Nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng đến qui trình đúc mẫu chảy nhằm nâng cao chất lượng vật đúc inox

Nội dung text: Nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng đến qui trình đúc mẫu chảy nhằm nâng cao chất lượng vật đúc inox

1. NGHIÊN CỨU CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN QUI TRÌNH ĐÚCMẪU CHẢY NHẰM NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG VẬT ĐÚC INOX STUDYING THE FACTORS THAT IMPACT TO THE LOST WAX CASTING PROCESS IN ORDER TO IMPROVE THE QUALITY OF STAINLESS STEEL CASTING PRODUCTS 1Trần Minh Diện, 2Huỳnh Nguyễn Hoàng 1Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp. Hồ Chí Minh 2Trường Đạihọc Sư phạm Kỹ thuật Tp. Hồ Chí Minh TÓM TẮT Nội dung chính của luận văn là nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng đến qui trình đúc mẫu chảy nhằm nâng cao chất lượng vật đúc Inox. Nghiên cứu này thực hiện phân tích các yếu tố ảnh hưởng đến qui trình đúc mẫu chảy cho vật liệu Inox, thông qua đó đề ra các giải pháp nhằm nâng cao chất lượng vật đúc. Ứng dụng các kết quả phân tích và kết hợp mô phỏng dòng chảy trong quá trình rót đã đúc thực nghiệm đối với chi tiết gối đỡ bằng vật liệu Inox 304. Sản phẩm đúc ra được áp dụng các phương pháp kiểm tra như: tìm khuyết tật bên trong bằng chụp X quang, đo độ cứng Rockwell, kiểm tra thành phần hóa học cũng như khối lượng, kích thước, độ nhám của các sản phẩm. Kết quả cho thấy các mẫu kiểm đều đạt yêu cầu kỹ thuật. Ngoài ra kết quả nghiên cứu có thể ứng dụng đúc các loại vật liệu Inox khác. Từ khóa: đúc mẫu chảy, vật đúc Inox. ABSTRACT The main purpose of this research is studying the factors that impact to the lost wax casting process in order to improve the quality of stainless steel casting products. This study analyses the factors affect to the lost wax casting process for stainless steel material, and give out the solutions to improve the quality of casting products. Applying the analytical results and combining the flow simulation in pouring process for casting the flange pillow that is made by stainless steel 304 material. For inspection, various methods have been applied: finding defects by X-Ray inspecting, Rockwell hardness testing, chemical composition testing as well as verifying weight, dimensions, roughness of the speciment. The result show that the speciments are achieved technical requirements. Furthermore, the result of this research can be applied to other stainless steel casting processes. Key words: lost wax casting, stainless steel casting products. I. Giới thiệu - Ngành đúc đã có lịch sử phát triển hàng nghìn năm và công nghệ đúc ngày càng được phát triển, vật liệu làm khuôn, vật liệu đúc không ngừng được mở rộng, ngày nay tuy ngành công nghiệp cơ khí không ngừng pháp triển với nhiều phương pháp gia công khác nhau, nhưng ngành đúc vẫn còn chiếm 40-70% giá trị trong chuỗi công nghệ chế tạo các sản phẩm cơ khí. 1
