BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI - KHCN

Nghiên cứu xác định tính chất nhiệt lý của một số nhóm
vật liệu làm khuôn phục vụ thiết kế công nghệ đúc

CHỦ NHIỆM ĐỀ TÀI: ThS. NGUYỄN TIẾN TÀI

8320

Hà Nội, 12-2010

BỘ CÔNG THƯƠNG
TỔNG CÔNG TY MÁY ĐỘNG LỰC VÀ MÁY NÔNG NGHIỆP
VIỆN CÔNG NGHỆ
BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI - KHCN


1.2. Một số ví dụ về hệ số dẫn nhiệt đã được công bố trên thế 7
Chương 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT 9
2.1. Trường nhiệt độ trong khuôn đúc 10
2.2. Phương pháp giải trường nhiệt độ trong khuôn
đúc 10
2.2.1. Giải gần đúng bằng phương pháp sai phân hữu hạn 11
2.2.2. Bằng phương pháp đo nhiệt độ trực tiếp 13
2.2.3. Giải bằng trường nhiệt độ 14
2.2.4. Phương pháp giải bằng hàm sai Gauss ( GEF) 15
2.2.5. Hệ số khuếch tán nhiệt độ (a) giải theo các phương pháp khác nhau
16
2.3. Lựa chọn cách xác định hệ số khuếch tán nhiệt độ (a) 17
PHẦN 3. XÁC ĐỊNH HỆ SỐ KHUẾCH TÁN NHIỆT ĐỘ, CHẾ T
ẠO VÀ ĐO KIỂM
CÁC MẪU THỬ
18
3.1. Các tính chất chính của vật liệu làm khuôn và chất đóng rắn 18
3.1.1. Cát trắng Đà Nẵng
18
3.1.2. Cát Vân Hải
18
3.1.3. Quặng cromít
19
3.1.4. Nước thuỷ tinh (silicátnatri) 19
3.2. Trộn hỗn hợp cát nước thuỷ tinh
19
3.3. Mô hình đặt can nhiệt và đo trường nhiệt độ bằng thực nghiệm
19
3.3.1. Hỗn hợp khuôn làm thí nghiệm
19


3.6.4.3. Thông số nhiệt lý của cát Vân Hải
28
3.7. Chế tạo mẫu thử 30
3.7.1. Ảnh kim tương vật liệu gang cầu đúc trong khuôn cát cromit 30
3.7.2. Các kết quả kiểm tra độ bền của vật liệu gang cầu đúc trong khuôn cát
crômít
31
PHẦN 4: MÔ PHỎNG THIẾT KẾ CÔNG NGHỆ ĐÚC VÀ CHẾ TẠO BỘ KHUNG
ÉP BÁNH KEM XỐP BẰNG GANG CẦU
32
4.1. Khảo sát kết cấu và điều kiện làm việc của bộ
khung ép bánh kem xốp 32
4.1.1. Điều kiện làm việc của bộ khung ép bánh kem xốp 32
4.1.2. Các sai hỏng thường thấy của bộ khung ép bánh kem xốp 32
4.2. Dựng bản vẽ chi tiết bộ khung ép bánh kem xốp 33
4.2.1. Yêu cầu kỹ thuật với bản vẽ lắp của bộ khung 33
4.2.2. Yêu cầu kỹ thuật đối với chi tiết khung trên và khung dưới 33
4.3. Thiết kế công nghệ đúc phôi khung ép bánh trên và dưới 37
4.3.1. Tính toán công nghệ 37
4.3.2. Thiết kế công nghệ đúc khung trên, khung d
ưới 38
4.4. Mô phỏng thiết kế công nghệ đúc khung trên và khung dưới bằng phần mềm
Magma sử dụng các thông số nhiệt lý đã tính toán được
39
4.4.1. Thiết lập hệ số truyền nhiệt của vật liệu khuôn đã tính vào phần mềm
MaGmaSoft
39
4.4.2. Các kết quả mô phỏng đạt được
40

