Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu
Ngành công nghiệp chất dẻo và chế tạo sản phẩm từ nhựa duy trì tốc độ tăng trưởng cao, đóng vai trò quan trọng trong các lĩnh vực điện, điện tử, viễn thông, giao thông vận tải, nông nghiệp và đóng gói. Sự phát triển này thúc đẩy nhu cầu nghiên cứu, thiết kế và chế tạo khuôn mẫu chính xác. Tuy nhiên, trong công tác đào tạo kỹ thuật, việc tiếp cận kiến thức khuôn phun ép chỉ dừng lại ở lý thuyết và mô phỏng trên phần mềm chưa đủ giúp người học nắm bắt trực quan cấu tạo và nguyên lý vận hành của các bộ khuôn phức tạp, đặc biệt là khuôn có cơ cấu trượt (slider) sử dụng chốt xiên để mở các phần lồi lõm bên ngoài (undercut ngoài). Đề tài "Thiết kế và chế tạo mô hình bộ khuôn phun ép hai tấm có slider để mở undercut ngoài" được thực hiện nhằm giải quyết khoảng trống giữa lý thuyết và thực hành, cung cấp mô hình học cụ trực quan phục vụ đào tạo kỹ sư cơ khí.
Mục tiêu nghiên cứu của đồ án bao gồm bốn nhiệm vụ trọng tâm:
- Nghiên cứu tổng quan về công nghệ phun ép nhựa và cấu tạo khuôn mẫu.
- Tìm hiểu, tính toán và thiết kế cơ cấu slide trượt sử dụng chốt xiên cho sản phẩm có hình dạng phức tạp có undercut mặt ngoài.
- Thiết kế, mô phỏng dòng chảy nhựa và gia công chế tạo mô hình khuôn ép nhựa hai tấm.
- Lắp ráp hoàn chỉnh và tiến hành thử nghiệm cơ cấu vận hành của bộ khuôn.
Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:
- Đối tượng nghiên cứu: Mô hình bộ khuôn ép nhựa hai tấm có cơ cấu mở slider để gia công sản phẩm sọt nhựa công nghiệp.
- Phạm vi nghiên cứu:
- Đề tài tập trung tính toán, mô phỏng số, thiết kế và chế tạo mô hình khuôn dựa trên cơ sở lý thuyết khuôn ép nhựa.
- Sản phẩm tạo hình là sọt nhựa công nghiệp thu nhỏ kích thước $79 \times 79 \times 43\text{ mm}$, bề dày thành $1\text{ mm}$, vật liệu nhựa High Density Polyethylene (HDPE).
- Mô hình bộ khuôn có kích thước bao tổng thể $250 \times 250 \times 220\text{ mm}$ (với kích thước moldbase sơ bộ $250 \times 250 \times 116.2\text{ mm}$), vật liệu chế tạo chính là hợp kim nhôm A7075.
- Thời gian và địa điểm thực hiện: Tháng 7 năm 2023, tại Khoa Cơ khí Chế tạo máy, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh.
Cơ sở lý thuyết và phương pháp
Đồ án xây dựng trên nền tảng lý thuyết kết cấu khuôn ép nhựa hai tấm, bao gồm hai phần chính: phần khuôn cái/cố định (cavity) và phần khuôn đực/di động (core). Hệ thống hoàn chỉnh của bộ khuôn bao gồm sáu phân hệ: hệ thống dẫn hướng và định vị, hệ thống dẫn nhựa vào lòng khuôn, hệ thống đẩy sản phẩm, hệ thống lõi mặt bên (tháo undercut), hệ thống thoát khí và hệ thống làm nguội.
Lý thuyết tính toán cơ cấu tháo undercut ngoài bằng slider sử dụng chốt xiên được xây dựng dựa trên các công thức cơ học và ma sát học:
- Lực kéo lõi trượt ($F$): Cần thắng lực co ngót của nhựa và lực ma sát:
$$F = \frac{p \cdot A \cdot \cos\alpha_1 \cdot (f - \tan\alpha_1)}{1 + f \cdot \sin\alpha_1 \cdot \cos\alpha_1}$$
Trong đó $p$ là ứng suất co rút của nhựa ($19.6\text{ MPa}$ khi làm nguội trong khuôn và $39.2\text{ MPa}$ ngoài khuôn), $A$ là diện tích bề mặt lõi bao bởi nhựa, $\alpha_1$ là góc thoát khuôn, $f$ là hệ số ma sát.
