Đồ án: Tính toán và thiết kế khuôn ép phun nắp chai Sunlight (NX 10.0)

Tài liệu đồ án tốt nghiệp chi tiết về tính toán, thiết kế khuôn nắp chai Sunlight. Bao gồm quy trình ép phun, phân tích CAE, thiết kế hoàn chỉnh trên NX.

• Tác giả: Trần Thanh Phương
• 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 Kỹ Thuật Cơ Khí
• Đề tài: Tính Toán Và Thiết Kế Khuôn Nắp Chai Sunlight
• Loại tài liệu: Đồ Án Tốt Nghiệp
• Năm xuất bản: 2015
• Địa điểm: Thành Phố Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Tổng quan về thiết kế khuôn nắp chai Sunlight

Thiết kế khuôn nắp chai Sunlight là một đề tài quan trọng trong lĩnh vực công nghệ kỹ thuật cơ khí, đặc biệt là trong ngành công nghiệp ép phun nhựa. Đồ án tốt nghiệp này tập trung vào việc tính toán và thiết kế bộ khuôn ba tấm cho sản phẩm nắp chai Sunlight, một sản phẩm tiêu dùng phổ biến. Quá trình thiết kế đòi hỏi sự kết hợp giữa các kiến thức về vật liệu nhựa, công nghệ ép phun, và các phần mềm thiết kế hiện đại như NX 10.0. Khuôn ép phun nhựa là một thành phần then chốt để tạo ra các sản phẩm nhựa với chất lượng cao, độ chính xác cao và hiệu suất sản xuất tối ưu. Việc thiết kế khuôn không chỉ cần đáp ứng các yêu cầu kỹ thuật mà còn phải xem xét các ràng buộc thực tế về chi phí, thời gian sản xuất và khả năng bảo trì.

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

Khuôn ép phun là công cụ chính để tạo ra các sản phẩm nhựa với độ chính xác cao. Khuôn phải có khả năng chịu được áp suất cao, nhiệt độ cao, và phải có tuổi thọ dài. Tầm quan trọng của việc thiết kế khuôn nắp chai nằm ở việc đảm bảo chất lượng sản phẩm, giảm chi phí sản xuất, và tăng hiệu suất dây chuyền sản xuất.

1.2. Ứng dụng công nghệ CAD CAE trong thiết kế

Phần mềm NX 10.0 được sử dụng để thiết kế sản phẩm nắp chai Sunlight và tối ưu hóa khuôn ép. Công nghệ phân tích CAE giúp kiểm tra các thông số kỹ thuật, tối ưu hóa kênh dẫn, đường làm nguội, và dự đoán độ bền của khuôn trước khi sản xuất.

II. Quy trình thiết kế và tính toán khuôn nắp chai

Quy trình thiết kế khuôn ép phun nắp chai Sunlight bao gồm nhiều bước quan trọng, từ phân tích sản phẩm đến tối ưu hóa hệ thống kênh dẫn và đường làm nguội. Đầu tiên, các kỹ sư phải hiểu rõ thông số kỹ thuật của sản phẩm nắp chai, bao gồm kích thước, hình dạng, độ dày thành và các yêu cầu về tính năng. Tiếp theo là lựa chọn vật liệu nhựa phù hợp, thường là các loại nhựa polypropylene (PP) hoặc polyethylene (PE) có khả năng chịu nhiệt tốt. Sau đó, các kỹ sư sử dụng phần mềm NX 10.0 để thiết kế bộ khuôn ba tấm bao gồm phần cố định, phần chuyển động, và hệ thống chắn lạnh. Bước cuối cùng là phân tích CAE để kiểm tra áp lực, nhiệt độ, và thời gian chu kỳ ép để đảm bảo khuôn hoạt động hiệu quả.

2.1. Các bước phân tích sản phẩm và lựa chọn vật liệu

Bước đầu tiên là phân tích sản phẩm nắp chai Sunlight để xác định các thông số kỹ thuật chi tiết. Tiếp theo là lựa chọn loại nhựa phù hợp dựa trên các yêu cầu về độ cứng, khả năng chịu nhiệt, và tính thẩm mỹ. Các loại nhựa thường được sử dụng bao gồm PP, PE, hoặc các hợp chất nhựa khác.