làm khuôn hin có ti Vit Nam, làm c s d liu cho phn mm,  quá trình
mô phng thit k công ngh úc c úng vi th
c t.
 Vit nam hin nay cng ã có mt vài nghiên cu v h s dn nhit 
ca cht sn khuôn, vt liu làm khuôn, tuy nhiên cha có c s d liu thông s
nhit lý c th ca mt s nhóm vt liu làm khuôn thông dng. Vì vy,  to
c s d liu thông s nhit lý mt s loi vt liu làm khuôn trong 
iu kin sn
xut Vit Nam,  ng dng mô phng thit k công ngh úc, B Công Thng
ã cho phép Vin Công ngh thc hin  tài “Nghiên cứu xác định tính chất
nhiệt lý của một số nhóm vật liệu làm khuôn phục vụ thiết kế công nghệ đúc”
vi các mc tiêu chính nh sau:
La chn c phng pháp tính toán các thông s nhit lý tính ca v
t liu
làm khuôn.
To c s d liu thông s nhit lý ca hn hp khuôn à Nng/nc thy
tinh, crômít/nc thy tinh, Vân Hi/nc thy tinh óng rn bng CO
2
,  ng
dng mô phng thit k công ngh úc.
Trên c s d liu này, ng dng mô phng thit k công ngh úc các loi
sn phm vt liu bng gang cu t cht lng n nh, gim t l sai hng,
thay th hàng nhp ngoi.

2
Mục lục

Trang
M u 1
Mc lc 2

19
3.3. Mô hình t can nhit và o trng nhit  bng thc nghim
19
3.3.1. Hn hp khuôn làm thí nghim
19
3.3.2. Mô hình t cp nhit 20
3.3.2.1. iu kin
i vi quá trình o nhit  20
3.3.2.2. Yêu cu v kích thc, t trng vt liu khuôn, vt liu kim loi
rót khuôn (ngun nhit)
21
3.4.  bn ca vt liu làm khuôn 21
3.4.1. Cát Vân Hi + nc thy tinh, 6% + CO
2
22
3.4.2. Cát tuyn à Nng + nc thy tinh, 6% + CO
2
22
3.4.3. Cát Crômít + nc thy tinh, 6% + CO
2
22
3.5. Các kt qu o nhit  vt liu khuôn 23
3.5.1. Nhit  o c ca hn hp cát crômít 23
3.5.2. Nhit  o c ca hn hp cát à Nng 23
3.5.3. Nhit  o c ca cát hn hp cát Vân Hi 24
3.6. Tính toán h s khuch tán nhit  24

3
3.6.1. Mô hình li sai phân tính h s khuch tán nhit  a 24
3.6.2. Nhit dung riêng ca mi loi vt liu c tính theo hàm sau 25

39
4.4.1. Thit lp h s truyn nhit ca vt liu khuôn ã tính vào phn
mm MaGmaSoft
39
4.4.2. Các kt qu mô phng t c
40
4.5. Ch to khung trên và khung di theo công ngh úc ã thit k 42
4.6. Lp t chy th và kho nghim 44
KT LUN 45
Tài liu tham kho 46
Ph lc: Biên bn nghim thu sn phm ca 
tài; Kt qu th nghim  bn
kéo và  cng; Nht xét s dng khung ép bánh kem xp, Quyt nh giao,
Hp ng, Thuyt minh, Biên bn nghim thu cp c s, Bài phn bin ca Hi
ng cp c s; Trng nhit  ca khuôn cát crômít, à Nng, Vân Hi.
474
Tóm tắt nhiệm vụ nghiên cứu của đề tài
Thu thp tài liu v tình hình nghiên cu, tính toán thông s nhit lý ca vt
liu làm khuôn. Gii thiu nhng công trình nghiên cu ca mt s tác gi v
trng nhit  trong h vt úc/khuôn úc.
T c s lý thuyt, la chn phng pháp xác nh các thông s nhit lý
ca vt liu làm khuôn thông qua trng nhit
 o c bng phng pháp
úc rót thép 35CrMo.
Trng nhit  ca khuôn cát, c lu li trên máy tính thông qua thit b
o nhit  Omega TempScan 1100, có cài phn mm Omega Chatview, có kh
nng c và ghi ng thi 32 cp nhit liên tc vi bc thi gian n 0.1s.

