KỸ THUẬT ĐÚC KHUÔN CÁT

Đúc cát (Sand casting) hay còn gọi là đúc bằng công nghệ khuôn cát là quá trình đúc kim loại bằng cách đổ kim loại nóng chảy vào những khuôn làm sẵng bằng cát. Sau khi kim loại giảm nhiệt độ, rồi cứng lại theo hình dạng khuôn. Ta phá vỡ khuôn cát để lấy mẫu sản phẩm đúc ra ngoài. Đúc cát được sử dụng rộng rãi nhất trong sản xuất. Hầu như tất cả các kim loại đều có thể được đúc cát. Đúc cát có thể sản xuất sản phẩm có kích thước từ rất nhỏ đến cực kỳ lớn. Một số ví dụ về các mặt hàng được sản xuất trong ngành công nghiệp hiện đại bằng quy trình đúc cát là khối động cơ, vỏ máy, vỏ motor, đế máy công cụ, đầu xi lanh, vỏ bơm và van,…

Hầu hết các hoạt động đúc cát sử dụng cát silica (SiO2). Một lợi thế lớn của cát trong các ứng dụng sản xuất là cát không tốn kém. Một lợi thế khác của cát để sản xuất sản phẩm bằng các quá trình đúc kim loại, đó là cát rất chịu được nhiệt độ cao. Trên thực tế, đúc cát là một trong số ít các quá trình có thể được sử dụng cho các kim loại có nhiệt độ nóng chảy cao như thép, niken và titan. Thông thường cát được sử dụng để sản xuất khuôn cho quá trình đúc được giữ với nhau bằng hỗn hợp nước và đất sét. Một hỗn hợp điển hình theo thể tích có thể là 89% cát, 4% nước, 7% đất sét. Kiểm soát tất cả tính chất của cát là rất quan trọng khi sản xuất các sản phẩm bằng phương pháp đúc cát. Do đó, một phòng thí nghiệm mẫu cát là điều khá phổ biến ở các xưởng đúc quy mô lớn.

Đúc cát là một phương pháp được sử dụng rộng rãi để sản xuất đúc kim loại thô. Khi vừa đúc xong, các sản phẩm đúc này có kết cấu sần sùi, dễ nhận biết, mặc dù hầu hết các xưởng đúc sẽ gia công tinh làm bề mặt mịn hơn.

Các khuôn mẫu (pattern), là vật mẫu chuẩn được làm mẫu, từ đó ta đúc các sản phẩm khác dựa theo khuôn mẫu này. Khuôn mẫu được tạo ra đầu tiên bằng gỗ (được điêu khắc), bằng nhựa hoặc kim loại. Khuôn mẫu được làm lớn hơn một chút so với kích thước mong muốn của sản phẩm, để tính toán độ co trong quá trình làm mát.

Hộp đúc là thiết bị dùng để chứa cát, khuôn mẫu và kim loại nóng chảy. Hộp đúc được cấu tạo gồm 2 nửa hộp, có thể ghép lại với nhau. Mô hình (khuôn mẫu) được đặt trong một hộp đúc, sau đó một nửa chứa đầy hỗn hợp cát (đá nghiền), đất sét và nước. Cát được nén chặt xung quanh mẫu. Sau đó, quá trình được lặp lại với nửa trên của mẫu. Hai nửa khuôn sau đó được tách ra và mô hình khuôn mẫu được lấy ra ngoài. Khuôn mẫu này sau đó có thể được sử dụng để tạo các khuôn khác. Một lỗ, được gọi là phểu được đục lỗ trên đỉnh của khuôn để cho phép kim loại nóng chảy được đổ vào khuôn. Lỗ thứ, được gọi là lỗ thoát, để kim loại nóng chảy lắp đầy khuôn và dâng lên. Việc này đảm bảo rằng kim loại nóng chảy lắp đầy khuôn.

LỊCH SỬ NGÀNH ĐÚC KHUÔN CÁT

“Trước đây, các vị vua trước đây của tôi đã tạo ra những bức tượng bằng đồng bắt chước các hình thức ngoài đời thực để trưng bày bên trong đền thờ của họ. Bằng phương pháp lỗi thời của họ, họ đã cạn kiệt tất cả các thợ thủ công, vì thiếu tay nghề. Ngoài ra, họ cần rất nhiều dầu, sáp và mỡ động vật cho công việc làm tượng này. Họ đã gây ra sự thiếu hụt ở chính đất nước của họ. Tôi, Vua Sennacherib, lãnh đạo của tất cả các hoàng tử, am hiểu tất cả các loại công việc, đã tư vấn và suy nghĩ sâu sắc về công việc đó. Chưa từng có vị vua nào từng chế tạo trước tôi, với kỹ năng kỹ thuật mà Ninushki mang đến cho tôi sự hoàn hảo, và nhờ sự thông minh và khao khát của trái tim tôi, tôi đã phát minh ra một kỹ thuật đúc cho đồng. Tôi đã tạo ra nó một cách khéo léo. Tôi đã tạo ra những khuôn đất sét như thể bằng trí thông minh thần thánh …. Từ các khuôn đúc bằng đất sét, mười hai con sư tử hung dữ cùng với mười hai con bò tót dũng mãnh đã được tôi đúc ra một cách hoàn hảo bằng kỹ thuật đúc khuôn cát … Tôi đã đổ đồng vào các khuôn đúc nhiều lần. Tôi đã thực hiện việc tạo ra các con sư tử và bò tót bằng đồng một cách dễ dàng, như thể chúng chỉ nặng nửa cân.

