Đồ án: Quy trình Thiết kế và Chế tạo Khuôn ép phun nắp EC-19, EC-22, EC-25

Tài liệu trình bày chi tiết quy trình thiết kế và chế tạo khuôn ép phun cho sản phẩm nắp nhựa EC-19, EC-22, EC-25 ngành cơ khí chế tạo máy.

• Tác giả: Đặng Văn Hoàng
• Người hướng dẫn: ThS. Nguyễn Văn Sơn
• 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 phun sản phẩm nắp EC-19, EC-22, EC-25
• Loại tài liệu: Đồ án tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2024
• Địa điểm: Thành phố Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Giới thiệu về thiết kế khuôn ép phun nắp EC 19 EC 22 EC 25

Thiết kế khuôn ép phun là một quá trình kỹ thuật phức tạp và quan trọng trong ngành công nghệ chế tạo máy. Bài viết này tập trung vào thiết kế, chế tạo khuôn ép phun các sản phẩm nắp EC-19, EC-22, EC-25 theo tiêu chuẩn Caplugs. Đây là những sản phẩm nhựa có ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực công nghiệp. Quá trình ép phun nhựa đòi hỏi phải thiết kế khuôn với độ chính xác cao, đảm bảo chất lượng sản phẩm đạt tiêu chuẩn. Nghiên cứu này được thực hiện tại Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TPHCM, khoa Cơ khí Chế tạo máy, nhằm cung cấp những kiến thức thực tiễn về thiết kế khuôn ép phun cho các kỹ sư tương lai.

1.1. Định nghĩa và tầm quan trọng của khuôn ép phun

Khuôn ép phun là công cụ sản xuất thiết yếu giúp chế tạo các sản phẩm nhựa với hình dạng và kích thước chính xác. Thiết kế khuôn ép phun quyết định chất lượng, hiệu suất sản xuất và tuổi thọ của khuôn. Đối với sản phẩm nắp EC-19, EC-22, EC-25, việc thiết kế khuôn phải tính toán các yếu tố như: chia khuôn hợp lý, hệ thống lạnh, hệ thống phun, độ co ngót vật liệu. Khuôn được chế tạo từ thép công cụ có độ cứng cao, đảm bảo chịu được áp lực và nhiệt độ trong quá trình ép phun nhựa.

1.2. Các sản phẩm nắp EC 19 EC 22 EC 25

Nắp EC-19, EC-22, EC-25 là dòng sản phẩm Caplugs tiêu chuẩn quốc tế, được sử dụng để đóng nắp các chai, lọ hoặc container khác nhau. Mỗi loại nắp có kích thước và đặc tính riêng biệt phù hợp với các ứng dụng khác nhau. Quá trình thiết kế, chế tạo khuôn ép phun cho ba loại nắp này đòi hỏi phải hiểu rõ về vật liệu, công nghệ ép phun và các tiêu chuẩn kỹ thuật. Việc chế tạo khuôn chính xác sẽ giúp nâng cao chất lượng sản phẩm và tăng năng suất sản xuất.

II. Vật liệu và công nghệ ép phun nhựa

Công nghệ ép phun nhựa là phương pháp sản xuất hiệu quả để tạo ra các sản phẩm nhựa có hình dạng phức tạp. Trong quá trình thiết kế khuôn ép phun, cần phải lựa chọn vật liệu phù hợp cho cả khuôn ép phun và sản phẩm. Vật liệu chính cho thiết kế khuôn thường là thép công cụ chứa crôm và molybdê, có khả năng chịu nhiệt độ cao và áp lực lớn. Đối với sản phẩm nắp EC-19, EC-22, EC-25, vật liệu nhựa phổ biến là polypropylene (PP) hoặc polyethylene (PE) vì tính linh hoạt và độ bền cao. Ép phun nhựa thường diễn ra ở nhiệt độ 180-250°C với áp lực 50-150 MPa tùy vào loại vật liệu.

2.1. Lựa chọn vật liệu cho khuôn

Vật liệu chính để chế tạo khuôn ép phun là thép công cụ có hàm lượng carbon cao hoặc thép hợp kim. Những yêu cầu về vật liệu cho khuôn ép phun bao gồm: độ cứng cao, khả năng chịu mài mòn tốt, độ toughness phù hợp, khả năng dẫn nhiệt tốt. Thép H13 hoặc S7 thường được sử dụng vì tính chất cân bằng giữa cứng và dẻo. Việc lựa chọn vật liệu phù hợp sẽ ảnh hưởng trực tiếp đến tuổi thọ khuôn và chất lượng sản phẩm.

