Dịch vụ đúc nhôm & khuôn mẫu trọn gói

Trong quá trình phát triển sản phẩm của ngành sản xuất, không ngoa khi nói rằng “thiết kế” quyết định tất cả các công đoạn sau đó. Đặc biệt trong lĩnh vực đúc nhôm, cần phải cân nhắc kỹ lưỡng vì các quyết định ở giai đoạn thiết kế ảnh hưởng trực tiếp đến độ bền, độ chính xác, năng suất và chi phí của sản phẩm.

Ví dụ, chỉ một thay đổi nhỏ trong việc cài đặt độ dày thành vật đúc hay góc thoát khuôn cũng có thể làm thay đổi nguy cơ phát sinh các khuyết tật trong quá trình đúc (như rỗ co, rỗ khí, sai lệch kích thước, v.v.). Hơn nữa, trong sản xuất hàng loạt sử dụng khuôn, chỉ một sai sót nhỏ trong thiết kế cũng có thể dẫn đến chi phí làm lại như sản xuất hàng loạt sản phẩm lỗi hay phải sửa chữa khuôn.

Lý do thứ nhất là việc tối ưu hóa ở giai đoạn thiết kế đã trở nên không thể thiếu trong bối cảnh sản xuất đa chủng loại, số lượng ít đang ngày càng phát triển. Phương pháp “cứ làm khuôn trước rồi tính sau” như trước đây sẽ chỉ làm tăng số lần thử nghiệm, khiến chi phí và thời gian giao hàng ngày càng phình to.

Lý do thứ hai là cần có công nghệ để xác định sự cân bằng giữa độ bền, độ chính xác và chi phí ngay từ giai đoạn thiết kế. Ví dụ, chỉ “làm mỏng thành để giảm trọng lượng” có thể dẫn đến tính chảy của kim loại lỏng không đủ khi đúc và làm suy giảm độ bền kết cấu. Ngược lại, nếu chú trọng độ bền và làm thành dày, sẽ dẫn đến nguy cơ phát sinh rỗ do làm nguội không đều và chi phí cao.

Lý do thứ ba là sự phổ biến của các công nghệ mô phỏng như phân tích kết cấu (CAE) và phân tích đông đặc đã giúp cải thiện độ chính xác của thiết kế. Điều này đang chuyển đổi mô hình từ thời đại “khắc phục sai sót thiết kế tại hiện trường” sang thời đại do thiết kế dẫn dắt, “loại bỏ khuyết tật ngay từ giai đoạn thiết kế.”

Ví dụ, tại Daiwa Light Alloy Việt Nam, bằng cách sử dụng phân tích đông đặc để thiết kế phương án đúc và cân bằng làm nguội, họ đã giảm tỷ lệ lỗi hơn 30% ngay từ giai đoạn thiết kế khuôn. Mặt khác, để tận dụng tối đa lợi ích của các công nghệ phân tích này, bản thân các nhà thiết kế cần phải am hiểu sâu sắc về quy trình đúc và những thách thức của nó.

Như vậy, việc nhận thức rằng “thiết kế là công đoạn quyết định vận mệnh của sản phẩm” là rất quan trọng.

Bài viết này tập trung vào ba yếu tố đặc biệt quan trọng trong thiết kế đúc nhôm là “độ bền,” “độ chính xác,” và “chi phí,” đồng thời giới thiệu các kiến thức thiết kế và ví dụ thực tế để tối ưu hóa từng yếu tố. Bài viết cũng có đầy đủ các danh sách kiểm tra và mẹo tránh sai lầm có thể áp dụng tại hiện trường. Hãy sử dụng nó để xem xét lại quy trình thiết kế của công ty bạn.

Một trong những sức hấp dẫn của vật đúc nhôm là “nhẹ và bền,” nhưng để đạt được điều này, việc xem xét đến độ bền ở giai đoạn thiết kế là không thể thiếu. Đặc biệt, đối với các bộ phận chịu tải như linh kiện ô tô và vỏ máy, nứt hoặc gãy do không đủ độ bền là nguyên nhân chính gây ra sản phẩm lỗi.

