Giới thiệu dự án

Ngành công nghiệp nhựa tại Việt Nam ghi nhận tốc độ tăng trưởng ấn tượng từ 16% – 18%/năm, với mức tiêu thụ nhựa bình quân đầu người tăng vọt từ 3,8 kg/năm (1990) lên hơn 41 kg/năm. Nhu cầu đóng gói bao bì cho ngành thực phẩm, mỹ phẩm và dược phẩm đòi hỏi các sản phẩm nắp chai lọ có ren trong phải đạt độ chính xác kích thước cao, bề mặt hoàn thiện sắc nét và năng suất ép phun tối ưu.

                  QUY TRÌNH KỸ THUẬT TỔNG THỂ
 +-------------------------------------------------------------+
 | 1. THIẾT KẾ CAD (Siemens NX 11/12):                         |
 |    - Mô hình hóa sản phẩm nắp chai M20AK                    |
 |    - Tách khuôn Core/Cavity, kết cấu ren trong              |
 +-------------------------------------------------------------+
                                |
                                v
 +-------------------------------------------------------------+
 | 2. MÔ PHỎNG CAE (Moldflow Adviser 2021 & EasyFill):         |
 |    - Phân tích điền đầy (Fill), co ngót, đường hàn          |
 |    - Tối ưu hóa kênh làm mát (Cooling) & cổng phun Fan Gate |
 +-------------------------------------------------------------+
                                |
                                v
 +-------------------------------------------------------------+
 | 3. GIA CÔNG CAM/CNC & ÉP THỬ (Máy GS170D):                  |
 |    - Lập trình G-code phay/tiện thép P20 & SKD61            |
 |    - Kiểm soát độ bóng Ra < 0.05 µm, dung sai -0.01 mm      |
 +-------------------------------------------------------------+

Vấn đề kỹ thuật (Problem Statement)

Gia công nắp chai có ren bên trong (internal thread undercut) đặt ra bài toán phức tạp về cơ chế thoát khuôn, kiểm soát độ co rút vật liệu ($S_k$) và phân bố nhiệt không đồng đều. Phương pháp chế tạo khuôn truyền thống (thử - sai) gây lãng phí từ 25% – 35% chi phí phôi thép, kéo dài chu kỳ R&D và dễ phát sinh phế phẩm do các khuyết tật: bọt khí (air traps), đường hàn (weld lines), cong vênh (warpage) và lõm bề mặt (sink marks).

Mục tiêu dự án

  1. Nghiên cứu tổng quan kết cấu khuôn ép phun đa tấm và nguyên lý tháo ren sản phẩm nắp M20AK.
  2. Ứng dụng phần mềm Moldflow Adviser 2021 và EasyFill để mô phỏng động học dòng chảy nhựa, tối ưu hóa hệ thống kênh cấp nguội (cold runner) và làm mát.
  3. Thiết kế hoàn chỉnh bộ lõi khuôn (Core/Cavity) trên Siemens NX 11/12, lựa chọn vật liệu thép nhiệt luyện đạt chuẩn công nghiệp.
  4. Lập quy trình công nghệ gia công cơ khí chính xác (CAM/CNC) cho cụm lòng khuôn và ép thử nghiệm trên máy ép phun GS170D.

Phương pháp giải quyết và phạm vi

  • Giải pháp: Tích hợp chu trình CAD/CAE/CAM đồng bộ, thay thế phương pháp thực nghiệm tốn kém bằng mô phỏng phần tử hữu hạn trước khi cắt gọt kim loại.
  • Chỉ số đo lường kỳ vọng: Rút ngắn thời gian làm mát xuống dưới 60% tổng chu kỳ ép, độ chênh lệch nhiệt độ nước làm mát $\Delta T \le 1 - 5^\circ\text{C}$, dung sai lắp ghép đạt $-0.01\text{ mm}$, độ nhám bề mặt lòng khuôn đạt $R_a \le 0.05\ \mu\text{m}$.
  • Phạm vi và giới hạn: Tập trung vào kết cấu bộ lõi khuôn nắp M20AK ép vật liệu nhựa ABS/PP, thử nghiệm trên máy ép nhựa trục vít ngang có lực kẹp 170 tấn.

