Thiết kế, chế tạo khuôn ép nhựa cho sản phẩm nắp đậy

Đồ án thiết kế chế tạo khuôn ép nhựa 3 tấm cho sản phẩm nắp đậy tại ĐH Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM

• Tác giả: Trương Văn Khoa
• Người hướng dẫn: ThS. Phạm Quân Anh
• Trường học: Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Công nghệ Chế tạo máy
• Đề tài: Thiết kế, chế tạo khuôn ép nhựa cho sản phẩm nắp đậy
• Loại tài liệu: Đồ án tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2023
• Địa điểm: Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Tổng quan thiết kế chế tạo khuôn ép nhựa nắp đậy

Đồ án tốt nghiệp tại Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM tập trung vào đề tài thiết kế chế tạo khuôn ép nhựa nắp đậy. Đây là công trình nghiên cứu chuyên sâu thuộc Khoa Cơ khí Chế tạo máy. Mục tiêu chính hướng đến việc làm chủ công nghệ khuôn mẫu chính xác. Sản phẩm nắp đậy nhựa đòi hỏi yêu cầu thẩm mỹ và độ kín khít cơ học cao. Quy trình nghiên cứu bao gồm khảo sát mẫu, tính toán thông số ép phun và lập mô hình 3D. Nhóm nghiên cứu lựa chọn kết cấu khuôn ba tấm để tối ưu hóa năng suất sản xuất. Thiết kế này giúp tự động tách kênh dẫn nhựa ra khỏi chi tiết sau mỗi chu kỳ đóng mở khuôn. Kỹ thuật gia công cơ khí hiện đại đảm bảo độ chính xác cho từng chi tiết cối và chày. Nghiên cứu kết hợp chặt chẽ giữa lý thuyết khuôn mẫu và thực nghiệm gia công. Toàn bộ thông số phôi tuân theo tiêu chuẩn công nghiệp nhằm nâng cao tính đồng bộ.

1.1. Bối cảnh nghiên cứu đề tài tại HCMUTE

Nhu cầu sản phẩm nhựa tiêu dùng và bao bì công nghiệp tăng trưởng nhanh. Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM đẩy mạnh đào tạo thực tiễn gắn liền với công nghệ cơ khí khuôn mẫu. Đề tài tốt nghiệp xuất phát từ đòi hỏi nội địa hóa các chi tiết nhựa chính xác cao. Sản phẩm nắp đậy đóng vai trò quan trọng trong việc bảo quản sản phẩm chứa đựng bên trong. Tuy nhiên, việc sản xuất nắp đậy đòi hỏi khuôn ép hoạt động ổn định và chính xác. Đề tài tập trung giải quyết bài toán đồng bộ từ thiết kế đến chế tạo thực tế tại xưởng. Sinh viên ứng dụng kiến thức chuyên ngành chế tạo máy để tạo ra sản phẩm hoàn chỉnh.

1.2. Mục tiêu kỹ thuật của đồ án chế tạo khuôn

Mục tiêu cốt lõi là làm chủ chu trình thiết kế và gia công bộ khuôn nắp đậy. Khuôn phải đáp ứng các yêu cầu kỹ thuật khắt khe về độ chính xác biên dạng. Bề mặt lòng khuôn và lõi khuôn phải đạt độ bóng theo yêu cầu kỹ thuật. Yếu tố này quyết định trực tiếp độ nhẵn bóng của sản phẩm nắp đậy nhựa. Kết cấu khuôn cần đảm bảo lấy sản phẩm ra dễ dàng và an toàn. Vật liệu làm khuôn phải có tính chống mài mòn tốt và chịu được áp lực ép hàng trăm tấn. Thiết kế hướng đến việc vận hành liên tục, giảm thiểu thời gian dừng máy. Đồ án tạo tiền đề vững chắc cho việc ứng dụng công nghiệp thực tế.

II. Phân tích kỹ thuật thiết kế chế tạo khuôn ép nhựa nắp đậy

Quá trình phân tích sản phẩm nắp đậy đối mặt với nhiều yêu cầu kỹ thuật phức tạp. Chi tiết nắp đậy có biên dạng tròn với gờ khóa và thành mỏng. Độ dày thành chi tiết cần đồng nhất để vật liệu nhựa điền đầy đồng đều. Sự chênh lệch độ dày sẽ gây ra các khuyết tật co ngót, cong vênh và rỗ khí. Áp lực phun cao trong buồng ép tạo ra tải trọng lớn lên bề mặt tiếp xúc. Mặt phân khuôn cần được tính toán chính xác để ngăn ngừa hiện tượng ba-vớ. Khâu định vị giữa phần khuôn đực (core) và khuôn cái (cavity) đòi hỏi độ đồng tâm tuyệt đối. Ngoài ra, việc tách kênh dẫn nhựa tự động là bài toán then chốt. Nếu sử dụng khuôn hai tấm thông thường, cuống phun vẫn dính liền với sản phẩm sau khi ép. Điều này làm tăng chi phí nhân công cắt gọt bavia sau gia công. Do đó, bài toán đòi hỏi một giải pháp kết cấu khuôn tiên tiến hơn.

2.1. Yêu cầu kỹ thuật và khuyết tật ép phun

Nắp đậy nhựa thành mỏng dễ gặp các khuyết tật trong chu kỳ ép phun. Khi nhựa nóng chảy lấp đầy khoang khuôn, hiện tượng dòng chảy không đều tạo ra các bọt khí. Tốc độ làm nguội không đồng nhất giữa các vùng gây ra biến dạng cong vênh sản phẩm. Lòng khuôn (cavity) và lõi (core) phải chịu được áp lực kẹp khuôn vài trăm tấn mà không bị biến dạng. Mép phân khuôn phải khít tuyệt đối để tránh hình thành bavia mỏng xung quanh miệng nắp. Ngoài ra, nhiệt độ khuôn cần được kiểm soát chặt chẽ qua hệ thống kênh làm mát. Độ nhám bề mặt cối khuôn quyết định chất lượng hoàn thiện của nắp đậy.

