Tổng quan nghiên cứu

Công nghệ đúc là một trong những ngành sản xuất then chốt trong công nghiệp chế tạo cơ khí, đóng vai trò cung cấp phôi cho các công đoạn gia công cơ khí tiếp theo. Theo ước tính, khoảng 90% sản lượng vật đúc trên thế giới được sản xuất bằng phương pháp đúc khuôn cát, một phương pháp truyền thống nhưng vẫn giữ vị trí quan trọng do tính linh hoạt và chi phí thấp. Tuy nhiên, tại Việt Nam, công nghệ đúc khuôn cát còn tồn tại nhiều hạn chế như tỷ lệ phế phẩm cao, chất lượng sản phẩm chưa ổn định và tiêu hao nguyên vật liệu lớn. Nguyên nhân chủ yếu là do người lao động chưa nắm vững kiến thức lý thuyết gắn liền với thực hành, dẫn đến sai sót trong quá trình sản xuất.

Đề tài nghiên cứu nhằm chế tạo bộ mẫu đúc từ 5 đến 7 mẫu bằng nhựa POM để phục vụ công tác học tập môn Công nghệ Kim loại (phần đúc) theo chương trình 150 tín chỉ và định hướng E/M-learning tại Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh. Phạm vi nghiên cứu tập trung vào kỹ thuật làm khuôn cát và phương pháp làm khuôn bằng tay, với đối tượng nghiên cứu là lý thuyết về tính toán, thiết kế đúc và chế tạo mẫu đúc. Thời gian thực hiện đề tài là trong năm 2015, với việc áp dụng cho học kỳ II năm học 2014-2015, phục vụ gần 200 sinh viên.

Mục tiêu cụ thể của nghiên cứu là chế tạo thành công 6 bộ mẫu đúc bằng nhựa POM bao gồm mẫu và hộp lõi, đảm bảo độ bền cao, độ chính xác trong quá trình sử dụng, nhẹ và tiện lợi cho việc thực hành. Việc này góp phần nâng cao chất lượng đào tạo, giúp sinh viên có cơ hội thực nghiệm thực tế, từ đó củng cố kiến thức lý thuyết và phát triển kỹ năng kỹ thuật trong lĩnh vực công nghệ đúc.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu dựa trên các lý thuyết và mô hình thiết kế công nghệ đúc, tập trung vào các nguyên tắc thiết kế chi tiết đúc và công nghệ đúc khuôn cát. Hai lý thuyết chính được áp dụng gồm:

  1. Nguyên tắc thiết kế chi tiết đúc: Bao gồm các khái niệm về co ngót, ứng suất trong vật đúc, nguyên tắc bố trí nút nhiệt, thiết kế ruột, và các biện pháp chống rỗ ngót, nứt, cong vênh. Các khái niệm này giúp đảm bảo vật đúc có chất lượng cao, giảm khuyết tật và tăng độ bền.

  2. Thiết kế công nghệ đúc: Tập trung vào việc nghiên cứu bản vẽ chi tiết, vị trí vật đúc trong khuôn khi rót, chọn mặt ráp khuôn, mặt phân mẫu, chuẩn gia công, hệ thống rót, đậu ngót và vật làm nguội. Mô hình này giúp tối ưu hóa quá trình sản xuất, giảm chi phí và nâng cao hiệu quả.

Các khái niệm chuyên ngành quan trọng bao gồm: POM (Polyoxymethylene) – vật liệu nhựa dùng làm mẫu đúc, hệ thống rót, đậu ngót, ruột khuôn, co ngót, ứng suất trong, gân tăng cứng, và các loại hợp kim đúc (gang xám, gang dẻo, thép cacbon, hợp kim nhôm).

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu sử dụng phương pháp thực nghiệm kết hợp khảo sát lý thuyết. Cụ thể:

  • Nguồn dữ liệu: Tổng hợp từ tài liệu chuyên ngành, tiêu chuẩn kỹ thuật Việt Nam, các nghiên cứu trong và ngoài nước về công nghệ đúc, đặc biệt là các tài liệu về thiết kế và chế tạo mẫu đúc bằng nhựa POM.

  • Phương pháp phân tích: Thiết kế bộ mẫu đúc dựa trên các nguyên tắc lý thuyết, mô phỏng và chỉnh sửa mô hình thiết kế. Sau đó, tiến hành gia công bằng máy phay CNC tại trung tâm công nghệ cao, lắp ráp và kiểm tra chất lượng bộ mẫu.

  • Cỡ mẫu và chọn mẫu: Chế tạo 6 bộ mẫu đúc đại diện cho các chi tiết phổ biến trong công nghệ đúc khuôn cát, bao gồm bộ mẫu con chạy, gối đỡ, thân bơm, ống chữ T, tay quay. Việc lựa chọn các mẫu này nhằm đảm bảo tính đại diện và ứng dụng thực tế trong giảng dạy.

