Nghiên Cứu Thiết Kế Và Lập Trình Gia Công Khuôn Ép Nhựa Ổ Điện 2 Chấu

Nghiên cứu thiết kế và lập trình gia công khuôn ép nhựa ổ điện 2 chấu, tối ưu hóa quy trình sản xuất và nâng cao chất lượng sản phẩm.

• Tác giả: Lê Quang Nhật
• Người hướng dẫn: TS. Trần Văn Tùng
• Trường học: Trường Đại Học Lâm Nghiệp
• Chuyên ngành: Cơ Điện
• Đề tài: Nghiên Cứu Thiết Kế Và Lập Trình Gia Công Khuôn Ép Nhựa Ổ Điện 2 Chấu
• Loại tài liệu: Khóa Luận Tốt Nghiệp
• Năm xuất bản: 2024
• Địa điểm: Hà Nội

Mục lục chi tiết

• LỜI CẢM ƠN
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU GIỚI THIỆU
• 1.1. Tầm quan trọng của công nghệ làm khuôn mẫu trong các sản phẩm nhựa
• 1.2. Cơ sở thiết kế khuôn
• 1.3. Nguyên lý hoạt động của khuôn ép nhựa
• 1.4. Các loại khuôn phổ biến
• 1.5. Nhu cầu sử dụng các sản phẩm nhựa trong thiết bị điện
• 1.6. Tính cấp thiết của đề tài
• 1.7. Mục tiêu, Nội dung, Phương pháp nghiên cứu
• 1.8. Tổng quan về chất dẻo polymer
• 1.8.1. Khái niệm
• 1.8.2. Phân loại
• 1.8.3. Tính chất cơ bản của Polymer
• 2. CHƯƠNG 2: THIẾT KẾ CHI TIẾT VÀ KHUÔN ÉP NHỰA CHI TIẾT Ổ ĐIỆN 2 CHẤU
• 2.1. Phân tích ý tưởng
• 2.2. Phân tích tính kết cấu của chi tiết
• 2.3. Thiết kế chi tiết trên phần mềm INVENTOR
• 2.4. Thiết kế khuôn ép nhựa chi tiết ổ cắm điện 2 chấu
• 2.5. Tính toán và thiết kế hệ thống kênh dẫn theo lý thuyết
• 3. CHƯƠNG 3: LẬP QUY TRÌNH GIA CÔNG KHUÔN ÉP NHỰA CHI TIẾT Ổ ĐIỆN HAI CHẤU
• 3.1. Xác định dạng sản xuất và phương pháp chế tạo phôi
• 3.2. Xác định dạng sản xuất
• 3.3. Xác định phương pháp chế tạo phôi
• 3.4. Thứ tự nguyên công chế tạo khuôn ép chi tiết
• 3.5. Tính toán chế độ cắt gọt cho các nguyên công
• 3.5.1. Nguyên công 1: Phay thô – Tinh mặt phẳng lớn 1
• 3.5.2. Nguyên công 2: Phay thô+ Phay tinh các mặt bên
• 3.5.3. Nguyên công 3: Mài các mặt phẳng lớn
• 3.5.4. Nguyên công 4: Khoan lỗ kênh làm mát
• 3.5.5. Nguyên công 5: Gia công lòng khuôn
• 3.5.6. Nguyên Công 6: Nguyên công xung điện cực
• 3.5.7. Nguyên công 7: Mạ điện crom
• 3.5.8. Nguyên công 8: Đánh bóng lòng khuôn
• 3.5.9. Nguyên công 9: Tổng kiểm tra
• 3.6. Lập trình gia công khuôn trên phần mềm SOLIDWORKS
• 3.7. Gia công lòng khuôn trên
• 3.8. Gia công lòng khuôn dưới
• 3.9. Xuất chương trình CNC
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tổng quan về Nghiên cứu thiết kế khuôn ép nhựa ổ điện 2 chấu

Nghiên cứu thiết kế khuôn ép nhựa ổ điện 2 chấu là một lĩnh vực quan trọng trong ngành công nghiệp chế tạo. Sự phát triển của công nghệ CAD/CAM/CNC đã tạo điều kiện thuận lợi cho việc thiết kế và sản xuất khuôn mẫu. Việc áp dụng công nghệ này không chỉ giúp nâng cao chất lượng sản phẩm mà còn giảm thiểu thời gian sản xuất. Đặc biệt, ổ điện 2 chấu là một sản phẩm thiết yếu trong đời sống hàng ngày, do đó, việc nghiên cứu và cải tiến quy trình sản xuất khuôn ép nhựa cho sản phẩm này là rất cần thiết.

1.1. Tầm quan trọng của khuôn ép nhựa trong sản xuất

Khuôn ép nhựa đóng vai trò quan trọng trong việc tạo hình sản phẩm nhựa. Nó không chỉ giúp định hình sản phẩm mà còn ảnh hưởng đến chất lượng và độ bền của sản phẩm. Việc thiết kế khuôn phù hợp sẽ giúp tối ưu hóa quy trình sản xuất và giảm thiểu chi phí.

1.2. Các loại khuôn ép nhựa phổ biến hiện nay

Có nhiều loại khuôn ép nhựa khác nhau, bao gồm khuôn hai tấm, khuôn ba tấm và khuôn nhiều tầng. Mỗi loại khuôn có những ưu điểm và nhược điểm riêng, phù hợp với từng loại sản phẩm và quy trình sản xuất khác nhau.

II. Vấn đề và thách thức trong thiết kế khuôn ép nhựa

Thiết kế khuôn ép nhựa không chỉ đơn thuần là việc tạo ra một sản phẩm mà còn phải đối mặt với nhiều thách thức. Các yếu tố như nguyên liệu, quy trình sản xuất và yêu cầu kỹ thuật đều ảnh hưởng đến thiết kế khuôn. Việc lựa chọn nguyên liệu nhựa phù hợp và đảm bảo tiêu chuẩn an toàn điện là rất quan trọng.

