Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Đồ án tốt nghiệp này thuộc ngành Công nghệ Chế tạo máy, được thực hiện tại Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM (khóa 2012–2016) bởi nhóm ba sinh viên: Lê Thành Công, Đinh Minh Trí và Lê Minh Trí, dưới sự hướng dẫn của KS. Hồ Viết Bình. Đây là đồ án thiết kế–chế tạo hệ thống máy kết hợp, không phải nghiên cứu lý luận hay khảo sát định lượng.

Bối cảnh thực tiễn: Ngành in ấn bao bì tại Việt Nam đang trong giai đoạn tăng trưởng, với nhu cầu ngày càng cao về hộp giấy, túi giấy, name card, folder và các ấn phẩm trang trí bề mặt bằng kỹ thuật ép nhũ. Tuy nhiên, theo nhận định trong đồ án, trình độ công nghệ của các doanh nghiệp sản xuất ép nhũ trong nước đã lạc hậu từ 2 đến 3 thế hệ so với khu vực, sản phẩm chất lượng thấp và chưa đủ sức cạnh tranh với doanh nghiệp nước ngoài. Trên thị trường hiện có nhiều máy ép và máy bế giấy riêng lẻ, song chưa có giải pháp tích hợp đa chức năng quy mô nhỏ phù hợp với hộ gia đình và xưởng có diện tích làm việc hạn chế.

Mục tiêu đề tài: Nghiên cứu, cải tiến và chế tạo máy tích hợp ba chức năng — ép nhiệt, ép nhũ và bế giấy — nhằm nâng cao chất lượng sản phẩm, rút ngắn thời gian và chi phí sản xuất, tối đa hóa lợi nhuận cho các cơ sở quy mô nhỏ.

Nhiệm vụ thiết kế (theo phiếu giao nhiệm vụ):

  1. Tìm hiểu các sản phẩm từ giấy 3 lớp, da-simili và công nghệ sản xuất chúng.
  2. Tìm hiểu nguyên lý các máy ép nhiệt, ép nhũ và bế giấy hiện có trên thị trường.
  3. Tính toán thiết kế máy, bao gồm: động học và năng suất máy, hệ thống cấp nhiệt, lực ép và công suất máy, khuôn ép, sức bền các cơ cấu chịu lực, hệ thống điều khiển, hệ thống cấp liệu và lấy sản phẩm, giá thành máy.
  4. Lập bản vẽ thiết kế, bản vẽ chế tạo, bản vẽ sơ đồ khối 3D và bản vẽ khuôn ép.
  5. Chế tạo máy thực tế và đưa vào quy trình hoạt động thử nghiệm.

Đối tượng và phạm vi:

  • Vật liệu gia công: giấy 3 lớp, da-simili, nhũ cuộn hoặc rời.
  • Sản phẩm đầu ra: hộp giấy, bìa sổ da, name card, bao thư, folder, thiệp có ép nhũ.
  • Năng suất thiết kế: 40 sản phẩm/phút.
  • Thời gian thực hiện: từ 05/03/2016 đến 15/07/2016 (hơn 4 tháng), có hỗ trợ thực tế tại DNTN Dịch Vụ Chế Tạo Máy TRẦN ANH và nguyên liệu từ Công ty TNHH MTV VIỆT GIA BẢO.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Khung kỹ thuật và nguyên lý ứng dụng:

Đồ án dựa trên các nguyên lý kỹ thuật của ba lĩnh vực chuyên môn:

  • Ép nhũ nóng (hot foil stamping): Sử dụng nhiệt độ trong khoảng 90°C đến 150°C, lực ép trung bình 4 kg/cm², để ép giấy kim loại (nhũ vàng, bạc, màu) lên bề mặt sản phẩm thông qua khuôn nổi.
  • Truyền động thủy lực: Hệ thống xi lanh thủy lực tạo lực ép, với áp suất làm việc thiết kế là p = 14 bar; lực ép đầu cần piston F = 700 kg (7.000 N).
  • Truyền nhiệt trong chất rắn: Áp dụng phương trình hệ số dẫn nhiệt λ = λ₀(1 + bt) để chọn vật liệu làm khuôn và bộ gia nhiệt; lý thuyết dẫn nhiệt được tra theo bảng hệ số dẫn nhiệt của các kim loại và hợp kim.