2. - Ngày nay các sản phẩm Inox được sử dụng rộng rãi với tính năng ưu việc là tính chống ăn mòn cao được sử dụng trong nhiều lĩnh vực như thiết bị sản xuất ngành thực phẩm, thủy sản, thiết bị y tế, trang trí nội thất - Đúc mẫu chảy có ưu điểm tạo ra vật đúc không có mặt phân khuôn, không dùng lõi, vật đúc có bề mặt nhẵn bóng và chính xác, đúc được vật đúc hình dáng phức tạp. Ở nước ta hiện nay đúc mẫu chảy chưa phát triển rộng rãi việc sản xuất đúc bằng phương pháp này được thực hiện bởi các công ty có vốn đầu tư nước ngoài hay các công ty trong nước trên cơ sở nghiên cứu học tập nhập thiết bị vật liệu và nhận chuyển giao công nghệ từ nước ngoài. Việc nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng đến qui trình đúc nhằm nâng cao chất lượng sản phẩm là cần thiết. II. Phương pháp nghiên cứu - Lý thuyết: nghiên cứu phân tích lý thuyết, thiết kế chùm mẫu, mô phỏng và phân tích mô phỏng. - Thực nghiệm: nghiên cứu sản xuất đúc, đúc thực nghiệm, xử lý sau đúc, kiểm tra chất lượng sản phẩm. III. Kết quả 1 Qui trình đúc mẫu chảy Hình 1.1 Sơ đồ qui trình đúc mẫu chảy 2 Kết quả phân tích các yếu tố ảnh hưởng trong qui trình đến chất lượng vật đúc. a) Ảnh hưởng chế tạo mẫu - Sai hỏng trên mẫu sáp sẽ được vật đúc chép lại, một số sai hỏng khi tạo mẫu. 2
3. a) b) c) Hình 2.1 Sai hỏng khi tạo mẫu sáp, a) bọt khí, b) lõm mặt, c) nhăn mặt - Mẫu sáp sẽ bị biến dạng khi để ngoài môi trường tự nhiên. b) Ảnh hưởng chế tạo chùm mẫu - Thiết kế chùm mẫu ảnh hưởng sự thuận lợi trong chế tạo vỏ khuôn, dòng chảy khi điền đầy, đậu ngót, tách vật đúc. a) b) Hình 2.2 Cấu tạo chùm mẫu, 1) miệng rót, 2) đậu hơi, 3) nhánh ngang, 4) nhánh đứng, 5) kênh dẫn, 6) mẫu sáp, 7) đế chùm mẫu, a) mẫu sáp hàn trên nhánh đứng, b) mẫu sáp hàn trên nhánh ngang - Vị trí đặt kênh dẫn trên mẫu sáp: kênh dẫn phải được đặt ở vị trí cao nhất trên mẫu, tập trung nhiều kim loại, đông đặc sau cùng và co ngót nhiều nhất, kênh dẫn phải nguội sau vật đúc, kênh dẫn cần được đặt ở vị trí không gây khó khăn cho quá trình làm khuôn, kênh dẫn sau khi đúc sẽ được cắt khỏi chùm vật đúc do đó cần nằm ở vị trí dễ cắt, dễ mài, không làm hỏng bề mặt vật đúc. Hình 2.3 Vị trí kênh dẫn trên các mẫu sáp c) Ảnh hưởng chế tạo vỏ khuôn Chất lượng vỏ khuôn ảnh hưởng tới độ nhẵn vật đúc, vỏ khuôn bị bong tróc, nứt thủng sinh ra các sai hỏng khác, bao gồm các yếu tố. 3
4. - Thành phần vật liệu huyền phù. - Vật liệu cát. - Thời gian làm khô vỏ khuôn. - Số lớp vỏ khuôn. - Thao tác tạo vỏ khuôn. + Lớp 1 + Lớp 2 + Lớp 3 + Lớp 4 trở đi + Lớp huyền phù kết thúc. * Ảnh hưởng lấy sáp khỏi khuôn Tốc độ nung chậm, sự giản nở của sáp làm nứt vỏ khuôn. Biểu đồ nhiệt độ và áp suất trong nồi hấp hơi nóng khi nung lấy mẫu sáp. Hình 2.4 Biểu đồ nhiệt độ và áp suất khi lấy mẫu sáp khỏi khuôn. d) Ảnh hường nung nóng khuôn Nhiệt độ cao, thời gian kéo dài, tốc độ nung không hợp lý sẽ hình thành ứng suất gây nứt vỏ khuôn. Biểu đồ nhiệt độ nung khuôn. 4
5. Hình 2.5 Biểu đồ nhiệt độ khi nung khuôn. e) Ảnh hưởng nấu kim loại Các yếu ảnh hưởng gồm: - Vật liệu nấu luyện. - Nguồn góc và vai trò của xỉ. - Thời gian nấu luyện. - Nhiệt độ nấu luyện. - Khí sinh ra trong mẻ liệu nấu. f) Rót kim loại Các yếu ảnh hưởng gồm: - Mức độ điền đầy hệ thống rót. - Thay đổi nhiệt độ trong quá trình rót. - Thao tác quá trình rót. g) Làm nguội -Tốc độ làm nguội ảnh hưởng đến sự hình thành ứng suất gây cong vênh, nứt vật đúc và tổ chức trong vật đúc. h) Xử lý sau đúc Các yếu ảnh hưởng gồm: - Tác động từ dụng cụ và thiết bị phá khuôn. - Phướng pháp tách vật đúc. - Thời gian làm sạch. - Kiểm tra giúp đánh giá chất lượng vật đúc và cũng sẽ là thông tin phản hồi lại qui trình đúc. 3. Đúc thực nghiệm - Vật đúc gối đỡ đúc từ Inox 304 ứng dụng đỡ ổ bi trong hệ thống băng tải ngành thủy sản, thực phẩm, với kết cấu như hình vẽ, khối lượng ≈2325 (g). 5