2.1. Nguyên liệu nhựa và ảnh hưởng đến thiết kế khuôn

Nguyên liệu nhựa có ảnh hưởng lớn đến tính chất cơ học và độ bền của sản phẩm. Việc lựa chọn đúng loại nhựa sẽ giúp tối ưu hóa quy trình sản xuất và đảm bảo chất lượng sản phẩm cuối cùng.

2.2. Tiêu chuẩn an toàn điện trong thiết kế khuôn

An toàn điện là một yếu tố quan trọng trong thiết kế khuôn ép nhựa cho ổ điện 2 chấu. Các tiêu chuẩn an toàn cần được tuân thủ để đảm bảo sản phẩm không gây nguy hiểm cho người sử dụng.

III. Phương pháp thiết kế khuôn ép nhựa ổ điện 2 chấu

Phương pháp thiết kế khuôn ép nhựa ổ điện 2 chấu bao gồm nhiều bước từ việc phân tích yêu cầu sản phẩm đến việc lập trình gia công khuôn. Sử dụng phần mềm CAD/CAM giúp tối ưu hóa quy trình thiết kế và gia công, từ đó nâng cao hiệu quả sản xuất.

3.1. Phân tích yêu cầu sản phẩm và thiết kế

Phân tích yêu cầu sản phẩm là bước đầu tiên trong thiết kế khuôn. Điều này bao gồm việc xác định kích thước, hình dáng và tính năng của ổ điện 2 chấu để đảm bảo sản phẩm đáp ứng nhu cầu sử dụng.

3.2. Lập trình gia công khuôn trên phần mềm CAD CAM

Lập trình gia công khuôn trên phần mềm CAD/CAM giúp tối ưu hóa quy trình sản xuất. Việc sử dụng phần mềm này không chỉ giúp tiết kiệm thời gian mà còn nâng cao độ chính xác trong gia công.

IV. Ứng dụng thực tiễn của khuôn ép nhựa ổ điện 2 chấu

Khuôn ép nhựa ổ điện 2 chấu có nhiều ứng dụng thực tiễn trong đời sống hàng ngày. Sản phẩm này không chỉ được sử dụng trong các thiết bị điện gia dụng mà còn trong các thiết bị công nghiệp. Việc cải tiến quy trình sản xuất khuôn sẽ giúp nâng cao chất lượng sản phẩm và đáp ứng nhu cầu thị trường.

4.1. Ứng dụng trong thiết bị điện gia dụng

Ổ điện 2 chấu được sử dụng rộng rãi trong các thiết bị điện gia dụng như quạt, đèn, và nhiều thiết bị khác. Việc sử dụng nhựa trong sản xuất giúp giảm trọng lượng và tăng tính an toàn cho sản phẩm.

4.2. Ứng dụng trong thiết bị công nghiệp

Trong ngành công nghiệp, ổ điện 2 chấu cũng được sử dụng phổ biến. Sản phẩm này cần đảm bảo độ bền và an toàn trong môi trường làm việc khắc nghiệt.

V. Kết luận và tương lai của nghiên cứu thiết kế khuôn ép nhựa

Nghiên cứu thiết kế khuôn ép nhựa ổ điện 2 chấu không chỉ mang lại giá trị kinh tế mà còn góp phần nâng cao chất lượng sản phẩm. Tương lai của ngành công nghiệp này sẽ tiếp tục phát triển với sự hỗ trợ của công nghệ hiện đại, giúp đáp ứng nhu cầu ngày càng cao của thị trường.

5.1. Tương lai của công nghệ khuôn ép nhựa

Công nghệ khuôn ép nhựa sẽ tiếp tục phát triển với sự ra đời của các phần mềm và thiết bị mới. Điều này sẽ giúp nâng cao hiệu quả sản xuất và chất lượng sản phẩm.

5.2. Định hướng nghiên cứu trong tương lai

Nghiên cứu trong lĩnh vực thiết kế khuôn ép nhựa sẽ tiếp tục được mở rộng, với mục tiêu cải tiến quy trình sản xuất và phát triển các sản phẩm mới đáp ứng nhu cầu thị trường.

Nội dung chính

Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong nền sản xuất công nghiệp hiện đại, các sản phẩm chế tạo từ vật liệu polyme (chất dẻo) ngày càng được ứng dụng sâu rộng trong đời sống sinh hoạt cũng như trong kỹ thuật nhờ các ưu điểm về tính tiện dụng, độ bền, thẩm mỹ và giá thành. Đi cùng với nhu cầu tiêu thụ các sản phẩm nhựa gia dụng và thiết bị điện ngày càng gia tăng là yêu cầu cấp thiết về việc nâng cao năng suất lao động và độ chính xác của trang thiết bị công nghệ sản xuất. Ngành công nghiệp khuôn mẫu đóng vai trò cốt lõi trong việc định hình sản phẩm nhựa, trong đó sự phát triển của hệ thống tích hợp CAD/CAM/CNC là bước tiến kỹ thuật then chốt giúp liên thông toàn bộ quá trình từ thiết kế hình học đến chế tạo cơ khí chính xác.

Tại Việt Nam, ngành công nghiệp khuôn mẫu bắt đầu phát triển từ những năm 1990 sau cuộc hội thảo đầu tiên về khuôn ép nhựa tại Thành phố Hồ Chí Minh, xuất phát điểm từ các cơ sở máy móc do Liên Xô để lại. Trong giai đoạn đầu, các kỹ sư trong nước gặp nhiều khó khăn do thiếu hụt tài liệu chuyên ngành, sau đó được hỗ trợ kỹ thuật thông qua dự án quốc gia VIE85/012 cùng các tài liệu chuyển giao từ Nhật Bản và Châu Âu. Hiện nay, nhiều doanh nghiệp và viện nghiên cứu tại miền Bắc như Viện IMI, HAMECO, VINASHIOKI, Nhựa Hà Nội, Kim khí Thăng Long, Hòa Phát đã từng bước trang bị máy công cụ điều khiển số CNC và ứng dụng các phần mềm CAD/CAM (như CATIA, Cimatron, Pro/ENGINEER, Mastercam, Autodesk Inventor, SolidWorks). Tuy nhiên, một số nguyên công trong sản xuất khuôn tại Việt Nam vẫn còn mang tính thủ công, điển hình như việc mài bóng lòng khuôn bằng vải chà sát với bột kim cương hoặc bột oxit nhôm, gây tốn thời gian, giảm năng suất và làm tăng giá thành bộ khuôn.

