Đồ án: tốt nghiệp thiết kế chế tạo mô hình máy và khuôn ép nhựa

Đồ án nghiên cứu tốt nghiệp thiết kế chế tạo mô hình máy và khuôn ép nhựa, áp dụng công nghệ tiên tiến, tối ưu giải pháp kỹ thuật cho bài toán .

• Tác giả: Phạm Văn Hiển
• Người hướng dẫn: ThS. Trần Văn Trọn
• Trường học: Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Tp.Hcm
• Chuyên ngành: Công Nghệ Chế Tạo Máy
• Đề tài: Thiết Kế, Chế Tạo Mô Hình Máy Và Khuôn Ép Nhựa
• Loại tài liệu: Đồ án tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2016
• Địa điểm: Thành Phố Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Tổng Quan Về Đồ Án Thiết Kế Chế Tạo Mô Hình Máy Ép Nhựa

Đồ án tốt nghiệp thiết kế chế tạo mô hình máy là một dự án học tập toàn diện tại Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP.HCM, nhằm tạo ra mô hình máy ép phun nhựa và bộ khuôn ép nhựa sản phẩm logo khoa. Đây là sự tổng kết của quá trình học tập về công nghệ chế tạo máy, kết hợp kiến thức lý thuyết với thực tiễn sản xuất. Dự án này không chỉ phục vụ cho giảng dạy mà còn tạo nền tảng kinh nghiệm quý báu cho các nhóm sinh viên tiếp theo. Nhóm thực hiện gồm 7 sinh viên ngành Công Nghệ Chế Tạo Máy dưới sự hướng dẫn của ThS. Trần Văn Trọn, từ tháng 3 đến tháng 7 năm 2016.

1.1. Mục Đích Và Ý Nghĩa Của Dự Án

Mục tiêu chính của đồ án thiết kế mô hình máy ép nhựa là tạo ra một sản phẩm giáo dục thực tế, giúp sinh viên hiểu rõ quy trình thiết kế, chế tạo và vận hành máy ép phun. Dự án cung cấp kiến thức về khuôn ép nhựa, công nghệ ép phun, và các hệ thống phun, đẩy, điều khiển của máy. Điều này giúp sinh viên chuẩn bị tốt hơn cho công việc trong ngành công nghiệp chế tạo máy.

1.2. Nội Dung Chính Của Đề Tài

Nội dung đồ án chế tạo mô hình máy bao gồm: tổng quan máy ép nhựa, lựa chọn phương án thiết kế, tính toán các bộ phận truyền động, thiết kế 3D bằng Creo Parametric, mô phỏng dòng nhựa với AutoDesk Moldflow, gia công tấm khuôn, thiết kế hệ thống phun và đẩy, cũng như vận hành bảo dưỡng mô hình.

II. Quá Trình Thiết Kế Và Tính Toán Mô Hình Máy

Quá trình thiết kế chế tạo mô hình máy ép nhựa đòi hỏi sự kết hợp giữa kiến thức kỹ thuật và kỹ năng sử dụng phần mềm chuyên dụng. Nhóm đã sử dụng Creo Parametric 3.0 để thiết kế 3D sản phẩm logo khoa và các bộ phận máy. Bước tách khuôn (mold parting) được thực hiện tỉ mỉ để đảm bảo sản phẩm đạt chất lượng cao. Bên cạnh đó, phần mềm AutoDesk Simulation Moldflow Synergy được sử dụng để mô phỏng dòng nhựa, giúp dự báo các khuyết tật có thể xảy ra. Các công thức tính toán về áp suất, nhiệt độ và thời gian ép được áp dụng để tối ưu hóa quy trình sản xuất.

2.1. Thiết Kế 3D Bằng Creo Parametric

Thiết kế 3D mô hình máy bằng phần mềm Creo Parametric cho phép visualize chi tiết từng bộ phận. Tách khuôn được thực hiện để tạo ra các bộ phận có thể sản xuất được. Sản phẩm logo khoa được mô hình hóa chi tiết, từ đó xác định các thông số kỹ thuật như độ sâu, độ dốc tháng, bề dày thành sản phẩm để đảm bảo tính khả thi của ép phun.

