Đồ án tốt nghiệp: Thiết kế và chế tạo khuôn phun ép sản phẩm 'Tay cầm ly'

Quy trình toàn diện thiết kế và chế tạo khuôn phun ép nhựa cho tay cầm ly. Gồm phân tích, mô phỏng 3D, gia công và ép thử nghiệm sản phẩm.

• Tác giả: Pham Thanh Phong
• Người hướng dẫn: TS. Nguyen Van Thuc
• Trường học: Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Công nghệ Kỹ thuật Cơ khí
• Đề tài: Thiết Kế Và Chế Tạo Khuôn Phun Ép Sản Phẩm “Tay Cầm Ly”
• Loại tài liệu: Đồ án tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2024
• Địa điểm: Thành phố Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Tổng quan về thiết kế khuôn phun ép tay cầm ly

Thiết kế khuôn phun ép là một quy trình kỹ thuật phức tạp nhằm tạo ra các sản phẩm nhựa chất lượng cao. Trong ngành công nghiệp sản xuất, khuôn phun ép tay cầm ly đóng vai trò quan trọng trong việc cung cấp các sản phẩm tiêu dùng hàng ngày. Đồ án tốt nghiệp này tập trung vào việc thiết kế và chế tạo khuôn phun ép với độ chính xác cao, đảm bảo tính thẩm mỹ và độ bền của sản phẩm. Quá trình này yêu cầu sự kết hợp giữa kiến thức về vật liệu nhựa, gia công kim loại, và các công nghệ mô phỏng CAD hiện đại. Mục tiêu chính là tối ưu hóa thiết kế để đạt hiệu suất sản xuất cao nhất với chi phí thấp nhất.

1.1. Khái niệm về khuôn phun ép nhựa

Khuôn phun ép nhựa là công cụ chuyên dụng được sử dụng để phun ép các sản phẩm từ nguyên liệu nhựa. Khuôn này bao gồm các bộ phận chính như môi phân khuôn, hệ thống làm mát, và các chi tiết chứa hình dạng sản phẩm. Thiết kế tối ưu đảm bảo sản phẩm có chất lượng đồng đều, giảm khiếm khuyết, và kéo dài tuổi thọ của khuôn.

1.2. Ứng dụng của tay cầm ly trong công nghiệp

Tay cầm ly là sản phẩm tiêu dùng phổ biến được sử dụng hàng ngày. Việc chế tạo khuôn phun ép cho sản phẩm này yêu cầu độ chính xác cao để đảm bảo an toàn cho người dùng. Sản phẩm cần đạt các tiêu chuẩn kỹ thuật về độ bền, ergonomic, và tính thẩm mỹ.

II. Quá trình thiết kế 3D và mô phỏng khuôn phun ép

Giai đoạn thiết kế 3D là nền tảng quan trọng cho toàn bộ dự án. Sử dụng các phần mềm CAD chuyên nghiệp, đội ngũ sinh viên đã xây dựng mô hình 3D chi tiết của sản phẩm tay cầm ly với các thông số kỹ thuật chính xác. Mô phỏng Moldex3D được áp dụng để phân tích quá trình phun ép, dự đoán các khiếm khuyết có thể xảy ra như nấm, co rút, hay bọt khí. Công nghệ mô phỏng CAD giúp tối ưu hóa các yếu tố như nhiệt độ, áp suất, và thời gian phun ép. Kết quả mô phỏng hỗ trợ việc chế tạo khuôn đạt hiệu quả cao từ lần thử nghiệm đầu tiên, giảm chi phí sản xuất và thời gian phát triển sản phẩm.

2.1. Thiết kế mô hình 3D sản phẩm

Mô hình 3D tay cầm ly được thiết kế dựa trên mẫu ban đầu với các kích thước chính xác. Quá trình này bao gồm tách mặt phân khuôn, xác định đường chia khuôn, và thiết kế các kênh dẫn vào. Phần mềm CAD cho phép điều chỉnh các chi tiết nhỏ để đảm bảo chất lượng sản phẩm cuối cùng.

2.2. Ứng dụng Moldex3D trong tối ưu hóa

Mô phỏng Moldex3D phân tích dòng chảy vật liệu, phân bố nhiệt, và áp lực trong khuôn. Kết quả này giúp tối ưu hóa thiết kế khuôn, điều chỉnh các thông số phun ép để đạt hiệu suất tối cao với chất lượng sản phẩm tốt nhất.