- Lực uốn tác dụng lên chốt xiên ($F_b$): $F_b = \frac{F}{\cos\alpha}$, với $\alpha$ là góc nghiêng của chốt xiên (thường chọn trong khoảng $12^\circ \div 25^\circ$).
- Khoảng cách trượt ($S$): $S = H \cdot \tan\alpha + (2 \div 3)\text{ mm}$, với $H$ là hành trình mở khuôn.
- Đường kính chốt xiên ($d$): Xác định theo ứng suất uốn cho phép $[\sigma_b]$ ($140\text{ MPa}$ đối với thép carbon):
$$d = \left(\frac{F_b \cdot L}{0.1 \cdot [\sigma_b] \cdot \cos\alpha}\right)^{1/3}$$
- Chiều dài làm việc của chốt xiên ($L$):
$$L = \frac{d_2}{2\tan\alpha} + \frac{h}{\cos\alpha} + \frac{d}{2\tan\alpha} + \frac{S}{\sin\alpha} + (5 \div 10)\text{ mm}$$
Phương pháp nghiên cứu kết hợp giữa nghiên cứu lý thuyết, phương pháp so sánh tối ưu, mô phỏng số (CAE) và chế tạo thực nghiệm:
- Phương pháp lý thuyết: Tính toán thông số động học, lực mở khuôn và kích thước các chi tiết cơ khí.
- Phương pháp mô phỏng số: Sử dụng phần mềm Moldex3D Studio 2021 để phân tích dòng chảy nhựa qua các pha điền đầy (Filling), nén ép (Packing), làm nguội (Cooling) và biến dạng cong vênh (Warpage).
- Phương pháp thực nghiệm: Lập trình gia công phay CNC trên máy công cụ và tiến hành lắp ráp cơ cấu thực tế.
Nguồn dữ liệu tham khảo bao gồm tiêu chuẩn linh kiện khuôn Misumi 2015 (Standard components for Plastic Mold), thư viện vật liệu Moldex3D Bank, cùng các nghiên cứu quốc tế về tối ưu hóa slider và kênh làm mát của Lutfi Khoirul Miftakhul Ni’am và cộng sự, L. Ulhe, Dzanko Hajradinovic và cộng sự, Hong-Seok Park và Đặng Xuân Phương.
Thiết kế và triển khai
Hệ thống khuôn được thiết kế hoàn chỉnh thông qua chuỗi công cụ CAD/CAM/CAE và gia công cơ khí chính xác:
| Hạng mục |
Thông số / Giải pháp kỹ thuật |
| Sản phẩm tạo hình |
Sọt nhựa công nghiệp kích thước $79 \times 79 \times 43\text{ mm}$, chiều dày thành $1\text{ mm}$, gân tăng cứng $2.5 \times 1\text{ mm}$, vật liệu HDPE |
| Quy cách bộ khuôn |
Khuôn 2 tấm, 1 lòng khuôn, 4 slider trượt mở 4 hướng undercut ngoài, kích thước $250 \times 250 \times 220\text{ mm}$, vật liệu nhôm A7075 |
| Hệ thống cấp nhựa |
Kênh dẫn trực tiếp đường kính $d_F = 3.5\text{ mm}$, bạc cuống phun hai bu-lông tiêu chuẩn Misumi mã SBBH |
| Hệ thống làm mát |
Đường kính kênh dẫn chất làm mát $\phi 8\text{ mm}$; kết hợp làm mát dạng vách ngăn (Baffle) ở tấm khuôn dương và kênh làm mát xuyên tấm ở tấm khuôn âm |
| Hệ thống slider |
4 cụm trượt gồm chốt xiên, lõi trượt, khối khóa (locking block), ray dẫn hướng, chốt chặn (slide stopper), bộ giữ chốt xiên (angular pin retainers) theo chuẩn Misumi |
| Công cụ CAD/CAE |
SolidWorks 2021 (thiết kế 3D sản phẩm), Creo Parametric 8.0 / EMX (tách khuôn và thiết kế bộ khuôn), Moldex3D Studio 2021 (mô phỏng ép phun) |
| Quy trình gia công |
Phay CNC phôi nhôm A7075 cho tấm khuôn âm, tấm khuôn dương và các con trượt; lắp ráp cụm con trượt-lõi trượt, cụm A01, A02 và tổng thể bộ khuôn |
Quy trình thiết kế sản phẩm trên SolidWorks 2021 được triển khai qua 10 bước: Extrude khối $71 \times 71 \times 40\text{ mm}$, bo góc $R=10\text{ mm}$, dùng lệnh Shell tạo thành, dựng đáy và gân ngang dày $1\text{ mm}$, dựng gân dọc, tạo ô lưới, dựng tay cầm, tạo lưới mặt đáy, dựng chân đế và tạo hệ thống gân đáy.
