Các phuơng pháp công nghệ cơ bản trong sản xuất cơ khí

1C.4 CÁC PHƯƠNG PHÁP CÔNG NGHỆ CƠ BẢN TRONG SẢN XUẤT CƠ KHÍ General Mechanical Engineering 4.01 HCM City Univ. of Technology, Mechanical Engineering Department Nguyen Tan Tien - Phan Hoang Long §1. Khái quát về quá trình sản xuất cơ khí General Mechanical Engineering 4.02 HCM City Univ. of Technology, Mechanical Engineering Department Nguyen Tan Tien - Phan Hoang Long - Máy móc là phần không thể tách rời của bất kỳ dạng sản xuất nào - Máy móc đảm bảo sự phát triển của tất cả các ngành trong nền kinh tế quốc dân - Quy trình chế tạo máy bao gồm + Thiết kế + Sản xuất
Chuẩn bị và kiểm tra vật liệu
Chế tạo phôi (trong một số trường hợp phôi là sản phẩm)
Gia công cơ
Đo lường, kiểm tra trong quá trình sản xuất và nhận sản phẩm
Bảo quản, đóng gói, xuất xưởng - Những công việc đảm bảo kỹ thuật cho quá trình sản xuất + Bảo quản, sửa chữa máy + Chế tạo, sửa chữa dụng cụ cắt, đo lường + Đảm bảo kỹ thuật năng lượng trong nội bộ doanh nghiệp 2§2. Kỹ thuật đúc General Mechanical Engineering 4.03 - Vật đúc được chế tạo bằng cách rót kim lọai lỏng vào khuôn có hình dạng kích thước xác định. Sau khi kim lọai kết tinh ta thu được chi tiết có hình dạng kích thước theo yêu cầu - Hiện nay ngành đúc phát triển rất mạnh và được ứng dụng rộng rãi trong các ngành công nghiệp HCM City Univ. of Technology, Mechanical Engineering Department Nguyen Tan Tien - Phan Hoang Long - Khối lượng vật đúc chiếm trung bình khoảng 40~80% khối lượng máy móc - Mặc dầu khối lượng vật đúc trong máy khá cao nhưng giá thành chỉ chiếm 20~25% giá thành tổng thể - Ưu điểm + Có thể đúc được các loại kim loại và hợp kim có thành phần khác nhau + Có thể đúc được các chi tiết có hình dạng, kết cấu phức tạp mà các phương pháp khác khó hoặc không hoặc hoặc không chết tạo được + Tùy theo mức độ đầu tư công nghệ mà chi tiết đúc có thể đạt độ chính xác cao hay thấp - Nhược điểm + Tốn kim loại cho hệ thống rót, ngót (gần 25%) + Có nhiều khuyết tật làm cho tỉ lệ phế phẩm cao + Kiểm tra khuyết tật bên trong vật đúc đòi hỏi thiết bị hiện đại Đảm bảo kỹ thuật năng lượng trong nội bộ doanh nghiệp - Các loại đúc General Mechanical Engineering 4.04 + Đúc khuôn cát (sand casting) HCM City Univ. of Technology, Mechanical Engineering Department Nguyen Tan Tien - Phan Hoang Long + … + Đúc chân không (vacuum casting) + Đúc áp lực (die casting) + Đúc ép (squeeze casting / squeeze forming) + Đúc ly tâm (centrifugal casting) + Đúc liên tục (continuous casting) + Đúc trong khuôn kim loại (permanent mold casting ) + Đúc theo mẫu cháy (lost foam) + Đúc theo mẫu chảy (investment casting / lost wax casting ) 3I. Đúc khuôn cát (sand casting) General Mechanical Engineering 4.05 - Chi tiết có được nhờ rót kim loại nóng chảy vào khuôn được làm bằng cát (tự nhiên hay tổng hợp), để nguội và phá cát ra lấy sản phẩm đúc HCM City Univ. of Technology, Mechanical Engineering Department Nguyen Tan Tien - Phan Hoang Long - Là phương pháp đúc thông dụng nhất trong công nghệ đúc 9 8 7 6 5 4 3 2 1 General Mechanical Engineering 4.06 HCM City Univ. of Technology, Mechanical Engineering Department Nguyen Tan Tien - Phan Hoang Long - Các bước trong phương pháp đúc cát 41. Chế mẫu (patern making) General Mechanical Engineering 4.07 HCM City Univ. of Technology, Mechanical Engineering