Nghiên cứu mô phỏng khuyết tật rỗ bằng công nghệ đúc furan sử dụng phần mềm procast

TẠP CHÍ KHOA HỌC CÔNG NGHỆ GIAO THÔNG VẬN TẢI, SỐ 33-08/2019 
11 
NGHIÊN CỨU MÔ PHỎNG KHUYẾT TẬT RỖ BẰNG CÔNG 
NGHỆ ĐÚC FURAN SỬ DỤNG PHẦN MỀM PROCAST 
STUDYING SIMULATION BLOW HOLES DEFECT BY FURAN CASTING 
TECHNOLOGY USING PROCAST SOFTWARE 
Trần Pháp Đông 
Đại học Hàng Hải Việt Nam 
tranphapdong@gmail.com 
Tóm tắt: Bài báo này trình bày kết quả mô phỏng khuyết tật rỗ bằng công nghệ đúc furan sử dụng 
phần mềm mô phỏng Procast... Dựa vào các điều kiện ban đầu (như yêu cầu sản phẩm thực tế, các bản 
vẽ) tác giả xây dựng phương án sản xuất sơ bộ sau đó thông qua việc mô phỏng quá trình đúc trên 
phần mềm để xác định được phương án tối ưu. Bài báo đã thiết lập được, xây dựng hệ thống rót cũng 
như tiến hành mô hình hóa mô phỏng quá trình đúc Các kết quả nghiên cứu cho thấy: sau khi tính toán 
mô phỏng bằng phần mềm chuyên dụng Procast đã xác định được vị trí khuyết tật lõm co. Từ đó tác giả 
đã đưa ra các cảnh báo về sự xuất hiện của các khuyết tật có trong vật đúc; xác định chính xác vị trí 
các khuyết tật này. Từ kết quả mô phỏng tác giả đã áp dụng vào thực tế sản xuất và nhận thấy rằng việc 
mô phỏng quá trình đúc bằng phần mềm procast thực sự chính xác trong việc đưa ra về khuyết tật của 
vật đúc. 
Từ khóa: Mô hình hóa; mô phỏng số; khuyết tật; vật đúc; đúc furan 
Chỉ số phân loại: 2.1 
Abstract: This paper presents simulation results of pitting defects with furan casting technology 
using Procast simulation software. Based on the initial conditions (such as actual product requirements, 
drawings ...), the author develops a preliminary production plan later through simulating the casting 
process on procast software to determine the method. The article has been established, building pouring 
system as well as conducting modeling simulation of casting process. The research results show that: 
after calculating simulation with Procast dedicated software, the concave defects location has been 
identified. Since then the author has issued warnings about the occurrence of defects in castings; 
determine the exact location of these defects. From the simulation results, the author has applied to the 
actual production and found that the simulation of procast software casting process is really accurate 
in making the defects of castings. 
Keywords: Modeling; numerical simulation; disabilities; casting; Furan casting 
Classification number: 2.1 
1. Giới thiệu 
Đúc là một kỹ thuật gia công chế tạo các 
chi tiết máy phổ biến áp dụng trong các lĩnh 
vực công nghiệp. Đây là quá trình nấu chảy 
kim loại rồi rót vào khuôn; sau quá trình đông 
đặc sẽ thu được sản phẩm với hình dáng và 
kích thước theo thiết kế. Ngày nay, công nghệ 
đúc mỗi ngày một phát triển và áp dụng ngày 
càng nhiều đặc biệt là quá trình đúc chính xác. 
Tuy nhiên, kiểm soát chất lượng vật đúc là cả 
một vấn đề lớn. Trong quá trình đúc thường 
xuất hiện một số dạng khuyết tật phổ biến như: 
Rỗ co; lõm co; thiên tích. Trong đó rỗ co 
vào bên trong là dạng khuyết tật nguy hiểm 
bởi lẽ bằng mắt thường chúng ta khó có thể 
phát hiện được các khuyết tật này [1-3]. 
