Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Ngành công nghiệp chế tạo khuôn mẫu và ép phun nhựa đóng vai trò thiết yếu trong nền kinh tế, cung cấp linh kiện và vỏ bọc cho đa dạng lĩnh vực từ thiết bị gia dụng đến công nghiệp cơ khí. Tại Việt Nam, nhiều doanh nghiệp đã đầu tư thiết bị tiên tiến nhập khẩu từ Đức, Italy và Nhật Bản nhằm cải thiện chất lượng sản phẩm và nâng cao năng lực cạnh tranh. Tuy nhiên, trong quá trình vận hành thực tế, các bộ khuôn ép nhựa thường xuyên gặp sự cố mòn, hỏng bề mặt do áp lực làm việc liên tục hoặc do thao tác sai của công nhân. Việc gửi khuôn ra nước ngoài để sửa chữa hoặc đặt gia công mới phát sinh chi phí rất cao, thời gian dừng máy kéo dài, làm giảm hiệu quả kinh tế của doanh nghiệp. Trong khi đó, với nền tảng kỹ thuật và trang thiết bị hiện nay, các cơ sở gia công cơ khí trong nước hoàn toàn có khả năng tự chế tạo hoặc phục hồi khuôn ép nhựa với chi phí thấp hơn nếu ứng dụng hiệu quả các giải pháp phần mềm kỹ thuật số và máy công cụ điều khiển số.

Xuất phát từ thực tiễn trên, khóa luận tốt nghiệp kỹ sư ngành Kỹ thuật Cơ khí (lớp K61-KTCK, Khoa Cơ Điện và Công Trình, Trường Đại học Lâm nghiệp) do sinh viên Kim Ngọc Đan thực hiện dưới sự hướng dẫn khoa học của Th.S Đặng Thị Hà (tháng 10 năm 2022) đã chọn đề tài: "Ứng dụng công nghệ CAD/CAM/CAE và CNC để thiết kế và gia công khuôn ép nhựa cho sản phẩm Nắp vỏ máy nén khí Puma".

Mục tiêu nghiên cứu của đề tài được xác định cụ thể:

  1. Tìm hiểu và làm rõ các cơ sở lý thuyết về công nghệ khuôn mẫu và kỹ thuật ép phun chất dẻo.
  2. Thiết lập quy trình ứng dụng tích hợp CAD/CAM/CAE và CNC để tính toán, thiết kế và gia công bộ khuôn ép nhựa cho chi tiết nắp vỏ máy nén khí Puma, đáp ứng các yêu cầu kỹ thuật và an toàn vận hành.
  3. Đánh giá thực trạng chế tạo, sử dụng khuôn tại Việt Nam, từ đó đề xuất giải pháp kỹ thuật nhằm chế tạo khuôn trong nước có chất lượng đảm bảo và giá thành hạ so với sản phẩm nhập ngoại.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu của đề tài bao gồm:

  • Đối tượng nghiên cứu: Quy trình ứng dụng công nghệ CAD/CAM/CAE và máy điều khiển số CNC trong toàn bộ các khâu thiết kế kết cấu khuôn, lập quy trình công nghệ gia công, mô phỏng đường chạy dao và xuất chương trình điều khiển số (NC code) cho khuôn ép nắp vỏ máy nén khí Puma.
  • Phạm vi nghiên cứu: Ứng dụng bộ giải pháp phần mềm CATIA để mô hình hóa hình học, thiết kế bộ khuôn và lập trình gia công cơ khí; nghiên cứu sự kết hợp giữa máy gia công cơ vạn năng và máy phay CNC 3 trục; thời gian thực hiện hoàn thành vào tháng 10 năm 2022 tại Trường Đại học Lâm nghiệp, Hà Nội.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Khóa luận xây dựng nội dung dựa trên hệ thống cơ sở lý thuyết chuyên ngành về khoa học vật liệu, kỹ thuật gia công chất dẻo và công nghệ chế tạo máy:

  • Lý thuyết vật liệu polyme và công nghệ ép phun: Văn bản hệ thống hóa kiến thức về chất dẻo, phân loại theo công nghệ thành nhựa nhiệt dẻo (có thể gia công lặp lại nhiều lần, tái sinh được) và nhựa nhiệt rắn (đóng rắn không hồi phục dưới tác dụng nhiệt, không tái sinh được). Văn bản cũng phân tích vai trò của các phụ gia như chất bôi trơn (axit béo, rượu béo), chất hóa dẻo (este, parafin), chất ổn định nhiệt/ánh sáng/chống lão hóa, chất làm chậm cháy và chất độn (CaCO3, cao lanh, bột tan). Nguyên lý điền đầy lòng khuôn, chu kỳ làm mát và đẩy sản phẩm được phân tích gắn liền với thông số động học của máy ép phun.
  • Cơ sở cấu tạo máy ép phun và hệ thống khuôn: Nghiên cứu cấu tạo 5 hệ thống của máy ép phun gồm hệ thống phun, hệ thống kẹp, hệ thống khuôn, hệ thống điều khiển và hệ thống hỗ trợ ép phun (thủy lực, làm nguội, điện). Cấu tạo trục vít được làm rõ theo 3 vùng chức năng (cấp liệu, nén, định lượng) cùng bộ hồi tự hở (non-return valve).
  • Cơ sở vật liệu kim loại chế tạo khuôn: Khóa luận khảo sát thành phần hóa học và cơ lý tính của các mác thép chế tạo khuôn thông dụng theo tiêu chuẩn AISI, JIS, DIN:
Tiêu chuẩn / Mác thép Thành phần hóa học chủ yếu (%) Độ cứng / Cơ tính Đặc tính và ứng dụng chính
Thép 5055
(AISI 1055, JIS S55C, DIN CM55)		 C: 0,55; Si: 0,20; Mn: 0,90; S: 0,04 Độ cứng: 210 - 235 HB;
Độ bền kéo: 700 N/mm²		 Gia công tiện phay tốt, chống mài mòn, dùng làm các tấm vỏ khuôn và chi tiết phụ.
Thép 2083
(AISI 420, SF-420, Stavax)		 C: 0,35; Si: 0,50; Cr: 13,0; Mn: 0,45; S: <0,005 Độ cứng: 26 - 30 HRC Thép hợp kim crom chống gỉ, tôi ram sẵn, chịu mài mòn cao, độ bóng cao, dùng cho nhựa ăn mòn.
Thép C45
(Thép cacbon kết cấu)		 C: 0,42 - 0,49; Si: 0,17 - 0,37; Mn: 0,50 - 0,80; Cr: ≤0,25; S: ≤0,004 Hàm lượng C trung bình, cơ tính tổng hợp nâng cao qua nhiệt luyện Dễ gia công cắt gọt, giá thành rẻ, dùng chế tạo lòng khuôn (cavity) và lõi khuôn (core).
  • Phương pháp nghiên cứu: Tác giả sử dụng phương pháp nghiên cứu lý thuyết kết hợp kỹ thuật mô phỏng số. Toàn bộ chu trình thiết kế 3D, tính toán kết cấu, phân khuôn và lập trình gia công đường chạy dao được triển khai đồng bộ trên phần mềm CATIA, kiểm nghiệm chuyển động ảo trước khi xuất dữ liệu điều khiển số G-code.
  • Nguồn dữ liệu: Các thông số hình học của nắp vỏ máy nén khí Puma; tiêu chuẩn thép chế tạo khuôn AISI/JIS/DIN; các công thức tính toán lực kẹp, dung tích phun của máy ép nhựa; thư viện chi tiết khuôn mẫu tiêu chuẩn và cơ sở dữ liệu dao cụ trong module CATIA Machining.

Thiết kế và triển khai

Là một đồ án kỹ thuật cơ khí chế tạo, tác giả đã triển khai chi tiết quy trình tích hợp CAD/CAM/CAE và CNC cho bộ khuôn nắp máy nén khí Puma qua các giai đoạn:

1. Kiến trúc quy trình liên thông CAD/CAM/CAE và CNC

Khóa luận so sánh hai phương thức chế tạo khuôn:

  • Phương pháp cổ điển: Thiết kế bản vẽ 2D bằng tay -> gia công cơ truyền thống -> nhiệt luyện -> lắp ráp -> thử khuôn trên máy ép thực tế. Nếu phát hiện khuyết tật dòng chảy hoặc sai hỏng kết cấu thì phải sửa chữa khuôn thật, gây tốn kém phôi liệu và kéo dài tiến độ.
  • Phương pháp hiện đại ứng dụng CAE: Mô hình hóa 3D (CAD) -> mô phỏng và phân tích dòng chảy, kiểm tra ứng suất, độ điền đầy trên máy tính (CAE) -> hiệu chỉnh kết cấu tối ưu -> lập trình đường chạy dao (CAM) -> xuất mã NC đưa sang máy CNC gia công. Quy trình này chuyển giai đoạn thử nghiệm lên môi trường số, giảm thiểu tối đa sai hỏng trước khi cắt gọt kim loại.

2. Thiết kế tạo hình và kết cấu khuôn trên CATIA

  • Dựng hình sản phẩm 3D: Sử dụng các module Part Design và Wireframe & Surface Design để mô hình hóa toàn diện biên dạng vỏ nắp máy nén khí Puma với đầy đủ góc thoát khuôn, độ dày thành và các vấu lắp ghép.
  • Tách mặt phân khuôn: Sử dụng module Core & Cavity Design để xác định hướng mở khuôn, tách bề mặt phân khuôn, tạo ra lòng khuôn (cavity) tạo hình mặt ngoài và lõi khuôn (core) tạo hình mặt trong của nắp máy.
  • Thiết kế hệ thống phụ trợ (Mold Tooling Design):
    • Hệ thống cấp nhựa: Thiết kế bạc cuống phun kết nối trực tiếp với vòi phun của máy qua vòng định vị, phân phối nhựa qua kênh dẫn nguội và miệng phun vào lòng khuôn.
    • Hệ thống làm mát: Bố trí các đường rãnh khoan dẫn nước làm mát bao quanh lòng và lõi khuôn nhằm đảm bảo giải nhiệt đồng đều, ổn định nhiệt độ làm việc và giảm chu kỳ ép.
    • Hệ thống đẩy sản phẩm: Gồm tấm đẩy, tấm giữ, các chốt đẩy tiếp xúc tại các vị trí thích hợp trên sản phẩm, kết hợp chốt hồi để đưa cụm tấm đẩy về vị trí ban đầu khi đóng khuôn.
    • Hệ thống dẫn hướng và cơ cấu trượt: Trang bị các chốt dẫn hướng và bạc dẫn hướng để định vị chính xác hai nửa khuôn khi đóng mở; tích hợp chốt xiên cho các vị trí có rãnh hoặc gờ ngang nhằm tháo khuôn an toàn.

3. Lập trình gia công CAM và xuất mã CNC

Toàn bộ quá trình lập trình gia công lòng và lõi khuôn được thực hiện trong module Machining của CATIA qua các bước:

  • Thiết lập nguyên công (Part Operation): Khai báo máy phay CNC 3 trục, gán hệ tọa độ gia công gốc phôi (Work Coordinate System), nhập mô hình chi tiết thiết kế (Design Part) và khai báo kích thước phôi thô hình hộp chữ nhật (Rough Stock).
  • Chiến lược gia công cắt gọt:
    • Gia công thô (Roughing): Dùng công cụ Roughing để bóc tách khối lượng lớn kim loại với bước tiến dao tầng, cài đặt lượng dư offset trên các bề mặt chi tiết để lại cho nguyên công sau.
    • Gia công bán tinh và tinh bề mặt cong (Sweeping): Sử dụng chu trình Sweeping để dụng cụ cắt rà bám sát các bề mặt surface cong phức tạp của lòng khuôn.
    • Gia công tinh thành vách (Zlevel Machining): Dùng chu trình Zlevel để gia công các vách cạnh thẳng đứng vuông góc với trục dao theo từng lớp phẳng song song, đảm bảo độ bóng và độ chính xác kích thước.
  • Hậu xử lý và xuất mã NC: Mô phỏng kiểm tra quỹ đạo chạy dao bằng Replay/Simulation để rà soát va chạm dao và đồ gá. Sau đó, xuất file dữ liệu gia công theo chế độ tương tác (Generate NC Output Interactively) hoặc theo lô (Batch Mode) ra các định dạng chuẩn như mã nguồn APT (APT Source Code), file vị trí dao (Clfile Code), file đồ họa CGR, và sinh mã G-code hoàn chỉnh chuyển vào bộ nhớ máy phay CNC.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan về công nghệ sản xuất khuôn mẫu