Department Nguyen Tan Tien - Phan Hoang Long - Tạo không gian để rót kim loại tạo vật phẩm - Căn cứ vào vật phẩm mà tạo mẫu, với các chú ý + sự co rút kim loại: gang, thép + lượng dư để gia công tiếp ở các bề mặt cần thiết + mặt phân khuôn để lấy mẫu,vật phẩm khỏi khuôn + độ dốc ở thành khuôn để rút mẫu + góc lượn để tránh vỡ khuôn và vật đúc không nứt 2. Chế lõi (core making) - Nhiều trường hợp, vật đúc có lõi mới tạo được không gian rót kim loại - Lõi phải làm bằng vật liệu phá được vì kim loại bọc lấy nó khi rót và đông đặc - Vật liệu mẫu: gỗ, kim loại, thạch cao, … 3. Làm khuôn (mold assembling) General Mechanical Engineering 4.08 HCM City Univ. of Technology, Mechanical Engineering Department Nguyen Tan Tien - Phan Hoang Long - Tạo hình cùng với lõi cho vật đúc + rót + ngót + thông khí + phân khuôn lấy mẫu, lõi, lắp chính xác - Chất tráng mặt khuôn, lõi: nước bột graphic, nước thủy tinh, chất bám dính bề mặt, … 4. Rót kim loại vào khuôn (pouring into mold) Chú ý nhiệt độ kim loại khi rót khuôn luôn lớn hơn nhiệt nóng chảy của kim loại đúc từ 500C đến 1000C để kim loại có thể điền đầy toàn bộ khuôn - Khuôn làm trong hòm hoặc trên nền cát - Dùng tay hoặc máy dầm, rung, …để lèn chặt khuôn - Khi làm khuôn chú ý các vấn đề sau 55. Dỡ khuôn và làm sạch vật đúc (removing, cleaning, and finishing) General Mechanical Engineering 4.09 HCM City Univ. of Technology, Mechanical Engineering Department Nguyen Tan Tien - Phan Hoang Long - Dỡ hộp khuôn - Phá lõi nếu có (nước, rung, đục, …) - Cắt các đậu rót, ngót - Làm sạch bề mặt (phun cát, mài, phun bi, …) 6. Kiểm tra (testing: defects, pressure tightness, dimensions) - Hình dáng, kích thước - Thiếu hụt, rỗ nứt - Lẫn tạp chất - Tổ chức kim loại (biến trắng, thiên tích) - Thành phần hoá học và cơ tính - Ưu nhược điểm của phương pháp đúc cát General Mechanical Engineering 4.10 HCM City Univ. of Technology, Mechanical Engineering Department Nguyen Tan Tien - Phan Hoang Long + Ưu điểm
Đúc được nhiều loại kim loại khác nhau
Khối lượng vật đúc có thể từ vài chục gram đến vài chục tấn
Tính chất sản xuất linh hoạt, thích hợp với các dạng sản xuất + Nhược điểm
Độ chính xác vật đúc không cao dẫn đến lượng dư gia công lớn
Đúc được các chi tiết phức tạp
Đầu tư ban đầu thấp
Dễ cơ khí hóa và tự động hóa
Chất lượng vật đúc thấp, thường có rỗ khí, rỗ xỉ
Chất lượng bề mặt vật đúc thấp 6II. Đúc trong khuôn kim loại (permanent mold casting) General Mechanical Engineering 4.11 - Vật đúc có hình dạng không phức tạp với thành dày 3~100mm và khối lượng vật đúc có thể đạt đến 5 tấn HCM City Univ. of Technology, Mechanical Engineering Department Nguyen Tan Tien - Phan Hoang Long - Sử dụng nhiều trong sản xuất quy mô lớn hay hàng loạt lớn - Vật lệu đúc là thép, gang và hợp kim màu - Để tạo các cấu trúc rỗng bên trong, thường dùng lõi cát (sand core) và lõi kim loại (metal core) General Mechanical Engineering 4.12 + Phủ lớp bảo vệ (vật liệu chịu lửa hay bồ hóng) lên bề mặt khuôn HCM City Univ. of Technology, Mechanical Engineering Department Nguyen Tan Tien - Phan Hoang Long - Quy trình đúc gang trong khuôn kim loại + Ráp khuôn + Rót kim loại + Làm nguội để hoá rắn kim loại + Tháo khuôn lấy sản phẩm + Đảm bảo cơ tính của vật đúc: khuôn kim loại có độ dẫn nhiệt cao hơn khuôn cát nên đảm bảo cho vật đúc có cấu trúc mịn hơn, dẫn đến