3. T cu trúc, hình dáng vt úc – thit k hình dáng vt úc có chiu dày
thích hp  to s ông c hp lý, không gây khuyt tt.
Trong ó, khi yêu cu vt úc gi nguyên thành phn hoá hc và cu to
hình dáng bên ngoài thì chn thông s nhit lý ca khuôn và iu khin quá trình
ông c là bin pháp hu hiu.
Khi theo dõi quá trình ông c ca v
t úc, ngi ta thy rng tính cht
nhit lý ca vt liu thay i ph thuc vào nhit . Do ó, nó c kho sát
mt cách thích áng trong mt vùng nhit  cn thit, cng nh i vi nhit
dung riêng ca cát làm khuôn.
Có rt nhiu nhân t liên quan ti h s dn nhit ca cát khuôn. Ví d nh
chng loi cát,  ht, lng và loi ch
t dính hoc s óng rn,  m, phng
thc liên kt,  cng,  m cht và nhit . Nu quá trình ông c ca vt
úc c mô phng chính xác thì  dn nhit ca cát khuôn c biu th bng
hàm ca nhit  là tho áng.
Tng t, nhit dung riêng ca cát khuôn c biu th bng hàm ca nhit
 c
ng hoàn toàn hp lý. Giá tr ca h s dn nhit (λ) c tính toán thông
qua h s khuch tán nhit  (a, cng là hàm ca nhit ) ã bit. Vic tính
toán h s khuch tán nhit  i vi cát khô, khi không xy ra mt phn ng
bt k, cn c vào s bin i nhit  theo không gian và thi gian. S thay i
nhit   tng v
 trí có th c xác nh bng thc nghim và xp x hàm.
Nhng s liu v s phân b nhit  trong không gian  tng thi im khác
nhau   có c thông tin cn thit nhm tìm mi quan h hàm gn úng gia
nhit  và thi gian.

6
Rt nhiu công trình nghiên cu xác nh tính cht nhit lý ca hn hp

phù hp vi bn cht quá trình ông c ca vt úc [6]. Gii trng nhit 
không n nh ca h vt úc/khuôn úc trong không gian 1, 2, 3 chiu. Tác gi
cho hay, xác nh c trng nhit  s bit c thi gian bt u và kt thúc
ông c, tc  ông c, thông s ông c, tc 
ngui ca vt úc sau kt
tinh, các hin tng xy ra trong quá trình ông c và có th tìm bin pháp khc
phc các khuyt tt xy ra trong quá trình ông c.

7
Kirt xác nh h s dn nhit ca khuôn cát khô vi s h tr ca máy tính
[7]. ã tính toán h s dn nhit thông qua các d liu v nhit  ti các v trí
trong khuôn t trong mt lò nung cách nhit. Mc dù phng pháp này có 
chính xác nhng nó vn còn khó áp dng.
Ruddle [8], Seshadri [9] và Navaygana [10] xác nh các thông s nhit
bng phng pháp úc rót kim loi lng. Tng t nh quá trình úc th nghim

ánh giá  m ca khuôn, khí trong kim loi, tng tác gia kim loi lng và
khuôn và s thay i các c tính nhit. Nhng giá tr thu c rt hu ích cho
vic tính toán quá trình ông c, kh nng ông c ca vt úc. Trong phng
pháp này, các thông s nhit là mt hàm ca nhit  khuôn. Vì vy, các thông
s này là các giá tr thc t.
Nguyn Tin Tài ã ánh giá công ngh úc bánh xe phát lc v
i s h tr
ca phn mm mô phng s MagmaSoft [11].
1.2. Một số ví dụ về hệ số dẫn nhiệt đã được công bố trên thế giới
Theo nhng ngun d liu v h s dn nhit  ã c công b,  dn
nhit ca cát khuôn c biu th bng hàm ca nhit , nó gim dn theo chi
u
tng nhit  cho n khong nhit  t 400÷500
o