Chương 1 cung cấp bức tranh toàn diện về vật liệu, thiết bị và công nghệ gia công chất dẻo. Tác giả phân tích cấu trúc phân tử của polyme dạng kết tinh (đục mờ) và vô định hình (trong suốt như PMMA cho 73% tia cực tím đi qua so với 13% của thủy tinh vô cơ); phân chia nhựa theo công nghệ (nhiệt dẻo và nhiệt rắn) và công dụng (thông dụng, kỹ thuật, chuyên dùng). Các công nghệ cán (thiết bị chữ I, L, F, Z), công nghệ đùn và đùn thổi (chủ yếu dùng PE chiếm 85% cho bao bì thực phẩm) được so sánh với công nghệ ép phun.

Về thiết bị, tác giả mổ xẻ cấu tạo hệ thống phun của máy ép nhựa: phễu cấp liệu; khoang chứa liệu (cung cấp 20-30% nhiệt làm dẻo); băng gia nhiệt; trục vít chia làm 3 vùng (vùng cấp liệu chiếm 50% chiều dài; vùng nén chiếm 25% chiều dài tạo nhiệt ma sát cung cấp 70-80% nhiệt nóng chảy; vùng định lượng chiếm 25% chiều dài; tỷ lệ L/D tối thiểu là 20:1, tỷ lệ nén Df/Dm đạt từ 2:1 đến 3:1); bộ hồi tự hở gồm vòng chắn hình nêm và seat nhằm ngăn nhựa chảy ngược khi trục vít tiến; vòi phun.

Về khuôn mẫu, chương này phân loại khuôn thành khuôn đơn giản (chỉ gồm chày và cối), khuôn có lõi phụ, và khuôn có miếng ghép di trượt dùng chốt xiên. Các kết cấu khuôn 2 tấm, khuôn 3 tấm (tách riêng kênh nhựa, chi phí thấp hơn kênh nóng nhưng tăng chu kỳ ép) và khuôn nhiều tầng được trình bày chi tiết cùng chức năng của 17 cụm linh kiện trong bộ khuôn thực tế.

Chương 2: Giới thiệu công nghệ CAD/CAM/CAE và CNC

Chương 2 tập trung làm rõ vai trò của kỹ thuật số trong gia công cơ khí. Tác giả phân tích khái niệm, ưu điểm và nhược điểm của CAD, CAM và CAE (thu thập thông tin, phát triển ý tưởng, tiền xử lý FEM, giải tích và hậu xử lý). Nguyên lý làm việc của máy CNC được trình bày thông qua mối liên kết giữa động cơ servo chủ động, trục vít me bi và thước đo phản hồi dịch chuyển. Tác giả giải thích các khái niệm hệ tọa độ Đề-các, tọa độ cực, chuyển động tuyệt đối và tương đối, phương pháp thiết lập điểm 0 bằng bù dao (bù gá Fixture Offsets và bù hình học Geometry Offsets), cùng ý nghĩa các ký hiệu chuẩn trong câu lệnh CNC (O, N, G, H, D, M).

Nửa sau của chương dành riêng để giới thiệu phần mềm CATIA, bao gồm các ứng dụng trong công nghiệp ô tô (Ford, Toyota, BMW...), hàng không (Airbus, Boeing) và cơ khí chế tạo. Cấu trúc module của CATIA được phân loại gồm:

  • Nhóm Mechanical Design: Part Design, Wireframe & Surface Design, Drafting, Assembly Design, DMU Kinematics, Core & Cavity Design, Mold Tooling Design.
  • Nhóm Analysis & Simulation: Advanced Meshing Tools, Generative Structural Analysis.
  • Nhóm Machining: Lathe Machining, Prismatic Machining, Surface Machining, Advanced Machining. Tác giả hướng dẫn cụ thể quy trình từng bước thiết lập môi trường gia công, cài đặt phôi thô chữ nhật, chọn dao, gán thông số cắt cho chu trình Roughing, Sweeping, Zlevel và thủ tục xuất file mã NC.

