Chế tạo khuôn phun ép cho mẫu thử độ bền kéo và uốn với hệ thống gia và giải nhiệt dạng cooling layer

Chế tạo khuôn phun ép là một trong những công nghệ quan trọng trong ngành công… 102 trang · Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh · 2024.

• Tác giả: Võ Thanh Hoài
• Người hướng dẫn: PGS. Đỗ Thành Trung
• Trường học: Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Công Nghệ Chế Tạo Máy
• Đề tài: Chế Tạo Khuôn Phun Ép Cho Mẫu Thử Độ Bền Kéo Và Uốn Với Hệ Thống Gia Và Giải Nhiệt Dạng Cooling Layer
• Loại tài liệu: Đồ Án Tốt Nghiệp
• Năm xuất bản: 2024
• Địa điểm: Tp. Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• LỜI CAM KẾT
• LỜI CẢM ƠN
• 1. CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU
• 1.1. Tính cấp thiết của đề tài
• 1.2. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài
• 1.3. Mục tiêu nghiên cứu của đề tài
• 1.4. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
• 1.5. Phương pháp nghiên cứu
• 1.6. Kết cấu của ĐATN
• 2. CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN
• 2.1. Giới thiệu
• 2.2. Tổng quan về công nghệ ép phun
• 2.3. Khái niệm về công nghệ phun ép
• 2.4. Quy trình ép phun theo từng bước
• 2.5. Những yếu tố giúp tối ưu quá trình ép phun
• 2.6. Lợi thế của ép phun
• 2.7. Hệ thống gia và giải nhiệt
• 2.8. Tổng quan về vật liệu Polymer
• 2.9. Những cơ tính cơ bản của Polymer
• 2.10. Một số loại Polymer thông dụng và ứng dụng
• 2.11. Các nghiên cứu liên quan đến đề tài
• 2.12. Kết cấu của bộ khuôn
• 3. CHƯƠNG 3: CƠ SỞ LÝ THUYẾT
• 3.1. Tổng quan về khuôn phun ép
• 3.2. Khái niệm về khuôn
• 3.3. Phân loại khuôn
• 3.4. Kết cấu chung của bộ khuôn
• 3.5. Một số loại khuôn
• 3.6. Tiêu chuẩn ASTM D638
• 3.7. Tiêu chuẩn ASTM D790
• 4. CHƯƠNG 4: THIẾT KẾ KHUÔN
• 4.1. Thiết kế mô hình 3D của mẫu thử kéo
• 4.2. Thiết kế mô hình 3D của mẫu thử uốn
• 4.3. Thiết kế tấm Insert
• 4.4. Tính toán, thiết kế bộ khuôn
• 4.5. Loại khuôn và số lòng khuôn
• 4.6. Tính toán thiết kế kênh dẫn nhựa
• 4.7. Các chi tiết tiểu chuẩn trong bộ khuôn
• 4.8. Bộ khuôn hoàn chỉnh
• 5. CHƯƠNG 5: GIA CÔNG VÀ LẮP RÁP
• 5.1. Chuẩn bị trước khi gia công
• 5.2. Dụng cụ cắt
• 5.3. Xác định chuẩn phôi và hiệu chỉnh dao
• 5.4. Gia công 6 mặt tấm khuôn
• 5.5. Gia công các tấm khuôn
• 5.6. Tấm đế khuôn âm
• 5.7. Tấm khuôn dương
• 5.8. Tấm khuôn âm
• 5.9. Tấm giữ ty đẩy
• 5.10. Tấm đế khuôn dương
• 5.11. Gia công các chi tiết phụ
• 5.12. Đánh bóng lòng khuôn
• 5.13. Vai trò của việc đánh bóng lòng khuôn
• 5.14. Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình đánh bóng
• 5.15. Phương pháp và quy trình đánh bóng lòng khuôn
• 5.16. Các lưu ý khi đánh bóng lòng khuôn
• 6. CHƯƠNG 6: ÉP THỬ
• 6.1. Các bước chuẩn bị trước khi ép
• 6.2. Quy trình ép
• 6.3. Các bước trong quy trình ép
• 6.4. Thông số ép sản phẩm
• 6.5. Sản phẩm sau khi ép
• 6.6. Đánh giá kết quả sau khi ép
• 7. CHƯƠNG 7: KẾT LUẬN
• 7.1. Những nội dung hoàn thành
• 7.2. Hướng phát triển đề tài
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tổng quan về chế tạo khuôn phun ép và hệ thống giải nhiệt

Chế tạo khuôn phun ép là một trong những công nghệ quan trọng trong ngành công nghiệp nhựa. Việc thiết kế và chế tạo khuôn phun ép không chỉ đảm bảo chất lượng sản phẩm mà còn ảnh hưởng đến hiệu suất sản xuất. Hệ thống giải nhiệt đóng vai trò quan trọng trong việc kiểm soát nhiệt độ trong quá trình ép phun, từ đó nâng cao chất lượng mẫu thử độ bền kéo và uốn.

1.1. Khái niệm về khuôn phun ép và ứng dụng

Khuôn phun ép là thiết bị dùng để tạo hình sản phẩm nhựa thông qua quá trình ép nhựa nóng chảy vào khuôn. Ứng dụng của khuôn phun ép rất đa dạng, từ sản xuất linh kiện điện tử đến đồ gia dụng.

1.2. Tầm quan trọng của hệ thống giải nhiệt trong khuôn

Hệ thống giải nhiệt giúp kiểm soát nhiệt độ trong khuôn, đảm bảo sản phẩm được làm mát đồng đều. Điều này không chỉ nâng cao chất lượng sản phẩm mà còn giảm thiểu thời gian sản xuất.

II. Vấn đề và thách thức trong chế tạo khuôn phun ép

Trong quá trình chế tạo khuôn phun ép, nhiều vấn đề và thách thức có thể phát sinh. Đặc biệt, việc đảm bảo độ bền kéo và uốn của mẫu thử là một trong những yếu tố quan trọng nhất. Các yếu tố như sai số kích thước, bề mặt sản phẩm và hiệu quả làm mát cần được chú ý.

