Tài liệu: Đề tài nckh thiết kế máy thử mỏi cho ghế nhựa

Chuyên khảo phân tích Đề tài nckh thiết kế máy thử mỏi cho ghế nhựa, đánh giá các khía cạnh quan trọng, đề xuất hướng nghiên cứu tiếp theo.

• Tác giả: Hoàng Tùng
• Người hướng dẫn: Th.s Trần Mai Văn
• Trường học: Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Công Nghệ Chế Tạo Máy
• Đề tài: Thiết Kế Máy Thử Mỏi Cho Ghế Nhựa
• Loại tài liệu: Đề Tài Nghiên Cứu Khoa Học
• Năm xuất bản: 2021
• Địa điểm: Thành Phố Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Tổng Quan Về Đề Tài Nghiên Cứu Thiết Kế Máy Thử Mỏi

Đề tài nghiên cứu khoa học thiết kế máy thử mỏi cho ghế nhựa là một công trình nghiên cứu quan trọng tại Trường Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật TPHCM. Đề tài này thuộc nhóm ngành khoa học ứng dụng và được thực hiện bởi nhóm sinh viên ngành Công nghệ chế tạo máy. Mục tiêu chính của đề tài là phát triển mô hình máy thử độ bền mỏi cho sản phẩm nhựa, đặc biệt là ghế nhựa, nhằm kiểm tra độ bền và xác định chu kỳ mỏi của các chi tiết. Công trình này không chỉ mang ý nghĩa về mặt kỹ thuật mà còn đóng góp đáng kể đến lĩnh vực kiểm tra chất lượng sản phẩm trong ngành công nghiệp nhựa Việt Nam.

1.1. Nội Dung Chính Của Đề Tài

Nội dung đề tài thiết kế máy thử mỏi bao gồm việc nghiên cứu công nghệ ép phun nhựa, phân tích hiện tượng phá hủy do mỏi, tổng hợp các tiêu chuẩn quốc tế như ASTM D7774-12, và thiết kế chi tiết máy thử. Công trình cũng thực hiện quy trình công nghệ chế tạo, lắp ráp các bộ phận chính bao gồm trục thử mỏi, hộp bạc trượt, và hệ thống điều khiển. Kết quả nghiên cứu giúp xác định độ bền và mức chuyển vị của ghế nhựa dưới tác động lực xoay.

1.2. Ý Nghĩa Khoa Học Và Ứng Dụng

Máy thử mỏi thiết kế này mang lại giá trị đáng kể trong việc nâng cao chất lượng kiểm tra sản phẩm nhựa. Với tính tính mới và sáng tạo, đề tài đã làm mới cơ cấu nâng hạ bằng cơ cấu cam, tạo ra một giải pháp đơn giản và kinh tế hơn các mẫu máy trước đây. Công trình này có khả năng áp dụng thực tế cao trong các nhà máy, xí nghiệp sản xuất nhựa và có đóng góp tích cực về mặt giáo dục và đào tạo kỹ thuật.

II. Hiện Tượng Phá Hủy Do Mỏi Và Các Chỉ Tiêu Quan Trọng

Hiện tượng phá hủy do mỏi là quá trình hư hỏng chi tiết máy khi chịu tác động của lực lặp đi lặp lại, ngay cả khi lực này nhỏ hơn giới hạn chịu lực tĩnh của vật liệu. Trong ngành công nghiệp nhựa, độ bền mỏi của ghế nhựa là yếu tố then chốt ảnh hưởng đến tuổi thọ và chất lượng sản phẩm. Đường cong mỏi (S-N curve) cho biết mối quan hệ giữa ứng suất và số chu kỳ gây phá hủy. Đề tài nghiên cứu những nhân tố ảnh hưởng đến độ bền mỏi bao gồm chất liệu, thiết kế hình học, xử lý bề mặt và điều kiện làm việc. Những chỉ tiêu quan trọng như mức chuyển vị, chu kỳ mỏi và ứng suất tác động được xác định thông qua tiêu chuẩn ASTM D7774-12.

2.1. Đặc Điểm Của Hiện Tượng Mỏi Vật Liệu

Hiện tượng mỏi là sự tích lũy tổn thương vật liệu từ từ dưới tác động lặp đi lặp lại. Đường cong mỏi (S-N) là công cụ hữu ích để dự đoán tuổi thọ của chi tiết. Các nhân tố ảnh hưởng bao gồm kích thước chi tiết, chất lượng bề mặt, nồng độ ứng suất, và điều kiện hoạt động môi trường. Biện pháp nâng cao độ bền mỏi bao gồm tối ưu hóa thiết kế, cải thiện quy trình sản xuất, và xử lý bề mặt vật liệu.

