Đồ Án Tốt Nghiệp: Thiết Kế Khuôn Đúc Nắp Ổ Cắm Điện

Thiết kế khuôn đúc nắp ổ cắm điện là một lĩnh vực quan trọng trong ngành công nghiệp chế tạo. 81 trang · Đại học Đà Nẵng · 2024.

• Tác giả: Lê Xuân Tùng
• Người hướng dẫn: Th.S. Ngô Tấn Thống
• Trường học: Đại học Đà Nẵng
• Chuyên ngành: Công nghệ kỹ thuật cơ khí
• Đề tài: Tính Toán Thiết Kế Khuôn Đúc Nắp Ổ Cắm Điện
• Loại tài liệu: Đồ án tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2024
• Địa điểm: Đà Nẵng

Mục lục chi tiết

• NHẬN XÉT ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
• NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
• LỜI CAM ĐOAN
• DANH SÁCH CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT
• LỜI NÓI ĐẦU
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VÀ NGHIÊN CỨU ĐỀ TÀI
• 1.1. Tính cấp thiết của đề tài
• 1.2. Ý nghĩa khoa học và tính thực tiễn
• 1.3. Mục đích nghiên cứu
• 1.4. Chi tiết nắp ổ cắm điện
• 1.5. Tổng quan về công nghệ chế tạo khuôn
• 1.5.1. Thực chất và ứng dụng của công nghệ khuôn
• 1.5.2. Ứng dụng công nghệ mới vào chế tạo khuôn
• 1.6. Tổng quan về công nghệ đúc
• 1.6.1. Cấu tạo của một khuôn đúc nhựa
• 1.6.2. Xu hướng phát triển của khuôn
• 1.6.2.1. Công nghệ đúc khuôn cát tươi
• 1.6.2.2. Công nghệ khuôn mẫu chảy (đúc khuôn vỏ mỏng, đúc mẫu chảy)
• 1.6.2.3. Công nghệ đúc Furan (Furan casting)
• 1.6.2.4. Công nghệ đúc li tâm
• 1.6.2.5. Công nghệ đúc trong khuôn kim loại (đúc trong trọng lực)
• 2. CHƯƠNG 2: PHÂN TÍCH LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN THIẾT KẾ
• 2.1. Tìm hiểu chức năng làm việc của sản phẩm
• 2.2. Ứng dụng công nghệ CAD / CAM / CNC
• 2.3. Ứng dụng công nghệ chế tạo khuôn mẫu truyền thống
• 2.4. Chọn phương án thiết kế kênh dẫn nhựa cho khuôn đúc
• 2.5. Ứng dụng phần mềm CREO Parametric vào tính chọn kênh dẫn
• 3. CHƯƠNG 3: TÁCH KHUÔN CHI TIẾT
• 3.1. Modul Mold Cavity
• 3.2. Tách khuôn chi tiết
• 4. CHƯƠNG 4: GIA CÔNG CHI TIẾT KHUÔN
• 4.1. Giới thiệu phần mềm Mastercam
• 4.2. Các chức năng của Mastercam
• 4.3. Ứng dụng phần mềm Mastercam gia công khuôn
• 4.4. Gia công khuôn trên
• 4.5. Gia công chi tiết khuôn dưới
• 5. CHƯƠNG 5: THIẾT KẾ KHUÔN TRÊN EMX
• 5.1. Giới thiệu modul Expert Moldbase Extension
• 5.2. Ứng dụng vào thiết kế áo khuôn
• 5.3. Thiết lập thư viện và đặt tên
• 5.4. Đưa chi tiết vào môi trường
• 5.5. Thiết kế áo khuôn tự động
• 5.6. Tạo chốt đẩy tự động
• 5.7. Tạo kênh làm mát cho khuôn
• 5.8. Thiết kế vòi phun và cuống phun
• 5.9. Một vài hình ảnh chi tiết
• 6. CHƯƠNG 6: MÔ PHỎNG CHUYỂN ĐỘNG CỦA KHUÔN
• 6.1. Lắp ráp hoàn chỉnh các chi tiết của bộ khuôn
• 6.2. Mô phỏng nguyên lí hoạt động của bộ khuôn
• 6.3. Một số kết luận
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tổng Quan Về Thiết Kế Khuôn Đúc Nắp Ổ Cắm Điện

Thiết kế khuôn đúc nắp ổ cắm điện là một lĩnh vực quan trọng trong ngành công nghiệp chế tạo. Việc hiểu rõ về quy trình thiết kế và sản xuất khuôn đúc không chỉ giúp nâng cao chất lượng sản phẩm mà còn giảm thiểu chi phí sản xuất. Nghiên cứu này sẽ cung cấp cái nhìn tổng quan về các yếu tố cần thiết trong thiết kế khuôn đúc, từ nguyên liệu đến quy trình sản xuất.

1.1. Tính Cấp Thiết Của Thiết Kế Khuôn Đúc

Thiết kế khuôn đúc nắp ổ cắm điện không chỉ đáp ứng nhu cầu thị trường mà còn đảm bảo tính an toàn và hiệu quả trong sử dụng. Sự phát triển của công nghệ đúc đã tạo ra nhiều cơ hội cho các kỹ sư trong việc tối ưu hóa quy trình sản xuất.

1.2. Ý Nghĩa Khoa Học và Thực Tiễn

Nghiên cứu thiết kế khuôn đúc giúp sinh viên áp dụng kiến thức lý thuyết vào thực tiễn, từ đó nâng cao kỹ năng và kinh nghiệm trong lĩnh vực chế tạo khuôn mẫu.

II. Vấn Đề và Thách Thức Trong Thiết Kế Khuôn Đúc

Trong quá trình thiết kế khuôn đúc nắp ổ cắm điện, nhiều vấn đề và thách thức có thể phát sinh. Những yếu tố như chất lượng nguyên liệu, quy trình đúc và thiết kế khuôn đều ảnh hưởng đến kết quả cuối cùng. Việc nhận diện và giải quyết những thách thức này là rất quan trọng.