2.1. Sai số kích thước và ảnh hưởng đến chất lượng

Sai số kích thước có thể dẫn đến kết quả thử nghiệm không chính xác. Việc kiểm soát kích thước trong quá trình chế tạo khuôn là rất cần thiết để đảm bảo chất lượng sản phẩm.

2.2. Bề mặt sản phẩm và các khuyết tật

Bề mặt sản phẩm cần phải nhẵn và không có khuyết tật. Các khuyết tật như rỗ khí hay vết nứt có thể ảnh hưởng đến độ bền của mẫu thử.

III. Phương pháp chế tạo khuôn phun ép hiệu quả

Để chế tạo khuôn phun ép đạt tiêu chuẩn, cần áp dụng các phương pháp hiện đại như gia công CNC và WEDM. Việc thiết kế mô hình 3D và sử dụng phần mềm chuyên dụng cũng rất quan trọng trong quy trình này.

3.1. Thiết kế mô hình 3D cho khuôn phun

Thiết kế mô hình 3D giúp hình dung rõ ràng cấu trúc khuôn và các chi tiết bên trong. Phần mềm như AutoCAD và Creo thường được sử dụng để tạo ra các mô hình này.

3.2. Gia công khuôn bằng công nghệ CNC

CNC là công nghệ gia công chính xác cao, giúp tạo ra các chi tiết khuôn với độ chính xác và độ phức tạp cao. Việc sử dụng CNC giúp tiết kiệm thời gian và nâng cao chất lượng sản phẩm.

IV. Hệ thống gia và giải nhiệt dạng Cooling Layer

Hệ thống Cooling Layer là một trong những giải pháp tiên tiến giúp nâng cao hiệu quả làm mát trong khuôn phun ép. Hệ thống này sử dụng các viên bi trong kênh dẫn nước để tăng cường hiệu quả trao đổi nhiệt.

4.1. Cấu trúc và nguyên lý hoạt động của Cooling Layer

Cooling Layer được thiết kế với các viên bi giúp tăng cường hiệu quả làm mát. Nguyên lý hoạt động của hệ thống này là tối ưu hóa quá trình trao đổi nhiệt giữa nước và khuôn.

4.2. Lợi ích của hệ thống Cooling Layer trong sản xuất

Hệ thống Cooling Layer giúp rút ngắn thời gian làm mát, giảm cong vênh sản phẩm và nâng cao chất lượng mẫu thử. Điều này góp phần tăng năng suất sản xuất và giảm chi phí.

V. Ứng dụng thực tiễn và kết quả nghiên cứu

Kết quả nghiên cứu cho thấy việc áp dụng hệ thống Cooling Layer trong chế tạo khuôn phun ép đã mang lại nhiều lợi ích. Các mẫu thử độ bền kéo và uốn đạt tiêu chuẩn chất lượng cao, đáp ứng yêu cầu của thị trường.

5.1. Kết quả thử nghiệm mẫu thử độ bền kéo và uốn

Các mẫu thử được chế tạo từ khuôn phun ép với hệ thống Cooling Layer cho kết quả tốt về độ bền kéo và uốn. Điều này chứng tỏ hiệu quả của hệ thống giải nhiệt trong quá trình sản xuất.

5.2. Ứng dụng trong ngành công nghiệp nhựa

Kết quả nghiên cứu có thể được áp dụng rộng rãi trong ngành công nghiệp nhựa, giúp nâng cao chất lượng sản phẩm và hiệu quả sản xuất.

VI. Kết luận và hướng phát triển tương lai

Nghiên cứu về chế tạo khuôn phun ép với hệ thống Cooling Layer đã mở ra nhiều hướng đi mới cho ngành công nghiệp nhựa. Việc áp dụng công nghệ hiện đại sẽ giúp nâng cao chất lượng sản phẩm và hiệu quả sản xuất trong tương lai.

6.1. Tóm tắt những nội dung đã hoàn thành

Đồ án đã hoàn thành việc thiết kế, chế tạo khuôn phun ép và thử nghiệm mẫu thử độ bền kéo và uốn. Kết quả cho thấy sự cải thiện rõ rệt trong chất lượng sản phẩm.

6.2. Định hướng phát triển trong tương lai

Cần tiếp tục nghiên cứu và phát triển các công nghệ mới trong chế tạo khuôn phun ép, đặc biệt là các giải pháp tối ưu hóa hệ thống gia và giải nhiệt để nâng cao hiệu quả sản xuất.

Nội dung chính

Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong ngành công nghiệp gia công chất dẻo hiện đại, việc kiểm tra và đánh giá cơ tính của vật liệu nhựa (như độ bền kéo, độ bền uốn, độ dai va đập) giữ vai trò then chốt nhằm kiểm soát chất lượng vật liệu đầu vào và sản phẩm đầu ra. Các phép thử cơ tính này đòi hỏi mẫu thử phải đạt độ chuẩn xác cao về hình học, kích thước và không tồn tại khuyết tật bề mặt cũng như ứng suất dư bên trong. Mọi sai lệch kích thước hoặc sự phân bố tinh thể không đồng đều hình thành trong quá trình làm nguội đều trực tiếp làm sai lệch kết quả đo lường cơ tính.

Trong khuôn ép phun truyền thống, các kênh dẫn nước làm mát dạng đường khoan thẳng thường gặp hạn chế lớn về khả năng tiếp cận các vùng lòng khuôn phức tạp, dẫn đến hiện tượng phân bố nhiệt độ không đồng đều, kéo dài thời gian làm nguội (chiếm tới 60% tổng chu kỳ ép phun) và dễ gây cong vênh, co ngót không đều trên mẫu thử. Trước thực trạng đó, đề tài tốt nghiệp "Chế tạo khuôn phun ép cho mẫu thử độ bền kéo và uốn với hệ thống gia và giải nhiệt dạng Cooling Layer" (Mã số đề tài: CKM-19) được thực hiện bởi nhóm tác giả Võ Thanh Hoài và Huỳnh Hửu Trí, dưới sự hướng dẫn của PGS. Đỗ Thành Trung tại Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh, nhằm giải quyết bài toán tối ưu hóa khả năng truyền nhiệt trong khuôn ép mẫu thử.

