gram đến vài chục kilogram. Nhóm thực hiện Tiểu luận: Các phương pháp gia công cơ khí Nhóm 6 GVHD: Tôn Thất Nguyên Thy 3 MỤC LỤC PHẦN 1: GIỚI THIỆU VỀ ĐÚC MẪU CHẢY ............................................................ 5 I. Định nghĩa, đặc điểm và công dụng ngành đúc:..................................................... 5 1. Định nghĩa: ............................................................................................................ 5 2. Đặc điểm: .............................................................................................................. 6 3. Công dụng: ............................................................................................................ 7 4. Phân loại: ............................................................................................................... 7 II. Định nghĩa, đặc điểm và phạm vi sử dụng của đúc mẫu chảy: ............................ 8 1. Định nghĩa:....................................................................................................... 8 2. Đặc điểm: ......................................................................................................... 8 PHẦN 2: TÌM HIỂU VỀ QUY TRÌNH ĐÚC MẪU CHẢY ......................................... 9 I. Qui trình đúc mẫu chảy: ......................................................................................... 9 1. Vật liệu và phương pháp chế tạo mẫu chảy: ......................................................... 10 2. Vật liệu chế tạo khuôn gốm: ................................................................................ 14 3. Phương pháp chế tạo khuôn gốm: ........................................................................ 17 4. Rót khuôn: ........................................................................................................... 20 5. Làm sạch và hoàn tất vật đúc: .............................................................................. 20 II. Các nguyên tắc cơ bản khi đúc một vật bằng đúc mẫu chảy: ............................ 21 1. Các nguyên tắc chung đối với chi tiết đúc mẫu chảy: ........................................... 23 2. Các nguyên tắc về kích thước: ............................................................................. 28 3. Dung sai .............................................................................................................. 29 4. Các nguyên tắc về thiết kế đúc: ............................................................................ 31 III. Ƣu điểm và nhƣợc điểm của đúc mẫu chảy: ..................................................... 32 1. Ưu điểm:.............................................................................................................. 32 2. Nhược điểm: ........................................................................................................ 33 IV. Phạm vi sử dụng của mẫu chảy trong thực tế: .................................................. 33 Phần 3: CÁC THIẾT BỊ TRONG DÂY CHUYỀN ĐÚC KHUÔN MẪU CHẢY ..... 37 I. Máy phay sáp: ........................................................................................................ 37 1.1. Mô tả máy:........................................................................................................ 37 Tiểu luận: Các phương pháp gia công cơ khí Nhóm 6 GVHD: Tôn Thất Nguyên Thy 4 1.2. Công dụng máy:................................................................................................ 37 1.3. Xuất xứ của máy: .............................................................................................. 38 II. Máy lƣu hóa khuôn: ............................................................................................. 38 2.1. Mô tả máy:........................................................................................................ 38 2.2. Công dụng máy:................................................................................................ 38 2.3. Xuất xứ của máy: .............................................................................................. 39 III. Máy bơm sáp chân không tự động: ................................................................... 39 3.1. Mô tả máy:........................................................................................................ 39 3.2. Công dụng máy:................................................................................................ 39 3.3. Xuất xứ của máy: .............................................................................................. 39 IV. Máy trộn thạch cao: ............................................................................................ 40 4.1. Mô tả máy:........................................................................................................ 40 4.2. Công dụng máy:................................................................................................ 40 4.3. Xuất xứ của máy: .............................................................................................. 40 V. Lò nung: ................................................................................................................ 40 5.1. Mô tả máy:........................................................................................................ 40 5.2. Công dụng máy:................................................................................................ 41 5.3. Xuất xứ của máy: .............................................................................................. 41 VI. Máy đúc chân không: ......................................................................................... 41 6.1. Mô tả máy:........................................................................................................ 41 6.2. Công dụng máy:................................................................................................ 42 6.3. Xuất xứ của máy: .............................................................................................. 42 VII. Máy phun cát: .................................................................................................... 42 7.1. Mô tả máy:........................................................................................................ 42 7.2. Công dụng máy:................................................................................................ 