[Hướng dẫn quản lý chất lượng] Quản lý chất lượng đúc nhôm: Các điểm chính để ngăn ngừa lỗi

◆Mục lục

Giới thiệu

Đúc nhôm là công nghệ đúc sản xuất hàng loạt có thể đáp ứng nhiều ứng dụng khác nhau, chẳng hạn như các bộ phận ô tô và vỏ thiết bị điện tử. Tuy nhiên, nếu việc quản lý chất lượng đúc nhôm không được thực hiện triệt để, các lỗi như rỗ khí, nứt co ngót và sai lệch kích thước sẽ xảy ra, dẫn đến giảm năng suất và tăng chi phí sản xuất. Bài viết này, từ quan điểm quản lý chất lượng đúc nhôm, giải thích các điểm chính từ quản lý vật liệu, thiết kế khuôn, kiểm soát quy trình đến các phương pháp kiểm tra, nhằm mục đích nâng cao năng suất và giảm chi phí bằng cách ngăn ngừa lỗi. Đặc biệt đối với việc thu mua ở nước ngoài tại Đông Nam Á, bao gồm cả Việt Nam, việc thống nhất các tiêu chuẩn quản lý chất lượng đúc nhôm tại các cơ sở địa phương là chìa khóa để giảm thiểu rủi ro.

Quản lý chất lượng đúc nhôm: Các loại khuyết tật

Để thực hiện triệt để việc quản lý chất lượng đúc nhôm, điều cần thiết là phải nắm bắt chính xác các khuyết tật có thể xảy ra trên các bộ phận và thực hiện các biện pháp đối phó tương ứng. Chương này phân loại các khuyết tật thành bốn loại: “Rỗ khí (Porosity)”, “Lỗi co ngót”, “Độ nhám bề mặt” và “Sai lệch kích thước”, đồng thời giải thích các đặc điểm và tiêu chuẩn chấp nhận.

Rỗ khí (Porosity) (theo quan điểm quản lý chất lượng)

Khuyết tật rỗ khí là hiện tượng các khoảng trống nhỏ còn lại trong kim loại nóng chảy trong quá trình đúc, và là một trong những mục quan trọng nhất trong quản lý chất lượng.

Rỗ khí do khí: Nitơ và oxy trong kim loại nóng chảy bị giữ lại và tồn tại dưới dạng lỗ sau khi đông đặc. Nguyên nhân chính là do xử lý khử khí không đủ và không khí bị cuốn vào trong khuôn.
Rỗ khí do co ngót: Các khoảng trống hình thành do sự co thể tích trong quá trình đông đặc. Đặc biệt, làm nguội không đều là một yếu tố gây ra. Tiêu chuẩn chấp nhận là tỷ lệ rỗ trên độ dày thành dưới 2% và đường kính lỗ dưới 0.5mm. Duy trì tốc độ làm nguội từ 5–10℃/giây có thể ngăn chặn sự xuất hiện của nó.

Lỗi co ngót

Lỗi co ngót là hiện tượng kích thước hoặc thể tích của bộ phận thay đổi so với giá trị thiết kế trong quá trình làm nguội và đông đặc, ảnh hưởng trực tiếp đến độ chính xác về kích thước.

Co ngót kích thước: Chiều dài và độ dày co lại khoảng 2% do làm nguội. Ví dụ, một bộ phận 100mm có thể trở thành 98mm.
Co ngót thể tích: Các khoảng trống bên trong được tạo ra, dẫn đến giảm độ bền. Để đối phó, bằng cách tối ưu hóa trọng lượng một lần phun và duy trì tốc độ làm nguội từ 5–15℃/giây ở các phần có thành dày, có thể giữ tỷ lệ co ngót dưới 0.3%.

Độ nhám bề mặt

Trong quản lý chất lượng đúc nhôm, tình trạng bề mặt cũng là một chỉ số quan trọng để đánh giá sản phẩm.

Chỉ số đánh giá: Sử dụng Ra (độ nhám trung bình) và Rz (độ sâu của độ nhám), với phạm vi chấp nhận là Ra từ 1.6–6.3µm.
Nguyên nhân phát sinh: Mài mòn khuôn, thoát khí kém, khuấy kim loại nóng chảy không đủ, v.v. Để đối phó, hãy thực hiện kiểm tra và làm sạch định kỳ khuôn và các kênh làm mát, và tối ưu hóa vị trí của các lỗ thoát khí để đảm bảo chất lượng bề mặt ổn định.