Quy trình mô phỏng trên Moldex3D Studio 2021 được thực hiện tuần tự qua 10 bước: Thiết lập dự án, nhập hình học (import geometry dạng STEP), gán thuộc tính chi tiết (Part, Cold Runner, Cooling Channel), chọn điểm vào nhựa (Melt Entrance), thiết lập Moldbase ($250 \times 250 \times 116.2\text{ mm}$), khai báo đầu vào/ra chất làm mát (Inlet/Outlet), kiểm tra hệ thống làm mát, chia lưới phần tử khối (Solid Mesh Parameter), kiểm tra lưới (Final Check) và gán vật liệu HDPE từ thư viện.
Nội dung chính theo từng chương
Chương 1: Giới thiệu
Trình bày lý do chọn đề tài, tính cấp thiết, mục tiêu và ý nghĩa khoa học - thực tiễn của việc chế tạo mô hình học cụ khuôn hai tấm có slider. Chương 1 cũng tổng quan bốn công trình nghiên cứu tiền bối về tối ưu hệ thống mở undercut (Lutfi Khoirul et al.), phân tích khuyết tật thiếu liệu short-shot (L. Ulhe), tối ưu kênh làm mát cho slider phức tạp (Dzanko Hajradinovic et al.) và thuật toán phân bố nhiệt cho kênh làm mát baffle (Hong-Seok Park & Đặng Xuân Phương).
Chương 2: Tổng quan về vật liệu nhựa
Trình bày định nghĩa polymer, phân loại chất dẻo theo ứng dụng (nhựa thông dụng, nhựa kỹ thuật, nhựa chuyên dụng) và theo tính chất (nhựa nhiệt dẻo, nhựa nhiệt rắn). Đi sâu phân tích đặc tính cấu trúc phân tử chuỗi ethylene của nhựa HDPE, các ưu điểm (nhẹ, chịu va đập, kháng hóa chất, dễ tái chế) và nhược điểm (giãn nở nhiệt cao, khó hàn, nhạy cảm với thay đổi nhiệt độ đột ngột).
| Chỉ số cơ lý tính |
Giá trị |
| Tỉ trọng |
$0.27\text{ g/cc}$ |
| Độ cứng, Rockwell R |
$80.0 - 112$ |
| Độ bền kéo tối đa |
$15.0\text{ MPa}$ |
| Độ bền kéo ở điểm uốn |
$2.7\text{ MPa}$ |
| Độ hấp thụ nước |
$0.300%$ |
| Độ giãn dài ở điểm gãy / uốn |
$3.0% / 7.0%$ |
| Mô đun đàn hồi |
$0.75\text{ GPa}$ |
| Độ bền uốn / Mô đun uốn |
$16.0\text{ MPa} / 0.83\text{ GPa}$ |
| Điện trở suất thể tích / Bề mặt |
$1.00\text{e}+20\ \Omega\cdot\text{cm} / 100 - 1.00\text{e}+17\ \Omega$ |
| Nhiệt độ hóa rắn / Nóng chảy |
$111.9^\circ\text{C} / 126^\circ\text{C}$ |
| Nhiệt độ xử lý gia công |
$180 - 255^\circ\text{C}$ |
| Khả năng cháy (UL94) |
$\text{HB} - \text{V-0}$ |
| Hệ số giãn nở nhiệt |
$12.4 \times 10^{-5}\text{ K}^{-1}$ |
Chương 3: Cơ sở lý thuyết
Phân tích kết cấu bộ khuôn hai tấm gồm 20 cụm chi tiết: tấm kẹp trên, bạc dẫn hướng, chốt dẫn hướng, chốt hồi, gối đỡ, lò xo hồi, tấm đẩy, tấm kẹp dưới, bạc cuống phun, vòng định vị, tấm cố định, cơ cấu giữ chốt xiên, khối nêm, khối trượt, chốt xiên, cơ cấu giữ, ray trượt, tấm di động, ty lói và tấm gá lói. Đồng thời, chương này thiết lập các công thức giải tích tính toán thông số hệ thống tháo undercut ngoài bằng chốt xiên và lõi trượt: tính lực kéo $F$, lực uốn $F_b$, khoảng cách trượt an toàn $S = S_1 + (2 \div 3)\text{ mm}$, góc nghiêng khối khóa $\alpha' = \alpha + (2^\circ \div 5^\circ)$, đường kính chốt xiên $d$ và chiều dài làm việc $L$.