e
s
an
d
S
i
l
i
c
a

S
a
n
d

A
Olivine Sand
0 500 1000 1500
T (
°
C)
λ
(Cal/Cm.Sec.
°
C)
1
2
3
4

t/T
)T(a
∂∂
∂
∂
= (1)
Khi gii theo phng pháp sai phân hu hn (FDM), v phi ca phng
trình (1) c thay th bng các sai phân hu hn có dng sau:
22
x/T
t/T
)T(a
∆∆
∆
∆
= (2)
 chính xác ca phng pháp sai phân hu hn ph thuc vào các bc
không gian và thi gian c la chn.  các vt úc ln hoc khi im chy
ca hp kim úc tng i cao s không th chn bc thi gian ln i vi 
chính xác cho trc. Do ó, tính toán quá trình nhit s tr nên phc tp và tn
khá nhiu thi gian. Trong trng hp này, có th dùng phng pháp vi sai phân
(DDM) giúp quá trình gii c ngn gn hn. Thay th mu s  v phi ca
phng trình (1) bng các sai phân hu hn và gi nguyên t s di dng vi
phân:
22
x/T
t/T
)T(a
∆∆
∂

t
T
∂
∂
=
∂
∂
(5)
 ây:

ρ
λ
=
c
a : h s khuch tán nhit  [m
2
/ h ]
λ: h s dn nhit [W/m
o
K]
c: t nhit (nhit dung riêng) [ J/ kg
o
K]
ρ: khi lng riêng [kg/ m
3
].
2.2. Phương pháp giải trường nhiệt độ trong khuôn đúc
Nghim ca phng trình vi phân truyn nhit mt chiu trên khuôn khi
úc thông thng di tác dng ca trng trng thu c bng phng pháp
gii tích có dng sau:


2
0
x
at
F =
, chun s không th nguyên Fourier, biu th c trng vt lý
gia bin thiên tc  ca trng nhit  vi kích thc khuôn (x),

()
[]
∫
−=
t
dttterf
0
2
exp
2
)(
π
, Tích phân Gauss.
Tung độ: Nhit , th nguyên [
o
C]

11
Khu«n
T 1, p
T 2 = T min

T(x,t) - Nhit  v trí x trên khuôn úc  thi im t
T(x
2
,t) = T
min
- Nhit  thp nht ca khuôn úc  thi im t
Hoành độ: Không gian (x), th nguyên [m]
x
1
- chiu dày vt úc
x
2
- chiu dày khuôn úc
Phía trái trc T0x - vt úc
Phía phi trc T0x - khuôn úc.
2.2.1. Giải gần đúng bằng phương pháp sai phân hữu hạn
Có th thay th phng trình (2) bng phng trình sai phân n:
[]
)xt(0TT2T
x
a
t
TT
2
)1k,1i()1k,i()1k,1i(
2
k,i1k,i
∆+∆++−
∆
=

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
- r T(N - 2,1) + (1 + 2r) T(N-1,1) = T(N-1,0) + r T(N,1) =ϕ [(N-1) ∆x] +r
µ
2
(∆x), (8)
 ây:
)x(
ta
r
2
∆
∆
=
(9)
chuyn (8) thành phng trình ma trn:
B T
1
= T
0
+ F
1
T
0
= Φ, (10)
vi :
()
()
()
()
⎥

(11)
()
()
⎥
⎥
⎥
⎥
⎥
⎥
⎥
⎥
⎦
⎤
⎢
⎢
⎢
⎢
⎢
⎢
⎢
⎢
⎣
⎡
∆
∆
=
⎥
⎥
⎥
⎥

;0
.
.
0
0
.
.
0
0
(12)
()
()
()
⎥
⎥
⎥
⎥
⎥
⎥
⎥
⎥
⎦
⎤
⎢
⎢
⎢
⎢
⎢
⎢
⎢

2
(14)
Hàm tng quát gia giá tr bc (k + 1) vi giá tr bc thi gian k nh sau:
B T
k + 1
= T
k
+ F
k+1
(15)
Th thì phng trình sai phân dn nhit ca khuôn úc (3) có th c vit
di dng:
B T
k+1
= T
k
+ F
k+1
T
0
= Φ, (16 )
 ây k = 1, 2, 3, . . . , M .
Có th dùng phng pháp s, ví d nh mng Crank - Nicholson  miêu t
phng trình (2):
()
()
[]
)k,1i()k,i()k,1i()1k,1i()1k,i(1k,1i
2
)k,i()1k,i(
⎥
⎥
⎥
⎥
⎥
⎥
⎥
⎥
⎦
⎤
⎢
⎢
⎢
⎢
⎢
⎢
⎢
⎢
⎣
⎡
=
kN
k
k
k
t
t
t

