TÓM TẮT NHANH

Thiết kế đúc khuôn chân không tập trung vào việc tạo ra các thành phần bằng quy trình loại bỏ không khí và khí khỏi buồng khuôn bằng chân không trước khi tiêm kim loại nóng chảy. Bước quan trọng này làm giảm đáng kể độ xốp khí, dẫn đến các bộ phận đặc chắc hơn, bền hơn và có bề mặt hoàn thiện vượt trội. Thiết kế phù hợp, bao gồm các yếu tố về độ dày thành và độ kín khuôn, là điều thiết yếu để tận dụng quy trình này nhằm sản xuất các bộ phận phức tạp, hiệu suất cao và không có khuyết tật.

Những nguyên lý cơ bản của Đúc khuôn chân không

Đúc khuôn áp lực có hỗ trợ chân không, đôi khi được gọi là đúc khuôn không khí, là một quy trình sản xuất tiên tiến nâng cao phương pháp đúc khuôn áp lực truyền thống. Nguyên lý cốt lõi của nó là việc loại bỏ hệ thống không khí và các khí bị giữ lại khác khỏi buồng khuôn và ống bắn trước khi kim loại nóng chảy được đẩy vào. Bằng cách tạo ra môi trường gần như chân không, quy trình này giải quyết một trong những thách thức dai dẳng nhất trong đúc khuôn thông thường: hiện tượng xốp do khí. Điều này đạt được bằng cách kết nối một hệ thống chân không mạnh với khuôn, nhằm rút khí ra khỏi buồng khuôn ngay trước và trong quá trình phun hợp kim nóng chảy.

Vấn đề cơ bản mà công nghệ này giải quyết là sự bẫy khí. Trong quá trình đúc khuôn tiêu chuẩn, việc phun kim loại nóng chảy với tốc độ cao có thể làm kẹt các túi khí bên trong khuôn. Những khí bị mắc kẹt này tạo thành các khoảng trống hoặc lỗ rỗng trong kim loại đã đông đặc, làm giảm độ bền cấu trúc. Theo các chuyên gia sản xuất tại Xometry , độ xốp này có thể dẫn đến tính chất cơ học không đồng đều và các điểm yếu. Quá trình chân không khắc phục điều này bằng cách loại bỏ không khí có thể bị mắc kẹt, cho phép kim loại nóng chảy điền đầy mọi chi tiết của khuôn mà không gặp cản trở hay xáo động.

So với phương pháp đúc khuôn truyền thống, phương pháp hỗ trợ chân không tạo ra chi tiết có chất lượng cao hơn rõ rệt. Việc hút chân không trong khuôn không chỉ ngăn ngừa sự hình thành bọt khí mà còn giúp kéo kim loại nóng chảy vào các phần phức tạp và thành mỏng của khuôn một cách hiệu quả hơn. Kết quả là các bộ phận có độ đặc chắc cao hơn, độ bền tốt hơn và bề mặt nhẵn mịn hơn nhiều. Như Hiệp hội Đúc Khuôn Bắc Mỹ đã chỉ ra, mặc dù hệ thống chân không là một bổ trợ mạnh mẽ, nhưng nó không thay thế được các thực hành thiết kế đúc khuôn hợp lý trong việc thiết kế các hệ thống dẫn, cổng rót và khoang tràn. Chính sự kết hợp giữa thiết kế tốt và hỗ trợ chân không mới mang lại mức chất lượng cao nhất.

Các ưu điểm chính và cải thiện chất lượng

Lợi thế chính của việc sử dụng chân không trong quá trình đúc khuôn áp lực là sự cải thiện đáng kể về chất lượng và độ bền vững của sản phẩm. Bằng cách giảm thiểu việc giữ khí, quy trình này tạo ra các bộ phận có độ xốp thấp hơn nhiều. Điều này dẫn đến các vật đúc không chỉ đặc hơn mà còn thể hiện tính chất cơ học đồng đều và dự đoán được hơn, chẳng hạn như độ bền kéo và độ giãn dài cao hơn. Độ tin cậy này rất quan trọng đối với các bộ phận được sử dụng trong các ứng dụng yêu cầu khắt khe, bao gồm ngành công nghiệp ô tô và hàng không vũ trụ.

Một lợi ích lớn khác là độ hoàn thiện bề mặt vượt trội. Các khuyết tật như phồng rộp và lỗ châm kim, thường do khí bị giữ lại nở ra gần bề mặt gây ra, gần như được loại bỏ hoàn toàn. Kết quả là bề mặt sản phẩm sạch hơn ngay từ khuôn, làm giảm nhu cầu cho các công đoạn hoàn thiện thứ cấp tốn kém và mất thời gian. Như đã được mô tả chi tiết bởi Kenwalt Die Casting , việc giảm thiểu khuyết tật này dẫn đến số lượng chi tiết bị loại bỏ ít hơn, tiết kiệm thời gian, nhân công và chi phí vật liệu. Hơn nữa, việc điền đầy khuôn đồng đều dưới chân không có thể kéo dài tuổi thọ của dụng cụ bằng cách giảm áp suất nội bộ cao và mài mòn liên quan đến không khí bị mắc kẹt.