Chương 4: Thiết kế sản phẩm và tính toán dòng chảy nhựa
Mô tả chi tiết 10 bước tạo hình sọt nhựa 3D trên SolidWorks 2021 ($79 \times 79 \times 43\text{ mm}$, dày $1\text{ mm}$). Lựa chọn cuống phun trực tiếp đường kính $d_F = 3.5\text{ mm}$ cùng bạc cuống phun Misumi mã SBBH. Thiết kế kênh làm mát đường kính $\phi 8\text{ mm}$ (baffle cho khuôn dương và kênh thông suốt cho khuôn âm). Trình bày 10 bước thiết lập mô phỏng CAE trên Moldex3D Studio 2021 và đánh giá các biểu đồ kết quả: thời gian điền đầy (Filling Time), áp suất vòi phun, áp suất cuối pha nén, phân bố nhiệt độ, độ co ngót thể tích, nhiệt độ và thời gian làm nguội, hiệu quả giải nhiệt và độ dịch chuyển biến dạng cong vênh (Warpage Total Displacement).
Chương 5: Tính toán thiết kế lòng khuôn
Trình bày quy trình kiểm tra và tạo góc thoát khuôn trên sản phẩm để đảm bảo tháo khuôn không gây trầy xước. Bố trí hệ thống đẩy sản phẩm bằng ty lói. Tiến hành tra bảng và chuẩn hóa các linh kiện của cơ cấu slider theo tiêu chuẩn Misumi 2015, bao gồm: chốt xiên, lõi trượt (Bảng 5.1), khối khóa (Bảng 5.2), chốt chặn slide stopper (Bảng 5.3), bộ giữ chốt xiên Angular pin retainers (Bảng 5.4) và ray trượt dẫn hướng.
Chương 6: Ứng dụng CAE thiết kế bộ khuôn hoàn chỉnh
Ứng dụng phần mềm Creo Parametric 8.0 để thực hiện quá trình tách khuôn: tạo môi trường tách khuôn, nhập mô hình sản phẩm, điều chỉnh hướng mở khuôn, tạo phôi lòng khuôn, thiết kế mặt phân khuôn chính và các mặt phân khuôn phụ cho 4 slider, thiết kế kênh dẫn nhựa và hóa rắn để tạo các tấm khuôn âm, tấm khuôn dương cùng 4 con trượt. Sử dụng module EMX để tích hợp áo khuôn tiêu chuẩn, thêm vòng định vị, bạc cuống phun, chốt dẫn hướng và bố trí các đường nước làm mát hoàn chỉnh.
Chương 7: Quy trình công nghệ gia công
Lựa chọn vật liệu gia công là hợp kim nhôm A7075 nhờ khả năng gia công cắt gọt tốt, độ bóng cao và phù hợp cho mô hình thực nghiệm. Trình bày công thức tính toán chế độ cắt phay CNC. Lập bảng tiến trình công nghệ gia công chi tiết:
- Bảng 7.1: Quy trình công nghệ gia công tấm khuôn âm.
- Bảng 7.2: Quy trình công nghệ gia công tấm khuôn dương.