Nếu như trước đây, chất lượng vật đúc 
phụ thuộc nhiều vào kinh nghiệm của người 
thợ và phải đợi sau khi thu được sản phẩm mới 
có thể xác định được thì ngày nay bằng công 
nghệ hiện đại với các phần mềm tính toán mô 
phỏng ưu việt chúng ta có thể tính toán xác 
định chính xác vị trí khuyết tật cũng như tính 
toán được quá trình đông đặc. Nhờ những ưu 
việt cơ bản của các phần mềm thiết kế đúc mà 
tỷ lệ sai hỏng được giảm xuống; tiết kiệm 
được cho nhà máy [4-7]. 
Trên thế giới hiện nay có nhiều phần mềm 
mô phỏng khác nhau. Tuy nhiên Procast là 
phần mềm mô phỏng chuyên dụng cho công 
nghệ đúc [8-12,6]. 
Procast (đựoc phát triển bởi ESI - Group 
của Hoa Kỳ) là phần mềm cho phép dự đoán 
toàn bộ một chu trình đúc. Bao gồm mô phỏng 
 12 
Journal of Transportation Science and Technology, Vol 33, Aug 2019 
quá trình điền đầy khuôn, quá trình đông đặc, 
tổ chức tế vi, và quá trình cơ nhiệt (nứt nóng, 
ứng suất, bền mỏi) của vật đúc. Quá trình mô 
phỏng được thực hiện một cách nhanh chóng 
và cho kết quả ngay. Giúp nhà sản xuất có thể 
kịp thời sửa chữa thiết kế của mình trước khi 
đưa vào sản xuất [9-14]. 
Dựa trên nền tảng mô hình phần tử hữu 
hạn, kết hợp với các tiện ích được tích hợp sẵn 
và một hệ thống cơ sở dữ liệu ngày càng được 
hoàn thiện. Procast thực sự trở thành một công 
cụ mạnh mẽ giúp nhà sản xuất giảm giá thành 
sản phẩm, tăng năng suất đúc và tăng chất 
lượng vật đúc [12,15,16]. 
Phần mềm dựa trên phương pháp phần tử 
hữu hạn (FEM) đây là phương pháp số để giải 
các bài toán trong quá trình đúc bằng các 
phương trình vi phân với những điều kiện biên 
cụ thể. Kết quả mô phỏng thu được có thể là 
[10]: 
Hình 1. Mô phỏng phân bố nhiệt và 
quá trình đông đặc. 
Hình 2. Mô phỏng vị trí rỗ. 
Qua nhiều lần kiểm tra so sánh giữa quá 
trình mô phỏng và thực tế sản xuất phần mềm 
Procast đã được rất nhiều công ty cũng như 
nhà khoa học đánh giá rất cao và được áp dụng 
rộng rãi. 
Phần mềm Procast được ứng dụng chủ 
yếu trong các công nghệ đúc sau: 
+ Đúc khuôn cát sét, furan, alphaset; 
+ Đúc khuôn mẫu chãy (khuôn vỏ mỏng); 
+ Đúc khuôn mẫu thoát khí (mẫu sẽ hóa 
hơi trong quá trình kim loại điền đầy khuôn); 
+ Đúc ly tâm; 
+ Đúc bán lỏng; 
+ Đúc liên tục; 
+ Đúc áp lực (áp lực cao, áp lực thấp) [9, 
12, 14]. 
Công nghệ đúc furan là công nghệ 
coldbox. Cát được trộn với nhựa furan theo 
một tỷ lệ nhất được với chất đóng rắn là 
H2SO4. Đặc điểm của công nghệ này độ bền 
của khuôn khá cao và có khả năng tái sinh 
được cát sau khi đúc. Với công nghệ đúc furan 
sẽ cho sản phẩm có độ nhẵn bóng và chính xác 
ở bề mặt [1]. 
Chính nhờ những ưu điểm phân tích ở 
trên của phần mềm Procast bài báo tiến hành 
nghiên cứu mô phỏng khuyết tật rỗ xuất hiện 
trong chi tiết đúc bằng công nghệ đúc furan. 
2. Phương pháp thiết kế và ứng dụng 
phần mềm Procast 
2.1. Sơ đồ thiết kế 
Hình 3. Sơ đồ khối quá trình mô phỏng. 
2.2. Các bước thao tác mô phỏng 
Quá trình mô phỏng đúc được thể hiện 
như sơ đồ ở trên và có thể miêu tả như sau: Từ 
bản vẽ thiết kế ban đầu xây dựng mô hình 3D 
cho chi tiết cùng với đó là thiết kế khuôn đúc. 