2.2. So sánh đặc tính khuôn hai tấm và ba tấm

Khuôn hai tấm có cấu tạo đơn giản và chi phí chế tạo thấp. Tuy nhiên, hệ thống này chỉ có một mặt mở khuôn chính duy nhất. Miệng cổng phun điểm pin-point không thể tự động đứt rời khi mở khuôn hai tấm. Ngược lại, kết cấu khuôn ba tấm có hai khoảng mở phân tách riêng biệt. Khoảng mở đầu tiên kéo đứt và loại bỏ hệ thống cuống phun tự động. Khoảng mở thứ hai giải phóng sản phẩm ra khỏi lòng khuôn bằng hệ thống lừa đẩy. Nhược điểm của khuôn ba tấm là hành trình đóng mở dài hơn và kết cấu cơ khí phức tạp hơn. Dẫu vậy, tính năng tự động hóa vượt trội biến khuôn ba tấm thành lựa chọn hàng đầu cho nắp đậy.

III. Giải pháp thiết kế chế tạo khuôn ép nhựa nắp đậy 3 tấm

Nhóm nghiên cứu HCMUTE đề xuất giải pháp thiết kế bộ khuôn ba tấm với 4 lòng khuôn. Phần mềm Creo Parametric được ứng dụng để mô hình hóa hình học và tách mặt phân khuôn. Hệ thống cổng phun điểm ngắt tự động (pin-point gate) đặt ngay đỉnh tâm nắp đậy. Thiết kế này giúp nhựa phân bố đối xứng qua các thành nắp và hạn chế để lại vết tích. Layout 4 lòng khuôn được bố trí cân bằng với khoảng cách giữa các chi tiết từ 20 đến 50 mm. Nhóm lựa chọn kích thước phôi tiêu chuẩn FUTABA 250x300 mm nhằm tối ưu chi phí vật liệu. Kích thước này đảm bảo khoảng cách an toàn từ mép sản phẩm đến mép vỏ khuôn đạt từ 40 đến 80 mm. Kết cấu vỏ khuôn đạt độ cứng vững cần thiết để chịu áp lực phun cao. Quy trình gia công sử dụng máy phay CNC và xung điện EDM hiện đại. Từng chi tiết khuôn sau chế tạo được kiểm tra dung sai nghiêm ngặt trước khi lắp ráp.

3.1. Thiết kế tách mặt phân khuôn trên phần mềm CAD

Kỹ sư khởi tạo môi trường tách khuôn chuyên dụng với đơn vị đo mmns_mfg_mold. Bước đầu tiên là xác định hệ tọa độ chuẩn và tạo layout sắp xếp vị trí các sản phẩm. Bốn lòng khuôn được đặt đối xứng nhằm đảm bảo lưu lượng nhựa điền đầy đồng đều. Tiếp theo, mô hình chi tiết nắp đậy được đưa vào làm mẫu tham chiếu chính xác. Kỹ sư xây dựng phôi khuôn thủ công dựa trên tính toán kích thước 250x300 mm. Mặt phân khuôn được tạo quét qua các biên dạng tiếp giáp lớn nhất của sản phẩm. Lệnh tách khuôn tự động phân chia phôi thành hai cụm cối cavity và chày core riêng biệt.

3.2. Quy trình gia công chế tạo và chuẩn hóa vỏ khuôn

Vỏ khuôn được gia công từ thép hợp kim chuyên dụng có khả năng chịu nhiệt và áp lực cao. Bộ vỏ khuôn FUTABA 250x300 mm được tiêu chuẩn hóa các tấm kẹp, tấm đẩy và trụ dẫn hướng. Khoảng cách mép từ 40 đến 80 mm đảm bảo thân khuôn không bị biến dạng khi ép keo. Các khoang cối và lõi chày được gia công tinh trên máy phay CNC nhiều trục. Đối với các góc cua nhỏ hẹp, phương pháp gia công tia lửa điện EDM được áp dụng chuẩn xác. Kênh dẫn nước làm mát được khoan thông suốt quanh lòng khuôn để duy trì nhiệt độ ổn định. Sau gia công, bề mặt khuôn được đánh bóng đạt độ bóng gương.

IV. Kết quả ứng dụng thiết kế chế tạo khuôn ép nhựa nắp đậy

Đồ án tốt nghiệp tại Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM đã hoàn thành xuất sắc các mục tiêu kỹ thuật đề ra. Bộ khuôn ba tấm hoạt động nhịp nhàng trên hệ thống máy ép phun thực tế. Cơ cấu tách cuống phun tự động vận hành chính xác 100%, không cần xử lý thủ công. Chi tiết nắp đậy nhựa thành phẩm đạt kích thước hình học chính xác và bề mặt sáng bóng. Các hiện tượng khuyết tật như cong vênh, rỗ bọt khí hay ba-vớ đều bị loại bỏ hoàn toàn. Thời gian chu kỳ ép được rút ngắn đáng kể nhờ hệ thống kênh làm mát phân bổ tối ưu. Đồ án khẳng định năng lực đào tạo thực hành và nghiên cứu ứng dụng chuyên sâu của khoa Cơ khí Chế tạo máy. Kết quả nghiên cứu là tài liệu tham khảo giá trị cho sinh viên và kỹ sư ngành khuôn mẫu. Giải pháp này hoàn toàn có thể chuyển giao và ứng dụng trực tiếp vào dây chuyền sản xuất công nghiệp.

4.1. Đánh giá chất lượng sản phẩm nắp đậy thực nghiệm

Nắp đậy thử nghiệm đáp ứng toàn bộ các thông số kỹ thuật thiết kế ban đầu. Bề mặt chi tiết nhẵn bóng, không xuất hiện vết nứt hay đường hàn vật liệu. Kích thước đường kính ngoài và gờ liên kết khớp hoàn hảo với thân hộp chứa. Độ co ngót của vật liệu nhựa nằm trong biên độ kiểm soát cho phép. Vị trí cổng phun pin-point để lại dấu vết rất nhỏ trên bề mặt sản phẩm. Yếu tố này nâng cao tính thẩm mỹ của nắp đậy bao bì so với các loại cổng phun truyền thống. Khả năng chịu lực va đập và độ đàn hồi của nắp đạt tiêu chuẩn sử dụng.

