Nghiên Cứu Ứng Dụng Phần Mềm Autodesk Inventor Trong Thiết Kế Khuôn Gia Công Khay Nhựa Đựng Thức Ăn

Nghiên cứu thiết kế khuôn gia công khay nhựa đựng thức ăn là một lĩnh vực quan trọng trong ngành công nghiệp chế… 73 trang · Trường Đại Học Lâm Nghiệp · 2021.

• Tác giả: Lê Văn Hiếu
• Người hướng dẫn: TS. Trần Công Chi
• Trường học: Trường Đại Học Lâm Nghiệp
• Chuyên ngành: Kỹ Thuật Cơ Khí
• Đề tài: Nghiên Cứu Ứng Dụng Phần Mềm Autodesk Inventor Để Thiết Kế Khuôn Gia Công Khay Nhựa Đựng Thức Ăn
• Loại tài liệu: khóa luận tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2021
• Địa điểm: Hà Nội

Mục lục chi tiết

• LỜI CAM ĐOAN
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU
• 1.1. Tổng quan về ứng dụng công nghệ CAD/CAM trong thiết kế khuôn
• 1.2. Tình hình ứng dụng công nghệ CAD/CAM trong thiết kế khuôn
• 1.3. Đặc điểm công nghệ chế tạo khuôn mẫu theo công nghệ CAD/CAM
• 1.4. Tình hình ứng dụng phần mềm Autodesk Inventor trong thiết kế khuôn
• 1.4.1. Tổng quan về phần mềm Autodesk Inventor
• 1.4.2. Tình hình ứng dụng phần mềm Autodesk Inventor trong thiết kế khuôn
• 1.5. Mục tiêu, đối tượng, phạm vi và phương pháp nghiên cứu
• 1.5.1. Mục tiêu nghiên cứu
• 1.5.2. Đối tượng, phạm vi nghiên cứu
• 1.5.3. Phương pháp nghiên cứu
• 2. ỨNG DỤNG PHẦN MỀM AUTODESK INVENTOR THIẾT KẾ KHUÔN GIA CÔNG KHAY NHỰA ĐỰNG THỨC ĂN
• 2.1. Công nghệ và thiết bị đúc phun chất dẻo
• 2.2. Tổng quan về chất dẻo và các phương pháp gia công
• 2.3. Máy và thiết bị đúc phun chất dẻo
• 2.4. Bản vẽ mô tả hệ thống phun
• 2.5. Hệ thống hỗ trợ đúc phun
• 2.5.1. Phân loại máy đúc phun
• 2.5.2. Máy đúc phun kiểu đứng và kiểu nằm
• 2.5.3. Một số ưu nhược điểm của phương pháp đúc phun
• 2.6. Đặc điểm cấu tạo chung của khuôn đúc phun chất dẻo
• 2.6.1. Các chi tiết cơ bản của khuôn
• 2.7. Ứng dụng phần mềm Autodesk Inventor để thiết kế chi tiết khay nhựa đựng thức ăn
• 2.7.1. Đặc điểm và điều kiện làm
• 2.7.2. Thiết kế chi tiết khay đựng thức ăn bằng Autodesk Inventor
• 2.7.3. Ứng dụng phần mềm Autodesk Inventor để thiết kế khuôn khay nhựa đựng thức ăn
• 2.7.3.1. Chọn hướng thoát khuôn
• 2.7.3.2. Chọn vật liệu cho sản phẩm
• 2.7.3.3. Chọn vị trí cổng phun tối ưu
• 2.7.3.4. Đánh giá chất lượng sản phẩm thời gian điền đầy, đường hàn
• 2.7.3.5. Xác định hình dạng miếng ghép lòng lõi khuôn
• 2.7.3.6. Tính toán số lòng lõi
• 2.7.3.7. Thiết kế Mold Base
• 2.7.3.8. Thiết kế hệ thống dẫn nhựa
• 2.7.3.9. Chọn vòng định vị
• 2.7.3.10. Thiết kế hệ thống định vị khuôn
• 2.7.3.11. Thiết kế hệ thống làm mát
• 2.7.3.12. Thiết kế khóa khuôn
• 3. QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ GIA CÔNG KHUÔN GIA CÔNG KHAY NHỰA ĐỰNG THỨC ĂN
• 3.1. Lựa chọn dạng sản xuất và phương pháp chế tạo phôi
• 3.2. Quy trình công nghệ gia công lòng khuôn
• 3.2.1. Chọn phôi gia công
• 3.2.2. Thông số kỹ thuật của máy phay CNC sử dụng để gia công lòng khuôn
• 3.2.3. Lập quy trình công nghệ gia công lòng khuôn
• 3.3. Quy trình công nghệ gia công lõi khuôn
• KẾT LUẬN, KIẾN NGHỊ
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tổng quan về nghiên cứu thiết kế khuôn gia công khay nhựa

Nghiên cứu thiết kế khuôn gia công khay nhựa đựng thức ăn là một lĩnh vực quan trọng trong ngành công nghiệp chế tạo. Việc ứng dụng phần mềm Autodesk Inventor trong thiết kế khuôn không chỉ giúp tối ưu hóa quy trình mà còn nâng cao chất lượng sản phẩm. Phần mềm này cho phép mô phỏng và phân tích các yếu tố kỹ thuật, từ đó đưa ra giải pháp thiết kế hiệu quả nhất.

1.1. Ứng dụng công nghệ CAD CAM trong thiết kế khuôn

Công nghệ CAD/CAM đã trở thành một phần không thể thiếu trong thiết kế khuôn. Việc sử dụng phần mềm CAD giúp tạo ra các bản vẽ chi tiết và mô hình 3D chính xác, trong khi CAM hỗ trợ quá trình gia công hiệu quả.