42 7.3. Xuất xứ của máy: .............................................................................................. 43 VIII. Các thiết bị phụ trợ khác:................................................................................ 43 TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................................ 44 Tiểu luận: Các phương pháp gia công cơ khí Nhóm 6 GVHD: Tôn Thất Nguyên Thy 5 PHẦN 1: GIỚI THIỆU VỀ ĐÚC MẪU CHẢY I. Định nghĩa, đặc điểm và công dụng ngành đúc: 1. Định nghĩa: Đúc là một phương pháp chế tạo sản phẩm bằng cách rót kim loại lỏng vào khuôn đúc có hình dạng và kích thước nhất định. Sau khi kim loại đông đăc lại, ta thu được sản phẩm có kích thước và hình dạng phù hợp với yêu cầu đề ra. Sản phẩm đúc ra có thể dùng ngay được thì gọi là chi tiết đúc. Phần lớn vật đúc còn phải qua gia công cắt gọt nhằm tăng độ chính xác và độ bóng bề mặt. Sản phẩm đúc là phương pháp chế tạo sản phẩm kim loại rất phổ biến. Có thể tiến hành đúc trong khuôn cát, đúc trong khuôn kim loại, đúc dưới áp lực, hiện nay có một số phương pháp đúc đặc biệt cho chất lượng cao, đặc biệt về độ chính xác và độ bóng bề mặt như đúc dùng mẫu chảy v.v... Kỹ thuật đúc ngày càng được cải tiến nhằm tăng năng suất và nâng cao chất lượng sản phẩm. Tiểu luận: Các phương pháp gia công cơ khí Nhóm 6 GVHD: Tôn Thất Nguyên Thy 6  Sơ đồ cấu tạo của vật đúc: Sơ đồ quá trình chế tạo vật đúc 2. Đặc điểm: - Đúc có thể gia công nhiều loại vật liệu khác nhau: Thép, gang, hợp kim màu v.v... có khối lượng từ một vài gam đến hàng trăm tấn. - Chế tạo được vật đúc có hình dạng, kết cấu phức tạp như thân máy công cụ, vỏ động cơ v.v... mà các phương pháp khó khăn hoặc không chế tạo được. - Độ chính xác về hình dáng, kích thước và độ bóng không cao (có thể đạt cao nếu đúc đặc biệt như đúc áp lực). Tiểu luận: Các phương pháp gia công cơ khí Nhóm 6 GVHD: Tôn Thất Nguyên Thy 7 - Có thể đúc được nhiều lớp kim loại khác nhau trong một vật đúc. - Giá thành chế tạo vật đúc rẻ vì vốn đầu tư ít, tính chất sản xuất linh hoạt, năng suất tương đối cao. - Có khả năng cơ khí hoá và tự động hoá. - Tốn kim loại cho hệ thống rót, đậu ngót, đậu hơi. - Dễ gây ra những khuyết tật như: thiếu hụt, rỗ khí, cháy cát v.v... - Kiểm tra khuyết tật bên trong vật đúc khó khăn, đòi hỏi thiết bị hiện đại. 3. Công dụng: Sản xuất đúc được phát triển rất mạnh và được sử dụng rất rộng rãi trong các ngành công nghiệp. Khối lượng vật đúc trung bình chiếm khoảng 40 ÷ 80% tổng khối lượng của máy móc. Trong ngành cơ khí khối lượng vật đúc chiếm đến 90% mà giá thành chỉ chiếm 20 ÷ 25%. 4. Phân loại: Kỹ thuật đúc được phân loại theo sơ đồ sau: Sơ đồ phân loại phương pháp đúc Tiểu luận: Các phương pháp gia công cơ khí Nhóm 6 GVHD: Tôn Thất Nguyên Thy 8 II. Định nghĩa, đặc điểm và phạm vi sử dụng của đúc mẫu chảy: 1. Định nghĩa: Đúc mẫu chảy là một phương pháp đúc tiên tiến, theo đúng tên gọi của nó, là làm cho mẫu bằng sáp chảy lỏng ra như một chất lỏng và thoát khỏi khuôn. Mẫu chảy thoát ra khỏi khuôn và để lại một hốc khuôn có hình dáng tương tự như hình dáng vật đúc. Rót kim loại lỏng vào khuôn, kim loại đông đặc và tạo thành vật đúc. Đúc chính xác bằng mẫu chảy là phương pháp đúc có nguyên lý làm khuôn giống như cách đúc tượng bằng mẫu sáp đã có độ chính xác cao để tạo ra mẫu sáp và nhờ dùng hỗn hợp cát chảy với chất dính đặc biệt đã tạo được vỏ khuôn có độ bền cao nên sản phẩm đúc ra chính xác hơn nhiều, do đó phương pháp đúc bằng mẫu chảy đã nhanh chóng phát triển và chiếm vị trí độc đáo trong ngành chế tạo máy, sản xuất những chi tiết nhỏ, độ chính xác cao, không cần gia công hoặc không thể gia công. 2. Đặc điểm:  Mẫu chỉ sử dụng một lần & mỗi vật đúc cần một mẫu.  Mẫu không có mặt phân mẫu; khuôn không có mặt phân khuôn  độ chính xác của vật đúc cao.  Khuôn có độ bóng bề mặt & độ chính xác rất cao.  KL lỏng được rót vào khuôn đã được nung ở nhiệt độ cao (1000-11000C khi đúc thép)  dễ điền đầy khuôn và bù co ngót.  Quy trình công nghệ phức tạp và kéo dài.  Đúc được vật đúc hình dáng phức tạp khi đã tạo được mẫu bằng parafin, thí dụ như tượng Phật nghìn mắt, nghìn tay.  Giá thành vật đúc cao. Tiểu luận: Các phương pháp gia công cơ khí Nhóm 6 GVHD: Tôn Thất Nguyên Thy 9 PHẦN 2: TÌM HIỂU VỀ QUY TRÌNH ĐÚC MẪU CHẢY I. Qui trình đúc mẫu chảy: Là phương pháp áp dụng cho những vật đúc có hình dạng phức tạp, khó hoặc không xác định được mặt phân khuôn, vật đúc đòi hỏi độ chính xác cao... Qui trình:  Bước 1: Thiết kế và chế tạo (ép hoặc cắt gọt) mẫu và hệ thống rót bằng các loại vật liệu dễ chảy, thí dụ như parafin, sáp ong... Mẫu này có hình dáng và kích thước của vật đúc đã thiết kế.  Bước 2: Gắn mẫu và hệ thống rót thành chùm gọi là chùm mẫu hoặc nhánh cây. Khi lắp ghép phải đảm bảo dòng chảy kim loại trong khuôn êm, dễ dàng điền đầy hốc khuôn.  Bước 3: Chế tạo huyền phù và chuẩn bị cát rắc chịu nhiệt.  Bước 4: Tạo lớp vỏ khuôn bằng cách nhúng nhánh cây vào một dung dịch huyền phù gồm có chất dính và bột chịu lửa, rắc 1 lớp cát lên bề mặt mẫu và sấy khô. Quá trình nhúng huyền phù – rắc cát – sấy khô được lặp lại nhiều lần để tạo được một lớp vỏ rắn có chiều dày từ 3 – 10mm tuỳ theo kích thước và yêu cầu của chi tiết đúc. Trước khi nhúng mẫu vào dung dịch huyền phù phải làm sạch dầu nhớt bôi khuôn khỏi bề mặt mẫu, có thể phủ thêm một lớp chất trung gian để làm giảm sức căng bề mặt giữa dung dịch huyền phù và mẫu, tăng khả năng bám dính của dung dịch lên mẫu. Dung dịch huyền phù phải được khử bọt khí cẩn thận để đảm bảo độ chính xác của bề mặt vật đúc.  Bước 5: Loại bỏ mẫu ra khỏi khuôn vỏ mỏng.  Bước 6: Nung khuôn đến nhiệt độ 900 – 10000C để thiêu kết tạo vỏ gốm. Quá trình nung này còn tạo các khe nứt tế vi trong vỏ khuôn để tăng độ thông khí cho khuôn, đuổi hết vật liệu làm mẫu, hơi nước và các chất sinh khí khác ra khỏi khuôn.  Bước 7: Rót kim loại lỏng vào khuôn ngay sau khi nung.  Bước 8: Làm nguội, phá khuôn, cắt vật đúc ra khỏi nhánh cây và làm sạch vật đúc. Tiểu luận: Các phương pháp gia công cơ khí Nhóm 6 GVHD: Tôn Thất Nguyên Thy 10 Quy trình công nghệ đúc mẫu chảy 1. Vật liệu và phƣơng pháp chế tạo mẫu chảy: 1.1. Yêu cầu đối với vật liệu chế tạo mẫu:  Nhiệt độ nóng chảy không quá cao (60-1000C) để dễ chế tạo và nung chảy mẫu.  Nhiệt độ hóa mềm đủ cao (>35-400C) để mẫu không bị biến dạng  làm mất độ chính xác.  Độ co và độ nở nhỏ; phải ổn định khi nung nóng và làm làm nguội.  In hình rõ nét lên bề mặt hốc khuôn ép.  Độ chảy loãng tốt để dễ điền đầy hốc khuôn ép và chảy hết khỏi lòng khuôn khi nung tách sáp.  