Vì vậy, điều quan trọng không phải là “chỉ làm dày thành,” mà là thiết kế một hình dạng có kết cấu vững chắc.

Cơ sở của thiết kế độ bền là tối ưu hóa “độ dày thành” (nikuatsu). Nói chung, tăng độ dày sẽ tăng độ bền, nhưng có một rủi ro trong quá trình đúc là các phần thành dày có thời gian đông đặc lâu hơn, dễ phát sinh các khuyết tật như rỗ co (khoang rỗng bên trong) và rỗ khí (bọt khí).

Do đó, trong những năm gần đây, phương pháp chủ đạo là tăng độ cứng bằng cách sử dụng “gân gia cường” thay vì làm dày thành. Gân gia cường là một kỹ thuật để tăng cường độ cứng uốn và độ cứng xoắn của kết cấu trong khi vẫn giữ được độ dày thành mỏng. Nó đặc biệt hiệu quả đối với các kết cấu dạng tấm hoặc ống và cũng góp phần giảm trọng lượng.

Ngoài ra, nên giữ cho độ dày thành càng đồng đều càng tốt. Điều này được gọi là “đồng đều hóa độ dày thành.” Lý do là sự thay đổi đột ngột về độ dày sẽ gây ra sự đông đặc không đồng đều, dẫn đến nứt. Ví dụ, đối với các bộ phận lớn, người ta cũng áp dụng thiết kế sử dụng lõi (nakago) để tạo ra kết cấu rỗng, qua đó làm cho độ dày thành thực tế được đồng đều.

Độ bền không chỉ bị ảnh hưởng lớn bởi hình dạng thiết kế mà còn bởi vật liệu hợp kim được sử dụng. Các vật liệu đúc nhôm tiêu biểu có các đặc tính sau.

Đặc biệt, ADC12 tuy có độ bền cao nhưng cũng có nguy cơ cao về rỗ co và nứt, do đó việc tối ưu hóa phương án đúc thông qua mô phỏng đông đặc là bắt buộc.

Hiện nay, nhiều nhà sản xuất vật đúc đang sử dụng “phân tích đông đặc” và “phân tích kết cấu (FEM: Phương pháp phần tử hữu hạn).” Điều này giúp trực quan hóa sự làm nguội không đều và sự tập trung ứng suất, qua đó phòng tránh trước các nguy cơ khuyết tật ngay từ giai đoạn thiết kế.

Tại Daiwa Light Alloy Việt Nam, đã có báo cáo về trường hợp họ giảm 40% lỗi nứt do thiết kế bằng cách tận dụng các công nghệ phân tích này.

Tóm lại, chìa khóa của thiết kế độ bền là sự chuyển đổi từ “làm dày hơn” sang “làm cho kết cấu vững chắc hơn.” Hiểu rõ đặc tính vật liệu và đặc tính đúc, và tiếp cận thiết kế, phân tích, và đúc một cách xuyên suốt là con đường ngắn nhất để tạo ra những vật đúc nhẹ và bền.

Trong thiết kế vật đúc nhôm, “độ chính xác kích thước” là yếu tố tạo nên nền tảng chức năng của sản phẩm. Dù độ bền hay ngoại quan có tốt đến đâu, sản phẩm sẽ không thể thành hình nếu dung sai kích thước không phù hợp cho việc lắp ráp hoặc gia công cơ khí.

Hơn nữa, việc thiết kế dung sai không chỉ đơn giản là đặt ra các giá trị khắt khe, mà đòi hỏi sự “tối ưu hóa thực tế” bao gồm cả phương pháp đúc, điều kiện sản xuất hàng loạt và khả năng gia công. Ở đây, chúng ta sẽ giải thích những điều cơ bản về thiết kế dung sai và các phương pháp để đảm bảo độ chính xác.

Điều đầu tiên cần nắm vững trong thiết kế độ chính xác kích thước là tiêu chuẩn JIS B 0403 “Vật đúc – Hệ thống dung sai kích thước và lượng dư gia công.” Tiêu chuẩn này định nghĩa dung sai kích thước cho vật đúc là “FCT (Foundry dimensional Casting Tolerances)” và quy định các cấp dung sai cho từng phương pháp đúc.