Chương 3: Ứng dụng phần mềm CATIA tính toán, thiết kế khuôn ép nhựa nắp máy nén khí Puma

Chương 3 là phần thiết kế kỹ thuật trung tâm của khóa luận. Dựa trên bản vẽ và yêu cầu làm việc của nắp vỏ máy nén khí Puma, tác giả tiến hành:

  • Xác định quy mô và loại hình sản xuất của chi tiết.
  • Lựa chọn vật liệu sản phẩm là nhựa ABS (nhựa kỹ thuật có độ bền va đập, kháng nhiệt và dễ tạo hình) và lựa chọn thép C45 để gia công lòng khuôn và lõi khuôn nhằm đảm bảo cơ tính và giảm chi phí phôi liệu.
  • Tính toán lựa chọn máy ép phun dựa trên việc kiểm tra lực kẹp khuôn, áp suất phun, thể tích phun định mức, khoảng mở khuôn và kích thước bàn gá.
  • Tính toán số lòng khuôn tối ưu và bố trí vị trí lòng khuôn đảm bảo cân bằng áp lực dòng chảy nhựa.
  • Tính toán kích thước hình học của cối khuôn và chày khuôn dựa trên độ co ngót của vật liệu nhựa; tính toán lực phun cần thiết và lưu lượng điền đầy.
  • Ứng dụng module CATIA hoàn thiện mô hình nắp máy nén khí Puma, thiết kế toàn bộ hệ thống khuôn ép: tạo mặt phân khuôn, thiết kế lòng - lõi khuôn, bố trí bạc cuống phun, vòng định vị, hệ thống kênh dẫn nguội, hệ thống làm mát đối lưu, cụm chốt đẩy và các chốt dẫn hướng.

Chương 4: Lập quy trình gia công khuôn

Chương 4 hoàn thiện chu trình công nghệ chế tạo cơ khí bằng việc lập bảng tiến trình nguyên công và lập trình gia công điều khiển số:

  • Xác định dạng sản xuất và chọn phương pháp chế tạo phôi thép tấm khối định hình qua cắt gọt cơ khí.
  • Xây dựng quy trình công nghệ gồm 9 nguyên công gia công chế tạo chi tiết khuôn nắp vỏ máy nén khí Puma:
Nguyên công Tên nguyên công Thiết bị / Phương pháp thực hiện Mục đích kỹ thuật
NC 1 Phay thô - tinh mặt phẳng lớn 1 Máy phay vạn năng / CNC Tạo mặt phẳng chuẩn định vị ban đầu, bóc lớp kim loại bề mặt.
NC 2 Phay thô và phay tinh các mặt bên Máy phay Gia công đạt kích thước bao ngoài và tạo các bề mặt chuẩn phụ.
NC 3 Mài các mặt phẳng lớn Máy mài phẳng Đảm bảo độ song song, độ phẳng và độ nhẵn bề mặt chuẩn lắp ráp.
NC 4 Khoan kênh làm mát và lỗ chốt xiên Máy khoan cần / Khoan sâu Tạo hệ thống rãnh lưu thông chất lỏng làm mát và lỗ dẫn hướng cơ cấu trượt.
NC 5 Khoan, khoét, doa, taro lỗ chốt Máy khoan, doa Gia công chính xác cụm lỗ dẫn hướng và lỗ cho các chốt đẩy sản phẩm.
NC 7 Xung định hình điện cực (EDM) Máy xung điện định hình CNC Gia công các biên dạng hốc lõm sâu, góc nhọn mà dao phay cơ khí không tiếp cận được.
NC 8 Mạ điện crom Bể mạ hóa chất điện phân Tăng độ cứng bề mặt, chống ăn mòn hóa học do nhựa nóng và chống mài mòn cơ học.
NC 9 Đánh bóng lòng khuôn Thủ công kết hợp thiết bị đánh bóng Đạt độ bóng bề mặt cao, triệt tiêu vết gia công, giúp bề mặt sản phẩm nhựa đạt độ thẩm mỹ.
Tổng kiểm tra Nghiệm thu tổng thể Dụng cụ đo kiểm chính xác Kiểm tra độ đảo, dung sai kích thước lắp ghép và độ kín khít trước khi xuất xưởng.
  • Triển khai lập trình CAM trên CATIA: gán đường chạy dao chi tiết cho lòng khuôn, lõi khuôn; tiến hành mô phỏng khử va chạm và xuất chương trình G-code chuẩn cho máy CNC.

