CƠ KHÍ ĐẠI CƯƠNG – CÔNG NGHỆ ĐÚC

Công nghệ đúc là công nghệ chế tạo sản phẩm bằng phương pháp rót vật liệu ở dạng chảy lỏng vào khuôn để tạo ra sản phẩm có hình dạng theo khuôn mẫu. Đa phần công nghệ đúc thực hiện với các vật liệu kim loại. Nối tiếp series về Cơ Khí Đại Cương, ở bài viết này các bạn cùng CAD/CAM Bach Khoa tìm hiểu về công nghệ đúc.

1, Khái niệm chung

Thực chất của sản xuất đúc

Đúc là phương pháp chế tạo chi tiết bằng cách nấu chảy và rót kim loại lỏng vào khuôn có hình dạng nhất định, sau khi kim loại hoá rắn trong khuôn ta thu được vật đúc có hình dáng giống như khuôn đúc.
Nếu vật phẩm đúc đưa ra dùng ngay gọi là chi tiết đúc, còn nếu vật phẩm đúc phải qua gia công cắt gọt để nâng cao độ chính xác kích thước và độ bóng bề mặt gọi là phôi đúc.
Đúc có những phương pháp sau: đúc trong khuôn cát, đúc trong khuôn kim loại, đúc dưới áp lực, đúc li tâm, đúc trong khuôn mẫu chảy, đúc trong khuôn vỏ mỏng, đúc liên tục,… nhưng phổ biến nhất là đúc trong khuôn cát.

Đặc điểm

• Đúc có thể gia công nhiều loại vật liêu khác nhau: thép, gang, hợp kim màu,… 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,… mà các phương pháp khác chế tạo 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 biêt như đúc áp lực).
• 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.
• Hao tốn kim loại cho hệ thống rót, đậu ngót, đậu hơi.
• Dễ gây ra những khuyết tật như: thiếu hụt, rỗ khí, cháy cát,…
• Kiểm tra khuyết tật bên trong vật đúc khó khăn, đòi hỏi thiết bị hiên đại.

Phân loại

Kỹ thuật đúc được phân loại theo sơ đổ (H.2.1) dưới đây:

2, Đúc trong khuôn cát

Các bộ phận chính của phân xưởng đúc

Ta có thể hình dung ra được các bộ phận chính của phân xưởng đúc qua (H.3.1) dưới đây:

Các bộ phận cơ bản của một khuôn đúc

Muốn đúc một chi tiết, trước hết phải vẽ bản vẽ vật đúc dựa trên bản vẽ chi tiết có tính đến độ ngót của vật liêu và lượng dư gia công cơ khí. Căn cứ theo bản vẽ vật đúc, bộ phận xưởng mộc mẫu chế tạo ra mẫu và hộp lõi.
Mẫu tạo ra lòng khuôn (6) – có hình dạng bên ngoài của vật đúc. Lõi (7) được chế tạo từ hộp lõi có hình dáng giống hình dạng bên trong của vật đúc. Lắp lõi vào khuôn và lắp ráp khuôn ta được một khuôn đúc.
Để dẫn kim loại lỏng vào khuôn ta phải tạo hê thống rót (10). Rót kim loại lỏng qua hê thống rót này. Sau khi kim loại hoá rắn, nguội đem phá khuôn ta được vật đúc.
Lòng khuôn (6) phù hợp với hình dáng vật đúc, kim loại lỏng được rót vào khuôn qua hệ thống rót. Bộ phận (11) để dẫn hơi từ lòng khuôn ra ngoài gọi là đậu hơi đồng thời còn làm nhiệm vụ bổ sung kim loại cho vật đúc khi hoá rắn còn gọi là đậu ngót.
Hòm khuôn trên (1), hòm khuôn dưới (90 để làm nửa khuôn trên và dưới. Để lắp 2 nửa khuôn chính xác ta dùng chốt định vị (2).
Vật liệu trong khuôn (4) gọi là hỗn hợp làm khuôn (cát khuôn). Để nâng cao độ bền của hỗn hợp làm khuôn trong khuôn ta dùng những xương (5). Để tăng tính thoát khí cho khuôn ta tiến hành xiên các lỗ thoát khí (8).