2.1. Nguyên Liệu Khuôn Đúc

Lựa chọn nguyên liệu phù hợp cho khuôn đúc là một trong những yếu tố quyết định đến chất lượng sản phẩm. Các loại nhựa như ABS hay PS thường được sử dụng trong sản xuất nắp ổ cắm điện.

2.2. Quy Trình Đúc và Các Vấn Đề Phát Sinh

Quy trình đúc có thể gặp phải nhiều vấn đề như rỗ khí, không đồng nhất trong sản phẩm. Việc phân tích và tìm ra nguyên nhân là rất cần thiết để cải thiện chất lượng sản phẩm.

III. Phương Pháp Thiết Kế Khuôn Đúc Hiệu Quả

Để thiết kế khuôn đúc nắp ổ cắm điện hiệu quả, cần áp dụng các phương pháp hiện đại và công nghệ tiên tiến. Việc sử dụng phần mềm CAD/CAM trong thiết kế và gia công khuôn sẽ giúp tối ưu hóa quy trình sản xuất.

3.1. Ứng Dụng Công Nghệ CAD Trong Thiết Kế

Công nghệ CAD cho phép thiết kế khuôn mẫu một cách chính xác và nhanh chóng. Việc mô phỏng 3D giúp các kỹ sư dễ dàng hình dung và điều chỉnh thiết kế trước khi sản xuất.

3.2. Gia Công Khuôn Bằng Công Nghệ CAM

Công nghệ CAM giúp tự động hóa quy trình gia công khuôn, từ đó nâng cao độ chính xác và giảm thiểu thời gian sản xuất. Việc sử dụng máy CNC trong gia công khuôn là một bước tiến lớn trong ngành chế tạo.

IV. Ứng Dụng Thực Tiễn Của Khuôn Đúc Nắp Ổ Cắm Điện

Khuôn đúc nắp ổ cắm điện không chỉ được sử dụng trong các sản phẩm tiêu dùng mà còn có ứng dụng rộng rãi trong ngành điện tử và điện lạnh. Việc nghiên cứu và phát triển khuôn đúc giúp nâng cao chất lượng sản phẩm và đáp ứng nhu cầu thị trường.

4.1. Các Sản Phẩm Ứng Dụng

Nắp ổ cắm điện được sử dụng phổ biến trong các thiết bị điện gia dụng, giúp kết nối an toàn và hiệu quả. Sản phẩm này cũng có mặt trong các thiết bị công nghiệp.

4.2. Kết Quả Nghiên Cứu và Phát Triển

Nghiên cứu về thiết kế khuôn đúc nắp ổ cắm điện đã mang lại nhiều kết quả tích cực, từ việc cải thiện chất lượng sản phẩm đến giảm chi phí sản xuất.

V. Kết Luận và Tương Lai Của Thiết Kế Khuôn Đúc

Thiết kế khuôn đúc nắp ổ cắm điện là một lĩnh vực đầy tiềm năng và thách thức. Việc áp dụng công nghệ mới và cải tiến quy trình sản xuất sẽ giúp nâng cao chất lượng sản phẩm và đáp ứng nhu cầu ngày càng cao của thị trường.

5.1. Tương Lai Của Ngành Khuôn Đúc

Ngành khuôn đúc sẽ tiếp tục phát triển với sự hỗ trợ của công nghệ mới, từ đó mở ra nhiều cơ hội cho các kỹ sư trẻ trong lĩnh vực chế tạo.

5.2. Định Hướng Nghiên Cứu Tiếp Theo

Các nghiên cứu tiếp theo sẽ tập trung vào việc tối ưu hóa quy trình sản xuất và phát triển các loại khuôn đúc mới, nhằm nâng cao hiệu quả và chất lượng sản phẩm.

Nội dung chính

Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Ngành công nghiệp chế tạo khuôn mẫu đóng vai trò nền tảng trong lĩnh vực cơ khí chế tạo và sản xuất công nghiệp hiện đại. Việc sản xuất các chi tiết nhựa phục vụ dân dụng và kỹ thuật đòi hỏi sản phẩm khuôn phải đáp ứng đồng thời các tiêu chí về độ chính xác hình học, độ bóng bề mặt, độ bền cơ học và tối ưu hóa chi phí gia công. Chi tiết nắp ổ cắm điện là linh kiện phổ biến trong hệ thống điện dân dụng, giữ chức năng liên kết và bảo vệ an toàn cho người sử dụng. Nhằm đáp ứng nhu cầu thực tiễn về nội địa hóa và nâng cao năng suất sản xuất linh kiện nhựa, đề tài "Tính toán, thiết kế khuôn đúc nắp ổ cắm điện" được thực hiện.

Mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu của đồ án được xác định theo các nội dung chính sau:

1. Nghiên cứu tổng quan về công nghệ đúc, công nghệ chế tạo khuôn mẫu và phân tích điều kiện làm việc của chi tiết nắp ổ cắm điện.
2. Ứng dụng giải pháp công nghệ CAD/CAM/CAE (phần mềm PTC Creo Parametric, module Mold Cavity, EMX và Mastercam) vào việc mô phỏng quá trình điền đầy dòng chảy nhựa, tách lòng khuôn - lõi khuôn và thiết kế bộ áo khuôn tiêu chuẩn.
3. Lập quy trình công nghệ gia công CNC (phay thô, phay tinh, phay vét, gia công lỗ) cho chi tiết khuôn trên và khuôn dưới, xuất chương trình mã lệnh G-code và mô phỏng kiểm tra đường chạy dao.
4. Lắp ráp và mô phỏng động học hoạt động đóng/mở khuôn cùng cơ cấu đẩy sản phẩm.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