Ví dụ, đối với đúc khuôn cát (FCT G), dung sai thường là khoảng ±1.5 đến ±5.0 mm, trong khi đúc khuôn kim loại (FCT M) có độ chính xác cao hơn, từ ±0.5 đến ±1.5 mm.

Mặt khác, trong quá trình đúc thực tế, các yếu tố sau ảnh hưởng đến sự biến động kích thước:

Đặc biệt, các bộ phận có hình dạng phức tạp dễ xảy ra sai lệch kích thước cục bộ, do đó việc đồng đều hóa độ dày thành và thiết kế cổng rót một cách khéo léo là không thể thiếu.

Đối với các sản phẩm sản xuất hàng loạt yêu cầu độ chính xác cao, đúc khuôn kim loại (đúc trọng lực, đúc áp lực thấp, đúc áp lực) là phương pháp chủ đạo. Vì khuôn được sử dụng lặp đi lặp lại, điều quan trọng là phải xem xét không chỉ kích thước ban đầu mà còn cả sự thay đổi kích thước theo chu kỳ (thay đổi theo thời gian).

Hai điểm cần đặc biệt lưu ý là:

Tại Daiwa Light Alloy Việt Nam, có trường hợp họ đã tối ưu hóa vị trí cổng rót và đường làm nguội bằng phân tích 3D, cải thiện tỷ lệ NG (sản phẩm lỗi) 20% ngay từ giai đoạn đầu sản xuất hàng loạt.

Hơn nữa, bằng cách thực hiện “thiết kế dung sai thân thiện với gia công” ngay từ giai đoạn thiết kế, chẳng hạn như thiết kế mặt chuẩn gia công lệch có chủ đích, hoặc bố trí cân bằng giữa góc thoát khuôn và dung sai kích thước, có thể nâng cao tỷ lệ sản phẩm đạt chất lượng tổng thể.

Độ chính xác kích thước không chỉ là “chuyện của milimét,” mà có thể nói là “đòn bẩy thiết kế ảnh hưởng đồng thời đến cả chất lượng và chi phí.”

Từ việc đảm bảo kích thước phó mặc cho hiện trường, đến việc quản lý kích thước do thiết kế dẫn dắt—đây là tiêu chuẩn mới trong thiết kế độ chính xác.

Trong phát triển sản phẩm vật đúc nhôm, chi phí gần như được quyết định hoàn toàn ở giai đoạn thiết kế. Điều này là do “thiết kế quy định quy trình, và quy trình quy định chi phí.”

Đặc biệt trong những năm gần đây, không chỉ việc kiềm chế đầu tư ban đầu mà cả việc tối ưu hóa chi phí trong toàn bộ vòng đời sản phẩm cũng được yêu cầu. Ở đây, chúng tôi sẽ giới thiệu cấu trúc chi phí của khuôn và gia công, cũng như các biện pháp tránh chi phí có thể thực hiện ở giai đoạn thiết kế.

Chi phí cốt lõi trong ngành đúc là “khuôn” và “gia công cơ khí.”

Chi phí khuôn thay đổi lớn tùy thuộc vào kích thước sản phẩm, độ phức tạp và phương pháp đúc (khuôn cát / khuôn kim loại / đúc áp lực). Mức giá thị trường ước tính như sau.

Ngoài ra, cần phải tính đến chi phí sửa chữa khuôn (do hao mòn theo thời gian, thay đổi thiết kế) và chi phí điều chỉnh ban đầu.

Các yếu tố ảnh hưởng đến chi phí gia công bao gồm “lượng dư gia công” và “góc thoát khuôn.”

Do đó, cần có sự cân bằng tối ưu giữa các yếu tố tưởng chừng như mâu thuẫn: “lượng dư gia công tối thiểu, góc thoát khuôn đủ lớn.”

Mặc dù vật đúc có độ tự do thiết kế cao, thiết kế tích hợp quá mức hoặc kết cấu thành quá mỏng có thể gây tác dụng ngược.

Những “ý đồ của nhà thiết kế” như vậy là những ví dụ điển hình cuối cùng lại làm tăng chi phí.