Phương pháp thực hiện:

Đây là đồ án thiết kế–chế tạo hệ thống máy, áp dụng quy trình kỹ thuật gồm các bước tuần tự:

  1. Nghiên cứu thực trạng công nghệ và khảo sát máy hiện có trên thị trường.
  2. Phân tích–tổng hợp nguyên lý hoạt động và ưu/nhược điểm của từng loại máy tham khảo.
  3. Tính toán các thông số kỹ thuật (thủy lực, nhiệt, sức bền).
  4. Thiết kế chi tiết máy và lập bản vẽ bằng phần mềm kỹ thuật (mô hình 3D).
  5. Chế tạo thực tế, lắp ráp và kiểm tra vận hành.
  6. Khắc phục lỗi phát sinh và đưa máy vào quy trình hoạt động thực tiễn.

Nguồn dữ liệu: Tài liệu kỹ thuật tham khảo từ ngành thủy lực, thông số kỹ thuật của thiết bị thị trường (máy ép nhũ thủy lực A3, máy khí nén, máy bế hộp ML-750), hỗ trợ thực tế tại doanh nghiệp chế tạo máy, và dữ liệu từ nhà sản xuất nhũ (Công ty TNHH Ngô Hiệp).

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan về máy ép nhũ, ép nhiệt và bế giấy

Chương này trình bày bối cảnh ngành in ấn bao bì tại Việt Nam, phân tích tình hình sản xuất và tiêu thụ, từ đó xác định tính cấp thiết của đề tài. Ép nhũ được giới thiệu là kỹ thuật lâu đời trong ngành in, với ứng dụng trên giấy, da simili, folder và name card. Ép nhũ nóng được nhấn mạnh là phương pháp mang lại độ bóng và hiệu ứng kim loại cao mà các loại mực nhũ thông thường không đạt được. Chương nêu rõ mục tiêu cải tiến máy tích hợp ba chức năng và xác nhận trình độ công nghệ ép nhũ trong nước lạc hậu từ 2 đến 3 thế hệ so với khu vực.

Chương 2: Tổng quan về các sản phẩm của máy ép nhũ, ép nhiệt và bế giấy

Chương mô tả chi tiết các loại vật liệu đầu vào và sản phẩm đầu ra. Về giấy carton sóng, đồ án liệt kê đầy đủ các loại sóng từ A đến BC, AC với thông số độ cao sóng cụ thể:

Loại sóng Độ cao sóng Đặc tính chịu lực
Sóng A 4,5–5 mm Chịu lực phân tán tốt trên toàn bề mặt
Sóng B 2,5–3 mm Chịu lực xuyên thủng cao
Sóng C 3,5–4 mm Kết hợp ưu điểm của A và B
Sóng E 1,1–2 mm Dùng cho vật nhẹ
Sóng BC Đôi B+C Đáp ứng độ dày và khả năng chịu lực cao
Sóng AC Đôi A+C Chịu lực tối ưu

Công nghệ bế giấy được phân tích qua quy trình làm khuôn (thiết kế file, cắt laser tấm gỗ, uốn dao, đóng dao lên đế, kiểm tra KCS) và quy trình bế (dập tạo hình, loại bỏ giấy thừa). Công nghệ ép nhũ nóng được trình bày với thông số chuẩn: nhiệt độ ép 90°C–150°C, lực ép trung bình 4 kg/cm². Các màu nhũ phổ biến trên thị trường được liệt kê bao gồm bạc, vàng 18, vàng 22, vàng 24, bạc mờ, vàng mờ và các màu đỏ, xanh, đen, cam, tím.

Chương 3: Tìm hiểu về các loại máy bế giấy, ép nhũ, ép nhiệt và ý tưởng thiết kế máy

Chương khảo sát các máy hiện có trên thị trường, bao gồm:

  • Máy ép nhũ thủy lực A3: Bàn nhiệt 300×420 mm, bàn sản phẩm 600×800 mm, xi lanh Ø80×125 mm, công suất nhiệt 3 kW, điện áp 220V–380V, bộ nguồn thủy lực 2HP, trọng lượng 400 kg, lực ép 3.000 kg.
  • Máy ép nhũ khí nén: Bàn ép 220×300 mm, công suất nhiệt 3 kW, điện áp 220V 1 pha.
  • Máy bế hộp ML-750: Kích thước làm việc 750×520 mm, tốc độ 25±2 lần dập/phút, công suất motor 2 (kW — không ghi rõ giá trị trong văn bản).

