Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Tính cấp thiết và bối cảnh thực tiễn

Trong bối cảnh công nghiệp hóa, các sản phẩm từ vật liệu nhựa (chất dẻo) ngày càng chiếm tỷ trọng lớn trong đời sống và sản xuất, từ đồ gia dụng đến các chi tiết kỹ thuật phức tạp. Sự tăng trưởng của ngành công nghiệp gia công nhựa đòi hỏi ngành sản xuất khuôn mẫu phải phát triển tương ứng nhằm đáp ứng yêu cầu chế tạo hàng loạt, hạ giá thành và nâng cao chất lượng thẩm mỹ. Tại Việt Nam, ngành khuôn mẫu đang chuyển dịch từ gia công truyền thống sang ứng dụng các giải pháp phần mềm kỹ thuật số tích hợp (CAD/CAM/CAE) để rút ngắn chu kỳ thiết kế và tăng độ chính xác chế tạo. Đề tài "Thiết kế, chế tạo khuôn ép nhựa (Sản phẩm: Bộ cờ vua)" được nhóm tác giả tại Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM thực hiện nhằm giải quyết bài toán thiết kế - mô phỏng - gia công hoàn chỉnh một bộ khuôn ép phun thực tế cho sản phẩm có tính thẩm mỹ và độ phức tạp hình học cao.

Mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu

Đồ án xác định các mục tiêu và nhiệm vụ kỹ thuật cụ thể theo văn bản giao đề tài:

  1. Nghiên cứu tổng quan về cơ sở lý thuyết vật liệu chất dẻo polymer và công nghệ ép phun nhựa.
  2. Tìm hiểu văn hóa, lịch sử và hình học của bộ môn cờ vua để xác định biên dạng sản phẩm.
  3. Ứng dụng phần mềm PTC Creo Parametric 2.0 để thiết kế mô hình hình học 3D của các quân cờ và kết cấu hệ thống kênh dẫn nhựa.
  4. Ứng dụng phần mềm Autodesk Moldflow Insight 2013 để phân tích dòng chảy (CAE), xác định vị trí miệng phun tối ưu và kiểm nghiệm các thông số điền đầy, áp suất, đường hàn, rỗ khí và làm nguội.
  5. Thiết kế bộ kết cấu khuôn hoàn chỉnh với module Creo Expert Moldbase Extension (EMX 8.0).
  6. Lập quy trình công nghệ và gia công thực tế các chi tiết khuôn trên máy phay CNC và máy phay vạn năng.
  7. Lắp ráp bộ khuôn hoàn chỉnh và thực hiện ép thử nghiệm trên máy ép nhựa SW-120B.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

  • Đối tượng nghiên cứu: Kết cấu khuôn ép phun nhựa hai tấm; sản phẩm bộ cờ vua (các quân cờ tiêu chuẩn: Vua, Hậu, Tượng, Mã, Xe, Tốt); quá trình điền đầy và làm nguội của dòng nhựa nhiệt dẻo; công nghệ gia công CNC các tấm khuôn.
  • Phạm vi kỹ thuật và vật liệu:
    • Vật liệu sản phẩm: Nhựa Polypropylene (PP).
    • Vật liệu chế tạo vỏ và lõi khuôn: Phôi thép CT3.
    • Thiết bị phục vụ: Máy ép nhựa SW-120B, máy phay CNC MVC-955, máy phay vạn năng tại xưởng Khoa Cơ khí Chế tạo máy - Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM.
    • Thời gian thực hiện: Khóa học 2011 - 2015 (hoàn thành nghiệm thu tháng 07/2015).

