Giáo trình Thiết kế và Chế tạo Khuôn Phun Ép Nhựa Phần 1 - TS. Phạm Sơn Minh, ThS. Trần Minh Thế Uyên

• Tác giả: TS. Phạm Sơn Minh
• Trường học: Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Kỹ thuật Cơ khí
• Đề tài: Thiết kế và chế tạo khuôn phun ép nhựa
• Loại tài liệu: Giáo trình
• Năm xuất bản: 2014
• Địa điểm: Thành phố Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Tổng quan về giáo trình thiết kế khuôn phun ép nhựa

Giáo trình Thiết kế và Chế tạo Khuôn phun Ép nhựa phần 1 của TS. Phạm Sơn Minh là tài liệu học tập quan trọng dành cho sinh viên đại học và học viên cao học thuộc nhóm ngành Kỹ thuật Cơ khí. Giáo trình được biên soạn tại Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM, xuất bản năm 2014. Ngành nhựa Việt Nam đang có tốc độ tăng trưởng nhanh với sản phẩm có mặt trên 40 quốc gia. Sự phát triển này kéo theo nhu cầu lớn về công nghiệp khuôn mẫu. Công nghệ ép phun được xem là phương pháp phổ biến nhất trong sản xuất nhựa, mang lại hiệu quả kinh tế cao, tiết kiệm thời gian và phù hợp cho sản xuất hàng loạt. Giáo trình cung cấp kiến thức nền tảng về cấu tạo khuôn, hệ thống cấp nhựa, hệ thống làm nguội và các yếu tố kỹ thuật liên quan.

1.1. Mục tiêu và đối tượng sử dụng giáo trình

Giáo trình hướng đến việc giúp người đọc làm quen và có khả năng thiết kế, chế tạo khuôn phun ép nhựa cơ bản. Đối tượng chính là sinh viên đại học và học viên cao học chuyên ngành Kỹ thuật Cơ khí. Nội dung được xây dựng theo chương trình môn học Thiết kế và Chế tạo Khuôn phun Ép nhựa. Tài liệu cũng tham khảo từ nhiều nguồn trong và ngoài nước để đảm bảo tính toàn diện.

1.2. Vai trò của công nghệ ép phun trong ngành nhựa

Công nghệ ép phun đóng vai trò trung tâm trong ngành sản xuất nhựa hiện đại. Phương pháp này cho phép tạo ra sản phẩm có hình dạng phức tạp với độ chính xác cao trong thời gian ngắn. Sự phát triển mạnh mẽ của ứng dụng CAD/CAM/CNC-CAE vào thiết kế và lập quy trình sản xuất đã nâng cao hiệu quả đáng kể. Ngành công nghiệp nhựa Việt Nam đang dần khẳng định vị trí trong nền công nghiệp quốc gia nhờ áp dụng các tiến bộ công nghệ này.

II. Phân loại và cấu tạo chung của khuôn ép phun nhựa

Khuôn ép phun là bộ phận quan trọng quyết định hình dạng và chất lượng sản phẩm nhựa. Việc phân loại khuôn dựa trên nhiều tiêu chí khác nhau như cấu trúc, số lòng khuôn, phương thức lấy sản phẩm. Kết cấu chung của một bộ khuôn bao gồm nhiều hệ thống phối hợp hoạt động: hệ thống cấp nhựa, hệ thống định hình, hệ thống đẩy sản phẩm và hệ thống làm nguội. Mỗi hệ thống đảm nhận chức năng riêng biệt nhưng liên kết chặt chẽ với nhau. Thiết kế khuôn đòi hỏi kỹ sư phải hiểu rõ nguyên lý hoạt động của từng bộ phận. Sự chính xác trong gia công và lắp ráp khuôn ảnh hưởng trực tiếp đến chất lượng sản phẩm cuối cùng. Giáo trình phân tích chi tiết các yếu tố này để người học nắm vững nguyên tắc thiết kế.

2.1. Các tiêu chí phân loại khuôn ép phun

Khuôn ép phun được phân loại theo nhiều tiêu chí. Theo cấu trúc, có khuôn hai tấm và khuôn ba tấm. Theo hệ thống cấp nhựa, phân biệt khuôn kênh dẫn nguội và khuôn kênh dẫn nóng. Theo phương thức lấy sản phẩm, có khuôn đẩy bằng ghim và khuôn dùng hệ thống đặc biệt. Mỗi loại khuôn phù hợp với nhóm sản phẩm và yêu cầu sản xuất khác nhau. Việc lựa chọn loại khuôn đúng ảnh hưởng lớn đến hiệu quả kinh tế.