2.2. Thiết kế hệ thống kênh dẫn và đường làm nguội

Hệ thống kênh dẫn là đường dẫn nhựa nóng chảy từ phần tiêm vào khuôn đến các điểm phun. Đường làm nguội giúp làm lạnh khuôn và sản phẩm sau mỗi chu kỳ ép. Thiết kế tối ưu của hai hệ thống này ảnh hưởng lớn đến thời gian chu kỳ, chất lượng sản phẩm, và tuổi thọ khuôn.

III. Phân tích kỹ thuật và tối ưu hóa thông số ép phun

Phân tích CAE là một phần không thể thiếu trong thiết kế khuôn nắp chai Sunlight hiện đại. Quá trình này bao gồm mô phỏng quá trình ép phun để xác định các thông số tối ưu như số điểm phun, vị trí điểm phun, áp suất ép phun, nhiệt độ nắn nhựa, và thời gian mỗi chu kỳ. Phần mềm NX 10.0 cho phép mô phỏng dòng chảy nhựa, dự đoán các vị trí có thể bị mất mát hoặc bong tách, và kiểm tra độ bền của khuôn dưới áp lực hoạt động. Việc tối ưu hóa các thông số giúp giảm thời gian chu kỳ từ 30-50%, cải thiện chất lượng sản phẩm, và kéo dài tuổi thọ khuôn. Ngoài ra, phân tích CAE còn giúp phát hiện các khiếm khuyết tiềm ẩn trong thiết kế trước khi sản xuất khuôn thực tế.

3.1. Mô phỏng và phân tích dòng chảy nhựa

Mô phỏng dòng chảy giúp các kỹ sư hiểu rõ cách nhựa nóng chảy di chuyển qua kênh dẫn và điểm phun. Phân tích này phát hiện các vị trí có dòng chảy chậm, tạo các vết hàn yếu, hoặc các khu vực bị mất mát. Kết quả mô phỏng giúp điều chỉnh vị trí và kích thước điểm phun để đạt được chất lượng sản phẩm tối ưu.

3.2. Kiểm tra độ bền và ứng suất khuôn

Phân tích ứng suất xác định các điểm yếu trong cấu trúc khuôn dưới áp lực hoạt động. Kỹ sư sử dụng phần mềm FEA để kiểm tra độ bền, biến dạng, và tuổi thọ mệt của khuôn. Các kết quả này giúp tối ưu hóa thiết kế để tăng độ bền và giảm chi phí sản xuất khuôn.

IV. Ứng dụng thực tiễn và triển khai sản xuất

Sau khi hoàn thành thiết kế khuôn nắp chai Sunlight và phân tích CAE, bước tiếp theo là chế tạo khuôn theo các bản vẽ chi tiết. Bộ khuôn ba tấm bao gồm phần cố định trên máy ép, phần chuyển động để tách sản phẩm, và hệ thống kênh dẫn và làm nguội được chế tạo với độ chính xác cao. Sau đó, khuôn phải được lắp ráp, hiệu chỉnh, và thử nghiệm trước khi đưa vào sản xuất. Quy trình công nghệ cho ép phun nắp chai bao gồm việc thiết lập các thông số máy ép như nhiệt độ, áp suất, thời gian giữ áp, và thời gian làm nguội. Việc tối ưu hóa quy trình sản xuất dựa trên các kết quả mô phỏng CAE giúp đạt được sản phẩm với chất lượng cao, chi phí thấp, và đáp ứng các tiêu chuẩn ngành công nghiệp.

4.1. Chế tạo lắp ráp và hiệu chỉnh khuôn

Chế tạo khuôn ép phun đòi hỏi sự chính xác cao và kỹ năng chuyên môn. Các bộ phận của khuôn nắp chai phải được gia công với độ chính xác ±0.01-0.05mm. Sau gia công, các bộ phận được lắp ráp và hiệu chỉnh để đảm bảo khuôn hoạt động trơn tru, không bị kẹt, và sản phẩm có chất lượng đồng nhất.

4.2. Thiết lập thông số máy ép và tối ưu hóa quy trình

Thông số máy ép nhựa như nhiệt độ, áp suất phun, thời gian giữ áp, và thời gian làm nguội phải được thiết lập đúng để sản xuất nắp chai chất lượng cao. Các kỹ sư sử dụng dữ liệu từ mô phỏng CAE để thiết lập ban đầu và sau đó tinh chỉnh dựa trên thử nghiệm sản xuất thực tế để đạt hiệu suất tối ưu.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ KHUÔN ÉP NHỰA VÀ GIỚI THIỆU SẢN PHẨM 1.1 Tổng quan về khuôn ép nhựa.1 Khái niệm chung về khuôn. - Là cụm gồm nhiều chi tiết lắp với nhau để tạo thành một bộ khuôn hoàn chỉnh. Sản phẩm được tạo hình giữa 2 phần khuôn, khoảng trống giữa 2 phần đó là hình dạng của sản phẩm cần tạo. - 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 cũng có thể là nhiều lần.