III. Chế tạo khuôn phun ép và kiểm tra bền

Sau khi hoàn thành thiết kế, giai đoạn chế tạo khuôn phun ép được thực hiện bằng các kỹ thuật gia công kim loại tiên tiến. Các chi tiết khuôn được gia công từ thép có độ cứng cao, đảm bảo chịu được áp lực và nhiệt độ cao trong quá trình phun ép. Kiểm tra bền khuôn được thực hiện trên phần mềm để dự báo độ bền của khuôn dưới các điều kiện làm việc thực tế. Việc tối ưu hóa thiết kế khuôn bao gồm tính toán ứng suất, biến dạng, và tuổi thọ của các bộ phận chính. Khuôn được gia công với độ chính xác ±0.01mm để đảm bảo độ đúng hình dáng của sản phẩm. Sau khi gia công xong, khuôn được kiểm tra, hiệu chỉnh, và chuẩn bị sẵn sàng cho giai đoạn ép thử nghiệm.

3.1. Quy trình gia công kim loại khuôn

Gia công kim loại sử dụng các máy CNC hiện đại để tạo ra các bộ phận khuôn phun ép với độ chính xác cao. Quá trình bao gồm phay, bào, và tiện các chi tiết cứng. Các tính toán gia công được tối ưu hóa để giảm thời gian sản xuất và chi phí.

3.2. Kiểm tra bền và độ chính xác khuôn

Kiểm tra bền khuôn sử dụng phần mềm phân tích phần tử hữu hạn (FEA) để đánh giá độ bền dưới tải trọng hoạt động. Kiểm tra độ chính xCache hình học khuôn được thực hiện bằng các dụng cụ đo lường chính xác để đảm bảo sản phẩm cuối cùng đạt tiêu chuẩn.

IV. Ép thử nghiệm và đánh giá sản phẩm

Giai đoạn cuối cùng của đồ án là ép thử nghiệm sản phẩm tay cầm ly trên máy phun ép đúc. Quá trình này kiểm chứng độ chính xác của thiết kế khuôn phun ép và hiệu quả của các lựa chọn thiết kế. Sản phẩm được ép với 3 màu sắc khác nhau, cho phép đánh giá tính nhất quán về chất lượng. Các chỉ tiêu được đánh giá bao gồm: độ đúng kích thước, độ bền cơ học, tính thẩm mỹ bề mặt, và khiếm khuyết. Kết quả ép thử nghiệm cho thấy tay cầm ly được sản xuất với chất lượng cao, không có khuyết tật lớn. Nhóm sinh viên đã tổng hợp tất cả kết quả vào báo cáo thuyết minh chi tiết, cùng với bộ bản vẽ 2D đầy đủ của khuôn phun ép tối ưu.

4.1. Quy trình ép phun thử nghiệm

Ép phun mô hình được thực hiện trên máy phun ép công nghiệp với các thông số tối ưu. Quá trình bao gồm nấu chảy nguyên liệu nhựa, đưa vào khuôn dưới áp suất cao, làm mát, và tách sản phẩm. Các tham số như nhiệt độ, áp suất, và thời gian được điều chỉnh để đạt kết quả tối tốt.

4.2. Đánh giá chất lượng sản phẩm tay cầm ly

Sản phẩm tay cầm ly được kiểm tra chi tiết về kích thước, độ bền, và tính thẩm mỹ. Đánh giá bao gồm kiểm tra khuyết tật, độ bề mặt, cân bằng sức nặng, và khả năng sử dụng thực tế. Kết quả tích cực chứng minh thiết kế khuôn phun ép tối ưu đã đạt mục tiêu dự định.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU .1 Tính cấp thiết của đề tài.1 Ý nghĩa khoa học .2 Ý nghĩa thực tiễn .2 Mục tiêu nghiên cứu của đề tài .3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu .4 Phương pháp nghiên cứu .5 Kết cấu của Đồ Án Tốt Nghiệp. 3 CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU ĐỀ TÀI.2 Cơ sở thiết kế .1 Cơ sở thiết kế sản phẩm.2 Cơ sở thiết kế khuôn. 5 CHƯƠNG 3: CƠ SỞ LÝ THUYẾT .1 Công nghệ ép phun .2 Khuôn ép nhựa .1 Kết cấu của bộ khuôn ép nhựa.2 Phân loại khuôn ép phun.3 Hệ thống cấp nhựa nguội .4 Vật liệu nhựa.5 Tổng quan về CAE trong thiết kế khuôn ép nhựa .1 Giới thiệu về CAE .2 Lợi ích của việc ứng dụng CAE trong việc thiết kế khuôn. 14 CHƯƠNG 4: PHƯƠNG HƯỚNG VÀ CÁC GIẢI PHÁP VỀ THIẾT KẾ SẢN PHẨM .1 Yêu cầu của đề tài.2 Phương hướng và giải pháp thực hiện .3 Lựa chọn phương án .4 Trình tự công việc tiến hành.