Nhiệm vụ và mục tiêu nghiên cứu của đề tài được xác định cụ thể gồm 5 nội dung:

1. Thiết kế mô hình 3D của mẫu thử kéo và mẫu thử uốn theo đúng tiêu chuẩn kỹ thuật quốc tế.
2. Thiết kế lòng khuôn và tích hợp hệ thống gia và giải nhiệt dạng Cooling Layer.
3. Hoàn thiện kết cấu bộ khuôn hai tấm.
4. Lập quy trình công nghệ, gia công chế tạo hoàn chỉnh bộ khuôn và tiến hành ép thử nghiệm trên máy ép nhựa công nghiệp.
5. Chế tạo các mẫu thử độ bền kéo và uốn từ vật liệu Polypropylene (PP), thống kê và đánh giá kết quả thực nghiệm.

Đối tượng nghiên cứu của đồ án là bộ khuôn ép phun hai tấm tích hợp hệ thống gia/giải nhiệt Cooling Layer và mẫu thử cơ tính độ bền kéo, độ bền uốn từ hạt nhựa Polypropylene (PP) nguyên sinh. Phạm vi nghiên cứu giới hạn ở việc thiết kế, chế tạo bộ khuôn hai tấm có kích thước bao $350 \times 190 \times 180\text{ mm}$, tạo hình mẫu thử kéo theo tiêu chuẩn ASTM D638 (Type V) và mẫu thử uốn theo tiêu chuẩn ASTM D790, sau đó ép thử nghiệm trên máy ép nhựa Haitian với các mức nhiệt độ làm mát khuôn tại 30°C, 50°C và 70°C.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Đề tài kết hợp giữa lý thuyết công nghệ ép phun nhựa, lý thuyết truyền nhiệt và các tiêu chuẩn kiểm định cơ lý tính vật liệu:

• Khung tiêu chuẩn và lý thuyết áp dụng: Tiêu chuẩn ASTM D638 (áp dụng kích thước mẫu kéo cỡ nhỏ Type V) và tiêu chuẩn ASTM D790 (quy định kích thước và hình học mẫu thử uốn); lý thuyết dòng chảy polymer nóng chảy trong kênh dẫn; lý thuyết trao đổi nhiệt và truyền nhiệt đối lưu qua lớp đệm hạt dẫn nhiệt (Cooling Layer); hệ thống chi tiết khuôn tiêu chuẩn theo hệ thống danh mục Misumi.
• Phương pháp nghiên cứu thực hiện:
  • Phương pháp nghiên cứu lý thuyết và tính toán thiết kế: Phân tích kết cấu khuôn ép hai tấm, tính toán dung tích lòng khuôn, kích thước kênh dẫn nhựa, miệng phun kiểu gối (edge gate), chốt giựt đuôi keo chữ "Z" và lựa chọn hệ thống đẩy sản phẩm; sử dụng phần mềm AutoCAD và Creo để mô hình hóa hình học 3D.
  • Phương pháp gia công cơ khí chính xác: Lập quy trình công nghệ gia công cắt gọt kim loại, sử dụng máy phay CNC trục đứng MAZAK VCN-430, mài phẳng 6 mặt phôi, gia công xung/cắt dây (WEDM) và kỹ thuật đánh bóng lòng khuôn đạt độ bóng bề mặt yêu cầu.
  • Phương pháp thực nghiệm công nghệ: Lắp ráp hoàn thiện bộ khuôn, gá đặt lên máy ép nhựa Haitian kết hợp cùng hệ thống máy gia nhiệt và làm lạnh nước tuần hoàn; khảo sát quá trình ép thực tế trên vật liệu nhựa PP ở 3 dải nhiệt độ nước làm mát khác nhau (30°C, 50°C, 70°C).
• Nguồn dữ liệu: Số liệu kích thước tiêu chuẩn ASTM, thông số kích thước linh kiện chuẩn từ nhà sản xuất Misumi, các nghiên cứu tiền nhiệm về dòng chảy và phân bố nhiệt độ khuôn của các tác giả trong và ngoài nước (I. Mawardi, M. Kuzmanović, Trần Minh Thế Uyên, Đỗ Thành Trung).

Thiết kế và chế tạo hệ thống khuôn

Hệ thống khuôn được thiết kế dưới dạng kết cấu khuôn hai tấm, sử dụng hệ thống kênh dẫn nguội với các thông số kỹ thuật và giải pháp công nghệ cụ thể:

Hạng mục kết cấu	Thông số / Giải pháp thiết kế
Loại khuôn & Kích thước	Khuôn 2 tấm, 1 khoảng mở, kích thước tổng thể $350 \times 190 \times 180\text{ mm}$
Tiêu chuẩn sản phẩm	Mẫu thử kéo: ASTM D638 Type V; Mẫu thử uốn: ASTM D790
Hệ thống lòng khuôn (Insert)	Tấm lòng khuôn (Insert) được thiết kế rời lắp trên tấm khuôn dương và khuôn âm, tạo hình 01 mẫu kéo và 01 mẫu uốn trong cùng một lần ép
Hệ thống Cooling Layer	Kênh dẫn nước bố trí ngay dưới đáy tấm insert, bên trong kênh chứa các viên bi kim loại nhằm tạo dòng chảy rối, tăng diện tích tiếp xúc và phân bổ nhiệt đồng đều
Kênh dẫn & Miệng phun	Cuống phun côn liên kết bạc cuống phun Misumi, kênh dẫn nhánh tiết diện hình thang/tròn, miệng phun kiểu gối (edge gate) bên hông chi tiết
Hệ thống lói/đẩy	Tấm đẩy, tấm giữ ty đẩy, hệ thống ty đẩy tròn, chốt hồi về kết hợp lò xo và chốt giựt đuôi keo định hình chữ "Z"
Định vị & Dẫn hướng	Vòng định vị đường kính chuẩn, 4 cụm chốt dẫn hướng và bạc dẫn hướng tôi cứng của hãng Misumi