Thiết bị điện dân dụng, đặc biệt là các loại ổ cắm điện, đòi hỏi mức độ an toàn cao về tính cách điện, khả năng chịu nhiệt và độ bền cơ học. Việc nghiên cứu thiết kế và công nghệ chế tạo khuôn ép cho sản phẩm này mang tính ứng dụng thực tiễn cao.

Mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu của đề tài được xác định cụ thể:

1. Mục tiêu nghiên cứu: Ứng dụng công nghệ CAD/CAM/CNC để tính toán, thiết kế và lập trình gia công hoàn chỉnh bộ khuôn ép nhựa cho sản phẩm vỏ ổ cắm điện 2 chấu, đảm bảo các yêu cầu về độ chính xác kỹ thuật và an toàn sử dụng.
2. Nhiệm vụ nghiên cứu:
   • Khảo sát thực tế sản phẩm vỏ ổ điện 2 chấu và nhu cầu thị trường.
   • Hệ thống hóa lý thuyết về chất dẻo polyme và kết cấu khuôn ép phun.
   • Thiết kế mô hình 3D chi tiết ổ điện 2 chấu và bộ khuôn ép nhựa trên phần mềm Autodesk Inventor.
   • Lập quy trình công nghệ gia công cơ khí các chi tiết khuôn và lập trình gia công CNC trên phần mềm CAM (SolidWorks).
3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:
   • Đối tượng nghiên cứu: Kết cấu vỏ ổ cắm điện 2 chấu, kết cấu bộ khuôn ép nhựa 4 lòng khuôn (4 cavities), quy trình công nghệ và thông số gia công cơ khí khuôn.
   • Phạm vi nghiên cứu: Thiết kế hình học 3D, lựa chọn kết cấu khuôn hai tấm, thiết kế hệ thống cấp nhựa, hệ thống làm mát, lập quy trình công nghệ 9 nguyên công và xuất mã G-code gia công lòng khuôn trên máy phay CNC.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Khung lý thuyết và tiêu chuẩn áp dụng

Đề tài vận dụng các cơ sở lý thuyết về vật liệu học polyme, nguyên lý ép phun chất dẻo, kết cấu khuôn mẫu cơ khí và các tiêu chuẩn kỹ thuật quốc gia đối với thiết bị điện:

• Tiêu chuẩn thiết kế ổ cắm điện: Áp dụng Tiêu chuẩn Việt Nam TCVN 6190:1999 và Điều 13, 14, 15 của Tiêu chuẩn quốc gia TCVN 6188-1:2007 (tương đương tiêu chuẩn quốc tế IEC 60884-1:2002) quy định về kích thước hình học, khoảng cách tiếp điểm và độ an toàn của ổ cắm, phích cắm điện.
• Lý thuyết vật liệu Polyme: Phân loại chất dẻo thành nhựa nhiệt dẻo (PE, PP, PS, ABS, PVC, PC, Polyacetat...) và nhựa nhiệt rắn (Phenol, Ure, Melamine, Polyeste, Epoxy, Silicon, Vinyester). Các chỉ tiêu cơ lý và công nghệ đánh giá bao gồm: giới hạn bền ($\sigma_b$), độ biến dạng tương đối ($\varepsilon$), độ dai va đập kiểm tra bằng phương pháp con lắc Charpy ($kJ/m^2$), module đàn hồi ($E$), tỷ trọng ($g/cm^3$), chỉ số nóng chảy (chỉ số chảy MFI), độ co rút sau định hình và độ bền nhiệt.

Loại nhựa	Nhiệt độ phá hủy (°C)	Đặc tính và ứng dụng chính
ABS	310	Độ nhớt và độ bền va đập cao; cách điện tốt; dùng làm vỏ thiết bị điện, điện tử, bàn phím
PA6,6	320 – 330	Chịu lực, chịu mài mòn, độ bền nhiệt cao
PS	250	Vô định hình, cách điện tần số cao, độ bền va đập kém; dùng làm vỏ hộp điện, vật liệu cách điện
PP	280	Nhẹ, bền kéo, cách điện tần số cao, kháng hóa chất; gia công ép phun tốt
PVC	180 – 220	Kháng thời tiết, ổn định kích thước, cách điện tốt; dùng làm ống nước, màng cứng, vỏ bọc dây điện

• Cơ sở kết cấu khuôn ép phun: Khuôn ép nhựa là dụng cụ định hình sản phẩm gồm hai cụm chính: cụm khuôn cố định (khuôn trước/khuôn cái) bắt chặt vào máy ép và cụm khuôn di động (khuôn sau/khuôn đực) liên kết với hệ thống đẩy. Tác giả phân tích các dạng kết cấu: khuôn hai tấm, khuôn ba tấm (có khả năng tự cắt đuôi keo nhưng áp lực phun giảm và tổn hao phế liệu), khuôn có kênh dẫn nóng (Hot runner) và khuôn nhiều tầng. Chu trình ép phun bao gồm: đóng khuôn -> tiêm nhựa nóng chảy dưới áp suất cao -> duy trì áp lực giữ bù co ngót -> làm nguội qua hệ thống kênh dẫn làm mát -> mở khuôn -> chốt đẩy tống sản phẩm ra ngoài.

