Tài liệu: Đề tài nckh thiết kế khuôn cho chi tiết giá treo

Chuyên khảo phân tích Đề tài nckh thiết kế khuôn cho chi tiết giá treo, đánh giá các khía cạnh quan trọng, đề xuất hướng nghiên cứu tiếp theo.

• Tác giả: Võ Thị Thúy Quỳnh
• Người hướng dẫn: TS. Nguyễn Vinh Dự
• Trường học: Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TPHCM
• Chuyên ngành: Công nghệ Chế tạo máy
• Đề tài: Thiết kế khuôn cho chi tiết giá treo
• Loại tài liệu: Báo cáo đề tài nghiên cứu khoa học
• Năm xuất bản: 2021
• Địa điểm: TP Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Giới thiệu về Đề tài Nghiên cứu Khoa học Thiết kế Khuôn cho Chi tiết

Đề tài nghiên cứu khoa học về thiết kế khuôn cho chi tiết là một lĩnh vực quan trọng trong công nghệ chế tạo máy hiện đại. Tại Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TPHCM, đề tài NCKH này được thực hiện bởi nhóm sinh viên ngành Công nghệ Chế tạo máy, dưới sự hướng dẫn của TS. Nguyễn Vinh Dự. Thiết kế khuôn ép nhựa cho chi tiết gía treo là một ứng dụng thực tiễn của công nghệ ép phun hiện đại. Đề tài tập trung vào việc tối ưu hóa quy trình thiết kế, từ khâu phân tích yêu cầu kỹ thuật đến gia công hoàn thiện bộ khuôn. Nghiên cứu này không chỉ cung cấp kiến thức lý thuyết mà còn áp dụng các phần mềm mô phỏng tiên tiến như Moldex 3D và Creo để đảm bảo chất lượng sản phẩm cuối cùng.

1.1. Lý do chọn đề tài và Tổng quan tình hình nghiên cứu

Công nghệ ép phun (Injection Molding) là quy trình sản xuất nhựa phổ biến nhất hiện nay. Thiết kế khuôn ép nhựa đòi hỏi sự hiểu biết sâu sắc về tính chất vật liệu, đặc biệt là nhựa Polypropylene (PP). Lĩnh vực này đang phát triển mạnh mẽ với nhu cầu sản xuất sản phẩm nhựa ngày càng tăng. Việc nghiên cứu thiết kế khuôn cho chi tiết giúp sinh viên nắm vững kỹ năng thực hành, từ thiết kế sản phẩm đến gia công chi tiết và lắp ráp bộ khuôn hoàn chỉnh.

1.2. Phương pháp và Phạm vi nghiên cứu

Phương pháp nghiên cứu kết hợp giữa lý thuyết và thực hành. Đề tài NCKH sử dụng các phần mềm CAD/CAE như Solidwork, Creo để thiết kế, và Moldex 3D để mô phỏng quá trình ép phun. Phạm vi nghiên cứu bao gồm thiết kế sản phẩm chi tiết, tính toán hệ số co rút, thiết kế hệ thống làm nguội, xác định vị trí cổng phun tối ưu, và lập qui trình gia công khuôn với các chi tiết tiêu chuẩn.

II. Công nghệ Ép Phun và Máy Ép Nhựa

Công nghệ ép phun là quy trình chuyển đổi vật liệu nhựa dưới dạng hạt thành sản phẩm có hình dạng xác định thông qua khuôn ép nhựa. Quy trình này bao gồm các giai đoạn: chuẩn bị vật liệu, khởi động máy, chia dòng nhựa, làm nguội, và tháo lấy sản phẩm. Máy ép nhựa hiện đại bao gồm hai phần chính: phần kẹp khuôn cung cấp lực đóng khuôn và phần phun nhựa sưởi ấm, nén và phun vật liệu vào khuôn. Chu trình ép phun được điều khiển bởi các thông số kỹ thuật như nhiệt độ, áp suất, thời gian, và tốc độ, tất cả đều ảnh hưởng đến chất lượng sản phẩm cuối cùng và năng suất sản xuất.

2.1. Khái niệm Công nghệ Ép Phun và Chu trình

Công nghệ ép phun là quá trình đưa nhựa dưới dạng hạt vào máy, sưởi ấm đến điều kiện chảy lỏng, sau đó phun với áp lực cao vào khuôn ép nhựa. Chu trình bao gồm: đóng khuôn, phun nhựa, thời gian nén, thời gian làm nguội, và mở khuôn. Mỗi giai đoạn cần kiểm soát chặt chẽ để đảm bảo sản phẩm đạt tiêu chuẩn chất lượng.

