✨Đúc khuôn

nhỏ|[[Thân máy đúc bằng nhôm và magie]]

Đúc khuôn (tiếng Anh: die casting) hay đúc áp lực là quá trình đúc kim loại với đặc trưng ép kim loại nóng chảy dưới áp suất cao vào trong lòng khuôn. Lòng khuôn được chế tạo bằng cách dùng hai nửa khuôn thép dụng cụ đã tôi cứng được gia công thành hình dạng và hoạt động tương tự như khuôn ép nhựa. Hầu hết các khuôn đúc được làm từ kim loại màu như kẽm, đồng, nhôm, magie, chì và hợp kim thiếc. Tùy vào vật liệu kim loại đúc sẽ sử dụng máy đúc áp lực buồng nóng hoặc buồng nguội.

Thiết bị đúc và khuôn kim loại đòi hỏi chi phí vốn cao dẫn đến hạn chế quá trình sản xuất khối lượng lớn. Sản xuất chi tiết bằng đúc áp lực tương đối đơn giản, chỉ bao gồm bốn bước chính, giúp giảm chi phí gia tăng trên mỗi thành phẩm. Phương pháp này đặc biệt phù hợp khi đúc số lượng lớn các chi tiết cỡ nhỏ đến trung bình, nên đúc áp lực tạo được nhiều sản phẩm hơn so với các phương pháp khác. Các chi tiết đúc khuôn có đặc điểm là bề mặt hoàn thiện rất tốt (theo tiêu chuẩn đúc) và kích thước nhất quán đồng đều.

Lịch sử

Thiết bị đúc khuôn được phát minh vào năm 1838 với mục đích phục vụ phương pháp in sắp chữ cho ngành in. Năm 1849, bằng sáng chế liên quan đến đúc khuôn đầu tiên được cấp cho một máy vận hành bằng tay nhỏ nhằm cơ giới hoá việc tạo ra các con chữ trong in ấn. Năm 1885, Otto Mergenthaler phát minh ra máy Linotype có thể đúc khuôn toàn bộ dòng sắp chữ trong một thành phẩm. Việc này giúp cho thay thế gần như hoàn toàn kiểu sắp chữ thủ công trong ngành xuất bản. Máy đúc khuôn Soss sản xuất tại Brooklyn là chiếc máy đầu tiên được bán trên thị trường tự do ở Bắc Mỹ. Các ứng dụng khác phát triển nhanh chóng, phương pháp đúc khuôn tạo điều kiện cho sự phát triển hàng tiêu dùng và thiết bị, bằng cách giảm đáng kể chi phí sản xuất của các chi tiết phức tạp với khối lượng lớn. Năm 1966, General Motors đưa ra quá trình Acurad.

Kim loại đúc

Các hợp kim đúc thường dùng là: kẽm, nhôm, magnesi, đồng, chì, thiếc và có thể cả sắt dù không phổ biến. Hợp kim đúc khuôn cụ thể như: nhôm kẽm; nhôm theo tiêu chuẩn Hiệp hội nhôm (The Aluminum Association - AA): AA 380, AA 384, AA 386, AA 390 và AZ91D magnesi. Dưới đây là khái quát ưu điểm từng hợp kim: Trong năm 2020, máy Giga Press với khả năng đúc trên được dùng để sản xuất chi tiết nguyên khối cho mẫu xe điện Tesla Model Y.

Vật liệu dùng xác định độ dày mặt cắt tối thiểu và góc trống trong khuôn tối thiểu cần thiết cho quá trình đúc được trình bày trong bảng dưới đây. Phần dày nhất nên nhỏ hơn nhưng có thể lớn hơn.