Quy trình chế tạo bộ khuôn bao gồm việc chuẩn bị phôi thép, gia công chuẩn 6 mặt bằng máy mài, sau đó thực hiện phay thô, phay tinh các hốc insert, lỗ dẫn hướng, lỗ bắt bulong (M5, M6, M8, M10, M12) và đường nước giải nhiệt trên máy phay CNC MAZAK VCN-430. Tấm insert tạo hình mẫu thử được gia công đạt độ chính xác cao và trải qua quá trình đánh bóng thủ công tỉ mỉ bằng giấy nhám và bột kim cương để loại bỏ hoàn toàn vết dao phay, chống bám dính và tránh tạo ứng suất tập trung lên bề mặt mẫu thử.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Giới thiệu

Chương 1 làm rõ tính cấp thiết của đề tài trong bối cảnh kiểm định cơ tính chất dẻo. Tác giả nhấn mạnh mẫu thử độ bền kéo và uốn đòi hỏi độ chính xác kích thước nghiêm ngặt và bề mặt không khuyết tật. Chương này công bố ý nghĩa khoa học trong việc ứng dụng công nghệ gia công tiên tiến (CNC, WEDM) và cấu trúc giải nhiệt Cooling Layer, xác định mục tiêu thiết kế - chế tạo - thử nghiệm khuôn mẫu trên vật liệu nhựa PP với phạm vi kích thước bao khuôn $350 \times 190 \times 180\text{ mm}$.

Chương 2: Tổng quan

Chương 2 trình bày tổng quan về công nghệ ép phun nhựa, nguyên lý máy ép và quy trình 5 bước cơ bản (chuẩn bị khuôn, nung chảy nhựa, bơm điền đầy, làm nguội, mở khuôn đẩy sản phẩm). Tác giả phân tích chuyên sâu các dạng làm nguội lõi khuôn truyền thống (kiểu vách ngăn Baffle, kiểu vòi phun Fountain, kiểu lỗ góc, kiểu lỗ bước) cùng những hạn chế về phân bố nhiệt.

Đồng thời, chương này tổng thuật cấu trúc, cơ tính và phạm vi ứng dụng của 6 nhóm nhựa phổ biến gồm PE, PVC, ABS, PC, PA và PP:

Loại nhựa	Đặc tính cơ lý chính	Ứng dụng tiêu biểu
PE (Polyethylene)	Dẻo dai, chịu hóa chất, cách điện, an toàn thực phẩm	Túi nilon, màng bọc, chai lọ, ống dẫn nước
PVC (Polyvinyl Clorua)	Cứng hoặc dẻo tùy hóa dẻo, chịu hóa chất, chống cháy	Ống nước, thanh profile cửa, vỏ cáp điện
ABS (Acrylonitrile Butadiene Styrene)	Cứng, dai, chịu va đập cơ học cao, dễ mạ kim loại	Vỏ thiết bị điện tử, đồ chơi, keycap bàn phím
PC (Polycarbonate)	Rất cứng, trong suốt, chịu va đập và chịu nhiệt vượt trội	Kính chống đạn, đĩa quang, vỏ điện thoại, dụng cụ y tế
PA (Polyamide - PA6)	Độ bền cơ học cao, chịu mài mòn tốt, có tính hút ẩm	Bánh răng, ổ trượt, chi tiết truyền động cơ khí
PP (Polypropylene)	Bền cơ học, chịu nhiệt tới 100°C, nhẹ, không độc hại	Hộp đựng thực phẩm, linh kiện ô tô, màng bao bì

Phần cuối chương tổng hợp các nghiên cứu liên quan của I. Mawardi (2019), M. Kuzmanović (2016), Trần Minh Thế Uyên (2014) và Đỗ Thành Trung (2023) về mối liên hệ giữa nhiệt độ khuôn, áp suất phun và chiều dài dòng chảy của polymer.

Chương 3: Cơ sở lý thuyết

Chương 3 đi sâu vào lý thuyết kết cấu khuôn ép phun, bao gồm 6 hệ thống cơ bản: hệ thống dẫn hướng và định vị (chốt/bạc dẫn hướng, vòng định vị, chốt hồi), hệ thống cấp nhựa (bạc cuống phun, kênh dẫn, miệng phun), hệ thống đẩy sản phẩm (ty đẩy, tấm đẩy, khối đỡ), hệ thống lõi mặt bên, hệ thống thoát khí và hệ thống làm nguội. Chương này phân loại khuôn theo số tầng, số tấm (so sánh khuôn hai tấm và ba tấm), loại kênh dẫn (nóng/nguội) và trình bày thông số kích thước tiêu chuẩn mẫu thử kéo ASTM D638 và mẫu thử uốn ASTM D790.

Chương 4: Thiết kế khuôn

Chương 4 mô tả toàn bộ tiến trình thiết kế 3D bằng phần mềm CAD/CAM. Tác giả dựng hình mẫu kéo ASTM D638 Type V và mẫu uốn ASTM D790, thiết kế lòng khuôn dạng insert tháo rời, bố trí kênh dẫn nhựa cân bằng, xác định kích thước cổng vào nhựa kiểu gối và chốt giựt đuôi keo chữ "Z". Cấu trúc hệ thống giải nhiệt Cooling Layer được mô hình hóa chi tiết với các kênh dẫn bố trí dưới tấm insert, tích hợp các viên bi nhằm tối ưu hóa đường truyền nhiệt. Toàn bộ các chi tiết tiêu chuẩn như chốt dẫn hướng, bạc dẫn hướng, ty đẩy, bạc cuống phun, lò xo đều được lựa chọn theo tiêu chuẩn Misumi.