2.2. Kết cấu chung và vai trò từng bộ phận

Một bộ khuôn ép phun hoàn chỉnh gồm nhiều chi tiết chính. Phần khuôn động và khuôn tĩnh tạo ra lòng khuôn định hình sản phẩm. Hệ thống kênh dẫn đưa nhựa nóng từ vòi phun vào lòng khuôn. Hệ thống đẩy giúp lấy sản phẩm ra sau khi đông đặc. Hệ thống làm nguội điều hòa nhiệt độ khuôn trong suốt chu kỳ ép. Các chi tiết dẫn hướng đảm bảo khuôn đóng chính xác. Sự phối hợp nhịp nhàng giữa các bộ phận quyết định chất lượng và năng suất sản xuất.

III. Hệ thống cấp nhựa và các yếu tố thiết kế kênh dẫn

Hệ thống cấp nhựa là thành phần then chốt trong khuôn ép phun, gồm hai loại chính: hệ thống cấp nhựa nguội và hệ thống cấp nhựa nóng. Hệ thống kênh dẫn nguội sử dụng kênh dẫn có kích thước lớn hơn sản phẩm, nhựa trong kênh sẽ đông đặc và bị loại bỏ. Hệ thống Hot Runner giữ nhựa ở trạng thái nóng chảy liên tục, giảm lãng phí nguyên liệu. Thiết kế kênh dẫn phải đảm bảo nhựa chảy đều vào lòng khuôn với áp suất và nhiệt độ phù hợp. Kích thước kênh dẫn bị ảnh hưởng bởi nhiều yếu tố: tính chất vật liệu nhựa, kiểu khuôn, loại máy ép, thời gian làm lạnh, độ nhẵn bề mặt và yêu cầu chất lượng sản phẩm. Loại tiết diện tròn được khuyến nghị sử dụng vì cho phép dòng chảy tốt nhất, các loại hình thang và trung gian cũng có thể dùng nhưng hạn chế hơn.

3.1. Hệ thống cấp nhựa nguội và đặc điểm kỹ thuật

Hệ thống cấp nhựa nguội là loại phổ biến trong khuôn ép phun truyền thống. Kênh dẫn nguội gồm các rãnh dẫn nhựa từ miệng phun đến lòng khuôn. Các tiết diện phổ biến gồm hình tròn, hình thang, hình bán nguyệt và hình chữ nhật. Loại hình tròn được đề nghị sử dụng vì cho phép vật liệu chảy tốt nhất. Nhược điểm là nhựa trong kênh dẫn bị đông đặc và phải loại bỏ, gây lãng phí nguyên liệu. Thiết kế cần đảm bảo không dính keo, độ bóng bề mặt cao và điền đầy tốt.

3.2. Hệ thống cấp nhựa nóng Hot Runner và ưu điểm

Hệ thống Hot Runner giữ nhựa ở trạng thái nóng chảy liên tục trong kênh dẫn. Cấu trúc gồm bạc cuống phun, kênh dẫn phân phối và vòi phun. Bạc cuống phun kết nối với đầu phun của máy, vận chuyển và phân phối dòng nhựa nóng. Kênh dẫn duy trì nhiệt độ nhựa là hằng số trong khi phun. Vòi phun cấp nhựa nóng đến miệng lòng khuôn và duy trì nhiệt độ ổn định. Ưu điểm lớn nhất là giảm lãng phí nguyên liệu và tăng năng suất sản xuất.

IV. Ứng dụng và tầm quan trọng của giáo trình trong đào tạo

Giáo trình thiết kế và chế tạo khuôn phun ép nhựa phần 1 đóng vai trò quan trọng trong đào tạo kỹ sư cơ khí tại Việt Nam. Nội dung giáo trình cung cấp kiến thức nền tảng từ lý thuyết đến thực tiễn, giúp sinh viên hiểu rõ nguyên lý hoạt động của khuôn ép phun. Kiến thức về hệ thống cấp nhựa nguội và nóng, cách tính toán kích thước kênh dẫn, thiết kế hệ thống làm nguội là những kỹ năng thiết yếu cho kỹ sư khuôn mẫu. Giáo trình cũng cập nhật xu hướng ứng dụng CAD/CAM/CNC-CAE trong thiết kế khuôn, phản ánh sự phát triển công nghệ hiện đại. Với sự tăng trưởng mạnh của ngành nhựa Việt Nam, nguồn nhân lực được đào tạo bài bản từ giáo trình này sẽ đáp ứng nhu cầu ngày càng cao của thị trường lao động kỹ thuật.

