Gang cầu FCD500-7 độ bền kéo khoảng >500MPa, độ cứng khoảng 230 HB, với cơ tính này gang cầu FCD500-7 hoàn toàn thay thế được phần vỏ khuôn bằng thép C45 là vật liệu phổ biến được dùng để chế tạo vỏ khuôn đúc áp lực. Ngoài những tính chất về cơ lý đảm bảo, gang cầu còn có tính chất giảm chấn rất tốt cho nên phù hợp với điều kiện làm việc của khuôn đúc áp lực. Đồng thời vật liệu này cũng có giá trị kinh tế cao.

Tuy nhiên, vỏ khuôn HD127 và HD28 bằng gang cầu là chi tiết có kết cấu phức tạp, nhiều vị trí dày mỏng khác nhau, tiết diện lớn, trọng lượng khoảng từ 1÷2 tấn/1 nửa khuôn, rất khó khăn cho việc đúc phôi. Khi đúc phôi xong, gia công cơ khí trên phôi lớn, tiết diện phức tạp cũng là thử thách với các doanh nghiệp sản xuất cơ khí. Vì vậy, việc thiết kế công nghệ chế tạo phải nghiên cứu kỹ lưỡng... Hiện nay với sự phát triển của công nghệ số, hầu hết các thiết kế đúc đều được thử nghiệm bằng các phần mềm mô phỏng quá trình đúc rót. Thông qua các phần mềm mô phỏng (MAGMA, Pro CAST, Altair Inspire Cast...) với độ chính xác cao, ta có thể kiểm tra mức độ hoàn thiện thiết kế đúc và hiệu chỉnh, tối ưu hóa thiết kế đó. Ngoài ra, nhờ sử dụng phần mềm mô phỏng, ta có thể tiết kiệm thời gian, nhiên liệu, vật tư... cho quá trình đúc thử nghiệm.

Xuất phát từ thực tiễn trên, Cơ quan chủ trì Viện Công nghệ cùng phối hợp với Chủ nhiệm đề tài Kĩ sư Nguyễn Tiến Trình thực hiện đề tài “Nghiên cứu công nghệ chế tạo vỏ khuôn đúc áp lực bằng gang cầu FCD500”, với mục tiêu nghiên cứu công nghệ chế tạo vỏ khuôn đúc áp lực bằng gang cầu FCD500.

Trong những năm gần đây, các công ty về đúc áp lực tại Việt Nam ngày càng phát triển về số lượng và chất lượng. Thiết bị đúc áp lực tại Việt Nam rất đa dạng về về thương hiệu và chủng loại bao gồm có các công ty Toshiba-Nhật Bản, Hidroteknik-Đức, Lakeside Casting-Mỹ... với dải khối lượng lớn lên tới 1600T (do Công ty Hapulico nhập về năm 2016). Ngoài ra, theo báo cáo về thực trạng ngành đúc áp lực, ngành đúc áp lực ở Việt Nam sản xuất khoảng 300.000 tấn mỗi năm với nguồn nhân lực 100.000 người sản xuất trực tiếp và 300.000 người sản xuất gián tiếp. Với gia tăng số lượng sản phẩm đúc áp lực ở Việt Nam hiện nay, nhu cầu về thiết kế chế tạo khuôn đúc áp lực cũng tăng theo. Về các bộ khuôn đúc áp lực thường được các doanh nghiệp trong nước đặt chế tạo và nhập ngoại từ Nhật Bản, Hàn Quốc, Đài Loan... có giá thành khá cao. Một phần do các nguyên công thiết kế, gia công khuôn đúc áp lực ở nước ngoài đắt đỏ và một phần do các doanh nghiệp nước ngoài dùng thép nguyên khối để chế tạo vỏ khuôn. Việc nghiên cứu thiết kế chế tạo vỏ khuôn đúc áp lực bằng gang cầu, thay thế việc sử dụng thép nguyên khối nhằm giảm khối lượng phôi và giảm nguyên công gia công để hạ giá thành sản phẩm.

