Bài giảng Đúc li tâm

ĐÚC LI TÂM Từ khóa: Centrifugal Casting 1. Mở đầu Được phát minh vào đầu thế kỷ 19 Lúc đầu: chỉ chế tạo chi tiết tròn xoay: ống gang, phôi séc măng, phôi sơ mi Sau này: cũng sử dụng để chế tạo các vật đúc không tròn xoay (semi-centrifugal) KL lỏng được rót vào khuôn đang quay (trục quay thẳng đứng hoặc nằm ngang) Suốt quá trình rót & đông đặc: khuôn, vật đúc luôn ở trạng thái quay và chịu tác dụng của lực li tâm Sơ đồ nguyên lý Sơ đồ nguyên lý Trục quay ngang Trục quay thẳng đứng 1. Mở đầu Lực li tâm tác động theo hướng kính: P = m  2 r m – khối lượng phần tử quay  - vận tốc góc phần tử quay r – bán kính phần tử quay  2 r – gia tốc của phần tử quay K = m 2 r /mg=  2 r / g : hệ số trọng trường 2. Đặc điểm2.1. Ưu điểm KL lỏng kết tinh dưới tác động của lực li tâm & nguội nhanh  tổ chức nhỏ mịn, sít chặt Mặt ngoài vật đúc rất sạch (tạp chất & khí nằm ở mặt trong); vật đúc không có rỗ khí, xỉ Tạo lỗ rỗng mà không cần ruột Hệ số thực thu thành phẩm cao 2.1. Ưu điểm 2.1. Ưu điểm 5. Đúc được các HK có độ chảy loãng thấp 6. Ít hoặc không tiêu tốn vật liệu làm khuôn 7. Có thể tạo phôi nhiều lớp 2.2. Nhược điểm Vật đúc dễ bị thiên tích thành phần  đúc li tâm không thể sử dụng cho tất cả HK đúc Khó đúc các vật đúc bằng HK nhẹ Lượng dư gia công lỗ lớn Dễ cháy dính cát khi dùng khuôn có lớp cát áo Không hiệu quả khi sản xuất nhỏ 3. Phạm vi sử dụng Các vật đúc dạng tròn xoay (ống bạc) Đúc bạc bimetal Các vật đúc nhỏ khác 3. Phạm vi sử dụng 3. Phạm vi sử dụng 3. Phạm vi sử dụng 3. Phạm vi sử dụng 3. Phạm vi sử dụng 4. Hình dáng bề mặt thoáng  Giả định: - Tất cả các phần tử của KL lỏng có vận tốc góc như nhau và bằng vận tốc góc của khuôn  Vật đúc nằm ở trạng thái tĩnh tương đối so với khuôn Phương trình bề mặt thoáng có dạng: Xdx + Ydy + Zdz = 0 4.1. Trục quay ngang Hợp lực của lực li tâm và trọng lực thay đổi về độ lớn theo vị trí Do  2 r >> g: - X=  2 x - Y=  2 y   2 x +  2 y= 0 Lấy tích phân có tính đến điều kiện biên: x 2 + y 2 = r 2 4.2. Trục quay đứng Phương trình bề mặt thoáng: Rdr + Zdz = 0 Điểm M trên mặt thoáng chịu tác động của các gia tốc: R=  2 r; Z= -g   2 rdr – gdz= 0  z=  2 r 2 /2g  - Bề mặt thoáng có dạng paraboloid tròn xoay - Hình dáng bề mặt thoáng phụ thuộc vào vận tốc quay của khuôn 5. Lực tác động lên chất điểm đang quay 5.1. Trục quay nằm ngang dp= (Xdx+ Ydy + Zdz)= ( 2 xdx +  2 ydy) Lấy tích phân và: - Thay x 2 + y 2 = r 2 - Khi r= r tr thì p= 0  p=  2 (r 2 – r tr 2 )/2 5.2. Trục quay thẳng đứng Đối với điểm M 1 (z M1 ,0) nằm dưới đỉnh parabol: p= g (z a + h)= ( 2 r 1 2 /2 + h) Đối với điểm M 2 (z M2 ,0) nằm trên đỉnh parabol: p= g (z C – z B )= g( 2 /2)(r 2 2 – r B 2 ) 6. Lực tác dụng lên vật lẫn6.1. Lực