• Đối tượng nghiên cứu: Bộ khuôn ép phun nhựa và chi tiết nắp ổ cắm điện.
• Phạm vi kỹ thuật: Thiết kế bộ khuôn hoàn chỉnh cho sản phẩm nắp ổ cắm điện có kích thước bao $100 \times 48 \times 24\text{ mm}$, sử dụng vật liệu nhựa Acrylonitrile Butadiene Styrene (ABS). Đồ án tập trung vào tính toán động học dòng chảy, tách khuôn, thiết kế kết cấu áo khuôn trên nền tảng phần mềm và lập trình gia công cơ khí.
• Phạm vi không gian và thời gian: Đề tài được thực hiện tại Khoa Cơ khí, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật – Đại học Đà Nẵng, hoàn thành vào tháng 6 năm 2024.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Đồ án dựa trên các cơ sở lý thuyết chuyên ngành công nghệ chế tạo máy và kỹ thuật khuôn mẫu:

• Cơ sở lý thuyết về các công nghệ đúc kim loại và đúc nhựa: Đúc trong khuôn cát tươi, đúc mẫu chảy (đúc sáp), đúc cát nhựa Furan (công nghệ hộp nguội Cold-box), đúc ly tâm, đúc áp lực cao (máy buồng nóng và máy buồng lạnh), và đúc trong khuôn kim loại.
• Kết cấu tiêu chuẩn của khuôn ép phun nhựa: Cấu tạo hệ thống khuôn bao gồm 12 thành phần cơ bản: tấm kẹp trên, tấm khuôn trên (khuôn cái / Cavity), bạc định vị, thanh kê, tấm kẹp dưới, chốt đẩy, tấm kẹp đẩy, tấm đẩy, dàn đẩy, chốt hồi, trụ kê, và tấm khuôn dưới (khuôn đực / Core) kết hợp hệ thống kênh làm mát và vòi phun/cuống phun.
• Lý thuyết về dòng chảy polyme và tính chất cơ lý của vật liệu nhựa nhiệt dẻo ABS: Khả năng chịu va đập, nhiệt độ nóng chảy, áp suất phun, nhiệt độ khuôn và hệ số co rút thể tích.

Phương pháp nghiên cứu được áp dụng:

• Phương pháp mô hình hóa hình học (CAD): Ứng dụng phần mềm PTC Creo Parametric để dựng mô hình không gian 3D chi tiết nắp ổ cắm điện và xây dựng các bề mặt phân khuôn (Parting Surface).
• Phương pháp kỹ thuật có sự trợ giúp của máy tính (CAE): Sử dụng module Mold Cavity trên Creo để phân tích thủy động lực học quá trình điền đầy (Melt Front Time), kiểm tra trạng thái điền đầy (Moldability), dự đoán các khuyết tật rỗ khí (Air Trap), đường hàn (Weld Line), trường nhiệt độ, phân bố áp suất và thời gian làm nguội sản phẩm.
• Phương pháp tự động hóa thiết kế kết cấu (Automated Moldbase Design): Sử dụng tiện ích Expert Moldbase Extension (EMX 14 trên Creo 8) để xây dựng hệ thống áo khuôn tiêu chuẩn, bố trí chốt đẩy, chốt hồi, tấm kẹp và hệ thống kênh làm mát.
• Phương pháp lập trình gia công số (CAM): Sử dụng Mastercam để thiết lập các nguyên công phay 2D/3D (phay mặt đầu, phay phá thô Pocket, phay tinh biên dạng, phay mặt cong, phay lỗ) và xuất chương trình G-code cho máy CNC.

Nguồn dữ liệu sử dụng:

• Thông số kích thước hình học từ bản vẽ chi tiết nắp ổ cắm điện ($100 \times 48 \times 24\text{ mm}$).
• Thông số đặc tính vật liệu nhựa ABS từ cơ sở dữ liệu vật liệu kỹ thuật.
• Thư viện linh kiện khuôn mẫu tiêu chuẩn tích hợp trong module EMX.
• Bảng tỷ lệ phối trộn chất kết dính trong công nghệ đúc cát Furan theo khối lượng vật đúc:

Khối lượng vật đúc	Tỷ lệ % nhựa Furan	Tỷ lệ % chất xúc tác
Dưới 300 kg	0,7 – 0,85	35 – 45
Từ 300 kg – 2000 kg	0,96 – 1,3	45 – 55
Trên 2000 kg	0,96 – 1,3	45 – 55

Thiết kế và triển khai

Phân tích yêu cầu kỹ thuật và vật liệu sản phẩm

Chi tiết nắp ổ cắm điện có kết cấu dạng hộp, làm việc ở chế độ chịu tải cơ học thấp, không chịu va đập lớn. Yêu cầu kỹ thuật chủ yếu tập trung vào độ thẩm mỹ bề mặt và độ chính xác lắp ghép:

• Bề mặt ngoài không gia công cắt gọt sau khi đúc, đạt độ nhám $R_z = 80\ \mu\text{m}$.
• Chế độ lắp ráp theo hệ thống lỗ. Bề mặt làm việc chính gồm 6 lỗ $\varnothing 2.5\text{ mm}$ có độ nhẵn bóng $R_a = 2.5\ \mu\text{m}$, đạt cấp chính xác 7.
• Dung sai vị trí lỗ lắp ghép là $\varnothing 8^{+0.05}_0\text{ mm}$.

Vật liệu chế tạo sản phẩm là nhựa nhiệt dẻo ABS (Acrylonitrile Butadiene Styrene) với các thông số nhiệt động và cơ lý được thiết lập trong mô phỏng:

Chỉ tiêu kỹ thuật	Khoảng giá trị tiêu chuẩn	Giá trị thiết lập / đo được
Độ cứng (thang Rockwell)	68 – 118	106
Mô-đun uốn dẻo	-	$0.17\text{ GPa}$
Áp suất phun	4.83 – 150 MPa	Phân bố theo lưu lượng tính toán
Nhiệt độ nóng chảy	170 – 320 °C	261 °C
Nhiệt độ khuôn	29 – 120 °C	74.6 °C
Độ bền kéo tối ưu	22 – 57 MPa	42.5 MPa

Phân tích dòng chảy và thông số ép phun trên Creo Mold Cavity

Quy trình tính toán và mô phỏng điền đầy được triển khai theo các bước:

1. Thiết lập thư mục làm việc (Set Working Folder) và gán vật liệu ABS cho chi tiết.
2. Lựa chọn hệ thống kênh dẫn nhựa tự động (Set Runner), thiết lập thông số số lượng kênh dẫn, đường kính và hướng đặt kênh dẫn, sau đó tính toán vị trí cổng phun tối ưu.
3. Chạy phân tích (Analysis) để trích xuất các thông số nhiệt động:
   • Thời gian điền đầy nhựa vào lòng khuôn (Melt Front Time).
   • Chỉ số khả năng điền đầy (Moldability): Đạt trạng thái tốt (Good).
   • Xác định vị trí rỗ khí (Air Trap) và đường hàn (Weld Line): Kết quả cho thấy các vị trí rỗ khí và đường hàn xuất hiện tại các khu vực rìa, không nằm trên bề mặt làm việc chính hay bề mặt đòi hỏi thẩm mỹ cao của nắp ổ cắm.
   • Phân bố áp suất dòng chảy: Áp suất đạt cực đại tại vị trí gần cổng phun và giảm dần về phía cuối dòng chảy.
   • Trường nhiệt độ: Nhiệt độ cao nhất tập trung tại cổng phun ($261\text{ }^\circ\text{C}$) và phân bố đồng đều trên thân chi tiết.
   • Thời gian làm nguội tối đa (Maximum Cooling Time): Gần $24\text{ giây}$, tập trung lâu nhất tại các vị trí thành nhựa có chiều dày lớn.

Tách khuôn và thiết kế bộ áo khuôn trên EMX

• Quy trình tách khuôn trên Creo Mold Cavity: Thiết lập hệ số co rút cho nhựa ABS, tạo phôi bao (Workpiece), tạo các mặt phân khuôn thứ nhất và thứ hai bằng công cụ Parting Surface (lệnh Fill lấp đầy các lỗ hở phía dưới) để tách biệt nửa khuôn trên (tấm Cavity) và nửa khuôn dưới (tấm Core).
• Thiết kế áo khuôn trên EMX 14: Sử dụng thư viện tiêu chuẩn để tạo tự động vỏ khuôn, tích hợp tấm kẹp trên, tấm kẹp dưới, hệ thống chốt đẩy sản phẩm tự động, bố trí đường dẫn nước làm mát, định vị bạc cuống phun và vòi phun.

Lập trình gia công chi tiết khuôn trên Mastercam

Quy trình công nghệ gia công cơ khí bằng phương pháp phay CNC được lập trình cho hai chi tiết khuôn:

1. Gia công chi tiết khuôn trên (Cavity):
   • Nguyên công khỏa mặt đầu.
   • Nguyên công phay phá thô (Pocket).
   • Nguyên công phay phá thô bề mặt cong.
   • Nguyên công phay vét lượng dư.
   • Nguyên công phay tinh bề mặt cong và phay tinh biên dạng xung quanh.
   • Nguyên công phay tinh mặt phẳng đáy.
2. Gia công chi tiết khuôn dưới (Core):
   • Phay khỏa mặt chuẩn và phá thô các hốc lõi.
   • Nguyên công phay 2 lỗ $\varnothing 8\text{ mm}$.
   • Phay tinh biên dạng xung quanh và khỏa mặt đáy.
   • Mô phỏng kiểm tra va chạm 3D (3D Simulation) và xuất file mã lệnh G-code điều khiển máy phay CNC.

Nội dung chính theo từng chương

Chương I: Tổng quan và nghiên cứu đề tài

Chương này trình bày tính cấp thiết, mục đích và ý nghĩa thực tiễn của đề tài trong bối cảnh công nghiệp hóa. Tác giả phân tích tổng quan các phương pháp tạo hình kim loại và phi kim loại, nêu bật ưu nhược điểm của các công nghệ đúc: đúc khuôn cát tươi, đúc mẫu chảy (đúc sáp), đúc cát nhựa Furan, đúc ly tâm, đúc áp lực cao và đúc trong khuôn kim loại. Nội dung chương đồng thời trình bày cấu tạo chi tiết của bộ khuôn ép nhựa 2 tấm gồm 12 bộ phận tiêu chuẩn, các công nghệ gia công tiên tiến (Plasma, Laser, đánh bóng bằng bột kim cương hạt 1–160 micron, thanh ceramic) và xu hướng ứng dụng CAD/CAM/CNC trong công nghiệp khuôn mẫu.

Chương II: Phân tích lựa chọn phương án thiết kế

Chương II tập trung phân tích kết cấu hình học và chức năng làm việc của nắp ổ cắm điện, so sánh phương pháp chế tạo khuôn mẫu truyền thống (tiện, phay cơ, mài) với phương pháp hiện đại (CAD/CAM/CNC) nhằm khẳng định tính ưu việt của giải pháp số hóa. Tác giả giới thiệu phần mềm PTC Creo Parametric cùng module Mold Cavity. Nội dung trọng tâm là quá trình phân tích dòng chảy nhựa ABS: xác định vị trí kênh dẫn/cổng phun, thời gian điền đầy, kiểm tra tính khả thi điền đầy (Moldability trạng thái Good), dự đoán khuyết tật rỗ khí và đường hàn, kiểm tra trường nhiệt độ, phân bố áp suất dòng chảy và xác định thời gian làm nguội tối đa xấp xỉ 24 giây.

Chương III: Tách khuôn chi tiết

Chương III trình bày quy trình các bước thực hiện tách khuôn cho sản phẩm trên module Mold Cavity của Creo. Các nội dung thực hiện gồm: thiết lập thư mục làm việc, nhập chi tiết sản phẩm 3D, áp đặt hệ số co rút cho vật liệu nhựa ABS, tạo phôi đúc (Workpiece) và thiết lập hệ thống mặt phân khuôn (Parting Surface) bằng các lệnh chuyên dụng (Fill) nhằm chia tách hoàn chỉnh khối phôi thành hai phần: khuôn trên (Cavity) và khuôn dưới (Core).