2.1. Quy trình ép phun và yếu tố ảnh hưởng

Ép phun nhựa là quá trình đưa vật liệu nhựa được nung chảy vào khuôn ép phun dưới áp lực cao. Các yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng sản phẩm bao gồm: nhiệt độ nung, áp lực ép, thời gian giữ áp lực, thời gian làm lạnh. Thiết kế khuôn phải xem xét các yếu tố này để tối ưu hóa quy trình sản xuất. Hệ thống lạnh khuôn cần được thiết kế để làm lạnh nhanh sản phẩm, giảm thời gian chu kỳ sản xuất.

III. Thiết kế chi tiết khuôn ép phun

Thiết kế khuôn ép phun chi tiết bao gồm nhiều khía cạnh kỹ thuật phức tạp. Trước tiên, cần xác định chia khuôn (parting line) hợp lý để đảm bảo sản phẩm có thể tách ra dễ dàng. Thiết kế khuôn cho nắp EC-19, EC-22, EC-25 phải tính toán độ chính xác cao cho các kích thước, góc độ và bề mặt. Hệ thống phun (gating system) là phần quan trọng trong thiết kế khuôn ép phun, giúp điều chỉnh dòng chảy vật liệu nhựa vào khuôn. Cần phải thiết kế các đường ống nước lạnh để tối ưu hóa quá trình làm lạnh sản phẩm. Thiết kế khuôn cũng phải xem xét hệ thống lấy sản phẩm (ejection system) để tách sản phẩm khỏi khuôn mà không hư hại.

3.1. Chia khuôn và hình dạng cavity

Chia khuôn (parting line) là vị trí phân chia giữa hai nửa khuôn ép phun, ảnh hưởng lớn đến chất lượng sản phẩm. Thiết kế khuôn phải chọn chia khuôn sao cho sản phẩm không có vết lõm hay biến dạng. Hình dạng cavity (phòng chứa nhựa trong khuôn) phải khớp chính xác với hình dạng sản phẩm mong muốn. Đối với nắp EC-19, EC-22, EC-25, thiết kế khuôn cần tính đến đặc tính của từng size nắp. Độ chính xác trong thiết kế cavity quyết định độ thẩm mỹ và chức năng của sản phẩm.

3.2. Hệ thống phun và lạnh

Hệ thống phun (gating system) trong thiết kế khuôn ép phun điều khiển lượng và tốc độ nhựa chảy vào khuôn. Các loại cổng phun phổ biến bao gồm: side gate, pin gate, submarine gate. Thiết kế phải lựa chọn cổng phun phù hợp với hình dạng sản phẩm. Hệ thống lạnh gồm các ống nước được bố trí strategically trong khuôn để làm lạnh sản phẩm đều đặn. Thiết kế hệ thống lạnh tốt giúp giảm thời gian chu kỳ sản xuất và cải thiện chất lượng sản phẩm nắp EC.

IV. Chế tạo khuôn và kiểm tra chất lượng

Chế tạo khuôn ép phun là giai đoạn thực hiện thiết kế thành sản phẩm thực tế. Quy trình chế tạo khuôn bao gồm: gia công CNC, EDM (xử lý điện), mài, đánh bóng, và lắp ráp. Các bộ phận khuôn phải được gia công với độ chính xác cao, thường ở mức micron. Sau khi chế tạo khuôn hoàn tất, cần tiến hành kiểm tra chất lượng toàn diện. Thiết kế, chế tạo khuôn thành công đòi hỏi sự phối hợp giữa kỹ sư thiết kế và công nhân gia công. Giai đoạn ép thử và điều chỉnh thông số ép phun là rất quan trọng để tối ưu hóa sản xuất nắp EC-19, EC-22, EC-25. Kiểm tra và sửa chữa khuôn định kỳ giúp duy trì chất lượng sản phẩm lâu dài.

4.1. Quy trình gia công và lắp ráp khuôn

Chế tạo khuôn ép phun bắt đầu bằng gia công các bộ phận từ vật liệu thô. Sử dụng máy CNC để gia công các phần chính của khuôn với độ chính xác cao. EDM (Electrical Discharge Machining) được sử dụng cho các phần phức tạp và có góc sắc. Sau gia công, các bộ phận cần được mài mịn, đánh bóng để đảm bảo bề mặt khuôn trơn tru. Lắp ráp khuôn đòi hỏi kỹ thuật cao, đảm bảo các bộ phận khít khao. Kiểm tra từng bước trong quá trình chế tạo khuôn rất cần thiết để phát hiện sai sót sớm.