  • Timeline nghiên cứu: Thực hiện trong năm 2015, với các giai đoạn thiết kế, gia công, lắp ráp và thử nghiệm mẫu, đồng thời áp dụng vào giảng dạy học kỳ II năm học 2014-2015.

Phương pháp nghiên cứu đảm bảo tính khoa học, thực tiễn và khả năng áp dụng cao trong đào tạo kỹ thuật.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Chế tạo thành công 6 bộ mẫu đúc bằng nhựa POM: Bộ mẫu bao gồm mẫu và hộp lõi, có độ bền cơ học cao, độ cứng tốt, khả năng chịu mỏi và rão, tính trơn trượt và chịu mài mòn tốt. Đặc biệt, nhựa POM có tính ổn định kích thước và khả năng gia công vượt trội so với vật liệu truyền thống như gỗ hoặc hợp kim nhôm.

  2. Độ chính xác và chất lượng mẫu đạt yêu cầu: Qua kiểm tra, sai lệch kích thước nằm trong giới hạn cho phép theo tiêu chuẩn kỹ thuật, với sai số dưới 2% đối với các chi tiết có kích thước dưới 300 mm. Lượng dư gia công được tính toán hợp lý, giúp giảm thời gian và chi phí gia công cơ khí.

  3. Hiệu quả trong giảng dạy thực hành: Bộ mẫu đã được đưa vào sử dụng cho gần 200 sinh viên trong học kỳ II năm học 2014-2015, giúp sinh viên có cơ hội thực nghiệm trực tiếp quá trình đúc khuôn cát, từ đó nâng cao kỹ năng và sự hiểu biết về công nghệ đúc.

  4. Tiết kiệm chi phí và tăng tính kinh tế: So với mẫu làm bằng gỗ hoặc kim loại, mẫu nhựa POM nhẹ hơn khoảng 30%, giảm chi phí vật liệu và gia công. Đồng thời, tính bền và ổn định của POM giúp kéo dài tuổi thọ bộ mẫu, giảm tần suất thay thế.

Thảo luận kết quả

Việc sử dụng nhựa POM làm vật liệu chế tạo mẫu đúc là một bước tiến mới, khắc phục được nhiều hạn chế của vật liệu truyền thống như gỗ dễ hư hỏng, kim loại có trọng lượng lớn và chi phí cao. Đặc tính cơ học và hóa học của POM phù hợp với yêu cầu gia công mẫu đúc khuôn cát, đồng thời đảm bảo độ chính xác và độ bền trong quá trình sử dụng.

So sánh với các nghiên cứu trong nước và quốc tế, kết quả này tương đồng với xu hướng ứng dụng vật liệu polymer trong công nghệ đúc nhằm nâng cao hiệu quả đào tạo và sản xuất. Việc áp dụng bộ mẫu này trong giảng dạy giúp sinh viên tiếp cận thực tế, tăng cường kỹ năng giải quyết vấn đề và giảm thiểu sai sót trong sản xuất thực tế.

Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ thể hiện tỷ lệ sai lệch kích thước của các mẫu, bảng so sánh chi phí và trọng lượng giữa các vật liệu làm mẫu, cũng như biểu đồ đánh giá mức độ hài lòng của sinh viên sau khi sử dụng bộ mẫu trong thực hành.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Mở rộng quy mô chế tạo bộ mẫu đúc bằng nhựa POM: Tăng số lượng bộ mẫu lên khoảng 10-15 mẫu để phục vụ đa dạng hơn cho các môn học và thực hành kỹ thuật. Thời gian thực hiện dự kiến trong 1-2 năm, do các đơn vị đào tạo kỹ thuật chủ trì.

  2. Phát triển tài liệu hướng dẫn sử dụng và bảo quản bộ mẫu: Soạn thảo tài liệu chi tiết về quy trình sử dụng, bảo dưỡng và sửa chữa bộ mẫu nhằm kéo dài tuổi thọ và đảm bảo chất lượng. Chủ thể thực hiện là các giảng viên và kỹ thuật viên phòng thí nghiệm.

  3. Áp dụng công nghệ E/M-learning kết hợp thực hành trực tiếp: Tích hợp bộ mẫu vào các bài giảng trực tuyến, video hướng dẫn và mô phỏng 3D để sinh viên có thể học tập linh hoạt, nâng cao hiệu quả đào tạo. Thời gian triển khai trong 6-12 tháng, do phòng công nghệ thông tin và khoa cơ khí phối hợp thực hiện.

  4. Nghiên cứu mở rộng ứng dụng vật liệu nhựa POM trong các lĩnh vực đúc khác: Khảo sát khả năng sử dụng POM cho các loại mẫu đúc khuôn kim loại khác, nhằm đa dạng hóa ứng dụng và nâng cao hiệu quả sản xuất. Đề xuất thực hiện trong các dự án nghiên cứu tiếp theo, do các viện nghiên cứu và trường đại học chủ trì.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Giảng viên và sinh viên ngành Cơ khí chế tạo máy: Giúp nâng cao kiến thức thực hành về công nghệ đúc, đặc biệt trong phần đúc khuôn cát, từ đó cải thiện kỹ năng và hiệu quả học tập.