Từ yêu cầu công việc, sản phẩm xây dựng bản 
vẽ 2D sau đó tạo mô hình 3D. Với bước này 
thì có thể tùy chọn dùng PRO, UNX, CATIA. 
Chỉnh sửa sao cho thu được thiết kế phù 
hợp; tiến hành mô phỏng phân tích quá trình 
để có được phương án tối ưu. Trong quá trình 
TẠP CHÍ KHOA HỌC CÔNG NGHỆ GIAO THÔNG VẬN TẢI, SỐ 33-08/2019 
13 
này cần thực hiện biện pháp chia lưới cũng 
như khai báo thông số đầu vào của quá trình 
đúc. Dưới đây là cụ thể hóa các phương trong 
quá trình ở trên. 
Bước 1. Bản vẽ chi tiết. 
Hình 4. Bản vẽ chi tiết. 
Đối với sản phẩm này khuôn đúc và hệ 
thống rót, ngót không có yêu cầu đặc biệt nên 
ta tiến hành thiết kế hệ thống rót, ngót và 
khuôn ngay trên công cụ sẵn có của phần mềm 
Procast 
 Thiết kế các hệ thống rót, hệ thống 
ngót. 
 Thiết kế khuôn. 
Bước 2. Mesh 
Chú ý: 
+ Thực hiện Mesh lần lượt các chi tiết đã 
vẽ; 
+ Việc chia lưới là công đoạn khó khăn 
nhất của Procast. Ví dụ: Vật đúc có những gờ 
hay thành dày cỡ 1 mm chẳng hạn thì lưới 
không thể lớn hơn 1mm vì như vậy Mesh sẽ 
bị lỗi. Tuy nhiên cũng không thể Mesh nhỏ 
quá thì quá trình mô phỏng trên máy tính sẽ 
diễn ra rất lâu. 
 Mesh khuôn, vật đúc, hệ thống rót, hệ 
thống ngót. 
Bước 3. Procast (nhập các thông số đúc). 
 Gắn vật liệu cho khuôn, vật đúc. 
 Xác định hệ số trao đổi nhiệt khuôn - 
vật đúc (interface). 
 Xác định điều kiện biên, như nhiệt độ, 
vận tốc vào kim loại trao đổi nhiệt khuôn môi 
trường, nhiệt độ hệ thống làm mát..... 
 14 
Journal of Transportation Science and Technology, Vol 33, Aug 2019 
 Thiết lập gia tốc trọng trường. 
 Thiết lập điều kiện chạy mô phỏng: 
Dòng chảy, chu kỳ, ứng suất hay micro-
structure, áp suất... 
Bước 4. Run (sau khi thiết lập các thông 
số chọn save Run) Bắt đầu chạy mô phỏng. 
Bước 5. Viewcast (xuất ra kết quả mô 
phỏng). 
 Phân bố nhiệt độ. 
 Bố trí điền đầy. 
 Những vị trí nguy hiểm cần khắc phục. 
3. Kết quả sau khi mô phỏng 
Từ bản vẽ 2D về chi tiết cút nối trong hệ 
thống cứu hỏa trên tàu tiến hành xây dựng bản 
vẽ mô hình 3D cho chi tiết. Quá trình xây 
dựng mô hình thu được kết quả như sau: 
Hình 5. Mô hình 3D hệ thống rót. 
 Bản vẽ 3D theo thiết kế ban đầu (khi 
chưa sử dụng phần mềm Procast). 
TẠP CHÍ KHOA HỌC CÔNG NGHỆ GIAO THÔNG VẬN TẢI, SỐ 33-08/2019 
15 
 Bản vẽ 3D sau khi mô phỏng bằng 
phần mềm Procast: Phần mềm sẽ cho biết 
những vị trí có dấu đỏ là nguy cơ xảy ra hiện 
tượng lõm (co ngót). 
Hình 6. Kết quả mô phỏng. 