Kết quả và đóng góp

Khóa luận tốt nghiệp đã đạt được các kết quả kỹ thuật cụ thể sau:

  • Xây dựng thành công bộ mô hình 3D hoàn chỉnh của sản phẩm nắp vỏ máy nén khí Puma trên phần mềm CATIA, kiểm soát được hình dáng hình học và các yêu cầu thoát khuôn.
  • Thiết kế hoàn thiện bộ khuôn ép phun nhựa 2 tấm tích hợp cơ cấu chốt xiên, xác định chuẩn xác vị trí lòng khuôn, lõi khuôn, bạc cuống phun, hệ thống kênh dẫn nguội, đường nước làm mát và cụm chốt đẩy sản phẩm.
  • Thiết lập quy trình công nghệ chế tạo chi tiết khuôn gồm 9 nguyên công có sự phối hợp hợp lý giữa máy công cụ truyền thống (phay, mài, khoan, doa), máy gia công tia lửa điện (xung điện cực EDM) và máy phay CNC.
  • Lập trình mô phỏng đường chạy dao thành công bằng các chu trình cắt gọt phay thô (Roughing), phay tinh mặt cong (Sweeping) và phay tinh vách (Zlevel Machining), xuất ra file mã NC hợp lệ tương thích với hệ điều khiển máy CNC.

Về mặt đóng góp, nghiên cứu đã chứng minh tính khả thi của quy trình công nghệ liên thông CAD/CAM/CNC trong việc tự chủ thiết kế và gia công khuôn ép nhựa kỹ thuật tại Việt Nam. Việc ứng dụng chu trình kỹ thuật số giúp các cơ sở cơ khí trong nước có thể tự sửa chữa, phục hồi hoặc gia công mới các bộ khuôn bị mòn hỏng với chi phí thấp hơn đáng kể so với việc nhập khẩu khuôn từ nước ngoài.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

  • Hạn chế: Như tác giả đã nêu trong phần đặt vấn đề, do kinh nghiệm thực tế sản xuất còn hạn chế nên quá trình tính toán và thiết kế kết cấu chưa lường hết được toàn bộ các yếu tố phát sinh trong điều kiện vận hành sản xuất thực tế tại nhà máy. Khóa luận chủ yếu dừng lại ở mức độ tính toán lý thuyết, thiết kế 3D và mô phỏng đường chạy dao trên phần mềm, chưa tiến hành chế tạo phôi thật trên máy CNC và ép thử nghiệm sản phẩm thực tế trên dây chuyền ép phun để kiểm chứng độ co ngót và độ bền mỏi của khuôn.
  • Hướng nghiên cứu tiếp:
    1. Ứng dụng sâu hơn các công cụ mô phỏng CAE chuyên dụng (như Moldflow) để phân tích chi tiết quá trình điền đầy dòng nhựa, hiện tượng co ngót, cong vênh và ứng suất dư bên trong chi tiết nắp máy nén khí Puma.
    2. Gia công chế tạo thực nghiệm bộ khuôn trên máy phay CNC nhiều trục (4 trục, 5 trục) và tiến hành ép thử nghiệm bằng nhựa ABS trên máy ép phun công nghiệp để đánh giá độ chính xác thực tế.

Giá trị tham khảo

Báo cáo khóa luận là tài liệu tham khảo hữu ích cho sinh viên, học viên ngành Kỹ thuật Cơ khí, Cơ điện tử và Công nghệ Chế tạo máy khi làm đồ án môn học hoặc đồ án tốt nghiệp về thiết kế khuôn mẫu. Các nội dung có giá trị tham khảo ứng dụng cao bao gồm:

  • Quy trình phân loại, lựa chọn thép làm khuôn (đặc biệt là bảng thành phần và cơ lý tính của thép C45, thép 5055 và thép không gỉ 2083).
  • Phương pháp cấu hình và sử dụng các module chuyên sâu của phần mềm CATIA (Core & Cavity Design, Mold Tooling Design, Machining).
  • Thứ tự phân bổ 9 nguyên công công nghệ gia công chi tiết khuôn kết hợp giữa gia công cơ truyền thống, gia công xung điện EDM và máy phay CNC.