Sai lệch kích thước

Nếu hình dạng bộ phận bị lệch so với bản vẽ thiết kế, nó sẽ ảnh hưởng đến việc lắp ráp và hiệu suất.

Ví dụ về nguyên nhân: Làm nguội không đều → cong vênh; áp suất vượt quá 1,000–2,000 bar → biến dạng; điền đầy không đủ → độ dày thành không đều.
Dung sai cho phép: Tiêu chuẩn là trong khoảng ±0.1mm, và yêu cầu độ dày thành đồng nhất từ 1.5–3mm. Hãy cải thiện độ chính xác về kích thước thông qua mô phỏng làm nguội bằng phân tích CAE và kiểm soát áp suất phun và nhiệt độ khuôn.

Bằng cách nắm bắt chính xác bốn loại khuyết tật này và thực hiện các biện pháp đối phó khác nhau, bạn có thể tăng cường quản lý chất lượng đúc nhôm và đồng thời đạt được cả việc cải thiện năng suất và giảm chi phí.

Quản lý vật liệu để quản lý chất lượng đúc nhôm

Trong quản lý chất lượng đúc nhôm, thành phần của vật liệu và trạng thái của kim loại nóng chảy ảnh hưởng lớn đến chất lượng của sản phẩm cuối cùng. Phần này tập trung vào thiết kế thành phần của các hợp kim đúc tiêu biểu và quản lý độ sạch và nhiệt độ của kim loại nóng chảy, giới thiệu các mục tiêu số cụ thể và phương pháp.

Tối ưu hóa thành phần hợp kim

Hợp kim ADC12 thường được sử dụng chứa các nguyên tố sau với Al làm nền (khối lượng %):

Al: 77.3–86.5%
Si: 10.5–12.0%
Cu: 3.0–4.5%
Fe: ≤1.3%
Mg: ≤0.10%
Mn: ≤0.50%
Ni: ≤0.50%
Tổng các chất khác: ≤0.50% (Redstone Manufacturing®)

Silicon tăng cường tính lưu động của kim loại nóng chảy, cải thiện khả năng điền đầy khuôn và khả năng tái tạo các phần thành mỏng. Đồng tăng cường độ bền sau khi đông đặc và khả năng chống mài mòn, vì vậy hàm lượng của nó có thể được điều chỉnh khoảng 0.2 đến 0.5 điểm phần trăm tùy thuộc vào ứng dụng. Trong khi tuân thủ các tiêu chuẩn công cộng như JIS H 5302, hãy tối ưu hóa các tỷ lệ thành phần này bằng cách xem xét các yêu cầu chức năng của sản phẩm và cân bằng chi phí của công ty bạn.

Quản lý chất lượng kim loại nóng chảy (độ sạch/nhiệt độ)

Các yếu tố làm suy giảm chất lượng trong kim loại nóng chảy được phân loại rộng rãi thành “tạp chất” và “khí hòa tan”.

Ngăn chặn tạp chất: Các oxit như alumina ( $A l_{2} O_{3}$ ) và spinel ( $M g A l_{2} O_{4}$ ) sẽ gây ra rỗ khí và khuyết tật bề mặt nếu chúng lọt vào khuôn. Trong khi ngăn chặn quá trình oxy hóa trong lò, hãy loại bỏ các tạp chất rắn bằng xử lý trợ dung.
Xử lý khử khí: Giảm lượng hydro hòa tan bằng cách thổi nitơ hoặc argon ở áp suất 0.1–0.3 MPa và thực hiện khuấy khử khí trong khoảng 5 phút.
Quản lý nhiệt độ: Đặt mục tiêu nhiệt độ kim loại nóng chảy là 680–750℃ trong lò nấu chảy và 730±10℃ trong lò giữ nhiệt, và duy trì sự ổn định triệt để trong khoảng ±5℃.

Bằng cách tiêu chuẩn hóa các mục quản lý này và kết hợp chúng với việc ghi nhật ký dữ liệu như SPC, bạn có thể đạt được cả việc giảm biến động trong ngắn hạn và cải thiện tỷ lệ sản phẩm tốt trong dài hạn, tăng cường hơn nữa việc quản lý chất lượng đúc nhôm.