Các cải thiện về chất lượng cũng mở ra những khả năng sản xuất mới. Các chi tiết được sản xuất bằng phương pháp đúc khuôn chân không phù hợp với các xử lý sau gia công mà thường gây khó khăn cho các chi tiết đúc thông thường. Vì hầu như không có khí bị mắc kẹt làm giãn nở và gây ra khuyết tật, các thành phần này có thể được tôi nhiệt, hàn hoặc mạ một cách đáng tin cậy. Khả năng này là thiết yếu đối với các chi tiết kết cấu yêu cầu độ bền cao hơn hoặc các đặc tính bề mặt cụ thể.

Quy trình hỗ trợ chân không: Phân tích từng bước

Mặc dù dựa trên quy trình đúc khuôn truyền thống, quy trình hỗ trợ chân không bao gồm một giai đoạn bổ sung quan trọng. Việc hiểu rõ trình tự này là chìa khóa để đánh giá đúng tác động của nó đến thiết kế và chất lượng chi tiết cuối cùng. Quy trình này thường tuân theo các bước riêng biệt sau:

1. Chuẩn bị và đóng khuôn Hai nửa của khuôn thép đầu tiên được làm sạch, bôi trơn bằng chất tách khuôn và đóng kín chặt. Một khía cạnh thiết kế quan trọng ở đây là đảm bảo khuôn có các gioăng kín hiệu quả để duy trì chân không sau khi được áp dụng. Bất kỳ rò rỉ nào cũng sẽ làm ảnh hưởng đến quá trình.
2. Áp dụng chân không: Khi khuôn đã đóng, một máy bơm chân không công suất lớn được kích hoạt. Các van nối với buồng khuôn và hệ thống kênh dẫn mở ra, và máy bơm hút hết không khí và các khí từ chất bôi trơn, tạo ra môi trường áp suất thấp bên trong khuôn. Bước này phải được thực hiện đúng thời gian chính xác.
3. Tiêm kim loại nóng chảy: Hợp kim kim loại mong muốn, được nấu chảy trong lò, được chuyển sang buồng bắn của máy. Một pít-tông áp lực cao sau đó phun kim loại nóng chảy vào buồng khuôn đã được hút chân không. Chân không giúp kéo kim loại vào khuôn một cách trơn tru, đảm bảo điền đầy mọi chi tiết mà không gây xáo động.
4. Đông đặc và làm nguội: Khi khoang rỗng đã được điền đầy, kim loại nóng chảy bắt đầu nguội và đông đặc, tạo hình theo khuôn. Khuôn thường được trang bị các kênh làm mát bên trong để kiểm soát tốc độ đông đặc, điều này rất quan trọng để đạt được các tính chất luyện kim mong muốn.
5. Mở Khuôn và Đẩy Chi Tiết Ra: Sau khi vật đúc đã đông đặc, chân không được giải phóng và hai nửa khuôn được mở ra. Các chốt đẩy sau đó đẩy vật đúc hoàn chỉnh ra khỏi khuôn. Chi tiết giờ đây đã sẵn sàng cho bất kỳ thao tác thứ cấp cần thiết nào như cắt biên, gia công cơ khí hoặc hoàn thiện bề mặt.

Toàn bộ chu trình này diễn ra cực kỳ nhanh chóng, thường được hoàn thành trong vài giây đến vài phút, khiến nó rất phù hợp với sản xuất số lượng lớn. Việc tích hợp hệ thống chân không làm tăng độ phức tạp nhưng lại cần thiết để đạt được chất lượng vượt trội mà quy trình này nổi tiếng.

Các Nguyên Tắc Thiết Kế Chính cho Quy Trình Đúc Khuôn Chân Không

Thiết kế đúc khuôn áp dụng chân không hiệu quả không chỉ đơn thuần là tạo hình; mà còn liên quan đến việc tối ưu hóa hình học chi tiết để tận dụng đầy đủ lợi ích từ môi trường chân không. Mặc dù nhiều nguyên tắc tương đồng với phương pháp đúc truyền thống, nhưng một số yếu tố lại đặc biệt quan trọng. Để thành công, cần chú ý cẩn thận đến các đặc điểm như độ dày thành và góc thoát.