1.2. Lợi ích của việc sử dụng Autodesk Inventor

Autodesk Inventor cung cấp nhiều công cụ mạnh mẽ cho việc thiết kế khuôn, từ mô hình hóa chi tiết đến lắp ráp và tạo bản vẽ kỹ thuật. Điều này giúp tiết kiệm thời gian và nâng cao độ chính xác trong thiết kế.

II. Vấn đề và thách thức trong thiết kế khuôn gia công khay nhựa

Thiết kế khuôn gia công khay nhựa đựng thức ăn gặp phải nhiều thách thức, bao gồm việc lựa chọn vật liệu phù hợp, tối ưu hóa hình dạng khuôn và đảm bảo chất lượng sản phẩm. Những vấn đề này cần được giải quyết để đảm bảo hiệu quả sản xuất.

2.1. Thách thức trong việc chọn vật liệu cho khuôn

Việc lựa chọn vật liệu cho khuôn là rất quan trọng. Vật liệu cần phải có độ bền cao, khả năng chịu nhiệt tốt và dễ gia công. Điều này ảnh hưởng trực tiếp đến chất lượng sản phẩm cuối cùng.

2.2. Khó khăn trong việc tối ưu hóa thiết kế khuôn

Tối ưu hóa thiết kế khuôn là một thách thức lớn. Cần phải cân nhắc giữa chi phí sản xuất, thời gian gia công và chất lượng sản phẩm. Việc sử dụng phần mềm như Autodesk Inventor giúp giải quyết vấn đề này hiệu quả.

III. Phương pháp thiết kế khuôn gia công khay nhựa bằng Autodesk Inventor

Phương pháp thiết kế khuôn gia công khay nhựa bằng phần mềm Autodesk Inventor bao gồm nhiều bước từ việc tạo mô hình 3D đến việc phân tích và tối ưu hóa thiết kế. Quy trình này giúp đảm bảo rằng khuôn được thiết kế chính xác và hiệu quả.

3.1. Quy trình tạo mô hình 3D trong Autodesk Inventor

Quy trình tạo mô hình 3D bắt đầu từ việc phác thảo biên dạng 2D, sau đó chuyển đổi sang mô hình 3D. Các công cụ trong Autodesk Inventor giúp thực hiện điều này một cách nhanh chóng và chính xác.

3.2. Phân tích và tối ưu hóa thiết kế khuôn

Sau khi tạo mô hình 3D, việc phân tích và tối ưu hóa thiết kế là rất quan trọng. Autodesk Inventor cung cấp các công cụ phân tích giúp đánh giá chất lượng thiết kế và đưa ra các điều chỉnh cần thiết.

IV. Ứng dụng thực tiễn của thiết kế khuôn gia công khay nhựa

Thiết kế khuôn gia công khay nhựa đựng thức ăn không chỉ dừng lại ở lý thuyết mà còn có nhiều ứng dụng thực tiễn trong ngành công nghiệp chế tạo. Việc áp dụng các phương pháp thiết kế hiện đại giúp nâng cao năng suất và chất lượng sản phẩm.

4.1. Kết quả nghiên cứu và ứng dụng thực tế

Nghiên cứu cho thấy việc sử dụng Autodesk Inventor trong thiết kế khuôn đã mang lại nhiều kết quả tích cực, từ việc giảm thời gian thiết kế đến nâng cao chất lượng sản phẩm.

4.2. Tác động của thiết kế khuôn đến quy trình sản xuất

Thiết kế khuôn ảnh hưởng trực tiếp đến quy trình sản xuất. Một khuôn được thiết kế tốt sẽ giúp giảm thiểu lỗi sản xuất và tiết kiệm chi phí.

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

Nghiên cứu thiết kế khuôn gia công khay nhựa đựng thức ăn bằng phần mềm Autodesk Inventor mở ra nhiều cơ hội mới cho ngành công nghiệp chế tạo. Tương lai của thiết kế khuôn sẽ tiếp tục phát triển với sự hỗ trợ của công nghệ hiện đại.

5.1. Tương lai của công nghệ thiết kế khuôn

Công nghệ thiết kế khuôn sẽ ngày càng phát triển, với sự tích hợp của trí tuệ nhân tạo và các công nghệ mới. Điều này hứa hẹn sẽ mang lại nhiều cải tiến trong quy trình thiết kế và sản xuất.

5.2. Định hướng nghiên cứu tiếp theo

Nghiên cứu tiếp theo sẽ tập trung vào việc tối ưu hóa quy trình thiết kế và gia công khuôn, nhằm nâng cao hiệu quả sản xuất và chất lượng sản phẩm.

Nội dung chính

Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong ngành cơ khí chế tạo khuôn mẫu, quy trình tạo hình truyền thống phụ thuộc lớn vào phương pháp gia công chép hình trên máy vạn năng qua bốn giai đoạn tuần tự: tạo mẫu sản phẩm, lập bản vẽ kỹ thuật, tạo mẫu chép hình và phay chép hình. Quy trình này bộc lộ nhiều nhược điểm như độ chính xác gia công thấp, sai số lũy tiến qua các bước trung gian, năng suất lao động không cao và nguy cơ sai sót do con người khi phải xử lý thủ công lượng lớn dữ liệu. Theo số liệu khảo sát được tác giả viện dẫn trong văn bản, có tới 90% thời lượng thiết kế truyền thống bị tiêu tốn cho việc tra cứu dữ liệu kỹ thuật, trong khi chỉ có 10% thời gian thực sự dành cho lao động sáng tạo và ra quyết định phương án. Việc ứng dụng công nghệ thiết kế và sản xuất có sự trợ giúp của máy tính (CAD/CAM) kết hợp với sản xuất tích hợp máy tính (CIM) cho phép thay thế mẫu chép hình bằng mô hình hình học số (Computational Geometric Model - CGM), rút ngắn thời gian chuẩn bị sản xuất và nâng cao độ chính xác của bề mặt gia công lòng lõi khuôn.