Quản lý chất lượng đúc nhôm: Giảm lỗi thông qua kiểm soát quy trình

Là nền tảng của quản lý chất lượng đúc nhôm, việc kiểm soát tối ưu áp suất phun, tốc độ phun, nhiệt độ khuôn và tốc độ làm nguội trong quá trình sản xuất là điều cần thiết. Bằng cách quản lý đúng các thông số này, các lỗi như rỗ khí, nứt co ngót và sai lệch kích thước có thể được giảm thiểu đáng kể. Phần này giải thích ba điểm kiểm soát chính.

Kiểm soát áp suất phun và tốc độ phun

Đặt áp suất phun mục tiêu là 100–150 MPa và tốc độ phun là 200–400 mm/s. Việc điền đầy ở áp suất cao, tốc độ cao ngăn chặn sự đông đặc sớm của kim loại nóng chảy và sự cuốn vào của không khí, do đó ngăn chặn việc điền đầy không đều và hư hỏng khuôn.

Tối ưu hóa nhiệt độ khuôn và tốc độ làm nguội để quản lý chất lượng đúc nhôm

Duy trì nhiệt độ khuôn ở mức 200–300℃ và tốc độ làm nguội ở mức 10–20℃/giây thúc đẩy quá trình đông đặc đồng đều và giúp ngăn chặn sự xuất hiện của rỗ co ngót và biến dạng. Ngoài ra, thời gian chu kỳ từ 30–60 giây được khuyến nghị để cân bằng giữa năng suất và chất lượng.

Giới thiệu SPC (Kiểm soát quy trình bằng thống kê)

Với SPC, sử dụng biểu đồ kiểm soát và phân tích Cp/Cpk để trực quan hóa các biến động về áp suất phun, tốc độ làm nguội và nhiệt độ kim loại nóng chảy trong thời gian thực. Dữ liệu vượt quá giới hạn kiểm soát sẽ kích hoạt cảnh báo tự động, cho phép điều tra nguyên nhân và thực hiện các biện pháp đối phó kịp thời. Hơn nữa, hãy xây dựng một chu trình cải tiến liên tục bằng cách kết hợp ghi nhật ký dữ liệu và phân tích thông qua tích hợp IoT.

Các điểm chính cho thiết kế và bảo trì khuôn

Để đảm bảo quản lý chất lượng đúc nhôm một cách triệt để, điều quan trọng là phải quản lý nhất quán mọi thứ từ thiết kế và lựa chọn vật liệu của chính khuôn, đến tối ưu hóa bằng phân tích CAE, và từ kiểm tra hàng ngày đến quản lý tuổi thọ. Trong phần này, chúng tôi sẽ giải thích từng điểm trong khi kết hợp từ khóa “quản lý chất lượng đúc nhôm” theo quan điểm SEO.

Thiết kế vật liệu và cấu trúc khuôn để quản lý chất lượng đúc nhôm (SKD61, ADC12, v.v.)

Đối với thép làm khuôn, hãy sử dụng SKD61, loại thép có độ bền nhiệt độ cao và độ dẻo dai và chống mài mòn tuyệt vời ở 600℃ trở lên, để kéo dài tuổi thọ khuôn và đạt được quản lý chất lượng đúc nhôm ổn định. Sử dụng ADC12, loại vật liệu cân bằng giữa khả năng đúc và các đặc tính cơ học, cho vật liệu đúc để tăng cường khả năng phù hợp với các thành mỏng và hình dạng phức tạp. Khuôn bao gồm ba yếu tố: một nửa cố định, một nửa di động và một lõi. Bằng cách bố trí các lõi trượt và cơ cấu cam một cách thích hợp, cả khả năng tháo khuôn và độ cứng đều đạt được. Một thiết kế phân bổ tải trọng cho các bộ phận trượt đặc biệt hiệu quả trong việc ngăn chặn mài mòn.