Chương IV: Gia công chi tiết khuôn

Chương IV giới thiệu tổng quan tính năng của phần mềm Mastercam và xây dựng quy trình công nghệ gia công cho hai nửa khuôn. Tác giả thiết lập đường chạy dao cho từng nguyên công: khỏa mặt đầu, phay phá thô hốc (Pocket), phay phá thô mặt cong, phay vét góc R, phay tinh mặt cong 3D, phay tinh biên dạng, gia công 2 lỗ $\varnothing 8\text{ mm}$ và khỏa mặt đáy. Chương này hoàn thành việc mô phỏng gia công 3D (3D Simulation) để kiểm tra đường chạy dao và xuất chương trình G-code cho máy CNC.

Chương V: Thiết kế khuôn trên EMX

Chương V trình bày việc ứng dụng tiện ích Expert Moldbase Extension (EMX 14 trên nền Creo 8) nhằm tự động hóa quá trình xây dựng bộ áo khuôn hoàn chỉnh. Nội dung gồm: thiết lập thư viện và định danh dự án, đưa chi tiết lòng/lõi khuôn vào môi trường lắp ráp, tự động phát sinh kết cấu áo khuôn tiêu chuẩn, bố trí hệ thống chốt đẩy tự động, thiết kế hệ thống đường nước làm mát giải nhiệt khuôn, cùng hệ thống định vị vòi phun và bạc cuống phun.

Chương VI: Mô phỏng chuyển động của khuôn

Chương VI trình bày việc lắp ráp tổng thể các cụm chi tiết trong bộ khuôn ép nắp ổ cắm điện. Tác giả tiến hành mô phỏng nguyên lý hoạt động động học của khuôn: quá trình mở khuôn, chuyển động tịnh tiến của tấm đẩy và dàn chốt đẩy để tống sản phẩm nhựa ra ngoài, và chuyển động của chốt hồi đưa toàn bộ hệ thống dàn đẩy về vị trí ban đầu khi đóng khuôn phục vụ cho chu kỳ ép tiếp theo.

Kết quả và đóng góp

Đồ án đạt được các kết quả kỹ thuật cụ thể sau:

• Xây dựng hoàn chỉnh mô hình hình học 3D của chi tiết nắp ổ cắm điện kích thước $100 \times 48 \times 24\text{ mm}$ và thiết kế bộ khuôn ép phun 2 tấm đáp ứng các yêu cầu kỹ thuật về độ nhám ($R_z = 80\ \mu\text{m}$) và dung sai lắp ghép lỗ ($\varnothing 8^{+0.05}_0\text{ mm}$, 6 lỗ $\varnothing 2.5\text{ mm}$).
• Xác định được các thông số công nghệ ép phun tối ưu cho vật liệu nhựa ABS thông qua mô phỏng CAE: nhiệt độ nóng chảy $261\text{ }^\circ\text{C}$, nhiệt độ khuôn $74.6\text{ }^\circ\text{C}$, thời gian làm nguội xấp xỉ $24\text{ giây}$, kiểm soát vị trí rỗ khí và đường hàn nằm ngoài các bề mặt làm việc quan trọng.
• Xây dựng hoàn chỉnh quy trình tách khuôn trên Creo Mold Cavity và thiết kế kết cấu áo khuôn tiêu chuẩn trên EMX 14 tích hợp đầy đủ hệ thống chốt đẩy, kênh làm mát, chốt hồi và bạc định vị.
• Thiết lập quy trình công nghệ gia công phay CNC trên Mastercam gồm đầy đủ các nguyên công phay thô, phay vét, phay tinh và khoan/phay lỗ cho cả khuôn trên và khuôn dưới; kiểm chứng không có va chạm qua mô phỏng 3D và xuất thành công tệp G-code.
• Hoàn thành khối lượng sản phẩm dự kiến gồm: 2 bản vẽ khổ A0, 2 bản vẽ khổ A2, 1 bản vẽ khổ A3 cùng mô hình thiết kế bộ chi tiết khuôn trên và khuôn dưới.

Đóng góp của đồ án:

• Hệ thống hóa quy trình công nghệ khép kín từ khâu thiết kế sản phẩm (CAD), phân tích mô phỏng động học điền đầy (CAE), thiết kế kết cấu khuôn tự động hóa (EMX) đến lập trình gia công cơ khí điều khiển số (CAM/CNC).
• Cung cấp giải pháp kỹ thuật cụ thể trong việc tối ưu hóa vị trí cổng phun và phân bố kênh dẫn nhựa, giúp giảm thiểu các khuyết tật đúc phổ biến như rỗ khí, đường hàn và co ngót cục bộ cho chi tiết nhựa dân dụng.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế của đồ án:

• Nghiên cứu tập trung vào mô hình hóa, mô phỏng số và lập trình gia công trên máy tính; các thông số dòng chảy và thời gian làm nguội chưa được đối chứng thực nghiệm trực tiếp trên máy ép phun công nghiệp thực tế.
• Đồ án thiết kế kết cấu khuôn đơn lòng khuôn (1 cavity), phù hợp cho sản xuất quy mô nhỏ hoặc thử nghiệm, chưa mở rộng cho kết cấu khuôn nhiều lòng khuôn (multi-cavity) để tối ưu hóa năng suất hàng khối lớn.

Hướng nghiên cứu tiếp:

• Chế tạo thực tế bộ khuôn trên máy phay CNC từ chương trình G-code đã lập trình và tiến hành gá đặt ép thử nghiệm trên máy ép nhựa chuyên dụng để đánh giá chất lượng sản phẩm thực tế.
• Nghiên cứu ứng dụng hệ thống kênh dẫn nóng (Hot Runner) thay thế cho kênh dẫn nguội để giảm thiểu phế liệu cuống phun và rút ngắn thời gian chu kỳ ép.