Có độ bền và độ cứng đủ cao.  Thấm ướt huyền phù tốt.  Có thể sử dụng nhiều lần mà không biến động đáng kể về các tính chất công nghệ. Tiểu luận: Các phương pháp gia công cơ khí Nhóm 6 GVHD: Tôn Thất Nguyên Thy 11 Vật liệu ban đầu để chế tạo nhóm nay là: parafin, stearin, xexezin, etylxenlulo, sáp than nâu, sáp than bùn. Mẫu được chế tạo bằng cách tổ hợp trên cơ sơ parafin vá các chất còn lại thành phần parafin chiếm 30% - 70%. Vật liệu nhóm này được sử dụng rộng rãi hơn cả và thường dùng để làm mẫu chế tạo hàng loạt các chi tiết có kích thước nhỏ bằng thép và gang.  Nhược điểm: Nhóm vật liệu này là nhiệt độ làm việc thấp, rất dễ biến dạng ngay ở nhiệt độ xưởng đúc. Trong điều kiện khí hậu nhiệt đới như Việt Nam cần nghiên cứu thêm một số hóa chất hoặc chất dẻo khác để nâng cao nhiệt độ biến mềm và nhiệt độ làm việc cho mẫu. 1.2. Vật liệu tạo mẫu dễ chảy:  Parafin: - Màu trắng, có cấu trúc tinh thể, dẻo, rẻ tiền. - Độ bền thấp, dễ biến mềm.  Stearin: - Màu vàng-trắng, cấu trúc vô định hình. - Nhiệt độ biến mềm tương đối cao. - Có xu hướng tác động với huyền phù. - Đắt tiền.  Serezin: - Màu vàng sáng, cấu trúc vô định hình. - độ dẻo & độ bền nhiệt cao hơn parafin, stearin. - Độ co lớn; độ bền & độ cứng tương đối thấp.  Etyl xenluloza: - Bột màu trắng, vàng trắng, cấu trúc tinh thể mịn. - Nhiệt độ nóng chảy cao (160-1800C); bền cơ & bền nhiệt cao. - Độ co lớn.  Các chất tạo mẫu trên thường không được sử dụng riêng biệt mà dưới dạng hỗn hợp.  Hỗn hợp parafin-stearin (PS): - Thường dùng PS 50-50 và PS 30-70. Tiểu luận: Các phương pháp gia công cơ khí Nhóm 6 GVHD: Tôn Thất Nguyên Thy 12  Hỗn hợp parafin-stearin-etyl xenluloza (PSE) & parafin-serezin-etyl xenluloza (PCE): - Chứa 5-15% etyl xenluloza. - Nhiệt độ biến mềm cao, độ bền cao, độ co thấp.  Vật liệu tạo mẫu dễ chảy thường dùng chế tạo mẫu nhỏ có độ phức tạp trung bình.  Loại vật liệu này chỉ cần thả vào nước là chúng tự hòa tan. Thành phần cơ bản là cacbamit (ure kỹ thuật) với khoảng 1 – 2% axitboric. Vật liệu này không bị co, không biến mền, độ chính xác của mẫu khá cao nhưng dể hút ẩm và khó hàn để tạo thành chùm mẫu. 1.3. Vật liệu tạo mẫu khó chảy:  Thường dùng chế tạo các vật đúc thành mỏng, kích thước tương đối lớn.  Cũng được sử dụng dưới dạng hỗn hợp.  Kanifol: - Được điều chế từ nhựa các loại cây lá kim (thông, tùng, bách …) - Màu vàng sáng đến nâu sẫm; dòn.  Polystirol: - Không màu, vô định hình. - Bền cơ, bền nhiệt, nhiệt độ nóng chảy cao. - Dòn, độ sệt cao ở trạng thái nóng chảy.  HH kanifol-polystirol-serezin 50-30-20.  HH kanifol-serezin. Mẫu được làm việc trên cơ sở tổ hợp của các loại nhựa cây như tùng, bách, thông… thành phần chủ yếu của các loại nhựa này polystyrol, xererin. Ngoài ra người ta còn chế tạo mẫu bằng các loại nhựa ở dang bột, mẫu được chế tạo theo phương pháp mẫu nhanh. - Ưu điểm: Vật liệu này có nhiệt độ nóng chảy khá cao khoảng 180 – 2000C, thấm ướt huyền phù tốt, bề mặt nhẵn đẹp. - Nhược điểm: Chế tạo khá phức tạp, độ chảy loãng thấp, khó đúc mẫu. Tiểu luận: Các phương pháp gia công cơ khí Nhóm 6 GVHD: Tôn Thất Nguyên Thy 13 1.4. Các phƣơng pháp chế tạo mẫu:  Rót tự do: - Chủ yếu dùng chế tạo mẫu rỗng. - Độ co lớn, khả năng điền đầy kém.  Rót dƣới áp lực: - Dưới áp lực của piston hoặc khí nén. - Kích thước mẫu chính xác. - Chế tạo mẫu từ những HH có độ chảy loãng thấp.  Ép dƣới dạng nhão: - Cần lực ép lớn - Mẫu co rất ít - Sử dụng phổ biến nhất 1.5. Các phƣơng pháp ghép mẫu: Sau khi đã chế tạo mẫu từ khuôn, mẫu được làm nguội (thường trong nước), sửa chữa, ghép thành chùm (tree). Hàn Hàn Tiểu luận: Các phương pháp gia công cơ khí Nhóm 6 GVHD: Tôn Thất Nguyên Thy 14 Dán: dùng các loại keo đặc biệt để dán 1.6. Khuôn để chế tạo mẫu:  Thường làm bằng kim loại và được gia công chính xác.  Hợp kim nhôm: dễ gia công; nhẹ.  Thép: tuổi thọ cao hơn; khó gia công; nặng.  Nhựa epoxy.  Cao su lưu hóa.  Thạch cao. 2. Vật liệu chế tạo khuôn gốm: 2.1. Vật liệu chịu lửa:  Vật liệu chịu lửa cho khuôn gốm gồm 2 loại: - Vật liệu chịu lửa dạng bột (kích thước hạt < 0,05mm) để chế tạo hỗn hợp huyền phù. - Cát phủ (>0,074mm) để tạo vỏ.  Các loại vật liệu chịu lửa:  Thạch anh.  Corindon điện phân (Al2O3).  Silicat zircon (ZrSiO4).  Dioxit titan (TiO2).  Manhezit.  Chuẩn bị vật liệu chịu lửa: Tiểu luận: Các phương pháp gia công cơ khí Nhóm 6 GVHD: Tôn Thất Nguyên Thy 15  Nghiền.  Sấy ở 150 – 2000C để khử ẩm.  Sàng bột chịu lửa và cát phủ để có độ hạt thích hợp. 2.2. Chất dính: Thường dùng etylsilicat hoặc thủy tinh lỏng (nước thủy tinh).  Etyl silicat: là chất hữu cơ khá đắt tiền và được dùng khá phổ biến trong đúc mẫu chảy và đúc trong khuôn gốm theo công nghệ Shaw. Về cấu tạo, etylsilicat bao gồm nhóm etyl ( C2H5O )n và nhóm silicat, có công thức chung là (C2H5O)2n+2SinOn-1. Ví dụ như: Monoete: (C2H5O)4Si ; điete: (C2H5O)6Si2O ; triete: (C2H5O)8Si3O2 ... Khi gặp nước, etylsilicat bị thủy phân, tức là mỗi nhóm etyl sẽ bị thay thế bằng một nhóm hydroxyl OH-. Quá trình thủy phân phụ thuộc vào lượng nước có trong dung dịch, tức là phụ thuộc vào tỷ lệ etylsilcat/ nước mà sản phẩm thủy phân cuối cùng có thể là axit silisic Si(OH)4 hoặc các polyete. Khi thủy phân hoàn toàn, sản phẩm tạo thành là axit silisic Si(OH)4. Các phân tử này sẽ trùng hợp lại với nhau tạo thành một mạng trong không gian. Khi thủy phân không hoàn toàn tạo thành các polyete, các polyete cũng trùng hợp, rồi lại tiếp tục thủy phân rồi lại tiếp tục trùng hợp… Quá trình cứ tiếp tục cho đến khi các phần tử cũng tạo được mạng lưới không gian như trên. Như vậy, điều kiện tiên quyết để etylsilicat thủy phân đến mức độ nào, thủy phân hoàn toàn hay thủy phân một phần, hoàn toàn phụ thuộc vào lượng nước cho vào dung dịch khi thủy phân. Tuy nhiên, chất lượng lớp vỏ khuôn tạo ra từ huyền phù do quá trình thủy phân này cũng sẽ thay đổi tùy thuộc vào hàm lượng nước đó. Lượng nước cho vào để thủy phân có thể tính theo công thức: 18. . . 0,004. . . 