Các vật liệu làm khuôn và làm lõi

Vật liêu làm khuôn, lõi chủ yếu là cát, đất sét, chất dính kết, chất phụ,…

a, Cát:
Thành phần chủ yếu là: SiO₂, còn có tạp chất Al₂O₃, CaCO₃, Fe₂O₃,… Cát được chọn theo hình dáng hạt như cát núi, cát sông,… Cát sông hạt tròn đều, cát núi hạt sắc cạnh. Người ta xác định độ hạt của cát theo kích thước lỗ rây.
b, Đất sét:
Thành phần chủ yếu là: cao lanh mAl₂O₃, nSiO₂, qH₂O, ngoài ra còn có tạp chất: CaCO₃, Fe₂O₃, Na₂CO₃.
Đặc điểm: dẻo, dính khi có lượng nước thích hợp, khi sấy thì độ bền tăng nhưng dòn, dễ vỡ, không bị cháy khi rót kim loại vào.
c, Chất kết dính:
Chất kết dính là những chất đưa vào hỗn hợp làm khuôn, lõi để tăng tính dẻo của hỗn hợp. Nó có một số yêu cầu:
+ Khi trộn vào hỗn hợp, chất kết dính phải phân bố đều.
+ Không làm dính hỗn hợp vào mẫu và hộp lõi và dễ phá khuôn, lõi.
+ Khô nhanh khi sấy và không sinh nhiều khí khi rót kim loại.
+ Tăng độ dẻo, độ bền và tính bền nhiệt cho khuôn và lõi.
+ Phải rẻ, dễ kiếm, không ảnh hưởng đến sức khoẻ công nhân.

Những chất dính kết thường dùng:
+ Dầu: dầu lanh, dầu bông, dầu trẩu… đem trộn với cát và sấy ở t⁰ = 200-250⁰C, dầu sẽ bị ôxy hoá và tạo thành màng ôxýt hữu cơ bao quanh các hạt cát làm chúng dính kết chắc với nhau.
+ Nước đường (mật): dùng để làm khuôn, lõi khi đúc thép. Loại này bị sấy bề mặt khuôn sẽ bền nhưng bên trong rất dẻo nên vẫn đảm bảo độ thoát khí và tính lún tốt. Khi rót kim loại nó bị cháy, do đó tăng tính xốp, tính lún, thoát khí và dễ phá khuôn nhưng hút ẩm nên sấy xong phải dùng ngay.
+ Bột hồ: (nồng độ 2,5-3%) hút nước nhiều, tính chất như nước đường, dùng làm khuôn tươi rất tốt.
+ Các chất dính kết hoá cứng: Nhựa thông, ximăng, hắc ín, nhựa đường. Khi sấy chúng chảy lỏng ra và bao quanh các hạt cát. Khi khô chúng tự hoá cứng làm tăng độ bền, tính dính kết cho khuôn. Thường dùng loại ximăng pha vào hỗn hợp khoảng 12%, độ ẩm của hỗn hợp 6-8%, để trong không khí 24-27 giờ có khả năng tự khô, loại này rất bền.
+ Nước thuỷ tinh: chính là các loại dung dịch silicat Na₂O.nSiO₂.mH₂O hoặc K₂O.nSiO₂.mH₂O sấy ở 200-250⁰C, nó tự phân huỷ thành nSiO₂.(m-p)H₂O là loại keo rất dính. Khi thổi CO₂ vào khuôn đã làm xong, nước thuỷ tinh tự phân huỷ thành chất keo trên, hỗn hợp sẽ cứng lại sau 15-30 phút.

d, Các chất phụ:

Là các chất đưa vào hỗn hợp để khuôn và lõi có một số tính chất đặc biệt như nâng cao tính lún, tính thông khí, làm nhẵn mặt khuôn, lõi và tăng khả năng chịu nhiệt cho bề mặt khuôn lõi, gồm 2 loại:

• Trong hỗn hợp thường cho thêm mùn cưa, rơm vụn, phân trâu bò khô, bột than,… Khi rót kim loại lỏng vào khuôn, những chất này cháy để lại trong khuôn những lỗ rỗng làm tăng tính xốp, thông khí, tính lún cho khuôn lõi. Tỉ lệ khoảng 3% cho vật đúc thành mỏng và 8% cho vật đúc thành dày.
• Chất sơn khuôn: Để mặt khuôn nhẵn bóng và chịu nóng tốt, người ta thường quét lên bề mặt lòng khuôn, lõi một lớp sơn, có thể là bột than, bột grafit, bột thạch anh hoặc dung dịch của chúng với đất sét. Bột than và grafit quét vào thành khuôn, khi rót kim loại vào nó sẽ cháy tạo thành CO, CO₂ làm thành môi trường hoàn nguyên rất tốt, đồng thời tạo ra một lớp khí ngăn cách giữa kim loại lỏng với mặt lòng khuôn làm cho mặt lòng khuôn không bị cháy cát và tạo cho việc phá khuôn dễ dàng.

Hỗn hợp làm khuôn

Hỗn hợp làm khuôn có 2 loại:

1. Cát áo: Dùng để phủ sát mẫu khi chế tạo khuôn nén cần có độ bền, dẻo cao, đồng thời nó trực tiếp tiếp xúc với kim loại lỏng nên cần phải có độ chịu nhiệt cao, độ hạt cần nhỏ hơn để bề mặt đúc nhẵn bóng, thông thường cát áo làm bằng vật liệu mới, nó chiếm khoảng 10-15% tổng lượng cát khuôn.
2. Cát đệm: Dùng để đệm cho phần khuôn còn lại, không trực tiếp tiếp xúc với kim loại lỏng nên tính chịu nhiệt, độ bền không cần cao lắm, nhưng phải có tính thông khí tốt chiếm 85-90% lượng cát.Vật đúc càng lớn yêu cầu độ hạt của hỗn hợp làm khuôn càng lớn để tăng tính thông khí.

Chế tạo bộ mẫu và hộp lõi

Bộ mẫu là công cụ chính dùng tạo hình khuôn đúc. Bộ mẫu bao gồm: mẫu, tấm mẫu, mẫu của hệ thống rót, đậu hơi, đậu ngót. Tấm mẫu để kẹp mẫu khi làm khuôn, dưỡng để kiểm tra.
a, Yêu cầu:
+ Bảo đảm độ bóng, chính xác khi gia công cắt gọt.
+ Cần bền, cứng, nhẹ, không bị co, trương, nứt, công vênh trong khi làm việc.
+ Chịu được tác dụng cơ, hoá của hỗn hợp làm khuôn, ít bị mòn, không bị rỉ và ăn mòn hoá học. Rẻ tiền và dễ kiếm.
b, Các vật liệu làm mẫu và hộp lõi:
Vật liêu thường dùng: gỗ, kim loại, thạch cao, ximăng, chất dẻo. Chủ yếu là gỗ, kim loại.
+ Gỗ: ưu điểm là rẻ, nhẹ, dễ gia công, nhưng có nhược điểm là độ bền, cứng kém; dễ trương, nứt, cong vênh nên gỗ chỉ dùng trong sản xuất đơn chiếc, loạt nhỏ, trung bình và làm mẫu lớn. Thường dùng các loại sau: gỗ lim, gụ, sến, mỡ, dẻ, thông, bồ đề,…
+ Kim loại: có độ bền, cứng, độ nhẵn bóng, độ chính xác bề mặt cao, không bị thấm nước, ít bị cong vênh, thời gian sử dụng lâu hơn, nhưng kim loại đắt khó gia công nên chỉ sử dụng trong sản xuất hàng khối và hàng loạt. Thường dùng: hợp kim nhôm, gang xám, hợp kim đồng.
+ Thạch cao: bền hơn gỗ (làm được 1000 lần) nhẹ, dễ chế tạo, dễ cắt gọt. Nhưng giòn, dễ vỡ, dễ thấm nước. Nên làm những mẫu nhỏ khi làm bằng tay, tiên lợi khi làm mẫu ghép và dùng trong đúc đồ mỹ nghệ (vì dễ sửa).
+ Ximăng: bền, cứng hơn thạch cao, chịu va chạm tốt, rẻ, dễ chế tạo, nhưng nặng tuy không hút nước, khó gọt, sửa nên chỉ dùng làm những mẫu, lõi phức tạp, mẫu lớn, mẫu làm khuôn bằng máy.

