Nghiên cứu phân bố nhiệt độ của tấm khuôn dương với các thông số kênh giải nhiệt

Nghiên cứu phân bố nhiệt độ tấm khuôn dương với các thông số kênh giải nhiệt, cung cấp thông tin hữu ích cho ngành công nghiệp chế tạo.

• Tác giả: Trần Minh Thế Uyên
• Người hướng dẫn: ThS. Trần Minh Thế Uyên
• Trường học: Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Công nghệ kỹ thuật Cơ khí
• Đề tài: Nghiên cứu phân bố nhiệt độ tấm khuôn dương theo các thông số kênh giải nhiệt
• Loại tài liệu: luận văn
• Năm xuất bản: 2018
• Địa điểm: Tp. Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• MỞ ĐẦU
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ QUÁ TRÌNH ĐIỀU KHIỂN NHIỆT ĐỘ TRONG KHUÔN ÉP
• 1.1. Hệ thống nhiệt trong khuôn
• 1.2. Yêu cầu chung về hệ thống nhiệt trong khuôn
• 1.3. Chất lỏng dùng trong quá trình điều khiển nhiệt
• 1.3.1. Nước
• 1.3.2. Dầu
• 1.3.3. Các chất dùng trong hệ thống nhiệt
• 1.4. Hệ thống điều khiển nhiệt
• 1.5. Hệ thống kênh dẫn nước
• 1.5.1. Hệ thống kênh dẫn nước trên khuôn dương
• 1.5.1.1. Hệ thống vách phẳng và vách xoắn làm nguội (Baffle)
• 1.5.1.2. Hệ thống vòi phun (Fountain)
• 1.5.2. Hệ thống lỗ nghiêng
• 1.6. Bố trí kênh dẫn nước
• 1.6.1. Bố trí liên tục
• 1.6.2. Bố trí song song
• 1.7. Các yếu tố ảnh hưởng đến chu kỳ làm gia nhiệt và làm nguội
• 1.7.1. Hình dạng và kích thước sản phẩm
• 1.7.2. Bề dày sản phẩm
• 1.7.3. Vật liệu nhựa
• 1.7.4. Kiểu dáng kích thước cổng phun và runner
• 1.7.5. Vật liệu chế tạo khuôn
• 1.8. Các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất
• 1.8.1. Kết cấu và vật liệu khuôn
• 1.8.2. Hình dáng hình học và kích thước kênh dẫn nước
• 1.8.3. Số lượng kênh
• 1.9. Ứng dụng mô phỏng CAE vào thiết kế hệ thống nhiệt cho khuôn
• 2. MÔ PHỎNG VÀ PHÂN TÍCH QUÁ TRÌNH GIA NHIỆT VÀ LÀM NGUỘI CỦA TẤM KHUÔN DƯƠNG
• 2.1. Bài toán phân tích
• 2.1.1. Mô hình mô phỏng
• 2.1.2. Thông số mô phỏng
• 2.1.3. So sánh và phân tích kết quả mô phỏng
• 2.1.3.1. Ảnh hưởng của 2 loại kênh nước
• 2.1.3.2. Ảnh hưởng của chiều cao tấm khuôn (h)
• 2.1.3.3. Ảnh hưởng của vật liệu
• 2.1.3.4. Ảnh hưởng của lưu lượng lưu chất (Mass flow rate)
• 3. THÍ NGHIỆM VÀ SO SÁNH CÁC KẾT QUẢ MÔ PHỎNG
• 3.1. Lập trình gia công
• 3.1.1. Gia công thân khuôn dương
• 3.1.2. Tiến hành thí nghiệm
• 3.2. Phương pháp thí nghiệm
• 3.3. So sánh kết quả thí nghiệm và kết quả mô phỏng
• KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ

Tóm tắt

I. Phân bố nhiệt độ tấm khuôn dương

Phần này tập trung phân tích phân bố nhiệt độ trên tấm khuôn dương trong quá trình sản xuất. Nghiên cứu này khảo sát ảnh hưởng của các thông số kênh giải nhiệt đến phân bố nhiệt độ, mục tiêu là tối ưu hóa quá trình giải nhiệt nhằm tăng hiệu suất và chất lượng sản phẩm. Phân tích nhiệt được thực hiện thông qua mô phỏng và thí nghiệm. Các phương pháp như phương pháp phần tử hữu hạn (FEM), phương pháp thể tích hữu hạn (FVM) và mô phỏng CFD được áp dụng. Quản lý nhiệt hiệu quả là yếu tố then chốt, ảnh hưởng trực tiếp đến chu trình nhiệt, chuyển nhiệt, dẫn nhiệt, và bức xạ nhiệt. Nghiên cứu cũng xem xét vật liệu tấm khuôn, gia công kim loại, và khuôn ép.