2.2. Mô Phỏng Dòng Nhựa Và Tối Ưu Hóa

Mô phỏng dòng nhựa sử dụng AutoDesk Moldflow Synergy giúp dự báo cách nhựa chảy vào khuôn. Điều này cho phép phát hiện sớm những vấn đề như tóp sáng, vết nóc chảy, hoặc lỗi nguyên liệu. Từ kết quả mô phỏng, nhóm có thể điều chỉnh thiết kế khuôn, vị trí cổng phun, và hệ thống làm mát để đạt hiệu quả tối ưu.

III. Chế Tạo Và Gia Công Mô Hình Máy Ép Nhựa

Quá trình chế tạo mô hình máy là giai đoạn thực hiện thiết kế vào thực tế. Nhóm đã gia công các tấm khuôn từ vật liệu thép, sử dụng các máy tiện, phay, mài chính xác cao. Các bộ phận truyền động, hệ thống phun, hệ thống đẩy, và hệ thống điều khiển được lắp ráp cẩn thận. Vật liệu sử dụng cho khuôn là thép cứng, đáp ứng yêu cầu về độ bền và độ chính xác. Công nghệ ép phun được áp dụng để ép ra sản phẩm logo khoa từ nhựa, kiểm chứng tính hiệu quả của bộ khuôn được thiết kế.

3.1. Gia Công Các Tấm Khuôn

Gia công tấm khuôn đòi hỏi dùng các máy CNC hiện đại để đạt độ chính xác tới 0.01mm. Các cạnh sắc được mài trơn, các mặt cắt được xử lý để tránh sứt mẻ. Tấm nhân (cavity plate) chứa hình dáng sản phẩm được gia công với độ chính xác cao, tấm nền (core plate) được xử lý tương tự. Quá trình kiểm tra chất lượng được thực hiện sau mỗi bước gia công.

3.2. Lắp Ráp Hệ Thống Máy

Lắp đặt hệ thống máy bao gồm lắp ráp bộ khuôn vào khung máy, nối kết hệ thống khí nén cho hệ thống đẩy và phun. Hệ thống điều khiển được lắp đặt để quản lý toàn bộ quy trình ép phun. Các sensor và cơ chế an toàn được kiểm tra trước khi vận hành máy. Bảo dưỡng định kỳ được thiết lập để đảm bảo máy hoạt động ổn định lâu dài.

IV. Hướng Phát Triển Và Kết Luận Đồ Án Tốt Nghiệp

Mặc dù mô hình máy ép nhựa được chế tạo thành công, nhóm nhận thấy vẫn còn nhiều hạn chế cần cải tiến. Máy hiện tại chưa thể ép ra sản phẩm thực tế ở quy mô lớn, hệ thống mở khuôn không điều chỉnh được khoảng cách, và thiết kế còn khá cồng kềnh. Để nâng cao tính thực tiễn, các hướng phát triển trong tương lai bao gồm tự động hóa toàn bộ quy trình, thay thế hệ thống khí nén bằng hệ thống thủy lực mạnh hơn, và cải thiện cơ cấu để máy có thể ép ra sản phẩm thực tế. Dự án này là bước nền tảng, mở ra nhiều cơ hội nghiên cứu và phát triển tiếp theo.

4.1. Những Hạn Chế Hiện Tại Của Mô Hình

Hạn chế của mô hình máy ép bao gồm: thiết kế cồng kềnh, chưa tự động hóa hoàn toàn, hệ thống khí nén có công suất hạn chế, nguyên lí đóng mở khuôn chưa giống thực tế, chưa có cơ chế kiểm soát nhiệt độ khuôn. Những hạn chế này chủ yếu do chi phí và yêu cầu kỹ thuật cao, nhưng không ảnh hưởng đến giá trị giáo dục của dự án.