Phân tích kết quả mô phỏng chi tiết bằng 
phần mềm Procast cho thấy với việc bố trí hệ 
thống rót và ngót như hiện nay trong lòng chi 
tiết xuất hiện rất nhiều khuyết tật lõm co (vị 
trí đỏ). Những khuyết tật này sẽ ảnh hưởng 
đến chi tiết ở những điểm sau: 
+ Chi tiết không được điền đầy kim loại; 
+ Cơ tính không được đảm bảo; 
+ Vị trí khuyết tật sát với hỗn hợp làm 
khuôn dễ gây hiện tượng sập hòm khuôn. 
Như vậy có thể thấy rằng, cách bố trí hệ 
thống rót và ngót như hiện nay là bất hợp lý 
gây ảnh hưởng xấu đến chất lượng vật đúc. 
4. Kết luận 
Như vậy bằng phần mềm Procast bài báo 
đã nghiên cứu mô phỏng tìm được vị trí 
khuyết tật rỗ của chi tiết theo phương án thiết 
kế trên. Những khuyết tật này nằm bên trong 
chi tiết rất khó để có thể phát hiện được. 
Từ những kết quả của mô phỏng quá trình 
đúc giúp chúng ta đánh giá phân tích và chỉnh 
sửa thiết kế quá trình đúc 
Tài liệu tham khảo 
[1] Nguyễn Hữu Dũng, Nguyễn Hồng Hải, Cơ sở lý 
thuyết các quá trình đúc, NXB Khoa học và Kỹ 
thuật, Hà Nội. 
[2] Nguyễn Hữu Dũng (2006), Hợp kim đúc, NXB 
Khoa học và Kỹ thuật, Hà Nội. 
[3] Lê Công Dưỡng (2000), Vật Liệu Học, NXB Khoa 
Học và Kỹ Thuật, Hà Nội. 
[4] Trần Hữu Tường, Đinh Công Mễ, Trần Tại, 
Nguyễn Văn Siêm, Lê Viết Ngưu và Vũ Công 
Luận (1972) , Công nghệ kim loại, NXB Đại học 
và Trung học chuyên nghiệp. 
[5] Phạm Đình Sùng (1998), Công nghệ gia công kim 
loại, NXB Xây dựng. 
[6] Phạm Quang Lộc (2000), Kỹ thuật đúc, NXB 
Thanh niên. 
[7] Bành Tiến Long (2001), Nguyên lý gia công vật 
liệu. NXB Khoa học và Kỹ thuật; 
[8] R.A. Stoehr and W.S. Hwang (1983), Modeling 
the Flow of Molten Metal Having a Free Surface 
During the Entry Into Molds, in Proceedings of 
the Engineering Foundation, Modeling and 
Control of Casting and Welding Processes, II, The 
Metallurgical Society. 
[9] A.A. Amsden and F.H. Harlow, "The SMAC 
Method, A Numerical Technique for Calculating 
Incompressible Flows," Technical Report LA-
4370, Los Alamos Scientific Laboratory, 1970 
[10] B.D. Nichols, C.W. Hirt, and R.S. Hotchkiss 
(1980), "SOLA-VOF, A Solution Algorithm for 
Transient Fluid Flow With Multiple Free 
Boundaries," Technical Report LA-8355, Los 
Alamos Scientific Laboratory. 
[11] R.J. Roache (1976), Computational Fluid 
Dynamics, Hermosa, 
[12] H. Walther and P.R. Sahm, A Model for the 
Computer Simulation of Flow of Molten Metal 
Into Foundry Molds, Giessereiforschung, Vol 38, 
1986, p 119-124 (in German) 
[13] R.A. Stoehr and P. Ingerslev1986, Flow Analysis 
of Mold Filling Using Marker and Cell, 
Publication TM 86.09, Laboratory for Thermal 
Processing, Process Technical Institute, Technical 
University of Denmark, 
[14] P.V. Desai and F. Rastegar, Convection in Mold 
Cavities, in Modeling of Casting and Welding 
Processes, H. D. Brody and D. Apelian, Ed., The 
Metallurgical Society, 1981, p 351-359 
[15] P.V. Desai et al., Computer Simulation of Forced 
and Natural Convection During Filling of a 
Casting, Paper 97, Trans. AFS, 1984, p 519-528 
 Ngày nhận bài: 21/6/2019 
 Ngày chuyển phản biện: 24/6/2019 
 Ngày hoàn thành sửa bài: 15/7/2019 
 Ngày chấp nhận đăng: 22/7/2019