Phương pháp nghiên cứu

Tác giả sử dụng kết hợp các phương pháp nghiên cứu kỹ thuật:

• Phương pháp phân tích - tổng hợp lý thuyết: Thu thập, khảo sát thông số sản phẩm mẫu trên thị trường, tra cứu tiêu chuẩn ngành điện và sổ tay công nghệ chế tạo máy để xác định dạng sản xuất, lượng dư gia công và chế độ cắt gọt.
• Phương pháp thiết kế mô hình hóa 3D (CAD): Khai thác các module Part Design và Mold Design trên phần mềm Autodesk Inventor để dựng hình chi tiết vỏ ổ điện, tự động tính toán co ngót, tạo mặt phân khuôn (Runoff Surface), tách lõi (Core) và lòng khuôn (Cavity), nhân bản 4 lòng khuôn (Pattern), thiết kế hệ thống kênh dẫn nguội, hệ thống làm mát và trích xuất cụm khuôn chuẩn từ thư viện.
• Phương pháp lập trình gia công tự động (CAM): Ứng dụng phần mềm SolidWorks / InventorCAM để thiết lập gốc tọa độ gia công, xây dựng chiến lược chạy dao phay thô, phay tinh lòng khuôn và xuất chương trình điều khiển số CNC (G-code).

Thiết kế và quy trình công nghệ

Thiết kế sản phẩm và bộ khuôn trên Autodesk Inventor

Căn cứ theo tiêu chuẩn TCVN 6190:1999 và TCVN 6188-1:2007, kích thước bao ngoài của chi tiết ổ cắm điện 2 chấu được xác định:

• Chiều dài: 100 mm.
• Chiều rộng: 50 mm.
• Chiều cao: 25 mm.
• Chiều dày thành vỏ đáy: tạo bằng lệnh Shell với kích thước 2 mm.

Quy trình thiết kế bộ khuôn ép nhựa được thực hiện qua chuỗi 12 bước trong môi trường Mold Design:

1. Khởi tạo môi trường thiết kế khuôn (Metric \ Mold design (mm).iam).
2. Nạp mô hình 3D chi tiết sản phẩm (Plastic Part).
3. Xác định hướng thoát khuôn (Adjust Orientation: hướng thoát phôi từ dưới lên trên).
4. Lựa chọn vật liệu sản phẩm từ cơ sở dữ liệu nhà sản xuất (Polyplastics).
5. Thiết lập kích thước khối phôi tạo khuôn (Define Workpiece Setting).
6. Tạo bề mặt phân khuôn theo biên dạng chi tiết (Create Runoff Surface).
7. Tách lòng khuôn và lõi khuôn (Generate Core and Cavity), kiểm tra mô phỏng chuyển động tách khuôn (Preview/Diagnose).
8. Nhân bản cụm chi tiết thành khuôn 4 lòng khuôn bằng lệnh Pattern và chọn vị trí miệng phun (Gate Location).
9. Tạo hệ thống kênh dẫn nhựa (Runners) với thiết lập Cold Slug Position là None để thông dòng chảy.
10. Tạo cổng dẫn nhựa (Create Gate) và gọi bộ vỏ khuôn tiêu chuẩn (Mold Base) từ thư viện lắp ghép.
11. Bố trí hệ thống chốt đẩy (Ejector), bạc cuống phun (Sprue Bushing) và vòng định vị (Locating Ring) để chống tràn nhựa.
12. Thiết kế hệ thống kênh làm mát (Cooling Channel), lắp ống làm mát chuẩn DME, khóa đối xứng (Lockset DMW FW 45) và hệ thống bu lông kẹp chặt theo tiêu chuẩn ISO 4762.

Lập quy trình công nghệ và thông số gia công cơ khí

Quy trình chế tạo các tấm khuôn và lòng khuôn được lập thành chuỗi 9 nguyên công công nghệ:

• Nguyên công 1: Phay thô và phay tinh mặt phẳng lớn 1.
• Nguyên công 2: Phay thô và phay tinh các mặt phẳng bên.
• Nguyên công 3: Mài phẳng các mặt phẳng lớn đảm bảo độ song song và độ nhẵn bóng.
• Nguyên công 4: Khoan lỗ hệ thống kênh dẫn nước làm mát.
• Nguyên công 5: Gia công phay lòng khuôn (Cavity) trên máy CNC.
• Nguyên công 6: Gia công xung điện định hình (EDM) các vị trí góc hẹp và gân sâu.
• Nguyên công 7: Mạ điện crom bề mặt lòng khuôn để tăng độ cứng và chống mài mòn hóa học.
• Nguyên công 8: Đánh bóng bề mặt lòng khuôn đạt độ bóng yêu cầu.
• Nguyên công 9: Tổng kiểm tra kích thước hình học và độ chính xác tương quan trước khi lắp ráp.

Bước gia công lòng khuôn	Loại dao cụ	Đường kính dao ($D$)	Tốc độ trục chính ($S$)	Tốc độ tiến dao ($F$)
Phay thô phá lượng dư lớn	Dao phay ngón phẳng (Dao FLAT)	$D = 6\text{ mm}$	$3500\text{ vòng/phút}$	$800\text{ mm/phút}$
Phay bán tinh / góc hẹp	Dao phay ngón phẳng (Dao FLAT)	$D = 2\text{ mm}$	$4000\text{ vòng/phút}$	$600\text{ mm/phút}$
Phay tinh bề mặt biên dạng	Dao phay cầu (Dao BALL-2)	$D = 1\text{ mm}$	$6500\text{ vòng/phút}$	$400\text{ mm/phút}$

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan vấn đề nghiên cứu giới thiệu

Nội dung chương tập trung trình bày tổng quan về ngành khuôn mẫu tại Việt Nam và thế giới; phân tích bối cảnh chuyển giao kỹ thuật từ các dự án quốc tế và thực trạng ứng dụng CAD/CAM/CNC tại các nhà máy công nghiệp trong nước. Tác giả đi sâu vào nguyên lý hoạt động của chu kỳ ép phun trên máy ép nhựa tự động, phân tích ưu nhược điểm của các loại kết cấu khuôn (khuôn hai tấm, khuôn ba tấm, khuôn kênh dẫn nóng, khuôn nhiều tầng) và 16 cụm chi tiết cơ bản cấu thành bộ khuôn. Phần sau của chương hệ thống hóa kiến thức về vật liệu chất dẻo polyme, các chỉ số cơ lý (độ bền kéo, độ nén, độ uốn, module đàn hồi, độ dai va đập Charpy, độ co rút, chỉ số nóng chảy) của các dòng nhựa PE, PP, PS, ABS, PVC, PC và nhựa nhiệt rắn. Cuối chương, tác giả giới thiệu tổng quan về cấu trúc các module chuyên dụng của phần mềm Autodesk Inventor phục vụ thiết kế 3D, kim loại tấm, tính toán chi tiết máy, phân tích ứng suất và thiết kế khuôn ép nhựa.