18 CHƯƠNG 5: TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ SẢN PHẨM, THIẾT KẾ KHUÔN .1 Thiết kế hình dáng 3D của sản phẩm.1 Thiết kế 3D của sản phẩm.2 Thiết kế phần Logo của sản phẩm.2 Tính khối lượng và phân tích góc thoát khuôn.1 Khối lượng, thể tích của sản phẩm .2 Tính toán góc thoát khuôn của sản phẩm .3 Kiểm tra bề dày sản phẩm.2 Ý nghĩa của việc kiểm tra bề dày sản phẩm .4 Hệ số co rút của sản phẩm .2 Áp dụng hệ số co rút vào sản phẩm.5 Tính số lòng khuôn .1 Tính số lòng khuôn tính theo năng suất phun của máy .2 Tính số lòng khuôn theo công suất làm dẻo của máy .3 Tính Số lòng khuôn theo lực kẹp khuôn của máy .6 Kênh dẫn nhựa .1 Tính toán cuống phun.4 Đuôi nguội chậm .7 Hệ thống làm nguội.1 Vai trò của hệ thống làm nguội.2 Thiết kế kênh làm nguội .8 Phân tích CAE.1 Vị trí cổng phun nhựa.2 Kết quả phân tích .9 Thiết kế lòng khuôn .1 Tách mặt phân khuôn .2 Thiết kế insert cho khuôn dương .10 Thiết kế vỏ khuôn .1 Xác định kích thước khuôn dương.2 Xác định kích thước khuôn âm .3 Thiết kế vỏ khuôn theo tiêu chuẩn Futaba .11 Hệ thống đẩy .1 Khái niệm hệ thống đẩy .2 Tính toán chốt đẩy.3 Chốt giật đuôi keo .5 Tính toán lò xo.12 Hệ thống thoát khí .1 Khái niệm hệ thống thoát khí .2 Các kiểu thoát khí .3 Thiết kế rãnh thoát khí .13 Tính toán thiết kế các chi tiết tiêu chuẩn .1 Bạc dẫn hướng .2 Chốt dẫn hướng.14 Bộ khuôn hoàn thiện sau khi thiết kế. 66 CHƯƠNG 6: CHẾ TẠO, ÉP THỬ VÀ ĐÁNH GIẢ SẢN PHẨM .1 Gia công khuôn .1 Chọn vật liệu làm khuôn và máy gia công .2 Gia công tấm kẹp dưới .3 Gia công tấm kẹp trên .4 Gia công gối đỡ .5 Gia công tấm đẩy .6 Gia công tấm giữ .7 Gia công lòng khuôn âm .8 Gia công lòng khuôn dương .9 Gia công insert khuôn dương .2 Quá trình làm nguội .3 Đánh bóng bộ khuôn .5 Bộ khuôn hoàn chỉnh. 98 CHƯƠNG 7: KẾT LUẬN .1 Kết luận chung .2 Hướng phát triển. 103 TÀI LIỆU THAM KHẢO.