4.2. Định Hướng Cải Tiến Trong Tương Lai

Phát triển đồ án tốt nghiệp nên tập trung vào: tự động hóa hệ thống điều khiển, thay thế khí nén bằng hệ thống thủy lực để tăng công suất ép, thiết kế lại cấu trúc để giảm kích thước máy, phát triển hệ thống làm mát khuôn, và cải tiến độ chính xác ép phun. Các cải tiến này sẽ giúp mô hình trở nên thực tế hơn, phù hợp hơn với máy ép phun công nghiệp thực tế.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Đặt vấn đề Trong cuộc sống hiện nay, sản phẩm nhựa ngày càng được phổ biến rộng rãi và đang dần chiếm ưu thế trên thị trường. Với tình hình đó, sự phát triển của sản phẩm nhựa diễn ra với một tốc độ nhanh và không ngừng cải tiến. Do đó, có thể thấy được nhựa đã chiếm một phần cực kì quan trọng trong cuộc sống hiện nay. Với sự phát triển không ngừng của ngành nhựa thì ngành công nghệ khuôn mẫu (cụ thể là ngành công nghệ ép phun) cũng phát triển ngày càng mạnh mẽ.

Nhiều công ty đã chế tạo máy ép phun phục vụ cho ngành nhựa như các đồ gia dụng, các chai lọ mỹ phẩm, chai lọ y tế, chai lọ thực phẩm,… Ngành Công nghệ chế tạo máy của Trường ĐH Sư Phạm Kỹ Thuật TP.HCM đã tập trung về việc đào tạo về CAD/CAM/CNC và lĩnh vực khuôn mẫu. Vậy nên trong những năm gần đây chất lượng đào tạo của ngành đã tiến bộ rõ rệt. Để nâng cao hiệu quả dạy – học và đồng thời trang bị kiến thức đầy đủ hơn về chuyên ngành khuôn mẫu nên nhóm đã cùng nhau đi đến chọn đề tài đồ án về lĩnh vực khuôn mẫu (thiết kế - chế tạo - ép phun). Đề tài của nhóm là “Thiết kế, chế tạo mô hình máy và bộ khuôn ép nhựa”, mục đích của đề tài là tạo điều kiện cho sinh viên có thể thấy được nguyên lý làm việc cũng như các bộ phận của máy ép nhựa và bộ khuôn thông thường.

Giúp cho sinh viên hình dung một cách rõ hơn được những kiến thức được học trên lớp. Bên cạnh những điều trên, với đề tài này nhóm sẽ học hỏi được nhiều hơn về kiến thức và kinh nghiệm thực tế về thiết kế - chế tạo – gia công mô hình máy ép nhựa và bộ khuôn hoàn chỉnh.2 Mục tiêu của đề tài - Thiết kế và gia công mô hình máy ép nhựa. - Thiết kế và gia công bộ khuôn. - Ứng dụng phần mền Moldflow để phân tích dòng chảy nhựa trong khuôn và đồng thời phân tích các lỗi có thể xảy ra khi ép phun.

- Ứng dụng phần mềm Creo Paramatric 3.0 để thiết kế - lập trình gia công cho bộ khuôn. - Vận hành máy ép phun.3 Yêu cầu đề tài - Thiết kế hợp lí, tiết kiệm vật liệu nhưng vẫn đảm bảo chức năng. - Các chi tiết của mô hình máy ép và bộ khuôn sau khi gia công xong phải đảm bảo những tính yêu cầu như: độ chính xác về kích thước, độ bền, độ bóng, tính chịu lực. - Lắp ráp hoàn chỉnh các bộ phận của mô hình máy ép và bộ khuôn, mô hình máy ép hoạt động tốt, đúng nguyên lí hoạt động của máy ép nhựa thông thường.

- Dung sai kích thước đạt yêu cầu tùy thuộc vào kích thước cụ thể (trong bảng dung sai kích thước).4 Giới hạn đề tài Do còn nhiều hạn chế về thời gian cũng như kiến thức chuyên môn nên đồ án chỉ tập trung thực hiện các vấn đề sau: - Thiết kế, gia công, lắp ráp hoàn chỉnh và vận hành mô hình máy ép nhựa. - Thiết kế, gia công, lắp ráp bộ khuôn hoàn chỉnh. - Vật liệu để gia công bộ khuôn: Mica.5 Phƣơng pháp nghiên cứu Các phương pháp sử dụng để thực hiện đồ án này: - Phương pháp quan sát: quan sát thực tế máy ép nhựa SB-W120 của trường, những đoạn video, những mô hình khuôn có sẵn. Đồng thời quan sát quá trình gia công thực tế, lắp ráp mô hình máy ép và bộ khuôn.