1.1 Mô hình hóa và mô phỏng

Công trình sử dụng các phần mềm mô phỏng CFD như ANSYS, FLUENT, và COMSOL để xây dựng mô hình hóa nhiệt. Mô hình toán học được thiết lập dựa trên các phương trình chuyển nhiệt. Các thông số kênh giải nhiệt, bao gồm hình dạng, kích thước, và số lượng kênh, được thay đổi để đánh giá ảnh hưởng đến phân bố nhiệt độ. Phân tích dữ liệu được thực hiện để xác định mối quan hệ giữa các thông số và phân bố nhiệt. Mô phỏng giúp dự đoán nhiệt độ bề mặt, nhiệt độ bên trong, và hiệu suất giải nhiệt. Việc sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn (FEM) hay phương pháp thể tích hữu hạn (FVM) được lựa chọn dựa trên đặc điểm của bài toán. Kết quả mô phỏng cung cấp cơ sở cho việc tối ưu thiết kế kênh giải nhiệt.

1.2 Thí nghiệm và phân tích thực nghiệm

Bên cạnh mô phỏng, nghiên cứu thực hiện các thí nghiệm nhiệt để xác nhận kết quả. Thí nghiệm bao gồm việc đo đạc nhiệt độ tại các điểm khác nhau trên tấm khuôn dương trong quá trình gia nhiệt và giải nhiệt. Thiết bị đo đạc hiện đại được sử dụng để thu thập dữ liệu chính xác. Phân tích dữ liệu thực nghiệm được tiến hành để so sánh với kết quả mô phỏng. Sự phù hợp giữa kết quả mô phỏng và thực nghiệm chứng minh độ tin cậy của mô hình. Nghiên cứu đánh giá ảnh hưởng của thông số kênh giải nhiệt đến hiệu suất giải nhiệt dựa trên kết quả thí nghiệm. Kiểm soát nhiệt độ được thực hiện thông qua điều chỉnh lưu lượng, nhiệt độ nước làm nguội, và thiết kế kênh. Chất liệu tấm khuôn cũng được xem xét để đánh giá ảnh hưởng đến phân bố nhiệt độ.

II. Ứng dụng và Kết luận

Nghiên cứu này có ý nghĩa thực tiễn cao trong ngành sản xuất khuôn mẫu. Kết quả giúp tối ưu hóa thiết kế kênh giải nhiệt, dẫn đến giảm thời gian chu trình nhiệt, tăng năng suất, và cải thiện chất lượng sản phẩm. Giảm nhiệt độ hiệu quả giúp giảm thiểu biến dạng và khuyết tật trên sản phẩm. Việc áp dụng mô phỏng CFD trong thiết kế giúp tiết kiệm chi phí và thời gian thử nghiệm. Nghiên cứu đóng góp vào sự phát triển của công nghệ khuôn ép, cụ thể là trong lĩnh vực ép phun. Kết quả nghiên cứu có thể được áp dụng rộng rãi trong nhiều ngành công nghiệp sử dụng khuôn ép.

2.1 Ứng dụng thực tiễn

Kết quả nghiên cứu có thể được ứng dụng trực tiếp trong việc thiết kế và chế tạo khuôn ép. Các nhà sản xuất có thể sử dụng kết quả nghiên cứu để tối ưu hóa thiết kế kênh giải nhiệt cho các loại khuôn ép khác nhau. Việc này giúp giảm thời gian sản xuất, tăng năng suất, và giảm chi phí. Giải pháp giải nhiệt tối ưu cũng giúp cải thiện chất lượng sản phẩm bằng cách giảm thiểu khuyết tật do phân bố nhiệt không đồng đều. Kiểm soát nhiệt độ chính xác giúp đảm bảo tính ổn định và độ chính xác kích thước sản phẩm. Nghiên cứu này cung cấp một phương pháp tiếp cận toàn diện, kết hợp giữa mô phỏng và thí nghiệm, để tối ưu hóa thiết kế kênh giải nhiệt.