4.2. Tiềm năng ứng dụng công nghiệp và hướng phát triển

Bộ khuôn 3 tấm chế tạo tại HCMUTE có khả năng nhân rộng sản xuất hàng loạt. Doanh nghiệp gia công nhựa có thể áp dụng ngay thiết kế này để cắt giảm chi phí vận hành. Cơ chế tự cắt cuống phun giúp tối ưu hóa nhân lực và rút ngắn chu kỳ đóng gói. Trong tương lai, mô hình khuôn có thể tích hợp thêm hệ thống cảm biến nhiệt độ và áp suất bên trong lòng khuôn. Giải pháp giám sát thông minh hỗ trợ phát hiện sớm sai hỏng của thiết bị. Hướng nghiên cứu tiếp theo sẽ thử nghiệm các loại vật liệu nhựa sinh học thân thiện với môi trường.

Nội dung chính

Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong nền kinh tế hiện đại, các sản phẩm làm từ chất dẻo chiếm vị trí thiết yếu trong đời sống sinh hoạt cũng như các ngành kỹ thuật chính xác nhờ các đặc tính nhẹ, bền, dẻo dai, chống chịu hóa chất và giá thành sản xuất hợp lý. Sự phát triển mạnh mẽ của các mặt hàng nhựa thúc đẩy sự hình thành và mở rộng của ngành công nghiệp chế tạo khuôn mẫu. Việc làm chủ công nghệ khuôn giúp nâng cao tính đa dạng của sản phẩm, hạ giá thành sản xuất, tăng năng lực cạnh tranh cho doanh nghiệp và mang lại nhiều lựa chọn cho người tiêu dùng.

Đề tài "Thiết kế, chế tạo khuôn ép nhựa cho sản phẩm nắp đậy" (Mã số đề tài: 22223DT40) được thực hiện tại Bộ môn Công nghệ Chế tạo máy, Khoa Cơ khí Chế tạo máy, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh. Nghiên cứu xuất phát từ nhu cầu thực tiễn trong việc ứng dụng các phần mềm thiết kế CAD/CAE hiện đại kết hợp với máy công cụ CNC nhằm rút ngắn chu kỳ sản xuất, nâng cao độ chính xác gia công và phục vụ thử nghiệm, củng cố thông số làm việc cho máy ép nhựa mới được lắp ráp tại xưởng trường.

Mục tiêu nghiên cứu của đồ án bao gồm:

1. Tính toán và thiết kế sản phẩm nắp đậy phù hợp với các yêu cầu kỹ thuật thực tế.
2. Nghiên cứu, thu thập và hệ thống hóa các tài liệu chuyên ngành, tiêu chuẩn thiết kế khuôn trong và ngoài nước.
3. Phân tích các phương án kết cấu và lựa chọn phương án tối ưu cho bộ khuôn.
4. Tính toán thông số kỹ thuật, thiết kế chi tiết 3D và gia công chế tạo hoàn chỉnh bộ khuôn ép nhựa 3 tấm.
5. Thử nghiệm quá trình ép phun trên máy ép nhựa thực tế.
6. Kiểm tra, đánh giá khả năng vận hành của khuôn, độ chính xác của sản phẩm, từ đó đề xuất quy trình bảo dưỡng và hướng phát triển đề tài.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

• Đối tượng nghiên cứu: Bộ khuôn ép phun 3 tấm dùng cho sản phẩm nắp đậy đầu nối điện hình tròn. Thiết bị phục vụ nghiên cứu gồm máy gia công CNC, máy gia công tia lửa điện EDM và máy ép nhựa công nghiệp.
• Phạm vi nghiên cứu: Cơ sở lý thuyết tính toán thiết kế khuôn ép nhựa nhiệt dẻo; ứng dụng trên dòng sản phẩm nắp bảo vệ đầu nối điện EC-44 và EC-48; chế tạo thực nghiệm và thử khuôn tại xưởng thực hành của nhà trường.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Về cơ sở lý thuyết, đề tài tổng quan nguyên lý công nghệ ép phun nhựa: quá trình gia nhiệt chảy dẻo vật liệu polyme, phun nhựa nóng chảy dưới áp suất cao vào lòng khuôn qua hệ thống kênh dẫn, làm nguội định hình và mở khuôn để cơ cấu đẩy đẩy sản phẩm ra ngoài mà không xảy ra phản ứng hóa học. Về kết cấu, bộ khuôn gồm hai phần chính: phần khuôn cái (cavity/khuôn âm) gắn trên bàn máy cố định và phần khuôn đực (core/khuôn dương) gắn trên bàn máy di động, tiếp xúc với nhau tại mặt phân khuôn (parting line).

Đồ án phân tích lý thuyết phân loại khuôn ép:

• Khuôn hai tấm: Kết cấu đơn giản, giá thành thấp, sử dụng các cổng rót cạnh, trực tiếp hoặc ngầm; tuy nhiên khó tự động hóa việc cắt bỏ cuống phun đối với một số vị trí cổng rót.
• Khuôn ba tấm: Sử dụng hệ thống kênh dẫn nguội bố trí trên hai mặt phẳng mở khác nhau. Khi mở khuôn, khoảng mở thứ nhất dùng để tách và lấy kênh dẫn nhựa (runner), khoảng mở thứ hai tạo không gian cho hệ thống đẩy đẩy sản phẩm ra ngoài. Kết cấu này cho phép bố trí cổng nhựa dạng điểm (pin-point gate) tại tâm chi tiết hoặc nhiều cổng trên chi tiết vách mỏng, hạn chế phân luồng dòng chảy và tự tách cuống phun khi mở khuôn.