Từ phân tích này, nhóm đề xuất ý tưởng thiết kế máy tích hợp cả ba chức năng trong một thiết bị nhỏ gọn, có 4 bánh xe di chuyển được, bàn ép phẳng để phân bố lực đồng đều, piston tác động từ trên xuống. Mô hình 3D thiết kế được lập với các bộ phận chính: piston, tấm giá đỡ, tấm ép, trục dẫn hướng và thùng dầu. Chương cũng nêu thẳng các nhược điểm của thiết kế: khó canh đồng tâm giữa các lỗ và trục, không có bộ phận cấp phôi tự động, không phù hợp với sản xuất công ty quy mô lớn.

Chương 4: Tính toán thiết kế hệ truyền động thủy lực

Đây là chương trọng tâm về tính toán kỹ thuật, bao gồm các hạng mục:

Xi lanh thủy lực: Áp suất hệ thống p = 14 bar; lực ép F = 700 kg (7.000 N); thời gian hành trình tiến t₁ = 20 s, hành trình lùi t₂ = 10 s, thời gian giữ ép t₃ = 10 s; hành trình s = 400 mm. Đường kính trong xi lanh chọn D = 80 mm, đường kính ngoài Dng = 100 mm.

Đường ống thủy lực: Vận tốc dầu trên đường hút 0,8–1,2 m/s, đường đẩy 3–5 m/s, đường xả 1,0–1,6 m/s. Đường kính ống hút và hồi khoảng 7–10,3 mm; ống đẩy 4–5 mm, chịu áp đến 200 bar.

Bơm nguồn: Chọn bơm bánh răng với áp suất bơm PB = 18 bar, lưu lượng Q = 5 l/ph (lưu lượng yêu cầu 4,02 l/ph), lưu lượng riêng q = 4 cc, tốc độ quay n = 1.445 vg/ph. Chất lỏng làm việc là dầu thủy lực CS32, độ nhớt 32×10⁻⁶ m²/s, trọng lượng riêng 8,5×10³ N/m³. Công suất thủy lực hệ thống N = 1,7 kW.

Bể dầu: Kích thước 300×400×200 mm (hình hộp chữ nhật), mức dầu cao nhất bằng 0,7–0,8 chiều cao thành bể, đáy bể nghiêng 3°–8°.

Kiểm tra bền: Trục Ø14 mm (ren M14×1,5) chịu lực kéo 1.750 N trên mỗi trục (tổng lực 7.000 N chia đều 4 trục), ứng suất kéo tính được [σ] = 14,27 N/mm², nhỏ hơn nhiều so với giới hạn cho phép của thép CT3 theo tiêu chuẩn ГОСТ 380–89 là 373–461 N/mm², đạt điều kiện bền. Độ võng của tấm giá đỡ được kiểm tra khi lực ép cực đại F = 7.000 N tác dụng lên 4 trục Ø10 mm, kết quả được trình bày qua mô phỏng đồ họa.

Mạch điều khiển: Van phân phối 4/3 điều khiển bằng điện (24 VDC hoặc 220 VAC), lưu lượng qua van Q = 5,78 l/ph. Mạch điều khiển thủy lực sử dụng rơle thời gian KT (5 giây), bàn đạp BĐ và công tắc 3 cực. Mạch điều khiển động cơ bơm dùng biến tần chuyển 220V thành 380V cấp cho động cơ 3 pha.