4.1. Giá trị thực tiễn cho sinh viên kỹ thuật cơ khí

Giáo trình cung cấp kiến thức thực tiễn về thiết kế và chế tạo khuôn phun ép nhựa. Sinh viên được học cách phân tích các yếu tố ảnh hưởng đến thiết kế kênh dẫn như tính chất vật liệu, kiểu khuôn, loại máy ép. Bài tập tính toán hệ thống đẩy và thiết kế kênh làm nguội giúp rèn luyện kỹ năng thực hành. Giáo trình cũng giới thiệu các tiêu chuẩn và thông số kỹ thuật cần thiết khi làm việc thực tế tại nhà máy sản xuất khuôn mẫu.

4.2. Đóng góp cho ngành công nghiệp khuôn mẫu Việt Nam

Ngành công nghiệp khuôn mẫu Việt Nam đang phát triển cùng với sự tăng trưởng của ngành nhựa. Giáo trình này đóng góp vào việc chuẩn hóa kiến thức đào tạo kỹ sư khuôn mẫu. Nội dung được biên soạn bởi đội ngũ giảng viên có kinh nghiệm từ Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM. Tài liệu giúp thu hẹp khoảng cách giữa lý thuyết và thực hành sản xuất. Sự hỗ trợ của các kỹ sư chuyên nghiệp trong biên soạn đảm bảo tính ứng dụng cao của giáo trình.