45.100 M am X M am  Trong đó: a: là hàm lượng nhóm etyl trong etylsilicat thủy phân(%) m: là khối lượng của etylsilicat (kg) Tiểu luận: Các phương pháp gia công cơ khí Nhóm 6 GVHD: Tôn Thất Nguyên Thy 16 M: là hệ số thực nghiệm lấy tùy thuộc vào lượng nhóm etyl trong etylsilicat, dạng dung dịch thủy phân và phương pháp sấy vỏ mỏng (bảng 1) Bảng1: Giá trị hệ số M trong công thức tính lượng nước thủy phân. Phương pháp sấy Giá trị M khi khối lượng nhóm etyl trong etylsilicat 69 – 65% trên 65% Hơi amoniac ẩm có không khí 0,2 – 0,3 0,3 – 0,4 Trong buồng sấy có ít amoniac 0,4 – 0,5 0,5 – 0,6 Trong không khí lưu thông không có amoniac 0,5 – 0,6 0,6 – 0,7 Trong lò kín không có amoniac 0,7 – 0,8 0,8 – 1,0  Thủy tinh lỏng: Thủy tinh lỏng là vật liệu nhóm silicat, tan trong nước và khả năng tham gia chuyển biến sol-gel-rắn để làm chất dính trong mẫu chảy. Công thức của thủy tinh lỏng là: Na2O.mSiO2.nH2O. Sử dụng thủy tinh lỏng trong mẫu chảy cần phải lưu ý đến các thông số sau đây: - Modun M: modun thủy tinh lỏng là tỉ số giữa SiO2và số model Na2O. Modun của thủy tinh lỏng có thể thay đổi nhờ các chất có tham gia phản ứng với các phân tử trong thành phần. Muốn giảm modun cho NaOH vào thủy tinh lỏng: Na2O.mSiO2.nH2O + n. NaOH = (1+n/2) Na2O.mSiO2 + ½. H2O Muốn tăng modun thì cho thêm NH4Cl: Na2O.mSiO2.nH2O + NH4Cl = mSiO2 + 2.NaCl + NH3 + H2O - Tỷ trọng của thủy tinh lỏng: Tỷ trọng của dung dịch phụ thuộc vào modun và lượng nước có trong thành phần nhưng về cơ bản, thay đổi tỷ trọng bằng cách pha thêm nước. - Độ nhớt: Khi modun cáng cao, thủy tinh lỏng càng sệt, độ nhớt càng cao. Khi dùng thủy tinh lỏng trong đúc mẫu chảy, cần phối hợp cả ba tính chất trên để đảm bảo huyền phù dính mẫu tốt, độ bền lớp vỏ cao, không nứt; bề mặt khuôn và bề mặt Tiểu luận: Các phương pháp gia công cơ khí Nhóm 6 GVHD: Tôn Thất Nguyên Thy 17 đúc nhẵn đẹp. Trong các chỉ tiêu trên, modun là thông số quan trọng nhất. Tốt hơn cả là dùng thủy tinh lỏng có tỷ trọng 1,5 – 1,55g/cm2; 32 – 34% SiO2 + 11 – 13% Na2O và khoảng 55 – 57% H2O. 3. Phƣơng pháp chế tạo khuôn gốm: 3.1. Chuẩn bị và chế tạo huyền phù:  Chuẩn bị huyền phù: - Cho chất dính vào thiết bị khuấy; khuấy. - Cho dần bột chịu lửa vào.  Thiết bị khuấy: cánh khuấy đứng yên, thùng quay.  Chế tạo huyền phù: a) Huyền phù trên cơ sở etylsilicat: Có hai phương pháp thủy phân: thủy phân riêng biệt và thủy phân kết hợp. - Thủy phân riêng biệt: nội dung của phương pháp này là thủy phân trước khuấy trộn sau. Sau khi kết thúc quá trình thủy phân, có thể là thủy phân hoàn toàn hoặc thủy phân một phần, cho vật liệu dạng bụi vào dung dịch thủy phân và khuấy đều. thông thường huyền phù có chứa 40 – 45% etylsilicat thủy phân và 55 – 60% bụi thạch anh. - Thủy phân kết hợp: cho bụi thạch anh cùng etylsilicat vào thùng và khuấy đều. Cho thêm lượng nước vào theo tính toán. Quá trình thủy phân xảy ra trên bề mặt các hạt cát do vậy tốc độ thủy phân nhanh hơn. Độ bền vỏ chế tạo theo phương pháp thủy phân kết hợp bền hơn rất nhiều, gấp hai đến ba lần so với thủy phân riêng biệt nhưng hỗn hợp lại có tuổi bền ngắn hơn. b) Huyền phù trên cơ sở thủy tinh lỏng: Dùng khoảng 50% thủy tinh lỏng có thành phần đã nêu trên với 50% thành phần bụi thạch anh khuấy đều để chế tạo huyền phù. Tuy nhiên, ít khi sử dụng huyền phù trên cơ sở thủy tinh lỏng làm cho bề mặt vật đúc có bề mặt xấu. Người ta hay kết hợp hai loại huyền phù: hai lớp đầu dùng vật liệu etylsilicat, các lớp còn lại dùng huyền phù thủy tinh Tiểu luận: Các phương pháp gia công cơ khí Nhóm 6 GVHD: Tôn Thất Nguyên Thy 18 lỏng. Cần lưu ý rằng độ co của huyền phù thủy tinh lỏng lớn hơn rất nhiều so với huyền phù etylsilicat nên chỉ áp dụng huyền phù kết hợp cho những vật đúc nhỏ, đơn giản. 3.2. Rửa chùm mẫu:  Sau khi ghép thành chùm, bề mặt mẫu bị bẩn (dầu mỡ của khuôn ép mẫu sáp; bị bẩn do thao tác gọt sửa , gắn chùm mẫu …)  phải rửa.  Rửa chùm mẫu vào dung dịch tẩy rửa (có thêm chất phụ gia để giảm sức căng pha giữa mẫu và huyền phù). 3.3. Tạo khuôn vỏ:  Nhúng chùm mẫu vào thùng huyền phù (đang quay) để mẫu được bao một lớp vừa đủ. Có thể phủ huyền phù lên mặt mẫu bằng cách: - Nhúng trực tiếp chùm mẫu vào bể chứa huyền phù, khi nhúng cần nhấc lên nhấc xuống vài lần hoặc xoay đi xoay lai quanh trục rót vài lần đề huyền phù dính bám hoàn toàn trên bề mặt vật mẫu. - Tưới huyền phù lên khắp vật mẫu. - Dùng súng phun huyền phù lên vật mẫu.  Phủ một lớp cát mịn lên chùm mẫu (đã nhúng huyền phù). Tiểu luận: Các phương pháp gia công cơ khí Nhóm 6 GVHD: Tôn Thất Nguyên Thy 19  Hong khô tự nhiên hoặc cưỡng bức lớp vỏ rắn. Treo vật mẫu ngoài không khí hoặc trong luồng gió có ammoniac để lớp vỏ đông cứng. Thời gian sấy trong môi trường có ammoniac khoảng 15 – 20 phút, trong không khí thì lâu hơn khoảng giờ hoặc lậu hơn.  Lại nhúng mẫu vào huyền phù rồi lặp đi lặp lại khoảng 4 đến 8 lần theo nguyên tắc, càng về sau hạt cát rắc càng lớn. Việc tạo vỏ cứng dừng lại khi đã tạo được lớp vỏ dày chừng 5 – 10mm tùy thuộc vào kích thước của vật đúc. 3.4. Tách sáp khỏi khuôn: • Quá trình tách sáp được thực hiện bằng hơi nước quá nhiệt trong các buồng tách sáp. 3.5. Nung thiêu kết khuôn vỏ:  Sau khi tách sáp, khuôn được nung tới 900-11000C nhằm mục đích: - Làm các chất tạo mẫu còn lại cháy hết. - Làm nước và các chất sinh khí trong khuôn bay hơi. - Thiêu kết các phần tử chất dính với vật liệu chịu lửa  “gốm”. - Tạo các khe nứt tế vi trong vỏ khuôn để làm tăng độ thông khí của khuôn.  Quá trình thiêu kết thường được thực hiện trong các lò buồng đốt bằng ngọn lửa.  Để tăng độ bền cho khuôn trong khi rót, có thể chèn khuôn trong hòm bằng vật liệu cát không kết dính. Tuy nhiên, khi dùng lớp đệm thì thời gian nung khuôn phải tăng Tiểu luận: Các phương pháp gia công cơ khí Nhóm 6 GVHD: Tôn Thất Nguyên Thy 20 lên nhiều kéo dài khoảng 9 – 12 giờ do cát rời có độ dẫn nhiệt kém. Tốc độ nung phải đảm bảo hợp lý để không hình thành ứng suất và nứt khuôn. 4. Rót khuôn: Rót khuôn ngạy khi lấy khuôn ra khỏi lò nung có nhiệt độ cao. Do đặc điểm của đúc mẫu chảy là chi tiết nhỏ, thành mỏng nên kim loại lỏng phải được nâng nhiệt cao, gạt xỉ triệt để. Gầu rót được dắp nện và sấy tốt để chống tạo xỉ và tạo hơi trong quá trình rót. 5. Làm sạch và hoàn tất vật đúc: - Bắn bi. - Cắt tách hệ thống rót. - Phun cát. - Sửa chữa các khuyết tật. - Nhiệt luyện. Sau khi dở khuôn và đập bỏ hệ thống rót, làm sạch vật đúc bằng tang quay hoặc phun bi.Nếu chi tiết phải nhiệt luyện thì cần tạo sạch lớp vỏ oxit dính bám trên bề mặt. Làm sạch các loại vật liệu dính bám trên bề mặt bằng cách nhúng toàn bộ chi tiết vào kiềm hoặc kim loại kiềm nóng chảy. Thông thường dung dịch kiềm là 50% KOH ở trạng Tiểu luận: Các phương pháp gia công cơ khí Nhóm 6 GVHD: Tôn Thất Nguyên Thy 21 thái sôi. Khi đó sẽ có phản ứng của hạt cát SiO2 với kiềm nóng tạo thành hợp chất K2SiO3 tách khỏi bề mặt vật đúc. Ta được được chi tiết có bề mặt sạch: SiO2 + 2.KOH = K2SiO3 + H2O II. Các nguyên tắc cơ bản khi đúc một vật bằng đúc mẫu chảy: Dưới đây sẽ nói kĩ hơn về đặc điểm kỹ thuật của từng bước. Khuôn ép: Thường bằng kim loại và được gia công rất chính xác bằng thép thì bền lâu, bằng hợp kim nhôm hoặc hợp kim dễ gia công hơn; có thể dùng nhựa êpoxi, cao su hóa để làm khuôn ép. Khi không yêu cầu chính xác cao, với sản lượng ít còn có thể dùng khuôn thạch cao. Về sản xuất mẫu, thường dung nhất là mẫu bằng hỗn hợp sáp trong đó có sáp thiên nhiên pha lẫn với sáp tổng hợp, đảm bảo sao cho nhiệt độ chảy thấp (khoảng 55 – 900C), mẫu bền, co giản ít, ổn định kích thước, nhiệt độ biến mềm giữ mẫu ở nhiệt độ thấp để ổn định kích thước trước lúc dùng. Chế tạo mẫu bằng cách dùng bơm rót ép sáp ở trạng thái sệt vào khuôn ép. Ngày nay người ta chú ý nhiều đến việc chế tạo thiết bị phun ép sáp có kiểm tra tự động nhiệt độ sáp, áp lực và tốc độ phun ép sáp (tới 28 daN/cm2). Vật liệu làm mẫu cũng được nghiên cứu nhiều, ngoài sáp người ta dùng nhựa, ví dụ nhựa xốp polytryron vừa nhẹ, rẻ, dãn nở nhiệt nhỏ hơn sáp nhiều nên kích thước ít biến đổi theo nhiệt độ. Tạo khuôn khối: Rót hỗn hợp cát lỏng vào hộp bao quanh chùm sáp mẫu, rung hoặc hút chân không cho bọt khí thoát ra rồi chờ cho hỗn hợp đóng rắn, khoảng 12 – 24 giờ sau mới tách mẫu ra và được khuôn khối (thường dùng đúc hợp kim màu). Tạo khuôn vỏ: Nhúng chùm mẫu vào hỗn hợp cát lỏng để mẫu được bao một lớp mỏng vừa đủ, rắc cát khô lên, dung hóa chất NH3 hoặc hong gió nóng cho lớp vỏ chịu nóng khô, sau đó lại nhúng tạo lớp mới (nói chung từ 3 – 15 lớp). Động tác này gọi là áo vỏ. Cách tạo khuôn rẻ, thời gian khô cứng ngắn hơn (tổng cộng chỉ 20 – 150 phút). Về kỹ thuật tạo khuôn quan trọng nhất là chất dính trong hỗn hợp chịu nóng. Thường dùng nhiều nhất và cũng tạo ra khuôn có chất lượng cao là etyl silicat. Chất này ở Tiểu luận: Các phương pháp gia công cơ khí Nhóm 6 GVHD: Tôn Thất Nguyên Thy 22 dạng lỏng chỉ trở nên dính khi tác dụng với nước và tạo ra chất keo axit silisic (gọi là gel) theo phản ứng: Si(OC2H5)4 + 4H2O 4C2H5OH + Si(OH)4 Tatraetyl silicat Rượu etylic Axit silisic Phản ứng chỉ xảy ra khi dư H2O, có rượu hoặc axeton đề dung hòa etyl silicat, có HCl làm chất xúc tác. Dung dịch etyl silicat đã thủy phân này trộn với bột cát SiO2 với tỷ lệ 1 dung dịch/ 2 bột cát sẽ được dùng để áo vỏ và chỉ cần 20 phút đến một giờ sẽ khô cứng. Nếu dùng thêm NH4OH sẽ đóng rắn nhanh hơn. Khi sấy, nước và rượu bốc hơi nên khuôn vỏ chỉ gồm màng silicat bao quanh những hạt cát, độ chịu nóng của vỏ sẽ rất cao. Ở nước ta etyl silicat đắt nên dùng thủy tinh lỏng sẽ dễ kiếm hơn. Thủy tinh lỏng phải chọn loại có modul cao hoặc phải dùng NH4 chất lượng để xử lý tăng modul tới 3,0 – 3,4 lượng dùng cao hơn, khoảng 1 nước thủy tinh/ 1 bột cát (bột SiO2). Còn có rất nhiều cách pha chế hỗn hợp cát lỏng dùng cho đúc mẫu chảy. Ngoài ra có thể dùng ximăng pooclan, photphat amon hay hydro làm chất kết dính. Nếu đúc hợp kim màu như nhôm, đồng có thể dùng thạch cao để tạo khuôn khối. Làm chảy mẫu và nung khuôn cũng là thao tác quan trọng, không chú ý dễ làm nứt khuôn do mẫu dãn nở nhiệt lớn. Có nhiều cách làm chảy mẫu: - Nung nấu và khuôn trong nước, ở nhiệt độ khoảng 80 – 900C. - Đưa khuôn đột ngột vào lô 10000C, với gradient nhiệt độ lớn, sáp ở bề mặt mẫu chảy nhưng bên trong khối sáp chưa kịp giãn nở. Với cách này đồng thời làm chảy mẫu vừa nung khuôn, chỉ mất khoảng 2 giờ. - Nhúng khuôn trong sáp nóng chảy ở 190 – 2100C hoặc tốt hơn là trong chất lỏng có nhiệt độ sôi cao (poliglycol) ở 200 – 2500C, quá trình thủy phân và trùng ngưng sẽ tiếp tục làm khuôn bền thêm 1,5 – 2 lần. Chú ý rằng với mẫu polystiron chỉ thấy ở nhiệt độ dưới 700C để tránh sự giãn nở nhiệt độ đột ngột ở khoảng 800C.Sau đó nung ở nhiệt độ cao mẫu sẽ bốc hơi. Tiểu luận: Các phương pháp gia công cơ khí Nhóm 6 GVHD: Tôn Thất Nguyên Thy 23 Nhiệt độ nung khuôn thường khoảng 850 – 9500C, đảm bảo cho sáp dính ở bề mặt khuôn cháy hết và nhiệt độ khuôn cao (nếu rót ngay kim loại sẽ in hình khuôn rõ nét). Riêng với khuôn thạch cao chỉ sấy khoảng 550 – 6500C để tránh sự phân hủy. Đúc chính xác bằng mẫu chảy dùng khuôn không có mặt ráp thích hợp với các chi tiết nhỏ hơn dưới 5kg, cần độ chính xác cao. Thực ra với phương pháp này có khả năng chế tạo những vật đúc từ 0,02 – 140kg, lỗ nhỏ tới 2, và thành dày 1 – 10mm, kích thước có thể tới 1m; song với chi tiết chính xác có kém đi. Vì giá thành tương đối cao, phương pháp đúc này chỉ dùng khi sản lượng lớn để đủ khấu hao khuôn ép (dù rằng khuôn ép này rẻ hơn khuôn dùng đúc áp lực nhiều) và dùng trong trường hợp cần giảm khối lượng gia công cơ nhiều (khuôn dập) hoặc dùng đúc những chi tiết bằng hợp kim chống mòn, rất cần (cánh tuabin rất khó gai công cơ). Những năm gần đây, người ta đã đẩy mạnh việc cơ khí hóa và tự động hóa quá trình đúc chính xác bằng mẫu chảy có nhiều thao tác tỉ mỉ nói trên, nhờ đó giá thành giảm. Ví dụ đã chế tạo thiết bị lên hoàn do một người điều khiển 1 giờ sản xuất được 20 khuôn. Mặc khác người ta cũng nghiên cứu những chất dính mới cho công nghệ đúc này: tạo gel axit silisic hòa tan trong nước, tránh dùng các dung môi hữu cơ, thời gian khô cứng dài hơn nhưng giá thành hạ và an toàn hơn, ít sợ cháy. Nhiều xưởng đúc mẫu chảy cũng đã dùng những loại otocla an toàn cỡ lớn, để có thể tăng nhiệt độ hơi nước tới 150 0C, chịu áp lực tới 5atm.  Nguyên tắc thiết kế đúc mẫu chảy: Ngoài phần mềm thiết kế, mô phỏng và bảng tổng hợp chi phí; nguyên tắc thiết kế đúc mẫu chảy cũng là phần quan trọng. Nó là cơ sở để hình thành bản thiết kế hợp lý, đảm bảo khả năng sản xuất được và tuổi thọ của chi tiết. Phần này trình bày những nguyên tắc khi thiết kế đúc mẫu chảy. 1. Các nguyên tắc chung đối với chi tiết đúc mẫu chảy: Chi tiết hình dạng phức tạp, khó gia công có thể được sản xuất nhanh và tiết kiệm bằng phương pháp đúc này.Trong nhiều trường hợp, chi tiết gồm nhiều phần riêng biệt có thể được gom thành một chi tiết duy nhất nhằm loại bỏ các nguyên công lắp ráp. Cho phép lựa chọn kim loại và hợp kim đúc trong khoảng rộng (tham khảo bảng 2). Tiểu luận: Các phương pháp gia công cơ khí Nhóm 6 GVHD: Tôn Thất Nguyên Thy 24 Một cách lý tưởng, quyết định dùng phương pháp đúc mẫu chảy để chế tạo chi tiết có thể được cân nhắc ngay từ khâu thiết kế. Khi thiết kế đúc mẫu chảy, cần xem xét đồng thời khả năng chế tạo khuôn ép sáp và khuôn vỏ. Sáp được ép vào khuôn do đó yêu cầu sử dụng mặt phân khuôn phẳng, đúng vị trí; bản thiết kế thích hợp và tránh các ba via. Nên dùng các góc lượn và bán kính lớn để làm chi tiết đẹp và bền hơn.  