2.2 Hạn chế và đề xuất

Nghiên cứu tập trung vào một loại khuôn ép cụ thể, do đó kết quả có thể không áp dụng trực tiếp cho tất cả các loại khuôn. Nghiên cứu cần được mở rộng để xem xét các yếu tố khác ảnh hưởng đến phân bố nhiệt độ, như vật liệu khuôn, áp suất ép, và tốc độ ép. Công trình nên được thực hiện với các khuôn ép có kích thước và hình dạng khác nhau. Việc sử dụng các thuật toán tiên tiến hơn trong mô phỏng CFD cũng có thể giúp cải thiện độ chính xác của kết quả. Thêm vào đó, cần nghiên cứu sâu hơn về ảnh hưởng của chất làm mát đến hiệu suất giải nhiệt. Việc nghiên cứu sâu hơn về ảnh hưởng của các yếu tố như áp suất, lưu lượng và nhiệt độ của chất làm mát sẽ làm tăng tính ứng dụng của nghiên cứu.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Trong ngành công nghiệp ép phun nhựa, chu kỳ làm nguội chiếm đến 80% tổng thời gian của một chu kỳ ép, đồng thời là giai đoạn tiêu tốn chi phí lớn nhất. Việc thiết kế hệ thống làm nguội hợp lý không chỉ giúp rút ngắn thời gian chu kỳ mà còn nâng cao chất lượng sản phẩm, giảm thiểu các khuyết tật như cong vênh, co rút không đều và ứng suất dư. Đề tài nghiên cứu phân bố nhiệt độ của tấm khuôn dương với các thông số khác nhau của kênh giải nhiệt nhằm cải tiến hệ thống kênh làm nguội, từ đó rút ngắn thời gian gia nhiệt và giải nhiệt cho tấm khuôn.

Mục tiêu chính của nghiên cứu là khảo sát phân bố nhiệt độ trên tấm khuôn dương trong quá trình gia nhiệt và làm nguội, đồng thời tối ưu các thông số thiết kế kênh giải nhiệt như kiểu kênh dẫn nước, chiều cao tấm khuôn, vật liệu khuôn và lưu lượng dòng chảy. Nghiên cứu được thực hiện trong vòng 12 tháng tại Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh, sử dụng mô phỏng trên phần mềm Ansys Workbench kết hợp với thí nghiệm thực tế để thu thập số liệu.

Kết quả nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc nâng cao hiệu quả công nghệ ép phun nhựa, giúp giảm thời gian chu kỳ sản xuất, tiết kiệm nguyên liệu và chi phí, đồng thời cung cấp cơ sở khoa học cho việc thiết kế hệ thống làm nguội khuôn phù hợp với các loại vật liệu và kích thước khuôn khác nhau. Các bộ khuôn và phương pháp điều khiển nhiệt độ khuôn được phát triển sẽ phục vụ cho công tác đào tạo và nghiên cứu trong lĩnh vực công nghệ kỹ thuật cơ khí.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu dựa trên các lý thuyết truyền nhiệt và mô hình dòng chảy chất lỏng trong hệ thống làm nguội khuôn ép phun. Hai mô hình kênh dẫn nước chính được khảo sát gồm:

• Hệ thống kênh dẫn nước không sử dụng vách ngăn (Without Baffle): Kênh nước dạng cơ bản, có một đầu vào và một đầu ra, chạy giữa tấm khuôn dương, làm nguội không đồng đều, đặc biệt với khuôn có chiều cao lớn.

• Hệ thống kênh dẫn nước có sử dụng vách ngăn phẳng (With Baffle): Kênh nước được chia thành các ngăn nhỏ giúp tạo dòng chảy rối, tăng hiệu quả truyền nhiệt và làm nguội đồng đều hơn.

Các khái niệm chính bao gồm:

• Phân bố nhiệt độ khuôn: Sự thay đổi nhiệt độ tại các điểm khác nhau trên tấm khuôn trong quá trình gia nhiệt và làm nguội.

• Lưu lượng dòng chảy (Mass Flow Rate): Lượng nước làm nguội chảy qua kênh, ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu quả truyền nhiệt.

• Vật liệu khuôn: Thép CT3, Nhôm và Đồng với các đặc tính dẫn nhiệt khác nhau ảnh hưởng đến tốc độ gia nhiệt và làm nguội.

• Chiều cao tấm khuôn (h): Thay đổi từ 0 đến 50 mm, ảnh hưởng đến khả năng truyền nhiệt và phân bố nhiệt độ.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu sử dụng kết hợp ba phương pháp chính:

• Phương pháp nghiên cứu tài liệu: Tổng hợp lý thuyết truyền nhiệt, các nghiên cứu trước và các tiêu chuẩn kỹ thuật liên quan đến thiết kế hệ thống làm nguội khuôn.

• Phương pháp mô phỏng: Thiết kế mô hình tấm khuôn trên phần mềm Creo Parametric với các kích thước chi tiết, sau đó mô phỏng quá trình truyền nhiệt bằng phần mềm Ansys Workbench (Module CFX). Mô hình được chia lưới chi tiết, mô phỏng quá trình gia nhiệt 20 giây với nước nóng 80°C và làm nguội 20 giây với nước lạnh 30°C. Tổng cộng 12 mô hình được xây dựng với các biến đổi về kiểu kênh dẫn nước, chiều cao khuôn, vật liệu và lưu lượng dòng chảy.