2.2. Khả năng Công nghệ và Máy Ép Nhựa

Máy ép nhựa hiện đại có khả năng sản xuất chi tiết phức tạp với độ chính xác cao. Công nghệ ép phun cho phép tạo ra các sản phẩm có kích thước từ nhỏ đến lớn, với độ dày tường từ 0,5mm đến vài cm. Máy ép được trang bị hệ thống điều khiển tự động, cho phép sản xuất hàng loạt với tính nhất quán cao và chi phí sản xuất thấp.

III. Thiết kế Khuôn Ép Nhựa và Lựa chọn Vật liệu

Thiết kế khuôn ép nhựa là bước quan trọng nhất trong quá trình sản xuất sản phẩm nhựa. Khuôn ép bao gồm phần dương (gối khuôn) và phần âm, được thiết kế dựa trên hình dạng chi tiết sản phẩm. Thiết kế khuôn cho chi tiết cần tuân thủ các yêu cầu kỹ thuật như độ dày tường hợp lý, góc thoát khuôn phù hợp, hệ thống làm nguội hiệu quả, và vị trí cổng phun tối ưu. Vật liệu chính để sản xuất chi tiết gía treo trong đề tài này là nhựa Polypropylene (PP), được chọn vì có độ bền tốt, an toàn cho sức khỏe, giá thành rẻ, và tính chất co rút ổn định. Nhựa PP thích hợp cho sản phẩm tiêu dùng, đồ chơi trẻ em, và các vật dụng gia đình.

3.1. Khái niệm và Kết cấu Khuôn Ép Nhựa

Khuôn ép nhựa là công cụ chính tạo hình sản phẩm. Khuôn hai tấm bao gồm tấm khuôn dương (quay trục), tấm khuôn âm (cố định), hệ thống kẹp, hệ thống làm nguội, hệ thống thoát khí, và hệ thống đẩy. Thiết kế khuôn ép phải đảm bảo độ chính xác cao, tuổi thọ dài, và khả năng sản xuất hàng loạt hiệu quả.

3.2. Lựa chọn Nhựa PP và Đặc tính Vật liệu

Nhựa Polypropylene (PP) được chọn cho đề tài NCKH vì nhiều ưu điểm. PP có độ bền kéo cao, độ cứng tốt, chống ẩm ưu việt, an toàn cho trẻ em, và hệ số co rút ổn định khoảng 0.3-0.8%. Nhựa PP có khả năng tái chế cao, không độc hại, thích hợp sản xuất sản phẩm tiêu dùng và dụng cụ gia đình.

IV. Quá trình Gia công Khuôn và Mô phỏng CAE

Quá trình gia công khuôn bao gồm nhiều bước công nghệ phức tạp từ gia công tấm đế, tấm gối, tấm giữ, đến gia công lòng khuôn. Gia công khuôn đòi hỏi máy móc chính xác cao như máy tiện CNC, máy phay, máy mài để tạo ra các chi tiết có độ chính xác từ 0,01mm đến 0,05mm. Đề tài NCKH sử dụng phần mềm Moldex 3D để mô phỏng quá trình ép phun, giúp dự đoán các lỗi tiềm ẩn như đường hàn, bọt khí, biến dạng nhiệt, từ đó tối ưu hóa thiết kế trước khi gia công thực tế. Lắp ráp bộ khuôn hoàn chỉnh cần đảm bảo các chi tiết tiêu chuẩn như chốt giật đuôi keo, bạc dẫn hướng, chốt dẫn hướng được lắp chính xác và hoạt động linh hoạt.

4.1. Qui trình Gia công và Các Bước Chi tiết

Gia công khuôn diễn ra theo thứ tự: gia công tấm đế khuôn dương-âm, gia công tấm gối, gia công tấm giữ, gia công lòng khuôn, gia công vỏ khuôn, và gia công khối insert. Mỗi bước yêu cầu độ chính xác khác nhau, công cụ khác nhau, và thời gian gia công khác nhau. Đề tài NCKH chi tiết hóa từng bước gia công khuôn với các qui trình cụ thể.