Năm 1924, công ty ô tô Ford đã lập kỷ lục khi sản xuất 1 triệu ô tô. Quá trình sản xuất 1 triệu ô tô tiêu thụ một phần ba tổng sản lượng đúc tại Hoa Kỳ. Khi ngành công nghiệp ô tô phát triển, đòi hỏi hiệu suất đúc tăng lên: nhanh hơn, sản phẩm tốt hơn, ít tốn kém hơn. Nhu cầu đúc ngày càng tăng trong ngành công nghiệp chế tạo máy và ô tô đang phát triển trong và sau Thế chiến I và Thế chiến II, đã kích thích những phát minh mới trong cơ giới hóa và tự động hóa công nghệ đúc cát sau này.

Để quy trình sản xuất đúc nhanh hơn, ta phải xử lý không chỉ một mà là nhiều nút thắt. Những cải tiến đã được thực hiện ở tốc độ đúc, chuẩn bị cát, trộn cát, quy trình sản xuất lõi và tốc độ nóng chảy kim loại chậm trong lò cupola. Năm 1912, máy sàng cát (máy đãi cát) tự động được phát minh bởi công ty Beardsley & Piper của Mỹ. Năm 1912, máy trộn cát đầu tiên với lưỡi cày quay được gắn riêng lẻ đã được Công ty Simpson bán ra thị trường. Năm 1915, các thí nghiệm đầu tiên bắt đầu với đất sét bentonite thay vì đất sét lửa đơn giản như phụ gia liên kết với cát đúc. Điều này làm tăng đáng kể sức mạnh xanh và khô của khuôn. Năm 1918, xưởng đúc hoàn toàn tự động đầu tiên để chế tạo lựu đạn cầm tay cho Quân đội Hoa Kỳ đã đi vào sản xuất. Vào những năm 1930, lò điện cảm ứng tần số cao đầu tiên được lắp đặt ở Hoa Kỳ vào năm 1943, sắt dễ uốn được phát minh bằng cách thêm magiê vào sắt xám được sử dụng rộng rãi. Năm 1940, cải tạo cát nhiệt đã được áp dụng cho khuôn đúc và lõi khuôn. Năm 1952, “quy trình D” đã được phát triển để chế tạo khuôn vỏ bằng cát mịn, được phủ trước. Năm 1953, quy trình cát lõi hộp nóng trong đó các lõi được xử lý bằng nhiệt được phát minh. Năm 1954, một chất kết dính lõi mới – hay còn được gọi là thủy tinh (natri silicat) được làm cứng bằng CO2 từ không khí xung quanh, được ứng dụng làm lõi khuôn đúc.

CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐÚC KHUÔN CÁT:

Có 4 phương pháp chuẩn bị cát cho khuôn, từ đó, tương ứng tạo ra bốn loại khuôn cát độc đáo sau đây:

1. Khuôn cát xanh (Greensand mold)

Khuôn cát xanh sử dụng hỗn hợp cát, nước và đất sét hoặc chất kết dính. Thành phần tiêu biểu của hỗn hợp là 90% cát, 3% nước và 7% đất sét hoặc chất kết dính. Khuôn cát xanh là ít tốn kém nhất và được sử dụng rộng rãi nhất.

2. Khuôn bề mặt khô (Skin-dried mold)

Khuôn bề mặt khô bắt đầu giống như khuôn cát xanh, nhưng vật liệu kết dính được cho thêm vào. Bề mặt tiếp xúc (bề mặt cavity) được làm khô bằng đèn khò hoặc đèn sưởi để tăng độ bền của khuôn. Làm như vậy cũng cải thiện độ chính xác kích thước và bề mặt hoàn thiện, nhưng sẽ làm giảm độ sập. Khuôn bề mặt khô đắt hơn, đòi hỏi nhiều thời gian để sản xuất ra khuôn, do đó làm hiệu suất không cao.