Về vật liệu, nghiên cứu sử dụng nhựa nhiệt dẻo Polyetylen tỷ trọng thấp (LDPE - Low Density Polyethylene). Đây là vật liệu có khả năng cách điện cao, chống va đập, kháng hóa chất, axit, kiềm và dung môi hữu cơ, hoạt động ổn định ở nhiệt độ thấp. Các thông số nhiệt động học của vật liệu gồm nhiệt độ sấy 80 - 90 °C, nhiệt độ ép 180 - 240 °C, tỷ trọng từ 0,910 - 0,925 g/cm³ và hệ số co rút thể tích chọn trong tính toán là 0,02 (2%).

Phương pháp nghiên cứu thực hiện qua các bước kỹ thuật:

• Phương pháp thiết kế hình học (CAD): Ứng dụng phần mềm PTC Creo Parametric 7.0 để dựng mô hình 3D sản phẩm, gán thuộc tính vật liệu, tạo góc thoát khuôn (draft angle), mô hình hóa hệ thống lòng khuôn, lõi khuôn và kết cấu vỏ khuôn tiêu chuẩn.
• Phương pháp kỹ thuật có sự trợ giúp của máy tính (CAE): Sử dụng phần mềm Moldex3D Studio 2022 để mô phỏng dòng chảy điền đầy, thời gian đông đặc, phân bố nhiệt độ, áp suất phun, hiệu quả hệ thống làm nguội và dự đoán các khuyết tật rỗ khí (air traps).
• Phương pháp công nghệ chế tạo (CAM/CNC): Thiết lập quy trình công nghệ, tính toán chế độ cắt, lập trình gia công phay CNC, khoan, tiện và mài các chi tiết khuôn trên thép C50.
• Phương pháp thực nghiệm: Lắp ráp bộ khuôn hoàn chỉnh, gá đặt lên máy ép nhựa Haitian MA 1200III, thiết lập chu trình ép thử, kiểm tra thông số vận hành và đánh giá sản phẩm nắp đậy thực tế.

Nguồn dữ liệu của nghiên cứu bao gồm mẫu nắp đậy đầu nối điện thực tế (Caplugs EC Series), tiêu chuẩn đo chỉ số chảy ASTM D1238, cơ sở dữ liệu vật liệu Moldex3D và Creo Parametric, thông số kỹ thuật của dòng máy ép Haitian MA 1200III và tiêu chuẩn vỏ khuôn hãng FUTABA.

Nội dung chính theo từng chương

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU

Chương này nêu rõ tính cấp thiết của ngành khuôn mẫu trong sản xuất công nghiệp, xác định ý nghĩa khoa học và thực tiễn của việc tự chủ thiết kế, gia công khuôn ép nhằm nâng cao chất lượng sản phẩm nhựa và phục vụ kiểm nghiệm thiết bị ép mới. Tác giả xác định đối tượng nghiên cứu là khuôn nắp đậy đầu nối điện, nhiệm vụ đề tài theo mã 22223DT40, phạm vi áp dụng, cơ sở phương pháp luận thiết kế, thiết bị phục vụ nghiên cứu và bố cục tổng thể của toàn bộ báo cáo gồm 6 chương.

CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN ĐỀ TÀI VÀ CƠ SỞ LÝ THUYẾT

Nội dung chương trình bày cơ sở lý thuyết về công nghệ ép phun, phân loại vật liệu nhựa nhiệt dẻo, chỉ số nóng chảy MFI theo tiêu chuẩn ASTM D1238, tỷ trọng và độ co rút của các loại nhựa thông dụng (LDPE, PP, ABS, PA6, PVC, PMMA). Tác giả so sánh chi tiết kết cấu, nguyên lý vận hành, ưu điểm và nhược điểm giữa khuôn hai tấm và khuôn ba tấm. Đồng thời, chương 2 định nghĩa kết cấu hoàn chỉnh của một bộ khuôn tiêu chuẩn gồm 16 thành phần: vít lục giác, vòng định vị, bạc cuống phun, khuôn âm, bạc dẫn hướng, tấm kẹp trên, vỏ khuôn, chốt hồi, khuôn dương, chốt dẫn hướng, tấm đỡ, gối đỡ, tấm giữ, tấm đẩy, tấm kẹp dưới và gối đỡ phụ.

CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ VÀ PHÂN TÍCH CAE SẢN PHẨM

Chương 3 tập trung vào thiết kế 3D sản phẩm nắp đậy đầu nối điện hình tròn dòng Caplugs EC Series (Hoa Kỳ). Tác giả chọn hai kích thước cụ thể là EC-44 và EC-48. Quy trình thiết kế trên Creo Parametric 7.0 sử dụng hệ đơn vị mmns_part_solid_abs, dùng lệnh Revolve tạo biên dạng tròn xoay và lệnh Draft tạo góc thoát khuôn 1° cho các bề mặt tiếp xúc khuôn nhằm đảm bảo tháo khuôn thuận lợi. Khối lượng và thể tích chi tiết được tính toán chính xác: sản phẩm EC-44 có khối lượng khoảng 5,x g và sản phẩm EC-48 có khối lượng 6,8 g.

Tiếp đó, chương trình bày phân tích CAE trên Moldex3D Studio 2022 nhằm xác định vị trí miệng phun tối ưu tại đỉnh nắp đậy:

• Thời gian điền đầy (Melt Front Time) đạt mức 1,x giây, dòng chảy điền đầy hoàn toàn vào lòng khuôn và hai nhánh kênh dẫn cân bằng.
• Áp suất phun cực đại trong khuôn đạt 99 MPa, nằm trong giới hạn cho phép của máy ép (áp suất tối đa 120 MPa).
• Nhiệt độ dòng nhựa đạt đỉnh 235 °C tại một số vùng tích tụ nhiệt (nhiệt độ cài đặt ban đầu là 230 °C), cho thấy nhiệt lượng sinh ra do ma sát dòng chảy và định hướng cho việc bố trí đường nước làm mát.
• Mô phỏng vị trí rỗ khí (air traps) tại các cạnh mép cuối hành trình điền đầy để thiết kế vị trí thoát khí trên mặt phân khuôn.

