Hệ thống rót và đông đặc: chìa khóa loại bỏ rỗ khí

Khi sử dụng quy trình đúc mẫu chảy, điều quan trọng là phải hiểu tất cả các yếu tố tạo nên một chi tiết thành công. Một trong những bước đầu tiên để tránh hỏng chi tiết là bảo đảm độ đặc chắc cần thiết của chi tiết trước khi đúc. Đúc mẫu chảy là một trong số ít quy trình sản xuất có thể đánh giá sơ bộ khả năng thành công của chi tiết. 

Hệ thống rót

Khi thiết kế chi tiết đúc mẫu chảy, cần xem xét vị trí và kích thước cửa rót. Cửa rót là một lỗ mở nhỏ cho phép kim loại nóng chảy chảy tự do vào lòng khuôn và có thể được xem là điểm kết nối giữa nguồn cấp kim loại, hay ống rót, với chi tiết. Lý tưởng nhất, cửa rót được bố trí tại tiết diện dày và nặng nhất của vật đúc, cho phép kim loại chảy liên tục và điền đầy toàn bộ chi tiết trước khi đông đặc.

Kim loại đông đặc như thế nào trong quá trình đúc

Sự đông đặc của kim loại là yếu tố then chốt để hiểu về hệ thống rót. Khi thép nóng chảy nguội từ nhiệt độ rót ban đầu khoảng 3000°F xuống nhiệt độ đông đặc khoảng 2500°F, kim loại sẽ co ngót thể tích. Hiện tượng co ngót này tiếp diễn khi kim loại đông đặc và một lần nữa khi nguội về nhiệt độ phòng, do giãn nở nhiệt.

Ví dụ, một khối lập phương 1" x 1" x 1", khi được điền đầy thép nóng chảy, sẽ co lại còn khoảng 0.96" x 0.96" x 0.96" ở nhiệt độ phòng. Sự thay đổi thể tích này đòi hỏi phải xem xét cẩn thận hình học chi tiết cũng như vị trí và kích thước cửa rót. Thiết kế phù hợp bảo đảm vật đúc được cấp liên tục kim loại lỏng để bù co ngót trong quá trình đông đặc.

Điều gì tạo nên một chi tiết đúc thành công?

Vị trí và kích thước cửa rót

Sau khi hiểu các nguyên lý cơ bản về sự đông đặc của kim loại, có thể bắt đầu xác định kích thước và vị trí cửa rót. Nếu không tính đến các chi tiết của cửa rót, cửa rót có thể đông đặc trước khi kim loại kịp điền đầy vật đúc và bù lại thể tích bị mất. Điều này có thể tạo ra các khoang lớn bên trong chi tiết không được điền đầy hoàn toàn, còn gọi là rỗ khí bên trong. Rỗ khí đề cập đến mức độ đặc chắc đạt được, tức là liệu bên trong chi tiết có các khoang rỗng hoặc lỗ hay không. Nếu một chi tiết không được thiết kế hệ thống rót cẩn thận theo chức năng của chi tiết, điều này có thể dẫn đến hỏng chi tiết.

Thiết kế chi tiết

Cửa rót không phải là yếu tố duy nhất quyết định việc loại bỏ rỗ khí. Hình học chi tiết có thể ảnh hưởng đến sự đông đặc có hướng của kim loại. Thiết kế phải tạo ra gradient nhiệt đủ lớn để giữ thông suốt các đường cấp kim loại từ ống rót đến chi tiết. Do các chi tiết không đông đặc đồng thời và nguội từ ngoài vào trong, một thiết kế chất lượng sẽ cho phép kim loại nguội dần từ cửa rót ra xa, trước tiên. Hình dạng băng nhũ là ví dụ điển hình của một vật đúc hoàn hảo, với đầu nhọn đông đặc trước và phần băng nhũ còn lại đông đặc từ các tiết diện nhỏ nhất đến tiết diện dày nhất (nguồn nước).

Trong các thiết kế có rỗ khí ban đầu, việc bổ sung các đặc tính như gân cấp kim loại có thể loại bỏ các khoang không mong muốn. Thiết kế chi tiết cũng có thể được cải thiện bằng các thay đổi kết cấu, như tạo độ côn cho các bề mặt đáy, để giảm rỗ khí. Tuy nhiên, trong một số trường hợp, hình học chi tiết không thể thay đổi. Có thể tận dụng nhiệt bức xạ bằng cách thiết kế cửa rót với các nhánh không ảnh hưởng đến chức năng, giúp thành mỏng đủ nóng để cấp kim loại cho chi tiết, bao gồm cả các tấm đầu cuối, trong quá trình đông đặc.

Thông qua hợp tác chặt chẽ với khách hàng, các kỹ sư thiết kế của Signicast có thể hiểu rõ hơn chức năng của chi tiết và tối ưu hóa hình học chi tiết để đáp ứng các yêu cầu của ứng dụng.

Lựa chọn vật liệu đúc

Ngoài các yếu tố thiết kế, lựa chọn vật liệu tác động trực tiếp đến rỗ khí trong chi tiết và sự đông đặc của vật đúc. Mỗi nguyên tố trong hợp kim có nhiệt độ đông đặc khác nhau, khiến một hợp kim như thép không gỉ 17-4 có phạm vi nhiệt độ lớn hơn khi chuyển từ lỏng sang rắn do số lượng nguyên tố trong hợp kim. Phạm vi nhiệt độ lớn này cản trở dòng chảy, khiến vật liệu này ít dễ xử lý hơn thép carbon thấp. Khi nắm rõ yêu cầu vật liệu ở giai đoạn đầu của dự án, các kỹ sư thiết kế có cơ hội tốt hơn để dự đoán thành công của chi tiết và hạn chế rỗ khí trước khi chuyển sang giai đoạn chế tạo khuôn.

Trước khi đưa thiết kế chi tiết vào sản xuất hàng loạt, điều quan trọng là phải xác định các vấn đề rỗ khí tiềm ẩn. Tại Signicast, chúng tôi sử dụng phần mềm mô phỏng đông đặc và dòng chảy để xác định hiệu quả của các vị trí cửa rót và dự đoán rỗ khí trong vật đúc nhằm xác thực thiết kế. Các kỹ sư thiết kế của chúng tôi có thể đưa ra những đề xuất thiết kế hữu ích, giúp tạo ra các chi tiết thành công mà không làm chậm thời gian đưa sản phẩm ra thị trường.