Phân tích và thiết kế giải pháp

Phân tích hiện trạng

Tiêu chí Phương pháp truyền thống (Kinh nghiệm) Phương pháp gia công khuôn mẫu Module hóa Giải pháp tích hợp CAD/CAE/CAM (Đề tài)
Độ chính xác thiết kế Phụ thuộc 100% tay nghề thợ Cao, theo bộ vỏ khuôn tiêu chuẩn Tối ưu hóa vi mô theo áp suất & biến dạng thực
Kiểm soát khuyết tật Phát hiện sau khi ép thử thực tế Hạn chế ở khâu phân tích dòng chảy Dự báo trước đường hàn, bọt khí, co ngót qua CAE
Chi phí sửa khuôn Rất cao (chiếm 30-40% giá thành) Trung bình Thấp (giảm >70% số lần chỉnh sửa lòng khuôn)
Thời gian chu kỳ (Cycle time) Khó tối ưu hệ thống giải nhiệt Tương đối đồng đều Tối ưu đường nước dạng vách ngăn/vòi phun

Yêu cầu kỹ thuật theo mô hình MoSCoW

  • Must have (Bắt buộc): Độ chính xác bước ren trong M20, hệ thống ty đẩy và chốt hồi SKD61 tôi cứng 58–62 HRC, rãnh thoát khí sâu $0.0508\text{ mm}$ cho nhựa ABS.
  • Should have (Nên có): Hệ thống làm nguội cân bằng cả hai nửa Cavity/Core, lò xo giảm chấn tích hợp dưới bạc cuống phun.
  • Could have (Có thể mở rộng): Cơ cấu xả ren tự động bằng motor thủy lực/bánh răng cho khuôn nhiều lòng khuôn (multi-cavities).
  • Won't have (Chưa thực hiện đợt này): Kênh dẫn nóng (hot runner) đa tầng do giới hạn chi phí chế tạo thử nghiệm.

Thiết kế hệ thống

               SƠ ĐỒ HỆ THỐNG KHUÔN M20AK
  +---------------------------------------------------+
  |                 NỬA KHUÔN CỐ ĐỊNH                 |
  |  +---------------------------------------------+  |
  |  | Vòng định vị -> Bạc cuống phun -> Fan Gate  |  |
  |  | Tấm Cavity (Thép P20, Ra < 0.05 µm)        |  |
  |  | Đường làm mát phân vùng (Inlet/Outlet Ø8)   |  |
  |  +---------------------------------------------+  |
  +---------------------------------------------------+
                          | | Mặt phân khuôn (Parting Line)
  +---------------------------------------------------+
  |                 NỬA KHUÔN DI ĐỘNG                 |
  |  +---------------------------------------------+  |
  |  | Tấm Core M20AK (Tạo hình ren bên trong)     |  |
  |  | Chốt dẫn hướng & Bạc SUJ2 (58-62 HRC)       |  |
  |  | Ty đẩy SKD61 + Tấm giằng + Lò xo nén (≤35%) |  |
  |  | Baffle Cooling System / Rãnh thoát khí      |  |
  |  +---------------------------------------------+  |
  +---------------------------------------------------+

Công nghệ và vật liệu áp dụng

  • Phần mềm thiết kế & mô phỏng: Siemens NX 11.0 / NX 12.0 (CAD/CAM module), Autodesk Moldflow Adviser 2021, Moldex3D EasyFill.
  • Vật liệu chế tạo khuôn:
    • Tấm Cavity & Core: Thép hợp kim P20 (độ cứng 28–32 HRC sau tôi ram, chịu áp suất nén $P_{inj} > 80\text{ MPa}$).
    • Ty đẩy, chốt dẫn hướng, bạc cuống phun: Thép SKD61, SCM-415, thép vòng bi SUJ2 (xử lý nhiệt bề mặt đạt 58–62 HRC, dung sai đường kính $d_{-0.01}$).
    • Vỏ khuôn (Mold base): Thép carbon kết cấu S55C / AISI 1055.
  • Yêu cầu tính toán kênh dẫn: Quan hệ đường kính kênh dẫn chính ($D_c$) và kênh dẫn nhánh ($D_n$) với $N$ nhánh rẽ: $$D_c = D_n \cdot \sqrt[3]{N}$$

Phương pháp luận (Methodology)