  2. Kỹ thuật viên và chuyên gia công nghệ đúc: Cung cấp cơ sở lý thuyết và thực nghiệm về thiết kế, chế tạo mẫu đúc bằng vật liệu mới, hỗ trợ cải tiến quy trình sản xuất và giảm thiểu khuyết tật.

  3. Nhà quản lý đào tạo và phát triển chương trình học kỹ thuật: Tham khảo để xây dựng chương trình đào tạo tích hợp lý thuyết và thực hành, áp dụng công nghệ E/M-learning hiệu quả.

  4. Các nhà nghiên cứu và phát triển vật liệu polymer trong công nghiệp: Tài liệu cung cấp dữ liệu thực nghiệm và phân tích về ứng dụng nhựa POM trong công nghệ đúc, mở ra hướng nghiên cứu mới.

Câu hỏi thường gặp

  1. Tại sao chọn nhựa POM làm vật liệu chế tạo mẫu đúc?
    Nhựa POM có độ bền cơ học cao, tính ổn định kích thước tốt, khả năng chịu mài mòn và chịu nhiệt lên đến +100°C, phù hợp cho việc gia công mẫu đúc khuôn cát. Ngoài ra, POM dễ gia công và có tính trơn trượt tốt, giúp mẫu dễ dàng tháo lắp và sử dụng nhiều lần.

  2. Bộ mẫu đúc này có thể áp dụng cho những loại đúc nào?
    Bộ mẫu được thiết kế chủ yếu cho công nghệ đúc khuôn cát, phù hợp với các chi tiết đúc bằng gang, thép và hợp kim nhôm trong phạm vi đào tạo kỹ thuật. Việc áp dụng cho các phương pháp đúc khác cần nghiên cứu thêm.

  3. Làm thế nào để đảm bảo độ chính xác của mẫu đúc?
    Độ chính xác được đảm bảo thông qua thiết kế chi tiết theo tiêu chuẩn kỹ thuật, gia công bằng máy CNC hiện đại, kiểm tra sai lệch kích thước theo tiêu chuẩn TCVN và điều chỉnh trong quá trình lắp ráp. Sai số được kiểm soát trong giới hạn cho phép dưới 2%.

  4. Bộ mẫu đúc có thể sử dụng trong bao lâu?
    Nhờ đặc tính bền và ổn định của nhựa POM, bộ mẫu có thể sử dụng liên tục trong nhiều năm học mà không bị biến dạng hay hư hỏng nghiêm trọng, giúp tiết kiệm chi phí thay thế so với mẫu làm bằng gỗ hoặc kim loại.

  5. Có thể áp dụng công nghệ E/M-learning như thế nào với bộ mẫu này?
    Bộ mẫu được tích hợp vào các bài giảng trực tuyến, video hướng dẫn và mô phỏng 3D, giúp sinh viên học tập linh hoạt, kết hợp giữa lý thuyết và thực hành trực tiếp, nâng cao hiệu quả đào tạo và giảm thiểu chi phí vận hành phòng thí nghiệm.

Kết luận

  • Đã chế tạo thành công 6 bộ mẫu đúc bằng nhựa POM, đáp ứng yêu cầu về độ bền, độ chính xác và tính kinh tế trong đào tạo công nghệ đúc khuôn cát.
  • Bộ mẫu giúp sinh viên thực nghiệm trực tiếp, nâng cao kỹ năng và sự hiểu biết về công nghệ đúc, phục vụ chương trình đào tạo 150 tín chỉ và định hướng E/M-learning.
  • Nghiên cứu cung cấp cơ sở lý thuyết và thực tiễn cho việc ứng dụng vật liệu polymer trong công nghệ đúc, mở rộng hướng phát triển trong đào tạo và sản xuất.
  • Đề xuất mở rộng quy mô chế tạo mẫu, phát triển tài liệu hướng dẫn, tích hợp công nghệ E/M-learning và nghiên cứu ứng dụng POM trong các lĩnh vực đúc khác.
  • Khuyến khích các đơn vị đào tạo, nghiên cứu và sản xuất áp dụng kết quả để nâng cao chất lượng đào tạo và hiệu quả sản xuất trong ngành công nghệ kim loại.

Hành động tiếp theo là triển khai mở rộng bộ mẫu, hoàn thiện tài liệu hướng dẫn và tích hợp công nghệ số trong giảng dạy, đồng thời nghiên cứu ứng dụng sâu rộng hơn vật liệu POM trong công nghiệp đúc. Đề nghị các đơn vị liên quan phối hợp thực hiện để phát huy tối đa hiệu quả nghiên cứu.