tác dụng Nếu KL lỏng ở trạng thái tĩnh, lực nâng tác dụng lên vật lẫn: P=  vl gV -  kl gV = gV( vl -  kl )  vl , kl – khối lượng riêng của vật lẫn & KL lỏng V – thể tích vật lẫn Nếu KL lỏng đang quay: P lt = V  2 r( vl -  kl )= P 2 r/g= KP 6.1. Lực tác dụng lên vật lẫn Lực tác dụng lên vật lẫn trong KL lỏng đang quay lớn hơn so với trong KL tĩnh K lần  thiên tích mạnh các vật lẫn có khối lượng riêng khác KL lỏng  vl <  kl (vật lẫn: xỉ, cát )  P lt < 0 và hướng về mặt thoáng 6.2. Vận tốc nổi của vật lẫn Với lưu chất tĩnh, vận tốc nổi max của vật lẫn được xác định từ điều kiện cân bằng giữa lực nâng & lực cản thủy tĩnh & xác định theo công thức Stock: v max = [4dg ( kl -  vl )/3c kl ] 0,5 d – đường kính vật lẫn c – hệ số trở lực, phụ thuộc số Re 6.2. Vận tốc nổi của vật lẫn Đối với KL lỏng đang quay: v max ’ = K 0,5 v max Nhận xét: - Vận tốc nổi của vật lẫn phi kim trong KL lỏng đang quay lớn hơn K 0,5 lần so với trong KL tĩnh: đây là ưu điểm lớn của đúc li tâm 7. Quá trình đông đặc  7.1. Quá trình nguội7.1.1. Nguội bề mặt thoáng Nguội do bức xạ nhiệt: - Cường độ bức xạ nhiệt: Q= c[(T 1 /100) 4 - (T 0 /100) 4 ] - Cường độ bức xạ nhiệt lớn nhất xảy ra ngay sau khi rót 7.1.1. Nguội bề mặt thoáng - Bức xạ nhiệt từ một điểm trên bề mặt thoáng được đặc trưng bởi góc   Cùng đường kính mặt thoáng, vật đúc càng dài thì góc  càng bé  cường độ bức xạ nhiệt giảm  ảnh hưởng đến tốc độ nguội của vật đúc và chiều sâu vùng rỗ co 7.1.1. Nguội bề mặt thoáng Nguội do truyền nhiệt qua không khí tiếp xúc mặt thoáng: - Trục quay thẳng đứng nguội mạnh hơn trục quay ngang do không khí lạnh đi xuống, nóng bốc lên 7.1.2. Nguội mặt ngoài Phụ thuộc vào độ dẫn nhiệt của VLLK, lớp sơn khuôn, khe hở khí giữa vật đúc và khuôn Phủ bề mặt khuôn một lớp vật liệu làm khuôn  giảm tốc độ nguội vật đúc Tăng tốc độ quay  lực li tâm tăng  giảm khe hở khí  tăng tốc độ nguội vật đúc 7.2. Các hiện tượng co 7.2.1. Vật đúc được làm nguội 1 phía Vật đúc đặc hoặc rỗng nhưng có 2 đầu mút kín  đông đặc có hướng từ mặt ngoài vào a. Khi khoảng đông hẹp  đông đặc có hướng: Rỗ co tập trung ở trục quay ( vật đúc đặc) Rỗ co ở mặt thoáng ( vật đúc rỗng) 7.2.1. Vật đúc được làm nguội 1 phía b. Khi khoảng đông rộng: Vật đúc đang kết tinh có 4 vùng: - Lỏng - Lỏng – rắn: các tinh thể nhánh cây nằm giữa pha lỏng - Rắn – lỏng: nhánh cây liên tục và KL lỏng nằm giữa các nhánh cây - Rắn 7.2.1. Vật đúc được làm nguội 1 phía Quá trình đông đặc: - Hình thành vỏ rắn ở mặt ngoài - Các nhánh cây phát triển về phía mặt thoáng - Vùng lỏng xuất hiện các tinh thể nhánh cây. Do lực li tâm, các tinh thể này bắn ra mặt ngoài & và nhập với các nhánh cây của vùng L-R. Sự co được bù từ KL lỏng từ các vùng trung tâm 