3. Khuôn cát khô (Dry sand mold)

Trong khuôn cát khô, đôi khi được gọi là khuôn hộp lạnh, cát chỉ được trộn với chất kết dính hữu cơ. Khuôn được tăng cường bằng cách nung nó trong lò nhiệt. Khuôn sau khi nung có độ chính xác kích thước cao, nhưng đắt tiền và dẫn đến tỷ lệ sản xuất thấp hơn.

4. Khuôn không nung

Cát trong khuôn không nung được trộn với nhựa lỏng và, sau đó, cứng ở nhiệt độ phòng.

CÁC BỘ PHẬN CẤU THÀNH KHUÔN CÁT ĐÚC:

1. POURING CUP: Cốc chứa kim loại nóng chảy: Đó là cái cốc để rót kim loại nóng chảy vào khuôn.

2. SPRUE: Phểu rót: Phểu để dẫn kim loại nóng chảy đi vào khuôn.

3. RUNNER: Đường dẫn: Giúp dẫn kim loại nóng chảy đi từ phểu vào lõi của khuôn.

4. GATE: Cổng: Nơi cuối hành trình của đường dẫn, đây là nơi bắt đầu của Cavity (lòng khuôn đúc).

5. RISER: Phần dâng lên: Một hồ chứa kim loại nóng chảy được cung cấp để bù cho sự co lại của kim loại khi nó giảm nhiệt độ.

6. MOLD CAVITY: Lòng khuôn: Phần rỗng trong một khuôn được tạo ra bằng cách lấy ra khuôn mẫu. Lòng khuôn có kích thước giống y như khuôn mẫu. Khi chứa đầy kim loại nóng chảy, nó tạo thành một vật đúc.

7. COPE: Phần nửa trên của hộp đúc hay nửa trên của khuôn đúc.

8. PARTING LINE: Mặt ngăn cách giữa 2 nửa khuôn, tương ứng với sự tách biệt giữa 2 bộ phận của khuôn.

9. DRAG: Phần nửa dưới của hộp đúc hay nửa dưới của khuôn đúc.

Các bộ phận cấu thành khuôn đúc cát

CẤU TẠO KHUÔN ĐÚC CÁT

Lòng khuôn cát – mold cavity (là phần rỗng ở giữa khuôn) được định hình bằng cách sử dụng một mô hình (một bản sao gần đúng của phần thực), thường được làm từ gỗ, đôi khi là kim loại. Lòng khuôn – Mold cavity nằm trong hộp được gọi là flask. Lõi là một khuôn cát được chèn vào khuôn để tạo ra lõi rỗng bên trong sản phẩm đúc. Lõi được đặt trong khoang để tạo thành các lỗ có hình dạng mong muốn. In lõi là biên dạng, hoa văn trên bề mặt lõi được thêm vào mẫu, lõi hoặc khuôn được sử dụng để định vị và hỗ trợ lõi trong khuôn.

Lỗ thoát là một ống rỗng thêm được tạo trong khuôn để chứa vật liệu nóng chảy. Khi rót kim loại nóng chảy vảo khuôn, phần kim loại nóng chảy còn dư sẽ dâng tràn lỗ thoát. Mục đích của việc này là đưa kim loại nóng chảy vào khoang khuôn vì khi kim loại nóng chảy giảm nhiệt độ và co lại, kim loại nóng chảy từ lỗ thoát sẽ dồn về lòng khuôn, lắp đầy phần kim loại co lại vì giảm nhiệt. Ngoài ra, lỗ thoát giúp thoát khí, tránh việc có bóng khí khi đổ khuôn.

QUY TRÌNH ĐÚC KHUÔN CÁT

Chu trình xử lý đúc cát bao gồm sáu giai đoạn chính, được giải thích dưới đây:

Bước 1: Làm khuôn

Bước đầu tiên trong quy trình đúc cát là tạo khuôn cho đúc. Với phương pháp đúc không tái sử dụng khuôn, bước làm khuôn phải được thực hiện cho mỗi 1 sản phẩm đúc. Một khuôn cát được hình thành bằng cách đóng gói cát vào mỗi nửa khuôn. Cát được đóng gói xung quanh mô hình vật mẫu, đó là một bản sao của hình dạng bên ngoài của vật cần được đúc. Khi mô hình khuôn mẫu được lấy ra khỏi khuôn cát, khoang đúc sẽ được định hình dựa theo biên dạng của phần cát còn lại. Bất kỳ biên dạng bên trong của vật đúc không thể được hình thành bởi khuôn mẫu. Mà các biên dạng b6n trong được hình thành bởi các lõi riêng biệt được làm bằng cát trước khi hình thành khuôn. Thông tin chi tiết về làm khuôn sẽ được mô tả trong phần tiếp theo. Thời gian làm khuôn bao gồm định vị mẫu, đóng gói cát và loại bỏ mẫu. Thời gian làm khuôn bị ảnh hưởng bởi kích thước của bộ phận, số lượng lõi và loại khuôn cát. Nếu loại khuôn yêu cầu thời gian làm nóng hoặc nướng, thời gian làm khuôn tăng đáng kể. Ngoài ra,  bột mịn bôi trơn thường được rắc lên các bề mặt của khoang khuôn để tạo điều kiện cho việc lấy mô hình khuôn mẫu ra khỏi khuôn cát dễ dàng. Việc sử dụng chất bột mịn bôi trơn cũng giúp cải thiện dòng chảy của kim loại và có thể cải thiện bề mặt của vật đúc. Chất bột mịn bôi trơn được sử dụng được lựa chọn dựa trên nhiệt độ cát và kim loại nóng chảy.