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Khung lý thuyết và công nghệ kỹ thuật

Nghiên cứu dựa trên các cơ sở khoa học chuyên ngành công nghệ chế tạo máy và kỹ thuật gia công chất dẻo:

  • Lý thuyết vật liệu Polymer: Tính chất cơ học (độ bền kéo, độ bền uốn, độ bền nén, độ dai va đập Charpy, module đàn hồi $E$), tính chất vật lý - nhiệt (tỷ trọng, chỉ số chảy MFI theo chuẩn ASTM D1238, hệ số co rút thể tích, nhiệt độ phá hủy nhiệt).
  • Nguyên lý máy và công nghệ ép phun: Cấu trúc 4 hệ thống phụ trợ (thân máy, hệ thống điện, hệ thống thủy lực, hệ thống làm nguội) và hệ thống phun - kẹp khuôn (trục vít 3 vùng, van hồi tự mở, vòi phun, xy lanh kẹp, tấm di động, tấm cố định).
  • Lý thuyết kết cấu khuôn ép phun: So sánh cấu tạo khuôn hai tấm, khuôn ba tấm và khuôn kênh dẫn nóng (Hot Runner); các cụm chi tiết chức năng gồm bạc cuống phun, vòng định vị, chốt dẫn hướng, bạc dẫn hướng, chốt hồi, hệ thống ty đẩy và kênh dẫn nước làm nguội.
Loại nhựa Mật độ / Tỷ trọng (g/cm³) Hệ số co rút (%) Nhiệt độ phá hủy (°C)
PP (Polypropylene) 0.90 – 0.91 1.0 – 2.5 280
PE (Polyethylene) 0.91 – 0.96 1.5 – 3.0 —
PS (Polystyrene) 1.04 – 1.06 0.2 – 0.6 250
ABS 1.05 – 1.08 0.4 – 0.7 310
PVC 1.38 – 1.45 0.1 – 0.5 180 – 220
PA6,6 1.13 – 1.15 0.5 – 1.5 320 – 330

Phương pháp nghiên cứu và công cụ kỹ thuật

  • Phương pháp CAD/CAM: Sử dụng Creo Parametric 2.0 (hệ đơn vị mmns_part_solid) để mô hình hóa hình học tham số (lệnh Revolve, Extrude, Sweep Blend, Round, Sweep) và lập trình đường chạy dao gia công cơ khí.
  • Phương pháp phân tích phần tử hữu hạn dòng chảy (CAE): Ứng dụng Moldflow Insight 2013 chia lưới 3D Solid Mesh để giải các phương trình nhiệt động học và thủy động học của polyme nóng chảy trong lòng khuôn.
  • Phương pháp thực nghiệm công nghệ: Gia công cắt gọt kim loại trên máy phay vạn năng và trung tâm gia công phay CNC MVC-955; sử dụng đầu dò tâm quang/cơ để thiết lập gốc tọa độ gia công; tiến hành lắp ráp và ép thử nghiệm trực tiếp trên máy ép nhựa SW-120B.

Thiết kế và triển khai hệ thống khuôn

Thiết kế hình học và hệ thống khuôn

Hệ thống khuôn được thiết kế dạng khuôn hai tấm nhiều lòng khuôn với bố trí cân bằng dòng nhựa:

  • Thiết kế sản phẩm: Mô hình hóa đầy đủ các quân cờ đảm bảo tỷ lệ hình học và góc thoát khuôn. Chi tiết phức tạp như quân Mã được tạo hình kết hợp giữa lệnh Sweep Blend cho phần thân, Extrude cho phần đầu và Sweep cho phần bờm.
  • Tách lòng khuôn (Mold Cavity): Tính toán bù co rút cho nhựa PP, thiết lập mặt phân khuôn phẳng chính và tách thành hai nửa khối khuôn đực (Core) và khuôn cái (Cavity).
  • Kết cấu vỏ khuôn tiêu chuẩn EMX 8.0: Tích hợp đầy đủ tấm kẹp trên, tấm khuôn trên, tấm khuôn dưới, gối đỡ, tấm giữ, tấm đẩy, tấm kẹp dưới và vòng định vị.

Thông số kỹ thuật hệ thống linh kiện khuôn

  • Chốt dẫn hướng và bạc dẫn hướng: Đảm bảo độ đồng tâm và định vị chính xác giữa nửa khuôn cố định và nửa khuôn di động.
  • Hệ thống đẩy và hồi: Sử dụng chốt hồi đường kính Ø12mm kèm lò xo hồi vị; bố trí hệ thống ty đẩy tiêu chuẩn kích thước Ø2mm và Ø4mm tác động vào tấm đẩy và hệ thống kênh dẫn nhằm tránh để lại dấu vết đẩy trên bề mặt làm việc của quân cờ.
  • Hệ thống làm nguội: Thiết kế các đường nước làm mát chạy dọc tấm khuôn trên và tấm khuôn dưới nhằm duy trì cân bằng nhiệt độ khuôn trong suốt chu kỳ ép.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Giới thiệu

Chương này trình bày tính cấp thiết của đề tài trong bối cảnh phát triển ngành chất dẻo và công nghiệp phụ trợ khuôn mẫu tại Việt Nam. Tác giả nêu rõ ý nghĩa khoa học về việc vận dụng chuỗi công nghệ CAD/CAM/CAE và ý nghĩa thực tiễn trong việc chế tạo sản phẩm phục vụ đời sống. Xác lập rõ mục tiêu 7 bước từ nghiên cứu lý thuyết đến ép thử và kết cấu bố cục đồ án gồm 9 chương.

Chương 2: Tổng quan về vật liệu chất dẻo Polymer - Cơ sở lý thuyết về khuôn ép nhựa

Tập trung hệ thống hóa toàn bộ lý thuyết về polyme nhiệt dẻo và nhiệt rắn; phân tích chi tiết các thông số cơ lý (độ bền kéo, uốn, nén, độ dai va đập Charpy, MFI, độ co rút). Trình bày 7 công nghệ gia công chất dẻo chính (cán, phủ, đùn, gia công vật thể rỗng, hàn, dán, ép - ép phun, dập). Phân tích cấu tạo máy ép phun (hệ thống thủy lực, điện, làm nguội, cụm phun với trục vít 3 vùng, cụm kẹp khuôn) và so sánh các kết cấu khuôn (khuôn hai tấm, khuôn ba tấm, khuôn kênh dẫn nóng).

Chương 3: Sơ lược về môn cờ vua

Tổng hợp lịch sử hình thành môn cờ vua từ trò chơi Chaturanga (Ấn Độ, thế kỷ VI) qua Chatrang (Ba Tư) đến quá trình hoàn thiện luật chơi, mở rộng quyền năng quân Hậu và Tượng tại châu Âu và sự ra đời của Liên đoàn Cờ vua Quốc tế (FIDE). Phân tích tác dụng phát triển 4 nhóm năng lực tư duy (logic, khái quát, chuyển đổi ngôn ngữ, sáng tạo) dựa trên nghiên cứu của TS. Nguyễn Hồng Dương; điểm qua các danh thủ thế giới (Garry Kasparov, Mikhail Tal, Viswanathan Anand, Magnus Carlsen...) và các kỳ thủ hàng đầu Việt Nam (Lê Quang Liêm, Nguyễn Ngọc Trường Sơn, Đào Thiên Hải...).

Chương 4: Phần mềm Creo Parametric 2.0 – Quy trình thiết kế sản phẩm và hệ thống kênh dẫn nhựa

Giới thiệu các module chức năng của Creo Parametric 2.0 (Part Design, Mold Cavity, Freestyle, Manufacturing/CNC, Drawing 2D). Hướng dẫn quy trình mô hình hóa 3D chi tiết từng quân cờ:

  • Quân Vua: Sử dụng Revolve định hình thân tròn xoay, Extrude tạo hình chữ thập đỉnh đầu, Round bo tròn các góc.
  • Quân Hậu: Tạo hình biên dạng cong bằng lệnh Revolve.
  • Quân Mã: Kết hợp Sweep Blend tạo thân đa tiết diện, Extrude tạo đầu ngựa, Sweep tạo bờm, tạo hình mắt và mũi.
  • Quân Tượng: Sử dụng Revolve và Extrude cắt rãnh nghiêng đặc trưng. Tính toán thể tích, khối lượng từng chi tiết theo vật liệu nhựa PP và thiết lập sơ đồ bố trí nhiều lòng khuôn cùng hệ thống kênh dẫn nhựa trên mặt phân khuôn.