Trích đoạn nội dung tài liệu

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH ---&---&--- KHOA ĐÀO TẠO CHẤT LƯỢNG CAO TS. PHẠM SƠN MINH ThS.TRẦN MINH THẾ UYÊN GIÁO TRÌNH NHÀ XUẤT BẢN ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LỜI NÓI ĐẦU Trong vòng mười năm trở lại đây, ngành nhựa trở thành ngành có tốc độ tăng trưởng nhanh nhất trong cả nước. Sản phẩm nhựa Việt Nam đã có mặt trên 40 quốc gia và vẫn không ngừng tăng trưởng. Ngành nhựa phát triển lớn mạnh kéo theo sự ra đời của nền công nghiệp khuôn mẫu để hỗ trợ là điều tất yếu. Chính điều này đã tạo nên một cơ hội cũng như những thách thức cho đội ngũ các kỹ sư trong lĩnh vực khuôn mẫu. Sản phẩm nhựa có thể được chế tạo bằng nhiều phương pháp khác nhau, trong đó, phổ biến nhất là công nghệ ép phun. Công nghệ này mang lại hiệu quả kinh tế rất cao, tốn ít thời gian tạo ra sản sản phẩm, thích hợp cho sản xuất hàng loạt. Hiện nay, ngành công nghệ ép phun có nhiều phát triển vượt bậc, cùng với sự phát triển mạnh mẽ của việc ứng dụng CAD/CAM/CNC-CAE vào thiết kế và lập quy trình sản xuất, ngành công nghiệp nhựa đang dần khẳng định được vị trí của mình trong nền công nghiệp nước nhà. Với mục đích giúp người đọc làm quen và có khả năng thiết kế và chế tạo khuôn phun ép nhựa, nhóm tác giả đã biên soạn cuốn sách này với sự giúp đỡ tận tình của KS. Chu Minh Tuấn, KS. Hoàng Minh Hải, KS. Lê Nhật Sơn, KS.Nguyễn Nhật Bình và các đồng nghiệp – Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM, nhằm dùng làm tài liệu học tập cho môn học THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO KHUÔN PHUN ÉP NHỰA, dùng cho sinh viên Đại học và học viên Cao học thuộc nhóm ngành Kỹ thuật Cơ khí. Trong quá trình biên soạn, không thể tránh khỏi những thiếu sót. Nhóm tác giả rất mong nhận được sự góp ý của người đọc để các lần biên soạn sau được hoàn thiện hơn. Mọi ý kiến đóng góp xin vui lòng gởi về địa chỉ email: [e-mail] hoặc uyentmt@hcmute. Hồ Chí Minh, tháng 03 năm 2014, Nhóm tác giả: TS. Phạm Sơn Minh ThS. Trần Minh Thế Uyên Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. HCM 3 MỤC LỤC LỜI NÓI ĐẦU . CẤU TẠO KHUÔN ÉP PHUN .1 Khái niệm về khuôn .2 Phân loại khuôn ép phun .3 Kết cấu chung của một bộ khuôn .2 HỆ THỐNG CẤP NHỰA NGUỘI (Cool runner) .1 Tổng quan về hệ thống cấp nhựa nguội.2 Đặc điểm và chức năng các bộ phận của hệ thống kênh dẫn nguội .3 HỆ THỐNG CẤP NHỰA NÓNG (HOT RUNNER - HR) .1 Nhiệm vụ, yêu cầu, lợi ích và hạn chế .2 Cấu trúc và chức năng của hệ thống Hot Runner .3 Đặc điểm, cách tính và bố trí các thành phần .4 HỆ THỐNG LẤY SẢN PHẨM .1 Các cách lấy sản phẩm ra khỏi khuôn .2 Khái niệm hệ thống đẩy.4 Các hệ thống đẩy thường dùng .5 Điều khiển hệ thống đẩy .6 Một số điểm cần lưu ý khi thiết kế hệ thống đẩy .7 Ví dụ về tính toán hệ thống đẩy .5 HỆ THỐNG LÀM NGUỘI .1 Tầm quan trọng và mục đích của hệ thống làm nguội .2 Một số chất làm nguội .3 Độ dẫn nhiệt của kim loại.4 Các thành phần của hệ thống làm nguội trong khuôn ép nhựa 91 1.5 Quy luật thiết kế kênh dẫn nguội.6 Thiết kế kênh làm nguội .7 Làm nguội lõi khuôn .8 Làm nguội lòng khuôn .9 Các chi tiết sử dụng trong hệ thống làm nguội .10 Tính lưu lượng nước làm nguội .11 Tính toán thời gian làm nguội .12 Thời gian làm nguội của 1 số dạng chi tiết .13 Kiểm soát nhiệt độ khuôn .6 HỆ THỐNG DẪN HƯỚNG VÀ ĐỊNH VỊ .1 Chốt dẫn hướng và bạc dẫn hướng .2 Cơ cấu định vị .3 Vị trí của chốt và bạc dẫn hướng .7 HỆ THỐNG THOÁT KHÍ .2 Các kiểu thoát khí .3 Rãnh thoát khí trên mặt phân khuôn .4 Hệ thống thoát khí trên kênh dẫn .5 Thoát khí qua hệ thống đẩy trong khuôn .6 Thoát khí qua hệ thống hút chân không .7 Thoát khí qua hệ thống làm mát, slide, insert… .8 So sánh các phương pháp thoát khí .8 HỆ THỐNG THÁO UNDERCUT .2 Undercut mặt ngoài .3 Undercut mặt trong .4 Xilanh thủy lực tháo undercut .9 MỘT SỐ LOẠI KHUÔN .1 Khuôn hai tấm .2 Khuôn ba tấm .3 Khuôn nhiều tầng .4 Khuôn cho sản phẩm nhiều màu . CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ THIẾT KẾ KHUÔN ÉP NHỰA 163 2.1 Các nguyên tắc cơ bản để thiết kế sản phẩm nhựa .1 Dòng đồng hướng .2 Cân bằng dòng .3 Phân bố áp xuất .4 Ứng xuất trượt cực đại.5 Vị trí đường hàn và đường nối .2 Quy trình thiết kế .1 Quy trình sản xuất khuôn .2 Quy trình thiết kế khuôn .3 Quy trình thiết kế sản phẩm .4 Quy trình thiết kế hệ thống kênh dẫn .5 Quy trình