        QUY TRÌNH THIẾT KẾ & SẢN XUẤT HIỆN ĐẠI
CAD 3D Model -> Phân tích CAE (Fill/Pack/Cool) -> Đạt?
  |                                                |
  +--- (Không đạt: Sửa thông số cổng/kênh) <-------+
  |
 (Đạt) -> Lập trình CAM & Cắt gọt CNC -> Lắp ráp -> Ép thử (GS170D)
  1. Giai đoạn 1 (Milestone 1): Phân tích hình học 3D chi tiết nắp M20AK, xác định góc nghiêng thoát khuôn (Draft Angle $\ge 1^\circ$).
  2. Giai đoạn 2 (Milestone 2): Thiết lập mô phỏng CAE, khảo sát các kiểu cổng phun (Pin-point Gate, Fan Gate, Submarine Gate).
  3. Giai đoạn 3 (Milestone 3): Thiết kế chi tiết kết cấu khuôn âm/dương, hệ thống làm mát vách ngăn (Baffle System) và hệ thống đẩy cưỡng bức.
  4. Giai đoạn 4 (Milestone 4): Xuất chương trình G-code trên NX CAM, phay CNC lòng khuôn, mài, đánh bóng gương đạt tiêu chuẩn $R_a \le 0.05\ \mu\text{m}$.
  5. Giai đoạn 5 (Milestone 5): Gá đặt trên máy ép GS170D, thử nghiệm áp suất phun, tối ưu hóa chu kỳ đóng/mở khuôn.

Implementation và kết quả

Quy trình gia công CAM và chế tạo

(G-CODE PHAY LÒNG KHUÔN TẤM CAVITY - NX CAM 12.0)
G21 G90 G40 G80
T01 M06 (DAO PHAY NGÓN FLAT ENDMILL D10 R0.5 - THEP P20)
S2800 M03
G54 G00 X-25.5 Y12.0 Z5.0
G43 H01 Z2.0 M08
G01 Z-1.5 F450
G02 X-12.0 Y25.5 R15.0 F850
G01 X15.0 Y25.5
G02 X28.5 Y12.0 R15.0
G01 Z-3.0 F350
...
(HOÀN TẤT NGUYÊN CÔNG PHAY TINH BE MAT LÒNG KHUÒN)
G00 Z50.0 M09
M05
M30
  • Hệ thống dẫn nhựa: Áp dụng kênh dẫn tiết diện hình thang hiệu chỉnh kết hợp cổng phun quạt (Fan Gate) nhằm giảm thiểu tổn thất áp suất và duy trì vận tốc dòng chảy ổn định.
  • Hệ thống làm nguội: Ứng dụng đường nước $\varnothing 8\text{ mm}$ mạch kép song song kết hợp cơ cấu vách ngăn (baffle) tại lõi khuôn đực, tăng diện tích truyền nhiệt tại vị trí thành ren dày.

Kiểm thử và kết quả mô phỏng (Testing & Validation)

             PHÂN BỐ ÁP SUẤT VÀ LÀM NGUỘI TRONG KHUÔN
       Cổng phun (Fan Gate) ---> Áp suất điền đầy: ~65.4 MPa
  +--------------------------------------------------------------+
  | [Core P20]   Vùng ren trong: Nhiệt độ ổn định 45°C - 48°C    |
  | [Baffle H2O] Lưu lượng rối Reynolds > 4000 (Hiệu quả x3-x5)   |
  | [Cavity]     Thời gian làm đông đặc: 8.2s (Đạt chuẩn <60%)   |
  +--------------------------------------------------------------+
       Khí dư ---> Rãnh thoát khí (Vent depth: 0.0508 mm)
  • Thời gian điền đầy (Fill time): Nhựa ABS nguyên sinh điền đầy hoàn toàn $100%$ thể tích lòng khuôn trong thời gian $1.15\text{ giây}$ mà không xảy ra hiện tượng thiếu liệu (short shot).
  • Phân bố áp suất nén (Packing pressure): Đạt giá trị đỉnh $65.4\text{ MPa}$ tại bạc cuống phun và phân bố đều xuống $28.2\text{ MPa}$ tại điểm cuối dòng chảy, loại bỏ nguy cơ bavia (flash).
  • Dự báo khuyết tật:
    • Rỗ khí/bọt khí (Air traps): Được dẫn triệt để về 4 rãnh thoát khí bố trí đối xứng trên mặt phân khuôn với chiều sâu rãnh dẫn $0.0508\text{ mm}$.
    • Đường hàn (Weld lines): Dồn về vị trí gờ ngoài của nắp chai, không ảnh hưởng đến cơ tính của bước ren chịu lực.
  • Độ co ngót và biến dạng (Warpage & Shrinkage): Độ co rút thể tích trung bình đạt $0.45% - 0.7%$, độ biến dạng tổng thể (Deflection) $< 0.12\text{ mm}$, đảm bảo tiêu chuẩn vặn khớp của ren nắp M20.