• Phương pháp thực nghiệm: Gia công tấm khuôn với kích thước tối ưu, tiến hành thí nghiệm đo nhiệt độ tại hai điểm P1 và P2 trên mặt cắt A-A bằng cảm biến nhiệt, so sánh kết quả thực nghiệm với mô phỏng để đánh giá độ chính xác.

Cỡ mẫu nghiên cứu bao gồm 12 mô hình mô phỏng và một bộ tấm khuôn thực nghiệm. Phương pháp chọn mẫu dựa trên việc thay đổi từng yếu tố riêng biệt để đánh giá ảnh hưởng độc lập. Phân tích dữ liệu sử dụng biểu đồ nhiệt độ, bảng so sánh nhiệt độ tại các điểm đo và tính toán tốc độ gia nhiệt, làm nguội.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Ảnh hưởng của hệ thống kênh dẫn nước:

   • Với vật liệu thép CT3, hệ thống kênh có vách ngăn (With Baffle) giúp tăng nhiệt độ tại điểm P2 từ 30°C lên đến 63.5°C sau 20 giây gia nhiệt khi chiều cao khuôn h = 50 mm, trong khi hệ thống không có vách ngăn (Without Baffle) gần như không thay đổi nhiệt độ tại điểm này.

   • Nhiệt độ tại điểm P2 cao hơn điểm P1 từ 0°C đến 4°C trong quá trình làm nguội với hệ thống Baffle, cho thấy khả năng gia nhiệt và làm nguội đồng đều hơn.

2. Ảnh hưởng của chiều cao tấm khuôn (h):

   • Khi chiều cao khuôn tăng từ 0 đến 50 mm, nhiệt độ tại điểm P2 trong hệ thống With Baffle tăng rõ rệt, đạt mức cao nhất 63.5°C, trong khi hệ thống Without Baffle không có sự thay đổi đáng kể.

   • Chiều cao khuôn lớn làm tăng sự khác biệt nhiệt độ giữa các điểm, đòi hỏi thiết kế kênh làm nguội hiệu quả hơn để đảm bảo đồng đều nhiệt độ.

3. Ảnh hưởng của vật liệu khuôn:

   • Vật liệu Đồng có khả năng dẫn nhiệt tốt nhất, giúp giảm thời gian gia nhiệt và làm nguội nhanh hơn so với thép CT3 và Nhôm.

   • Nhiệt độ khuôn tại các điểm đo thay đổi nhanh và đồng đều hơn khi sử dụng vật liệu Đồng, góp phần nâng cao hiệu quả chu trình ép phun.

4. Ảnh hưởng của lưu lượng dòng chảy:

   • Lưu lượng nước làm nguội càng lớn (đạt khoảng 2.5 m/s) thì hiệu quả làm nguội càng tăng, giảm thời gian chu kỳ ép.

   • Tuy nhiên, lưu lượng quá lớn có thể gây áp suất cao và hao phí năng lượng, cần cân đối hợp lý.

Thảo luận kết quả

Kết quả mô phỏng và thí nghiệm cho thấy hệ thống kênh dẫn nước có vách ngăn (Baffle) cải thiện đáng kể khả năng điều khiển nhiệt độ khuôn, đặc biệt với khuôn có chiều cao lớn. Điều này phù hợp với các nghiên cứu trong ngành nhựa cho thấy dòng chảy rối giúp tăng hiệu quả truyền nhiệt và làm nguội đồng đều hơn.

Sự khác biệt về nhiệt độ giữa các điểm đo phản ánh tính không đồng đều trong thiết kế kênh làm nguội truyền thống, gây ra các khuyết tật sản phẩm. Việc sử dụng vật liệu dẫn nhiệt tốt như Đồng giúp rút ngắn thời gian gia nhiệt và làm nguội, nâng cao năng suất.

Biểu đồ nhiệt độ tại các điểm P1 và P2 minh họa rõ ràng sự khác biệt giữa hai hệ thống kênh dẫn nước, đồng thời bảng so sánh nhiệt độ cuối quá trình gia nhiệt và làm nguội cung cấp số liệu cụ thể để đánh giá hiệu quả thiết kế.

Kết quả nghiên cứu góp phần làm rõ vai trò của thiết kế kênh làm nguội trong việc kiểm soát nhiệt độ khuôn, từ đó nâng cao chất lượng sản phẩm và giảm chi phí sản xuất trong công nghệ ép phun nhựa.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Áp dụng hệ thống kênh dẫn nước có vách ngăn (Baffle): Thiết kế kênh làm nguội nên tích hợp vách ngăn phẳng hoặc xoắn để tạo dòng chảy rối, tăng hiệu quả truyền nhiệt và làm nguội đồng đều. Thời gian thực hiện: 6-12 tháng. Chủ thể thực hiện: Các nhà thiết kế khuôn và doanh nghiệp sản xuất khuôn.