Chương 2: Thiết kế chi tiết và khuôn ép nhựa chi tiết ổ điện 2 chấu

Chương 2 trình bày toàn bộ quy trình thiết kế kỹ thuật. Khởi đầu từ việc phân tích công nghệ kết cấu sản phẩm dựa trên tiêu chuẩn TCVN 6190:1999 và TCVN 6188-1:2007 để xác định kích thước ổ cắm ($100 \times 50 \times 25\text{ mm}$). Quá trình mô hình hóa 3D chi tiết được thực hiện trên môi trường Part Design của Inventor thông qua các lệnh Start Sketch 2D, Extrude, Hole (tạo lỗ bắt vít), Shell (tạo chiều dày thành 2 mm) và Extrude cut. Tiếp đó, tác giả thực hiện quy trình thiết kế bộ khuôn 4 lòng khuôn trong môi trường Mold Design: xác định hướng thoát khuôn từ dưới lên, gán vật liệu Polyplastics, thiết lập vùng làm việc của phôi, tạo mặt phân khuôn Runoff Surface, tách lõi và lòng khuôn. Tác giả hoàn thiện thiết kế với việc bố trí điểm bơm keo, kênh dẫn nhựa nguội (Runners), cổng rót (Create Gate), bộ vỏ khuôn tiêu chuẩn (Mold Base), hệ thống ty đẩy (Ejector), cuống phun (Sprue Bushing), vòng định vị (Locating Ring), kênh dẫn nước làm mát dùng ống tản nhiệt DME, khóa định vị đối xứng DMW FW 45 và bu lông tiêu chuẩn ISO 4762.

Chương 3: Lập quy trình gia công khuôn ép nhựa chi tiết ổ điện hai chấu

Chương 3 tập trung giải quyết bài toán công nghệ chế tạo bộ khuôn. Tác giả tiến hành xác định dạng sản xuất, phương pháp chế tạo phôi và lập tiến trình công nghệ gồm 9 nguyên công gia công cơ khí từ phay phá thô, mài phẳng, khoan lỗ kênh làm mát đến gia công lòng khuôn, gia công tia lửa điện (xung điện cực), mạ crom, đánh bóng và kiểm tra chất lượng. Nội dung trọng tâm là việc lập trình gia công CAM trên phần mềm SolidWorks cho cả phần lòng khuôn trên (Cavity) và lòng khuôn dưới (Core). Tác giả lựa chọn các loại dao phay phẳng (Dao FLAT) và dao phay cầu (Dao BALL-2), thiết lập chế độ cắt gọt cụ thể với các đường kính dao $D6$, $D2$, $D1$ tương ứng với các dải vận tốc trục chính ($S = 3500 - 6500\text{ vòng/phút}$) và lượng tiến dao ($F = 400 - 800\text{ mm/phút}$), từ đó mô phỏng đường chạy dao và xuất chương trình mã G-code để nạp vào máy phay CNC.

Kết quả và đóng góp

Kết quả chính

• Thiết kế hoàn chỉnh mô hình 3D của chi tiết vỏ ổ cắm điện 2 chấu tuân thủ đầy đủ các thông số kích thước ($100 \times 50 \times 25\text{ mm}$, thành dày $2\text{ mm}$) theo tiêu chuẩn quốc gia TCVN 6190:1999 và TCVN 6188-1:2007.
• Xây dựng thành công bản vẽ kết cấu 3D và 2D của bộ khuôn ép nhựa 4 lòng khuôn dạng hai tấm trên phần mềm Autodesk Inventor, tích hợp đồng bộ hệ thống kênh dẫn nhựa nguội, hệ thống làm mát dùng ống tản nhiệt tiêu chuẩn DME, chốt định vị, khóa khuôn đối xứng DMW FW 45 và bu lông ISO 4762.
• Thiết lập quy trình công nghệ gia công cơ khí 9 nguyên công chuẩn hóa cho các chi tiết khuôn.
• Xây dựng chương trình gia công CAM trên phần mềm SolidWorks, xác định cụ thể các thông số chế độ cắt cho dao phay ngón phẳng ($D6, D2$) và dao phay cầu ($D1$) với dải tốc độ $S$ từ $3500$ đến $6500\text{ vòng/phút}$, bước tiến dao $F$ từ $400$ đến $800\text{ mm/phút}$, và xuất thành công mã lệnh CNC gia công lòng khuôn trên và dưới.

Đóng góp của đề tài

• Hệ thống hóa quy trình thiết kế và chế tạo khuôn mẫu khép kín bằng chuỗi phần mềm CAD/CAM hiện đại, giúp rút ngắn thời gian thiết kế và chuẩn bị sản xuất so với các phương pháp tính toán thủ công truyền thống.
• Đưa ra giải pháp lựa chọn kết cấu khuôn 4 chi tiết hợp lý, cân bằng giữa năng suất ép phun và chi phí chế tạo, phù hợp với điều kiện trang thiết bị máy công cụ CNC tại các cơ sở cơ khí vừa và nhỏ ở Việt Nam.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

• Hạn chế: Các kết quả của khóa luận chủ yếu dừng lại ở mức độ tính toán thiết kế mô phỏng 3D trên máy tính và lập trình gia công CAM; chưa tiến hành chế tạo thực tế bộ khuôn cơ khí trên máy CNC và chưa tiến hành thử nghiệm ép mẫu thực tế trên máy ép nhựa để đo lường độ co ngót thực tế, khuyết tật cong vênh hay độ bền cách điện của sản phẩm.
• Hướng nghiên cứu tiếp: Gia công chế tạo hoàn thiện bộ khuôn mẫu trên hệ thống máy phay CNC và máy xung điện EDM theo đúng quy trình công nghệ đã lập; lắp đặt khuôn lên máy ép phun công nghiệp để sản xuất thử nghiệm, tối ưu hóa các thông số ép phun (áp suất tiêm, nhiệt độ nóng chảy, thời gian làm nguội) và kiểm định chất lượng cơ lý của sản phẩm theo tiêu chuẩn TCVN.