Process of sand casting

Bước 2: Kẹp 2 nửa khuôn lại

Một khi khuôn đã được chế tạo, nó được dành cho kim loại nóng chảy được đổ. Bề mặt của khoang khuôn được bôi trơn để tạo điều kiện cho việc lấy sản phẩm đúc dễ dàng. Sau đó, các lõi được định vị và các nửa khuôn được đóng lại và kẹp chặt với nhau. Điều cần thiết là các nửa khuôn vẫn được đóng an toàn tron quá trình đổ khuôn và giảm nhiệt độ dẫn đến định hình.

Bước 3: Rót kim loại

Kim loại nóng chảy được duy trì ở nhiệt độ cài đặt trong lò. Sau khi khuôn đã được kẹp, kim loại nóng chảy có thể được múc từ thùng chứa của nó trong lò và đổ vào khuôn. Việc rót có thể được thực hiện bằng tay hoặc bằng máy tự động. Đủ kim loại nóng chảy phải được đổ để lấp đầy toàn bộ khoang và tất cả các kênh trong khuôn. Thời gian rót rất ngắn để ngăn chặn sự hóa rắn sớm của bất kỳ một phần nào của kim loại.

Bước 4: Làm mát

Kim loại nóng chảy được đổ vào khuôn sẽ bắt đầu nguội và đông cứng sau khi nó đi vào khoang. Khi toàn bộ khoang được lấp đầy và kim loại nóng chảy đông cứng lại, hình dạng cuối cùng của vật đúc được hình thành. Khuôn không thể được mở cho đến khi hết thời gian làm mát. Thời gian làm mát mong muốn có thể được ước tính dựa trên độ dày thành của vật đúc và nhiệt độ của kim loại. Hầu hết các lỗi, biến dạng, khuyết tật có thể xảy ra là kết quả của quá trình hóa rắn. Nếu một số kim loại nóng chảy nguội đi quá nhanh, một số bộ phận có thể biểu hiện sự co lại quá mức, vết nứt hoặc các phần không hoàn chỉnh. Các biện pháp phòng ngừa có thể được thực hiện trong việc thiết kế cả phần và khuôn và sẽ được khám phá trong các phần sau.

Bước 5: Loại bỏ khuôn để lấy thành phẩm đúc

Sau khi thời gian đông đặc được xác định trước đã qua, khuôn cát có thể bị phá vỡ và đúc được loại bỏ. Bước này, đôi khi được gọi là quá trình rung lắc khuôn cát, thường được thực hiện bởi một máy rung. Sau khi loại bỏ, vật đúc có thể sẽ có một số lớp cát và oxit bám dính trên bề mặt. Bắn hoặc xịt khí nén thường dùng để loại bỏ bất kỳ cát còn lại, đặc biệt là từ các bề mặt bên trong, và làm giảm độ nhám bề mặt.

Bước 6: Cắt tỉa chi tiết thừa

Trong quá trình làm mát, sẽ có những phần kim loại dư thừa được làm cứng lại. Vật liệu dư thừa này phải được cắt từ vật đúc bằng cách cắt hoặc cưa, hoặc sử dụng máy cắt tỉa. Thời gian cần thiết để cắt vật liệu dư thừa có thể được ước tính từ quá trình thiết kế. Một vật đúc lớn hơn sẽ đòi hỏi thời gian cắt tỉa lâu hơn. Các vật liệu phế liệu thu được từ việc cắt tỉa này thường được nấu lại, tái sử dụng trong quá trình đúc cát tiếp theo. Tuy nhiên, vật liệu phế liệu có thể cần được điều chỉnh lại thành phần hóa học thích hợp trước khi tái sử dụng.

HOẠT ĐỘNG ĐÚC CÁT

Hoạt động đúc cát bao gồm việc đổ kim loại nóng chảy vào khuôn cát, hóa rắn vật đúc trong khuôn và lấy thành phẩm đúc ra ngoài. Hoạt động đúc được trình bày chi tiết trên trang hoạt động đúc kim loại.