Một trong những lợi thế thiết kế nổi bật nhất là khả năng sản xuất các chi tiết có thành mỏng hơn. Vì chân không làm giảm áp suất ngược do không khí bị mắc kẹt, kim loại nóng chảy có thể chảy vào và điền đầy các phần mỏng hơn nhiều so với phương pháp đúc khuôn truyền thống. Độ dày thành tối thiểu thường đạt được từ 1mm đến 1,5mm, mặc dù điều này còn phụ thuộc vào kích thước và vật liệu của chi tiết. Điều quan trọng là cần duy trì độ dày thành đồng đều nếu có thể, nhằm đảm bảo quá trình làm nguội đồng nhất và ngăn ngừa các khuyết tật như cong vênh hay vết lõm. Khi cần thay đổi độ dày, các chuyển tiếp phải được thực hiện một cách dần dần.

Các yếu tố thiết kế chính khác là cần thiết cho cả chất lượng chi tiết và khả năng sản xuất:

• Góc tháo: Một góc tháo, thông thường ít nhất từ 1 đến 2 độ, phải được đưa vào tất cả các thành phần song song với hướng kéo của khuôn. Độ côn nhỏ này rất quan trọng để cho phép chi tiết hoàn chỉnh được đẩy ra khỏi khuôn một cách sạch sẽ mà không bị hư hại hay biến dạng.
• Gân tăng cứng và trụ lồi: Để tăng độ bền cho các khu vực lớn, phẳng mà không làm tăng độ dày thành tổng thể, các kỹ sư thiết kế nên sử dụng gân tăng cứng. Độ dày của gân nói chung nên nhỏ hơn 60% độ dày thành chính để tránh hiện tượng lõm bề mặt. Tương tự, các trụ lồi (dùng để lắp ráp hoặc căn chỉnh) cũng cần tuân theo quy tắc về độ dày tương tự.
• Góc lượn và bán kính: Các góc trong sắc nhọn là nơi tập trung ứng suất và có thể cản trở dòng chảy kim loại. Các góc lượn và bán kính cong hợp lý nên được thêm vào tất cả các góc để cải thiện độ bền kết cấu của chi tiết và tạo điều kiện cho dòng kim loại nóng chảy đi vào khuôn đều đặn, mượt mà hơn.
• Bề mặt kín khuôn: Từ góc độ thiết kế khuôn, việc đảm bảo khuôn có thể được bịt kín hoàn toàn là điều bắt buộc. Điều này đòi hỏi phải gia công chính xác các nửa khuôn và thường bao gồm việc tích hợp các vòng đệm O-ring hoặc các cơ chế làm kín khác để ngăn ngừa thất thoát chân không trong suốt chu kỳ.

Bằng cách tuân thủ những nguyên tắc này, các nhà thiết kế có thể tạo ra các bộ phận chắc chắn, nhẹ và phức tạp, tận dụng tối đa quá trình hỗ trợ chân không, từ đó mang lại tỷ lệ sản phẩm đạt chuẩn cao hơn và hiệu suất vượt trội hơn.

Các câu hỏi thường gặp

1. Sự khác biệt chính giữa đúc chân không và đúc khuôn truyền thống là gì?

Sự khác biệt chính là việc sử dụng chân không để hút bỏ không khí và các khí trong buồng khuôn trước khi kim loại nóng chảy được tiêm vào. Đúc khuôn truyền thống đưa kim loại vào một khuôn chứa đầy không khí, điều này có thể khiến không khí bị mắc kẹt và gây ra hiện tượng xốp. Đúc khuôn chân không loại bỏ không khí này, dẫn đến các chi tiết đặc chắc hơn, bền hơn, ít khuyết tật hơn và có bề mặt hoàn thiện tốt hơn.

2. Những kim loại nào phù hợp với phương pháp đúc khuôn áp lực hỗ trợ chân không?

Quy trình này thường được sử dụng với các hợp kim không chứa sắt có điểm nóng chảy trung bình. Bao gồm nhiều loại hợp kim nhôm (như A380), hợp kim magiê (dùng cho các bộ phận cấu trúc nhẹ) và hợp kim kẽm. Các kim loại ferrous như thép và sắt nói chung không phù hợp do nhiệt độ nóng chảy cao, điều này có thể làm hư hỏng dụng cụ đúc khuôn.

3. Đúc khuôn chân không có loại bỏ hoàn toàn độ xốp hay không?

Mặc dù đúc khuôn chân không giảm đáng kể độ xốp do khí gần mức bằng không, nhưng nó có thể không loại bỏ hoàn toàn mọi dạng xốp. Ví dụ, độ xốp do co ngót vẫn có thể xảy ra do sự giảm thể tích của kim loại khi nguội và đông đặc. Tuy nhiên, thiết kế chi tiết và khuôn phù hợp, bao gồm hệ thống cổng rót và rãnh dẫn được tối ưu hóa, cũng có thể giúp giảm thiểu dạng xốp này.