Giá trị tham khảo

Tài liệu khóa luận mang lại giá trị tham khảo thiết thực cho:

• Sinh viên ngành Kỹ thuật Cơ khí, Cơ chế tạo máy, Cơ điện tử: Tham khảo phương pháp xây dựng một đồ án tốt nghiệp chuyên ngành khuôn mẫu, quy trình 12 bước thiết kế khuôn ép nhựa trên môi trường Mold Design của Autodesk Inventor và quy trình lập trình phay CAM lòng khuôn.
• Kỹ sư thiết kế và vận hành máy CNC: Tham khảo các bảng tra cứu chế độ cắt gọt, kích thước tiêu chuẩn của vỏ thiết bị điện 2 chấu theo tiêu chuẩn TCVN, các thông số bố trí kênh dẫn làm mát DME và kết cấu bộ khuôn hai tấm 4 lòng khuôn.

Câu hỏi thường gặp

1. Kích thước hình học của chi tiết ổ điện 2 chấu được xác định dựa trên cơ sở nào?
Kích thước vỏ ổ cắm điện được xác định dựa trên khảo sát sản phẩm thực tế và căn cứ theo Tiêu chuẩn Việt Nam TCVN 6190:1999 cùng Điều 13, 14, 15 của Tiêu chuẩn quốc gia TCVN 6188-1:2007 (IEC 60884-1:2002), với các thông số: chiều dài 100 mm, chiều rộng 50 mm, chiều cao 25 mm và độ dày thành vỏ 2 mm.

2. Kết cấu bộ khuôn ép nhựa trong đề tài gồm bao nhiêu lòng khuôn và sử dụng những linh kiện tiêu chuẩn nào?
Bộ khuôn được thiết kế dạng khuôn hai tấm gồm 4 lòng khuôn (nhân bản bằng lệnh Pattern). Bộ khuôn sử dụng các linh kiện tiêu chuẩn gồm: bộ vỏ khuôn từ thư viện Mold Base, ống dẫn làm mát DME, khóa định vị đối xứng Lockset DMW FW 45, bạc cuống phun (Sprue Bushing), vòng định vị (Locating Ring) và bu lông kẹp chặt tiêu chuẩn ISO 4762.

3. Quy trình công nghệ chế tạo bộ khuôn gồm những nguyên công chính nào?
Quy trình công nghệ gồm 9 nguyên công: (1) Phay thô – phay tinh mặt phẳng lớn 1; (2) Phay thô và phay tinh các mặt bên; (3) Mài các mặt phẳng lớn; (4) Khoan lỗ kênh làm mát; (5) Phay gia công lòng khuôn trên máy CNC; (6) Gia công xung điện cực (EDM); (7) Mạ điện crom; (8) Đánh bóng lòng khuôn; (9) Tổng kiểm tra kích thước và độ chính xác hình học.

4. Chế độ cắt gọt cụ thể được thiết lập khi lập trình phay lòng khuôn là bao nhiêu?
Khi lập trình gia công lòng khuôn trên phần mềm CAM, tác giả sử dụng các thông số chế độ cắt:

• Phay thô dao phẳng $D = 6\text{ mm}$: tốc độ trục chính $S = 3500\text{ vòng/phút}$, lượng tiến dao $F = 800\text{ mm/phút}$.
• Phay thô/bán tinh dao phẳng $D = 2\text{ mm}$: tốc độ trục chính $S = 4000\text{ vòng/phút}$, lượng tiến dao $F = 600\text{ mm/phút}$.
• Phay tinh dao cầu $D = 1\text{ mm}$: tốc độ trục chính $S = 6500\text{ vòng/phút}$, lượng tiến dao $F = 400\text{ mm/phút}$.

Kết luận

Khóa luận tốt nghiệp của sinh viên Lê Quang Nhật đã hoàn thành việc nghiên cứu, thiết kế chi tiết vỏ ổ cắm điện 2 chấu và bộ khuôn ép nhựa 4 lòng khuôn đạt chuẩn kích thước theo tiêu chuẩn TCVN 6190:1999 và TCVN 6188-1:2007. Đề tài đã làm chủ quy trình công nghệ 12 bước thiết kế khuôn trên phần mềm Autodesk Inventor và xây dựng quy trình công nghệ 9 nguyên công gia công cơ khí hoàn chỉnh. Toàn bộ chương trình CAM gia công lòng khuôn trên phần mềm SolidWorks đã được mô phỏng đường chạy dao và xuất mã G-code cho máy phay CNC, đóng góp một tài liệu kỹ thuật có giá trị tham khảo rõ ràng trong lĩnh vực thiết kế và chế tạo khuôn mẫu chất dẻo.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1: Tổng quan về vấn đề nghiên cứu giới thiệu Chương 2: Tổng quan về vật liệu chất dẻo polymer Chương 3: Thiết kế chi tiết và khuôn ép nhựa chi tiết ổ điện hai chấu Chương 4: Lập quy trình gia công khuôn 1. Phương pháp nghiên cứu: Phương pháp nghiên cứu lý thuyết: Để thực hiện đề tài này em sẽ tiến hành đi khảo sát sản phẩm nhựa trên thị trường và nhu cầu sử dụng, tham khảo tài liệu về thiết kế chi tiết, thiết kế khuôn ép nhựa cho chi tiết trên phần mềm. Tính toán thiết kế và lập trình gia công khuôn ép nhựa cho chi tiết thiết kế. Tổng quan về chất dẻo polymer 1.