4.2. Kiểm tra điều chỉnh và bảo trì khuôn

Sau khi chế tạo khuôn ép phun hoàn tất, cần kiểm tra kích thước, độ thẳng, độ song song của các bộ phận. Ép thử sản phẩm nắp EC-19, EC-22, EC-25 để kiểm tra chất lượng và điều chỉnh thông số ép phun như nhiệt độ, áp lực, thời gian. Các sản phẩm lỗi cần được phân tích và cải thiện thiết kế khuôn hoặc thông số ép phun. Bảo trì định kỳ khuôn bao gồm làm sạch, kiểm tra mài mòn, bôi trơn. Đánh giá hiệu suất khuôn giúp xác định thời điểm tu sửa hoặc thay thế.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1: Giới thiệu tổng quan về đề tài. − Chương 2: Cơ sở lý thuyết. − Chương 3: Thiết kế sản phẩm. − Chương 4: Tính toán, thiết kế khuôn ép sản phẩm.

− Chương 5: Lập quy trình công nghệ gia công khuôn. − Chương 6: Ép thử. − Chương 7: Kết luận – Kiến nghị.1 Tổng quan về khuôn và công nghệ phun ép 2.1 Khái niệm về khuôn Khuôn là dụng cụ (thiết bị) dùng để tạo hình sản phẩm theo phương pháp định hình, khuôn được thiết kế và chế tạo để sử dụng cho một số lượng chu trình nào đó, có thể là một lần và cũng có thể là nhiều lần. Kết cấu và kích thước của khuôn được thiết kế và chế tạo phụ thuộc vào hình dáng, kích thước, chất lượng và số lượng của sản phẩm cần tạo ra.

Ngoài ra, còn có rất nhiều vấn đề khác cần phải quan tâm đến như các thông số công nghệ của sản phẩm (góc nghiêng, nhiệt độ khuôn, áp suất gia công,…), tính chất vật liệu gia công (độ co rút, tính đàn hồi, độ cứng,…), các chỉ tiêu về tính kinh tế của bộ khuôn. Khuôn sản xuất sản phẩm nhựa là một cụm gồm nhiều chi tiết lắp ghép với nhau, được chia ra làm hai phần khuôn chính là: − Phần lòng khuôn (phần khuôn cái, phần khuôn cố định): được gá trên tấm cố định của máy ép nhựa. − Phần core (phần khuôn đực, phần khuôn di động): được gá trên tấm di động của máy ép nhựa. Ngoài ra, khoảng trống giữa lòng khuôn và core (phần tạo sản phẩm) được điền đầy bởi nhựa nóng chảy.

Sau đó, nhựa được làm nguội, đông đặc lại rồi lấy ra khỏi khuôn bằng hệ thống lấy sản phẩm hoặc thao tác bằng tay. Sản phẩm thu được có hình dạng của lòng khuôn. Trong một bộ khuôn phần lõm vào sẽ xác định hình dạng bên ngoài của sản phẩm được gọi là lòng khuôn (hay còn gọi là khuôn âm, khuôn cái, cối, cavity), còn phần lồi ra sẽ xác định hình dạng bên trong của sản phẩm được gọi là lõi (hay còn gọi là khuôn dương, khuôn đực, chày, core) một bộ khuôn có thể có một hoặc nhiều lòng khuôn và lõi. Phần tiếp xúc giữa lòng khuôn và lõi được gọi là mặt phân khuôn.2 Giới thiệu công nghệ phun ép nhựa Hiểu một cách đơn giản nhất, thì công nghệ ép phun là quá trình dòng nhựa nóng chảy điền đầy vào lòng khuôn.

Sản phẩm sẽ được lấy ra ngoài nhờ hệ thống tháo khuôn và hệ thống đẩy sẽ giúp đẩy sản phẩm ra ngoài sau quá trình làm nguội sản phẩm của máy.3 Khả năng của công nghệ phun ép nhựa Tạo ra những sản phẩm có hình dạng phức tạp. Có sự khác nhau giữa hình dạng bên trong và bên ngoài của sản phẩm. Có khả năng tự động hóa cao. 3 Sau ép phun sản phẩm có độ bóng cao và không cần gia công lại.