Thiết kế hình học

Có một số tính chất hình học cần được xem xét khi tạo mô hình tham số khuôn đúc:

• Góc trống trong khuôn là độ dốc hoặc độ côn của lõi hoặc các chi tiết khác của lòng khuôn để có thể dễ dàng đẩy vật đúc ra khỏi khuôn. Tất cả các bề mặt đúc khuôn song song với hướng mở của khuôn cần phải có góc trống để đẩy vật đúc ra khỏi khuôn một cách thích hợp. Các khuôn đúc có góc trống phù hợp sẽ dễ dàng tháo sản phẩm ra khỏi khuôn và khiến bề mặt chất lượng tốt và chính xác hơn.
• Góc lượn là chỗ nối cong của hai bề mặt để tránh một góc nhọn hoặc cạnh sắc. Hoặc đơn giản là có thể thêm góc lượn vào khuôn để loại bỏ các góc cạnh không mong muốn.
• Đường phân khuôn là đường giao của hai mặt khác nhau trong một khuôn. Đường phân khuôn xác định ra nửa khuôn tĩnh và nửa khuôn động.
• Vấu lồi được thêm vào khuôn đúc để làm điểm chốt chi tiết cần lắp vào. Để có khuôn có tính nhất nhất quán và độ bền tối đa, các vấu lồi phải có thành dày đồng đều phổ biến.
• Gờ gân thêm vào khuôn đúc để có thể giúp cho thiết kế lên yêu cầu độ bền tối đa mà không làm tăng độ dày thành.
• Lỗ và cửa khuôn cần được xem xét đặc biệt vì đường bao của những hình dạng này sẽ bám vào sản phẩm đúc khi đông cứng. Để khắc phục nên bổ sung góc trống vào các lỗ và cửa.

Trang thiết bị

Có hai loại máy đúc khuôn cơ bản: máy buồng nóng và máy buồng nguội. Phân loại này dựa trên lực kẹp sinh ra. Tỷ lệ điển hình là từ .

Phun áp suất cao giúp cho việc điền đầy khuôn nhanh chóng, với yêu cầu toàn bộ lòng khuôn phải được lấp đầy trước khi quá trình đông đặc bắt đầu. Điều này để tránh khuyết điểm đúc do gián đoạn vật liệu ngay cả khi hình dạng vật đúc có những thành mỏng khó lấp đầy. Vấn đề là lấp đầy quá nhanh khiến không khí chưa kịp thoát ra ngoài tạo nên rỗ xốp. Giảm thiểu hiện tượng này bằng cách đặt các lỗ thông hơi dọc theo đường phân khuôn. Tuy nhiên, ngay cả trong một quá trình tinh chế cao vẫn sẽ tồn tại lỗ xâm kim trong vật đúc.

Kiểm tra chất lượng

Sau khi loại bỏ via thừa, vật đúc được kiểm tra khuyết điểm. Các khuyết điểm thường thấy nhất là khuyết vật liệu và nứt nguội. Những khuyết điểm này có thể do khuôn nguội, nhiệt độ kim loại thấp, kim loại bẩn, thiếu lỗ thông hơi hoặc quá nhiều chất bôi trơn. Các khuyết điểm khác có thể kể như rỗ xốp, rỗ co, vết nứt nóng và vân song. Vân song là vết dòng chảy trên bề mặt vật đúc do rót kém, góc nhọn hoặc quá nhiều chất bôi trơn.

Chất bôi trơn

Chất bôi trơn còn gọi là sơn khuôn, chất tách khuôn. Chất bôi trơn từ nước được dùng nhiều nhất vì lý do sức khỏe, môi trường và an toàn. Không giống như chất bôi trơn gốc dung môi, nếu nước được xử lý thích hợp để loại bỏ tất cả các khoáng chất, sẽ không để lại bất kỳ chất gì trong khuôn. Nếu nước không được xử lý đúng cách, các khoáng chất có thể gây khuyết điểm bề mặt và đứt đoạn.

Ngày nay, nhũ tương "nước trong dầu" và "dầu trong nước" được sử dụng, vì nước sẽ làm nguội bề mặt khuôn bằng cách bay hơi lắng đọng dầu hỗ trợ quá trình phun. Hỗn hợp nhũ tương phổ biến gồm tỷ lệ nước và dầu là 30:1. Trong các trường hợp cực hạn, tỷ lệ này có thể lên tới 100:1. Dầu được sử dụng bao gồm dầu cặn nặng (HRO - Heavy residual oil), mỡ động vật, dầu thực vật, dầu tổng hợp và hỗn hợp các thành phần này. Ở nhiệt độ phòng, HRO có dạng sệt ở nhưng với nhiệt độ cao trong khuôn đúc, dầu tạo thành một màng mỏng. Các chất khác như than chì, nhôm, mica,... được thêm vào để kiểm soát độ nhớt và nhiệt tính của nhũ tương. Các chất phụ gia hóa học khác được dùng để ức chế quá trình gỉ sét và oxy hóa. Ngoài ra, chất nhũ hóa được thêm vào để cải thiện quá trình tạo nhũ tương, như xà phòng, este, oxide etylen.