Bề dày thành nhỏ nhất: Bề dày thành vật đúc nhỏ nhất được quyết định trước tiên bởi độ chảy loãng của hợp kim. Ngoài ra, nó còn phụ thuộc vào chiều dài của tiết diện liên quan. Nếu tiết diện dài thì thành phải dày hơn. Bảng2: Bề dày thành nhỏ nhất cho các hợp kim đúc mẫu chảy. Hợp kim Bề dày thành nhỏ nhất (mm) Hợp kim Bề dày thành nhỏ nhất (mm) Thép cacbon thấp 1,8 Hợp kim trên cơ sở cô-ban 0,75 Thép cacbon cao 1,5 Nhôm 1 Thép hợp kim thấp 1,0 Hợp kim Cu-Be 0,75 Thép không rỉ, dòng 300 1,5 Đồng thau 1 Thép không rỉ, dòng 400 1,5 Đồng thanh 1,5  Độ phẳng và độ thẳng: Sai lệch về độ thẳng và độ phẳng giảm được bằng cách dùng kết hợp các gân và miếng đệm liên kết trong chi tiết. Do sự co của mẫu sáp, khuôn và kim loại trong quá trình đông đặc nên vật đúc có xu hướng bị lõm co ở bề mặt có độ dày lớn. Lõm co có thể được giảm thiểu bằng cách đồng đều hóa bề dày thành của chi tiết. Tiểu luận: Các phương pháp gia công cơ khí Nhóm 6 GVHD: Tôn Thất Nguyên Thy 25 Giữ bề dày thành đều để tránh lõm.  Bán kính Dù đúc được nhưng các góc nhọn nên được bo tròn. Góc lượn và bán kính lớn tạo điều kiện thuận lợi cho kim loại điền đầy khuôn, giúp vật đúc có kích thước chính xác và chất lượng tốt hơn. Bán kính góc lượn tối thiểu là 0,75mm, trong một số trường hợp là 1,5-3mm. Nên dùng các bán kính và góc lượn.  Các bề mặt cong Cả bề mặt lồi và lõm đều đúc được dễ dàng. Tuy nhiên, bề mặt lõm đúc được chính xác hơn vì khi đông đặc và co, kim loại có khuynh hướng ôm lấy thay vì tách rời khỏi vỏ khuôn.  Các tiết diện song song Chi tiết có tiết diện song song có thể chia ra làm 2 nhóm chính: (1) dạng chạc ba và (2) dạng kẹp vòng. Mỗi nhóm có những khó khăn riêng khi đúc.Trong hình 5, T là độ dày, L là độ dài mỗi nhánh và W là chiều rộng khe giữa hai nhánh chạc ba. Khi T tăng, W cũng phải tăng theo để hỗn hợp làm khuôn có thể đi vào khe giữa hai nhánh chạc ba. Tiểu luận: Các phương pháp gia công cơ khí Nhóm 6 GVHD: Tôn Thất Nguyên Thy 26 Bảng 3: Mối liên hệ giữa W và T của chi tiết dạng chạc ba. Độ dày T (mm) Chiều rộng nhỏ nhất W (mm) 1,5 6 10 13 25 1,5 2,4 3 5 6 Đối với chi tiết dạng kẹp vòng (hình 6), chiều rộng W nhỏ nhất đối với gang thép là 1,5mm và kim loại màu là 1,0mm. Chi tiết dạng kẹp vòng  Tiết diện dạng chìa khóa và rãnh ổ khóa Tiểu luận: Các phương pháp gia công cơ khí Nhóm 6 GVHD: Tôn Thất Nguyên Thy 27 Đối với chi tiết dạng này, để đảm bảo tính đúc, cần đảm bảo tỉ số giữa chiều rộng và chiều cao ≥ 1. Ngoài ra, chiều rộng then tối thiểu là 2,3mm cho gang thép và 1,5mm cho kim loại màu. Chi tiết dạng chìa khóa và rãnh ổ khóa Trong đó: W là chiều rộng, D là chiều cao.  Lỗ Để đảm bảo khả năng đúc được, đường kính lỗ nên ≥ 1,5mm cho vật đúc kim loại màu và ≥ 2,2mm cho vật đúc gang thép.  Lỗ kín Không nên đúc lỗ kín vì nếu thợ làm khuôn không cẩn thận có thể gây ra bọng khí dẫn đến hình thành các khối bi tròn bên trong lỗ sau đúc. Ngoài ra, chiều sâu lỗ lớn khiến khó rút mẫu sáp, từ đó gây khuyết tật bên trong lỗ. Tuy nhiên, nếu quá cần thiết, có thể đúc lỗ kín với chiều sâu không lớn hơn đường kính lỗ.  Lỗ suốt Trong nhiều trường hợp đúc lỗ suốt mang lại hiệu quả kinh tế cao hơn so với đúc đặc rồi gia công lỗ. Thêm vào đó, lỗ suốt giúp chiều dày thành vật đúc đồng đều, từ đó tránh hiện tượng lõm bề mặt, rỗ bên trong.Dung sai cho lỗ suốt giống như lỗ kín. Tỷ lệ giữa chiều dài (L) và đường kính (D) của lỗ suốt không nên vượt quá 4:1 cho gang, thép và 5:1 cho hợp kim đồng, nhôm.  Ruột gốm Ruột gốm được dùng để tạo phần không gian phức tạp bên trong vật đúc mẫu chảy. Ruột gốm đặc biệt cần thiết khi đúc cánh tua bin phức tạp hoặc ren trong của hợp kim khó Tiểu luận: Các phương pháp gia công cơ khí Nhóm 6 GVHD: Tôn Thất Nguyên Thy 28 gia công. Sau khi đúc xong, ruột gốm được lấy ra. Do đó, phần kết cấu khuôn mẫu cho chi tiết có ruột gốm cần đảm bảo đỡ được ruột gốm khi ép sáp vào khuôn.  Độ xiên thành Dù độ xiên thành không phải là vấn đề trong đúc mẫu chảy nhưng nên thêm một lượng nhỏ độ xiên thành (khoảng 1/4 – 1/20) để đảm bảo việc rút mẫu sáp khỏi khuôn ép. Nên có độ xiên thành để dễ rút mẫu sáp khỏi khuôn.  Ren vít Ren vít, cả trong lẫn ngoài, có thể được đúc trực tiếp. Tuy nhiên, trong nhiều trường hợp, kết quả ren từ gia công vẫn tốt hơn đúc. Lý do chính: - Ren đúc thường được làm tinh sau khi đúc để có được bề mặt nhẵn với kích thước chính xác hơn. - Rất khó tạo tiết diện ren cho mẫu sáp hoặc mẫu nhựa. Nếu đúc ren trong, lỗ ren phải là lỗ suốt để dễ làm sạch vật đúc.  Khía trên bề mặt (undercut) Các khía trên bề mặt không ảnh hưởng đến quá trình đúc nhưng lại có nhiều ảnh hưởng trong quá trình tạo mẫu sáp và cần tránh nếu có thể. 2. Các nguyên tắc về kích thƣớc: Kim loại co ngót đông đặc là nhân tố quan trọng nhất ảnh hưởng đến sự chính xác kích thước vật đúc mẫu. Mẫu sáp, vật liệu làm khuôn, và hợp kim đúc có độ co khác nhau. Mặc dù theo lý thuyết có thể ước lượng được các giá trị này nhưng giá trị trong thực tế thường khác với giá trị lý thuyết và ảnh hưởng đến độ chính xác kích thước vật Tiểu luận: Các phương pháp gia công cơ khí Nhóm 6 GVHD: Tôn Thất Nguyên Thy 29 đúc. Ảnh hưởng của co ngót sẽ rõ rệt đối với các vật đúc có thành quá dày hay không đồng đều. Lượng dư bù co thông thường giữa mẫu sáp và chi tiết cuối cùng cho từng phương pháp đúc như sau: - Phương pháp khuôn vỏ mỏng: 1,6 – 1,7 %. - Phương pháp khuôn cát: 1,1 %.  Các yếu tố ảnh hưởng xấu đến việc kiểm soát kích thước là: 1) Biến đổi nhiệt độ khi rót 4) Biến đổi kích thước mẫu và khuôn ép mẫu 2) Độ chảy loãng của hợp kim đúc 5) Cong vênh mẫu trong quá trình thao tác 3) Mẫu sáp co và lún theo thời gian 6) Khuôn gốm bị nứt và các biến đổi khác 3. Dung sai Dung sai khuyến khích cho góc, kính thước dài nói chung, độ tròn, mặt phẳng được thể hiện: Dung sai cho góc: (a) góc mở A (± 1,50); (b) góc giữa hai mặt B (± 0,50C); (c) song song (± 2,00). Bảng 4: Dung sai cho kích thước dài nói chung. Kích thƣớc (mm) Bình thƣờng Khắc khe ≤ 6 ± 0,4 ± 0,08 6 – 13 ± 0,4 ± 0,10 13 – 25 ± 0,4 ± 0,13 25 – 50 ± 0,4 ± 0,18 50 – 100 ± 0,8 ± 0,40 100 – 150 ± 1,1 ± 0,60 ≥ 150 ± 1,5 ± 0,80 Tiểu luận: Các phương pháp gia công cơ khí Nhóm 6 GVHD: Tôn Thất Nguyên Thy 30 Bảng 5: Độ không tròn đối với tiết diện tròn, dạng ống: Bảng 6: Dung sai cho độ phẳng và độ thẳng: Tiểu luận: Các phương pháp gia công cơ khí Nhóm 6 GVHD: Tôn Thất Nguyên Thy 31 4. Các nguyên tắc về thiết kế đúc:  Các nguyên tắc về hệ thống rót: Hệ thống rót là