Giá trị tham khảo

Đồ án là tài liệu tham khảo chuyên môn hữu ích cho:

• Sinh viên, học viên ngành Công nghệ Kỹ thuật Cơ khí, Cơ khí Chế tạo máy, và Công nghệ Kỹ thuật Khuôn mẫu khi thực hiện đồ án môn học Thiết kế khuôn mẫu, đồ án Công nghệ CAD/CAM/CNC hoặc đồ án tốt nghiệp.
• Kỹ sư thiết kế và lập trình gia công tại các doanh nghiệp sản xuất khuôn mẫu nhựa vừa và nhỏ.
• Các nội dung có giá trị tham khảo ứng dụng cao gồm:
  • Quy trình từng bước phân tích và xử lý kết quả mô phỏng điền đầy dòng chảy nhựa trên Creo Mold Cavity.
  • Phương pháp ứng dụng module EMX để tự động hóa phát sinh áo khuôn và cơ cấu phụ trợ.
  • Trình tự xây dựng nguyên công và thông số chạy dao phay 3D khuôn mẫu trên phần mềm Mastercam.

Câu hỏi thường gặp

1. Chi tiết nắp ổ cắm điện trong đồ án có đặc điểm hình học và yêu cầu kỹ thuật như thế nào? Chi tiết có dạng hộp với kích thước bao $100 \times 48 \times 24\text{ mm}$, làm việc ở chế độ chịu lực và va đập thấp. Bề mặt ngoài không yêu cầu độ chính xác gia công cao ($R_z = 80\ \mu\text{m}$) mà chú trọng tính thẩm mỹ. Bề mặt làm việc chính là 6 lỗ $\varnothing 2.5\text{ mm}$ có độ nhẵn bóng $R_a = 2.5\ \mu\text{m}$ (cấp chính xác 7) và các lỗ lắp ghép có dung sai $\varnothing 8^{+0.05}_0\text{ mm}$.

2. Vật liệu nhựa ABS sử dụng trong đồ án có các thông số nhiệt động và cơ lý chính nào? Theo kết quả thiết lập và tính toán trong đồ án, nhựa ABS có độ cứng Rockwell đạt 106, mô-đun uốn dẻo $0.17\text{ GPa}$, độ bền kéo tối ưu $42.5\text{ MPa}$, nhiệt độ nóng chảy được xác định tại $261\text{ }^\circ\text{C}$, nhiệt độ khuôn là $74.6\text{ }^\circ\text{C}$ và thời gian làm nguội tối đa của sản phẩm là gần $24\text{ giây}$.

3. Phần mềm và module nào được ứng dụng xuyên suốt quá trình thiết kế và gia công bộ khuôn? Đồ án sử dụng phần mềm PTC Creo Parametric (với module Mold Cavity để phân tích dòng chảy, tách mặt phân khuôn và Creo 8 / EMX 14 để tạo áo khuôn tự động), kết hợp với phần mềm Mastercam để thiết lập các nguyên công phay CNC 2D/3D và xuất chương trình G-code.

4. Kết quả mô phỏng dòng chảy nhựa trên Creo chỉ ra điều gì về các khuyết tật đúc? Mô phỏng cho thấy chỉ số khả năng điền đầy đạt trạng thái tốt (Good). Các khuyết tật như bọt khí/rỗ khí (Air Trap) và đường hàn (Weld Line) xuất hiện ở các vị trí mép rìa chi tiết, không nằm tại các vị trí làm việc chịu lực hay bề mặt thẩm mỹ quan trọng, do đó vị trí đặt cổng phun và kênh dẫn được kết luận là hợp lý.

5. Quy trình lập trình gia công cơ khí (CAM) trên Mastercam cho chi tiết khuôn trên bao gồm những nguyên công nào? Quy trình gia công khuôn trên bao gồm: khỏa mặt đầu, phay phá thô (Pocket), phay phá thô bề mặt cong, phay vét lượng dư góc R, phay tinh bề mặt cong 3D, phay tinh biên dạng xung quanh và phay tinh mặt phẳng đáy.

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp "Tính toán, thiết kế khuôn đúc nắp ổ cắm điện" đã giải quyết trọn vẹn nhiệm vụ nghiên cứu và thiết kế kỹ thuật thông qua việc ứng dụng đồng bộ chuỗi giải pháp CAD/CAM/CAE hiện đại. Bằng việc kết hợp các công cụ chuyên dụng gồm PTC Creo Parametric, Mold Cavity, EMX 14 và Mastercam, nhóm tác giả đã thực hiện đầy đủ các giai đoạn từ mô phỏng nhiệt động học dòng chảy nhựa ABS, tách mặt phân khuôn, tự động hóa thiết kế áo khuôn tiêu chuẩn đến lập trình gia công CNC và mô phỏng động học đóng/mở khuôn. Các kết quả tính toán, số liệu mô phỏng và hệ thống bản vẽ kỹ thuật trong đồ án phản ánh đúng quy trình công nghệ chế tạo khuôn mẫu trong thực tiễn cơ khí hiện nay.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VÀ NGHIÊN CỨU ĐỀ TÀI 1.1 Tính cấp thiết của đề tài Trong sự nghiệp công nghiệp hóa, hiện đại hóa ở nước ta hiện nay ngành công nghiệp nặng nói chung và công nghệ đúc nói riêng đóng góp một vai trò quan trọng trong sự nghiệp công nghiệp hóa đất nước. Hiện nay nhu cầu thị trường cho sản phẩm công nghệ đúc là rất lớn. Tại Việt Nam trong những năm gần đây công nghệ đúc đang phát triển và ảnh hưởng lớn đến nền kinh tế. Nghành công nghệ đúc là nghành công nghiệp chế tạo sản phẩm bằng phương pháp rót vật liệu ở dạng chảy lỏng vào khuôn để tạo ra sản phẩm có hình dạng như khuôn mẫu.