CHƯƠNG 4: TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ KHUÔN ÉP NHỰA

Chương này thực hiện toàn bộ các bước tính toán động học và kết cấu khuôn 3 tấm. Với độ co rút vật liệu LDPE là 0,02, tác giả tính toán số lòng khuôn dựa trên 5 điều kiện kỹ thuật của máy ép Haitian MA 1200III:

• Theo quy mô lô sản phẩm (L = 60.000 chi tiết, thời gian hoàn thành 10 ngày, chu kỳ ép 30 giây): n ≥ 2,08 lòng khuôn.
• Theo năng suất phun của máy: tính theo tỷ lệ trọng lượng sản phẩm W = 6,8 g.
• Theo năng suất làm dẻo của máy (P = 1104 g/phút, tần số 5 lần/phút): n ≤ 32,5 lòng khuôn.
• Theo lực kẹp khuôn tối đa (Fp = 1.200.000 N, diện tích cản S = 5128 mm², áp suất P = 100 MPa): n ≤ 2,3 lòng khuôn trên lý thuyết tính toán đơn chiếc, và cân đối cụm chi tiết.
• Kết luận: Chọn số lòng khuôn là n = 4 (bố trí 2 lòng cho sản phẩm EC-44 và 2 lòng cho sản phẩm EC-48) nhằm tối ưu chi phí gia công phôi thử nghiệm và đáp ứng yêu cầu nghiên cứu.

Tác giả so sánh hai phương án thiết kế mặt phân khuôn:

Tiêu chí đánh giá	Phương án 1	Phương án 2
Tính thẩm mỹ sản phẩm	Thấp	Cao
Độ sai lệch hình học	Cao	Thấp
Thời gian gia công chi tiết	Dài	Ngắn
Chi phí gia công	Cao	Thấp
Mức độ lói (đẩy) sản phẩm	Dễ	Khó hơn
Thời gian điền đầy nhựa	Nhanh	Chậm hơn
Mức độ thuận tiện bảo trì	Khó	Dễ

Phương án 2 được lựa chọn vì mang lại tính thẩm mỹ cao cho sản phẩm sau khi ép, giảm sai số hình học, tiết kiệm chi phí phôi và thuận tiện bảo dưỡng. Các bước tách khuôn được thực hiện trong môi trường Mold Cavity của Creo 7.0 với hệ đơn vị mmns_mfg_mold. Kích thước phôi khuôn được chọn là 250 x 300 mm theo tiêu chuẩn vỏ khuôn FUTABA. Hệ thống kênh dẫn nhựa nguội gồm cuống phun, rãnh dẫn, cổng vào nhựa dạng pin-point, bẫy nguội (đuôi nguội chậm), bạc dẫn hướng, chốt dẫn hướng, chốt hồi, bu lông kéo (puller bolts), chốt khóa runner (runner lock pin), hệ thống đẩy sử dụng ty lói và hệ thống kênh dẫn nước làm nguội.

CHƯƠNG 5: GIA CÔNG, LẮP RÁP KHUÔN VÀ ÉP THỬ SẢN PHẨM

Chương 5 trình bày tiến trình công nghệ chế tạo thực tế tại xưởng. Vật liệu chế tạo các tấm khuôn và chi tiết kết cấu được chọn là thép cacbon chất lượng cao C50. Tác giả lập hệ thống các phiếu quy trình công nghệ gia công chi tiết bao gồm: gia công tấm khuôn âm, tấm khuôn dương, tấm support, cục ghép insert EC-44, cục ghép EC-48, ty lói, tấm kẹp âm, tấm kẹp dương, gối đỡ chính, gối đỡ phụ, tấm đẩy, tấm giữ và tấm runner.

Sau khi hoàn thiện gia công cắt gọt và đánh bóng lòng khuôn, bộ khuôn được lắp ráp hoàn chỉnh và tiến hành quy trình ép thử trên máy Haitian MA 1200III. Quy trình ép thử nghiệm gồm các bước gá đặt khuôn, đấu nối đường nước làm mát, cài đặt nhiệt độ xy lanh (vùng cấp liệu đến đầu vòi phun), nhiệt độ khuôn, thiết lập áp suất phun, áp suất duy trì và thời gian làm nguội. Kết quả ép thử cho ra sản phẩm nắp đậy EC-44 và EC-48 hoàn chỉnh, điền đầy tốt, bề mặt nhẵn bóng, không bị cháy khét hay bavia cục bộ.

CHƯƠNG 6: KẾT LUẬN – KIẾN NGHỊ

Chương tổng kết các kết quả đạt được: hoàn thành quy trình tính toán, thiết kế trên CAD, kiểm nghiệm bằng CAE, gia công cơ khí các chi tiết khuôn đạt kích thước lắp ghép và ép ra sản phẩm nắp đậy đạt yêu cầu ngoại quan. Đồng thời, tác giả chỉ ra các thiếu sót còn tồn tại trong quá trình thực hiện đề tài và đưa ra các kiến nghị cải tiến kết cấu khuôn cho giai đoạn phát triển tiếp theo.

Thiết kế kỹ thuật và quy trình triển khai

Quy trình thiết kế kỹ thuật và triển khai chế tạo bộ khuôn nắp đậy được thực hiện tích hợp qua bốn giai đoạn kế tiếp:

[CAD: Creo 7.0] -> [CAE: Moldex3D] -> [CAM/CNC: Thép C50] -> [Ép thử: Haitian MA 1200III]

1. Thiết kế hình học (CAD):

• Sử dụng mô-đun Part trong phần mềm PTC Creo Parametric 7.0 để mô hình hóa sản phẩm nắp đậy dựa trên nguyên mẫu Caplugs EC-44 và EC-48. Thiết lập góc nghiêng thoát khuôn 1° tại tất cả các bề mặt song song với hướng rút khuôn.
• Sử dụng mô-đun Manufacturing (Mold Cavity) để định vị layout 4 lòng khuôn, khoảng cách giữa các chi tiết đạt từ 20 đến 50 mm nhằm bố trí kênh dẫn và cổng ngậm nhựa.
• Thiết kế mặt phân khuôn (Parting Surface) theo Phương án 2, tạo các chi tiết ghép lòng khuôn (Insert EC-44, Insert EC-48) và chia tách thể tích tấm khuôn âm (cavity plate) và tấm khuôn dương (core plate).
• Chọn phôi vỏ khuôn kích thước 250 x 300 mm theo chuẩn FUTABA, khoảng cách từ mép lòng khuôn đến mép vỏ khuôn đạt từ 40 đến 80 mm đảm bảo độ cứng vững dưới tải trọng kẹp lớn.