Chương 5: Phân tích CAE cho sản phẩm

Trình bày quy trình ứng dụng Autodesk Moldflow Insight 2013 để mô phỏng dòng chảy:

  • Nhập mô hình hình học và chia lưới 3D.
  • Xác định vị trí cổng phun nhựa tối ưu (Best Gate Location).
  • Mô phỏng và đánh giá hệ thống kênh dẫn ban đầu: Phân tích thời gian điền đầy (Fill time), áp suất điền đầy, áp suất lòng khuôn, lực kẹp khuôn yêu cầu.
  • Đánh giá các khuyết tật ép phun: Vị trí bẫy khí (Air traps), đường hàn vật liệu (Weld lines), nhiệt độ mặt trước dòng chảy (Flow front temperature).
  • Tối ưu hóa lại kích thước kênh dẫn và miệng phun; phân tích hiệu năng hệ thống làm nguội (Cooling quality), nhiệt độ khuôn và phần trăm đông đặc của chi tiết theo thời gian chu kỳ.

Chương 6: Ứng dụng phần mềm Creo Parametric trong thiết kế khuôn

Quy trình thiết kế khuôn hoàn chỉnh bằng module Mold Cavity và Creo Expert Moldbase Extension (EMX 8.0):

  • Gán hệ số co rút cho nhựa PP và tạo phôi lòng khuôn.
  • Tách mặt phân khuôn, tạo khối khuôn đực và khuôn cái.
  • Lựa chọn kích thước vỏ khuôn tiêu chuẩn từ thư viện EMX; điều chỉnh chiều dày các tấm khuôn.
  • Chọn và định vị các chi tiết tiêu chuẩn: Vòng định vị, bạc cuống phun, bạc dẫn hướng, chốt dẫn hướng, chốt hồi, lò xo khuôn, hệ thống vít kẹp trên/dưới/đẩy.
  • Bố trí hệ thống ty đẩy Ø2mm và Ø4mm; thiết kế đường nước làm mát qua khuôn trên và khuôn dưới.
  • Tiến hành mô phỏng động học mở khuôn (Moldbase Opening Simulation) để kiểm tra va chạm giữa các chi tiết.

Chương 7: Gia công các tấm khuôn và lắp ráp

Lập quy trình công nghệ gia công cơ khí các chi tiết trong bộ khuôn từ phôi thép CT3:

  • Chuẩn bị dụng cụ: Dao phay ngón, dao phay mặt đầu, mũi khoan, mũi doa, dao tiện, đầu dò lệch tâm.
  • Trình tự gia công chi tiết trên máy phay vạn năng và máy phay CNC MVC-955 cho từng tấm:
    • Tấm kẹp trên và tấm kẹp dưới.
    • Tấm đẩy và tấm giữ.
    • Cặp gối đỡ.
    • Tấm khuôn trên (khuôn cái) và tấm khuôn dưới (khuôn đực).
    • Vòng định vị và các lỗ lắp chốt/bạc dẫn hướng.
  • Trình tự lắp ráp cụm khuôn cố định (gắn tấm kẹp trên, vỏ khuôn cái, bạc cuống phun, vòng định vị) và cụm khuôn di động (lắp tấm kẹp dưới, gối đỡ, tấm đẩy, tấm giữ, ty đẩy, chốt hồi, vỏ khuôn đực), kiểm tra chuyển động trượt dẫn hướng.

Chương 8: Ép thử

Mô tả quy trình chuẩn bị và vận hành thử nghiệm trên máy ép nhựa SW-120B:

  • Chuẩn bị nguyên liệu hạt nhựa PP, sấy khô chống ẩm.
  • Lắp đặt bộ khuôn lên bàn máy di động và bàn máy cố định, cân chỉnh đồng tâm vòi phun và bạc cuống phun.
  • Đấu nối hệ thống đường nước làm nguội và cài đặt thông số gia công (nhiệt độ các băng gia nhiệt, áp suất phun, áp suất duy trì, thời gian làm nguội).
  • Tiến hành ép thử, lấy sản phẩm, cắt đuôi keo và kiểm tra chất lượng hình học của sản phẩm bộ cờ vua thực tế.