Xét đến điều kiện làm việc của chi tiết, chủ yếu chịu nén do quá trình ép khuôn và đùn kim loại, không cần yêu cầu về độ dai va đập lớn. Nhóm đề tài quyết định lựa chọn vật gang cầu nhằm giảm chi phí về giá thành mà vẫn đảm bảo điều kiện kỹ thuật của chi tiết. Gang cầu FCD500-7 độ bền kéo khoảng >500MPa, độ cứng khoảng 230 HB, với cơ tính này gang cầu FCD500-7 hoàn toàn thay thế được phần vỏ khuôn bằng thép C45. Ngoài những tính chất về cơ lý đảm bảo, gang cầu còn có tính chất giảm chấn rất tốt cho nên phù hợp với điều kiện làm việc của vỏ khuôn đúc áp lực luôn phải chịu rung động do lực ép. Vỏ khuôn được đúc bằng gang cầu FCD500-7 chỉ phải cộng thêm lượng dư gia công từ 3÷5 mm tại những vị trí lắp ghép nên thời gian gia công hoàn thiện giảm nhiều và không tốn vật liệu kim loại. Ngoài ra, do điều kiện nhiệt độ làm việc của chi tiết 16 không cao (khoảng dưới 200 độ C) nên độ giãn nở nhiệt của gang cầu (13,0*10-6m/m.K) và thép C45 (11,8*10-6 m/m.K) là hầu như khác nhau không đáng kể. Việc sử dụng gang cầu để chế tạo các chi tiết thay thế cho thép (gang cầu có cơ tính cần thiết tương đương với thép) không còn mới lạ trên thế giới.

Khó khăn khi đúc vỏ khuôn bằng gang cầu là kết cấu của vỏ khuôn có nhiều vị trí dày mỏng khác nhau, tiết diện lớn, trọng lượng khoảng từ 1÷2 tấn/1 nửa khuôn, rất khó khăn cho việc chế tạo. Như hình ảnh bản vẽ hai bộ khuôn HD127 và HD28 được trình bày như hình 1.4, hình 1.5, hình 1.6 và hình 1.7. Trong đó khối lượng của bộ vỏ khuôn HD28 khoảng 1400 kg, bộ vỏ khuôn HD127 khoảng 1800 kg. Khi đúc phôi xong, gia công cơ khí trên phôi lớn, tiết diện phức tạp cũng là thử thách với các doanh nghiệp sản xuất cơ khí. Vì vậy, việc thiết kế công nghệ chế tạo phải nghiên cứu kỹ lưỡng,.. Ngoài ra trong quá trình nghiên cứu cần tiết kiệm chi phí chế tạo mẫu thử với khối lượng lớn như hai bộ vỏ khuôn HD28 và HD127.

Sau thời gian nghiên cứu, đề tài đã thu được những kết quả như sau:

1. Gang cầu FCD500 có cơ tính đạt yêu cầu làm vỏ khuôn đúc áp lực (độ cứng 219,4 HB và 221,4 HB; δb = 580,56 Mpa và 598,18 MPa; độ dãn dài 11,4% và 13,3%), đạt yêu cầu kỹ thuật đã đăng ký.

2. Kết quả mô phỏng đúc bằng phần mềm MAGMASOFT cho thấy phương án rót đùn cho kết quả tối ưu hơn cả. Qua đó xây dựng bản vẽ thiết kế đúc hoàn thiện cho nguyên công đúc thực nghiệm sau đó.

3. Đúc thực nghiệm thành công 02 bộ vỏ khuôn HD28 và HD127 trên cơ sở nghiên cứu tính toán và hiệu chỉnh công nghệ đã được đề cập ở trên. Sản phẩm sau đúc không có khuyết tật đúc, bề mặt đạt độ nhẵn RZ80, kích thước nằm trong phạm vi dung sai cho phép. Ổn định cơ tính sản phẩm bằng quy trình nhiệt luyện.

4. Xây dựng và hoàn thiện quy trình gia công bộ vỏ khuôn HD28 và HD127 sử dụng phần mềm mô phỏng Creo 3.0. Sản phầm hoàn thiện đạt yêu cầu kỹ thuật về độ bóng, kích thước và dung sai cho phép.

Có thể tìm đọc báo cáo kết quả nghiên cứu (mã số 17278/2019) tại Cục Thông tin khoa học và công nghệ quốc gia.