Chương 5: Thiết kế bộ gia nhiệt

Bộ gia nhiệt cung cấp nhiệt cho khuôn trong quá trình ép nhiệt và ép nhũ; khi bế giấy, bộ phận này được tháo ra khỏi máy. Chương trình bày lý thuyết dẫn nhiệt trong chất rắn theo phương trình λ = λ₀(1 + bt) và cung cấp bảng tra hệ số dẫn nhiệt của các kim loại và hợp kim tại nhiều mức nhiệt độ. Dựa trên yêu cầu nhiệt độ ép từ 90°C đến 150°C, vật liệu khuôn được chọn là đồng, bộ gia nhiệt làm từ nhôm. Thiết bị gia nhiệt được chọn là biến trở nhiệt model TR(TW)711/NII với dải nhiệt độ +50°C đến +200°C, độ chính xác ±10°C, tải tiếp điểm 16A/250VAC, đầu dò Ø4×90 mm. Ngoài ra, vòng gia nhiệt được sử dụng để truyền nhiệt đồng đều vào khuôn.

Chương 6: Thiết kế khuôn

Chương xác định yêu cầu kỹ thuật của khuôn ép nhiệt và trình bày trình tự thiết kế khuôn ép logo (ví dụ khuôn logo khoa). Tính toán thể tích và khối lượng của khuôn được thực hiện thông qua phần mềm mô hình hóa 3D. Bề dày khuôn được xác định theo tính toán chịu lực. Khuôn được làm từ vật liệu đồng do hệ số dẫn nhiệt cao (theo bảng tra: λ đồng nguyên chất ≈ 384 W/m°C).

Chương 7: Chế tạo máy ép nhiệt, ép nhũ và bế giấy

Chương ghi lại toàn bộ quy trình chế tạo thực tế tại xưởng, bao gồm: gia công tấm ép, lắp tấm giá đỡ trên, lắp xi lanh và tấm giá đỡ, lắp bạc và ổ bi trượt, lắp bàn ép và các chi tiết, cố định phần cơ khí, lắp đặt hệ thống thủy lực, lắp tủ điện điều khiển. Mỗi bước được minh họa bằng ảnh thực tế.

Chương 8: Kết quả đạt được

Chương trình bày kết quả thử nghiệm máy sau khi hoàn thiện, bao gồm cả mẫu sản phẩm thử nghiệm thành công và kết quả thực nghiệm thất bại, phản ánh trung thực quá trình vận hành thực tế.

Thiết kế và triển khai

Kiến trúc hệ thống máy:

Máy được thiết kế theo cấu trúc tích hợp ba chức năng trong một khung cơ khí duy nhất. Các phân hệ chính gồm:

  • Phân hệ truyền động thủy lực: Xi lanh thủy lực Ø80 mm, bơm bánh răng 5 l/ph, van phân phối 4/3, van an toàn, bể dầu 300×400×200 mm, đồng hồ đo áp tối đa 12 kg/cm².
  • Phân hệ gia nhiệt: Biến trở nhiệt TR(TW)711/NII, vòng gia nhiệt, khuôn đồng.
  • Phân hệ điều khiển điện: Biến tần chuyển đổi 220V–380V cho động cơ 3 pha, rơle thời gian, bàn đạp cơ khí, công tắc 3 cực, tủ điện điều khiển.
  • Kết cấu cơ khí: Tấm ép, tấm giá đỡ, trục dẫn hướng, bạc và ổ bi trượt, 4 bánh xe di chuyển.

Thông số kỹ thuật chính của máy thiết kế:

Thông số Giá trị
Áp suất làm việc 14 bar
Lực ép cần piston 7.000 N (700 kg)
Đường kính xi lanh Ø80 mm (trong), Ø100 mm (ngoài)
Hành trình xi lanh 400 mm
Áp suất bơm 18 bar
Lưu lượng bơm 5 l/ph
Công suất thủy lực 1,7 kW
Nhiệt độ ép 90°C–150°C
Dải biến trở nhiệt +50°C đến +200°C

Kiểm thử: Nhóm thực hiện kiểm tra bền trục Ø14 mm (đạt); kiểm tra độ võng tấm giá đỡ bằng mô phỏng; vận hành thử nghiệm thực tế với ghi nhận cả kết quả thành công và thất bại.