2. Lựa chọn vật liệu khuôn phù hợp: Ưu tiên sử dụng vật liệu có hệ số dẫn nhiệt cao như Đồng hoặc hợp kim đồng-berry cho các bộ phận khuôn quan trọng để rút ngắn chu kỳ gia nhiệt và làm nguội. Thời gian thực hiện: 12 tháng. Chủ thể thực hiện: Bộ phận kỹ thuật và quản lý sản xuất.

3. Tối ưu hóa chiều cao tấm khuôn: Thiết kế chiều cao khuôn phù hợp, không quá lớn để tránh sự không đồng đều nhiệt độ, đồng thời đảm bảo độ bền và chất lượng sản phẩm. Thời gian thực hiện: 3-6 tháng. Chủ thể thực hiện: Bộ phận thiết kế sản phẩm và khuôn.

4. Điều chỉnh lưu lượng dòng chảy làm nguội: Đảm bảo lưu lượng nước làm nguội đạt khoảng 2.5 m/s để tạo dòng chảy rối hiệu quả, đồng thời kiểm soát áp suất và tiêu hao năng lượng. Thời gian thực hiện: 3 tháng. Chủ thể thực hiện: Bộ phận vận hành và bảo trì hệ thống làm nguội.

5. Ứng dụng mô phỏng CAE trong thiết kế: Sử dụng phần mềm mô phỏng như Ansys Workbench để kiểm tra và tối ưu thiết kế hệ thống làm nguội trước khi gia công khuôn thực tế, giảm chi phí và thời gian thử nghiệm. Thời gian thực hiện: liên tục. Chủ thể thực hiện: Các phòng nghiên cứu và phát triển sản phẩm.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Kỹ sư thiết kế khuôn ép phun nhựa: Nghiên cứu cung cấp cơ sở khoa học và phương pháp thiết kế hệ thống làm nguội hiệu quả, giúp cải thiện chất lượng sản phẩm và rút ngắn chu kỳ sản xuất.

2. Doanh nghiệp sản xuất khuôn và sản phẩm nhựa: Áp dụng các giải pháp tối ưu hóa kênh làm nguội để nâng cao năng suất, giảm chi phí và tăng tính cạnh tranh trên thị trường.

3. Giảng viên và sinh viên ngành Công nghệ kỹ thuật Cơ khí: Tài liệu tham khảo quý giá cho việc đào tạo và nghiên cứu về công nghệ ép phun nhựa, truyền nhiệt và mô phỏng kỹ thuật.

4. Chuyên gia nghiên cứu và phát triển công nghệ vật liệu: Tham khảo các ảnh hưởng của vật liệu khuôn đến hiệu quả truyền nhiệt và thiết kế hệ thống làm nguội phù hợp.

Câu hỏi thường gặp

1. Tại sao hệ thống kênh dẫn nước có vách ngăn lại hiệu quả hơn?
   Hệ thống này tạo dòng chảy rối bên trong kênh, tăng diện tích tiếp xúc và tốc độ truyền nhiệt, giúp nhiệt độ khuôn phân bố đồng đều hơn, rút ngắn thời gian gia nhiệt và làm nguội.

2. Chiều cao tấm khuôn ảnh hưởng thế nào đến phân bố nhiệt độ?
   Chiều cao lớn làm tăng khoảng cách truyền nhiệt, gây không đồng đều nhiệt độ giữa các vùng khuôn, đòi hỏi thiết kế kênh làm nguội hiệu quả hơn để cân bằng nhiệt độ.

3. Vật liệu khuôn nào phù hợp nhất cho hệ thống làm nguội?
   Vật liệu Đồng có hệ số dẫn nhiệt cao nhất, giúp truyền nhiệt nhanh và đồng đều, tuy nhiên chi phí cao nên thường kết hợp với thép CT3 trong thiết kế khuôn.

4. Lưu lượng nước làm nguội nên được điều chỉnh như thế nào?
   Lưu lượng nên đạt khoảng 2.5 m/s để tạo dòng chảy rối hiệu quả, tăng khả năng làm nguội nhưng cần kiểm soát áp suất và tiêu hao năng lượng hợp lý.

5. Mô phỏng CAE có vai trò gì trong thiết kế khuôn?
   Mô phỏng giúp dự đoán phân bố nhiệt độ và hiệu quả làm nguội trước khi gia công khuôn thực tế, giảm chi phí thử nghiệm và rút ngắn thời gian phát triển sản phẩm.