Đa phần công nghệ đúc thực hiện với các vật liệu kim loại. Công nghệ đúc chia thành 2 loại chính là: Đúc thông thường và đúc đặc biệt. Ngành công nghệ đúc có rất nhiều vấn đề đòi hỏi người kĩ sư tương lai phải học tập nghiên cứu để nắm bắt những yêu cầu cơ bản nhằm phục vụ cho học tập cũng như công tác phục vụ cho đất nước sau này. Việc thiết kế và sản xuất cơ bản đã giúp cho chúng ta hiểu hơn về các quá trình sản xuất cơ bản nhất của nghành công nghệ này.

Bên cạnh đó nó cũng nêu ra được những điểm hạn chế của nghành công nghiệp đúc qua từng giai đoạn sản xuất để mọi người có thể tìm ra các phương pháp giải quyết.2 Ý nghĩa khoa học và tính thực tiễn Tạo điều kiện để sinh viên có cơ hội được nghiên cứu kiến thức một cách chuyên sâu, được áp dụng các kiến thức và kỹ năng đã được rèn luyện trong suốt quá trình học tập tại trường vào việc thực hiện một sản phẩm khoa học, giúp ích cho đời sống và xã hội. Nghiên cứu và chế tạo được một sản phẩm, từ đó giúp cho sinh viên có một ít kinh nghiệm cho việc khởi nghiệp hoặc công việc về lĩnh vực này trong tương lai.3 Mục đích nghiên cứu Vận dụng những kiến thức đã học tập và rèn luyện tại trường để nghiên cứu thiết kế chế tạo các sản phẩm về khuôn đúc kim loại nóng chảy lẫn khuôn đúc nhựa. Nhằm cung cấp những kết quả đã nghiên cứu được giúp cho các giảng viên cũng như các bạn sinh viên hiểu thêm về lĩnh vực khuôn đúc. Đưa ra những ưu và nhược điểm trong quá trình tạo khuôn, quá trình đúc tạo tiền đề cho các nghiên cứu tiếp theo sao cho phát triển một cách tối ưu nhất có thể.4 Chi tiết nắp ổ cắm điện Nắp ổ cắm điện là một sản phẩm nhựa,với phần lớn chức năng dùng để kết nối các chi tiết, thiết bị trong hệ thống điện.

Việc nghiên cứu chế tạo ra nắp ổ cắm điện giúp cho quá trình sử dụng trở nên thuận tiện, tiếp cận dễ dàng với phần lớn nhu cầu người sử dụng Hiện tại chi tiết nắp ổ cắm điện đã trở thành một thiết bị, chi tiết phổ biến trong đời sống và có mặt hầu hết ở tất cả các hộ gia đình giúp cho quá trình sử dụng các thiết bị điện trong đời sống trở nên an toàn và tiện lợi. 2 SVTH: Lê Xuân Tùng GVHD: ThS. Ngô Tấn Thống Cao Phạm Tiến Việt Đề tài: Tính Toán-Thiết Kế Khuôn Đúc Nắp Ổ Cắm Điện 1.5 Tổng quan về công nghệ chế tạo khuôn 1.1 Thực chất và ứng dụng của công nghệ khuôn Khuôn mẫu là dụng cụ (thiết bị) bằng kim loại dùng để tạo hình sản phẩm theo phương pháp định hình. Mỗi khuôn mẫu thường được chế tạo và sử dụng cho một số lượng chu trình đúc/ép sản phẩm nào đó, có thể là một lần hay nhiều lần.

Kết cấu và kích thước của khuôn phụ thuộc vào kích thước, hình dáng, chất lượng và số lượng của sản phẩm cần tạo ra. 1: Sản phẩm đúc và khuôn đúc chi tiết ghế nhựa. Tương tự như các sản phẩm cơ khí nói chung, quá trình sản xuất khuôn mẫu dựa trên 5 quy trình công nghệ chính bao gồm: Thiết kế, gia công, nhiệt luyện, đo kiểm và lắp ráp. Các khuôn dùng trong sản xuất sản phẩm nhựa bao gồm rất nhiều loại như: khuôn ép phun, khuôn nén, khuôn thổi, khuôn đùn, khuôn quay,.

Trong đó phổ biến nhất là khuôn ép phun. Các sản phẩm từ khuôn ép gồm có các chi tiết kim loại và nhựa trong ô tô, máy bay, đồ gia dụng, thiết bị điện, điện tử, đồ tiêu dùng, đồ gỗ, các trang bị quân sự, sản phẩm y tế.2 Ứng dụng công nghệ mới vào chế tạo khuôn Công nghệ mới trong chế tạo khuôn nhựa là CAD/CAM/CNC - là những phần mềm, máy móc hiện đại. Và tồn tại thành một hệ thống, quy trình hoạt động thống nhất, hoàn chỉnh theo một quy trình chặt chẽ với nhau. • Ứng dụng CAD vào chế tạo khuôn nhựa: CAD là phẩn mềm thiết kế trên máy tính được ứng dụng rộng rãi trên nhiều lĩnh vực.

Phần mềm này cho phép chuyên viên thiết kế tạo ra mô hình sản phẩm dưới dạng bản vẽ 2D hoặc 3D, hình ảnh của bản vẽ mô phỏng này có độ chân thật hoàn hảo gần giống với sản phẩm thật sau khi hoàn thiện. [1] Một khuôn mẫu nhựa có độ phức tạp cao sẽ được đơn giản hóa qua góc nhìn của phần mền CAD. Điều này rất có lợi cho việc hoàn chỉnh bản mẫu một cách nhanh chóng và chính xác. SVTH: Lê Xuân Tùng GVHD: ThS.

Ngô Tấn Thống Cao Phạm Tiến Việt 3 Đề tài: Tính Toán-Thiết Kế Khuôn Đúc Nắp Ổ Cắm Điện Hình 1. 2 Ứng dụng CAD vào chế tạo khuôn mẫu • Ứng dụng CAM vào chế tạo khuôn nhựa: Cũng giống với CAD, CAM là phần mềm gia công cơ khí cài đặt trên máy tính. Tuy nhiên, CAM không phải sử dụng để tạo ra những bản thiết kế mà nó giống như một hệ điều hành tổng bộ chính các thiết bị, máy móc qua vi tính. Phần mềm CAM có chức năng nhận phân tích dữ liệu, tính toán những thông số được đưa ra từ bản CAD chi tiết và sau đó là điều khiển các máy CNC hoạt động.