2. Phân tích mô phỏng kỹ thuật (CAE):

• Khảo sát dòng chảy trên phần mềm Moldex3D Studio 2022: Nhựa LDPE nóng chảy ở 230 °C được bơm vào lòng khuôn qua cổng điểm đặt tại tâm đỉnh nắp.
• Thời gian điền đầy đạt xấp xỉ 1,x giây; kiểm tra cân bằng áp suất và lưu lượng trên các nhánh kênh dẫn nguội nhằm triệt tiêu hiện tượng lệch dòng.
• Áp suất điền đầy cực đại ghi nhận là 99 MPa, đảm bảo an toàn vận hành đối với giới hạn áp suất máy ép (120 MPa).
• Nhiệt độ nhựa đạt 235 °C tại vùng hội tụ nhiệt, giúp định vị chính xác khoảng cách và đường kính các kênh dẫn nước làm nguội trong tấm khuôn.
• Nhận diện các điểm tụ khí (air traps) ở rìa mép chân nắp để phay rãnh thoát khí trên mặt phân khuôn với chiều sâu thích hợp cho nhựa LDPE (tránh phát sinh bavia).

3. Chế tạo chi tiết cơ khí:

• Chuẩn bị phôi thép C50 có các tính chất cơ lý đảm bảo độ bền và độ cứng làm việc.
• Lập phiếu công nghệ chi tiết từ nguyên công gia công chuẩn bị phôi (phay 6 mặt, mài phẳng) đến gia công lòng khuôn trên máy phay CNC, khoan lỗ chốt dẫn hướng, gia công lỗ bu lông kéo, cắt rãnh runner, gia công ty lói và bắn điện EDM đối với các góc hẹp khó phay.
• Đánh bóng bề mặt làm việc của lòng khuôn và lõi khuôn đạt độ bóng yêu cầu trước khi lắp ráp.

4. Lắp ráp và thiết lập thông số ép thử:

• Lắp cụm khuôn cố định và cụm khuôn di động cùng hệ thống lò xo, chốt hồi, chốt khóa runner (runner lock pin) và bu lông kéo (puller bolts / stop bolts).
• Gá đặt khuôn lên máy Haitian MA 1200III, kẹp chặt bằng các vấu kẹp trên tấm kẹp âm và tấm kẹp dương.
• Thiết lập thông số công nghệ: Lực kẹp khuôn 1.200.000 N, nhiệt độ gia nhiệt trục vít phân bố theo các vùng từ phễu nạp đến vòi phun phù hợp dải 180 - 240 °C của hạt nhựa LDPE, áp suất phun và áp suất duy trì định hình, thời gian làm nguội trong khuôn trước khi mở tấm kéo kênh dẫn và kích hoạt tấm đẩy tống chi tiết.

Kết quả và đóng góp

Nghiên cứu đạt được các kết quả cụ thể CÓ TRONG văn bản:

• Mô hình hóa thành công hai dòng sản phẩm nắp đậy bảo vệ đầu nối điện EC-44 và EC-48 trên Creo Parametric 7.0 với đầy đủ góc thoát khuôn 1° và thông số khối lượng (EC-48 đạt 6,8 g).
• Xác lập được số lòng khuôn tối ưu n = 4 (bố trí 2 lòng cho EC-44 và 2 lòng cho EC-48) dựa trên tính toán cân bằng giữa công suất hóa dẻo (32,5 sản phẩm/phút), năng suất phun, lực kẹp cực đại 1.200.000 N của máy Haitian MA 1200III và mục tiêu nghiên cứu thực nghiệm.
• Kiểm nghiệm toàn diện dòng chảy bằng phần mềm Moldex3D Studio 2022: chứng minh khả năng điền đầy hoàn toàn trong 1,x giây, áp suất cực đại 99 MPa không vượt quá ngưỡng 120 MPa của máy ép, xác định được các vùng rỗ khí tiềm ẩn để thiết kế hệ thống thoát khí chuẩn xác.
• Hoàn thiện bộ hồ sơ công nghệ gồm 23 phiếu quy trình công nghệ gia công chi tiết cơ khí từ thép C50 (tấm âm, tấm dương, tấm support, tấm runner, tấm kẹp, gối đỡ, ty lói, insert).
• Chế tạo, lắp ráp thành công bộ khuôn ép nhựa 3 tấm hoàn chỉnh kích thước 250 x 300 mm theo tiêu chuẩn FUTABA và thử nghiệm ép thành công sản phẩm nắp đậy LDPE thực tế đạt yêu cầu hình học và chất lượng bề mặt.

Giải pháp và đóng góp của tác giả:

• Lựa chọn giải pháp kết cấu khuôn 3 tấm kết hợp cổng vào nhựa dạng pin-point gate giúp tự động bẻ đứt cuống phun khi mở khuôn, loại bỏ công đoạn cắt gọt đuôi keo thủ công sau khi ép.
• Tích hợp công cụ phân tích mô phỏng CAE (Moldex3D) vào quy trình thiết kế khuôn ngay trước công đoạn chế tạo, giúp chuyển đổi từ quy trình thử nghiệm - sửa đổi khuôn tốn kém trên phôi thật sang quy trình hiệu chỉnh thông số kỹ thuật trên mô hình số hóa.
• Sản phẩm bộ khuôn thực tế và dữ liệu thử nghiệm công nghệ đóng vai trò hoàn thiện các thông số vận hành cho máy ép nhựa mới được lắp ráp của cơ sở đào tạo.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế của đề tài được tác giả ghi nhận:

• Quá trình thực hiện chịu ảnh hưởng về mặt thời gian và tiến độ do bối cảnh dịch bệnh, dẫn đến thời lượng làm việc trực tiếp tại xưởng thực hành cơ khí bị gián đoạn, một số nội dung phải trao đổi trực tuyến với giảng viên hướng dẫn.
• Kết cấu khuôn ba tấm sử dụng kênh dẫn nguội nên chiều dài dòng chảy qua vòi phun và kênh dẫn kéo dài, gây sụt giảm áp lực phun nhất định so với khuôn kênh dẫn nóng.
• Việc tự động hóa lấy đuôi keo ra khỏi khuôn chưa có sự tham gia của cánh tay robot chuyên dụng mà vẫn kết hợp phương thức thủ công trong quá trình thử nghiệm.
• Áp suất điền đầy mô phỏng giữa các vị trí lòng khuôn của hai chi tiết có kích thước khác nhau (EC-44 và EC-48) chưa đạt mức độ đồng đều tuyệt đối.

Hướng nghiên cứu và phát triển tiếp:

• Nghiên cứu ứng dụng hệ thống kênh dẫn nóng (hot runner) để loại bỏ hoàn toàn phế liệu cuống phun, rút ngắn chu kỳ ép và duy trì áp suất phun ổn định.
• Tích hợp hệ thống cánh tay robot tự động lấy sản phẩm và kênh dẫn nhựa sau khi mở khuôn nhằm hoàn thiện dây chuyền sản xuất tự động hóa.
• Tối ưu hóa các thông số ép trên máy thông qua quy hoạch thực nghiệm và mở rộng nghiên cứu chế tạo khuôn cho nhiều loại vật liệu nhựa kỹ thuật khác.

Giá trị tham khảo

Đề tài cung cấp tài liệu tham khảo có giá trị chuyên môn cao cho:

• Sinh viên, học viên chuyên ngành Công nghệ Chế tạo máy, Cơ khí động lực, Cơ điện tử và Kỹ thuật khuôn mẫu đang thực hiện đồ án môn học hoặc khóa luận tốt nghiệp về thiết kế khuôn ép nhựa nhiệt dẻo.
• Kỹ sư thiết kế và vận hành máy ép nhựa tại các cơ sở sản xuất vừa và nhỏ cần phương pháp luận tích hợp CAD/CAM/CAE vào quy trình chế tạo thực tế.
• Các phần có giá trị tham khảo cụ thể:
  • Phương pháp tính toán số lòng khuôn dựa trên các thông số giới hạn của máy ép công nghiệp (lực kẹp, năng suất phun, năng suất làm dẻo).
  • Quy trình mô phỏng quá trình ép phun trên Moldex3D Studio 2022 để kiểm soát áp suất, nhiệt độ và khuyết tật rỗ khí.
  • Hệ thống 23 phiếu công nghệ gia công chi tiết khuôn trên thép C50 với thông số dao cắt, bề mặt chuẩn và trình tự gia công rõ ràng.

Câu hỏi thường gặp

1. Tại sao nhóm tác giả lại lựa chọn vật liệu nhựa LDPE cho sản phẩm nắp đậy? Nhựa LDPE (Polyetylen tỷ trọng thấp) được lựa chọn do sở hữu các đặc tính phù hợp với chức năng bảo vệ đầu nối điện: trọng lượng nhẹ, độ dẻo dai cao, chịu va đập tốt, cách điện tốt, kháng nước ẩm và không bị ăn mòn bởi các dung môi hữu cơ hay môi trường axit, kiềm. Ngoài ra, LDPE có tính linh hoạt cao giúp dễ dàng tháo lắp trên các ren hoặc bề mặt trụ của đầu nối.

2. Căn cứ vào những thông số nào của máy ép Haitian MA 1200III để xác định số lòng khuôn là 4? Nhóm tác giả căn cứ vào: lực kẹp khuôn tối đa Fp = 1.200.000 N (120 tấn), áp suất trong khuôn P = 100 MPa, diện tích bề mặt trung bình của chi tiết theo hướng đóng khuôn S = 5128 mm², năng suất làm dẻo P = 1104 g/phút với tần số phun 5 lần/phút, và trọng lượng sản phẩm W = 6,8 g. Các công thức kỹ thuật cho ra số lòng khuôn từ 2 đến 32 lòng; tác giả chọn n = 4 (bố trí 2 chi tiết EC-44 và 2 chi tiết EC-48) để cân đối giữa kích thước phôi khuôn 250 x 300 mm và yêu cầu nghiên cứu thực nghiệm.

3. Điểm khác biệt mấu chốt giữa hai phương án tách khuôn được xem xét là gì và vì sao chọn phương án 2? Phương án 1 yêu cầu độ chính xác rất cao về độ đồng tâm giữa khuôn âm và khuôn dương, bề mặt sản phẩm sau khi ép có tính thẩm mỹ thấp, thời gian và chi phí gia công cao, khó lấy sản phẩm ra ngoài. Phương án 2 cho bề mặt sản phẩm thẩm mỹ hơn, giảm sai số hình học, thời gian gia công ngắn, chi phí thấp hơn và bảo trì thuận lợi hơn. Do đó, phương án 2 được chọn để thiết kế mặt phân khuôn.

4. Phần mềm Moldex3D Studio 2022 cung cấp những kết quả mô phỏng then chốt nào trước khi chế tạo khuôn? Phần mềm cung cấp: thời gian điền đầy lòng khuôn (Melt Front Time khoảng 1,x giây); trạng thái cân bằng dòng chảy trên kênh dẫn; áp suất điền đầy cực đại trong khuôn (đạt 99 MPa, nhỏ hơn giới hạn 120 MPa của máy ép); nhiệt độ cực đại của chi tiết (đạt 235 °C so với 230 °C ban đầu); hiệu quả làm nguội của hệ thống đường nước; và các vị trí có nguy cơ bẫy khí/rỗ khí để bố trí rãnh thoát khí trên mặt phân khuôn.