Kết luận

• Hệ thống kênh dẫn nước có vách ngăn (Baffle) cải thiện đáng kể khả năng điều khiển nhiệt độ khuôn, đặc biệt với khuôn có chiều cao lớn.
• Vật liệu Đồng giúp tăng hiệu quả truyền nhiệt, rút ngắn thời gian gia nhiệt và làm nguội so với thép CT3 và Nhôm.
• Chiều cao tấm khuôn và lưu lượng dòng chảy là các yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến phân bố nhiệt độ và hiệu suất làm nguội.
• Mô phỏng CAE là công cụ hữu hiệu giúp tối ưu thiết kế hệ thống làm nguội trước khi gia công thực tế.
• Đề xuất áp dụng các giải pháp thiết kế và vật liệu phù hợp nhằm nâng cao năng suất và chất lượng sản phẩm trong công nghệ ép phun nhựa.

Tiếp theo, cần triển khai áp dụng các giải pháp đề xuất trong thực tế sản xuất và tiếp tục nghiên cứu mở rộng về các loại vật liệu và cấu trúc kênh làm nguội mới. Mời các nhà nghiên cứu và doanh nghiệp liên hệ để trao đổi và hợp tác phát triển công nghệ khuôn ép phun nhựa hiệu quả hơn.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1. TỔNG QUAN VỀ QUÁ TRÌNH ĐIỀU KHIỂN NHIỆT ĐỘ TRONG KHUÔN ÉP 1.1 Hệ thống nhiệt trong khuôn Quy trình làm nguội trong một chu kỳ ép phun là giai đoạn đặc biệt quan trọng để tăng năng suất và chất lượng sản phẩm. Bởi vì giai đoạn làm nguội có thể chiếm đến 80% thời gian 1 chu kỳ ép phun và thường chiếm chi phí đắt nhất. Cho nên thiết kế hợp lý hệ thống làm nguội sẽ đáp ứng được thời gian làm nguội theo yêu cầu kỹ thuật và tăng năng suất gia công chế tạo sản phẩm do rút ngắn được thời gian chu kỳ.

Mặt khác, các khuyết tật không mong muốn chẳng hạn như các viết lõm, co rút không đồng đều, ứng suất dư do phân bố nhiệt, biến dạng sản phẩm là do thiết kế hệ thống làm nguội không hợp lý. Các khuyết tật này có thể được hạn chế hoặc thậm chí được loại bỏ thông qua sự sắp xếp các kênh làm nguội hợp lý và phối hợp với các điều kiện quy trình ép phun tốt nhất.2 Yêu cầu chung về hệ thống nhiệt trong khuôn Đối với các vật liệu vô định hình có cấu trúc ngẫu nhiên có thể được làm nguội nhanh mà không làm thay đổi thuộc thuộc tính của vật liệu. Nhưng đối với vật liệu có tính chất là mạng tinh thể nếu làm nguội quá nhanh đồng nghĩa với chúng đông đặc quá nhanh sẽ làm ảnh hưởng đến tính chất của chúng. Kết quả sẽ làm cho sản phẩm sau khi ép bị cong vênh, sai lệch về kích thước và hình dạng.

Để tránh vấn đề trên thì khi thiết kế hệ thống làm nguội cho khuôn phải sử dụng 2 nguồn nước nhiệt độ cao để gia nhiệt và nhiệt độ thấp hơn để làm nguội khuôn trong một chu kỳ ép. Yêu cầu nhiệt độ trên khuôn: - Đủ cao để vật liệu có thể điền đầy lòng khuôn trước khi đông đặc. - Đồng điều trên toàn bộ lòng khuôn trong quá trình gia nhiệt và làm nguội. - Nhiệt độ khuôn ban đầu phù hợp đối với các vật liệu tinh thể để tránh khuyết tật trên sản phẩm.

Kiểm soát và điểu khiển nhiệt độ của khuôn là hết sức cần thiết để đạt được chất lượng sản phẩm tốt nhất và đồng đều trên tất cả các sản phẩm. Nhìn chung nhiệt độ khuôn ảnh hưởng đến bề mặt sản phẩm, thời gian chu kỳ, dung sai, cong vênh và ứng suất bên trong sản phẩm.3 Chất lỏng dùng trong quá trình điều khiển nhiệt 1. 1 Nước Nước là chất lỏng thường được sử dụng nhất để làm mát khuôn bởi vì nó có truyền nhiệt và đặc tính dòng chảy tốt. Trong thực tế, nước được sử dụng để làm mát khuôn trên phạm vi nhiệt độ từ 50C đến 800C.

Nhưng đôi khi có thể được sử dụng ở nhiệt độ cao hơn nhiều, lên đến 2000C, nhưng trong trường hợp này, toàn bộ hệ thống phải chịu được áp lực. 2 Dầu Đối với những khuôn có nhiệt độ trên 1000C thường sử dụng dầu làm chất làm nguội. Sử dụng dầu trong trường hợp này có ưu điểm tránh được sự nguy hiểm của hơi quá nhiệt và không làm oxy-hóa các tuyến đường ống kênh làm nguội. 1 Các chất dùng trong hệ thống nhiệt.4 Hệ thống điều khiển nhiệt Nguồn nước nóng trong quá trình gia nhiệt sẽ được chứa ở bồn nước nóng.