Hện thống rót, đậu hơi, đậu ngót

a, Hệ thống rót:
Hê thống rót là hê thống dẫn kim loại lỏng từ thùng rót vào khuôn. Sự bố trí hệ thống rót quyết định chất lượng vật đúc và giảm được sự hao phí kim loại vào hê thống rót. Hao phí do hê thống rót gây nên đạt đến 30%.Các bộ phận chính của hê thống rót thể hiên trên hình vẽ (H3.3) :

Yêu cầu đối với hệ thống rốt: Toàn bộ lòng khuôn phải được điền đầy kim loại. Dòng kim loại chảy phải đều, cân, không va đập. Hê thống rót phải chắc không bị vỡ.

b, Đậu hơi:
Dùng để khí trong lòng khuôn thoát ra, đôi khi dùng để bổ sung kim loại cho vật đúc. Có 2 loại đậu hơi: đậu hơi báo hiệu và đậu hơi bổ sung chúng thường được đặt ở vị trí cao nhất của vật đúc.
c, Đậu ngót:
Dùng để bổ sung kim loại cho vật đúc khi đông đặc. Thường dùng khi đúc gang trắng, gang bền cao, thép, hợp kim màu, gang xám thành dày.

Đậu ngót phải được đặt vào chỗ thành vật đúc tập trung nhiều kim loại vì ở đó kim loại đông đặc chậm nhất và co rút nhiều nhất.

3, Các phương pháp đúc đặc biệt

Đúc trong khuôn cát có độ bóng, chính xác thấp, lượng dư gia công lớn, nhiều khuyết tật, giá thành chế tạo cao nên hiện nay xuất hiên các phương pháp đúc đặc biệt như: đúc trong khuôn kim loại, đúc dưới áp lực, đúc ly tâm, đúc trong khuôn mẫu chảy, đúc trong khuôn vỏ mỏng, đúc liên tục,…

Đúc trong khuôn kim loại

a, Đặc điểm:

• Khuôn có thể dùng được nhiều lần (vài trăm đến hàng vạn) tuỳ thuộc vào khối lượng vật đúc.
• Vật đúc có độ chính xác và độ bóng cao (cấp 7, 8; R_Z = 20 – R_a = 0,63)
• Tổ chức hạt kim loại nhỏ, mịn (do nguội nhanh) nên cơ tính tốt.
• Tiết kiêm được vật liêu làm khuôn và điều kiên lao động tốt.
• Giá thành khuôn đắt nên dùng sản xuất hàng loạt.
• Độ dẫn nhiệt khuôn lớn nên khi đúc gang dễ bị hoá trắng và giảm khả năng điền đầy của kim loại vì thế khó đúc thành mỏng và phức tạp.
• Khuôn, lõi bằng kim loại nên không có tính lún, ngăn cản sự co của kim loại nhiều làm cho vật đúc dễ nứt.
  Hiên nay thường sử dụng rộng rãi để đúc thép, gang, đồng, nhôm, magiê khi chế tạo các chi tiết như ống dẫn khí áp lực cao, sécmăng- xilanh của bơm thuỷ lực, van, pittông, trục khuỷu, cam,…

b, Vật liệu làm khuôn, lõi và kết cấu khuôn:
Vật liệu làm khuôn: thường dùng thép hợp kim, thép cácbon, hợp kim đồng.
Vật liệu làm lõi: kim loại hoặc làm bằng cát-đất sét.
Kết cấu khuôn:
+ Nếu vật đúc đơn giản thì khuôn được làm 2 nửa như đúc trong khuôn cát.
+ Đối với vật đúc phức tạp: khuôn thường từ nhiều phần ghép lại với nhau.