5. Kết cấu khuôn 3 tấm mang lại ưu thế kỹ thuật nào so với khuôn 2 tấm trong đồ án này? Khuôn 3 tấm có hai khoảng mở độc lập: một khoảng mở để lấy hệ thống kênh dẫn nhựa nguội và một khoảng mở để đẩy sản phẩm ra ngoài. Kết cấu này cho phép bố trí cổng vào nhựa dạng điểm (pin-point gate) trực tiếp ở tâm đỉnh nắp đậy, giúp phân bố dòng nhựa đồng đều khắp biên dạng trụ tròn và tự động tách rời kênh dẫn khỏi sản phẩm khi mở khuôn mà không cần bước cắt gọt thủ công sau khi ép.

Kết luận

Đồ án "Thiết kế, chế tạo khuôn ép nhựa cho sản phẩm nắp đậy" đã giải quyết trọn vẹn quy trình kỹ thuật từ mô hình hóa hình học 3D, phân tích động học dòng chảy CAE, thiết kế kết cấu khuôn 3 tấm đến lập quy trình công nghệ gia công chi tiết cơ khí trên thép C50. Bằng việc ứng dụng đồng bộ Creo Parametric 7.0, Moldex3D Studio 2022 và máy ép nhựa Haitian MA 1200III, nghiên cứu đã chế tạo thành công bộ khuôn 4 lòng khuôn đạt độ chính xác lắp ghép và ép ra sản phẩm nắp đậy LDPE đáp ứng yêu cầu kỹ thuật. Công trình là tài liệu tham khảo có giá trị thực tiễn cao cho đào tạo chuyên ngành Cơ khí Chế tạo máy và đóng góp trực tiếp vào việc kiểm tra, củng cố thông số vận hành cho hệ thống máy ép nhựa tại cơ sở đào tạo.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1 Bảng 1.1: Nội dung thực hiện Các nội dung thực hiện Kết quả cần đạt - Hiểu rõ nguyên lý ép phun, cơ cấu khuôn được sử dụng trong đề Tìm nguồn tài liệu tham khảo, nghiên cứu tài. về các loại khuôn và cấu tạo của khuôn - Hiểu rõ nguyên lý làm việc của các bộ phận trong cơ cấu hoạt động của khuôn. - Gia công các chi tiết khuôn đạt Gia công các chi tiết khuôn đúng yêu cầu kỹ thuật. - Mô hình được lắp thành công, Lắp ráp và hiệu chỉnh bộ khuôn đúng với bản vẽ thiết kế.

- Sản phẩm sau khi ép đạt đúng Thí nghiệm quá trình ép phun yêu cầu kỹ thuật đề ra. - Đánh giá sản phẩm phù hợp với đạt tiêu chí với sản phẩm đã thiết Đánh giá sản phẩm và cách bảo dưỡng kế. khuôn phù hợp - Cách khắc phục bảo dưỡng khuôn khi cần thiết với các vật liệu làm khuôn như đã thiết kế. Phạm vi nghiên cứu Nghiên cứu, tính toán thiết kế bộ khuôn dựa trên lý thuyết thiết kế khuôn ép nhựa và phạm vi ứng dụng trong các doanh nghiệp.

Phương pháp nghiên cứu 1. Cơ sở phương pháp luận Sử dụng các kiến thức cơ bản về thiết kế để tiến hành tính toán thiết kế kích thước, xây dựng được bản vẽ chế tạo các chi tiết của bộ khuôn phun ép nhựa. Các phương pháp nghiên cứu cụ thể - Tham khảo các mẫu sản phẩm nhựa trên thị trường và nhu cầu sử dụng, lên ý tưởng thiết kế hình dáng sản phẩm cho phù hợp với mục đích sử dụng. - Tham khảo tài liệu về khuôn mẫu và áp dụng các kiến thức đã được tích lũy trong quá trình học.

3 CHƯƠNG 1 - Sử dụng phần mềm Creo 7.0 để thiết kế sản phẩm, từ đó tiến hành các bước tiếp theo như tách khuôn, mô phỏng. - Lựa chọn vật liệu cho sản phẩm và vật liệu khuôn cho phù hợp. - Sử dụng phần mềm Moldex 3D Studio 2022 để mô phỏng quá trình ép phun. - Lập trình và gia công các chi tiết khuôn.

Kết cấu của ĐATN ĐATN bao gồm 6 chương: - Chương 1: Giới thiệu về tính cấp thiết, ý nghĩa, mục tiêu, phương pháp của đề tài. - Chương 2: Trình bày cơ sở lý thuyết về công nghệ ép phun, đặc điểm của vật liệu nhựa và kết cấu một bộ khuôn. - Chương 3: Thiết kế sản phẩm và ứng dụng, trợ giúp của CAE để giúp cho người thiết kế hình thành được tư duy phân tích thiết kế và tối ưu hóa thiết kế. - Chương 4: Nêu rõ quá trình tính toán và thiết kế khuôn ép nhựa 3 tấm.

- Chương 5: Trình bày tiến trình công nghệ gia công khuôn và ứng dụng phần mềm khi lập trình gia công khuôn. Kết quả là bộ khuôn theo đúng yêu cầu kỹ thuật của bản thiết kế và quá trình ép thử khuôn. - Chương 6: Nêu ra kết luận và kiến nghị đề tài. 4 CHƯƠNG 2 CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN ĐỀ TÀI VÀ CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.

Công nghệ ép phun nhựa Công nghệ ép phun là quá trình phun nhựa nóng chảy điền đầy vào lòng khuôn. Một khi nhựa được làm nguội và đông cứng lại trong lòng khuôn thì khuôn được mở ra và sản phẩm được đẩy ra khỏi khuôn nhờ hệ thống đẩy, trong quá trình này không có bất cứ một phản ứng hóa học nào.  Khả năng công nghệ: - Tạo ra được các sản phẩm có hình dáng phức tạp. - Trên cùng một sản phẩm hình dáng giữa mặt trong và mặt ngoài có thể khác nhau.

- Sản phẩm sau khi ép phun có màu sắc rất phong phú, độ nhẵn bóng bề mặt cao nên không cần gia công lại.