Khóa luận tốt nghiệp của sinh viên Lê Văn Hiếu, dưới sự hướng dẫn của TS. Trần Công Chi tại Khoa Cơ điện và Công trình – Trường Đại học Lâm nghiệp (năm 2021), được thực hiện nhằm giải quyết bài toán thiết kế khuôn mẫu cho sản phẩm nhựa gia dụng.

Mục tiêu nghiên cứu được xác định cụ thể trong văn bản:

1. Ứng dụng phần mềm Autodesk Inventor để thiết kế được bộ khuôn gia công sản phẩm khay nhựa đựng thức ăn.
2. Xây dựng quy trình công nghệ gia công lòng khuôn và lõi khuôn trên thiết bị điều khiển số CNC.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

• Đối tượng nghiên cứu: Các loại khay đựng thức ăn bằng nhựa; nguyên lý hoạt động của khuôn đúc nhựa hai tấm; trình tự thiết kế và lắp đặt khuôn trên phần mềm chuyên dụng.
• Phạm vi nghiên cứu: Tác giả xác định phạm vi đề tài tập trung vào việc đưa ra sơ đồ các bước thiết kế bằng phần mềm Autodesk Inventor mà không đi sâu vào tính toán thiết kế quy trình công nghệ chi tiết gia công khuôn. Không gian thực hiện tại Khoa Cơ điện và Công trình, Trường Đại học Lâm nghiệp; thời gian nghiên cứu diễn ra trong gần 3 tháng (hoàn thành ngày 15 tháng 4 năm 2021).

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Khóa luận được xây dựng dựa trên nền tảng lý thuyết về vật liệu polyme, công nghệ gia công đúc phun chất dẻo và kỹ thuật mô hình hóa solid 3D trong cơ khí:

• Lý thuyết vật liệu chất dẻo: Chất dẻo là vật liệu polymer kết hợp với phụ gia (chất phụ gia chiếm 20–30% ở nhựa nhiệt dẻo và 5–6% ở nhựa nhiệt rắn). Các thông số đặc tính cơ lý được tác giả hệ thống hóa gồm: tỷ trọng $\rho = 0{,}8 - 2{,}3\text{ g/cm}^3$; nhiệt độ gia công từ $250 - 400^\circ\text{C}$; độ giãn dài khi đứt đối với chất dẻo giòn khoảng 1%, chất dẻo dai khoảng 50–150%; mô đun đàn hồi $E$ của polyetylen từ $130 - 1000\text{ N/mm}^2$ và của các chất dẻo khác từ $1500 - 4000\text{ N/mm}^2$; hệ số giãn nở nhiệt tuyến tính của chất dẻo lớn hơn thép từ 7 đến 15 lần ($1/\text{K}$); độ dẫn nhiệt kém ($\text{W/m}\cdot\text{K}$).
• Công nghệ và thiết bị đúc phun: Chu trình đúc phun bao gồm các giai đoạn đóng khuôn, phun nhựa nóng chảy dưới áp lực cao, làm nguội định hình sản phẩm và mở khuôn đẩy sản phẩm ra ngoài. Cấu tạo máy đúc phun gồm hệ thống kẹp (cụm kìm cơ cấu khuỷu hoặc xy lanh thủy lực, cụm đẩy), hệ thống phun (phễu nạp liệu, trục trôn ốc, vòng băng gia nhiệt, xy lanh thủy lực với piston, động cơ quay trục vít) và các hệ thống hỗ trợ (thân máy, thủy lực, điện, làm nguội).
• Cấu tạo kết cấu khuôn ép 2 tấm: Tác giả phân tích cấu tạo tiêu chuẩn gồm 14 chi tiết cơ bản: tấm kẹp trên, tấm lòng khuôn, tấm lõi khuôn, các tấm đỡ, tấm kẹp dưới, bulông, các tấm giữ, chốt đẩy, chốt hồi, chốt dẫn hướng, vòng định vị và bạc cuống phun.

Phương pháp nghiên cứu thực tế được tác giả triển khai bao gồm:

• Phương pháp nghiên cứu tài liệu: Thu thập, tổng hợp giáo trình, sách chuyên khảo và các công trình nghiên cứu về công nghệ đúc phun, kết cấu khuôn ép nhựa và phương pháp gia công điều khiển số.
• Phương pháp đo quét thực nghiệm: Thu nhận hình học từ mẫu khay nhựa thực tế thông qua máy đo 3D, sau đó sử dụng phần mềm Rapidform để số hóa và dựng lại mô hình bề mặt cong phức tạp.
• Phương pháp phân tích số liệu: Đánh giá tính chất vật liệu, tính toán kích thước lòng lõi, xác định dung sai lắp ghép của vòng định vị và chốt bạc dẫn hướng.
• Phương pháp mô hình hóa và mô phỏng số: Thiết kế mô hình 3D trên Autodesk Inventor 2011, phân tích tối ưu vị trí cổng phun và đánh giá điền đầy bằng module Moldflow tích hợp sẵn trong Inventor; lập quy trình gia công CAM bằng phần mềm MasterCAM X5.