cơ tính cao hơn - Ưu điểm + Chất lượng vật đúc tốt: độ bóng bề mặt, độ chính xác lòng khuôn cao + Tuổi bền của khuôn kim loại cao + Năng suất cao, giá thành hạ - Nhược điểm + Truyền nhiệt nhanh nên dễ xảy ra hiện tượng không điền đầy kim loại trong khuôn, dễ bị nứt + Khuôn kim loại không có tính lún và thoát khí nên công nghệ đúc khó + Không đúc được vật quá phức tạp, thành mỏng và khối lượng quá lớn + Giá thành chế tạo khuôn cao 7III. Đúc áp lực (die casting) General Mechanical Engineering 4.13 - Đây là phương pháp đúc tiên tiến và rất phổ biến, được thực hiện trên các máy chuyên dùng mà ở đó kim loại lỏng được đưa vào khuôn bằng thép nhờ áp lực của piston hay khí nén, làm cho khuôn được điền đầy nhanh chóng HCM City Univ. of Technology, Mechanical Engineering Department Nguyen Tan Tien - Phan Hoang Long - Đúc áp lực dùng trong sản xuất hàng loạt lớn - Vật liệu đúc: hợp kim nhôm, đồng kẽm và các hợp kim màu khác - Ưu điểm + Đúc được vật phức tạp, đa dạng và thành rất mỏng (dến 1 mm), lỗ đúc đường kính nhỏ đến 1 mm. Đúc vật có khối lượng đến 50 kg + Vật đúc có độ chính xác cao và độ bóng cao + Cơ tính vật đúc cao nhờ mật độ vật đúc lớn + Năng suất cao nhờ điền đầy nhanh và khả năng cơ khí hoá thuận lợi - Nhược điểm + Không dùng được lõi đúc bằng cát do dòng chảy có áp lực + Khuôn mau mòn do dòng chảy có áp lực của hợp kim ở nhiệt độ cao - Có hai dạng đúc áp lực: đúc áp lực thấp và đúc áp lực cao 1. Đúc áp lực thấp (low pressure die casting) General Mechanical Engineering 4.14 - Đúc áp lực thấp thường dùng cho các sản phẩm có dạng đối xứng HCM City Univ. of Technology, Mechanical Engineering Department Nguyen Tan Tien - Phan Hoang Long - Áp lực đúc khoảng 0,7 bar - Ví dụ: Quá trình đúc chi tiết nhôm bằng phương pháp đúc áp lực thấp 1 2 3 4 5 6 82. Đúc áp lực cao (high pressure die casting) General Mechanical Engineering 4.15 HCM City Univ. of Technology, Mechanical Engineering Department Nguyen Tan Tien - Phan Hoang Long - Thiết bị đúc gồm 2 nữa khuôn có thể tách ra theo phương thẳng đứng - Kim loại nóng chảy được bơm với vận tốc và áp suất cao vào khuôn kim loại - Kim loại nóng chảy được đưa vào lòng khuôn nhờ một piston. Sau khi kim loại nguội rắn lại, khuôn được mở ra để lấy sản phẩm - Thiết bị đúc và khuôn đúc áp lực cao rất mắc tiền nên chỉ dùng cho những sản phẩm có thể tích kim loại lớn - Tùy theo cách đưa kim loại nóng chảy vào lỏng khuôn, ta có hai phương pháp đúc áp lực cao + Đúc áp lực cao khuôn nguội + Đúc áp lực cao khuôn nóng a. Đúc áp lực cao khuôn nguội (cold chamber high pressure die casting) General Mechanical Engineering 4.16 HCM City Univ. of Technology, Mechanical Engineering Department Nguyen Tan Tien - Phan Hoang Long - Áp suất đẩy kim loại khoảng 10.000 psi hay 70.000 KPa - Kim loại nóng chảy được đưa vào xylanh trung gian, sau đó piston sẽ đẩy kim loại nóng chảy vào lòng khuôn Lõi (core) Cần tháo sản phẩm (ejector pin) Lòng khuôn (cavity) Kim loại đúc (molten metal) Đường phân khuôn (parting line) Vỏ khuôn (ejector die) Vỏ khuôn (cover die) 9General Mechanical Engineering 4.17 HCM City Univ. of Technology, Mechanical Engineering Department Nguyen Tan Tien - Phan Hoang Long + Kim loại nóng chảy được đưa vào lòng xylanh - Quá trình đúc áp lực cao khuôn nguội như sau + Piston đẩy kim loại nóng chảy vào lòng khuôn và giữ cho đến khi kim loại đóng rắn lại + Các cần đẩy sản phẩm đẩy chi tiết đúc ra khỏi khuôn + Mở khuôn, chú ý các lõi cũng được rút ra 1 2 3 4 b. Đúc áp lực cao khuôn nóng (hot chamber high pressure die casting) General Mechanical Engineering 4.18 HCM City Univ. of Technology, Mechanical Engineering Department Nguyen Tan Tien - Phan Hoang Long - Các quá trình tương tự như đối với đúc áp lực cao khuôn nguội - Kim loại nóng chảy được đưa trực tiếp từ lò nấu chảy vào lòng khuôn nhờ bơm 10 c. So sánh hai phương pháp đúc khuôn nguội và khuôn nóng General Mechanical Engineering 4.19 HCM City Univ. of Technology, Mechanical Engineering Department Nguyen Tan Tien - Phan Hoang Long - Ưu điểm của đúc áp lực cao khuôn nguội so với khuôn nóng + Các loại hợp kim như hợp kim nhôm hay hợp kim nhôm-kẽm và một số hợp kim magiê chỉ có thể đúc áp lực cao khôn nguội + Áp suất và vận tốc đẩy kim loại vào lòng khuôn đúc có thể nâng cao nhằm nâng cao mật độ kim loại đúc + Chi phí bảo dưỡng thiết bị thấp - Nhược điểm của đúc áp lực cao khuôn nguội so với khuôn nóng + Khó điều khiển được nhiệt độ kim loại nóng chảy làm giảm khả năng điền đầy khuôn + Chu kỳ đúc thấp + Kim loại có thể bị nguội trước khi piston đẩy vào lòng khuôn + Kim loại nóng chảy bị oxy hoá bởi oxy trong môi trường đúc khi được cấp vào xylanh IV. Đúc ly tâm (centrifugal casting) General Mechanical Engineering 4.20 HCM City Univ. of Technology, Mechanical Engineering Department Nguyen Tan Tien - Phan Hoang Long - Kim loại lỏng được rót vào khuôn kim loại quay (đứng hoặc nằm ngang) với vận tốc có thể đến 3000 vòng/phút - Dưới tác dụng của lực ly tâm, kim loại lỏng điền đầy lòng khuôn và tạo thành vật đúc khi kết tinh - Chủ yếu dùng để đúc các chi tiết có dạng tròn xoay: ống nước, nòng súng, ống lót, các dạng tang trống, … 11 General Mechanical Engineering 4.21 HCM City Univ. of Technology, Mechanical Engineering Department Nguyen Tan Tien - Phan Hoang Long - Ưu điểm + Tổ chức kim loại mịn chặt do sự kết tinh của kim loại lỏng dưới tác dụng của lực ly tâm đảm bảo cho vật đúc có độ đồng chất cao, loại bỏ các rỗ khí và tạp chất chứa xỉ + Tạo được các khoang rỗng bên trong mà không cần dùng lõi + Không dùng hệ thống rót phức tạp nên tiết kiệm được kim loại + Đúc được vật có vài lớp kim loại riêng biệt trong cùng một vật đúc - Nhược điểm + Thiên tích vùng theo thiết diện ngang do lực ly tâm + Đường kính lỗ kém chính xác và chất lượng bề mặt lỗ xấu General Mechanical Engineering 4.22 HCM City Univ. of Technology, Mechanical Engineering Department Nguyen Tan Tien - Phan Hoang Long - Rót kim loại liên tục và đông đặc nhanh, kéo dài liên tục với chiều dài không hạn chế - Ưu điểm: năng suất rất cao, ít bọt rỗ - Nhược điểm: tốc độ nguội nhanh làm ứng suất dư bên trong vật đúc lớn, gây biến dạng, dễ nứt V. Đúc liên tục (continuous casting) 12 General Mechanical Engineering 4.23 HCM City Univ. of Technology, Mechanical Engineering Department Nguyen Tan Tien - Phan Hoang Long General Mechanical Engineering 4.24 HCM City Univ. of Technology, Mechanical Engineering Department Nguyen Tan Tien - Phan Hoang Long VI. Đúc theo mẫu cháy (lost foam casting) Động cơ L61 của General Motor và mẫu đúc của nó 13 General Mechanical Engineering 4.25 HCM City Univ. of Technology, Mechanical Engineering Department Nguyen Tan Tien - Phan