Có thể tạo ra nhiều sản phẩm với màu sắc khác nhau.4 Trình tự thiết kế khuôn Thiết kế sản phẩm và Nhu cầu thực tế Tính số lòng khuôn Chọn loại khuôn nhập hệ số co rút Thiết kế hệ thống đẩy Thiết kế hệ thống làm Thiết kế hệ thống kênh Bố trí lòng khuôn sản phẩm nguội dẫn Thiết kế hệ thống dẫn Thiết kế hệ thống thoát Yêu cầu kỹ thuật của hướng, định vị và các Chọn vật liệu làm khuôn khí các tấm khuôn chi tiết tiêu chuẩn Hoàn chỉnh thiết kế Hình 2. Trình tự thiết kế khuôn 2.2 Yêu cầu kĩ thuật đối với chi tiết khuôn ép nhựa Khuôn ép nhựa đòi hỏi rất nhiều yêu cầu và tập trung chủ yếu vào các yêu cầu sau: độ chính xác về hình dạng, kích thước, độ cứng, độ nhẵn bóng của các bề mặt chi tiết trong khuôn.1 Độ chính xác về hình dạng Nâng cao độ chính xác về hình dáng là nhằm đảm bảo sản phẩm được sản xuất ra có chất lượng cao, không cong vênh, có mỹ thuật theo yêu cầu của người thiết kế sản phẩm, đáp ứng yêu cầu của người tiêu dùng. Độ chính xác về hình dáng còn góp phần vào quá trình nâng cao năng suất sản xuất sản phẩm (như khuôn có góc nghiêng chính xác, bề mặt đạt độ nhám theo thiết kế thì sản phẩm sẽ đạt chất lượng cao và nhựa dễ dàng chảy vào cũng như dễ lấy ra khỏi khuôn,…) đồng thời cũng nâng cao tuổi thọ của khuôn.2 Độ chính xác về kích thước Đối với những khuôn nhựa kỹ thuật cao, thì độ chính xác về mặt kích thước rất quan trọng. Thông thường các sản phẩm nhựa này được lắp với nhau hoặc lắp với các phần khác, do đó các chi tiết khuôn ở phần tạo hình cho việc lắp ráp này cần được chế tạo rất chính xác.

Độ chính xác cao của chi tiết sẽ làm cho các phần khuôn lắp với nhau một cách dễ dàng, các phần sẽ nằm đúng vị trí, việc định vị hai phần khuôn với nhau được thực hiện một cách chính xác và hoàn hảo, các mặt phân khuôn ăn khớp với nhau, sản phẩm nhựa được tạo ra sẽ không bị bavia cũng như không bị biến dạng do độ dày mỏng khác nhau của sản phẩm (do khoảng tạo hình giữa chày và cối không đều) gây ra.3 Độ cứng của những chi tiết trong khuôn Độ cứng của các chi tiết trong khuôn có liên quan chặt chẽ đến các yếu tố khác như khả năng chống mài mòn, khả năng chịu lực ép, không bị biến dạng,… Khả năng chống mài mòn: mức độ chống mài mòn của khuôn tùy thuộc vào loại nhựa dùng để ép, chế độ làm việc lâu dài của khuôn. Để nâng cao khả năng chống mài mòn của khuôn thì bề mặt cần nhiệt luyện, thấm nitơ, cacbon, hay mạ crôm,… Khả năng chịu lực ép không bị biến dạng: trong suốt quá trình làm việc, khuôn nhựa luôn bị lực ép (lực kẹp khuôn, áp lực phun) dồn vào những bề mặt của bộ phận khuôn, do đó kết cấu khuôn phải đủ bền để tránh gây biến dạng làm hư khuôn. Ngoài ra, độ cứng cũng góp phần làm cho chi tiết dễ đánh bóng, chống hoen rỉ khi làm việc trong môi trường ẩm ướt.4 Độ bóng Chỉ tiêu về độ bóng đối với các chi tiết tạo hình sản phẩm (phần chày, phần cối, các miếng ghép,…). Để sản phẩm trong suốt, bằng phẳng thì độ bóng của chi tiết phải như tấm gương (độ nhám bề mặt < 0.

Độ bóng đạt được do thành phần Crôm, độ tinh khiết cũng như độ cứng cần thiết của vật liệu làm khuôn. Do vậy, khi chọn vật liệu để chế tạo các chi tiết tạo hình, phải quan tâm nhiều đến thành phần Crôm, khả năng đạt độ cứng đến mức cần thiết và độ biến dạng ít sau khi nhiệt luyện.3 Chu kì ép Gồm 4 giai đoạn: − Giai đoạn kẹp ( Clamping phase ): khuôn được đóng lại. − Giai đoạn phun ( Injection phase ): nhựa được điền đầy lòng khuôn. − Giai đoạn làm nguội ( Cooling phase ): nhựa được đông lại trong lòng khuôn.