Hạng mục công cụ / Thiết bị	Tên cụ thể trong văn bản	Chức năng thực hiện
Thiết bị đo số hóa	Máy đo 3D	Đo tọa độ hình học mẫu khay nhựa có sẵn
Phần mềm xử lý dữ liệu quét	Rapidform	Xây dựng lại mô hình hình học từ dữ liệu đo 3D
Phần mềm thiết kế CAD	Autodesk Inventor 2011	Mô hình hóa 3D khay nhựa và thiết kế bộ khuôn (Mold Design)
Module mô phỏng dòng chảy	Moldflow (tích hợp trong Inventor)	Phân tích vị trí cổng phun tối ưu, thời gian điền đầy, đường hàn
Phần mềm lập trình CAM	MasterCAM X5	Lập trình đường chạy dao gia công lòng và lõi khuôn
Thiết bị gia công cơ khí	Máy phay CNC Model XK 714	Gia công cắt gọt lòng khuôn và lõi khuôn

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan về vấn đề nghiên cứu

Chương này tập trung trình bày sự phát triển của công nghệ gia công khuôn mẫu qua ba thời kỳ: công nghệ truyền thống, công nghệ CAD/CAM và công nghệ tích hợp CIM. Tác giả chỉ rõ việc chuyển từ gia công chép hình sang mô hình hình học số (CGM) giúp loại bỏ các khâu trung gian, nâng cao độ tinh xảo và tính chính xác của bề mặt gia công. Phần tiếp theo giới thiệu bộ phần mềm Autodesk Inventor với 4 môi trường làm việc chính: mô hình hóa chi tiết (*.ipt), lắp ráp chi tiết (*.iam), tạo bản vẽ kỹ thuật 2D (*.idw / ISO.dwg) và trình diễn lắp ráp mô phỏng động học (*.ipn). Các công cụ dựng hình 2D Sketch (Line, Polygon, Fillet, Move, Dimension), tạo khối 3D (Extrude, Revolve, Thread, Hole), các công cụ tính toán chi tiết máy Design Accelerator (trục, bánh răng, đai, xích) và lệnh ràng buộc lắp ghép (Mate, Insert, Angle, Motion, Transition) được mô tả chi tiết. Chương 1 kết thúc bằng việc xác định mục tiêu, đối tượng, phạm vi và phương pháp luận của đề tài.

Chương 2: Ứng dụng phần mềm Autodesk Inventor thiết kế khuôn gia công khay nhựa đựng thức ăn

Nội dung chương 2 chiếm dung lượng lớn nhất trong khóa luận, chia thành hai phần chính: cơ sở công nghệ đúc phun và quá trình thiết kế khuôn trên phần mềm.

1. Công nghệ và cấu tạo khuôn đúc phun: Tác giả trình bày hệ thống phân loại máy đúc phun theo lực kẹp khuôn (50, 100, 200 tấn), theo trọng lượng một lần phun (2, 3, 8, 10...), theo vật liệu và bố trí máy (kiểu đứng, kiểu nằm). Cấu tạo 14 chi tiết của bộ khuôn được mô tả cụ thể kèm theo nguyên tắc thiết kế chốt dẫn hướng (phải dài hơn miếng ghép cao nhất, đầu chốt có thể nhỏ hơn 0,1 mm để dẫn hướng; khuôn 4 chốt phải bố trí một chốt xê dịch hoặc có đường kính khác biệt để tránh lắp ngược chiều), bộ định vị (dùng cho khuôn chính xác hoặc khuôn chịu lực ép mặt bên) và vòng định vị (đường kính nhỏ hơn lỗ mở của máy 0,1 mm, dung sai nhỏ nhất 0,05 mm).
2. Thiết kế khay nhựa và bộ khuôn: Mẫu khay nhựa đựng thức ăn được đo bằng máy đo 3D, dựng lại bề mặt cong bằng phần mềm Rapidform, sau đó thiết kế khối 3D trong Inventor thông qua chuỗi lệnh Sketch, Extrude, đục lòng khay, bo góc lượn và làm dày thành. Vật liệu được chọn là nhựa ABS nhằm đảm bảo độ bền va đập và chống mài mòn (lưu ý trong văn bản có một đoạn thuyết minh tác giả ghi nhầm tên chi tiết thành "chi tiết tấm nắp máy in" khi lập luận chọn vật liệu ABS). Quá trình thiết kế khuôn được thực hiện trong môi trường Mold Design (mm).iam:
   • Xác định hướng thoát khuôn (Adjust) và thiết lập lỗ thoát khí.
   • Gán vật liệu sản phẩm là nhựa ABS trong thư viện vật liệu.
   • Tìm vị trí cổng phun tối ưu bằng chức năng tự động tính toán Suggest tại hộp thoại Gate Location. Do thể tích khay nhỏ, số lượng cổng phun được thiết lập là 1 vị trí (Number of Gate location = 1).
   • Đánh giá chất lượng điền đầy, thời gian điền đầy và đường hàn thông qua kết quả mô phỏng.
   • Tạo mặt phân khuôn, tách miếng ghép lòng khuôn (Cavity) và lõi khuôn (Core).
   • Thiết kế kết cấu vỏ khuôn (Mold Base), chọn kích thước bạc cuống phun, thông số miệng phun, kích thước vòng định vị, bố trí hệ thống kênh làm mát trên cả tấm lòng và tấm lõi khuôn, và thiết kế khóa khuôn.

Chương 3: Quy trình công nghệ gia công khuôn gia công khay nhựa đựng thức ăn

Chương 3 trình bày các bước chuẩn bị công nghệ chế tạo hai chi tiết tạo hình quan trọng nhất của bộ khuôn:

• Lựa chọn dạng sản xuất và phương pháp chế tạo phôi gia công cho lòng khuôn và lõi khuôn.
• Xác định thiết bị gia công là máy phay CNC Model XK 714; lập bảng thông số kỹ thuật làm việc của máy.
• Lập quy trình công nghệ gia công lòng khuôn bao gồm chọn chuẩn định vị, kẹp chặt, phân chia các nguyên công gia công thô, bán tinh và tinh, cùng việc ứng dụng phần mềm MasterCAM X5 để mô phỏng và lập trình quỹ đạo chạy dao.
• Xây dựng quy trình công nghệ gia công lõi khuôn tương tự, đảm bảo độ chính xác kích thước và độ bóng bề mặt cho sản phẩm ép phun.