Kết quả và đóng góp

Kết quả chính:

  • Hoàn thành chế tạo máy ép nhiệt, ép nhũ và bế giấy tích hợp trong một thiết bị duy nhất, kích thước nhỏ gọn, có 4 bánh xe di chuyển.
  • Hệ thống thủy lực hoạt động với áp suất 14 bar, lực ép 700 kg, bơm bánh răng 5 l/ph.
  • Bộ gia nhiệt điều chỉnh được nhiệt độ trong dải 90°C–150°C thông qua biến trở nhiệt TR(TW)711/NII.
  • Khuôn ép làm từ đồng, chịu được nhiệt độ và áp lực yêu cầu; trục giữ khuôn Ø14 mm đạt điều kiện bền kéo với ứng suất thực tế 14,27 N/mm² so với giới hạn cho phép 373–461 N/mm².
  • Máy đã được thử nghiệm thực tiễn, ghi nhận cả trường hợp thành công và thất bại.

Giải pháp đề xuất:

  • Thiết kế bàn ép phẳng phân bố lực đồng đều thay vì cơ cấu lăn.
  • Sử dụng bơm bánh răng thay cho bơm piston rotor do phù hợp dải áp suất, chi phí thấp và dễ bảo dưỡng.
  • Tích hợp biến tần để chuyển đổi nguồn điện 220V sang 380V cho động cơ 3 pha, tăng tính linh hoạt lắp đặt.
  • Cho phép tháo rời bộ gia nhiệt khi sử dụng chức năng bế giấy.

Đóng góp so với trước: Theo nhóm tác giả, đóng góp chủ yếu là tích hợp ba chức năng (ép nhiệt, ép nhũ, bế giấy) vào một máy duy nhất với quy mô nhỏ gọn, phù hợp hộ gia đình và xưởng nhỏ — điều mà các máy thương mại hiện có không đáp ứng được do kích thước lớn và giá thành cao.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế được tác giả nêu trực tiếp:

  • Máy không có bộ phận cấp phôi tự động, do đó không phù hợp với công ty sản xuất quy mô lớn.
  • Bề mặt ép phẳng đòi hỏi lực ép lớn; khi ép nhũ, vật liệu nhũ không chuyển động nên năng suất không cao so với máy ép nhũ dạng lăn.
  • Canh đồng tâm giữa các lỗ và trục khó thực hiện, có thể gây mòn trục nếu không căn chỉnh chính xác.
  • Nhóm thừa nhận hạn chế về kinh nghiệm thực tế và khả năng đọc hiểu tài liệu tiếng Anh trong quá trình thực hiện.

Hướng phát triển tiếp theo: Dựa trên phạm vi đề tài, hướng mở rộng khả thi là bổ sung cơ cấu cấp phôi và lấy sản phẩm tự động để tăng năng suất lên mức thiết kế 40 sp/phút, cải tiến cơ cấu dẫn hướng để tăng độ chính xác đồng tâm, và xem xét tích hợp hệ thống điều khiển PLC thay cho mạch rơle.

Giá trị tham khảo

Đồ án phù hợp để tham khảo cho các nhóm đối tượng sau:

  • Sinh viên ngành Công nghệ Chế tạo máy đang thực hiện đồ án tốt nghiệp theo hướng thiết kế–chế tạo thiết bị cơ điện tổng hợp: có thể tham khảo toàn bộ quy trình từ khảo sát thị trường, tính toán thủy lực, thiết kế khuôn đến lắp ráp thực tế.
  • Sinh viên học phần Truyền động thủy lực: Chương 4 cung cấp ví dụ tính toán đầy đủ từ xi lanh, đường ống, bơm nguồn, van phân phối đến bể dầu, kèm các công thức và thông số số cụ thể.
  • Sinh viên học phần Truyền nhiệt – Nhiệt kỹ thuật: Chương 5 có bảng tra hệ số dẫn nhiệt của kim loại và hợp kim tại nhiều mức nhiệt độ, và ví dụ ứng dụng chọn vật liệu làm khuôn.
  • Người làm đề tài về máy in ấn, bao bì hoặc thiết bị gia công bề mặt: Chương 2 và Chương 3 cung cấp thông tin tổng quan về công nghệ ép nhũ nóng, bế giấy và so sánh các máy thương mại hiện có.

Phần đáng tham khảo nhất là Chương 4 (tính toán hệ thống thủy lực) do tính hệ thống và đầy đủ của quy trình tính toán, và Chương 7 (chế tạo thực tế) do ghi chép trung thực cả thành công lẫn thất bại trong quá trình thử nghiệm.