7.2.1. Vật đúc được làm nguội 1 phía - Ở vùng trung tâm, các tinh thể nhánh cây lớn lên hình thành vùng R-L. Việc bù co: lọc KL lỏng qua lưới nhánh cây - Độ sệt KL lỏng tăng lên  quá trình lọc khó khăn  xuất hiện rỗ co ở vùng mặt thoáng 7.2.2. Vật đúc được làm nguội 2 phía Tự đọc 8. Một số vấn đề về công nghệ8.1. Chọn vị trí trục quay Không nên chọn trục quay đứng cho các vật đúc có chiều dài lớn vì: - Chênh lệch độ dày ở dưới và trên lớn - Phần dưới dày  đông đặc sau  rỗ co - Cột áp KL lỏng lớn  khuôn bị ăn mòn mạnh; dễ bắn tóe 8.1. Chọn vị trí trục quay Chọn trục quay đứng cho các trường hợp: - Các vật đúc đặc - Các vật đúc không có dạng tròn xoay - Các vật đúc tròn xoay, rỗng có H/D<1 8.1. Chọn vị trí trục quay 8.2. Tốc độ quay của khuôn Đây là thông số CN quan trọng nhất Trục quay ngang: - Tốc độ quay nhỏ  bề mặt thoáng của KL lỏng chỉ nghiêng 1 góc hoặc xảy ra tình trạng mưa rơi - Tốc độ quay quá lớn: VĐ bị nứt, chảy dính, rung máy Một số phương pháp tính tốc độ quay Công thức Kemmen: n= c/(r) 0,5 n – tốc độ quay, vòng/phút r – bán kính bề mặt thoáng, cm c – hệ số, phụ thuôc HK đúc thép – 1350; gang – 1675; đồng – 1675; nhôm – 2250 Một số phương pháp tính tốc độ quay Công thức Konstatinov: n= 5520/(  r) 0,5  - trọng lượng riêng HK đúc Một số phương pháp tính tốc độ quay Cơ sở của cả 2 p/p trên là hệ số trọng trường K: K =  2 r/g = (n/30) 2 (r/g)  n= 300 (K/r) 0,5 Như vậy: - Trong công thức Kemmen: K= (c/300)2 - Trong công thức Konstatinov: K= 340/  HK càng nhẹ  tốc độ quay càng lớn R càng lớn  tốc độ quay càng nhỏ 8.3. Tốc độ rót Thông số CN quan trọng Trong quá trình rót, chiều dày lớp vỏ rắn của vật đúc phải luôn nhỏ hơn chiều dày lớp KL lỏng Lúc đầu: rót nhanh để KL nhanh chóng phủ bề mặt khuôn, sau đó giảm tốc độ rót tạo thuận lợi đông đặc có hướng, giảm áp lực lên lớp vỏ rắn 8.4. Khuôn đúc li tâm Khuôn kim loại Khuôn cát Khuôn KL và cát 8.4.1. Khuôn kim loại Sử dụng trong các trường hợp: - SX loạt lớn - Vật đúc không bị cản co, dễ lấy khỏi khuôn - Vật đúc cần nguội nhanh - Đúc bạc, ống GX 18-36, GX 24-44 Thép cacbon Gang cầu 8.4.2.Khuôn KL có lớp phủ cách nhiệt Phủ lên bề mặt khuôn chất phủ ở dạng lỏng hoặc 1 lớp vật liệu tản rời (cát thạch anh mịn, khô) Mục đích chất phủ ở dạng lỏng : - Tăng tuổi thọ khuôn - Chống biến trắng khi đúc gang 8.4.2.Khuôn KL có lớp phủ cách nhiệt Mục đích chất phủ vật liệu tản rời: - Giảm tốc độ & mức độ nung nóng khuôn - Giảm tốc độ nguội của vật đúc - Giữ KL ở trạng thái lỏng lâu để đúc 2 lớp - Thay đổi đường kính ngoài của vật đúc bằng cách thay đổi chiều dày lớp vật liệu tản rời 8.4.3. Khuôn có lớp cát áo Sử dụng trong các trường hợp: - SX nhỏ - Vật đúc bị cản co & vướng không lấy ra khỏi khuôn KL được