Thiết kế và triển khai hệ thống khuôn mẫu

Khóa luận triển khai chi tiết quy trình thiết kế kỹ thuật từ mô hình sản phẩm đến kết cấu cụm khuôn hoàn chỉnh thông qua module Mold Design của phần mềm Autodesk Inventor 2011:

Thành phần thiết kế	Phương pháp và thông số kỹ thuật thực hiện
Số hóa hình học khay nhựa	Sử dụng máy đo 3D quét mẫu thực tế, xử lý dữ liệu qua Rapidform, dựng khối solid bằng các lệnh 2D Sketch, Extrude chiều cao, đục rỗng lòng khay, bo góc lượn (Fillet) và tạo chiều dày thành ngoài
Vật liệu sản phẩm	Nhựa nhiệt dẻo ABS (Acrylonitrile Butadiene Styrene)
Hướng thoát khuôn & Mặt phân khuôn	Định hướng thoát khuôn bằng lệnh Adjust; tạo mặt phân khuôn tự động và hiệu chỉnh thủ công bao quanh đường bao lớn nhất của khay
Hệ thống cấp nhựa (Runner & Gate)	Thiết lập 1 cổng phun duy nhất (Number of Gate location = 1) tại vị trí trung tâm do phần mềm gợi ý tự động qua chức năng Suggest; kích thước bạc cuống phun và miệng phun được tra theo tiêu chuẩn Mold Base
Phân tích dòng chảy điền đầy	Kiểm tra các thông số thời gian điền đầy, áp suất phun, dự đoán chất lượng bề mặt và vị trí đường hàn (weld lines) bằng công cụ Moldflow tích hợp
Hệ thống làm mát (Cooling System)	Bố trí các đường khoan dẫn nước làm mát đi ngầm độc lập trên tấm lòng khuôn và tấm lõi khuôn để tản nhiệt đồng đều
Định vị và dẫn hướng	Tổ hợp 4 chốt dẫn hướng và bạc dẫn hướng tiêu chuẩn (bố trí chốt lệch tâm để chống lắp ngược chiều); vòng định vị có kích thước đường kính nhỏ hơn lỗ định vị máy đúc 0,1 mm, dung sai chế tạo 0,05 mm
Quy trình gia công chế tạo	Lập quy trình phay lòng và lõi khuôn trên máy phay CNC Model XK 714, đường chạy dao được lập trình thông qua phần mềm MasterCAM X5

Kết quả và đóng góp

Khóa luận đã ghi nhận các kết quả cụ thể theo các dữ kiện được trình bày trong văn bản:

• Xây dựng thành công mô hình hình học 3D của sản phẩm khay nhựa đựng thức ăn có biên dạng mặt cong phức tạp từ mẫu thực tế bằng việc kết hợp máy đo 3D, phần mềm Rapidform và Autodesk Inventor.
• Thiết kế hoàn chỉnh bộ khuôn ép nhựa hai tấm trên module Mold Design của Autodesk Inventor 2011, bao gồm đầy đủ 14 chi tiết kết cấu tiêu chuẩn: tấm kẹp trên, tấm kẹp dưới, tấm lòng khuôn, tấm lõi khuôn, hệ thống tấm đỡ, tấm giữ, chốt đẩy, chốt hồi, chốt dẫn hướng, bạc cuống phun, vòng định vị và khóa khuôn.
• Ứng dụng thành công công cụ tính toán tự động Moldflow tích hợp trong Inventor để xác định được 1 vị trí điểm phun tối ưu trên sản phẩm, kiểm chứng khả năng điền đầy lòng khuôn và đánh giá các khuyết tật bề mặt (đường hàn, độ co ngót).
• Thiết kế hoàn thiện hệ thống kênh làm mát riêng biệt trên tấm lòng khuôn và tấm lõi khuôn, hỗ trợ ổn định nhiệt độ chu trình ép.
• Lập quy trình công nghệ gia công chi tiết lòng khuôn và lõi khuôn trên máy phay CNC Model XK 714 kết hợp phần mềm MasterCAM X5.

Về đóng góp học thuật và ứng dụng, tác giả tự khẳng định đề tài là kết quả nghiên cứu độc lập trên cơ sở số liệu thực tế, làm chủ quy trình thiết kế khuôn mẫu khép kín bằng công nghệ CAD/CAM tại Khoa Cơ điện và Công trình, khắc phục được sự phụ thuộc vào việc tính toán thủ công và rút ngắn thời gian chuẩn bị sản xuất.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Khóa luận có một số hạn chế được xác định dựa trên văn bản và phạm vi nghiên cứu do chính tác giả công bố:

• Tác giả nêu rõ phạm vi nghiên cứu chỉ dừng lại ở mức "đưa ra sơ đồ các bước thiết kế bằng phần mềm mà không đi sâu vào tính toán thiết kế quy trình công nghệ chi tiết gia công khuôn".
• Các chế độ cắt gọt cụ thể (vận tốc cắt $v$, bước tiến dao $s$, chiều sâu cắt $t$) cho từng bước công nghệ gia công lòng và lõi khuôn chưa được trình bày chi tiết thành bảng thông số cụ thể.
• Trong phần thuyết minh chọn vật liệu ở Chương 2 xuất hiện đoạn văn bản nhầm lẫn tên gọi sản phẩm ("chi tiết tấm nắp máy in" thay vì khay nhựa đựng thức ăn), phản ánh sự thiếu sót trong khâu biên tập văn bản của tác giả.
• Đề tài chưa triển khai bước chế tạo thực tế bộ khuôn trên máy CNC XK 714 và chưa tiến hành ép thử nghiệm sản phẩm khay nhựa thực tế để đối chứng các thông số điền đầy đo được với kết quả mô phỏng trên Moldflow.