Đổi mới và đóng góp

  1. Tối ưu hóa chu trình R&D nhờ tích hợp CAE: Rút ngắn $45%$ thời gian phát triển khuôn thông qua việc phát hiện và xử lý sớm $100%$ các điểm tụ khí cục bộ trên mô phỏng Moldflow trước khi tiến hành gia công CNC.
  2. Cải tiến kết cấu giải nhiệt lõi ren: Ứng dụng hệ thống làm mát dạng vách ngăn (Baffle System) trực tiếp vào lòng lõi dương M20AK, giúp tăng tốc độ truyền nhiệt gấp $3.8$ lần so với phương pháp khoan lỗ thông thường, hạ chu kỳ ép xuống còn $14.5\text{ giây/sản phẩm}$.
  3. Quy chuẩn hóa quy trình gia công lõi thép P20: Xây dựng chế độ cắt gọt và chuỗi nguyên công (Phay thô $\rightarrow$ Tôi cải thiện $\rightarrow$ Phay tinh $\rightarrow$ Mài phẳng $\rightarrow$ Đánh bóng quang học) giúp kiểm soát độ nhám bề mặt $R_a \le 0.05\ \mu\text{m}$, ngăn ngừa hiện tượng cấn dính ren khi đẩy sản phẩm.
       SO SÁNH HIỆU SUẤT TRƯỚC VÀ SAU CẢI TIẾN
Chu kỳ ép phun (Cycle Time):
  Truyền thống: [====================] 24.0s
  Đề tài M20AK: [============] 14.5s  (-39.5%)

Tỷ lệ phế phẩm (Scrap Rate):
  Truyền thống: [======] 6.5%
  Đề tài M20AK: [=] 1.2%               (-81.5%)

Ứng dụng thực tế và triển khai

Khả năng ứng dụng công nghiệp

Bộ khuôn M20AK đáp ứng trực tiếp nhu cầu gia công nắp xoáy định lượng cho chai lọ nhựa trong ngành dược phẩm, hóa mỹ phẩm và thực phẩm đóng chai. Thiết kế mô-đun hóa cho phép thay thế nhanh lõi ren mà không cần gia công lại toàn bộ thân khuôn (mold base).

          LỘ TRÌNH TRIỂN KHAI SẢN XUẤT THỰC TẾ
Tháng 1-2: Chế tạo lõi khuôn P20 & Lắp ráp trên vỏ tiêu chuẩn
Tháng 3:   Ép thử nghiệm 10.000 shot trên máy GS170D (Đánh giá Cpk)
Tháng 4+:  Chuyển giao dây chuyền ép tự động hóa liên tục

Hiệu quả kinh tế và hoàn vốn (ROI)

  • Năng suất vận hành: Đạt $248\text{ sản phẩm/giờ}$ trên khuôn đơn và khả năng mở rộng lên $1.980\text{ sản phẩm/giờ}$ khi áp dụng hệ thống 8 lòng khuôn (8-cavity mold).
  • Bài toán chi phí: Tiết kiệm khoảng $35\text{ triệu VNĐ}$ chi phí thử nghiệm và sửa chữa kim loại cho mỗi chu kỳ sản phẩm mới. Thời gian thu hồi vốn đầu tư bộ khuôn ước tính trong vòng $4.5\text{ tháng}$ sản xuất thương mại.

Hạn chế và hướng phát triển

  • Hạn chế hiện tại: Phương pháp thoát ren trong hiện tại vẫn dựa trên cơ cấu đẩy cưỡng bức kết hợp góc vát của ren, giới hạn biên dạng ren ở các loại bước ren nhỏ hoặc nhựa có tính đàn hồi cao.
  • Hướng nâng cấp:
    1. Tích hợp cơ cấu tháo ren tự động sử dụng trục ren xoay dẫn động bằng motor thủy lực hoặc thanh răng - bánh răng (unscrewing mold mechanism).
    2. Nâng cấp hệ thống cấp nhựa sang công nghệ kênh dẫn nóng (Hot Runner System) có đầu phun kim (Valve Gate) nhằm triệt tiêu hoàn toàn cuống phun thừa, tiết kiệm $100%$ phế liệu đầu mẩu.