Hoang Long - Mẫu được làm từ polystyrene xốp, nhẹ hơn gỗ 50~100 lần, dễ cắt bằng dây thép nóng - Các mẫu phức tạp có thể dễ dàng thực hiện từ các mẫu polystyrene rời sau đó liên kết lại với nhau - Khuôn đúc được tạo thành theo phương pháp bình thường - Vật đúc được tạo thành bằng cách điền đầy kim loại lỏng vào các khoang khuôn được tạo ra từ kết quả kim loại lỏng đốt cháy mẫu polystyrene xốp, mẫu không cần lấy ra General Mechanical Engineering 4.26 HCM City Univ. of Technology, Mechanical Engineering Department Nguyen Tan Tien - Phan Hoang Long - Ưu điểm + Đạt độ chính xác cao + Giảm lượng dư và công lao động để gia công các mặt có gia công thêm sau đúc 14 General Mechanical Engineering 4.27 HCM City Univ. of Technology, Mechanical Engineering Department Nguyen Tan Tien - Phan Hoang Long VII. Đúc theo mẫu chảy (investment casting/lost wax casting) Các sản phẩm của đúc theo mẫu chảy - Dùng đúc các vật có hình dạng rất phức tạp, đòi hỏi nhiều công đoạn gia công cơ khí, từ bất kỳ hợp kim nào - Có thể đúc chính xác với khối lượng từ 0,02 đến 100 kg, bề dày thành đến 0,5 mm và các lỗ có đường kính đến 2 mm - Sau khi làm khuôn, khuôn được nung để đốt chảy mẫu, tạo lòng khuôn để rót kim loại khi đúc General Mechanical Engineering 4.28 HCM City Univ. of Technology, Mechanical Engineering Department Nguyen Tan Tien - Phan Hoang Long - Quá trình đúc theo khuôn mẫu chảy 1. Tạo mẫu (pattern making) Chế tạo mẫu vật đúc bằng sáp (wax) từ đúc ép 2. Tạo cụm mẫu (pattern assembling) Mẫu được liên kết với trục sáp làm rãnh rót cho khuôn 3. Tạo khuôn nguyên chịu lửa (shell building) + Phủ cụm mẫu bằng lớp trát vật liệu chịu lửa bằng cách nhúng các cụm mẫu vào dung dịch gốm chịu lửa 4. Đốt cháy mẫu (dewax) Nung nóng khuôn, sáp chảy hết tạo nên bộ khuôn cuối cùng để đúc + Rắc cát thạch anh khô mịn lên, phơi khô và nhúng lại + Có thể tạo đến tám lớp phủ như thế này 15 General Mechanical Engineering 4.29 HCM City Univ. of Technology, Mechanical Engineering Department Nguyen Tan Tien - Phan Hoang Long 5. Đúc (conventional casting) Chuẩn bị kim loại lỏng và rót vào khuôn như đúc cát thông thường 6. Dỡ khuôn (knockout) Khi kim loại đã hoá rắn, vật đúc đã nguội, tháo bỏ khuôn 7. Tách chi tiết đúc (cut off) Cắt các chi tiết đúc ra khỏi cụm chi tiết vừa đúc được 8. Làm sạch (finished castings) General Mechanical Engineering 4.30 HCM City Univ. of Technology, Mechanical Engineering Department Nguyen Tan Tien - Phan Hoang Long - Ưu điểm + Dễ thiết kế (design flexibility) + Đúc được nhiều loại hợp kim (wide choice of alloys) + Giảm chi phí gia công tạo khuôn (eliminate tooling set-up) + Giảm giá thành (reduce production costs) + Đúc được nhiều chi tiết một lần (cut assemble operations) + Độ chính xác cao (reproduce fine details) 16 General Mechanical Engineering 4.31 HCM City Univ. of Technology, Mechanical Engineering Department Nguyen Tan Tien - Phan Hoang Long VIII. Đúc ép (squeeze casting / squeeze forming) - Kim loại nóng chảy được đưa vào cối khuôn (lòng khuôn dưới) - Chày khuôn (khuôn trên) được ép xuống, kim loại sẽ được điền đầy trong lòng khuôn - Kim loại nguội và được tháo ra khỏi khuôn 321 General Mechanical Engineering 4.32 HCM City Univ. of Technology, Mechanical Engineering Department Nguyen Tan Tien - Phan Hoang Long IX. Đúc chân không (vacuum casting) 321