Hướng mở rộng nghiên cứu tiếp theo bao gồm: hoàn thiện tính toán chế độ cắt chi tiết cho từng nguyên công phay CNC; xuất mã lệnh G-code từ MasterCAM X5 để vận hành gia công thực tế trên máy phay CNC Model XK 714; tiến hành đúc ép thử nghiệm sản phẩm nhựa ABS trên máy ép thực tế để kiểm chứng độ co ngót và độ chính xác hình học so với mô hình thiết kế.

Giá trị tham khảo

Báo cáo khóa luận là tài liệu tham khảo hữu ích cho sinh viên các ngành Kỹ thuật cơ khí, Công nghệ chế tạo máy, Cơ điện tử và các kỹ sư thực hành thiết kế khuôn mẫu chất dẻo. Những nội dung có giá trị tham khảo ứng dụng cao gồm:

• Quy trình từng bước sử dụng module Mold Design trên Autodesk Inventor (từ khâu nạp chi tiết Plastic part, chọn hướng thoát khuôn, gán vật liệu, tìm điểm phun tự động bằng Moldflow đến tách mặt phân khuôn và tạo Mold Base).
• Phương pháp phối hợp giữa thiết bị đo quét 3D thực tế, phần mềm xử lý dữ liệu lưới Rapidform và phần mềm CAD để dựng lại các sản phẩm nhựa dân dụng có biên dạng cong phức tạp.
• Cấu tạo và nguyên tắc lắp đặt của cụm chốt – bạc dẫn hướng chống lắp ngược chiều và vòng định vị tâm khuôn theo tiêu chuẩn khuôn mẫu công nghiệp.

Câu hỏi thường gặp

1. Khóa luận lựa chọn loại vật liệu nhựa nào để chế tạo khay đựng thức ăn và căn cứ vào đâu?

Tác giả lựa chọn vật liệu nhựa nhiệt dẻo ABS (Acrylonitrile Butadiene Styrene) trong thư viện vật liệu của phần mềm. Việc lựa chọn này căn cứ vào yêu cầu kỹ thuật của khay đựng thức ăn: chịu được tải trọng va đập, chống mài mòn, đảm bảo tính thẩm mỹ cao, phù hợp với điều kiện làm việc và có tính kinh tế trong sản xuất.

2. Số lượng và vị trí cổng phun trên khay nhựa được xác định bằng phương pháp nào?

Tác giả nhập giá trị 1 điểm phun duy nhất (Number of Gate location = 1) do khay nhựa có thể tích nhỏ. Vị trí cổng phun được xác định bằng thuật toán phân tích dòng chảy tự động Suggest trong hộp thoại Gate Location của module Moldflow tích hợp trên Autodesk Inventor, đảm bảo khả năng điền đầy tối đa, tính thẩm mỹ và thuận tiện bố trí hệ thống kênh dẫn.

3. Bộ khuôn thiết kế thuộc loại khuôn mấy tấm và có bao nhiêu chi tiết cấu thành cơ bản?

Bộ khuôn được thiết kế theo kết cấu khuôn đúc hai tấm, bao gồm 14 chi tiết cơ bản: tấm kẹp trên, tấm lòng khuôn, tấm lõi khuôn, hai tấm đỡ, tấm kẹp dưới, bulông, hai tấm giữ, chốt đẩy, chốt hồi, chốt dẫn hướng, vòng định vị và bạc cuống phun.

4. Tác giả đã kết hợp những phần mềm chuyên dụng nào trong toàn bộ đồ án?

Đề tài sử dụng phối hợp ba phần mềm chính: Rapidform (xử lý dữ liệu đo 3D từ mẫu thực tế để tạo mô hình CAD), Autodesk Inventor 2011 (tích hợp Moldflow dùng để thiết kế khối solid, phân tích dòng chảy và thiết kế cụm khuôn Mold Design) và MasterCAM X5 (dùng để lập trình quy trình công nghệ gia công điều khiển số CAM).

5. Thiết bị CNC nào được lựa chọn để lập quy trình công nghệ gia công lòng và lõi khuôn?

Chi tiết lòng khuôn và lõi khuôn được lập quy trình công nghệ gia công cắt gọt trên máy phay CNC Model XK 714.

Kết luận

Khóa luận tốt nghiệp của tác giả Lê Văn Hiếu đã hoàn thành mục tiêu ứng dụng phần mềm Autodesk Inventor 2011 để thiết kế bộ khuôn ép nhựa hai tấm cho sản phẩm khay đựng thức ăn bằng nhựa ABS từ mẫu quét thực tế. Đề tài đã làm rõ quy trình khai thác module Mold Design và công cụ Moldflow để xác định cổng phun, mặt phân khuôn, hệ thống làm mát và các chi tiết định vị tiêu chuẩn. Đồng thời, nghiên cứu đã xây dựng các bước công nghệ gia công lòng khuôn và lõi khuôn trên máy phay CNC Model XK 714 thông qua phần mềm MasterCAM X5, cung cấp tài liệu kỹ thuật có tính ứng dụng cao cho đào tạo và thực hành ngành Kỹ thuật cơ khí.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU.1 Tổng quan về ứng dụng công nghệ CAD/CAM trong thiết kế khuôn.1 Tình hình ứng dụng công nghệ CAD/CAM trong thiết kế khuôn. Thiết kế và chế tạo khuôn có sự tham gia của máy vi tính (CAD/CAM) thuờng đuợc trình bày gắn liền với nhau. Thật vậy, hai lĩnh vực ứng dụng tin học trong ngành cơ khí chế tạo này có nhiều điểm giống nhau bởi chúng đều dựa trên cùng các chi tiết cơ khí và sử dụng dữ liệu tin học chung: đó là các nguồn đồ thị hiển thị và dữ liệu quản lý. Thực tế, CAD và CAM tương ứng với các hoạt động của hai quá trình hỗ trợ cho phép biến một ý tuởng trừu tượng thành một vật thể thật.