Chương 5: Gia công và lắp ráp

Chương 5 trình bày toàn bộ tiến trình gia công thực tế tại xưởng. Bắt đầu từ công tác chuẩn bị dụng cụ cắt, collet kẹp dao, xác định chuẩn phôi và thiết lập gốc tọa độ trên máy phay CNC MAZAK VCN-430. Nội dung chương trình bày chi tiết bảng tiến trình công nghệ gia công cho từng chi tiết: đế khuôn âm, tấm khuôn dương, tấm khuôn âm, tấm giữ ty đẩy, tấm đẩy, tấm đế khuôn dương, gối đỡ, tấm insert và vòng định vị. Chương này kết thúc bằng kỹ thuật đánh bóng lòng khuôn insert theo từng cấp hạt mài để triệt tiêu vết dao gia công, sau đó tiến hành lắp ráp cụm khuôn dưới, cụm khuôn trên và kiểm tra độ trơn tru khi đóng mở khuôn.

Chương 6: Ép thử

Chương 6 ghi nhận toàn bộ quá trình ép thử nghiệm tại xưởng trên máy ép nhựa Haitian kết hợp máy điều nhiệt khuôn. Tác giả trình bày các bước chuẩn bị sấy hạt nhựa PP, thiết lập thông số công nghệ (nhiệt độ nung chảy trục vít, áp suất phun, tốc độ phun, thời gian giữ áp, áp lực kẹp khuôn). Thử nghiệm được tiến hành ở 3 chế độ nhiệt độ nước giải nhiệt khuôn: 30°C, 50°C và 70°C. Mẫu sản phẩm sau khi ép được thu thập, quan sát khuyết tật bề mặt, kiểm tra độ điền đầy và độ ổn định hình học.

Chương 7: Kết luận

Chương 7 tổng kết toàn bộ các mục tiêu đã hoàn thành của đồ án tốt nghiệp, khẳng định việc thiết kế và chế tạo thành công bộ khuôn ép phun hai tấm hoạt động ổn định, tạo ra mẫu thử kéo uốn đạt chuẩn kích thước và bề mặt. Đồng thời, tác giả đề xuất các hướng phát triển tiếp theo của đề tài trong nghiên cứu cơ tính thực nghiệm.

Kết quả và đóng góp

• Kết quả thực nghiệm chế tạo: Hoàn thiện 01 bộ khuôn ép phun hai tấm hoàn chỉnh có kích thước $350 \times 190 \times 180\text{ mm}$, tích hợp đồng thời lòng khuôn tạo mẫu thử kéo (ASTM D638 Type V) và mẫu thử uốn (ASTM D790). Hệ thống cơ khí vận hành êm, hệ thống ty đẩy và chốt giựt đuôi keo hoạt động chính xác, không kẹt dính.
• Kết quả ép thử nghiệm sản phẩm PP: Thực hiện ép thử thành công mẫu thử kéo và uốn trên máy ép Haitian với vật liệu nhựa PP ở 3 cấp nhiệt độ làm mát (30°C, 50°C, 70°C). Sản phẩm sau ép đạt độ điền đầy hoàn toàn, bề mặt nhẵn bóng, không xuất hiện hiện tượng thiếu keo (short shot), bọt khí (flashing) hay vết lõm co ngót nghiêm trọng.
• Đóng góp của đồ án:
  • Ứng dụng thành công giải pháp kết cấu Cooling Layer sử dụng các viên bi trong lòng kênh dẫn làm mát dưới tấm insert, giúp gia tăng khả năng trao đổi nhiệt cục bộ, cải thiện độ đồng đều nhiệt độ bề mặt khuôn so với kênh dẫn thẳng truyền thống.
  • Xây dựng một quy trình khép kín từ thiết kế mô hình CAD (AutoCAD, Creo), lập quy trình công nghệ gia công CAM/CNC trên máy MAZAK VCN-430 đến ép thử nghiệm thực tế phục vụ trực tiếp cho công tác nghiên cứu và kiểm định vật liệu nhựa.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

• Hạn chế của đề tài: Quá trình ép thử nghiệm trong phạm vi đồ án chỉ mới thực hiện trên một loại vật liệu duy nhất là hạt nhựa Polypropylene (PP) nguyên sinh; đề tài dừng lại ở bước đánh giá trực quan hình học, kích thước và bề mặt mẫu ép mà chưa tiến hành đo đạc trực tiếp các chỉ tiêu cơ lý (kéo đứt, uốn gãy) của các mẫu thử trên máy kéo nén chuyên dụng để lượng hóa ảnh hưởng của từng mức nhiệt độ làm mát (30°C, 50°C, 70°C).
• Hướng nghiên cứu tiếp:
  • Mở rộng thử nghiệm ép phun mẫu thử cơ tính với các chủng loại nhựa kỹ thuật khác có nhiệt độ gia công và độ co rút khác nhau (như ABS, PC, PA, POM hoặc composite nền nhựa).
  • Đưa các mẫu thử đã ép ở các chế độ làm mát khác nhau vào thử nghiệm cơ tính thực tế theo chuẩn ASTM D638 và ASTM D790 để xây dựng biểu đồ tương quan giữa nhiệt độ khuôn, cấu trúc tinh thể và độ bền kéo/uốn.
  • Khảo sát tối ưu hóa kích thước hạt bi và vận tốc dòng chảy môi chất trong lớp Cooling Layer để nâng cao hơn nữa hiệu suất trao đổi nhiệt.