Chương 9: Kết luận

Tổng kết toàn bộ kết quả đạt được về mặt thiết kế, mô phỏng và gia công chế tạo khuôn ép nhựa; chỉ rõ những khó khăn thực tế gặp phải khi lấy sản phẩm ra khỏi lòng khuôn và định hướng phát triển trang bị cánh tay robot gắp sản phẩm tự động.

Kết quả và đóng góp

Kết quả kỹ thuật đạt được

  1. Thiết kế hoàn chỉnh: Xây dựng mô hình 3D tham số chính xác của 6 loại quân cờ tiêu chuẩn trên Creo Parametric 2.0; thiết kế bộ kết cấu khuôn hai tấm nhiều lòng khuôn với hệ thống cấp nhựa và làm nguội hoàn chỉnh trên Creo EMX 8.0.
  2. Kiểm chứng CAE: Sử dụng Moldflow Insight 2013 xác định chính xác thời gian điền đầy, áp suất phun, sự phân bố nhiệt độ, vị trí đường hàn và bẫy khí; tối ưu kích thước hệ thống kênh dẫn nhựa trước khi tiến hành chế tạo.
  3. Chế tạo thực tế: Gia công hoàn chỉnh 8 cụm chi tiết/tấm khuôn chính từ phôi thép CT3 bằng máy phay vạn năng và máy phay CNC MVC-955; lắp ráp bộ khuôn đạt độ chính xác dẫn hướng và kín khít mặt phân khuôn.
  4. Thử nghiệm thành công: Ép thử nghiệm thành công bộ sản phẩm quân cờ bằng nhựa PP trên máy ép nhựa SW-120B, định hình rõ biên dạng các quân cờ.

Đóng góp về mặt phương pháp

  • Ứng dụng thành công chu trình khép kín CAD - CAE - CAM trong thiết kế và chế tạo khuôn mẫu cơ khí, giúp hạn chế sai sót trước khi gia công cắt gọt thực tế.
  • Xây dựng quy trình công nghệ gia công chi tiết cho các tấm khuôn cơ bản, làm tài liệu tham khảo cho việc chế tạo các bộ khuôn ép nhựa kích thước vừa và nhỏ.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế kỹ thuật

  • Do sản phẩm quân cờ đòi hỏi tính thẩm mỹ cao trên toàn bộ bề mặt tròn xoay, nhóm tác giả không thể bố trí các ty đẩy trực tiếp lên thân sản phẩm mà chỉ bố trí trên kênh dẫn nhựa. Điều này dẫn đến hiện tượng sản phẩm bị bám chặt vào lòng khuôn, gây khó khăn cho việc tháo sản phẩm thủ công sau khi mở khuôn.
  • Vật liệu làm khuôn sử dụng thép CT3 chưa qua nhiệt luyện tôi cứng bề mặt nên độ bền mài mòn và tuổi thọ khuôn bị hạn chế nếu đưa vào sản xuất quy mô công nghiệp hàng loạt lớn.

Hướng phát triển đề tài

  • Nghiên cứu thiết kế và tích hợp thêm hệ thống cánh tay robot (Robot Arm) gắp sản phẩm tự động kết hợp với cơ cấu hút chân không hoặc cơ cấu kẹp mềm để lấy sản phẩm ra khỏi lòng khuôn an toàn, tăng mức độ tự động hóa.
  • Ứng dụng các dòng thép hợp kim chuyên dụng làm khuôn nhựa (như P20, 2083) và tôi ram bề mặt để nâng cao độ bóng lòng khuôn và tuổi thọ bộ khuôn.

Giá trị tham khảo

Đồ án là tài liệu thực hành và nghiên cứu hữu ích cho:

  • Sinh viên ngành Công nghệ Kỹ thuật Cơ khí, Cơ điện tử, Công nghệ Tự động: Tham khảo quy trình thiết kế khuôn mẫu trên phần mềm Creo Parametric kết hợp module EMX và cách thiết lập bài toán mô phỏng dòng chảy polyme trên Autodesk Moldflow Insight.
  • Kỹ sư thiết kế và gia công khuôn mẫu: Tham khảo các bảng thông số chế độ cắt, trình tự công nghệ gia công các tấm khuôn (tấm kẹp, tấm khuôn, tấm đẩy, gối đỡ) trên máy phay vạn năng và máy phay CNC MVC-955.