4.2. Mô phỏng CAE và Kết quả Moldex 3D

Phần mềm Moldex 3D cho phép mô phỏng chi tiết quá trình ép phun trước khi sản xuất. Mô phỏng CAE dự đoán hành vi nhựa, tìm vị trí cổng phun tối ưu, xác định đường hàn, bọt khí, nhiệt độ cuối, và biến dạng sau co rút. Kết quả mô phỏng Moldex 3D giúp điều chỉnh thiết kế khuôn để đảm bảo chất lượng sản phẩm cuối cùng đạt chuẩn kỹ thuật.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG I.1 Tổng quan tình hình nghiên cứu thuộc lĩnh vực đề tài Ngày nay, các sản phẩm làm từ nhựa là một phần không thể thiếu trong đời sống. Có thể thấy rất nhiều sản phẩm nhựa xung quanh chúng ta, từ những sản phẩm đơn giản như chai nước, đồ hộp, dụng cụ gia dụng trong gia đình… cho đến những sản phẩm cao cấp, tinh xảo như: vỏ điện thoại, các tiết trên xe gắn máy, ô tô, dụng cụ y tế… đều được làm từ nhựa. Các sản phẩm này có màu sắc và hình dáng đa dạng phục vụ nhu cầu đời sống của con người. Nhựa nhiều ưu điểm nổi trội như: nhẹ, dẻo dai, bền, dễ tái chế, giá thành rẻ, không phản ứng hóa học với không khí ở điều kiện bình thường… Chính vì vậy nhựa đã dần thay thế các loại vật liệu truyền thống như: thủy tinh, sắt, nhôm, đồng.

Chính những nhu cầu thị trường đã tạo ra những cơ hội cho những doanh nghiệp sản xuất nói chung và đội ngũ kỹ sư thiết kế nói riêng. Tuy nhiên, cơ hội lớn cũng đồng nghĩa với thách thức lớn được đặt ra, đó là làm cách nào để đưa sản phẩm nhựa đến được tay người tiêu dùng. Điều đó đòi hỏi sản phẩm không những phải đẹp, chất lượng tốt, tiện lợi mà giá cả phải tối ưu.  Ngành công nghệ nhựa ở Việt Nam Trong thập thiên 90, ngành nhựa Việt Nam vẫn chưa phát triển, sản xuất chủ yếu là lắp ráp và phần lớn các sản phẩm nhựa trong giai đoạn này đều phụ thuộc vào nhập khẩu.

Sản phẩm nhựa sản xuất trong giai đoạn này hầu hết chỉ là những sản phẩm với thiết kế đơn giản và ít đa dạng về hình thức, mẫu mã. Hiện nay, ngành nhựa đang ở giai đoạn phát triển nhanh sau khi Việt Nam gia nhập WTO vào năm 2007. Ngành nhựa phát triển mạnh, đa dạng hóa sản phẩm của mình trong các mảng sản phẩm là nhựa bao bì, nhựa dân dụng, nhựa xây dựng và nhựa kỹ thuật.1 Sản lượng sản xuất sản phẩm nhựa qua các năm (Theo nguồn VPA, GSO, FPTS tổng hợp) Hình 1.2 Sơ đồ qui trình hình thành của Ngành Công nghệ nhựa Với các mảng nhựa chính, với nguyên liệu và công nghệ sản xuất khác nhau được thống kê chi tiết qua Bảng 1.3 để đưa ra được sản phẩm đến tay doanh nghiệp và người tiêu dùng.1 Đặc điểm chính của từng mảng nhựa (theo nguồn FPTS tổng hợp) 1.2 Lý do chọn đề tài Với mong muốn tìm hiểu và học hỏi về quá trình thiết kế và chế tạo một bộ khuôn hoàn chỉnh nhóm đã quyết định chọn đề tài “THIẾT KẾ KHUÔN CHO SẢN PHẨM GIÁ TREO” cho NCKH này. Đồng thời thông qua đề tài này, nhóm sinh viên thực hiện mong muốn áp dụng những kiến thức đã được học trên ghế nhà trường vào những đề tài thực tế, cùng với sự hổ trợ của doanh nghiệp tạo điều kiện cho các thành viên trong nhóm được tiếp xúc với môi trường làm việc ở xưởng để lấy kinh nghiệm trước khi ra trường và bắt đầu tham gia sản xuất.3 Phương pháp nghiên cứu Nghiên cứu tổng quan từ sách, Internet, khảo sát mẫu sản phẩm.