Giá trị tham khảo

Báo cáo đồ án tốt nghiệp là tài liệu tham khảo thực tiễn và có giá trị chuyên môn cao cho:

• Sinh viên, học viên ngành Công nghệ Chế tạo máy, Kỹ thuật Cơ khí và Công nghệ Vật liệu Polymer đang thực hiện các đề tài về thiết kế khuôn mẫu ép phun hoặc chế tạo mẫu thử nghiệm cơ tính chuẩn.
• Các kỹ sư thiết kế khuôn mẫu quan tâm đến giải pháp kết cấu gia và giải nhiệt tiên tiến (Cooling Layer) ứng dụng các phần tử tạo dòng chảy rối nhằm nâng cao năng suất ép phun và giảm khuyết tật co ngót sản phẩm.
• Phần đáng tham khảo nhất bao gồm: bản vẽ chi tiết kết cấu khuôn hai tấm tích hợp tấm insert rời, bảng quy trình công nghệ gia công CNC từng chi tiết khuôn trên máy MAZAK VCN-430, và quy trình thiết lập thông số vận hành thực tế trên máy ép Haitian.

Câu hỏi thường gặp

1. Điểm khác biệt cốt lõi của hệ thống gia và giải nhiệt dạng Cooling Layer trong bộ khuôn này là gì?
Hệ thống Cooling Layer trong đề tài được thiết kế với các kênh dẫn nước nằm ngay dưới tấm insert lòng khuôn, bên trong kênh có bố trí các viên bi kim loại. Kết cấu này giúp tăng diện tích tiếp xúc truyền nhiệt, tạo dòng chảy rối cho chất làm mát, từ đó phân bố nhiệt độ đồng đều trên toàn bộ bề mặt tạo hình và rút ngắn thời gian làm nguội sản phẩm so với kênh dẫn khoan thẳng truyền thống.

2. Bộ khuôn được thiết kế để tạo ra các loại mẫu thử nào và tuân theo tiêu chuẩn nào?
Bộ khuôn tích hợp lòng khuôn để tạo ra đồng thời 02 loại mẫu thử cơ tính: mẫu thử độ bền kéo cỡ nhỏ theo tiêu chuẩn ASTM D638 (Type V) và mẫu thử độ bền uốn theo tiêu chuẩn ASTM D790.

3. Thiết bị gia công chính và phần mềm thiết kế được nhóm tác giả sử dụng trong đồ án là gì?
Nhóm tác giả sử dụng phần mềm AutoCAD và Creo để thiết kế hình học 3D của mẫu thử và toàn bộ kết cấu bộ khuôn; thiết bị gia công CNC chính được sử dụng để gia công các tấm khuôn và insert là máy phay CNC trục đứng MAZAK VCN-430.

4. Quá trình ép thử nghiệm được tiến hành trên thiết bị nào và sử dụng loại vật liệu nhựa gì?
Quá trình ép thử nghiệm được thực hiện trên máy ép phun nhựa Haitian kết hợp với máy gia nhiệt và máy làm lạnh nước tuần hoàn, sử dụng vật liệu hạt nhựa Polypropylene (PP) nguyên sinh ở các mức nhiệt độ làm mát khuôn 30°C, 50°C và 70°C.

5. Kết cấu bộ khuôn thuộc loại khuôn mấy tấm và sử dụng loại miệng phun (gate) nào?
Bộ khuôn được thiết kế theo kết cấu khuôn hai tấm (gồm nửa khuôn âm cố định và nửa khuôn dương di động) với hệ thống kênh dẫn nguội, sử dụng miệng phun kiểu gối (edge gate) bố trí bên hông sản phẩm và chốt giựt đuôi keo định hình chữ "Z".

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp của nhóm tác giả Võ Thanh Hoài và Huỳnh Hửu Trí đã hoàn thành trọn vẹn mục tiêu thiết kế và chế tạo bộ khuôn ép phun hai tấm kích thước $350 \times 190 \times 180\text{ mm}$ tạo mẫu thử độ bền kéo (ASTM D638 Type V) và uốn (ASTM D790). Đề tài đã hiện thực hóa thành công kết cấu giải nhiệt tiên tiến dạng Cooling Layer với các viên bi tạo dòng chảy rối dưới đáy tấm insert, giúp tối ưu hóa hiệu quả trao đổi nhiệt trong lòng khuôn. Toàn bộ quy trình từ thiết kế CAD, gia công cơ khí CNC trên máy MAZAK VCN-430 đến ép thử nghiệm trên máy Haitian với hạt nhựa PP đều được thực hiện bài bản, cho ra sản phẩm mẫu thử đạt độ chính xác hình học và chất lượng bề mặt cao. Công trình cung cấp tài liệu kỹ thuật và cơ sở thực nghiệm vững chắc cho các nghiên cứu chuyên sâu về công nghệ khuôn mẫu và kiểm định cơ tính vật liệu polymer.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1: Giới thiệu Chương 2: Tổng quan Chương 3: Cơ sở lý thuyết Chương 4: Thiết kế khuôn Chương 5: Gia công và lắp ráp Chương 6: Ép thử Chương 7: Kết luận 4 CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN 2. Giới thiệu Công nghệ phun ép nhựa đã và đang khẳng định vị thế quan trọng trong ngành công nghiệp sản xuất. Nhu cầu ngày càng cao về sản phẩm nhựa có độ chính xác, tính thẩm mỹ và chất lượng đồng thời đòi hỏi công nghệ chế tạo khuôn ép phun phải không ngừng cải tiến và phát triển. Bên cạnh việc ứng dụng các công nghệ gia công hiện đại như gia công CNC, WEDM, doa,.

cho phép tạo ra khuôn có hình dạng phức tạp, độ chính xác cao, thì việc tối ưu hóa hệ thống gia nhiệt và giải nhiệt cũng đóng vai trò then chốt quyết định đến chất lượng sản phẩm ép phun. Hệ thống Cooling Layer, với ưu điểm vượt trội về khả năng kiểm soát nhiệt độ chính xác và rút ngắn thời gian chu kỳ, đang được nghiên cứu và ứng dụng ngày càng phổ biến. Hệ thống gia nhiệt, giải nhiệt dạng Cooling Layer là một giải pháp tiên tiến khắc phục những hạn chế của hệ thống gia nhiệt, giải nhiệt truyền thống. Cooling Layer sử dụng các viên bi hoặc tấm kim loại dẫn nhiệt cao (thường là đồng hoặc hợp kim nhôm) được gia công chính xác với các kênh dẫn nước bên trong, được tích hợp vào khuôn ép.