Tại đó sẽ có hệ thống (máy) làm nóng nguồn nước. Có thể điều chỉnh nhiệt độ nước và lưu lượng nước ở đầu ra. Nguồn nước nhiệt độ thấp hơn trong quá trình làm nguội có thể lấy trực tiếp từ môi trường hoặc ở bồn nước của các máy làm lạnh. Một công việc cũng không kém phần quan trọng là điều khiển hướng chảy của 2 dòng nước vào hệ thống làm nguội của khuôn.

Vì không thể để 2 dòng này chảy trực tiếp song song vào khuôn được. Trong thực tế công việc này được 1 van điện từ đảm nhận. Chúng được cài đặt thời gian để chuyển hướng dòng chảy. 10 Luan van Hình 1.

2 Sơ đồ hệ thống gia-giải nhiệt trong khuôn phun ép. A: Bể chứa (Collection manifold) B: Khuôn (Mold) C: Ống phân phối nước hoặc hỗn hợp làm nguội (Supply manifold) D: Bơm (Pump) E: Kênh làm nguội (Regular Cooling Channels) F: Ống dẫn (hoses) G: Vách làm nguội (Baffles) H: Bộ điều khiển nhiệt (Temperature controller) Hình 1. 3 Thiết bị dẫn nước vào và ra khuôn 1.5 Hệ thống kênh dẫn nước Thông thường phương pháp cung cấp chất lỏng làm mát cho khuôn đơn giản nhất là khoan lỗ trong các tấm khuôn xung quanh các lòng khuôn.4 là hệ thống cơ bản nhất bao gồm hai lỗ khoan chạy song song với mặt dài nhất của một khuôn hình chữ nhật. Hệ thống này chỉ làm nguội 2 phía của sản phẩm, các phía còn 11 Luan van lại không được làm nguội.

Hệ thống không hiệu quả và tồn tại nhiều khuyết điểm như làm nguội không đều, tốn nhiều thời gian. 4 Hệ thống nhiệt cơ bản gồm 2 đường song song Hình 1.6 có hiệu quả làm nguội tăng lên khi làm nguội được bốn phía của sản phẩm. 5 Hệ thống nhiệt cơ bản bao quanh sản phẩm hình chữ nhật. 6 Hệ thống nhiệt cơ bản bao quanh sản phẩm hình tròn xoay.

Việc xác định vị trí, số lượng và kích thước của các kênh dẫn là hết sức quan trọng. Nếu các kênh đặt quá xa nhau, thì nhiệt độ trên khuôn không đều. nhiệt độ trong khuôn không được hấp thu vào kênh dẫn nước tốt. Nếu các kênh đặt quá gần nhau, làm cho độ bền của tấm khuôn giảm.

Nếu các kênh quá gần với bề mặt lòng 12 Luan van khuôn, làm cho bề mặt sản phẩm ở những nơi đó sần sùi, mặt khác việc kiểm soát nhiệt độ khuôn càng trở nên khó khăn. Dưới đây là bảng kích thước tối ưu theo kinh nghiệm được sử dụng trong thiết kế kênh làm nguội cho khuôn: Hình 1. 7 Kích thước thiết kế kênh dẫn nước 1. 1 Hệ thống kênh dẫn nước trên khuôn dương Hệ thống kênh dẫn nước trên khuôn dương có rất nhiều dạng, dưới đây là những dạng thường được sử dụng trong thực tế: a.

Hệ thống vách phẳng và vách xoắn làm nguội (Baffle) Tấm khuôn dương sẽ được khoan các lỗ sâu vào lòng.Sau đó dùng các vách phẳng chia các lỗ khoan đó thành 2 phần nó sẽ giúp chất làm nguội chạy lên xuống bên trong các lỗ khoan giúp quá trình làm nguội diễn ra nhanh hơn. Với vách xoắn, dòng chảy bên trong là dòng chảy rối nên hiệu quả làm nguội tốt hơn vách phẳng. Yêu cầu của hệ thống này là đảm bảo dòng chảy không bị hạn chế, diện tích mặt cắt ngang của 2 bên vách ngăn tương đương với diện tích kênh nước chính. Có thể sử dụng nhiều vách ngăn nếu lõi của tấm khuôn dương quá lớn.

Nhưng không làm quá 4 vách ngăn để tránh sự gia tăng không mong muốn trong nhiệt độ chất lỏng. 13 Luan van Hình 1. 8 Hệ thống vách phẳng (Baffle) Hình 1. 9 Hệ thống vách xoắn (Baffle) b.