Việc sử dụng công nghệ CAM này làm cho máy móc tự động hóa hoạt động theo lập trình đã được cài đặt sẵn. Lúc này, kỹ thuật viên đóng vai trò là giám sát, đặt lệch cho trương trình hoạt động của máy móc. [1] Các sản phẩm khuôn nhựa mẫu được chế tạo thành công và độ dung sai của mỗi khuôn được hạn chế ở mức tối đa. SVTH: Lê Xuân Tùng GVHD: ThS.

Ngô Tấn Thống Cao Phạm Tiến Việt 4 Đề tài: Tính Toán-Thiết Kế Khuôn Đúc Nắp Ổ Cắm Điện Hình 1. 3 Ứng dụng CAM vào chế tạo khuôn nhựa • Ứng dụng CNC trong chế tạo khuôn nhựa: CNC chính là những đời máy móc công nghệ cao, hiện đại và có độ chính xác gần như tuyệt đối. Máy CNC gồm: máy cắt, máy tiện, máy phay, đột laser…những chiếc máy công nghiệp đời mới. Hệ thống máy móc CNC hoạt động một cách tự động hóa qua sự lập trình trên phần mềm CAM.

Về mặt chất và lượng của sản phẩm không thể bàn cãi vì trình độ xuất sắc nhất của máy móc đạt tiêu chuẩn hàng đầu Thế giới. Dù là những khuôn nhựa cỡ lớn hay những khuôn mẫu nhựa cỡ nhỏ, các loại máy móc CNC này đều có thể tạo ra thành phẩm có độ chính xác cao. • Phương pháp gia công Plasma: Đây là phương pháp sử dụng nhiệt độ rất cao và tốc độ chuyển động lớn của khí từ miệng phun của đầu Plasmatron để làm nóng chảy và thổi kim loại khỏi rãnh cắt. Ưu điểm của phương pháp này: - Cho ra đời những sản phẩm đồng nhất, điều này rất quan trọng trong việc gia công với số lượng lớn.

- Máy có tính linh hoạt cao. Gia công mọi hình dáng chỉ cần nạp vào máy chương trình cần gia công. - Máy có tốc độ cắt rất nhanh. Thời gian gia công ngắn.

- Có thể cắt được nhiều loại vật liệu khác nhau, cắt tốt trên kim loại dày. Tuy nhiên, sau khi gia công bằng phương pháp Plasma bạn phải làm vệ sinh lại sản phẩm nên rất mất thời gian. SVTH: Lê Xuân Tùng GVHD: ThS. Ngô Tấn Thống Cao Phạm Tiến Việt 5 Đề tài: Tính Toán-Thiết Kế Khuôn Đúc Nắp Ổ Cắm Điện Hình 1.

4 Công nghệ gia công khuôn mẫu bằng Plasma • Phương pháp gia công khuôn mẫu laser: Công nghệ khắc khuôn mẫu bằng laser mang lại cho nền công nghiệp chế tạo khuôn mẫu khá nhiều lợi ích quan trọng. Một trong những lợi thế đó là khả năng xử lý vật liệu không tiếp xúc, khả năng tập trung các chùm tia cao giúp tạo ra các vết khắc bền, không dễ bị hư hỏng hay bong tróc. Trên thực tế, quy trình xử lý không tiếp xúc giúp làm giảm nguy cơ gây hại và gây biến dạng khuôn mẫu. Bên cạnh đó, do đặc tính không làm hao mòn vật liệu, công nghệ laser luôn đảm bảo độ khắc chính xác cao và có khả năng khắc lặp lại hàng loạt.

• Các dụng cụ và vật tư sử dụng để đánh bóng khuôn mẫu.Tùy vào yêu cầu khuôn, quy trình của mỗi nhà sản xuất, chất lượng tay nghề của công nhân, kinh nghiệm thực tế mà mỗi nhà sản xuất khuôn sẽ sử dụng các quy trình cũng như vật liệu để đánh bóng khác nhau. Tuy nhiên, chung lại, các vật tư, vật liệu, dụng cụ, máy móc dưới đây được dùng rộng rãi trong lĩnh vực đánh bóng khuôn mẫu. • Giũa thép - Giũa kim cương: Là dụng cụ cơ bản sử dụng để mài thô hoặc đánh bóng thô. Giũa thép hoặc giũa mạ kim cương cần có nhiều hình dạng, kích thước khác nhau để có thể tiếp xúc được đến những chi tiết khó.

6 Dũa kim loại – dụng cụ gia công cơ khí cầm tay Hình 1. 5 Công nghệ khắc khuôn mẫu bằng tia laser • Thanh Ceramic: SVTH: Lê Xuân Tùng GVHD: ThS. Ngô Tấn Thống Cao Phạm Tiến Việt 6 Đề tài: Tính Toán-Thiết Kế Khuôn Đúc Nắp Ổ Cắm Điện Ceramic là vật liệu cứng, bền. Thanh ceramic đánh bóng khuôn với yêu cầu cơ bản có thể tiếp xúc với các vị trí, khó thanh Ceramic được cung cấp với nhiều kích thước và độ nhám khác nhau.

Thanh Ceramic có thể sử dụng để đánh bóng thủ công hoặc ghép với các máy đánh bóng. 7 Thanh Ceramic • Thanh gỗ, bông gỗ mềm đánh bóng: Thanh gỗ bao gồm thanh gỗ mềm đánh bóng tinh và thanh gỗ cứng để mài hoặc đánh bóng thô với các hình dạng như: Dạng khối chữ nhật, dạng bản mỏng, thiết kế góc nghiêng khác nhau phục vụ cho nhiều loại khuôn khác nhau. • Chổi đánh bóng khuôn - Bông gỗ mềm đánh bóng, ngoài ra còn có các loại vật tư khác như: Giấy mềm, đá mài, bông, bông vải, lơ đánh bóng.