Ưu điểm của Cooling Layer:  Hiệu quả giải nhiệt cao: Diện tích tiếp xúc lớn giữa Cooling Layer và khuôn giúp tăng cường khả năng truyền nhiệt, rút ngắn thời gian làm nguội sản phẩm, tăng năng suất sản xuất.  Phân bố nhiệt độ đồng đều: Các kênh dẫn nước được thiết kế tối ưu, đảm bảo phân bố nhiệt độ đồng đều trên bề mặt khuôn, giảm thiểu biến dạng, cong vênh và co ngót không đều trong sản phẩm.  Tiết kiệm năng lượng: Thời gian làm nguội được rút ngắn giúp tiết kiệm năng lượng tiêu thụ so với hệ thống gia và giải nhiệt truyền thống.  Tăng tuổi thọ khuôn: Phân bố nhiệt độ đồng đều giúp giảm thiểu ứng suất nhiệt trên khuôn, kéo dài tuổi thọ khuôn, giảm chi phí bảo trì.

Một số vấn đề liên quan đến quá trình gia nhiệt và giải nhiệt khuôn Phân bố nhiệt độ không đồng đều: Hệ thống gia nhiệt, giải nhiệt truyền thống thường gặp vấn đề phân bố nhiệt độ không đồng đều, dẫn đến sản phẩm có chất lượng không ổn định, dễ bị biến dạng, cong vênh. Thời gian gia nhiệt, giải nhiệt kéo dài: Hệ thống truyền thống thường có thời gian gia nhiệt và giải nhiệt lâu, làm giảm năng suất sản xuất. Khó khăn trong việc kiểm soát nhiệt độ chính xác: Việc kiểm soát nhiệt độ chính xác là yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến chất lượng sản phẩm. Hệ thống gia nhiệt, giải nhiệt truyền thống thường khó khăn trong việc kiểm soát nhiệt độ chính xác, đặc biệt là đối với khuôn có hình dạng phức tạp.

5 Tiêu tốn nhiều năng lượng: Hệ thống truyền thống thường tiêu tốn nhiều năng lượng, gây lãng phí và ảnh hưởng đến môi trường. Mẫu thử độ bền kéo và uốn Mẫu thử độ bền kéo và uốn được sử dụng để đánh giá tính chất cơ học của vật liệu nhựa, phục vụ cho việc kiểm tra chất lượng sản phẩm, nghiên cứu và phát triển vật liệu mới. Việc chế tạo khuôn chính xác cho mẫu thử độ bền là rất quan trọng để đảm bảo tính đồng nhất và độ tin cậy của kết quả thử nghiệm. Tổng quan về công nghệ ép phun 2.

Khái niệm về công nghệ phun ép Công nghệ ép phun là phương pháp sản xuất hàng loạt những sản phẩm nhựa đa dạng về mặt vật liệu, cấu tạo, hình dạng và kích thước. Sản phẩm ép được định hình thông qua lòng khuôn được gia công sẵn. Vật liệu nhựa phun ép được gia nhiệt nóng chảy (dao động trong khoảng 150 – 300 oC) được đưa vào lòng khuôn định hình thông qua vòi phun của máy ép nhựa. Sau khi điền đầy lòng khuôn, nhựa được làm nguội để tạo thành hình dạng sản phẩm mong muốn.

Quy trình ép phun theo từng bước Chuẩn bị khuôn: Khuôn được chuẩn bị cần phải sạch sẽ, không có tạp vật bên trong lòng khuôn; không có cát, bụi ở những vị trí các ty đẩy. Các nửa khuôn phải được kẹp chặt với nhau để không bị chảy nhựa khi ép. Lựa chọn và nung chảy vật liệu nhựa: Việc chọn loại nhựa để ép chủ yếu dựa vào công dụng của sản phẩm sau ép. Các hạt nhựa từ phễu chứa sau khi được gia nhiệt nóng chảy sẽ được trục vít của máy ép đưa vào lòng khuôn thông qua vòi phun.

Bơm nhựa nóng chảy vào lòng khuôn: Khi vật liệu nhựa đạt đến trạng thái nóng chảy, nó được bơm vào để điền đầy lòng khuôn dưới áp suất từ vòi phun. Áp suất này sẽ đảm bảo rằng nhựa nóng chảy sẽ điền đầy lòng khuôn và tạo hình sản phẩm Làm nguội: Sau khi dòng nhựa điền đầy lòng khuôn, nó bắt đầu hạ nhiệt và đông lại. Các kênh làm nguội giúp quá trình thoát nhiệt của khuôn và sản phẩm diễn ra đồng đều và nhanh chóng. Giai đoạn này rất quan trọng để sản phẩm ổn định được hình dáng bên ngoài; tránh bị cong vênh, biến dạng.

Mở khuôn và lấy sản phẩm: Sau khi hoàn tất quá trình làm nguội, khuôn sẽ được mở ra và sản phẩm sẽ được lấy ra nhờ hệ thống đẩy sản phẩm. Hệ thống đẩy gồm các cơ chế đẩy, chẳng hạn như chốt đẩy, tấm đẩy hoặc lưỡi đẩy; hỗ trợ đẩy sản phẩm rơi ra khỏi lòng khuôn mà không làm hư hại cho sản phẩm. 6 Hướng đóng Vật liệu ép khuôn Vòi phun Hình 2.1 Mô hình máy ép thông dụng 2. Những yếu tố giúp tối ưu quá trình ép phun Lựa chọn vật liệu: Việc lựa chọn nhựa phải phù hợp với các đặc tính công năng của sản phẩm dự kiến ép.