một phần của hốc khuôn để dẫn kim loại vào vật đúc. Hệ thống rót giúp kiểm soát dòng kim loại vào khuôn. Các yêu cầu cho hệ thống rót: - Tốc độ và hướng dòng chảy phải đảm bảo cho vật đúc được điền đầy hoàn toàn trước khi xảy ra quá trình đông đặc. - Dòng chảy phải êm, ít xoáy cuộn để hạn chế các hiện tượng “bẫy khí”, oxi hóa và xói mòn khuôn. - Phân bố nhiệt độ trong vật đúc cần đảm bảo thuận lợi cho quá trình đông đặc, kết tinh. - Có thể dùng thêm mạng lọc để lọc xỉ, tạp chất. Khi thiết kế hệ thống rót cần tính đến trọng lượng và hình dạng vật đúc, độ chảy loãng và khả năng oxi hóa của hợp kim. Dù có nhiều kiểu hệ thống rót nhưng chung quy lại, chúng cần đảm bảo yêu cầu tiết kiệm kim loại, giảm chi phí làm khuôn và làm sạch vật đúc sau này. Hệ thống rót trong đúc mẫu chảy thường có dạng nhánh cây với chiều cao ống rót (nhánh chính) lớn. Do đó, kim loại lỏng rót vào khuôn dễ bị bắn tóe và tạo thành dòng xoáy. Hiện tượng này làm gia tăng nguy cơ xói mòn khuôn, oxi hóa dòng chảy. Để giảm thiểu hiện tượng này, đáy ống rót nên có dạng chỏm cầu. Nếu có thể, bề mặt ống rót nên có được vát nghiêng.Tác dụng của bề mặt nghiêng này là giảm xoáy cuộn, giúp ống rót đầy. Đối với vật đúc thép, nên rót vào thành dày để tạo đông đặc có hướng.  Các nguyên tắc về quá trình đông đặc: Trái với các phương pháp đúc thông thường, quá trình đông đặc trong đúc mẫu chảy phụ thuộc nhiều vào hai hiện tượng truyền nhiệt bức xạ và đối lưu. Do đó, cần lưu ý điểm này khi thiết kế chùm mẫu. Nguyên tắc chung: - Để tạo đông đặc có hướng nên rót kim loại lỏng vào thành dày và hướng thành dày về phía nhánh chính. Cách làm này một mặt giúp kim loại chỗ rót vào có nhiệt độ cao Tiểu luận: Các phương pháp gia công cơ khí Nhóm 6 GVHD: Tôn Thất Nguyên Thy 32 mặt khác tận dụng được nhiệt bức xạ từ nhánh chính để duy trì nhiệt độ cao tại thành dày. Từ đó làm tăng hiệu quả bù ngót. - Tùy vào dạng vật đúc mà quyết định chế độ làm nguội. Ví dụ, đối với vật đúc có thành mỏng thì không nên dùng quạt thổi (đối lưu cưỡng bức) để làm nguội (nếu thực hiện sẽ tăng nguy cơ nứt nóng, cong vênh…); thay vào đó nên dùng các chụp hoặc bột phát nhiệt để giúp vật đúc nguội chậm. - Nên có khoảng cách hợp lý từ vật đúc đến nhánh chính. Nếu được bố trí quá gần nhánh chính thì vật đúc có nhiều nguy cơ xuất hiện rỗ ngót, cong vênh vì nhiệt bức xạ. Nếu vật đúc được bố trí quá xa thì gây lãng phí kim loại. - Hiệu ứng góc nhọn có ảnh hưởng rất mạnh đến thời gian đông đặc. Trong đó, hiệu ứng dương (góc nhọn hướng vào kim loại) có tác dụng làm tăng thời gian đông đăc; hiệu ứng âm (góc nhọn hướng vào khuôn) có tác dụng làm giảm thời gian đông đặc. Sử dụng các định hướng và nguyên tắc trên kết hợp cùng công cụ mô phỏng sẽ cho phương án đúc hợp lý. III. Ƣu điểm và nhƣợc điểm của đúc mẫu chảy: 1. Ƣu điểm: Đúc trong khuôn mẫu chảy là một phương pháp mới nhiều ưu điểm  Hòm khuôn không tháo rời, mẫu được chế tạo liền thành một khối nên không cần phải lắp ráp khuôn.  Mẫu được chế tạo từ vật liệu dễ nóng chảy.  Do không phải làm khuôn rời, không phải lắp ráp khuôn khi đúc nên độ chính xác cao, không có các chất bẩn rơi vào lòng khuôn.  Thời gian chế tạo nhanh.  Mẫu đúc được làm bằng vật liệu có nhiệt độ chảy thấp, khá bền nhưng dễ chảy nhằm tạo ra lỗ khuôn mà không cần mặt phân khuôn. So với đúc bằng khuôn cát, đúc mẫu chảy có thể làm được các chi tiết phức tạp, có thành mỏng, chất lượng bề mặt cao, giảm đáng kể lượng gia công cơ khí, nhiều chi tiết đúc xong có thể Tiểu luận: Các phương pháp gia công cơ khí Nhóm 6 GVHD: Tôn Thất Nguyên Thy 33 sử dụng ngay. Đúc mẫu chảy có thể làm được các sản phẩm có trọng lượng từ vài gram đến vài chục kilogram.  Có chất lượng cao và tỷ lệ sản phẩm hư hỏng thấpnên các dòng sản phẩm đúc bằng công nghệ mẫu chảy ngày càng nhiều. Vì vậyđúc mẫu chảy hiện đang được sử dụng rất nhiều trên thế giới. 2. Nhƣợc điểm:  Chu trình sản xuất dài.  Giá thành cao.  Chỉ chế tạo những vật đúc nhỏ. IV. Phạm vi sử dụng của mẫu chảy trong thực tế: Đúc mẫu chảy thường dùng trong đúc mỹ thuật, các chi tiết máy có kích thước nhỏ, hình dáng phức tạp, có độ chính xác cao mà không cần gia công cơ khí, những chi tiết cần có bề mặt đẹp và thẩm mỹ, các vật liệu khó gia công.  Là phương pháp có hiệu quả để chế tạo vật đúc nhỏ, phức tạp, có yêu cầu rất cao về chất lượng bề mặt và độ chính xác về kích thước từ những hợp kim khó gia công cơ và tính đúc thấp.  Độ bóng bề mặt vật đúc có thể đạt 5-7; có thể chế tạo lỗ nhỏ tới 2mm và thành dày 1 – 10mm.  Cho phép đúc các sản phẩm từ 10 gam đến trên trăm kg; nhưng khi chi tiết càng lớn thì độ chính xác càng thấp. Tiểu luận: Các phương pháp gia công cơ khí Nhóm 6 GVHD: Tôn Thất Nguyên Thy 34  Chỉ có hiệu quả khi sản lượng đúc tương đối lớn để đủ khấu hao khuôn ép.  Dùng đúc các vật đúc cần giảm khối lượng gia công cơ khí (ví dụ: khuôn dập); các chi tiết không thể gia công cơ khí (ví dụ: chi tiết máy khâu công nghiệp, chân vịt…).  Đúc các hợp kim có độ cứng rất cao.  Hàng mỹ nghệ cao cấp. Tiểu luận: Các phương pháp gia công cơ khí Nhóm 6 GVHD: Tôn Thất Nguyên Thy 35 Thân động cơ được đúc bằng mẫu chảy Sản phẩm đúc mẫu chảy-khuôn thạch cao Tiểu luận: Các phương pháp gia công cơ khí Nhóm 6 GVHD: Tôn Thất Nguyên Thy 36  Đúc mâm xe ôtô, môto: Tiểu luận: Các phương pháp gia công cơ khí Nhóm 6 GVHD: Tôn Thất Nguyên Thy 37 Phần 3: CÁC THIẾT BỊ TRONG DÂY CHUYỀN ĐÚC KHUÔN MẪU CHẢY Dây chuyền đúc trong khuôn mẫu chảy được trang bị hệ thống máy móc tiên tiến và sử dụng quy trình đúc trong khuôn mẫu chảy tương tự với quy trình đúc trong ngành chế tạo kim hoàn và trang sức. I. Máy phay sáp: 1.1. Mô tả máy: - Phòng thí nghiệm được trang bị 2 máy phay sáp gồm một máy phay sáp 4 trục và một máy phay sáp 3 trục. Các máy phay đều được kết nối với máy tính và được điều khiển bằng phần mềm chuyên dụng của hãng. Phần mềm điều khiển của máy được thiết kế rất đơn giản và dễ sử dụng. Máy phay 3 trục MDX-20 Roland Máy phay 4 trục MDX- 40 Roland 1.2. Công dụng máy: * Máy MDX – 40: - Chuyên dùng tạo mẫu 5 chiều trên vật liệu sáp, gỗ, mica… - Trục xoay thứ 4 có thể xoay từ 0o đến 360o và có thể lật từ 1 đến 4 mặt trên cùng 1 sản phẩm gia công. - Với trục xoay thứ 5, ta có thể tạo ra các mô hình có độ phức tạp và mỹ thuật rất cao với chi phí đầu tư thấp. Tiểu luận: Các phương pháp gia công cơ khí Nhóm 6 GVHD: Tôn Thất Nguyên Thy 38 - Vùng làm việc: + Với trục quay (mm): 85 (đường kính) x 135 (dài). + Không trục quay (mm): 305 x 305 x 105. - Công suất môtơ: 100W; Tốc độ quay: 15,000 V/phút. * Máy MDX – 20: - Tích hợp cả 2 chức năng quét và khắc 3D trên cùng 1 máy. - Gia công trên các vật liệu như: mica, gỗ, gỗ nhân tạo, nhựa, sáp… - Sử dụng phương pháp quét tiếp xúc điểm động. - Vùng làm việc (mm): 203,2 x 152,4 x 60,5 - Tốc độ phay: 0,1 – 15 mm/giây. - Tốc độ quét: 4 – 15 mm/giây. - Độ phân giải khi quét: chiều XY: 0,05, chiều Z: 0,025 mm. 1.3. Xuất xứ của máy: Hai máy phay sáp đều được chế tạo tại Nhật Bản. II. Máy lưu hóa khuôn: 2.1. Mô tả máy: Máy lưu hóa khuôn có cấu tạo gồm khuôn và bộ phận ép có thể gia nhiệt. 