Đối tượng hưởng lợi

  • Sinh viên & Kỹ sư Cơ điện tử: Cung cấp tài liệu thực chiến chuyên sâu về chuỗi tích hợp CAD/CAE/CAM, phương pháp phân tích dòng chảy nhựa và công nghệ lập trình CNC.
  • Kỹ sư Thiết kế Khuôn mẫu: Tham khảo các bảng thông số chuẩn về kích thước rãnh thoát khí ($0.0508\text{ mm}$), tỷ lệ nén lò xo ($\le 35%$), và công thức tính toán đường kính kênh dẫn phân nhánh.
  • Doanh nghiệp Sản xuất Nhựa: Áp dụng trực tiếp quy trình chế tạo để nâng cao sản lượng nắp chai lọ kỹ thuật, giảm tỷ lệ phế phẩm dưới $1.5%$ và tăng tuổi thọ khuôn lên trên $500.000\text{ shot}$.

Câu hỏi thường gặp

  1. Thép P20 có cần nhiệt luyện thêm sau khi gia công phay CNC lòng khuôn không?
    Thép P20 thường được nhà cung cấp nhiệt luyện tôi và ram sẵn đạt độ cứng 28–32 HRC. Đối với lòng khuôn nắp M20AK, có thể gia công cắt gọt trực tiếp mà không sợ biến dạng. Nếu cần tăng độ cứng lên 48–51 HRC cho các vị trí trượt mài mòn, có thể tiến hành thấm Nitơ bề mặt.

  2. Tại sao rãnh thoát khí trên mặt phân khuôn lại quy định chiều sâu $0.0508\text{ mm}$ cho nhựa ABS?
    Độ sâu này được tính toán dựa trên độ nhớt nóng chảy của nhựa ABS. Rãnh sâu quá $0.06\text{ mm}$ sẽ khiến nhựa lỏng tràn vào tạo bavia (flash), trong khi rãnh nhỏ hơn $0.02\text{ mm}$ sẽ làm tắc nghẽn khí nén, gây cháy khét sản phẩm (burn marks).

  3. Làm thế nào để đảm bảo hệ thống làm nguội trong lõi ren không bị rò rỉ nước?
    Sử dụng nút bịt ren có quấn băng tan kỹ thuật kết hợp keo chống thấm chịu nhiệt chuyên dụng Loctite, đồng thời kiểm tra áp lực thủy tĩnh ở mức $0.6\text{ MPa}$ trong $30\text{ phút}$ trước khi gá khuôn lên máy ép.

  4. Tỷ lệ nén lò xo của tấm đẩy sản phẩm tối đa là bao nhiêu?
    Tổng chiều dài nén làm việc của lò xo hồi không được vượt quá $35%$ chiều dài tự do của nó nhằm duy trì độ đàn hồi bền vững và chống mỏi kim loại trong chu kỳ làm việc liên tục.

  5. Giải pháp nào ngăn ngừa nắp chai bị biến dạng bước ren khi đẩy ra khỏi lõi khuôn?
    Cần cân bằng thời gian làm mát đến khi nhiệt độ sản phẩm hạ dưới nhiệt độ biến dạng nhiệt ($HDT$), đồng thời bố trí ống đẩy bao quanh chu vi đáy nắp thay vì dùng ty đẩy điểm cục bộ.


Kết luận

Đồ án tốt nghiệp "Thiết kế và gia công bộ lõi khuôn ép nhựa M20AK" đã giải quyết trọn vẹn bài toán kỹ thuật từ mô hình hóa hình học, mô phỏng số động học dòng chảy đến chế tạo thực nghiệm cơ khí chính xác. Sự kết hợp chặt chẽ giữa Siemens NX và Moldflow Adviser 2021 khẳng định vai trò sống còn của công nghệ mô phỏng hiện đại trong việc nâng cao độ chính xác, giảm thiểu phế phẩm và tối ưu hóa năng lực cạnh tranh cho ngành công nghiệp phụ trợ khuôn mẫu Việt Nam.