H s khuch tán nhit  (a) 15,38 x 10
- 3
[ m
2
/h ]
2.2.3. Giải bằng trường nhiệt độ
(Phương pháp sai phân hữu hạn)
Gi thit rng, vt liu làm khuôn là ng nht, do ó tính cht nhit lý 
mi ch là nh nhau.  n gin hoá quá trình tính toán, h s khuch tán nhit
 (a) c xác nh  im 4 (i=4) vi bc thi gian là ∆t=5sec=1,389.10
- 3
h,
bc không gian là ∆x = 0,01m. Phng trình hi quy c xác nh bng
phng pháp bình phng bé nht và c vit di 3 dng (hình 2-2):
Hàm bc nht: a = a
0
± a
1
T, (19)
Hàm lu tha: a = a
0
T
a1
, (20)
Hàm m: a = exp [a
0
+ a
1
Ln T + a
2

phng pháp gii tích có dng sau:
o
tx
F
erf
TT
TT
2
1
minmax
),(max
=
−
−
(22)
 ây T
max.
, T
min.
, T(x,t) , Fo c nh ngha nh  trên.
Hàm erf (u) c xác nh bi :
[]
∫
−=
u
duuuerf
0
2
exp
2

exp
)2(
1
2
exp
)2(
1
)(
2
0
2
du
u
du
u
u
u
o
∫∫
⎥
⎦
⎤
⎢
⎣
⎡
−+
⎥
⎦
⎤
⎢

1
2
TT
TT
o
minmax
)t,x(max
−
⎟
⎟
⎠
⎞
⎜
⎜
⎝
⎛
Φ=
−
−

Nu nh tính toán theo phng trình ca hàm Φ thì :
()
B
TT
TTT
F
tx
=
−
−−

o
x
at
F =
, do ó có th xác nh c (a) theo h thc (27):
()
[]
2
1
1
*
2
2
B
t
x
a
−
Φ
=
, (28)

16
Có th tính gn úng hàm ngc Φ
- 1
vi sai s nh hn 5*10
- 4
nh h thc:
3
5

2
T ].
• Khi kích thc vt úc là 60 x 60 x 200 mm.
ng cong 2 10
3
a = 1943,76 T
0,933

ng cong 2' 10
3
a = exp [-14 + 8,556 ln T - 1,017 ln
2
T ].
• Khi kích thc vt úc là 60 x 100 x 140 mm .
ng cong 3 10
3
a = 304,4 T
0,6

ng cong 3' 10
3
a = exp [ - 25,3 + 13 ln T - 1,45 ln
2
T ].
Giải theo phương pháp giải tích (AFM):
• ng cong 4 10
3
a = 716,63 T
- 0,69


7,27 + 0,096 T -
0,000216 T
2

17
T nhng kt qu nghiên cu  trên cho thy, h s khuch tán nhit 
nói riêng và tính cht nhit lý nói chung ca vt liu làm khuôn u có th xác
nh c thông qua quá trình tính toán trng nhit  bng các phng pháp
ã nêu, trong ó nghim ca phng pháp hàm sai Gauss (GEF) gn vi thc t
hn c.  chính xác ca nhng cách gii này rõ ràng ch ph thuc vào s phân
b ca tr
ng nhit  mà không cn ti bt c mt thí nghim tip theo nào
khác. Khi ã bit h s trao i nhit gia khuôn vi môi trng xung quanh (α)
s có th xác nh c h s dn nhit (λ) ca khuôn thông qua bit s Bio.
Tuy nhiên,  công vic nghiên cu d trin khai trong iu kin thc t
nên dùng phng pháp sai phân hu hn. Vì k thut tin hc và nhng ph
n
mm ng dng hin có rt phong phú, hin i,   tin cy cn thit.
2.3. Lựa chọn cách xác định hệ số khuếch tán nhiệt độ (a)
Thông qua các phng pháp xác nh h s khuch tán nhit  nêu trên:
Dùng vt úc có dng tm phng và dùng mu nghim là hình tr tròn, ta thy
rng nu vt úc có dng tm phng thì vic xác nh trng nhit
 d dàng
hn so vi mu nghim có dng tr tròn. Bi vì, mô phng s phân b nhit 
i vi hình tr tròn s c biu din quan h hàm di dng hàm Bessel-cách
gii rt phc tp và rt khó tìm c mô hình tính toán tip cn giá tr thc. Do
ó,  tài này ã dùng mu nghim có dng tm phng bán vô tn (gi thit này
c m bo khi các kích thc dài, r
ng ln gp 3 ln chiu dày mu nghim)
và nh vy, ta có th gii bài toán truyn nhit 1 chiu vi T = T (x, t), trong ó:

. Vì
ây là nhng loi cát thng dùng nht  úc hp kim có nhit  rót cao. Khi
s dng mt trong nhng loi cát này làm hn hp khuôn s chng c hin
tng cháy, dính cát  b mt vt úc.
3.1.1. Cát trắng Đà Nẵng
Sn phm ca nhà máy tuyn cát Núi Thành, sn xut trên dây chuyn công
ngh hin i ca Nht Bn. Các công on sn xut t
 khai khoáng, tuyn ra,
sy, sàng phân cp và óng gói u c qun lý kim tra cht ch và óng bao
theo tiêu chun cht lng.
- Thành phn hoá hc
Bảng 1-3. Thành phần hóa học của cát Đà Nẵng
Thành phn hoá hc SiO
2
Fe
2
O
3
Al
2
O
3
CaO MgO TiO
2
% 93,3 0,07 0,12 0,01 0,01 0,06
- Tính cht vt lý
+ Hình dng ht : Ht tròn, b mt nhn, trng
+  pH: 6,5÷7,5
+ Hàm lng bi: 0÷0,2%
+ T trng ng: 1.450 kg/m

3.3. Mô hình đặt can nhiệt và đo trường nhiệt độ bằng thực nghiệ
m
3.3.1. Hỗn hợp khuôn làm thí nghiệm
- H s khuch tán nhit  c tính trên 3 mu nghim hn hp khuôn:
+ Hn hp khuôn cát Cromít + nc thu tinh, óng rn bng CO2
+ Hn hp khuôn cát tuyn à Nng + nc thu tinh, óng rn bng
CO2
+ Hn hp khuôn cát Vân Hi + nc thu tinh, óng rn bng CO2.
- Khi lng riêng trung bình sau khi m cht và óng rn i vi các m
u
nghim là:
+ Cát à Nng + nc thu tinh óng rn bng CO
2
, t trng ca hn hp
ã c m cht là: 1,6 g/cm
3
.
+ Cát Vân Hi + nc thu tinh óng rn bng CO
2
, t trng ca hn hp
ã c m cht là: 1,58 g/cm
3
.
+ Cát Cromít + nc thu tinh óng rn bng CO
2
, t trng ca hn hp
ã c m cht là: là: 2,7 g/cm
3
.


(ngun nhit), kích thc khuôn cát là: 800x700x550 (hình 2-3), tha mãn iu
kin truyn nhit là mt chiu. Hp kim rót  o trng nhit  trong khuôn là
thép 35CrMo.
3.3.2.2. Yêu cầu về kích thước, tỉ trọng vật liệu khuôn, vật liệu kim loại rót khuôn
(nguồn nhiệt)
a. Vt liu làm khuôn:
- Khuôn cát tuyn à Nng + nc thy tinh + CO
2
; kích thc khuôn
800x700x550; sau khi dm cht t trng là 1.600kg/m
3
.
- Khuôn cát crômít + nc thy tinh + CO
2
; kích thc khuôn
800x700x550; sau khi dm cht t trng là 2.700kg/m
3
.
- Khuôn cát Vân Hi + nc thy tinh + CO
2
; kích thc khuôn
800x700x550; sau khi dm cht t trng là 1.580kg/m
3
.
b. Vt liu kim loi rót khuôn (ngun nhit):
- Trng lng vt úc: kích thc vt úc 400x400x100; Vt liu: 35CrMo;
nhit  rót là : 1.600
o
C
3.4. Độ bền của vật liệu làm khuôn