2.2. Tiêu Chuẩn ASTM D7774 12 Cho Kiểm Tra Mỏi

Tiêu chuẩn ASTM D7774-12 là hướng dẫn kỹ thuật cho phương pháp thử mỏi của vật liệu nhựa. Tiêu chuẩn này quy định lấy mẫu, số lượng mẫu thử, quy trình hiệu chuẩn và phương pháp tiến hành thí nghiệm. Máy thử mỏi cần tuân thủ các yêu cầu về độ chính xác, tốc độ tải và điều kiện môi trường. Kết quả thí nghiệm được biểu diễn qua biểu đồ và giải thích để xác định độ bền mỏi chính xác của sản phẩm.

III. Thiết Kế Và Tính Toán Mô Hình Máy Thử Mỏi

Quy trình thiết kế máy thử mỏi bao gồm các bước quan trọng từ lên phương án, tính toán thông số kỹ thuật, đến thiết kế chi tiết máy. Nhóm nghiên cứu đã đề ra nhiều phương án thiết kế khác nhau và lựa chọn phương án tối ưu nhất. Động cơ điện xoay chiều 3 pha được sử dụng làm nguồn động lực chính với khả năng điều chỉnh tốc độ quay. Cơ cấu dẫn hướng sử dụng cơ cấu cam là điểm sáng tạo mới, giúp nâng hạ đầu thử mỏi một cách hiệu quả. Bản vẽ thiết kế được xây dựng chi tiết, bao gồm trục thử mỏi chính, trục xoay phụ, hộp bạc trượt và các chi tiết hỗ trợ. Tính toán bền của từng chi tiết được thực hiện theo tiêu chuẩn kỹ thuật và mô phỏng bằng phần mềm Ansys.

3.1. Các Bộ Phận Chính Của Máy Thử

Máy thử mỏi gồm nhiều bộ phận chức năng: động cơ điện cung cấp lực quay, cơ cấu cam điều khiển chuyển động nâng hạ, trục thử mỏi tiếp xúc trực tiếp với sản phẩm kiểm tra, hộp bạc trượt giảm ma sát chi tiết, và hệ thống điều khiển điện tử. Tính toán thông số bao gồm momen xoắn, ứng suất tác động, tốc độ quay tối ưu để đảm bảo kiểm tra chính xác.

3.2. Mô Phỏng Và Tính Toán Chi Tiết

Mô phỏng bằng phần mềm Ansys giúp xác định phân bố ứng suất, chuyển vị chi tiết và an toàn cơ học của từng bộ phận. Tính toán bền sử dụng tiêu chuẩn von Mises để đảm bảo máy thử hoạt động an toàn và ổn định. Kết quả mô phỏng được so sánh với giá trị lý thuyết để điều chỉnh thiết kế và đảm bảo chất lượng cuối cùng.

IV. Quy Trình Công Nghệ Chế Tạo Và Kết Quả Thử Nghiệm

Quy trình công nghệ chế tạo máy thử mỏi bao gồm gia công trục thử mỏi chính, gia công trục xoay phụ, gia công hộp đựng bạc trượt và quy trình lắp ráp hoàn chỉnh. Mỗi chi tiết được gia công theo bản vẽ kỹ thuật với độ chính xác cao để đảm bảo tính hiệp hợp hoàn hảo giữa các bộ phận. Hệ thống điều khiển được lập trình để tự động điều chỉnh tốc độ quay và giám sát quá trình thử nghiệm. Kết quả thử mỏi cho ghế nhựa cho thấy máy thử có khả năng xác định độ bền chính xác, ghi lại chu kỳ mỏi và cảnh báo khi chi tiết bị hỏng. Hướng dẫn sử dụng chi tiết giúp người dùng vận hành máy an toàn và thu được dữ liệu độ tin cậy cao.

4.1. Quy Trình Gia Công Các Chi Tiết

Quy trình gia công bắt đầu từ cắt vật liệu thô, tiện chi tiết theo bản vẽ kỹ thuật, khoan lỗ với độ chính xác cao, mài bề mặt để giảm độ nhám, và kiểm tra kích thước. Mỗi phương án gia công được lựa chọn tối ưu dựa trên loại vật liệu, độ phức tạp chi tiết và yêu cầu hiệp hợp. Lắp ráp hoàn chỉnh được thực hiện theo trình tự logic để kiểm tra từng bộ phận trước khi tích hợp vào máy thử.