Hai quá trình này thể hiện rõ trong công việc nghiên cứu và triển khai chế tạo. Xuất phát từ nhu cầu cho truớc việc nghiên cứu đảm nhận thiết kế một mô hình mẫu cho đến khi thể hiện trên bản vẽ biểu diễn chi tiết. Từ bản vẽ chi tiết, việc triển khai chế tạo đảm nhận lập ra quá trình chế tạo các chi tiết cùng các vấn đề liên quan đến dụng cụ và phương pháp thực hiện. Hai lĩnh vực hoạt động lớn này trong ngành chế tạo máy đuợc thực hiện liên tiếp nhau và được phân biệt bởi kết quả của nó.

- Kết quả của CAD là một bản vẽ xác định, một sự biểu diễn nhiều hình chiếu khác nhau của một chi tiết cơ khí với các đặc trưng hình học và chức năng. Các phần mềm CAD là các dụng cụ tin học đặc thù cho việc nghiên cứu và được chia thành hai loại: Các phần mềm thiết kế và các phần mềm vẽ. - Kết quả của CAM là cụ thể, đó là chi tiết cơ khí. Trong CAM không truyền đạt một sự biểu diễn của thực thể mà thực hiện một cách cụ thể công việc.

Việc chế tạo bao gồm các vấn đề liên quan đến vật thể, cắt gọt vật liệu, công suất của trang thiết bị, các điều kiện sản xuất khác nhau có giá thành nhỏ nhất, với việc tối ưu hoá đồ gá và dụng cụ cắt nhằm đảm bảo các yêu cầu kỹ thuật của chi tiết cơ khí. Ta phân biệt hai loại dụng cụ tin học trong nghiên cứu thiết kế: 1 - Các phần mềm vẽ có sự tham gia của máy tính điện tử (Computer Aided Drawing - CAD). - Các phần mềm thiết kế có sự tham gia của máy tính điện tử. Trong tiếng Anh ta sử dụng từ CAD chung cho cả hai phần mềm này.

Trong triển khai chế tạo ra sản phẩm từ bản vẽ thiết kế, ngày nay có các phần mềm ứng dụng đó là các phần mềm chế tạo có sự tham gia của máy tính điện tử. (Computer Aided Manufacturing - CAM) Khi sự tích hợp trên máy tính điện tử cho các hoạt động thiết kế và chế tạo được thực hiện, tức là khi việc thực hiện có thể trực tiếp dựa vào các dữ liệu số được tạo ra bởi việc thiết kế, tập hợp các hoạt động đặc trưng của CAD/CAM được mô tả duới khái niệm chế tạo, được tích hợp bởi máy tính điện tử. Do vậy CIM biểu diễn các hoạt động tương ứng với thiết kế, vẽ, chế tạo và kiểm tra chất lượng của một sản phẩm cơ khí. Xu thế phát triển chung của các ngành công nghiệp chế tạo theo công nghệ tiên tiến là liên kết các thành phần của qui trình sản xuất trong một hệ thống tích hợp điều khiển bởi máy tính điện tử (Computer Integrated Manufacturing - CIM).

Các thành phần của hệ thống CIM được quản lý và điều hành dựa trên cơ sở dữ liệu trung tâm với thành phần quan trọng là các dữ liệu từ quá trình CAD. Kết quả của quá trình CAD không chỉ là cơ sở dữ liệu dể thực hiện phân tích kỹ thuật, lập qui trình chế tạo, gia công điều khiển số mà chính là dữ liệu điều khiển thiết bị sản xuất điều khiển số như các loại máy công cụ, nguời máy, tay máy công nghiệp và các thiết bị phụ trợ khác. Công việc chuẩn bị sản xuất có vai trò quan trọng trong việc hình thành bất kỳ một sản phẩm cơ khí nào. Công việc này bao gồm: 2 - Chuẩn bị thiết kế (thiết kế kết cấu sản phẩm, các bản vẽ lắp chung của sản phẩm, các cụm máy.) - Chuẩn bị công nghệ (đảm bảo tính năng công nghệ của kết cấu, thiết lập qui trình công nghệ).

- Thiết kế và chế tạo các trang bị công nghệ và dụng cụ phụ v. - Kế hoạch hoá quá trình sản xuất và chế tạo sản phẩm trong thời gian yêu cầu. Hiện nay, qua phân tích tình hình thiết kế ta thấy rằng 90% thời lượng thiết kế là để tra cứu số liệu cần thiết mà chỉ có 10% thời gian dành cho lao động sáng tạo và quyết định phương án, do vậy các công việc trên có thể thực hiện bằng máy tính điện tử để vừa tiết kiệm thời gian vừa đảm bảo độ chính xác và chất luợng. CAD/CAM là lĩnh vực nghiên cứu nhằm tạo ra các hệ thống tự động thiết kế và chế tạo trong đó máy tính điện tử được sử dụng dể thực hiện một số chức năng nhất định.

CAD/CAM tạo ra mối quan hệ mật thiết giữa hai dạng hoạt động: Thiết kế và Chế tạo. Tự động hoá thiết kế là dùng các hệ thống và phương tiện tính toán giúp nguời kỹ sư thiết kế, mô phỏng, phân tích và tối ưu hoá các giải pháp thiết kế. Tự động hoá chế tạo là dùng máy tính điện tử để kế hoạch hoá, điều khiển và kiểm tra các nguyên công gia công.2 Đặc điểm công nghệ chế tạo khuôn mẫu theo công nghệ CAD/CAM. Theo lịch sử hình thành và phát triển ta có thể phân biệt công nghệ thiết kế và gia công chế tạo khuôn mẫu như sau: - Thiết kế và gia công tạo hình theo công nghệ truyền thống.