Các vấn đề ảnh hưởng đến chất lượng thành phẩm đúc cát:

  • Quá trình tản nhiệt qua hỗn hợp khuôn cát, cụ thể là quá trình hóa rắn của vật đúc
  • Ảnh hưởng của dòng chảy của kim loại lỏng đến tính toàn vẹn của khuôn, (tính chất hỗn hợp cát và chất kết dính)
  • Sự thoát khí khi rót kim loại nóng chảy vào khuôn.

Cát thường có khả năng chịu được mức nhiệt độ cực cao, và nói chung cho phép thoát khí khá tốt. Sản xuất với đúc cát cho phép tạo ra các vật đúc với hình học phức tạp. Tuy nhiên, sản xuất đúc cát chỉ tạo ra độ chính xác về kích thước cho phần đúc. Sau khi đúc cát được lấy ra khỏi khuôn cát, nó bị bong ra, tất cả cát được loại bỏ khỏi vật đúc, và hệ thống gating bị cắt bỏ một phần. Sản phẩm đúc sau đó có thể trải qua các quá trình sản xuất tiếp theo như xử lý nhiệt, gia công và / hoặc tạo hình kim loại. Kiểm tra luôn được thực hiện trên phần hoàn thiện để đánh giá hiệu quả và sự hài lòng của khách hàng.

Các thiết bị trong ngành đúc khuôn cát:

Trong đúc cát, phần chính của thiết bị là khuôn, trong đó có chứa một số thành phần. Khuôn được chia thành hai nửa – COPE (nửa trên) và DRAG (nửa dưới), 2 nửa ép nhau tạo ra một mặt tiếp xúc chia tách. Cả hai nửa khuôn được chứa bên trong một hộp, được gọi là FLASK. Lòng khuôn đúc (Mold Cavity) được hình thành bằng cách nén cát xung quanh mẫu trong mỗi nửa bình. Cát có thể được nén chặt bằng tay, nhưng nên dùng máy ép cát để đảm bảo độ chặt và tiết kiệm thời gian hơn, do đó làm tăng tốc độ sản xuất. Sau khi cát đã được đóng chặt và định hình, mô hình khuôn mẫu được lấy ra ngoài, một khoang rỗng, hay còn gọi là lòng khuôn (cavity) được tạo thành, có hình hình dạng bên ngoài của vật đúc.

Một số bề mặt bên trong của vật đúc có thể được hình thành bằng cách dùng thêm lõi khuôn. Lõi khuôn là những bộ phận bổ sung tạo thành các lỗ bên trong và lối đi phía bên trong vật đúc. Lõi khuôn thường được làm từ cát để có thể tách ra khỏi vật đúc. Do đó, lõi cát cho phép chế tạo nhiều phần nằm bên trong mẫu phản phẩm đúc, với hình dạng phức tạp. Mỗi lõi khuôn được định vị trong khuôn trước khi đổ kim loại nóng chảy. Để giữ cho mỗi lõi được đặt đúng vị trí, mô hình khuôn mẫu có các hốc được gọi là các bản in lõi, giúp cho lõi có thể nằm cố định. Tuy nhiên, lõi vẫn có thể dịch chuyển do có thể lõi nhẹ hơn và nổi lên trên trong kim loại nóng chảy. Gá đỡ có thể được bổ sung thêm cho các lõi bởi chaplets. Đây là những miếng kim loại nhỏ được gắn chặt giữa lõi và bề mặt lòng khoang đúc – Cavity.

Khuôn cát – Mở
Khuôn cát – Đóng

Cát được sử dụng để tạo khuôn thường là cát silic (SiO2) được trộn với một loại chất kết dính để giúp duy trì hình dạng của khoang khuôn. Sử dụng cát làm vật liệu khuôn mang đến một số lợi ích cho quá trình đúc. Cát rất rẻ và chịu được nhiệt độ cao, cho phép nhiều kim loại được đúc có nhiệt độ nóng chảy cao.

5 YẾU TỐ QUYẾT ĐỊNH CHẤT LƯỢNG CÁT ĐÚC

Chất lượng cát được sử dụng cũng ảnh hưởng lớn đến chất lượng của vật đúc và thường được kiểm ở bằng năm yếu tố sau:

Độ chịu lực (Strength) – Khả năng của cát để duy trì hình dạng của nó.

Tính thấm (Permeability) – Khả năng cho phép thoát khí bị kẹt qua cát. Độ thấm cao hơn có thể làm giảm độ xốp của khuôn, nhưng độ thấm thấp hơn có thể dẫn đến bề mặt hoàn thiện tốt hơn. Độ thấm được xác định bởi kích thước và hình dạng của hạt cát.

Ổn định nhiệt (Thermal stability) – Khả năng chống lại thiệt hại, chẳng hạn như nứt, từ sức nóng của kim loại nóng chảy.