4.2. Hệ Thống Điều Khiển Và Kết Quả Thử Nghiệm

Hệ thống điều khiển sử dụng bộ biến tần để điều chỉnh tốc độ quay mượt mà. Giao diện máy tính hiển thị tốc độ quay, mức chuyển vị, thời gian chạy và cảnh báo lỗi. Kết quả thử mỏi được ghi lại tự động để phân tích data và lập báo cáo chất lượng. Hướng dẫn sử dụng máy cung cấp thông tin chi tiết về cách điều chỉnh tốc độ, lắp đặt mẫu thử, bảo dưỡng định kỳ và xử lý sự cố thường gặp.

Trích đoạn nội dung tài liệu

LỜI MỞ ĐẦU Ngày nay, với sự phát triển vượt bậc của khoa học kỹ thuật, đặc biệt là khoa học máy tính đã làm thay đổi căn bản mọi mặt của đời sống xã hội. Từ giữa thế kỷ XX, khi công nghệ máy tính được đưa vào áp dụng trong sản xuất đã góp phần tự động hóa sản xuất, giải phóng sức lao động của con người, tăng năng suất cũng như chất lượng sản phẩm. Theo đó là sự ra đời của các phương thức sản xuất có sự trợ giúp của máy tính và các máy công cụ được tích hợp bộ điều khiển số. Ở Việt Nam, ngoài công nghệ CAD/CAM đã và đang được phát triển, ứng dụng rộng rãi trong các xí nghiệp, nhà máy.

Thì vài năm trở lại đây công nghệ ép khuôn (Molding) bước đầu đã được nghiên cứu và ứng dụng ở các viện nghiên cứu, các trung tâm công nghệ cao. Công nghệ ép khuôn (Molding) là tổ hợp của CAD, kỹ thuật thiết kế và xử lý số liệu (Ansys) và quan trọng nhất là tạo mẫu giả lập (Moldex 3D). Kỹ thuật ép khuôn là kỹ thuật tạo nên sản phẩm mới, phù hợp với xu thế hoàn cầu hóa các phương diện thị trường thương mại và sản xuất, đa dạng hóa sản phẩm, đổi mới sản phẩm mẫu mã nhanh, sản xuất công nghệ cao, phù hợp với tính cạnh tranh của thị trường ngày càng khốc liệt. Tuy nhiên độ bền của mẫu nhựa ép lại là 1 điểm yếu.

Đề tài “Thiết kế máy thử mỏi cho ghế nhựa” sẽ tập trung nghiên cứu về độ bền mỏi của chi tiết nhựa, cụ thể là ghế nhựa. Giúp tìm ra phương án tối ưu nhất để mẫu ép có độ bền mỏi cao nhất. TỔNG QUAN TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU, NỘI DUNG VÀ MỤC TIÊU ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 1. Sản xuất nhựa bằng công nghệ ép phun Ép phun là công nghệ truyền thống của ngành sản xuất nhựa.

Công nghệ này đã được sử dụng phổ biến ở những quốc gia có ngành công nghiệp phát triển như Đức, Hoa kỳ, Nhật Bản, … và hiện đang thâm nhập vào các nước châu Á. Ép phun (công nghệ ép nhựa định hình) là phương pháp đúc để tạo hình sản phẩm thông qua 2 công đoạn phun ( đun nhựa nóng chảy) và ép vào khuôn để tạo nên hình dáng cho sản phẩm. Đây là phương pháp gia công chủ yếu được sử dụng trong công nghiệp gia công polymer. Thực trạng hiện nay, những nguyên liệu như sắt, gang, nhôm, đồng thau… đang dần cạn kiệt trong tự nhiên.

Chính vì vậy mà trong tương lai, việc sử dụng nguyên liệu nhựa sẽ là rất lớn. Có thể nói rằng, những sản phẩm nhựa được tạo ra từ công nghệ ép phun đang dần trở thành một phần không thể thiếu trong cuộc sống của chúng ta ngày nay. Đặc điểm công nghệ Quy trình ép phun được thực hiện qua 4 bước chính, cụ thể như sau:  Bước 1: Sử dụng máy ép nhựa để làm nóng chảy nguyên liệu với một nhiệt độ thích hợp Ở bước này, những nguyên liệu thô còn đang ở dạng cứng như các loại nhựa tái chế, nhựa nguyên sinh sẽ được đưa vào cổng nguyên liệu của máy ép nhựa. Tại đây, nguyên liệu sẽ được trộn đều và đẩy về phía trước để nung nóng chảy bằng hệ thống gia nhiệt đã được bố trí nằm xung quanh xilanh của máy.