− Giai đoạn đẩy ( Ejector phase ): đẩy sản phẩm ra khỏi lòng khuôn.4 Một số vật liệu nhựa dùng trong công nghệ ép phun Mỗi một sản phẩm hay một chu trình ép phun đều có những tinh chất đặc trưng và yêu cầu kỹ thuật khác nhau, vi dụ: độ dẻo, độ bóng bề mặt, màu sắc, độ cứng,…. Vì vậy cần chọn loại vật liệu nhựa thich hợp để tránh những sai hỏng trong quá trình ép cũng như đảm bảo được yêu cầu về cơ tinh cũng như thẩm mỹ của sản phẩm. Nhựa nhiệt dẻo: là loại nhựa chảy mềm thành chất lỏng dưới tác dụng của nhiệt độ cao và đóng rắn lại khi làm nguội. Nhựa nhiệt dẻo gồm nhiều chuỗi phân tử liên kết với nhau bằng các liên kết Van der Waals yếu, liên kết hydro, tương tác giữa các nhóm phân cực và cả sự xếp chồng của các vòng thơm.

Một số loại nhựa nhiệt dẻo hay sử dụng: nhựa PP, nhựa PVC, nhựa ABS, nhựa PE,… 2.5 Vật liệu nhựa dùng trong sản phẩm Vật liệu nhựa được sử dụng để ép sản phẩm là nhựa PE.Nhựa PE có màu trắng trong, hơi có ánh mờ, bề mặt bóng láng và tính mềm dẻo nhất định. Tùy vào nhu cầu và ứng dụng mà hạt nhựa sẽ được thêm màu khác nhau, với tính chất chống dẫn điện, chống thấm nước. Loại nguyên liệu này chống thấm nước và hơi nước rất tốt. Tuy nhiên khả năng chống thấm khí O2, CO2, N2 và dầu mỡ thì lại kém.

Tuy nhựa PE có nhiệt độ nóng chảy cao (chịu được nhiệt dưới 230°C) nhưng chỉ trong thời gian ngắn. Hạt nhựa PE không dẫn điện và cũng không dẫn nhiệt. Nó dễ bị căng phồng và hư hỏng khi tiếp xúc với tinh dầu thơm hoặc các chất tẩy. Trong các loại hạt nhựa nguyên sinh thì nhựa PE được đánh giá là nguyên liệu nhựa an toàn.

Nhựa PE được sản xuất đúng tiêu chuẩn hoàn toàn không độc hại. Ưu điểm nhựa PE: Khả năng tự phục hồi nhanh chóng, chống chịu va đập cao, chịu nhiệt độ cao trong các điều kiện thời tiết khắc nghiệt. Cụ thể, nhiệt độ sử dụng tối đa liên tục là khoảng từ 60 - 85℃. Khả năng kháng hóa chất của nhựa PE tốt đối với nhiều loại axit, kiềm, dầu mỡ.

Khả năng chống thấm cao, cách điện tốt, hàn nhiệt tốt. Độ nhớt của nhựa dễ thay đổi theo nhiệt độ nên rất dễ gia công. Giá rẻ hơn so với nhiều loại nhựa khác. 6 Nhựa PE được chia thành nhiều nhóm nhưng trong đó có hai loại phổ biến nhất là LDPE (nhựa PE mật độ thấp) và HDPE (nhựa PE mật độ cao).

Cả hai loại LDPE và HDPE này đều có chung tính chất của nhựa PE chỉ khác nhau về mật độ phân tử. Tức là, trên cùng 1 đơn vị thể tích thì khối lượng phân tử của HDPE lớn hơn khối lượng phân tử của LDPE, đo đó lực liên kết giữa các phân tử của LDPE thấp hơn làm cho ống LDPE dẻo hơn. Ứng dụng: Do các tính chất và những ưu điểm vượt trội trên, nhựa PE được dùng bọc dây điện, bọc hàng, làm màng mỏng che mưa, chai lọ, chế tạo thiết bị trong ngành sản xuất hóa học. Nhựa PE với đặc tính độ bền vật liệu vượt trội dần được ứng dụng nhiều trong cấp thoát nước, ống chịu nhiệt và hóa chất.THIẾT KẾ SẢN PHẨM 3.1 Thiết kế sản phẩm 3.1 Yêu cầu về thiết kế Người thiết kế sản phẩm phải có kiến thức về thiết kế sản phẩm sản xuất bằng công nghệ ép phun, bởi vì nó có thể tạo ra các vấn đề trong quá trình ép phun, đồng thời cũng phải biết các tính chất của vật liệu nhựa nhiệt dẻo, quy trình ép phun nói chung, thiết kế khuôn và chất lượng chế tạo khuôn và thiết kế sản phẩm cần thiết để sản xuất sản phẩm ép phun nhựa nhiệt dẻo theo nhu cầu khách hàng.