thiết kế hệ thống làm nguội .3 Trình tự thiết kế khuôn .4 Các yêu cầu kĩ thuật đối với chi tiết của bộ khuôn .1 Độ chính xác về hình dáng .2 Độ chính xác về kích thước .3 Độ cứng của các chi tiết trong khuôn .5 Tính số lòng khuôn .1 Số lòng khuôn tính theo số lượng lô sản phẩm .2 Số lòng khuôn tính theo năng xuất phun của máy .3 Số lòng khuôn tính theo năng xuất làm dẻo của máy .4 Số lòng khuôn tính theo lực kẹp khuôn của máy .5 Số lòng khuôn theo kích thước tấm gá đặt trên máy ép .6 Tính toán ước lượng lực kẹp khuôn .7 Ước lượng áp xuất trung bình của lòng khuôn . MÔ PHỎNG PHÂN TÍCH (CAE) DÒNG CHẢY CỦA NHỰA.1 Giới thiệu về CAE .2 Lợi ích của ứng dụng CAE .3 Tổng quan về CAE .1 Lý thuyết về phần tử hữu hạn khi chia lưới sản phẩm .2 Độ nhớt của chất lỏng.3 Lý thuyết về truyền nhiệt.4 Thông số đầu vào của việc phân tích dòng chảy (CAE) trong công nghệ ép phun .5 Kết quả của việc phân tích mô phỏng dòng chảy .6 Sai số giữa kết quả phân tích CAE với thực tế ép sản phẩm . CÁC KHUYẾT TẬT TRÊN SẢN PHẨM ÉP VÀ CÁCH KHẮC PHỤC .1 Các yếu tố ảnh hưởng đến công nghệ ép phun .2 Các yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng sản phẩm .3 Các khuyết tật sản phẩm và cách khắc phục.1 Sản phẩm bị sai lệch kích thước lắp ghép .2 Sản phẩm bị cong vênh .3 Tập trung bọt khí .4 Sản phẩm có các vết lõm .5 Hiện tượng phun thiếu .6 Sản phẩm bị bavia .7 Sản phẩm có đường hàn nối .8 Sản phẩm có nhiều nếp nhăn .9 Bề mặt bong tróc, có vết xước, không bằng phẳng .10 Các vết rạn nứt.11 Sản phẩm có vết cháy đen . CHẾ TẠO KHUÔN .1 Vật liệu làm khuôn ép nhựa .1 Những yếu tố ảnh hưởng đến việc chọn vật liệu làm khuôn .2 Vật liệu đối với hệ thống dẫn hướng và định vị .3 Vật liệu làm thân khuôn .4 Vật liệu cho các miếng ghép và tấm khuôn cho khuôn âm và khuôn dương .5 Đặc tính của một số loại thép dùng để làm khuôn ép phun.2 Tham khảo một số loại thép chế tạo khuôn nhựa .3 Công nghệ chế tạo khuôn .1 Giới thiệu về quy trình chế tạo khuôn .2 Quy trình thiết kế chế tạo khuôn ép phun .3 Giới thiệu các công nghệ gia công .4 Gia công các tấm khuôn .4 Ứng dụng phần mềm hỗ trợ thiết kế chế tạo khuôn.1 Ứng dụng phần mềm Creo Parametric thiết kế chế tạo khuôn228 5.2 Tách khuôn với Creo Parametric .3 Ứng dụng Creo Parametric gia công khuôn .5 Xử lý bề mặt lòng khuôn .1 Kỹ thuật đánh bóng khuôn .2 Quy trình lắp ráp khuôn.1 Trình tự các bước .2 Các thông số gia công của một số vật liệu nhựa .3 Các bước lắp đặt khuôn .4 Thiết lập thông số ép .5 Ép thử - Kiểm tra sản phẩm .6 Hiệu chỉnh thông số ép . THIẾT KẾ HÌNH HỌC SẢN PHẨM NHỰA .1 Chu trình thiết kế sản phẩm nhựa .2 Yêu cầu hình học đối với sản phẩm nhựa trong khuôn ép phun.1 Góc thoát khuôn .6 Lỗ trên sản phẩm .7 Thiết kế sản phẩm có ren . 282 TÀI LIỆU THAM KHẢO . 287 9 Chương 1 CẤU TẠO KHUÔN ÉP PHUN Mục tiêu chương 1: Giới thiệu về khuôn mẫu và công nghệ ép phun Sau khi học xong chương này, người học có khả năng: 1) Định nghĩa được khuôn là gì. 2) Phân biệt được các loại khuôn phun ép nhựa. 3) Giải thích được công dụng của các bộ phận trong khuôn 4) Vận dụng được quy trình thiết kế khuôn cho sản phẩm 1.1 Khái niệm về khuôn 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, 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 khuôn, áp xuất 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 khuôn. Khuôn sản xuất sản phẩm nhựa là một cụm gồm nhiều chi tiết lắp ghép với nhau, được chia ra làm hai phần khuôn chính là: - Phần cavity (phần khuôn cái, phần khuôn cố định): được gá trên tấm cố định của máy ép nhựa. - Phần core (phần khuôn đực, phần khuôn di động): được gá trên tấm di động của máy ép nhựa. Ngoài ra, khoảng trống giữa cavity và core (phần tạo sản phẩm) được điền đầy bởi nhựa nóng chảy. Sau đó, nhựa được làm nguội, đông đặc lại rồi lấy ra khỏi khuôn bằng hệ thống lấy sản phẩm hoặc thao tác bằng tay. Sản phẩm thu được có hình dạng của lòng khuôn. Trong một bộ khuôn phần lõm vào sẽ xác định hình dạng bên ngoài của sản phẩm được gọi là lòng khuôn (hay còn gọi là khuôn âm, khuôn 10 cái, cối, cavity), còn phần lồi ra sẽ xác định hình dạng bên trong của sản phẩm được gọi là lõi (hay còn gọi là khuôn dương, khuôn đực, chày, core) một bộ khuôn có thể có một hoặc nhiều lòng khuôn và lõi. Phần tiếp xúc giữa lòng khuôn và lõi được gọi là mặt phân khuôn. Khuôn âm và khuôn dương ở trạng thái đóng 1.