Câu hỏi thường gặp

1. Tác giả lựa chọn loại vật liệu nào để chế tạo lòng khuôn và lõi khuôn nắp máy nén khí Puma?
Tác giả lựa chọn thép cacbon kết cấu C45 (hàm lượng cacbon từ 0,42 - 0,49%, Si từ 0,17 - 0,37%, Mn từ 0,50 - 0,80%). Loại thép này có cơ tính tổng hợp cao, dễ gia công cắt gọt, sau khi nhiệt luyện đạt khả năng chống mài mòn tốt và giúp giảm chi phí phôi liệu cho bộ khuôn.

2. Trục vít của hệ thống phun trên máy ép nhựa được chia thành mấy vùng và tỷ lệ chiều dài như thế nào?
Trục vít được chia thành 3 vùng:

  • Vùng cấp liệu (Feed section): chiếm khoảng 50% chiều dài trục vít, làm nhiệm vụ gom đặc vật liệu dạng viên và chuyển sang vùng nén.
  • Vùng nén/chuyển tiếp (Compression section): chiếm khoảng 25% chiều dài, cánh vít thu hẹp dần để nén chặt nhựa, tạo nhiệt ma sát cung cấp 70 - 80% nhiệt lượng làm chảy dẻo.
  • Vùng định lượng (Metering section): chiếm khoảng 25% chiều dài, đồng nhất hóa nhiệt độ và đẩy nhựa nóng chảy qua vòi phun vào khuôn.

3. Khác biệt cơ bản giữa quy trình chế tạo khuôn cổ điển và quy trình hiện đại có hỗ trợ của CAE là gì?
Ở quy trình cổ điển, việc thử khuôn chỉ được tiến hành sau khi đã chế tạo hoàn chỉnh khuôn trên thực tế, dẫn đến chi phí và thời gian sửa chữa rất lớn nếu có lỗi thiết kế. Ngược lại, quy trình hiện đại ứng dụng CAE cho phép tiến hành thử nghiệm, mô phỏng dòng chảy và phân tích kết cấu khuôn ảo trên máy tính trước khi gia công, giúp tiết kiệm chi phí và rút ngắn thời gian thử khuôn.

4. Những chu trình gia công CAM nào trên CATIA được tác giả sử dụng để lập trình phay lòng và lõi khuôn?
Tác giả sử dụng 3 chu trình chính:

  • Roughing: Dùng cho nguyên công phay thô nhằm bóc tách khối lượng lớn kim loại theo các lớp cắt phân tầng.
  • Sweeping: Dùng cho phay bán tinh và phay tinh các bề mặt surface cong phức tạp.
  • Zlevel Machining: Dùng cho phay tinh các vách, cạnh thẳng đứng của lòng và lõi khuôn theo các mặt cắt vuông góc với trục dụng cụ cắt.

5. Định dạng dữ liệu nào có thể được xuất ra từ module Machining của CATIA sau khi lập trình gia công?
Trong hộp thoại Generate NC Output Interactively, tác giả có thể xuất ra 4 định dạng dữ liệu: mã nguồn APT (APT Source Code), mã Clfile (Clfile Code), chương trình mã máy NC Code (G-code) hoặc file mô hình CGR.

Kết luận

Khóa luận tốt nghiệp của sinh viên Kim Ngọc Đan đã giải quyết trọn vẹn nhiệm vụ ứng dụng tích hợp công nghệ CAD/CAM/CAE và máy công cụ CNC vào việc thiết kế và lập quy trình chế tạo khuôn ép nhựa cho nắp vỏ máy nén khí Puma. Bằng việc làm chủ các module chức năng trên phần mềm CATIA, nghiên cứu đã xây dựng thành công quy trình công nghệ 9 nguyên công gia công cơ khí cùng chương trình điều khiển số CNC tối ưu. Đề tài đóng góp giải pháp kỹ thuật cụ thể, khẳng định năng lực tự chủ thiết kế và phục hồi khuôn mẫu của ngành cơ khí chế tạo trong nước nhằm giảm phụ thuộc vào các sản phẩm nhập ngoại.