- Phương pháp tham khảo tài liệu: Các tài liệu liên quan đến đồ án, nguồn từ thư viện sách, internet, thầy cô và bạn bè. - Phương pháp dự đoán: Luôn đưa ra những giả thiết như hư hại, tổn thất có thể xảy ra trong suốt quá trình thiết kế và gia công, nhằm loại bỏ những yếu tố nguy hiểm có thể xảy ra. - Luôn đặt câu hỏi “Tại sao?” và “Như thế nào?” để giải quyết các vấn đề xảy ra trong suốt quá trình thực hiện đồ án.6 Đối tƣợng nghiên cứu - Thiết kế và lắp ráp mô hình máy ép nhựa và bộ khuôn hoàn chỉnh. - Vật liệu làm máy ép nhựa.

- Vật liệu làm khuôn ép phun. 2 - Ứng dụng phần mền Moldflow để phân tích dòng chảy nhựa trong khuôn và các lỗi sản phẩm. - Sử dụng máy phay CNC để gia công các bộ phận của mô hình và bộ khuôn. - Sử dụng máy nén khí để vận hành mô hình máy ép nhựa.7 Kết quả dự kiến đạt đƣợc - Mô hình máy ép nhựa hoàn chỉnh.

- Vận hành mô hình đúng yêu cầu cơ bản của máy ép nhựa thực tế. - Lắp ráp bộ khuôn hoàn chỉnh. 3 CHƢƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 Tổng quan về công nghệ ép phun 2.1 Khái niệm Một cách đơn giản nhất, công nghệ ép phun là quá trình phun nhựa nóng chảy điền đầy lòng 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.

Trong quá trình này không có bất kì phản ứng hoá học nào xảy ra.2 Nhu cầu thực tế và hiệu quả kinh tế của công nghệ ép phun Bằng cách quan sát thông thường nhất, chúng ta có thể thấy có rất nhiều sản phẩm nhựa xung quanh chúng ta. Từ các sản phẩm đơn giản là dụng cụ học tập như: thước, bút, compa hay đồ chơi trẻ em…cho đến những sản phẩm phức tạp như: bàn, ghế, vỏ tivi hay các chi tiết dùng trong ôtô và xe máy…đều được làm bằng nhựa. Hầu hết các sản phẩm này có hình dáng và màu sắc rất phong phú và chúng đã góp phần làm cho cuộc sống của chúng ta trở nên đẹp và tiện nghi hơn. Điều này đồng nghĩa với việc sản phẩm nhựa mà phần lớn được tạo ra bằng công nghệ ép phun đã trở thành một phần không thể thiếu trong cuộc sống chúng ta.

Với các tính chất như: độ dẻo dai, nhẹ, có thể tái chế, không có những phản ứng hóa học với không khí trong điều kiện bình thường….Vật liệu nhựa đã thay thế các loại vật liệu khác như: sắt, nhôm, gang, đồng thau…đang ngày càng cạn kiệt trong tự nhiên. Do đó ta có thể nói rằng nhu cầu sử dụng vật liệu nhựa trong tương lai sẽ còn rất lớn. Điều này đưa đến hiệu quả là giá thành khuôn sẽ không được cho là quá đắt bởi lợi nhuận mà nó mang lại là rất lớn vì từ một khuôn ép phun ta có thể cho ra hàng chục thậm chí hàng trăm ngàn sản phẩm nhờ máy ép nhựa. Tóm lại, nhu cầu về sản phẩm nhựa của con người là mãi mãi cho đến khi nào người ta có thể tìm được vật liệu khác có những đặc tính tương tự và tốt hơn có thể thay thế cho nhựa.

Tuy nhiên, song song với nhu cầu ấy, điều chúng ta cần quan tâm thêm nữa là phải sử dụng nhựa một cách hợp lý nhất để tránh những hệ lụy không tốt cho môi trường.3 Khả năng công nghệ - Tạo ra những sản phẩm có hình dáng phức tạp tùy ý. - Trên cùng một sản phẩm, hình dáng giữa mặt trong và mặt ngoài có thể khác nhau. - Khả năng tự động khá cao. 4 - Sản phẩm sau khi ép phun có màu sắc phong phú và độ nhẵn bóng bề mặt rất cao nên không cần gia công lại.