Câu hỏi thường gặp

1. Tại sao nhóm chọn bơm bánh răng thay vì bơm piston hoặc bơm cánh gạt? Bơm bánh răng được chọn vì phù hợp với dải áp suất hệ thống (10–25 bar), dải lưu lượng yêu cầu (Q < 100 l/ph), kết cấu nhỏ gọn, dễ bảo dưỡng và giá thành thấp hơn so với bơm piston rotor hướng kính, piston rotor hướng trục và bơm cánh gạt. Thông số chọn cụ thể: Q = 5 l/ph, PB = 18 bar, lưu lượng riêng q = 4 cc, n = 1.445 vg/ph.

2. Nhiệt độ ép được kiểm soát bằng thiết bị gì và trong dải nào? Nhiệt độ ép được kiểm soát bằng biến trở nhiệt model TR(TW)711/NII (kiểu capillary), có dải nhiệt độ từ +50°C đến +200°C, độ chính xác ±10°C. Theo yêu cầu công nghệ ép nhũ nóng, nhiệt độ làm việc thực tế được chọn trong khoảng 90°C đến 150°C.

3. Trục Ø14 mm giữ cố định xi lanh có đủ bền không và được kiểm tra theo tiêu chuẩn nào? Trục Ø14 mm (ren M14×1,5, đường kính nhỏ nhất Ø12 mm) chịu lực kéo 1.750 N trên mỗi trục khi tổng lực 7.000 N chia đều cho 4 trục. Ứng suất kéo tính được là 14,27 N/mm², được so sánh với ứng suất kéo cho phép của thép CT3 theo tiêu chuẩn ГОСТ 380–89 là 373–461 N/mm². Kết quả đạt điều kiện bền với hệ số an toàn rất lớn.

4. Vật liệu làm khuôn và bộ gia nhiệt được chọn dựa trên cơ sở nào? Khuôn được làm từ đồng vì có hệ số dẫn nhiệt cao (theo bảng trong đồ án: λ đồng ≈ 384 W/m°C), giúp truyền nhiệt nhanh và đồng đều lên bề mặt ép. Bộ gia nhiệt được làm từ nhôm (λ nhôm ≈ 203,5 W/m°C). Việc chọn vật liệu dựa trên bảng tra hệ số dẫn nhiệt λ của các kim loại và hợp kim ở các mức nhiệt độ từ 0°C đến 600°C.

5. Máy thiết kế có những nhược điểm gì so với máy thương mại cùng loại? Theo chính nhóm tác giả: (1) không có bộ phận cấp phôi tự động nên không phù hợp sản xuất quy mô lớn; (2) bề mặt ép phẳng đòi hỏi lực ép lớn hơn và năng suất ép nhũ thấp hơn máy lăn vì vật liệu nhũ không chuyển động trong quá trình ép; (3) khó canh đồng tâm giữa các lỗ và trục dẫn hướng, có nguy cơ gây mòn trục. Những hạn chế này phát sinh từ việc ưu tiên thiết kế nhỏ gọn, chi phí thấp.

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp "Thiết kế Chế tạo Máy ép nhiệt, ép nhũ và bế giấy" là công trình thiết kế–chế tạo hệ thống máy hoàn chỉnh của nhóm sinh viên ngành Công nghệ Chế tạo máy, trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM, hoàn thành năm 2016. Công trình tích hợp ba chức năng gia công bề mặt — ép nhiệt, ép nhũ và bế giấy — trong một thiết bị duy nhất, dựa trên hệ thống truyền động thủy lực tính toán đầy đủ (áp suất 14 bar, lực ép 700 kg, bơm bánh răng 5 l/ph) và bộ gia nhiệt điều chỉnh được trong dải 90°C–150°C. Đồ án trình bày đầy đủ quy trình từ khảo sát thực trạng, tính toán kỹ thuật, thiết kế chi tiết đến chế tạo và thử nghiệm thực tế, trong đó các hạn chế về năng suất và khả năng tự động hóa được nhóm thừa nhận minh bạch, phản ánh đúng phạm vi của một sản phẩm phục vụ quy mô xưởng nhỏ.