Khả năng thu gọn (Collapsibility) – Khả năng sụp đổ của cát, hoặc khả năng nén chính xác của lớp cát, trong quá trình giảm nhiệt độ và hóa rắn của sản phẩm đúc. Nếu cát không thể nén, thì vật đúc sẽ không thể co lại tự do trong khuôn và có thể dẫn đến các vết nứt.

Khả năng tái sử dụng (Reusability) – Khả năng tái sử dụng cát cho các khuôn cát trong tương lai.

Tạo hình cho mô hình khuôn mẫu

Dụng cụ chính để đúc cát là mẫu được sử dụng để tạo khoang khuôn. Mô hình là một mô hình kích thước đầy đủ của một phần tạo ấn tượng trong khuôn cát. Tuy nhiên, một số bề mặt bên trong có thể không được bao gồm trong mẫu, vì chúng sẽ được tạo bởi các lõi riêng biệt. Các mô hình khuôn mẫu lớn hơn một chút so với sản phẩm cần đúc. Vì sản phẩm cần đúc sẽ co lại trong quá trình giảm nhiệt độ.

4 LOẠI KHUÔN MẪU TRONG ĐÚC KHUÔN CÁT

Một số vật liệu khác nhau có thể được sử dụng để chế tạo một mô hình khuôn mẫu, bao gồm gỗ, nhựa và kim loại. Gỗ rất phổ biến vì dễ tạo hình và không tốn kém, tuy nhiên nó có thể cong vênh và biến dạng dễ dàng. Gỗ cũng sẽ mòn nhanh hơn khi ma sát với cát. Mặt khác, khuôn mẫu làm bằng kim loại sẽ đắt hơn, nhưng sẽ tồn tại lâu hơn và có dung sai cao hơn. Các mô hình khuôn mẫu có thể được tái sử dụng để tạo nhiều lòng khoang khuôn (nhiều cavity) cho 1 khuôn. Do đó, một mô hình khuôn mẫu bền hơn sẽ giảm chi phí khi tái sử dụng. Một mô hình khuôn mẫu có thể được thực hiện theo 4 phương pháp sau:

1. Khuôn mẫu đơn (Solid pattern) – là mô hình khuôn mẫu dưới dạng một mảnh duy nhất. Nó dễ chế tạo nhất, nhưng có thể gây ra một số khó khăn trong việc chế tạo khuôn. Việc lấy khuôn mẫu ra khỏi 2 phần khuôn cát trên và khuôn cát dưới sẽ gặp khó khăn. Các mẫu rắn thường được sử dụng cho các bộ phận đơn giản hình học được sản xuất với số lượng thấp.

Solid pattern

2. Khuôn mẫu kép (Split pattern) – Một mô hình khuôn mẫu được phân chia thành hai phần riêng biệt gặp nhau dọc theo đường phân chia của khuôn trên và khuôn dưới. Sử dụng hai mảnh riêng biệt cho phép nửa trên và nửa dưới của khuôn cát được thực hiện riêng biệt, sau đó, chỉ việc ghép lại với nhau. Các khuôn mẫu kép thường được sử dụng cho các phần phức tạp về mặt hình học và được sản xuất với số lượng vừa phải.

Split pattern

3. Mô hình khuôn ghép có vách găn (Match-plate pattern) – Một khuôn mẫu loại ghép đôi, có vách ngăn là loại khuôn mẫu tương tự như mẫu chia đôi, ngoại trừ mỗi nửa mẫu được gắn vào các mặt đối diện của một tấm vách ngăn. Các tấm vách ngăn thường được làm từ gỗ hoặc kim loại. Thiết kế mẫu này đảm bảo sự ghép nối chính xác của các khoang khuôn khi ghép nửa trên và nửa dưới của khuôn cát. Các khuôn mẫu ghép, có vách ngăn được sử dụng cho số lượng sản xuất lớn hơn và thường được sử dụng khi quy trình được tự động hóa.

Match-plate pattern

4. Khuôn mẫu kép 2 tấm lót (Cope and drag pattern) Mô hình khuôn mẫu kép 2 tấm lót tương tự như mô hình khuôn mẫu kép có 1 vách ngăn. Điểm khác biệt chính là các nửa khuôn riêng biệt: nửa trên và nửa dưới được gắn tương ứng vào 2 tấm riêng biệt. Cũng giống như với khuôn mẫu loại 1 vách ngăn, các tấm đảm bảo sự liên kết chính xác của các khoang khuôn. Các mô hình khuôn mẫu kép 2 tấm lót dùng cho các vật đúc lớn hơn, trong đó một mẫu tấm lót sẽ quá nặng và cồng kềnh hơn tấm còn lại. Chúng cũng được sử dụng cho số lượng sản xuất lớn hơn và thường được sử dụng khi quy trình được tự động hóa.