- Phù hợp cho sản xuất hàng khối và đơn chiếc (trong trường hợp đặc biệt).4 Phân loại máy ép phun a) Phân loại máy ép phun theo kết cấu - Theo lực đóng khuôn: 50 – 10000 tấn. - Theo khả năng một lần phun tối đa. - Theo kiểu cơ cấu cấu tạo phun. - Theo kiểu trục vít.

- Theo kiểu bố trí bộ phun. b) Phân loại máy ép phun theo quá trình phát triển - Máy ép phun piston. - Máy ép phun có trục dẻo hóa sơ bộ. - Máy ép phun trục vít.5 Các yêu cầu kỹ thuật đối với một bộ khuôn Khuôn ép nhựa đòi hỏi nhiều yêu cầu khác nhau nhưng về mặt kỹ thuật thì chủ yếu tập chung vào các yêu cầu: Độ chính xác về hình dáng, độ chính xác về kích thước, độ cứng, độ bóng của các chi tiết trong khuôn.

 Độ chính xác về hình dạng. Độ chính xác về hình dáng của các chi tiết trong khuôn là một yếu tố quan trong việc ép sản phẩm nhựa. Độ chính xác quyết định nhiều trong quá trình gia công bộ khuôn và trong quá trình ép. Khi nâng cao độ chính xác về hình dáng của khuôn thì sản phẩm nhựa sau khi ép sẽ có chất lượng cao.

 Độ chính xác về kích thước. Độ chính xác về kích thước là yếu tố rất quan trọng trong bộ khuôn ép nhựa. Trong quá trình gia công các chi tiết khuôn, các tấm khuôn phải đám bảo độ chính xác nhất định, bất kì một sai số về kích thước của một khâu đơn lẻ nào cũng ảnh hưởng rất nghiêm trọng đến toàn bộ khuôn và sản phẩm sau khi ép. Do đó cần phải có một qui trình công nghệ và chế độ cắt hợp lý khi gia công.

 Độ cứng của các chi tiết trong khuôn. Độ cứng của các chi tiết trong khuôn quyết định độ bền của khuôn. Khuôn ép làm việc liên tục và với áp suất lớn nên trong suốt quá trình làm việc khả năng khuôn bị mài mòn hoặc hư tổn rất cao. Để nâng cao độ bền của khuôn, ngoài việc 5 chọn các vật liệu tốt khi chế tạo còn có thể nhiệt luyện cho khuôn, thấm carbon, thấm nitơ.6 Chu kì ép phun.

Gồm 4 giai đoạn: - Giai đoạn kẹp (Clamping phase): khuôn được đóng lại. - Giai đoạn phun (Injection phase): nhựa điền đầy vào khuôn. - Giai đoạn làm nguội (Cooling phase): nhựa đông đặc lại trong khuôn. - Giai đoạn đẩy (Ejector phase): Đẩy sản phẩm nhựa ra khỏi lòng khuôn.

Clamping →Injection →Cooling →Ejection Hình 2.1: Chu kì ép phun. a) Giai đoạn kẹp Lúc đầu phần di động của khuôn di chuyển nhanh đến phần cố định nhưng sau đó chậm dần cho đến khi khuôn đóng lại hoàn toàn (không xảy ra tiếng động lớn). Khi khuôn đang đóng cũng là áp lực piston rất lớn được tạo ra để chống lại áp lực cao từ dòng nhựa bắn vào lòng khuôn. Điều này rất quan trọng vì nếu áp lực piston tạo ra không chống lại nổi áp lực phun thì khuôn sẽ bị hư hại và sản phẩm ép được tạo ra chắc chắn gặp khuyết tật.

b) Giai đoạn phun Đầu tiên nhựa nóng chảy và phun vào lòng khuôn rất nhanh do trục vít tiến về phía trước. Khi lòng khuôn gần như được điền đầy khoảng 95% lòng khuôn thì quá trình định hình sản phẩm trong lòng khuôn sẽ có nhiệt độ thấp hơn. Nhựa nóng sẽ nguội dần và xảy ra hiện tượng co rút.