Khái niệm Chất dẻo hay còn gọi là nhựa (Plastic) hay Polymer, là các hợp chất cao phân tử được hình thành do sự lặp lại nhiều lần của một hay nhiều loại nguyên tử hay nhóm nguyên tử (Monome, đơn vị cấu tạo của Polymer) liên kết với nhau với số lượng khá lớn để tạo nên một loạt các tính chất mà chúng không thay đổi đáng kể khi lấy đi hay vào một vài đơn vị cấu tạo. Nó có thể được phun vào khuôn, được nghiền vụn lại và lập lại quá trình đó một số lần. Tuy nhiên vật liệu dẻo sẽ bị mất phẩm chất (độ bền, cơ tính, …) khi quá trình đó lặp đi lặp lại nhiều lần. Phân loại Có nhiều cách phân loại Polymer dưới đây ta chỉ ra các cách thường dùng - Theo nguồn gốc: + Polymer tự nhiên : Cao su, xenlulo, protein.

+ Polymer nhân tạo : PE, PP, PS… - Theo cấu trúc hình học: + Polymer mạch thẳng. + Polymer mạch nhánh: Polymer mạch nhánh dạng lưới, Polymer mạch nhánh dạng không gian. - Theo ứng dụng: + Polymer thông dụng: Dùng để sản xuất các chi tiết khối kỹ thuật đòi hỏi tính chất cơ lý hóa cao hơn. Ví dụ như: PP, PE, PMMA… + Polymer kỹ thuật: Dùng để sản xuất các chi tiết kỹ thuật đòi hỏi tính chất cơ lý hóa cao hơn.

Ví dụ như: PA, PC, PF (teflo)… - Theo tính chất chịu nhiệt: + Polymer nhiệt dẻo: Polymer mạch thẳng dưới tác dụng của nhiệt độ nó bị chảy dẻo ra, khi làm nguội nó rắn lại, quá trình này được lặp đi lặp lại. Loại Polymer này có ưu điểm tái sinh được, nên người ta dùng làm đồ gia dụng. + Polymer nhiệt rắn: Hay còn gọi là Polymer đặc nhiệt là loại Polymer mạng không gian, dưới tác dụng của nhiệt độ hay chất đóng rắn, nó trở nên cứng, quá trình này không lặp lại. Ưu điểm của loại này là có cơ tính tốt, nên được dùng nhiều trong kỹ thuật.

Tính chất cơ bản của Polymer Một số tính chất cơ học quan trọng của vật liệu nhựa: độ bền kéo, độ dãn dài, độ cứng, độ dai va đập, chống mài mòn, module đàn hồi…  Độ bền cơ học Độ bền cơ học là khả năng chống lại sự phá hoại dưới tác dụng của các lực cơ học. 9 Độ bền của một sản phẩm làm bằng vật liệu Polymer phụ thuộc nhiều yếu tố như: - Chế độ trùng hợp, loại xúc tác, phụ gia… - Phương pháp gia công. - Kết cấu hình dạng sản phẩm…  Thông số cơ bản phản ánh độ bền Polymer Giới hạn bền (𝜎b) là giá trị ứng suất mà mẫu bị phá hoại trong những điều kiện đã cho. Giới hạn bền có thể được xác định theo một số loại biến dạng khác nhau như biến dạng kéo đứt, biến dạng nén, biến dạng uốn… tương ứng là độ bền kéo đứt, độ bền nén, và độ bền uốn….

Độ bền kéo đứt là khả năng chịu lực của vật liệu khi bị kéo dãn bằng một lực xác định ở tốc độ kéo dãn xác định cho đến lúc đứt. Độ bền uốn là khả năng chịu lực của vật liệu khi chịu uốn. Độ bền nén là khả năng chịu lực của vật liệu khi bị nén. Giới hạn bền của Polymer phụ thuộc vào nhiệt độ môi trường thử nghiệm và thời gian tác dụng của lực nên khi so sánh độ bền các Polymer với nhau phải so sánh ở cùng điều kiện thử nghiệm.

Độ biến dạng tương đối € là giá trị biến dạng đến cực đại tại thời điểm đứt. Độ biến dạng cực đại tương đối cũng phụ thuộc loại biến dạng, tốc độ biến dạng và nhiệt độ. Nói phép suy luận vật liệu đang ở trạng thái nào khi đứt. Ví dụ: khi vật thể dòn bị đứt, độ biến dạng cực đại tương đối không vượt quá vài %, còn trạng thái mềm cao.

Trong trường hợp kéo đơn trục, độ biến dạng tương đối cực đại có thể là độ dãn dài khi đứt.  Độ dai va đập Hiện trạng chống lại tải trọng động của chất dẻo thường có thể phân tích bằng kết quả kiểm tra độ dai va đập. Thực hiện trên thiết bị Charpy – dùng con lắc dao động (búa) để phá vỡ mẫu thử được kẹp chặt hai đầu, xác định công va đập riêng trên 1 đơn vị diện tích mẫu thử (kJ/m2). 10  Module đàn hồi Đặc trưng cho độ cứng của vật liệu hoặc đặc trưng cho tính chất của vật liệu, mà dưới tác dụng của một lực đã cho thì sự biến dạng của mẫu thử xảy ra đến mức nào.

Vật liệu đàn hồi lý tưởng, trong quá trình chịu tải, cho đến giới hạn chảy thì độ dãn dài tỷ lệ thuận với ứng suất. Hệ số tỷ lệ chính là module đàn hồi, ký hiệu là E (N/mm2). Một số tính chất vật lý của nhựa: tỷ trọng, chỉ số nóng chảy, độ nhớt, co rút, tính cách điện, truyền nhiệt…  Tỷ trọng của nhựa Tỷ trọng thể hiện một phần tính chất của nguyên liệu nhựa, đơn vị: (g/cm3). Vật liệu nhựa tương đối nhẹ, tỷ trọng dao động từ 0.