Bằng cách tiến hành xem xét thiết kế với nhà sản xuất đúc trước khi xác định thông số kỹ thuật cuối cùng của sản phẩm, có thể tránh được các chi phí sau:

Thực tế, tại Daiwa Light Alloy Việt Nam, có trường hợp họ đã giảm 30% chi phí gia công nhờ “tối ưu hóa độ dày thành trung gian” ở giai đoạn xem xét.

Lý do người ta nói “80% chi phí được quyết định bởi thiết kế” không gì khác hơn là vì nhà thiết kế nắm giữ cò súng.

Việc theo đuổi thiết kế chi phí tối ưu thông qua sự hợp nhất của thiết kế, đúc và gia công là nguồn gốc của khả năng cạnh tranh.

Công ty sản xuất linh kiện ô tô A, có trụ sở tại vùng Kansai, đã phải đối mặt với chi phí gia công cơ khí cao hơn dự kiến cho các sản phẩm đúc nhôm sản xuất hàng loạt. Khi lấy sản phẩm ra khỏi vật đúc, bavia phát sinh nhiều, làm tăng đáng kể công việc hoàn thiện trong quy trình gia công.

Nguyên nhân là do thiếu góc thoát khuôn ở giai đoạn thiết kế. Thiết kế ban đầu chú trọng đến ngoại quan và kích thước, chỉ đặt một góc nghiêng tối thiểu, kết quả là hiện tượng vật đúc bị kẹt vào khuôn khi lấy ra xảy ra thường xuyên. Phải mất hơn 15 phút cho mỗi sản phẩm để loại bỏ bavia và hoàn thiện.

Do đó, sau khi thảo luận với nhà sản xuất đúc, họ đã thực hiện một thiết kế lại, thêm +1.0 độ vào góc thoát khuôn. Kết quả là khả năng lấy sản phẩm ra khỏi khuôn được cải thiện và sự phát sinh bavia giảm đáng kể, giảm một nửa công sức ở công đoạn sau. Sau khi xem xét lại quy trình, họ đã đạt được mức giảm chi phí gia công hơn 500.000 Yên mỗi tháng.

Trường hợp này cho thấy tầm quan trọng của việc liên kết thiết kế và sản xuất.

Công ty B đã sử dụng vật đúc nhôm cho vỏ của thiết bị truyền thông. Đây là bộ phận yêu cầu độ chính xác ngoại quan và khả năng tản nhiệt, nhưng trong lô sản xuất hàng loạt đầu tiên, rỗ co (khoang rỗng bên trong) đã phát sinh với tỷ lệ cao. Kiểm tra bằng CT scan đã phát hiện nhiều khuyết tật nghiêm trọng, và việc giao hàng sản phẩm đã phải tạm dừng.

Nguyên nhân là do sự tồn tại cục bộ của các phần thành dày về mặt kết cấu. Đặc biệt, dòng chảy kim loại bị ứ đọng tại giao điểm với các gân gia cường, và rỗ đã hình thành do sự đông đặc chậm.

Ở giai đoạn thiết kế, “đồng đều hóa độ dày thành” và “cân bằng làm nguội” đã không được xem xét, và mô phỏng đông đặc cũng không được thực hiện. Kết quả là, họ phải đúc lại toàn bộ lô hàng đầu tiên và sửa chữa khuôn, rơi vào tình cảnh ba bề khó khăn: chậm trễ giao hàng, tăng chi phí và mất lòng tin của khách hàng.

Trường hợp này là một ví dụ điển hình cho thấy việc thiếu xem xét độ bền trong thiết kế đúc có thể gây ra những rủi ro nghiêm trọng đến mức nào.

Thiết kế có thể là chìa khóa thành công, cũng có thể là nguồn gốc của thất bại. Cuộc đối thoại giữa thiết kế và hiện trường là yếu tố quyết định để tối ưu hóa chất lượng đúc và chi phí.

A. Tối thiểu, hãy ghi rõ kích thước, dung sai, vật liệu, chỉ dẫn hoàn thiện và hướng của góc thoát khuôn.

Đặc biệt đối với vật đúc, điều quan trọng là phải ghi rõ các yếu tố dành riêng cho đúc (độ co ngót, lượng dư gia công, hướng rót, góc thoát khuôn, v.v.). Nếu nộp bản vẽ cơ khí thông thường, khuôn có thể được tạo ra mà không xem xét đến các đặc tính đúc, gây ra lỗi kích thước và lỗi không lấy được sản phẩm.