Trước đây thường dùng chất bôi trơn gốc dung môi như dầu diesel và dầu hỏa. Những thứ này khá tốt để lấy chi tiết ra khỏi khuôn nhưng mỗi lần đẩy ra đều tạo nên phản ứng nổ nhỏ, làm cho carbon tích tụ dần trên lòng khuôn. Lợi điểm là các chất này dễ thoa đều hơn so với chất bôi trơn từ nước.

Ưu điểm

Ưu điểm của đúc khuôn:

• Độ chính xác rất cao (phụ thuộc vào vật liệu đúc, nhưng thường là 0,1 mm cho 2,5 cm đầu tiên (0,004 inch cho 1 inch đầu tiên) và 0,02 mm cho mỗi cm tiếp theo (0,002 inch cho mỗi inch tiếp theo)).
• Bề mặt đúc nhẵn (Ra rms).
• Đúc được thành mỏng hơn so với khuôn cát và đúc khuôn vĩnh cửu (khoảng ).
• Chi tiết đệm có thể được đúc bên trong (như miếng đệm có ren, bộ phận gia nhiệt và bề mặt chịu lực có độ bền cao).
• Giảm hoặc loại bỏ các hoạt động gia công thứ cấp.
• Tốc độ sản xuất nhanh chóng.
• Vật đúc độ bền kéo cao tới .
• Đúc kim loại có độ chảy lỏng thấp.

Nhược điểm

Nhược điểm chính của đúc áp lực là chi phí vốn rất cao. Cả thiết bị đúc cần thiết, khuôn đúc và các thành phần liên quan đều rất tốn kém so với hầu hết các quá trình đúc khác. Vì vậy, để đúc khuôn có tính kinh tế, cần phải sản xuất khối lượng lớn. Các nhược điểm khác là:

• Không áp dụng được với kim loại có nhiệt độ nóng chảy và tỷ trọng cao như gang thép.
• Khối lượng đúc trước đây được giới hạn trong khoảng 30 gam (1 oz) đến 10 kg (20 lb), (nhưng từ năm 2018 thực tế có thể đưa một mẻ lên )
• Trong quá trình đúc khuôn tiêu chuẩn, vật đúc cuối cùng vẫn có một lượng nhỏ lỗ xâm kim. Từ đó không thể xử lý nhiệt hoặc hàn được vì nhiệt làm cho khí trong lỗ xâm kim nở ra, tạo ra các vết nứt nhỏ bên trong và bong tróc bề mặt. sử dụng một máy bơm chân không hút khí khỏi lòng khuôn và hệ thống rót kim loại trước và trong khi phun. Đúc hút chân không làm giảm rỗ xốp, cho phép xử lý nhiệt và hàn, cải thiện hoàn thiện bề mặt và có thể tăng độ bền.

Đúc phun trực tiếp

Đúc khuôn phun trực tiếp (direct-injection die casting) hoặc đúc khuôn không kênh dẫn (runnerless die casting) là quá trình đúc khuôn kẽm trong đó kẽm nóng chảy được ép qua một ống góp nung nóng và sau đó qua các vòi phun mini cũng nung nóng, dẫn vào lòng khuôn. Ưu điểm là chi phí cho mỗi chi tiết thấp hơn, thông qua việc giảm phế liệu (bằng cách loại bỏ thân đậu rót, miệng phun và kênh dẫn) và tiết kiệm năng lượng, cho chất lượng bề mặt tốt hơn thông qua chu kỳ làm mát chậm hơn.

Đúc bán lỏng

Đúc bán lỏng (Semi-solid die casting) sử dụng kim loại được gia nhiệt giữa nhiệt độ pha lỏng và pha rắn hoặc nhiệt độ eutecti, để nằm ở trạng thái "nhão sệt". Kỹ thuật này cho phép đúc các chi tiết phức tạp hơn và thành mỏng hơn. Phương pháp đúc bán lỏng được chia làm hai công nghệ: đúc lưu biến (Rheocasting) và đúc ép lỏng (Thixocasting).