Tham quan công ty về khuôn nhựa, được hướng dẫn cụ thể, học hỏi được các kiến thức có liên quan. Tính toán và mô phỏng trên phần mềm, khảo sát, so sánh.4 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu Đề tài tập trung nghiên cứu về tính toán thiết kế bộ khuôn dựa trên lý thuyết thiết kế khuôn ép nhựa với phạm vi nghiên cứu ở các tỉnh Đồng Nai, Bình Dương và tp Hồ Chí Minh.5 Kế hoạch thực hiện 3 Các nội dung, công việc Sản phẩm Thời gian STT Người thực hiện thực hiện chủ yếu phải đạt (số tháng) 1 Tìm hiểu, nghiên cứu tài liệu Tiết Thị Kim Tài liệu chép tay 01 về khuôn nhựa Xuân 2 Hoàng Nguyệt Phân tích mẫu, thiết kế Chi tiết Báo cáo phân tích 01 Hà, Võ Thị Giá treo (giá đỡ) theo yêu cầu Thúy Quỳnh 3 Tính toán tất cả các thông số Hoàng Nguyệt Các thông số liên liên quan của khuôn, thiết kế 03 Hà, Tiết Thị quan khuôn. Kim Xuân 4 Võ Thị Thúy Mô phỏng bằng phần mềm Kết quả mô phỏng 01 Quỳnh 5 Hoàng Nguyệt Viết báo cáo tổng kết Báo cáo tổng kết 02 Hà, Võ Thị Thúy Quỳnh Bảng 1.2 Kế hoạch thực hiện đề tài 4 Chương 2.1 Giới thiệu công nghệ ép phun (Injection Molding) 2.1 Khái niệm về công nghệ ép phun (ép đúc) Công nghệ ép phun là công nghệ được sử dụng phổ biến để sản xuất hầu hết các sản phẩm nhựa theo khuôn mẫu với số lượng lớn. Công nghệ ép phun được áp dụng chủ yếu để sản xuất các sản phẩm nhựa gia dụng như bình, hộp nhựa, … và các linh kiện nhựa kỹ thuật phục vụ cho ngành công nghiệp chế tạo và lắp ráp.2 Chu trình ép phun Chu trình ép phun là quá trình phun nhựa nóng chảy từ đầu phun máy ép để điền đầy lòng khuôn thông qua hệ thống kênh dẫn nhựa (runner) của khuôn.

Khi nhựa được làm nguội và đông cứng lại trong lòng khuôn thì khuôn được mở ra và sản phẩm được đẩy ra khỏi khuôn nhờ hệ thống đẩy. Chu trình ép phun gồm 4 giai đoạn: 1. Giai đoạn kẹp (Clamping phase): Khuôn đóng lại. Giai đoạn phun (Injection phase): Nhựa điền đầy vào lòng khuôn.

Giai đoạn làm nguội (Cooling phase): Nhựa đông đặc lại trong khuôn. Giai đoạn đẩy (Ejector phase): Đẩy sản phẩm ra khỏi lòng khuôn.3 Khả năng công nghệ Tạo ra những sản phẩm có hình dạng từ đơn giản đến phức tạp. Khả năng tự động hóa cao. Sản phẩm có màu sắc phong phú và độ bóng bề mặt cao nên không cần gia công lại.

Phù hợp với sản xuất hàng loạt và hàng khối.2 Tổng quan về máy ép nhựa Máy ép nhựa được phân thành 2 loại chính: Máy ép nhựa ngang (Horizontal Ejection Molding machine) và Máy ép nhựa đứng (Vertical Ejection Molding machine), 2 loại máy này vận hành theo cùng 1 nguyên lý. 5 Nguyên lí chung: đầu tiên, nguyên liệu được đưa vào phễu chứa, làm nóng chảy bởi các thanh gia nhiệt ở một nhiệt độ thích hợp và chuyển sang thể lỏng. Sau đó, nhựa lỏng được dẫn lên phía trước nhờ trục vít (xoay), trục vít cũng đồng thời lùi về để tạo khoảng trống phía trước đầu phun cho nhựa tràn vào. Nhờ áp lực đẩy của trục vít (không xoay), nhựa nóng chảy được bơm vào khuôn.

Sau khi lòng khuôn đã chứa đầy nhựa, hệ thống làm mát sẽ chuyển hoá nhựa từ thể lỏng sang thể rắn để định hình sản phẩm trong lòng khuôn. Kế tiếp, phần kẹp khuôn di động sẽ mở khuôn ra một khoảng được định trước, đẩy sản phẩm ra ngoài bằng trục lói của máy ép tác động một lực đẩy lên hệ thống pin đẩy của khuôn một khoảng cách được định trước.1 Các thành phần chính của máy ép 2.1 Phần kẹp khuôn Phần kẹp khuôn: bao gồm phần kẹp khuôn cố định và phần kẹp khuôn di động. Phần kẹp khuôn cố định có chức năng kẹp, giữ phần khuôn cố định để khuôn được định vị chính xác nhờ vào vòng định vị trên khuôn và lỗ định vị trên máy. Phần kẹp khuôn di động được dùng để kẹp nửa khuôn phía di động.