Tối ưu hóa các kênh làm mát và vị trí cổng vào bằng phân tích CAE để quản lý chất lượng đúc nhôm

Sử dụng phân tích dòng chảy CAE để trực quan hóa các vị trí có thể xảy ra hiện tượng chảy thiếu hoặc cuốn khí. Thiết kế các kênh làm mát để làm mát toàn bộ khuôn một cách đồng đều, ngăn chặn sự thay đổi nhiệt độ trong quá trình đông đặc. Trong phân tích độ bền, dự đoán các điểm tập trung ứng suất và biến dạng, và tối ưu hóa các gân gia cố và cấu trúc đẩy để ngăn ngừa các vết nứt trước khi chúng xảy ra. Hơn nữa, điều chỉnh vị trí cổng vào, bao gồm vị trí đầu vào và hình dạng mặt cắt ngang, theo hình dạng sản phẩm và sự phân bố độ dày thành để giảm dòng chảy không đều và ứng suất dư, do đó nâng cao độ chính xác của quản lý chất lượng đúc nhôm.

Kiểm tra hàng ngày, bảo trì định kỳ và quản lý tuổi thọ để quản lý chất lượng đúc nhôm

Để kiểm tra hàng ngày, là bước đầu tiên trong quản lý chất lượng đúc nhôm, hãy kiểm tra trực quan sự mài mòn và hư hỏng trên các bề mặt trượt và xung quanh các lỗ thông hơi, và thực hiện làm sạch và bôi trơn trước khi sử dụng khuôn. Trong các cuộc kiểm tra định kỳ, đo chính xác kích thước và hình dạng sau một số chu kỳ nhất định, và thay thế hoặc sửa chữa các bộ phận bị mòn. Để quản lý tuổi thọ, ghi lại số lần sử dụng và tổng số giờ hoạt động, và nhờ các kỹ thuật viên chuyên nghiệp chẩn đoán các dấu hiệu nứt sớm. Bằng cách thực hiện đại tu hoặc thay thế khuôn vào thời điểm thích hợp, bạn có thể giảm thiểu nguy cơ ngừng hoạt động đột ngột trong khi tối đa hóa hiệu quả chi phí và ổn định quản lý chất lượng đúc nhôm.

Sử dụng IoT và công nghệ kỹ thuật số trong quản lý chất lượng đúc nhôm

Tại nhà máy, ngoài SPC thông thường, việc kết hợp các cảm biến IoT với công nghệ đám mây/biên cho phép giám sát thời gian thực và dự đoán chất lượng dựa trên dữ liệu để quản lý chất lượng đúc nhôm.

Giám sát thời gian thực bằng cảm biến

Lắp đặt các cảm biến nhiệt độ, áp suất, lưu lượng, rung động và âm thanh trên mỗi máy đúc để thu thập dữ liệu mỗi chu kỳ. Dữ liệu được gửi qua mạng đến các máy chủ đám mây hoặc biên, cho phép tình trạng hoạt động và nhiệt độ khuôn của khoảng 40 máy tại hai địa điểm trong nước được trực quan hóa và phân tích trên web. Hệ thống này cho phép nắm bắt dữ liệu quản lý chất lượng đúc nhôm trong thời gian thực ngay cả từ các địa điểm xa, cải thiện đáng kể việc xác định nguyên nhân và khả năng truy xuất nguồn gốc khi có lỗi xảy ra (Softopia Japan). Cũng có ngày càng nhiều trường hợp số lượng sản xuất và số lượng lỗi được thu thập theo một định dạng thống nhất từ các máy đúc của các nhà sản xuất và năm sản xuất khác nhau, và các cảnh báo tức thời được gửi đến hiện trường thông qua màn hình Andon hoặc thông báo trên điện thoại thông minh (PATLITE CORPORATION).

Phân tích dữ liệu và dự đoán chất lượng

Phân tích dữ liệu quy trình đã thu thập—chẳng hạn như áp suất phun, tốc độ phun, nhiệt độ kim loại nóng chảy và đường cong làm nguội—bằng các mô hình AI/học máy để cho phép xác định lỗi sau khi đúc và phát hiện dự đoán các bất thường của thiết bị. Trong một nghiên cứu điển hình liên quan đến Toyota Industries Corporation và Siemens, khoảng 40,000 điểm dữ liệu mỗi lần phun đã được thu thập bằng bộ điều khiển Simatic S7-1500 và được phân tích trong thời gian thực bằng một mô hình AI trên Industrial Edge. Bằng cách theo dõi các biến động trong điều kiện sản xuất và dự đoán các bất thường của thiết bị có thể gây ra lỗi, họ đã cải thiện đáng kể tỷ lệ sản phẩm tốt (AIXTAL). Tương tự, các hệ thống dự đoán chất lượng tận dụng dữ liệu lớn đạt được sự cải thiện về Cp/Cpk và giảm tỷ lệ lỗi, góp phần vào việc cải tiến liên tục quản lý chất lượng đúc nhôm (Impress x D-Cross).