Cope and drag pattern

Hộp khuôn đúc lõi cát là khuôn để tạo ra các lõi cát. Nếu việc đúc cần sử dụng lõi cát, lõi được hình thành trong các hộp này. Tương tự như khuôn mẫu thông thường, khuôn mẫu lõi có thể được làm bằng gỗ, nhựa hoặc kim loại giống như mô hình. Các hộp lõi cũng có thể chứa nhiều khoang để tạo ra nhiều lõi cát giống hệt nhau.

Sử dụng chất kết dính trong đúc khuôn cát:

Một khuôn phải có tính toàn vẹn vật lý, nghĩa là giữ hình dạng của nó trong suốt quá trình đúc. Vì lý do này, trong các đúc cát, cát phải chứa một số loại chất kết dính có tác dụng giữ các hạt cát lại với nhau. Đất sét thường được sử dụng như một loại chất kết kính trong quá trình sản xuất đúc cát, như một tác nhân liên kết để gắn kết cát đúc với nhau. Trong công nghiệp sản xuất, các vật liệu khác có thể được sử dụng để liên kết cát đúc với nhau thay cho đất sét. Nhựa hữu cơ (như nhựa phenolic) và các chất liên kết vô cơ (như phốt phát và natri silicat), cũng có thể được sử dụng để giữ cát lại với nhau. Ngoài cát và các chất liên kết, hỗn hợp cát để tạo khuôn đúc kim loại đôi khi sẽ có các thành phần khác được thêm vào để cải thiện đặc tính của khuôn đúc.

2 Nhóm Cát Được Dùng Trong Đúc Khuôn Cát:

Có hai loại cát chung được sử dụng trong quá trình sản xuất đúc cát.

Liên kết tự nhiên (Naturally Bonded) – Cát liên kết tự nhiên ít tốn kém hơn nhưng nó bao gồm các tạp chất hữu cơ làm giảm nhiệt độ nhiệt hạch của hỗn hợp cát để đúc, giảm độ bền liên kết và yêu cầu độ ẩm cao hơn.

Cát tổng hợp (Synthetic Sand) – Cát tổng hợp được trộn trong phòng thí nghiệm sản xuất bắt đầu bằng nền cát tinh khiết (SiO2). Trong trường hợp này, thành phần hỗn hợp có thể được kiểm soát chính xác hơn, tạo ra hỗn hợp cát đúc có cường độ xanh cao hơn, tính thấm cao hơn và cường độ chịu lửa lớn hơn. Vì những lý do này, cát tổng hợp được ưa chuộng hơn trong sản xuất đúc cát.

Sự Tiến Bộ Trong Lĩnh Vực Đúc Khuôn Cát:

  • Năm 1924, công ty ô tô Ford đã lập kỷ lục sản xuất 1 triệu xe, tiêu thụ hàng triệu sản phẩm ngành đúc.
  • Các thí nghiệm đã được tiến hành với các loại đất sét để cải thiện sức mạnh trong việc đúc cát
  • Công nghệ giúp nâng cấp lò luyện cốc thành lò điện và chuyển xưởng đúc truyền thống sang quy trình cải tiến nhà máy.
  • Bây giờ, quá trình đúc khuôn cát thường được thực hiện trong một hệ thống nhà máy hoàn toàn tự động.

ƯU ĐIỂM VÀ NHƯỢC ĐIỂM CỦA PHƯƠNG PHÁP ĐÚC KHUÔN CÁT

Ưu Điểm:

1) Đầu tư vốn thấp có nghĩa là thời gian thu hồi vốn ngắn và khả thi cao;

2) Sử dụng lõi cát cho phép đúc các hình dạng khá phức tạp;

3) Các sản phẩm kích thước lớn có thể được sản xuất;

4) Thích hợp cho sản xuất số lượng nhỏ

Nhược Điểm:

1) Quá trình này có chi phí đơn vị cao, vì nó tốn nhiều công sức và thời gian;

2) Khuôn cát để lại bề mặt sản phẩm xấu, do thụt cát và môi trường oxy hóa, thường phải xử lý thêm;

3) Không thể tạo ra các phần mỏng; 4) Không phù hợp để sản xuất hàng loạt, thường được sử dụng để sản xuất một số lượng sản phẩm nhỏ. Trong khi đó, các phương pháp đúc khác sản xuất hàng ngàn hay hàng triệu sản phẩm giống nhau.

CHI PHÍ:

Chi phí nguyên liệu 

Chi phí vật liệu cho đúc cát bao gồm chi phí kim loại, kim loại nóng chảy, cát làm khuôn và cát làm lõi. Chi phí của kim loại được xác định bởi trọng lượng của bộ phận, được tính từ khối lượng bộ phận và mật độ vật liệu, cũng như đơn giá của vật liệu. Chi phí nóng chảy cũng sẽ lớn hơn đối với trọng lượng phần lớn hơn và bị ảnh hưởng bởi vật liệu, vì một số vật liệu tốn kém năng lượng, nhiên liệu hơn để tan chảy. Tuy nhiên, chi phí nóng chảy thường không đáng kể so với chi phí kim loại. Lượng cát khuôn được sử dụng, và do đó chi phí, cũng tỷ lệ thuận với trọng lượng của bộ phận. Cuối cùng, chi phí của cát lõi được xác định bởi số lượng và kích thước của lõi được sử dụng.