c, Quá trình công nghệ đúc:
Làm sạch bề mặt khuôn, lõi; sấy khuôn đến T⁰ nhất định; sơn lên bề mặt khuôn, lõi một lớp sơn chịu nhiệt dày 2mm. Sơn phủ lên lớp sơn đệm một lớp sơn áo bằng dầu mazút, dầu hôi hoặc dầu thực vật. Lắp ráp khuôn và rót kim loại. Để nguội vật đúc một thời gian rồi dỡ khuôn.

Đúc dưới áp lực

a, Đặc điểm:

• Vật đúc có độ chính xác, độ bóng cao (cấp 6,7; R_z =10 – R_a = 0,63).
• Đúc được những vật đúc mỏng và phức tạp.
• Vật đúc nguội nhanh cho nên cơ tính cao; năng suất cao.
• Khuôn làm việc dưới áp suất cao, dòng chảy kim loại lớn nên khuôn mau mòn và chóng bị hỏng.
• Đúc dưới áp lực dùng để chế tạo các chi tiết phức tạp nhu: van dẫn khí, vỏ bơm xăng dầu, nắp buồng ép.
• Vật liệu đúc áp lực: thiếc chì, kẽm, magiê, nhôm, đồng.

b, Máy đúc áp lực:

Kim loại lỏng được đổ vào xi lanh, Piston trên nén xuống, piston duới đi xuống, kim loại lỏng theo rãnh dẫn vào khuôn đúc, sản phẩm được đẩy ra nhờ cơ cấu bàn đẩy.

Đúc ly tâm

a, Đặc điểm:

Đúc ly tâm là rót kim loại vào khuôn quay, nhờ lực ly tâm mà kim loại lỏng được phân bố đều trên bề mặt bên trong của khuôn để tạo thành vật đúc.

Lực ly tâm: P = m.r.w² .

• Đúc được những chi tiết hình tròn xoay, rỗng mà không cần lõi.
• Có thể đúc được những vật đúc có thành mỏng, có gân, hoặc hình nổi mỏng.
• Vật đúc sạch, tổ chức kim loại mịn chặt.
• Chỉ thích ứng cho các chi tiết hình tròn xoay, rỗng. Chất lượng bề mặt trong không tốt. Vật đúc dễ bị thiên tích.
• Khuôn cần có độ bền cao, chịu nhiệt tốt. Máy đúc ly tâm cần có độ kín tốt, khả năng cân bằng động cao.
• Khó xác định chính xác đường kính trong của sản phẩm.

b, Các phương pháp đúc ly tâm:

Đúc ly tâm đứng: khuôn quay theo trục thẳng đứng. Vật đúc thường có dạng một Parabonloit. Phương pháp này dùng để đúc các chi tiết ngắn.

Đúc ly tâm nằm ngang: khuôn quay theo phương nằm ngang. Vật đúc là một ống hình trụ có chiều dày như nhau. Để kim loại chảy đều vào khuôn nên đặt trục quay nghiêng một góc < 5⁰.

Hy vọng bài viết này sẽ giúp cho các bạn hiểu biết thêm phần nào về Công Nghệ Đúc cũng như học tốt môn Cơ Khí Đại Cương – Bách Khoa Hà Nội. Ngoài ra các bạn có thể tìm hiểu thêm tài liệu về lĩnh vực cơ khí tại đường link này.
Thân ái!