- Bảng 7.3: Quy trình công nghệ gia công các chi tiết slide.
Trình bày bản vẽ lắp và quy trình lắp ráp cơ khí: lắp ráp con trượt với lõi trượt, lắp ráp cụm A01, cụm A02 và hoàn thiện bộ khuôn $250 \times 250 \times 220\text{ mm}$.
Chương 8: Kết luận
Tổng kết toàn bộ kết quả nghiên cứu, đánh giá mức độ đáp ứng các mục tiêu thiết kế và chế tạo mô hình khuôn học cụ, đồng thời đề xuất các phương hướng phát triển tiếp theo của đề tài.
Kết quả và đóng góp
- Kết quả thực nghiệm: Đã hoàn thành thiết kế, mô phỏng và chế tạo thành công mô hình bộ khuôn ép nhựa hai tấm có kích thước bao $250 \times 250 \times 220\text{ mm}$ từ phôi nhôm A7075. Bộ khuôn vận hành chính xác với 1 lòng khuôn và 4 cụm slider mở undercut 4 phía bằng cơ cấu chốt xiên.
- Kết quả tạo hình sản phẩm: Định hình hoàn chỉnh mẫu sọt nhựa công nghiệp thu nhỏ kích thước $79 \times 79 \times 43\text{ mm}$, bề dày thành $1\text{ mm}$, gân đáy và gân thành $2.5 \times 1\text{ mm}$ bằng vật liệu nhựa nhiệt dẻo HDPE.
- Giải pháp kỹ thuật:
- Ứng dụng thành công chuỗi phần mềm kỹ thuật: SolidWorks 2021 (dựng hình), Moldex3D Studio 2021 (mô phỏng kiểm soát khuyết tật điền đầy, nén, làm nguội và cong vênh), Creo Parametric 8.0 / EMX (tách khuôn và thiết kế moldbase tiêu chuẩn).
- Tiêu chuẩn hóa các cụm chi tiết trượt phức tạp theo danh mục linh kiện Misumi (bạc cuống phun SBBH, slide stopper, angular pin retainers, khối khóa, ray trượt).
- Tối ưu hóa hệ thống giải nhiệt bằng cách kết hợp đường nước xuyên suốt tấm khuôn âm và hệ thống vách ngăn baffle ở tấm khuôn dương với đường kính $\phi 8\text{ mm}$.
- Đóng góp đào tạo: Tạo ra nguồn học cụ trực quan có thể tháo lắp, vận hành thử nghiệm, phục vụ trực tiếp cho công tác giảng dạy môn học Thiết kế và Chế tạo khuôn mẫu tại Khoa Cơ khí Chế tạo máy, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM.
Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp
- Hạn chế:
- Kích thước sản phẩm sọt nhựa được thiết kế theo tỷ lệ thu nhỏ ($79 \times 79 \times 43\text{ mm}$) so với sọt công nghiệp thực tế nhằm phù hợp với quy mô phòng thí nghiệm và tiết kiệm chi phí phôi liệu.
- Vật liệu bộ khuôn là hợp kim nhôm A7075 nhằm phục vụ mục đích mô hình học cụ giảng dạy, chưa sử dụng các mác thép làm khuôn chuyên dụng chịu mài mòn cao trong sản xuất công nghiệp hàng loạt.
- Hướng nghiên cứu tiếp:
- Tiến hành lắp đặt bộ khuôn lên máy ép nhựa công nghiệp thực tế để khảo sát chi tiết chất lượng sản phẩm ép ra với các dải thông số công nghệ ép khác nhau.
- Tối ưu hóa chu kỳ làm mát và kiểm soát độ biến dạng cong vênh của sản phẩm ở quy mô sản xuất thực tế.
- Nghiên cứu tích hợp các cảm biến giám sát hành trình mở của slider và áp suất trong lòng khuôn.
Giá trị tham khảo
Đồ án là tài liệu kỹ thuật hữu ích đối với sinh viên, giảng viên và kỹ sư thuộc các chuyên ngành Công nghệ Kỹ thuật Cơ khí, Cơ khí Chế tạo máy và Kỹ thuật Khuôn mẫu. Các nội dung có giá trị tham khảo nổi bật bao gồm:
- Phương pháp tính toán động học và lực cho cơ cấu slider chốt xiên tháo undercut ngoài (Chương 3).