Đ.T.V (NASATI)

Gang cầu FCD500-7 độ bền kéo khoảng >500MPa, độ cứng khoảng 230 HB, với cơ tính này gang cầu FCD500-7 hoàn toàn thay thế được phần vỏ khuôn bằng thép C45 là vật liệu phổ biến được dùng để chế tạo vỏ khuôn đúc áp lực. Ngoài những tính chất về cơ lý đảm bảo, gang cầu còn có tính chất giảm chấn rất tốt cho nên phù hợp với điều kiện làm việc của khuôn đúc áp lực. Đồng thời vật liệu này cũng có giá trị kinh tế cao.

Tuy nhiên, vỏ khuôn HD127 và HD28 bằng gang cầu là chi tiết có kết cấu phức tạp, nhiều vị trí dày mỏng khác nhau, tiết diện lớn, trọng lượng khoảng từ 1÷2 tấn/1 nửa khuôn, rất khó khăn cho việc đúc phôi. Khi đúc phôi xong, gia công cơ khí trên phôi lớn, tiết diện phức tạp cũng là thử thách với các doanh nghiệp sản xuất cơ khí. Vì vậy, việc thiết kế công nghệ chế tạo phải nghiên cứu kỹ lưỡng... Hiện nay với sự phát triển của công nghệ số, hầu hết các thiết kế đúc đều được thử nghiệm bằng các phần mềm mô phỏng quá trình đúc rót. Thông qua các phần mềm mô phỏng (MAGMA, Pro CAST, Altair Inspire Cast...) với độ chính xác cao, ta có thể kiểm tra mức độ hoàn thiện thiết kế đúc và hiệu chỉnh, tối ưu hóa thiết kế đó. Ngoài ra, nhờ sử dụng phần mềm mô phỏng, ta có thể tiết kiệm thời gian, nhiên liệu, vật tư... cho quá trình đúc thử nghiệm.

Xuất phát từ thực tiễn trên, Cơ quan chủ trì Viện Công nghệ cùng phối hợp với Chủ nhiệm đề tài Kĩ sư Nguyễn Tiến Trình thực hiện đề tài “Nghiên cứu công nghệ chế tạo vỏ khuôn đúc áp lực bằng gang cầu FCD500”, với mục tiêu nghiên cứu công nghệ chế tạo vỏ khuôn đúc áp lực bằng gang cầu FCD500.

Trong những năm gần đây, các công ty về đúc áp lực tại Việt Nam ngày càng phát triển về số lượng và chất lượng. Thiết bị đúc áp lực tại Việt Nam rất đa dạng về về thương hiệu và chủng loại bao gồm có các công ty Toshiba-Nhật Bản, Hidroteknik-Đức, Lakeside Casting-Mỹ... với dải khối lượng lớn lên tới 1600T (do Công ty Hapulico nhập về năm 2016). Ngoài ra, theo báo cáo về thực trạng ngành đúc áp lực, ngành đúc áp lực ở Việt Nam sản xuất khoảng 300.000 tấn mỗi năm với nguồn nhân lực 100.000 người sản xuất trực tiếp và 300.000 người sản xuất gián tiếp. Với gia tăng số lượng sản phẩm đúc áp lực ở Việt Nam hiện nay, nhu cầu về thiết kế chế tạo khuôn đúc áp lực cũng tăng theo. Về các bộ khuôn đúc áp lực thường được các doanh nghiệp trong nước đặt chế tạo và nhập ngoại từ Nhật Bản, Hàn Quốc, Đài Loan... có giá thành khá cao. Một phần do các nguyên công thiết kế, gia công khuôn đúc áp lực ở nước ngoài đắt đỏ và một phần do các doanh nghiệp nước ngoài dùng thép nguyên khối để chế tạo vỏ khuôn. Việc nghiên cứu thiết kế chế tạo vỏ khuôn đúc áp lực bằng gang cầu, thay thế việc sử dụng thép nguyên khối nhằm giảm khối lượng phôi và giảm nguyên công gia công để hạ giá thành sản phẩm.