- Bao gồm 2 phần khuôn chính:  Phần cavity (khuôn cái, khuôn cố định): được gá lên tấm cố định của máy ép nhựa.  Phần core (khuôn đực, khuôn di động): được gá lên tấm di động của máy ép nhựa. Tấm cavity Tấm core Hình1.1 Khuôn âm và khuôn dương ở trạng thái đóng.2 Kết cấu chung 1 bộ khuôn Ngoài Core và Cavity thì trong khuôn còn rất nhiều bộ phận khác. Các bộ phận này lắp ghép với nhau tạo thành những hệ thống cơ bản của bộ khuôn: -Hệ thống dẫn hướng, định vị: chốt dẫn hướng, bạc dẫn hướng, vòng định vị, chốt hồi.

-Hệ thống dẫn nhựa vào lòng khuôn: bạc cuống phun, kênh dẫn nhựa … -Hệ thống đẩy sản phẩm: chốt đẩy, chốt hồi, chốt đỡ, bạc chốt đỡ, tấm đẩy, tấm giữ… -Hệ thống lõi mặt bên: lõi mặt bên, má lõi, thanh dẫn hướng, cam chốt xiên, xylanh thủy lực. - Hệ thống thoát khí. 1 - Hệ thống làm nguội: đường nước, rãnh, ống dẫn nhiệt, đầu nối… 1 – Tấm kẹp trước. 6 – Bạc cuống phun.

2 – Sản phẩm nhựa. 17 – Chốt định vị. 3 – Đường làm nguội. 8 – Khóa khuôn đực.

13 – Tấm kẹp sau. 4 – Vòng định vị. 9 – Bạc dẫn hướng. 5 – Kênh dẫn nhựa.

10 – Chốt dẫn hướng. 20 – Tấm kẹp sau.2 Kết cấu chung của 1 bộ khuôn.3 Phân loại khuôn ép phun. Khuôn 2 tấm là khuôn ép phun dùng hệ thống kênh dẫn nguội, kênh dẫn nằm ngang mặt phân khuôn, cổng vào nhựa nằm ngang mặt sản phẩm và khi mở khuôn thì có một khoảng mở để lấy sản phẩm và kênh dẫn nhựa. 2 Có thể thiết kế cổng vào nhựa để sản phẩm và kênh dẫn nhựa tự động tách rời và không tách rời khi sản phẩm và kênh dẫn nhựa được lấy ra khỏi khuôn.

Khuôn 2 tấm được sử dụng rất thông dụng trong hệ thống khuôn ép phun Kết cấu khuôn đơn giản, dễ chế tạo nhưng chỉ sử dụng khuôn 2 tấm cho những sản phẩm dễ bố trí cổng vào nhựa.3 Cấu tạo khuôn 2 tấm. Khuôn 3 tấm là khuôn ép phun dùng hệ thống kênh dẫn nguội, kênh dẫn được bố trí trên 2 mặt phẳng, khi mở khuôn thì có một khoảng mở để lấy sản phẩm và một khoảng mở khác để lấy kênh dẫn nhựa. Sản phẩm và kênh dẫn luôn tự động tách rời nhau khi sản phẩm và kênh dẫn được lấy ra khỏi khuôn. Đối với sản phẩm loại lớn cần nhiều miệng phun hoặc khuôn nhiều lòng, cần nhiều miệng phun thì có thể sử dụng khuôn 3 tấm.4 Khuôn 3 tấm 2 lòng khuôn.

3 c) Khuôn nhiều tầng (stack mold). Khuôn nhiều tầng là khuôn ép phun do 2 hay nhiều bộ khuôn ghép lại với nhau, để tăng năng suất (tăng số lượng sản phẩm trong 1 chu kỳ ép). Khuôn nhiều tầng có thể dùng hệ thống kênh dẫn nguội hoặc kênh dẫn nóng. Hiện nay, khuôn nhiều tầng dùng kênh dẫn nóng được sử dụng rộng rãi hơn do chiều dài kênh dẫn trên khuôn nhiều tầng quá dài, khó đảm bảo nhiệt độ và áp suất nếu dùng kênh dẫn nguội.5 Hình thực tế bộ khuôn nhiều tầng và hệ thống bơm nhựa + hệ thống gia nhiệt.2 Tổng quan về vật liệu nhựa sử dụng trong công nghệ ép phun.