 Bước 2: Hệ thống trục vít của máy ép nhựa sẽ tạo ra một áp lực lớn để bơm nhựa đun nóng chảy vào khuôn ở trạng thái đóng. Hệ thống trục vít của máy ép nhựa sẽ đóng vai trò như một pít tông đẩy phần nhựa đã được nung nóng chảy về phía trước bằng một áp lực rất lớn. Hệ thống kênh dẫn nhựa sẽ chứa phần nhựa lỏng. Lúc này, lòng khuôn đang ở trạng thái đóng để làm nhiệm vụ tạo hình sản phẩm.

1  Bước 3: Làm mát bộ phận khuôn để phần nhựa được đun nóng chảy chuyển sang trạng thái rắn. Để có thể lấy được nhựa ra ngoài thì phần nhựa đã được đun nóng chảy bắt buộc phải được làm đông cứng. Ở bước này, hệ thống làm mát của máy sẽ hoạt động để làm khuôn nguội đồng thời làm rắn phần nhựa nóng chảy.  Bước 4: Lấy sản phẩm ra ngoài.

Đây là bước cuối cùng của quy trình ép phun. Hệ thống kim khuôn của máy ép nhựa sẽ kéo ra một nửa khuôn một cách từ từ, để ra một khoảng nhất định để có thể lấy sản phẩm ra bên ngoài. Sau đó, lại đóng khuôn để tiếp tục quy trình mới. Máy ép phun Máy ép phun có cấu tạo gồm những phần chính như sau: Hình 1.1: Cấu tạo chung của máy ép phun 1.

Hệ thống hỗ trợ ép phun Gồm:  Thân máy (Frame)  Hệ thống điện (Electrical system)  Hệ thống thủy lực (Hydraulic system)  Hệ thống làm nguội (cooling system) 2 Hình 1.2: Hệ thống hỗ trợ ép phun 1. Hệ thống phun Hệ thống phun có nhiệm vụ đưa nhựa vào khuôn thông qua các quá trình cấp nhựa, nén, khử khí, làm chảy dẻo nhựa, phun nhựa lỏng và định hình sản phẩm. Gồm:  Phễu cấp liệu (hopper): chứa vật liệu dạng viên để cấp vào khoang trộn.  Khoang chứa liệu (Barrel): chứa nhựa để vis trộn di chuyển qua lại bên trong nó.

Khoang trộn được gia nhiệt bằng cách cấp nhiệt. Nhiệt độ xung quanh khoang chứa liệu cung cấp khoảng 20-30% nhiệt độ cần thiết để làm chảy nhựa.  Băng gia nhiệt (Heater band): Giúp duy trì nhiệt độ khoang chứa liệu để nhựa bên trong khoang luôn ở trạng thái chảy dẻo. Trên máy có nhiều băng gia nhiệt, cài đặt với nhiệt độ khác nhau, tạo ra các vùng nhiệt độ thích hợp cho quá trình ép phun.3: Băng gia nhiệt 3  Trục vít (screw): có chức năng nén, làm chảy dẻo và tạo áp lực để đẩy nhựa chảy dẻo vào lòng khuôn.

Cấu tạo: Hình 1.4: Cấu tạo trục vít  Bộ hồi tự hở (non-return assembly, non-return valve) Bộ phận này gồm vòng chắn hình nêm, đầu trục vít và seat. Chức năng của nó là tạo dòng nhựa bắn vào khuôn. Hình 5: Bộ hồi tự hở Khi trục vít lùi về thì vòng chắn hình nêm di chuyển hướng về vòi phun và cho phép nhựa chảy về phía trước đầu trục vít. Còn khí trục vít di chuyển về phía trước thì vòng chắn hình nêm sẽ di chuyển về hướng phễu và đóng kín với seat không cho nhựa chảy ngược về phía sau.6: Các loại bộ hồi tự hở  Vòi phun (nozzle): có chức năng nối khoáng trộn với cuống phun và phải có hình dạng đảm bảo bịt kín khoang trộn và khuôn.

Trong quá trình phun nhựa lỏng vào khuôn, vòi phun phải thẳng hàng với bạc cuống phun và đầu vòi phun nên được lắp kín với phần lõm của bạc cuống phun thông qua vòng định vị để đảm bảo nhựa không bị phun ra ngoài và tránh mất áp. Hệ thống kẹp Hệ thống kẹp có chức năng đóng, mở khuôn, tạo lực kẹp giữ khuôn trong quá trình làm nguội và đẩy sản phẩm thoát khỏi khuôn khi kết thúc một chu kỳ ép. Gồm: Cụm đẩy của máy (machine ejectors): tạo ra lực đẩy tác động vào tấm đẩy trên khuôn để đẩy sản phẩm rời khỏi khuôn. Cụm kìm (clamp cylinders): cung cấp lực để đóng mở khuôn và giữ khuôn trong suốt quá trình phun.