6. Hình 3.1 Bản vẽ chi tiết gối đỡ. - Dựa trên cơ sở phân tích kết cấu chùm khuôn được đề xuất. Hình 3.2 Kết cấu chùm mẫu, 1) miệng rót, 2) đậu hơi, 3) nhánh ngang, 4) kênh dẫn, 5) mẫu sáp, 6) đế chùm mẫu. a) Kết quả mô phỏng - Dòng chảy trong quá trình điền đầy. + Kim loại chảy đến phần xa nhất trong khuôn có sự mất nhiệt nhanh nhưng vẫn còn ở nhiệt độ trạng thái lỏng không có hiện tượng dừng chảy tắc nghẽn, đảm bảo điền đầy (hình 3.3a) + Trong lòng khuôn kim loại dâng từ dưới lên đều từ hai phía của thành khuôn tạo điều kiện thuận lợi để thoát khí, các góc lượn, cạnh vật đúc được điền đầy (hình 3.3 b) 6
7. a) b) Hình 3.3 Quá trình điền đầy khuôn a) mặt cắt khuôn khi bất đầu điền đầy, b) tổng thể lòng khuôn trong quá trình điền đầy - Phân bố nhiệt độ Nhiệt độ + Khi rót vừa đầy 4 kênh dẫn kim loại trong khuôn vẫn còn đang ở trang thái lỏng, nhiệt độ tăng dần từ đế chùm khuôn về phía kênh dẫn. a) b) Hình 3.4 Phân bố nhiệt độ khi rót đầy kênh dẫn, a) mặt cắt khuôn, b) tổng thể lòng khuôn. + Đế khuôn bất đầu đông đặc, nhánh ngang còn trạng thái lỏng, quá trình kết tinh hướng về nhánh ngang, phân bố nhiệt độ trên bốn vật đúc đồng đều nhau. a) b) Hình 3.5 Phân bố nhiệt độ khi rót đầy nhánh ngang, a) mặt cắt khuôn, b) tổng thể lòng khuôn - Vị trí khuôn bị ảnh hưởng bởi nhiệt độ rót, dòng chảy kim loại + Các vị trí chịu ảnh hưởng nhiều bởi nhiệt độ trên khuôn là nhánh ngang và hai kênh dẫn hai bên, đặc biệt là vị trí giữa nhánh ngang. + Vị trí chịu tác động của dòng chảy nhiều nhất là vị trí giữa phía dưới nhánh ngang. 7
8. a) b) c) Hình 3.6 Phân tích vị trí khuôn bị ảnh hưởng bởi nhiệt độ rót và dòng chảy, a) mặt cắt khuôn khi mới rót, b) mặt cắt khuôn khi rót đầy kênh dẫn, c) mặt cắt khuôn khi rót đầy nhánh ngang. b) Kết quả đúc thực nghiệm. Hình 3.7 Sản phẩm vật đúc gối đỡ. c) Thực hiện quá trình kiểm tra ngẫu nhiên với hai mẫu vật đúc. - Kiểm tra khối lượng bằng cân điện tử, max 30kg, min 40g, bước nhảy 5g. Kết quả mẫu 1 =2295 (g), mẫu 2 =2300 (g). - Kiểm tra kích thước bằng thước cặp điện tử INSIZE 300 x 0,01mm, các kích thước của hai mẫu có sai số nhưng nằm trong dung sai cho phép của đúc mẫu chảy theo bản vẽ. - Kiểm tra nhám bề mặt bằng thiết bị đo độ nhám của hãng Mitutoyo model SJ – 210. Kết quả đo khi so sánh với bảng độ nhám bề mặt chi tiết máy thì độ nhám bề mặt Ra của hai mẫu thử đạt cấp 4. Hình 3.8 Kiểm tra nhám bề mặt. - Kiểm tra độ cứng trên thiết bị OFFICINE GALILEO – ITALY. Kết quả đo độ cứng Rockwell B của 2 mẫu thử nghiện có chỉ số phù hợp với tiêu chuẩn ASTM A240 – 10. 8