- Quy trình 10 bước mô phỏng dòng chảy và phân tích khuyết tật ép phun trên phần mềm Moldex3D Studio 2021 (Chương 4).
- Quy trình ứng dụng Creo Parametric 8.0 để tạo mặt phân khuôn phức tạp và thiết kế khuôn theo module tiêu chuẩn EMX/Misumi (Chương 5 và Chương 6).
- Quy trình lập tiến trình công nghệ gia công phay CNC các tấm khuôn và chi tiết con trượt từ nhôm A7075 (Chương 7).
Câu hỏi thường gặp
1. Kích thước và vật liệu của sản phẩm sọt nhựa trong đồ án được xác định như thế nào?
Sản phẩm được thiết kế với kích thước $79\text{ mm} \times 79\text{ mm} \times 43\text{ mm}$, chiều dày thành $1\text{ mm}$, gân chữ nhật kích thước cao $2.5\text{ mm}$ và rộng $1\text{ mm}$. Vật liệu chế tạo là nhựa nhiệt dẻo High Density Polyethylene (HDPE) có nhiệt độ nóng chảy $126^\circ\text{C}$ và nhiệt độ xử lý $180 - 255^\circ\text{C}$.
2. Cơ cấu mở undercut ngoài của bộ khuôn có cấu tạo gồm những chi tiết nào?
Hệ thống mở undercut sử dụng cơ cấu chốt xiên kết hợp khối nêm gồm các bộ phận chính: chốt xiên (góc nghiêng $\alpha$ từ $12^\circ \div 25^\circ$), lõi trượt, ray dẫn hướng, tấm chống mòn, cơ cấu giữ (slide stopper và angular pin retainers) và khối nêm (khối khóa) có góc nghiêng $\alpha' = \alpha + (2^\circ \div 5^\circ)$ để khóa chặt lõi trượt khi khuôn đóng.
3. Hệ thống làm mát của bộ khuôn được bố trí theo nguyên lý nào?
Hệ thống sử dụng kênh dẫn đường kính $\phi 8\text{ mm}$, kết hợp phương pháp làm mát bằng vách ngăn (Baffle) ở tấm khuôn dương (core) và hệ thống đường làm mát khoan xuyên qua toàn bộ tấm khuôn âm (cavity).
4. Những phần mềm kỹ thuật nào được sử dụng trong quá trình thực hiện đề tài?
Đề tài sử dụng phối hợp ba phần mềm chuyên dụng: SolidWorks 2021 để thiết kế 3D sản phẩm sọt nhựa; Moldex3D Studio 2021 để mô phỏng CAE quá trình ép phun; Creo Parametric 8.0 (kết hợp module EMX) để tách khuôn và thiết kế hoàn chỉnh kết cấu bộ khuôn.
5. Vật liệu và kích thước tổng thể của mô hình bộ khuôn được chế tạo là bao nhiêu?
Mô hình bộ khuôn được chế tạo từ hợp kim nhôm A7075 với kích thước bao hoàn chỉnh sau khi lắp ráp là $250\text{ mm} \times 250\text{ mm} \times 220\text{ mm}$, bao gồm 1 lòng khuôn và 4 cụm slide trượt mở 4 hướng.
Kết luận
Đồ án đã giải quyết hoàn chỉnh bài toán thiết kế, mô phỏng dòng chảy và chế tạo thực nghiệm mô hình bộ khuôn ép nhựa hai tấm tích hợp 4 cơ cấu slider mở undercut ngoài cho sản phẩm sọt nhựa HDPE. Bằng việc ứng dụng đồng bộ các công cụ CAD/CAM/CAE (SolidWorks, Creo Parametric, Moldex3D) cùng tiêu chuẩn linh kiện Misumi và vật liệu nhôm A7075, nhóm tác giả đã chế tạo thành công mô hình khuôn kích thước $250 \times 250 \times 220\text{ mm}$ vận hành ổn định. Công trình mang lại giá trị thực tiễn cao, đóng vai trò là mô hình học cụ trực quan phục vụ công tác đào tạo chuyên ngành Cơ khí Chế tạo máy tại Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM.