Tỷ trọng: lực kéo đứt, nhiệt độ biến mềm, độ kháng hóa chất, ngược lại lực va đập và độ nhớt giảm. Tỷ trọng phụ thuộc vào độ kết tinh: độ kết tinh cao thì tỷ trọng cao.1: Tỷ trọng một số nguyên liệu nhựa thông dụng Loại nhựa Tỷ trọng (g/cm3) Loại nhựa Tỷ trọng (g/cm3) PELD 0.200  Chỉ số nóng chảy Là chỉ số thể hiện tính chảy hay khả năng chảy của vật liệu, rất cần thiết trong quá trình chọn lựa nguyên vật liệu và công nghệ gia công. Chỉ số nóng chảy càng lớn thể hiện tính lưu động của nhựa càng cao và càng dễ gia công. Chỉ số chảy cao: - Trọng lượng phân tử thấp, dễ chảy.

11 - Dùng nhiệt độ, áp suất gia công thấp. - Dễ gia công và sản phẩm đạt chất lượng hơn. Chỉ số chảy thấp: - Vật liệu khó chảy, sản phẩm dễ bị khuyết tật.  Độ co rút của nhựa Là tỷ lệ % chênh lệch kích thước của sản phẩm sau khi đã lấy khỏi khuôn được định hình và ổn định kích thước so với kích thước của khuôn.2: Độ co rút của một số loại nhựa STT Nhựa Mật độ (g/cm3) Hệ số co rút 1 PVC 1.03  Tính cách điện Đa số các loại nhựa cách điện tốt nên được ứng dụng trong các thiết bị điện gia dụng, thiết bị viễn thông, vô tuyến truyền hình… 12 Bảng 1.3: Nhiệt độ phá hủy của một số loại nhựa Nhựa Nhiệt độ phá hủy ABS 310°C PA6,6 320°C – 330°C PS 250°C PP 280°C PVC 180°C – 220°C  Độ cứng Độ cứng của chất dẻo cũng đo được bằng phương pháp thông thường như kim loại.

Tuy nhiên người ta hay sử dụng phương pháp đo độ cứng Brimell (HB) do nó có thể đo được độ cứng của các vật liệu mềm mà không làm biến dạng hay làm phá hủy mẫu đo.  Độ bền hóa học Do đặc điểm cấu tạo vững bền nên Polymer bền với các tác nhân hóa học như kiềm, acid… Để đánh giá độ bền hóa học người ta đánh giá khả năng liên kết yếu nhất của Polymer bị phá vỡ bởi các mặt trên. Một số loại Polymer thường gặp và các ứng dụng của chúng Chất dẻo trong kĩ thuật thường được phân loại theo phương pháp công nghệ gồm có nhựa nhiệt dẻo và nhựa nhiệt rắn.  Nhựa nhiệt dẻo Là loại chất dẻo có khả năng lặp lại nhiều lần quá trình chảy mềm dưới tác dụng của nhiệt độ và trở lên cứng rắn khi được làm nguội.

Trong quá trình tác động nó chỉ thay đổi tính chất vật lý chứ không có phản ứng hóa học xảy ra.  Nhựa PE (polyethylene) - Tính chất: + Mờ và màu trắng, nhiệt độ mềm thấp và lực kéo thấp. + Dễ cháy và có mùi parafin. + Độ kháng nước cao, kháng hóa chất và tính cách nhiệt và điện tốt.

+ Độ giãn dài lớn và dòn ở nhiệt độ thấp, hệ số giãn nở cao. - Ứng dụng: 13 + Những sản phẩm cần có độ bền kéo cơ học: Búa nhựa, vật liệu cách điện và nhiệt, bồn tắm, ống dẫn nước. + Sản phẩm cần kháng dung môi và dầu nhớt: thùng chứa dung môi, chai lọ, màng mỏng bao bì. + Sản phẩm dùng cho cách điện: làm vật liệu chịu tần số cao, băng keo cách điện.

 Nhựa PP (polypropylene) - Tính chất + Không màu, bán trong suốt. + Là chất dẻo có trọng lượng nhẹ. + Độ bền kéo, độ cứng cao hơn PE. + Kháng nhiệt tốt hơn PE, đặt biệt tính chất cơ học tốt ở nhiệt độ cao.

+ Dòn ở nhiệt độ thấp, dễ phà hủy bởi UV. + Dễ cháy, tính chất cách điện tần số cao tốt. + Tính ứng suất nứt tốt, tính chất bám dính kém. + Tính chất gia công ép phun tốt.

- Ứng dụng: + Dùng độ cứng: nắp chai nước ngọt, nắp bút mực, hộp nữ trang, két bia. + Dùng kháng hóa chất: chai lọ thuốc y tế, màng mỏng bao bì, ống dẫn, nắp thùng chứa dung môi. + Dùng cách điện tần số cao: vật liệu cách điện tần số cao, vật kẹp cách điện. + Dùng trong ngành dệt, sợi dệt PP.

 Nhựa PS (plystyrene) - Tính chất: + Vô định hình. + Độ bền cao, chịu va đập kém. + Tính chất cơ học: không màu, trong suốt, dễ tạo màu, độ cơ bền thấp, độ giãn dài tốt, độ bền va đập kém. 14 + Tính chất nhiệt: nhiệt độ biến dạng thấp, tạo khí đen.

- Ứng dụng: + Sản phẩm rẻ tiền, sản phẩm nhựa tái sinh như ly, hộp. + Cách điện tần số cao dùng làm vỏ hộp điện, ống, vật liệu cách điện.  Nhựa ABS (Poly acrylonitrile butadiene styrene) - Tính chất: + Tính chất cơ học: có màu trắng đục – bán trong suốt, có độ nhớt và độ bền va đập cao hơn PS. + Tính chất nhiệt: nhiệt độ biến dạng do nhiệt: 60 – 120 cháy được.

Ứng dụng: + Trong các sản phẩm cách điện, trong kỹ thuật điện tử và thông tin liên lạc (vỏ và các linh kiện bên trong).