9. Hình 3.9 Kiểm tra độ cứng Rockwell. - Chụp X quang trên máy chụp ảnh phóng xạ bắng tia X: CME PDUc 250 – 200 kV – 5 mA. Kết quả quan sát phim chụp chưa thấy các khuyết tật bên trong vật đúc. Hình 3.10 Hai mẫu phim chụp X quang của mẫu thử nghiệm. - Kiểm tra thành phần hóa học: Thực hiện kiểm tra thành phần hóa học trên thiết bị SPECTROLAB M12 – GERMANY. Kết quả tỉ lệ thành phần hóa học có sự tương đối đồng đều giữa hai mẫu, các chỉ số phù hợp với tiêu chuẩn ASTM A240 – 10. Hình 3.11 Kiểm tra thành phần hóa học. IV. Kết luận Trong quá trình thực hiện có sự phù hợp giữa phân tích các yếu tố ảnh hưởng, tình toán, mô phỏng với kết quả thực nghiệm như: Khuôn đúc tạo ra chất lượng không bị thủng trong 9
10. quá trình rót kim loại, sản phẩm tạo ra đúng với hình dạng thiết kế, các sai số về khối lượng kích thước trong giới hạn yêu cầu, chưa phát hiện các khuyết tật bên trong, chỉ số độ nhám thấp, các chỉ số độ cứng và thành phần hóa học phù hợp với tiêu chuẩn. Tuy nhiên sản phẩm còn có các khuyết tật nhỏ trên bề mặt là các vết rỗ có đường kính khoảng 1mm trên bề mặt và vết lồi nhỏ ở các góc, các khuyết tật này không ảnh hưởng lớn đến chất lượng vật đúc và khắc phục được trong bước xử lý sau đúc. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] TS Nguyễn Ngọc Hà, các phương pháp và công nghệ đúc đặc biệt, Nhà xuất bản đại học quốc gia TP Hồ Chí Minh, 2008. [2] PGSTS Nguyễn Hữu Dũng, các phương pháp đúc đặc biệt, Nhà xuất bản Khoa Học và Kỹ Thuật, 2006. [3] Nguyễn Xuân Bông – Phạm Quang Lộc, Thiết kế đúc, Nhà xuất bản khoa học và kỹ thuật, 1978. [4] Nguyễn Tác Ánh, Giáo trình công nghệ kim loại, Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh, 2006. [5] PGSTS Nguyễn Hữu Dũng, Kỹ thuật nấu luyện hợp kim đúc, Nhà xuất bản bách khoa Hà Nội, 2012. [6] TS. Dương Trọng Hải, PGSTS. Nguyễn Hữu Dũng, PGSTS. Nguyễn Hồng Hải, cơ sỡ lý thuyết các quá trình đúc, Nhà xuất bản Khoa Học và Kỹ Thuật, 2006. [7] C.W.Lee, C.K.Chua, C.M.Cheah, L.HTan, C.Feng, Rapid investment casting: direct and indirect approaches via fused deposition modeling, Int J Adv Manuf Technol, 2004. [8] Sarojrani Pattnaik, D. Benny Karunakar∗, P.K. Jha, Developments in investment casting process—A review, Journal of Materials Processing Technology 212, 2012. [9] Kenneth C Mills, Recommended values of thermophysical properties for selected commercial alloys, Woodhead Publishing Limited Cambridge England, 2002. Quá trình nghiên cứu, thực nghiệm trên cơ sở thiết bị của CTyCP Cơ Khí Đồng Lực. Tp, HỒ CHÍ MINH, ngày tháng năm 2017 GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN Người chịu trách nhiệm bài viết Họ và tên: Trần Minh Diện Đơn vị: Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp. Hồ Chí Minh Điện thoại: 0972761437 Email: tmdien@caodangnghekg.edu.vn 10
11. BÀI BÁO KHOA HỌC THỰC HIỆN CÔNG BỐ THEO QUY CHẾ ĐÀO TẠO THẠC SỸ Bài báo khoa học của học viên có xác nhận và đề xuất cho đăng của Giảng viên hướng dẫn Bản tiếng Việt ©, TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP. HỒ CHÍ MINH và TÁC GIẢ Bản quyền tác phẩm đã được bảo hộ bởi Luật xuất bản và Luật Sở hữu trí tuệ Việt Nam. Nghiêm cấm mọi hình thức xuất bản, sao chụp, phát tán nội dung khi chưa có sự đồng ý của tác giả và Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh. ĐỂ CÓ BÀI BÁO KHOA HỌC TỐT, CẦN CHUNG TAY BẢO VỆ TÁC QUYỀN! Thực hiện theo MTCL & KHTHMTCL Năm học 2017-2018 của Thư viện Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp. Hồ Chí Minh.