Vật liệu nhựa là điều kiện quan trọng quyết định đến toàn bộ quá trình thiết kế, gia công khuôn ép phun. Mỗi một sản phẩm hay một chu trình ép phun đều có những tính chất đặc trưng và yêu cầu kỹ thuật khác nhau, ví dụ: độ dẻo, độ bóng bề mặt, màu sắc, độ cứng… Vì vậy cần chọn loại vật liệu nhựa thích hợp để tránh những sai hỏng trong quá trình ép cũng như đảm bảo được yêu cầu về cơ tính và thẩm mỹ của sản phẩm. Polymer là những hợp chất mà trong phân tử của chúng gồm những nhóm nguyên tử được nối với nhau bằng những liên kết hóa học tạo thành những mạch dài và có khối lượng phân tử lớn. Trong mạch chính của polymer, những nhóm nguyên tử này được lặp đi lặp lại nhiều lần.

Ví dụ: polyetylen [-CH2-CH2-]n, Acrylonitrin butadien styren (ABS) [C8H8-C4H6- C3H3N]n, … a) Phân loại. - Dựa vào nguồn gốc: polymer thiên nhiên, nhân tạo và polymer tổng hợp. - Dựa vào tính chất cơ lý: chất dẻo và chất đàn hồi. Đây là cách phân loại phổ biến nhất, liên hệ với cấu trúc và chúng xác định sự thích ứng với yêu cầu công nghiệp.

4  Nhựa nhiệt dẻo: là nhóm vật liệu cao phân tử quan trọng nhất trong các polymer tổng hợp, bao gồm các cao phân tử có kích thước nhất định, mạch thẳng hay phân nhánh. Có thể chuyển trạng thái rắn sang trạng thái dẻo bởi sự gia tăng nhiệt độ và quá trình này thuận nghịch, có thể lặp đi lặp lại nhiều lần. Trong quá trình tác dụng nhiệt, nhựa nhiệt dẻo chỉ thay đổi tính chất vật lý mà không xảy ra phản ứng hóa học. Do đó, nhựa nhiệt dẻo có thể tái sinh (trừ PTFE, polytetraflouroethylene) Ví dụ: PE, PP, PVC, PS, PMMA…  Nhựa nhiệt rắn: mật độ nối ngang dày đặc, cao hơn từ 10 đến 1.000 lần so với cao su Nhựa nhiệt rắn tạo mạng không gian ba chiều thành cao phân tử, có kích thước vô cùng lớn so với nguyên tử, có tính chất rất cao so với nhựa nhiệt dẻo, nhất là khảnăng chịu nhiệt, ngoài ra nhựa nhiệt rắn không tan, không chảy và cũng không tái sinh được.

Ví dụ: PF, PU, nhựa epoxy, silicone…  Cao su, chất đàn hồi: là những polymer mạch thẳng có lực liên kết thứ cấp rất yếu, vật liệu ở dạng chất lỏng rất nhớt. Để sử dụng, phải tạo liên kết ngang giữa các mạch phân tử để tạo mạng không gian ba chiều. Đặc trưng của cao su là nó có khảnăng dãn dài lên đến 1. Tuy nhiên, do có liên kết ngang nên nó không thể tái sinh được.

- Dựa vào công dụng:  Nhựa thông dụng: PE, PP, PVC, PS, ABS, HIPS…  Nhựa kỹ thuật: PA, PC, POM, Teflon…  Nhựa chuyên dụng: PE khối lượng phân tử cực cao, PTFE, PPS, PPO… b) Các tính chất của Polymer. Một số tính chất cơ học quan trọng của vật liệu nhựa: độ bền kéo, độ dãn dài, độ cứng, độ dai va đập, chống mài mòn, module đàn hồi…  Độ bền cơ học. Độ bền cơ học là khả năng chống lại sự phá hoại dưới tác dụng của các lực cơ học. Độ bền của một sản phẩm làm bằng vật liệu polymer phụ thuộc nhiều yếu tố như: - Chế độ trùng hợp, loại xúc tác, phụ gia… - Phương pháp gia công.