Nghiên cứu điển hình về quản lý chất lượng đúc nhôm

Câu chuyện thành công: Nhà máy đúc sáng tạo của Công ty A hỗ trợ quản lý chất lượng

Để tăng cường quản lý chất lượng đúc nhôm, Công ty A (AISIN) đã giới thiệu bốn công nghệ sáng tạo sau đây trên tất cả các quy trình.

Hệ thống cung cấp kim loại nóng chảy không cần nâng
Khuôn làm mát ba chiều
Khuôn làm mát tích hợp cao
Kiểm soát nhiệt độ phòng và tối ưu hóa ánh sáng ban ngày

Thông qua các công nghệ này, công ty đã cải thiện đáng kể năng suất trong khi cân bằng giữa an toàn và quản lý chất lượng trong các quy trình sản xuất của mình (AISIN CORPORATION Global Website, AISIN CORPORATION Global Website).

Kết quả

Lượng khí thải $C O_{2}$ : giảm 40% so với các phương pháp thông thường
Tỷ lệ lỗi: giảm 50%
Thời gian chu kỳ: giảm 28%

Thông qua những nỗ lực này, Công ty A đã giành được Giải thưởng của Bộ trưởng Bộ Kinh tế, Thương mại và Công nghiệp tại Giải thưởng lớn Monodzukuri Nippon lần thứ 9, khẳng định vị thế là một công ty hàng đầu trong lĩnh vực quản lý chất lượng đúc nhôm (Trang người chiến thắng Giải thưởng lớn Monodzukuri Nippon lần thứ 9).

Kết luận

Bài viết này, từ quan điểm quản lý chất lượng đúc nhôm, đã hệ thống hóa các lỗi điển hình như rỗ khí, lỗi co ngót, độ nhám bề mặt và sai lệch kích thước cùng với nguyên nhân của chúng, và đã chứng minh tầm quan trọng của việc tối ưu hóa thành phần hợp kim ADC12 và quản lý chất lượng kim loại nóng chảy. Ngoài ra, bài viết đã bao quát toàn bộ quy trình quản lý chất lượng đúc nhôm bằng cách giải thích việc kiểm soát tối ưu áp suất/tốc độ phun và nhiệt độ/tốc độ làm nguội của khuôn, việc giới thiệu SPC, lựa chọn vật liệu và thiết kế cấu trúc khuôn, tối ưu hóa các kênh làm mát và vị trí cổng vào thông qua phân tích CAE, và quản lý tuổi thọ qua các cuộc kiểm tra hàng ngày và bảo trì định kỳ. Hơn nữa, bài viết đã giới thiệu các phương pháp giám sát chất lượng thời gian thực và phát hiện dự đoán bằng cách sử dụng các cảm biến IoT và phân tích dữ liệu, kết hợp với kiểm tra trực quan và kích thước, cũng như thử nghiệm không phá hủy và phá hủy. Dựa trên câu chuyện thành công của Công ty A, hãy thúc đẩy việc cải tiến liên tục quản lý chất lượng đúc nhôm bằng cách thực hiện tích hợp các biện pháp này để đạt được cả việc cải thiện năng suất và giảm chi phí trong chuỗi cung ứng toàn cầu.

Nguồn tham khảo:

Bộ Kinh tế, Thương mại và Công nghiệp, Khảo sát Thống kê Sản xuất Hiện tại “Sản phẩm kim loại hàng tháng (Đúc, Tổng cộng nhôm)” (e-Stat) e-stat.go.jp
Aludiecasting “Quản lý chất lượng đúc | Hướng dẫn đầy đủ 2025” (https://aludiecasting.jp/guide/quality-management-2025/)
Nihon Kounetsu Co., Ltd. “Sổ tay công nghệ giảm chi phí và cải thiện chất lượng” (https://www.nihonkounetsu.co.jp/handbook/quality-improvement-2024.pdf)
Chuyên mục chính thức của Daiwa Keikinzoku Việt Nam “Kiến thức cơ bản về thiết kế và bảo trì khuôn” (https://www.daiwa-vn.com/column/mold-maintenance)

Dịch vụ đúc nhôm & khuôn mẫu trọn gói