II PHỤ LỤC 3. III xvi DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 3.1: Độ co rút của một số loại nhựa .1: Nội dung cần thực hiện .1: Độ co rút của một số loại nhựa .2: Kích thước kênh làm nguội cho thiết kế .3: Tóm tắt kích thước vỏ khuôn .4: Kích thước chốt đẩy chuẩn Misumi .5: Kích thước chốt hồi chuẩn Misumi .6: Tiêu chuẩn lò xo MISUMI loại SWF .7: Bảng chiều sâu vị trí rãnh dẫn một số loại nhựa .1: Thông số chỉ số cấp bền của thép C45.2: Các linh kiện cần gia công CNC .3: Nguyên công 1 gia công tấm kẹp di động .4: Nguyên công 2 gia công tấm kẹp cố định .5: Nguyên công 3 gia công gối đỡ .6: Nguyên công 4 gia công tấm đẩy .7: Nguyên công 5 gia công tấm giữ .8: Nguyên công 6 gia công mặt 1 lòng khuôn âm .9: Nguyên công 7 gia công mặt bên lòng khuôn âm .10: Nguyên công 8 gia công mặt 2 lòng khuôn âm .11: Nguyên công 9 gia công mặt 1 lòng khuôn dương.12: Nguyên công 10 gia công mặt bên lòng khuôn dương .13: Nguyên công 11 gia công mặt 2 lòng khuôn dương .14: Nguyên công 12 gia công mặt 1 insert khuôn dương .15: Nguyên công 13 gia công mặt 2 insert khuôn dương .16: Thông số của nhựa Polyflam RABS 90000 UV5.17: Thông số lấy nhựa.18: Thông số phun nhựa.19: Thông số nhiệt độ. 94 xvii DANH MỤC SƠ ĐỒ, HÌNH VẼ Hình 2.1: Bộ ấm trà với tay cầm ly bằng nhựa độc đáo .1: Công nghệ ép phun.2: Quá trình đóng khuôn .3: Quá trình điền đầy nhựa .4: Quá trình làm mát .5: Quá trình mở khuôn, lói sản phẩm .6: Kết cấu cơ bản của một bộ khuôn .7: Kết cấu bộ khuôn hai tấm .8: Kết cấu bộ khuôn ba tấm .9: Hệ thống cấp nhựa nguội cơ bản.1: Quy trình thiết kế khuôn có CAE [1] .1: Hình dạng tổng quan của sản phẩm .2: Tạo file thiết kế trong NX 12 .3: Vẽ phác thảo biên dạng ngoài của ly .4: Biên dạng phần tay cầm .5: Kích thước của đế tay cầm .6: Gân tăng cứng .7: Dùng lệnh Edge Blend với R = 0.5 bo quanh sản phẩm .8: Lấy biên dạng cần thiết kế logo .9: Đường góc độ tham chiếu.10: Trải phẳng tấm .12: Giá trị khối lượng và thể tích của sản phẩm .13: Biểu đồ góc thoát khuôn .14: Góc thoát khuôn của sản phẩm .15: Vị trí cần kiểm tra góc thoát khuôn .16: Mô phỏng độ dày của sản phẩm.17: Các khuyết tật do bề dày gây nên .18: Sản phẩm bị lỗ khí khi thành sản phẩm quá dày .19: Sản phẩm bị cong vênh.20: Tỷ lệ co rút của sản phẩm .21: Khối lượng của sản phẩm “Tay cầm ly” .22: Diện tích của sản phẩm theo hướng đóng khuôn .24: Các kích thước tiêu chuẩn của bạc cuống phun Misumi .25: Một số loại kênh dẫn .26: Kênh dẫn hình thang hiệu chỉnh .27: Miệng phun kiểu cạnh .28: Kích thước miệng phun .29: Đuôi nguội chậm lý thuyết .30: Đuôi nguội chậm thiết kế.31: Biểu đồ tỉ trọng thời gian trong một chu kỳ ép phun .32: Kênh làm nguội .33: Bề dày lớn nhất và nhỏ nhất của sản phẩm .34: Đầu nối nhanh .35: Import sản phẩm .36: Sản phẩm cần mô phỏng .37: Kích thước cuống phun .38: Kích thước đuôi nguội chậm.39: Kích thước kênh dẫn nhựa .40: Kích thước cổng vào nhựa .41: Chọn hướng mở khuôn cho sản phẩm .42: Chọn các thông số chia lưới cho sản phẩm .43: Kết quả sản phẩm được chia lưới.44: Thông số thử nghiệm .45: Kết quả điền đầy của sản phẩm khi thời gian phun là 2(s).46: Nhiệt độ bề mặt của chi tiết .47: Áp suất lớn nhất của sản phẩm sau quá trình phân tích .48: Các bẫy khí xuất hiện ở cuối dòng chảy.49: Vị trí xuất hiện đường hàn ở cuối dòng chảy .50: Góc độ giao nhau của 2 dòng chảy nhựa .51: Nhiệt độ giao nhau của 2 dòng chảy nhựa.52: Áp suất cuống phun .53: Áp suất của quá trình Packing .54: Kết quả Molten Core quá trình Packing .55: Lực kẹp khuôn cần thiết .56: Nhiệt độ cuối quá trình làm mát.57: Thời gian cần thiết để đạt nhiệt độ tách khuôn .58: Hiệu quả làm nguội của hệ thống làm nguội .59: Độ chuyển vị của sản phẩm .61: Import file cần tách khuôn .62: Chọn biên dạng lớn nhất của sản phẩm theo hướng mở khuôn.63: Mặt phân khuôn của sản phẩm.65: Tách thành 2 nửa khuôn .67: Cung bo mặt đáy sản phẩm .68: Khuôn dương sau khi tách insert.69: Tạo phần định vị cho insert.70: Lỗ gắn bạc cuống phun và 2 bulong M6 trên insert.71: Lỗ gắn bạc cuống phun và 2 bulong M6 trên khuôn .72: Mặt cắt hiển thị giữa khuôn dương và insert .73: Kích thước chiều dài và chiều rộng của khuôn sau khi tách .74: Kích thước chiều dài và chiều rộng của khuôn dương.75: Khoảng cách từ mặt đáy sản phẩm đến mặt đáy của khuôn dương .76: Khoảng cách từ hệ thống làm mát đến bề mặt sản phẩm .77: Khoảng cách từ mặt đáy khuôn âm đến mặt đáy sản phẩm .78: Khoảng cách từ mặt phân khuôn đến mặt đáy sản phẩm .79: Khoảng cách từ đường làm mát đến mặt đáy của sản phẩm .80: Các loại vỏ khuôn theo chuẩn Futaba .81: Tiêu chuẩn vỏ khuôn Futaba SC .82: Chiều cao gối đỡ.83: Khoảng cách để lấy sản phẩm.84: Chốt đẩy tiêu chuẩn Misumi .85: Các chốt đẩy ở khuôn âm .86: Dung sai giữa chốt dẫn và rãnh dẫn .87: Các loại chốt giật đuôi keo .88: Phần đầu giựt đuôi keo .89: Phần đầu giật đuôi keo được thiết kế .90: Chốt hồi theo chuẩn Misumi .91: Khối lượng hệ thống đẩy .92: Khoảng cách cần thiết để lấy sản phẩm .93: Tam giác lực làm việc của lò xo .94: Hốc chứa lò xo .95: Rãnh thoát khí .96: Kích thước hệ thống thoát khí trên mặt phân khuôn .97: Rãnh thoát khí trên mặt phân khuôn .98: Rãnh thoát khí trên khuôn âm .99: Bạc dẫn hướng chuẩn Misumi .100: Chốt dẫn hướng chuẩn Misumi .101: Bulong vòng chuẩn Misumi .102: Bộ khuôn thiết kế hoàn thiện .1: Máy phay CNC Mitsubishi M-V5CN .2: Máy tiện CNC Charles JG-100 .3: Tấm kẹp dưới .4: Tấm kẹp trên .8: Lòng khuôn âm .9: Lòng khuôn dương .10: Insert khuôn dương.16: Phần cố định của bộ khuôn .17: Phần di động của bộ khuôn .18: Bộ khuôn được gia công và lắp ráp hoàn chỉnh.19: Quy trình ép thử sản phẩm.20: Máy ép nhựa HAITIAN MA1200III/400eeco .21: Sản phẩm bị thiếu nhựa .22: Sản phẩm có đường hàn.23: Sản phẩm màu xanh lá .24: Sản phẩm màu xanh dương.25: Sản phẩm màu đỏ .26: Bộ sản phẩm tay cầm ly.27: Bộ sản phẩm hoàn thiện với logo của trường .28: Bộ sản phẩm hoàn thiện với tên viết tắt của ngành. 98 xxii DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT CAD Computer Aided Design/Draft CAE Computer Aided Engineering CAM Computer Aided Making CNC Computer Numerical Control ĐATN Đồ Án Tốt Nghiệp xxiii CHƯƠNG 1 CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU 1.1 Tính cấp thiết của đề tài Việt Nam đang chứng kiến sự phát triển mạnh mẽ của ngành khuôn mẫu.

Theo ước tính, trong nước hiện có hai lĩnh vực khuôn mẫu chính: khuôn ép nhựa và khuôn dập. Nhận thấy tầm quan trọng của ngành này, các Trường đại học đào tạo kỹ thuật đã bắt đầu đưa môn chuyên về khuôn mẫu vào chương trình đào tạo. Trong đó, Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh là một trong những trường tiên phong trong đào tạo kỹ sư khuôn mẫu chất lượng cao với mục tiêu phát triển nền công nghiệp nước nhà. Ngành công nghiệp khuôn mẫu đóng một vai trò quan trọng trong sản xuất vì nó là phương tiện có thể dễ dàng để tạo ra các sản phẩm có kích thước, hình dạng và kết cấu mong muốn.