Hệ thống vòi phun (Fountain) Thiết kế kiểu vòi phun có hiệu quả hơn các hệ thống vách ngăn bởi vì các mạch làm mát thường là song song không nối tiếp nhau vì nhiệt độ trên khuôn đồng đều hơn. Kết cấu của hệ thống này khá phức tạp và hao tốn vật liệu, một ống nước dẫn nước từ kênh nước ở tấm khuôn và phun vào lỗ của lõi khuôn dương. Từ đây, nước dẫn ngược lại vào tấm khuôn và ra ngoài. Đối với những tấm khuôn dương có kích thước lớn có thể kết hợp sử dụng nhiều vòi phun song song nhau.

14 Luan van Hình 1. 10 Hệ thống có 1 vòi phun trên khuôn. 11 Hệ thống có nhiều vòi phun trên khuôn. Hệ thống lỗ nghiêng Phương pháp này là khoan lỗ nghiêng trong tấm khuôn dương để chúng cắt nhau tạo ra một đường dẫn cho các chất lỏng làm nguội chảy qua.

Những lỗ này đa số là lỗ sâu nên gặp nhiều khó khăn khi gia công như : - Khó tạo phôi khi cắt và khó thoát phôi ra khỏi vùng cắt. - Khó bôi trơn và làm nguội dụng cụ cắt. - Khó bảo đảm độ cứng vững,tránh rung động của hệ thống công nghệ nên khó bảo đảm độ thẳng theo yêu cầu và vị trí đúng đắn của tâm lỗ gia công. - Khó theo dõi kiểm tra chất lượng bề mặt gia công và sự làm việc của dụng cụ, đặc biệt là bảo đảm độ bền mòn của dụng cụ cắt trong suốt quá trình làm việc.

15 Luan van Trong thực tế chiều dài của các lỗ được giới hạn tối đa là khoảng 150 mm để đảm bảo độ chính xác về kích thước. 12 Hệ thống có 2 lỗ nghiêng. 13 Hệ thống có nhiều lỗ nghiêng kết hợp. Trong thức tế có thể gặp một dạng đặc biệt của lỗ nghiêng còn gọi là lỗ bậc.

Hệ thống này có ưu điểm dễ gia công hơn so với các hệ thống trên. Nhưng yêu cầu các nút chặn phải bịt kín các đầu lỗ để tránh rò rỉ nước trong hệ thống làm nguội chảy ra. Đồng thời chúng phải được gia công chính xác để khi lắp vào lõi khuôn đảm bảo lõi khuôn có hình dạng như ban đầu. 16 Luan van Hình 1.

14 Hệ thống lỗ bậc trên khuôn d. Hệ thống xoắn ốc Đối với lõi khuôn dương hình trụ đường kính lớn hơn 50 mm, hệ thống làm nguội xoắn ốc sẽ cung cấp đồng đều hơn và hiệu quả làm nguội cho phép kiểm soát nhiệt độ tốt hơn. Có thể thiết kế theo đúng hình dạng của lõi khuôn. Hệ thống xoắn ốc thường được thiết kế côn theo lõi của khuôn, làm cho hiệu quả làm nguội tốt hơn.

Khi thiết kế chú ý đặt các vòng đệm cao su để tránh việc rò rỉ nước làm nguội. 15 Hệ thống xoắn ốc trên khuôn e. Chốt làm nguội Đối với những lõi khuôn dương quá nhỏ có thể dùng khí để làm nguội hoặc dùng chốt bằng đồng hay đồng-berry (vì tính dẫn nhiệt tốt). 17 Luan van Hình 1.

16 Lõi làm nguội bằng không khí. Đối với những chốt lớn hơn (d ≥ 40mm) có thể dùng ống dẫn nhiệt từ chốt xuống kênh làm nguội để làm nguội. 17 Chốt làm nguội bằng nước. 18 Nguyên lý hoạt động.

18 Luan van Nguyên tắc hoạt động của hệ thống này: Nhiệt sẽ truyền từ nước sang chốt, chốt sẽ dẫn nhiệt và truyền vào và nung nóng lõi khuôn. Ngược lại với quá trình làm nguội, nhiệt sẽ truyền từ lõi khuôn vào chốt, sau đó, chốt dẫn nhiệt truyền vào nước. Ống nhiệt Ống dẫn nhiệt cũng được sử dụng để làm nguội cho khuôn có lõi nhỏ. Chúng hoạt động như trao đổi nhiệt giống như hệ thống chốt nhiệt nhưng trên một nguyên tắc khác.

Một ống nhiệt bao gồm một ống đồng được bịt chặt 2 đầu. Ống được đổ đầy hỗn hợp nước và ethylen glycol.