- Kết cấu, hình dạng sản phẩm… - Thông số cơ bản phản ánh độ bền Polymer: 5  Giới hạn bền (𝜎b) là giá trị ứng suất mà mẫu bị phá hoại trong những điều kiện đã cho. Giới hạn bền có thể được xác định theo một số loại biến dạng khác nhau như biến dạng kéo đứt, biến dạng nén, biến dạng uốn… tương ứng là độ bền kéo đứt, độ bền nén, và độ bền uốn…  Độ bền kéo đứt là khả năng chịu lực của vật liệu khi bị kéo dãn bằng một lực xác định ở tốc độ kéo dãn xác định ra cho đến lúc đứt. Độ bền uốn là khả năng chịu lực của vật liệu khi chịu uốn.  Độ bền nén là khả năng chịu lực của vật liệu khi bị nén.

 Giới hạn bền của polymer phụ thuộc vào nhiệt độ môi trường thử nghiệm và thời gian tác dụng của lực nên khi so sánh độ bền các polymer với nhau phải so sánh ở cùng điều kiện thử nghiệm.  Độ biến dạng tương đối (e) là giá trị biến dạng tăng đến cực đại tại thời điểm đứt.  Độ biến dạng cực đại tương đối cũng phụ thuộc loại biến dạng, tốc độ biến dạng và nhiệt độ. Nó phép suy luận vật liệu đang ở trạng thái nào khi đứt.

Ví dụ: khi vật thể giòn bị đứt, độ biến dạng cực đại tương đối không vượt quá vài %, còn trạng thái mềm cao từ hàng trăm phần trăm đến phần ngàn.Trong trường hợp kéo đơn trục, độ biến dạng tương đối cực đại có thể là độ dãn dài khi đứt.  Độ dai va đập. Hiện trạng chống lại tải trọng động của chất dẻo thường có thể phân tích bằng kết quả kiểm tra độ dai va đập Thực hiện trên thiết bị Charpy – dùng con lắc dao động (búa) để phá vỡ mẫu thử được kẹp chặt hai đầu, xác định công va đập riêng trên 1 đơn vị diện tích mẫu thử (kJ/m2).  Modun đàn hồi.

Đặc trưng cho độ cứng của vật liệu hoặc đặc trưng cho tính chất của vật liệu, mà dưới tác dụng của một lực đã cho thì sự biến dạng của mẫu thữ xảy ra đến mức nào. Vật liệu đàn hồi lý tưởng, trong quá trình chịu tải, cho đến giới hạn chảy thì độ dãn dài tỷ lệthuận với ứng suất. Hệ số tỷ lệ chính là modun đàn hồi, ký hiệu là E (N/mm2). Một số tính chất vật lý của nhựa: tỷ trọng, chỉ số nóng chảy, độ nhớt, co rút, tính cách điện, truyền nhiệt…  Tỷ trọng của nhựa.

- Tỷ trọng thể hiện một phần tính chất của nguyên liệu nhựa, đơn vị: g/cm3. - Vật liệu nhựa tương đối nhẹ, tỷ trọng dao động từ 0. Tỷ trọng tăng: lực kéo đứt, nhiệt độ biến mềm, độ kháng hóa chất tăng, ngược lại lực va đập và độ nhớt giảm. Tỷ trọng phụ thuộc vào độ kết tinh: độ kết tinh cao thì tỷ trọng cao.1 Tỷ trọng một số nguyên liệu nhựa thông dụng.

Loại nhựa Tỷ trọng (g/cm3) Loại nhựa Tỷ trọng (g/cm3) PELD 0.20  Chỉ số nóng chảy. Là chỉ số thể hiện tính chảy hay khả năng chảy của vật liệu, rất cần thiết trong quá trình chọn lựa nguyên vật liệu và công nghệ gia công. Chỉ số nóng chảy càng lớn thể hiện tính lưu động của nhựa càng cao và càng dễ gia công. Đơn vị tính: g/10 phút (ở điều kiện áp suất và nhiệt độ nhất định theo tiêu chuẩn đo).Tiêu chuẩn đo chỉ số nóng chảy là ASTM D1238.

Chỉ số chảy cao: - Trọng lượng phân tử thấp, dễ chảy. - Dùng nhiệt độ, áp suất gia công thấp. - Chu kỳ sản xuất ngắn. - Dễ gia công và sản phẩm đạt chất lượng hơn.