Phần này di chuyển tịnh tiến theo phương song song với hướng đóng mở khuôn để đóng và mở khuôn trong chu kỳ ép phun, đồng thời được bố trí lói đẩy giúp tác động lên tấm đẩy pin, đẩy sản phẩm ra ngoài.2 Phần phun nhựa Phần phun nhựa là phần sử dụng nhiệt độ để chuyển hoá nhiên liệu nhựa từ dạng rắn sang dạng lỏng, sau đó đẩy nhựa đã nóng chảy vào trong khuôn nhờ áp lực đẩy thông qua hệ thống vít xoắn và vòi phun. Bên cạnh 2 bộ phận chính này thì máy ép nhựa còn được bổ sung thêm hệ thống làm nguội, robot hoặc các hệ thống hỗ trợ khác.  Chọn loại máy trong mô phỏng Hình 2.2 Thông tin máy ép được sử dụng trong mô phỏng Moldex 3D Máy được chọn để sử dụng trong mô phỏng Moldex 3D là máy JSW J100AD- 180H-B của Nhật Bản với lực kẹp 110 tấn và đường kính trục vít 45mm.3 Tổng quan về khuôn ép nhựa 2.1 Khái niệm chung về khuôn ép nhựa Khuôn là dụng cụ (thiết bị) dùng để tạo hình sản phẩm theo phương pháp định hình, khuôn được thiết kế và chế tạo để sử dụng cho một số lượng chu trình nào đó, 7 có thể là một lần và cũng có thể là nhiều lần. Kết cấu và kích thước của khuôn được thiết kế và chế tạo phụ thuộc vào hình dáng, kích thước, chất lượng và số lượng của sản phẩm cần tạo ra.

Ngoài ra, còn có rất nhiều vấn đề khác cần phải quan tâm đến như các thông số công nghệ của sản phẩm (góc nghiêng, nhiệt độ, áp suất gia công…), tính chất vật liệu gia công (độ co rút, tính đàn hồi, độ cứng…), các chỉ tiêu về tính kinh tế của bộ phận khuôn. Khuôn sản xuất sản phẩm là một cụm gồm nhiều chi tiết lắp ghép với nhau, được chia ra làm hai phần khuôn chính là: Phần Cavity (phần khuôn âm, phần khuôn cố định): Được gá trên tấm cố định của máy ép nhựa. Phần Core (phần khuôn dương, phần khuôn di động): Được gá trên tấm di động của máy ép nhựa.3 Tấm khuôn dương và tấm khuôn âm 2.2 Kết cấu chung của một bộ khuôn Ngoài 2 tấm Core và Cavity, thì trong bộ khuôn có nhiều bộ phận khác. Các bộ phận này lắp ghép với nhau tạo thành những hệ thống cơ bản của bộ khuôn, bao gồm: 8 Hệ thống dẫn hướng và định vị: Gồm tất cả các chốt dẫn hướng, bạc dẫn hướng, vòng định vị, bộ định vị, chốt hồi… có nhiệm vụ giữ đúng vị trí làm việc của hai phần khuôn khi ghép với nhau để tạo lòng khuôn chính xác.

Hệ thống kênh dẫn nhựa: Gồm các cuống phun, kênh dẫn nhựa và miệng phun làm nhiệm vụ cung cấp nhựa từ đầu phun máy ép vào trong lòng khuôn. Hệ thống đẩy sản phẩm: Gồm các chốt đẩy, chốt hồi, chốt đỡ, bạc chốt đỡ, tầm giữ, khối đỡ, lò xo… có nhiệm vụ đẩy sản phẩm ra khỏi khuôn sau khi ép xong. Hệ thống lõi mặt bên: Gồm lõi mặt bên, má lõi, thanh dẫn hướng, cam chốt xiên, xy lanh thủy lực… làm nhiệm vụ tháo những phần không thể tháo (undercut) ra được ngay theo hướng mở khuôn. Hệ thống thoát khí: Gồm có những rãnh thoát khí, có nhiệm vụ đưa không khí tồn đọng trong lòng khuôn ra ngoài, tạo điều kiện cho nhựa điền đầy lòng khuôn dễ dàng giúp cho sản phẩm không bị bọt khí hoặc bị cháy.3 Khuôn hai tấm Hình 2.4 Các bộ phân của bộ khuôn 2 tấm cơ bản 2.4 Tổng quan về một số loại nhựa thông dụng 2.