Thiết kế khuôn mẫu: Thiết kế khuôn ép phun phù hợp, bao gồm hình dạng bộ phận, kênh làm mát và thoát khí, đóng một vai trò quan trọng trong việc đảm bảo sản xuất sản phẩm hiệu quả và không có bị lỗi sản phẩm. Thiết kế khuôn phải hợp lý; bao gồm các hệ thống lòng khuôn, insert, các chi tiết tiêu chuẩn dễ dàng tìm thấy trên thị trường. Hệ thống ty đẩy, chốt dẫn hướng – bạc dẫn hướng được thiết kế chính xác để tránh mài mòn, phải làm việc hiệu quả, thời gian sử dụng lâu dài. Tối ưu chu kỳ ép: Điều chỉnh tối ưu các thông số tốc độ phun, nhiệt độ và áp suất phun giúp đạt được kết quả tốt về chất lượng sản phẩm, thời gian và hiệu quả sản xuất trong quy trình ép phun.

Kiểm soát chất lượng; Thực hiện các biện pháp kiểm soát chất lượng sản phẩm trong quá trình ép phun như kiểm tra và thử nghiệm các bộ phận của khuôn ép, đảm bảo rằng chúng đáp ứng các thông số kỹ thuật và tiêu chuẩn cần thiết. Đồng thời cần kiểm tra, đánh giá sản phẩm ép được có đạt yêu cầu đã đề ra hay không; nếu chưa đạt thì cần tìm ra nguyên nhân để có phương hướng xử lý. Máy ép phun Khái niệm về máy ép phun: Máy ép phun là một loại máy chuyên dụng được sử dụng trong ngành công nghiệp phun ép nhựa. Chúng có công năng làm nóng chảy các hạt nhựa và bơm vào lòng khuôn dưới áp suất cao được duy trì ổn định ở vòi phun của máy ép.

Những máy này có vai trò rất quan trọng trong quá trình ép phun bằng việc trực tiếp tham gia vào quá trình nung chảy, bơm nhựa và điền đầy lòng khuôn để tạo ra sản phẩm nhựa có chất lượng cao. Cấu tạo của máy ép phun: Máy ép phun bao gồm một số bộ phận thiết yếu, bao gồm hệ thống trục vít gia nhiệt - vòi phun, bộ phận chờ kẹp gá khuôn, hệ thống các trục 7 đẩy và hệ thống máy tính điều khiển. Hệ thống trục vít sau khi được gia nhiệt sẽ làm nóng chảy nhựa và nhờ vòi phun đưa vào lòng khuôn, trong khi bộ phận kẹp giữ khuôn sẽ cố định bộ khuôn trong suốt quá trình các trục đẩy đóng - mở khuôn để thực hiện chu kỳ ép phun. Chức năng của từng bộ phận trong máy ép phun: Bộ phận phun bao gồm phễu chứa, trục vít và vòi phun.

Phễu là lưu trữ hạt nhựa nguyên liệu, sau đó được vận chuyển bằng trục vít quay, gia nhiệt nóng chảy và bơm vào lòng khuôn thông qua vòi phun. Bộ phận kẹp đảm bảo lực kẹp chính xác và đủ để giữ khuôn luôn cố định trong giai đoạn ép phun và làm nguội. Hệ thống điều khiển giám sát và điều chỉnh toàn bộ quá trình, bao gồm nhiệt độ, áp suất phun và thời gian của một chu kỳ phun ép. Lợi thế của ép phun  Tiết kiệm và hiệu quả.

 Khả năng tạo ra các chi tiết có hình dạng, cấu tạo phức tạp, đa dạng nhờ hệ thống lòng khuôn, lõi khuôn.  Đảm bảo tính đồng bộ và độ chính xác trong sản xuất sản phẩm hàng loạt.  Khả năng sản xuất số lượng lớn. Hệ thống gia và giải nhiệt Hạt nhựa sau khi được gia nhiệt đến ngưỡng 150°C ÷ 300°C sẽ được đưa vào lòng khuôn thông qua vòi phun từ máy ép kèm theo một lượng nhiệt lớn.

Để chất lượng sản phẩm không bị ảnh hưởng bởi lượng nhiệt này thì cần phải thiết kế hệ thống gia và giải nhiệt cho khuôn với mục đích là kiểm soát được nhiệt độ của bộ khuôn trong suốt quá trình phun ép. Việc làm nguội phải đồng đều giữa các mặt của sản phẩm để tránh làm cong sản phẩm dưới tác dụng của nhiệt độ cao. Thời gian làm nguội chiếm tỷ lệ lớn trong một chu kỳ ép phun (khoảng 60%). Phải giữ cho khuôn có nhiệt độ ổn định để sản phẩm ép có thể giải nhiệt đều, giải nhiệt nhanh để tránh gây ra hiện tượng biến dạng do nhiệt sinh ra phế phẩm.

Thời gian làm nguội có thể giảm để tăng năng suất miễn đáp ứng được những điều kiện đã nêu trên. Các thành phần chính của hệ thống làm nguội trong khuôn ép nhựa H G B F Baffle Out In D F A C E Hình 2.2 Thành phần hệ thống làm nguội [1] 8 Chú thích: A: Bể chứa dung dịch làm nguội (Collection manifold) B: Khuôn (Mold) C: Ống cung cấp chất làm nguội (Supply manifold) D: Bơm (Pump) E: Kênh làm nguội (Regular Cooling Channels) F: Ống dẫn (Hoses) G: Vách làm nguội (Baffle) H: Bộ điều khiển nhiệt độ (Temperature Controller) Nguyên lý hoạt động: Dung dịch làm mát sẽ từ Ống cung cấp chất làm nguội (C) đi vào trong Khuôn (B) thông qua các Kênh làm nguội (E).