2.2. Công dụng máy: - Máy lưu hóa khuôn được sử dụng để tạo ra các khuôn cao su từ mẫu sản phẩm gốc nhằm sử dụng cho quá trình tạo ra các mẫu sáp. - Nhiệt độ max 320oC. - Nguồn 220V 50Hz. - Công suất 600W. - Kích thước (mm) 450 x 330 x 330. Tiểu luận: Các phương pháp gia công cơ khí Nhóm 6 GVHD: Tôn Thất Nguyên Thy 39 2.3. Xuất xứ của máy: Máy lưu hóa khuôn có kết cấu khá đơn giản và được chế tạo tại Việt Nam. III. Máy bơm sáp chân không tự động: 3.1. Mô tả máy: Máy bơm sáp chân không tự động bao gồm một máy hút chân không, hệ thống nấu chảy sáp, hệ thống vòi phun và hệ thống điều khiển. 3.2. Công dụng máy: - Máy bơm sáp chân không tự động có tác dụng nấu chảy sáp và tạo áp lực bơm sáp từ vòi phun vào trong khuôn cao su để tạo ra mẫu sáp. Khuôn cao su có thể được sử dụng nhiều lần để tạo ra nhiều mẫu sáp. - Có bàn kẹp tự động, nhờ đó giúp được tự động hóa thao tác bơm sáp. - Điều khiển được các thông số: nhiệt độ sáp 55 – 85oC, áp lực bơm 2 bar, áp lực chân không – 1bar, nhiệt độ vòi phun 55 – 85oC. - Thời gian kẹp 0 – 12s sau khi bơm sáp. - Nhiệt độ sai số ±0.2oC. - Hút chân không 0 – 12s. - Bơm sáp 0 – 12s. - Bơm sáp 1 lần. - Kích thước: 91mm x 110 mm x 38 mm. - Công suất: 220V, 50Hz, 0.76 KW. - Trọng lượng: 20 Kg. 3.3. Xuất xứ của máy: Máy được sản xuất tại Đài Loan. Tiểu luận: Các phương pháp gia công cơ khí Nhóm 6 GVHD: Tôn Thất Nguyên Thy 40 IV. Máy trộn thạch cao: 4.1. Mô tả máy: Máy trộn thạch cao bao gồm bầu rung, cần khuấy và khoang chứa. Các lát (Flask) được đặt trong khoang chứa và được hút chân không. Khi thạch cao đã được trộn đều, máy hút chân không rồi rót thạch cao vào trong lát (Flask). 4.2. Công dụng máy: - Máy trộn thạch cao vừa có thể khuấy vừa có thể rung để trộn đều thạch cao với nước. Hút chân không nhằm loại bọt khí ra khỏi thạch cao gây rỗ lên bề mặt vật đúc. - Khối lượng lớn nhất là 500g/1 lần trộn. - Công suất của máy trộn: 0,5Hp. - Nguồn điện: 220V, 50Hz. - Kích thước: 230mm x 130 mm x 790 mm. - Trọng lượng: 11,2 Kg. - Công suất trộn: 140W. 4.3. Xuất xứ của máy: Máy được chế tạo tại Ý. V. Lò nung: 5.1. Mô tả máy: Lò nung được trang bị các điện trở nhiệt có thể nung đến nhiệt độ khoảng 1100oC. Lò nung có kết cấu kín, có ống khói để xả khí cháy ra ngoài. Tiểu luận: Các phương pháp gia công cơ khí Nhóm 6 GVHD: Tôn Thất Nguyên Thy 41 Lò có thể được lập trình nhiệt độ theo chương trình định sẵn. 5.2. Công dụng máy: - Lò nung được sử dụng để nung khuôn thạch cao lên nhiệt độ cao, nấu chảy và bốc hơi sáp trong khuôn. - Nhiệt độ lớn nhất: 1100oC. - Sai số: 7oC. - Đường kính của flask: 68mm x 55mm, 9 – 12 flasks (1 lần nung). - Trọng lượng: 23 Kg. - Công suất: 1.8 KW. - 9 chương trình cài đặt. - Nguồn điện: 220V, 1 pha, 50Hz. 5.3. Xuất xứ của máy: Lò nung được chế tạo tại Mỹ. VI. Máy đúc chân không: 6.1. Mô tả máy: Máy đúc chân không thực chất là một lò nung trung tần. Máy có khả năng nấu chảy kim loại rất nhanh trong một cốc nấu và buồng nấu được cách ly (chỉ quan sát được cốc nấu kim loại qua cửa sổ bằng kính). Máy có thể nung tới nhiệt độ 2000oC, có thể nấu chảy được nhiều kim loại hay hợp kim như đồng, nhôm, bạc, vàng, platin, thép… Khi rót kim loại, buồng nung được hút chân không và điền đầy bởi khí trơ. Máy đúc hỗ trợ việc rót kim loại ngay trong buồng nung. Máy sử dụng Argon làm khí trơ và cần thêm hệ thống giải nhiệt bằng nước phụ trợ. Tiểu luận: Các phương pháp gia công cơ khí Nhóm 6 GVHD: Tôn Thất Nguyên Thy 42 6.2. Công dụng máy: - Máy đúc được dùng để nung chảy kim loại và rót kim loại nóng chảy vào trong khuôn thạch cao. - Thể tích nồi nấu: 160g Platin/1 lần đúc, 180g vàng 18k/ 1 lần đúc. - Cốc nấu bằng ceramic thể tích: 15 – 23 cm3. - Công suất: 3.5 KW. - Đường kính flask: 30,50,68,80 mm x 55 mm. - Nhiệt độ lớn nhất: 1950oC. - Kích thước: 400mm x 440 mm x 430 mm. - Trọng lượng: 27 Kg. - Nguồn điện: 220V, 50 Hz. 6.3. Xuất xứ của máy: Máy đúc chân không MC15 được sản xuất tại Đức. VII. Máy phun cát: 7.1. Mô tả máy: Máy phun cát là một hệ thống sử dụng khí nén nhằm phun các hạt cát mịn với tốc độ cao vào vật đúc sau khi đã hoàn thành. Máy được kết nối với máy nén khí, cát được tuần hoàn trong máy và sử dụng nhiều lần. Cát được bắn trong một buồng kín và người sử dụng sẽ thao tác với vật đúc qua găng tay. 7.2. Công dụng máy: - Máy phun cát được sử dụng để làm sạch vật đúc sau khi phá khuôn thạch cao. Cát ở tốc độ cao sẽ loại bỏ những phần thạch cao còn bám lại ở những vị trí khó loại bỏ như hốc, lỗ… Tiểu luận: Các phương pháp gia công cơ khí Nhóm 6 GVHD: Tôn Thất Nguyên Thy 43 - Chỉnh được áp lực khí. - Áp lực khí: 270 lít/phút thì cung cấp 10 bar, 150 lít/phút thì cung cấp 5 bar. - Nguồn điện: 230V, 0.03KW. - Kích thước: 330mm x 410 mm x 570 mm. - Trọng lượng: 15kg. 7.3. Xuất xứ của máy: Được sản xuất tại Đức. VIII. Các thiết bị phụ trợ khác: - Máy nén khí và hệ thống dẫn khí: Cung cấp khí cho toàn bộ hệ thống trong quá trình đúc. - Hai máy hút chân không phục vụ cho máy phun sáp và máy đúc. - Các khuôn cao su: Sử dụng để tạo ra các mẫu sáp. - Mỏ hàn: sử dụng để hàn mẫu sáp vào cây sáp. - Các lát (Flask): để tạo khuôn thạch cao. - Cây gắp: Để thao tác với khuôn thạch cao khi đã được nung nóng. - Cân điện tử: Để đo khối lượng cây sáp và khối lượng thạch cao nhằm cân chỉnh cho phù hợp với yêu cầu. - Bình khí Argon: Cung cấp khí trơ cho máy đúc chân không MC15. - Hệ thống giải nhiệt: Giải nhiệt cho máy đúc chân không MC15. Tiểu luận: Các phương pháp gia công cơ khí Nhóm 6 GVHD: Tôn Thất Nguyên Thy 44 TÀI LIỆU THAM KHẢO 1. Giáo trình: Công nghệ chế tạo phôi nâng cao – Trường đại học Bách Khoa – Đại học Đà Nẵng. 2. Kỹ nghệ đúc kim loại – Kỹ sư Nguyễn Văn Đức – Nhà xuất bản thống kê. 3. Công nghệ đúc – Trường đại học Bách Khoa thành phố Hồ Chí Minh. 4. Các phương pháp đúc đặc biệt – Nguyễn Hữu Dũng – Trường ĐH Bách Khoa Hà Nội – Nhà xuất bản Khoa Học và Kỹ thuật. 5. Cuốn sách của thầy Dần.