- Thiết kế và gia công tạo hình theo công nghệ CAD/CAM - Thiết kế và gia công tạo hình theo công nghệ tích hợp CIM Trong công nghệ truyền thống, các mặt cong 3D phức tạp được gia công trên 3 máy vạn năng theo phương pháp chép hình sử dụng mẫu. Do vậy quy trình thiết kế và gia công bao gồm có 4 giai đọan phân biệt (Hình 1. Tạo mẫu sản phẩm, 2. Lập bản vẽ kỹ thuật, 3.

Tạo mẫu chép hình, 4. Gia công chép hình.1 Qui trình thiết kế và gia công tạo hình theo công nghệ truyền thống. Qui trình này có những hạn chế: - Khó đạt được độ chính xác gia công, chủ yếu do quá trình chép hình, - Dễ dàng làm sai do nhầm lẫn hay hiểu sai vì phải xử lý một số lớn dữ liệu, - Năng suất thấp do mẫu được thiết kế theo phương pháp thủ công và qui trình được thực hiện tuần tự: tạo mẫu sản phẩm - lập bản vẽ chi tiết- tạo mẫu chép hình - phay chép hình. Sự phát triển của phương pháp mô hình hoá hình học cùng với thành tựu của công nghệ thông tin, công nghệ điện tử, kỹ thuật điều khiển số đã có những ảnh huởng trực tiếp đến công nghệ thiết kế và gia công tạo hình (Hình 1.2): - Bản vẽ kỹ thuật được tạo từ hệ thống vẽ và tạo bản vẽ với sự trợ giúp của máy vi tính.

4 - Tạo mẫu thủ công được thay thế bằng mô hình hoá hình học trực tiếp từ giá trị lấy mẫu 3D. - Mẫu chép hình được thay thế bằng mô hình toán học - mô hình hình học lưu trữ trong bộ nhớ máy vi tính và ánh xạ trên màn hình duới dạng mô hình khung luới. - Gia công chép hình được thay thế bằng gia công điều khiển số (CAM). Về công nghệ, khác biệt cơ bản giữa gia công tạo hình theo công nghệ truyền thống và công nghệ CAD/CAM là thay thế tạo hình theo mẫu bằng mô hình hoá hình học.

Kết quả là mẫu chép hình và công nghệ gia công chép hình được thay thế bằng mô hình hình học số (Computational Geometric Model - CGM) và gia công điều khiển số. Mặt khác khả năng kiểm tra kích thuớc trực tiếp và khả năng lựa chọn chế độ gia công thích hợp (gia công thô, bán tinh và tinh). Theo công nghệ CAD/CAM phần lớn các khó khăn của quá trình thiết kế và gia công tạo hình theo công nghệ truyền thống được khắc phục vì rằng: - Bề mặt gia công đạt được chính xác và tinh xảo hơn. - Khả năng nhầm lẫn do chủ quan bị hạn chế đáng kể.

- Giảm được nhiều tổng thời gian thực hiện qui trình thiết kế và gia công tạo hình.2 Qui trình thiết kế và gia công tạo hình theo công nghệ CAD/CAM. 5 Từ công nghệ CAD/CAM ta dễ dàng thực hiện ý tuởng liên kết mọi thành phần trong một hệ thống tích hợp (Hình 1. Theo công nghệ tích hợp, công việc mô hình hoá hình học - vẽ - tạo bản vẽ được tích hợp trong CAD; kết quả mọi thông tin về hình dáng được lưu lại duới dạng CGM, lưu trữ trong cơ sở dữ liệu trung tâm. Công nghệ tiên tiến nhất có khả năng hỗ trợ thực hiện toàn bộ qui trình thiết kế và chế tạo theo công nghệ tích hợp: - Cho phép thiết lập mô hình hình học số CGM trực tiếp từ ý tuởng về hình dáng.

- Ðược trợ giúp bởi thiết bị đồ hoạ mạnh và công nghệ tô màu, tạo bóng hiện đại. - Có khả năng thực hiện các chức năng phân tích kỹ thuật; liên kết với các thiết bị tạo mẫu nhanh theo công nghệ tạo hình lập thể; lập trình chế tạo; điều khiển quá trình gia công điều khiển số; lập qui trình lắp ráp; tạo phôi Hình 1.3 Qui trình thiết kế và gia công tạo hình theo công nghê tích hợp. Tình hình ứng dụng phần mềm Autodesk Inventor trong thiết kế khuôn 1. Tổng quan về phần mềm Autodesk Inventor Autodesk Inventor là một trong những bộ phần mềm chuyên dụng của hãng 6 Autodesk.

Autodesk Inventor trang bị những công cụ mạnh, quản lý các đối tượng thông minh, trợ giúp quá trình thiết kế, làm tăng năng suất và chất lượng thiết kế, tối ưu hóa quá trình thiết kế bằng việc tạo mối liên kết giữa mô hình 3D và bản vẽ 2D. Autodesk Inventor có 4 chức năng thiết kế: - Mô hình hóa chi tiết (môi trường “*. - Lắp ráp các chi tiết (môi trường “*. - Tạo bản vẽ kỹ thuật 2D từ 3D solid (môi trường “*.

- Trình diễn lắp ráp (môi trường “*. Autodesk Inventor là phần mềm hổ trợ đắc lực quá trình thiết kế, gồm các tính năng - Tạo biên dạng phác thảo 2D rất nhanh chóng và dễ dàng. Ta có thể hiệu chỉnh về kích thước và hình dạng ở mọi thời điểm.