Câu hỏi thường gặp

1. Đồ án sử dụng những phần mềm kỹ thuật nào trong quá trình thiết kế và chế tạo?

Đồ án sử dụng bộ 3 công cụ phần mềm kỹ thuật số chuyên dụng:

  • PTC Creo Parametric 2.0: Dùng để thiết kế mô hình hình học 3D sản phẩm (Module Part), thiết kế mặt phân khuôn/tách khuôn (Module Mold Cavity) và lập trình gia công CAM.
  • Creo Expert Moldbase Extension 8.0 (EMX 8.0): Dùng để tạo vỏ khuôn tiêu chuẩn, bố trí linh kiện khuôn (chốt dẫn hướng, bạc cuống phun, chốt hồi, ty đẩy, vít kẹp) và mô phỏng mở khuôn.
  • Autodesk Moldflow Insight 2013: Dùng để mô phỏng và phân tích CAE dòng chảy nhựa, tìm cổng vào nhựa tối ưu, áp suất điền đầy, đường hàn, bẫy khí và hệ thống làm mát.

2. Sản phẩm bộ cờ vua được chế tạo từ loại vật liệu nhựa nào và có đặc tính gì?

Sản phẩm sử dụng nhựa Polypropylene (PP) - một loại nhựa nhiệt dẻo thông dụng. Vật liệu này có tỷ trọng nhẹ (0.90 – 0.91 g/cm³), hệ số co rút thể tích từ 1.0% đến 2.5%, nhiệt độ phá hủy nhiệt ở mức 280°C, tính chất gia công ép phun tốt, độ bền kéo và độ cứng cao hơn PE, đồng thời có khả năng kháng hóa chất và cách điện tốt.

3. Máy ép nhựa và thiết bị gia công cơ khí được sử dụng trong đồ án là những loại nào?

  • Máy ép phun nhựa: Sử dụng máy ép nhựa SW-120B.
  • Máy gia công cắt gọt: Sử dụng máy phay vạn năng và trung tâm gia công phay CNC MVC-955, kết hợp với đầu dò tâm lệch tâm để xác định gốc chuẩn phôi.

4. Tại sao sản phẩm lại gặp khó khăn khi thoát khỏi lòng khuôn sau khi ép?

Do quân cờ là sản phẩm đòi hỏi độ bóng và độ thẩm mỹ cao, nhóm thực hiện không bố trí ty đẩy trực tiếp lên bề mặt thân quân cờ nhằm tránh để lại các vết lồi/lõm của đầu ty đẩy. Toàn bộ ty đẩy chỉ được bố trí tác động vào hệ thống kênh dẫn nhựa, dẫn đến lực đẩy phân bố không trực tiếp lên sản phẩm, khiến quân cờ khó tự rơi ra khỏi lòng khuôn khi mở khuôn.

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp "Thiết kế, chế tạo khuôn ép nhựa (Sản phẩm: Bộ cờ vua)" của nhóm sinh viên Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM đã hoàn thành trọn vẹn chu trình kỹ thuật từ nghiên cứu vật liệu, thiết kế 3D, mô phỏng CAE đến gia công CNC và ép thử nghiệm thành công trên máy SW-120B. Công trình minh chứng tính hiệu quả của việc kết hợp các phần mềm Creo Parametric 2.0, EMX 8.0 và Moldflow Insight 2013 trong việc rút ngắn thời gian thử sai và tối ưu kết cấu khuôn. Các phát hiện về lực bám dính của sản phẩm thẩm mỹ cao trong lòng khuôn là cơ sở thực tế giá trị để định hướng tích hợp cánh tay robot gắp sản phẩm tự động trong các giai đoạn nghiên cứu tiếp theo.