Xét đến điều kiện làm việc của chi tiết, chủ yếu chịu nén do quá trình ép khuôn và đùn kim loại, không cần yêu cầu về độ dai va đập lớn. Nhóm đề tài quyết định lựa chọn vật gang cầu nhằm giảm chi phí về giá thành mà vẫn đảm bảo điều kiện kỹ thuật của chi tiết. Gang cầu FCD500-7 độ bền kéo khoảng >500MPa, độ cứng khoảng 230 HB, với cơ tính này gang cầu FCD500-7 hoàn toàn thay thế được phần vỏ khuôn bằng thép C45. Ngoài những tính chất về cơ lý đảm bảo, gang cầu còn có tính chất giảm chấn rất tốt cho nên phù hợp với điều kiện làm việc của vỏ khuôn đúc áp lực luôn phải chịu rung động do lực ép. Vỏ khuôn được đúc bằng gang cầu FCD500-7 chỉ phải cộng thêm lượng dư gia công từ 3÷5 mm tại những vị trí lắp ghép nên thời gian gia công hoàn thiện giảm nhiều và không tốn vật liệu kim loại. Ngoài ra, do điều kiện nhiệt độ làm việc của chi tiết 16 không cao (khoảng dưới 200 độ C) nên độ giãn nở nhiệt của gang cầu (13,0*10-6m/m.K) và thép C45 (11,8*10-6 m/m.K) là hầu như khác nhau không đáng kể. Việc sử dụng gang cầu để chế tạo các chi tiết thay thế cho thép (gang cầu có cơ tính cần thiết tương đương với thép) không còn mới lạ trên thế giới.

Khó khăn khi đúc vỏ khuôn bằng gang cầu là kết cấu của vỏ khuôn có nhiều vị trí dày mỏng khác nhau, tiết diện lớn, trọng lượng khoảng từ 1÷2 tấn/1 nửa khuôn, rất khó khăn cho việc chế tạo. Như hình ảnh bản vẽ hai bộ khuôn HD127 và HD28 được trình bày như hình 1.4, hình 1.5, hình 1.6 và hình 1.7. Trong đó khối lượng của bộ vỏ khuôn HD28 khoảng 1400 kg, bộ vỏ khuôn HD127 khoảng 1800 kg. Khi đúc phôi xong, gia công cơ khí trên phôi lớn, tiết diện phức tạp cũng là thử thách với các doanh nghiệp sản xuất cơ khí. Vì vậy, việc thiết kế công nghệ chế tạo phải nghiên cứu kỹ lưỡng,.. Ngoài ra trong quá trình nghiên cứu cần tiết kiệm chi phí chế tạo mẫu thử với khối lượng lớn như hai bộ vỏ khuôn HD28 và HD127.

Sau thời gian nghiên cứu, đề tài đã thu được những kết quả như sau:

1. Gang cầu FCD500 có cơ tính đạt yêu cầu làm vỏ khuôn đúc áp lực (độ cứng 219,4 HB và 221,4 HB; δb = 580,56 Mpa và 598,18 MPa; độ dãn dài 11,4% và 13,3%), đạt yêu cầu kỹ thuật đã đăng ký.

2. Kết quả mô phỏng đúc bằng phần mềm MAGMASOFT cho thấy phương án rót đùn cho kết quả tối ưu hơn cả. Qua đó xây dựng bản vẽ thiết kế đúc hoàn thiện cho nguyên công đúc thực nghiệm sau đó.

3. Đúc thực nghiệm thành công 02 bộ vỏ khuôn HD28 và HD127 trên cơ sở nghiên cứu tính toán và hiệu chỉnh công nghệ đã được đề cập ở trên. Sản phẩm sau đúc không có khuyết tật đúc, bề mặt đạt độ nhẵn RZ80, kích thước nằm trong phạm vi dung sai cho phép. Ổn định cơ tính sản phẩm bằng quy trình nhiệt luyện.

4. Xây dựng và hoàn thiện quy trình gia công bộ vỏ khuôn HD28 và HD127 sử dụng phần mềm mô phỏng Creo 3.0. Sản phầm hoàn thiện đạt yêu cầu kỹ thuật về độ bóng, kích thước và dung sai cho phép.

Có thể tìm đọc báo cáo kết quả nghiên cứu (mã số 17278/2019) tại Cục Thông tin khoa học và công nghệ quốc gia.

Đ.T.V (NASATI)