Ngoài bản vẽ, nên đính kèm một bảng thông số kỹ thuật đúc riêng (hoặc một bản ghi nhớ các yêu cầu). Việc ghi rõ các nội dung sau đây, ví dụ, sẽ giúp ngăn ngừa sự hiểu lầm với nhà sản xuất đúc:

A. Các định dạng tệp trung gian (STEP, IGES) là linh hoạt nhất và được khuyến nghị cao.

Vì dữ liệu 3D được sử dụng cho thiết kế khuôn và mô phỏng, lý tưởng nhất là nộp ở định dạng trung gian có độ chính xác bề mặt càng cao càng tốt.

Bổ sung thêm, an toàn nhất là cung cấp cả bản vẽ 2D và dữ liệu 3D cùng nhau. Chỉ với 3D, dung sai và chỉ dẫn hoàn thiện có thể trở nên mơ hồ, làm tăng nguy cơ xảy ra sự cố ở các công đoạn sau.

A. Nguyên tắc vàng là chỉ chuyển đổi sau khi tất cả các mục—”dung sai, độ bền, ngoại quan, và khả năng đúc”—đã được đánh giá hoàn tất.

Các “yếu tố NG tiềm ẩn” sau đây thường bị bỏ qua trong giai đoạn sản xuất thử:

Để xác định những điều này, việc tái tạo môi trường thực tế với một đợt sản xuất thí điểm nhỏ (10–50 chiếc) và thực hiện quét CT hoặc kiểm tra phá hủy là hiệu quả.

Hơn nữa, bằng cách chia sẻ một “bảng đánh giá chuyển đổi sản xuất” hoặc “danh sách kiểm tra khởi động” với nhà sản xuất đúc, có thể thực hiện việc chuyển giao sang sản xuất hàng loạt một cách suôn sẻ.

“Một chút nỗ lực trước khi đặt hàng” sẽ giúp tránh được những tổn thất lớn sau khi sản xuất. Việc nâng cao độ chính xác của bản vẽ, dữ liệu và thông số kỹ thuật sẽ làm tăng đáng kể xác suất thành công của thiết kế đúc.

Trong thiết kế đúc nhôm, ba yếu tố “độ bền,” “độ chính xác,” và “chi phí” luôn luôn gắn bó chặt chẽ với nhau, và nhà thiết kế cần phải tìm ra giải pháp tối ưu bằng cách cân bằng chúng.

Cách giải quyết những sự đánh đổi này ở giai đoạn thiết kế sẽ quyết định sự thành bại của sản phẩm đúc.

Để làm được điều đó, không chỉ là việc tạo bản vẽ đơn thuần mà là “thiết kế dựa trên sự hiểu biết về quy trình đúc” là không thể thiếu. Dòng chảy, làm nguội, đông đặc, lấy sản phẩm, gia công, xử lý bề mặt—năng lực thiết kế thực sự nằm ở việc đưa ra hình dạng, dung sai và thông số kỹ thuật hợp lý nhất sau khi đã lường trước tất cả những điều đó.

Chúng tôi hy vọng rằng những kiến thức và ví dụ được giới thiệu trong bài viết này sẽ giúp ích cho việc cải thiện thiết kế sản phẩm của công ty bạn. Nếu bạn có bất kỳ băn khoăn nào về thiết kế sản phẩm cụ thể, hãy hợp tác sớm với các nhà sản xuất đúc và các nhà thiết kế chuyên môn để xây dựng một quy trình thiết kế tận dụng “trí tuệ của hiện trường.”

Thiết kế không chỉ là “bản vẽ chi tiết” của sản phẩm mà còn là chính năng lực cạnh tranh của doanh nghiệp. Sự tiến hóa mà ngành sản xuất yêu cầu từ nay về sau chính là việc tối ưu hóa chất lượng đúc và chi phí do thiết kế dẫn dắt.