Thường có 2 loại: Cơ cấu khuỷu Hình 1.9: Cơ cấu khuỷu 6 Xylanh thủy lực Hình 1.10: Xylanh thủy lực Loại kìm Ưu điểm Nhược điểm Kìm dùng thủy lực Lắp đặt nhanh. Cần lượng lớn dầu thủy lực. Tốn năng lượng. Dễ bảo dưỡng.

Chịu ảnh hưởng của hệ số nén của dầu. Ít làm võng tấm khuôn. Lực kìm tập trung vào giữa tấm khuôn. Kìm dùng cơ cấu Giá thành thấp Cần bảo dưỡng thường xuyên khuỷu Di chuyển cơ cấu kẹp nhanh Lực kìm không tập trung vào giữa tấm khuôn.

Tự hãm để giảm va đập Khó điều chỉnh.1: Ưu nhược điểm của cụm kìm cùng cơ cấu khuỷu và xylanh thủy lực. Hệ thống điều khiển Hệ thống điều khiển giúp người vận hành máy theo dõi và điều chỉnh các thông số gia công như: nhiệt độ, áp suất, tốc độ phun, vận tốc và vị trí trục vis, vị trí của các bộ phận trong hệ thống thủy lực. Hệ thống điều khiển giao tiếp với người vận hành máy qua bảng điều khiển (control panel) và màn hình máy tính (computer screen).11: Hệ thống điều khiển 1. Khuôn ép phun Quá trình ép phun sử dụng khuôn, thường được làm bằng thép hoặc nhôm, làm công cụ tùy chỉnh.

Khuôn có nhiều thành phần, nhưng có thể được chia thành hai nửa. Mỗi nửa được gắn bên trong máy ép phun và nửa phía sau được phép trượt để khuôn có thể được mở và đóng dọc theo đường phân chia của khuôn. Hai thành phần chính của khuôn là lõi khuôn và khoang khuôn. Khi khuôn được đóng lại, khoảng trống giữa lõi khuôn và khoang khuôn tạo thành khoang phần, sẽ được lấp đầy bằng nhựa nóng chảy và sau đó được làm mát để tạo ra sản phẩm mong muốn.

Khuôn ép nhựa được chia làm 2 phần :  Phần cố định (Khuôn cái): phần này là phần không di chuyển trong toàn bộ quá trình ép phun. Phần này được gắn chặt vào thành máy cố định máy ép nhựa và được nối với hệ thống vòi phun nhựa của máy để đưa nhựa nóng chảy vào lòng khuôn thông qua hệ thống vòi phun và kênh dẫn.  Phần di động (Khuôn đực): phần này là phần có chức năng đóng khuôn để ép sản phẩm và mở khuôn để lấy sản phẩm. Phần di động sẽ được gắn chặt vào thành máy di động máy ép nhựa nối với hệ thống lói khuôn nhằm đẩy sản phẩm ra ngoài thông qua hệ thống pin đẩy được thiết kế trong khuôn.8: Cấu tạo khuôn ép phun nhựa Chi tiết cấu tạo khuôn ép nhựa :  Tấm kẹp trên: Tấm này có tác dụng kẹp chặt tấm khuôn trên và tấm kẹp trên thành một khối và kẹp chặt cả khối này bàn tĩnh của máy ép nhựa.

 Tấm khuôn trên: Là bộ phận quan trọng nhất vì nó là hình bao ngoài của sản phẩm. Nó quyết định đến độ chính xác của khuôn cũng như độ chính xác của sản phẩm. Bề mặt ngoài của sản phẩm đẹp hay xấu, chính xác hay không là phụ thuộc hoàn toàn vào khi ta gia công tấm khuôn này.  Bạc định vị: Đảm bảo vị trí thích hợp của khuôn với vòi phun.

 Bộ định vị: Đảm bảo sự phù hợp giữa phần cố định và phần chuyển động của khuôn. Nó bao gồm chốt định vị và bạc định vị.  Tấm đỡ: Giữ cho mảnh ghép của khuôn không bị rơi ra ngoài.  Thanh kê: Dùng làm phần ngăn giữa tấm đỡ và tấm kẹp phía dưới để cho giàn đẩy hoạt động được.