Chi phí sản xuất  

Chi phí sản xuất bao gồm một loạt các hoạt động được sử dụng để đúc ra sản phẩm, bao gồm chế tạo lõi, làm khuôn, rót kim loại nóng chảy, làm sạch sản phẩm và gia công tinh. Chi phí chế tạo lõi phụ thuộc vào khối lượng của lõi và số lượng được sử dụng để đúc một phần. Chi phí chế tạo khuôn không bị ảnh hưởng nhiều bởi độ phức tạp hình học của sản phẩm khi quá trình đúc tự động bằng máy được sử dụng. Tuy nhiên, việc sử dụng các lõi sẽ làm chậm quá trình đúc và do đó làm tăng chi phí. Cuối cùng, chi phí đổ kim loại và chi phí gia công tinh phụ thuộc trọng lượng và kích thước của sản phẩm đúc. Sẽ mất nhiều thời gian hơn để rót kim loại lõng và gia công tinh một sản phẩm đúc lớn hơn và nặng hơn.

Chi phí làm khuôn mẫu 

Chi phí làm mô hình khuôn mẫu có hai thành phần chính – mô hình khuôn mẫu và hộp lõi (để làm lõi). Chi phí làm khuôn mẫu là chủ yếu được kiểm soát bởi kích thước của bộ phận và độ phức tạp của các chi tiết. Chi phí của các hộp lõi trước tiên phụ thuộc vào kích thước của chúng, sau đó, phụ thuộc số lượng và kích thước của lõi được sử dụng để đúc. Giống như mô hình khuôn mẫu, sự phức tạp của lõi sẽ ảnh hưởng đến thời gian để sản xuất, làm tăng chi phí.

Số lượng các sản phẩm đúc cũng sẽ ảnh hưởng đến chi phí làm khuôn mẫu. Một số lượng sản xuất lớn hơn sẽ yêu cầu sử dụng nhều vật liệu hơn, cho cả hộp mẫu và hộp lõi. Ngoài ra, số lượng sản phẩm lớn sẽ làm mòn khuôn mẫu theo số lượng chu kỳ. Khuôn mẫu có vật liệu tốt hơn, cứng cáp hơn, bền hơn sẽ tăng đáng kể chi phí.

Phế Phẩm Từ Đúc Cát:

1) Misruns (due to rapid solidification in the runner)

2) Cold shuts (due to rapid solidification before complete filling of the mold)                                      

3) Cold shots (due to splattered globules of metal during pouring)

4) Shrinkage cavity (due to lack of riser system)

5) Microporosity (due to localized solidification shrinkage)

6) Hot tearing (due to the die’s prevention of contraction)

Phế phẩm liên quan đến khuôn cát:

1) Sand blow

2) Pinholes

3) Sand wash

4) Scabs

5) Penetration

6) Mold shift

7) Core shift

8) Mold crack

KẾT LUẬN:

Quá trình đúc cát thường ít tốn kém hơn nhiều so với các kỹ thuật khác và thường là một trong những phương pháp nhanh nhất hiện có. Nó bị một số nhược điểm, tuy nhiên. Đầu tiên, nó thường mang lại dung sai 0,30 inch cho sản phẩm đầu tiên, và sau đó và thêm 0,010 cho mỗi ba inch bổ sung. Thành phẩm là một sản phẩm thô, đòi hỏi gia công thêm. Ít nhất, sản phẩm đúc phải tốn công cắt bỏ các phần thừa, vi dụ, phểu rót, ống dẫn và ống dâng. Hầu hết các ứng dụng cũng yêu cầu giá công tinh để hoàn thiện, chẳng hạn như bắn cát và búa, mài, rèn hoặc mạ. Các quy trình này tạo ra một bề mặt mịn hơn.

TƯ LIỆU THAM KHẢO:

  • Degarmo, E. Paul; Black, J T.; Kohser, Ronald A. (2003), Materials and Processes in Manufacturing (9th ed.), Wiley, ISBN 0-471-65653-4.
  • Todd, Robert H.; Allen, Dell K.; Alting, Leo (1994), Manufacturing Processes Reference Guide, Industrial Pre
  • http://www.industrialmetalcasting.com/sand-casting.html
  • http://www.efunda.com/processes/metal_processing/sand_casting_intro.cfm

Nguồn: ulvac.vn
Bài viết đã được đăng ký chống Copy DMCA

0932.95.15.81