Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Ngành công nghiệp khuôn mẫu đóng vai trò then chốt trong chuỗi cung ứng cơ khí chế tạo, định hình sản phẩm nhựa và tối ưu hóa dây chuyền sản xuất công nghiệp. Tại Việt Nam, nhu cầu sử dụng khuôn mẫu trong các ngành sản xuất rất lớn; tuy nhiên, năng lực thiết kế, máy móc kỹ thuật và công nghệ chế tạo trong nước vẫn còn nhiều rào cản, chưa đồng bộ và phụ thuộc đáng kể vào việc gia công, sửa chữa từ nước ngoài. Việc đặt hàng thiết kế hoặc sửa chữa khuôn mẫu ở nước ngoài gây tốn kém chi phí, kéo dài thời gian và không bám sát điều kiện sản xuất thực tế tại các xưởng, nhà máy trong nước. Bên cạnh đó, các doanh nghiệp chế tạo khuôn mẫu nội địa thường hoạt động khép kín, thiếu sự liên kết chia sẻ công nghệ và thiếu hụt nguồn nhân lực chất lượng cao do đào tạo thực hành chưa theo kịp yêu cầu công nghiệp.

Xuất phát từ thực trạng trên, đồ án tốt nghiệp "Thiết kế và chế tạo khuôn hàng mẫu cho máy ép nhựa cỡ nhỏ" do nhóm sinh viên Khoa Công nghệ Cơ khí, Trường Đại học Công nghiệp Thành phố Hồ Chí Minh thực hiện (dưới sự hướng dẫn của TS. Nguyễn Khoa Triều, hoàn thành tháng 06/2022) tập trung vào quy trình thiết kế, mô phỏng và chế tạo khuôn mẫu thử nghiệm (prototype mold) phục vụ công tác nghiên cứu, đào tạo thực nghiệm tại các phòng thí nghiệm trường đại học.

Các mục tiêu nghiên cứu cụ thể của đề tài bao gồm:

  1. Thiết kế và chế tạo bộ khuôn mẫu với sự hỗ trợ của phần mềm CAD và CAE.
  2. Chạy thử và mô phỏng gia công các chi tiết của bộ khuôn trên phần mềm CAM.
  3. Chế tạo thực tế bộ khuôn mẫu và tiến hành ép thử nghiệm trên máy ép nhựa cỡ nhỏ.

Đối tượng nghiên cứu của đồ án là bộ khuôn hàng mẫu (prototype mold) dùng để định hình sản phẩm nhựa (chi tiết hình ngôi sao, cánh quạt mini), cùng quy trình công nghệ gia công chi tiết nửa khuôn trên và cơ cấu ép phun của máy ép nhựa cỡ nhỏ. Phạm vi nghiên cứu giới hạn ở việc tính toán, thiết kế và chế tạo bộ khuôn đơn chiếc trên nền tảng khuôn ép nhựa bằng vật liệu nhôm 6061, tiến hành mô phỏng quá trình điền đầy trên phần mềm Moldex3D, mô phỏng phay trên Siemens NX CAM và thử nghiệm ép thực tế trên máy ép nhựa thí nghiệm có đường kính trong nòng xi-lanh $\varnothing 20\text{ mm}$, dung tích chứa nhựa $21.991,1485\text{ mm}^3$ với các loại hạt nhựa PLA, Moldable plastic và nhựa tái chế.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Đồ án xây dựng nội dung dựa trên nền tảng lý thuyết công nghệ khuôn ép phun chất dẻo và phân loại khuôn theo quy mô sản xuất:

  • Khuôn sản xuất hàng loạt (series mold): Cấu trúc phức tạp, chế tạo từ thép chất lượng cao, chịu được điều kiện làm việc liên tục với sản lượng từ hàng nghìn đến hàng triệu sản phẩm, chi phí đầu tư ban đầu rất lớn và chu kỳ chế tạo dài.
  • Khuôn mẫu thử nghiệm (prototype mold): Được phát triển nhằm phục vụ sản xuất thử nghiệm nhanh các lô sản phẩm nhỏ (từ vài chiếc đến hàng nghìn chiếc). Khuôn sử dụng các tấm khoang gia công từ hợp kim nhôm hoặc thép mềm, cho phép giảm $20% - 40%$ thời gian gia công so với gia công khuôn thép thông thường, rút ngắn thời gian hoàn thiện mẫu từ 2 đến 4 tuần, đồng thời giảm thiểu rủi ro thiết kế và áp lực tài chính trước khi đầu tư khuôn thép hàng loạt.

Về phương diện thực tiễn công nghệ trong nước, tác giả viện dẫn tình hình phát triển của một số doanh nghiệp tiêu biểu như MIDA Precision Mold (đạt chứng nhận ISO 9001:2008 và ISO 14001:2004) cùng nghiên cứu chế tạo khuôn vỏ sạc điện thoại của ThS. Vũ Như Nguyệt, qua đó đánh giá mức độ đáp ứng công nghệ khuôn mẫu của Việt Nam hiện nay chủ yếu dừng lại ở cấp độ 3.

Phương pháp nghiên cứu được triển khai kết hợp giữa lý thuyết, mô phỏng số và thực nghiệm chế tạo:

  • Phương pháp CAD (Computer-Aided Design): Sử dụng phần mềm SolidWorks để thiết kế mô hình 3D lòng khuôn, nắp khuôn và kết cấu tổng thể của bộ khuôn ép.
  • Phương pháp CAE (Computer-Aided Engineering): Ứng dụng phần mềm Moldex3D để phân tích động học dòng chảy nhựa nóng chảy, áp suất điền đầy, phân bố nhiệt độ, vị trí bẫy khí (Air Trap), vận tốc và thời gian làm lạnh sản phẩm.
  • Phương pháp CAM (Computer-Aided Manufacturing): Sử dụng Siemens NX CAM để thiết lập đường chạy dao, lựa chọn dao cụ, xác lập thông số gia công và mô phỏng quy trình cắt gọt trước khi đưa lên máy công cụ.
  • Phương pháp gia công cơ khí truyền thống kết hợp bán tự động: Tính toán chế độ cắt (chiều sâu cắt, lượng chạy dao, vận tốc cắt), lực cắt tiếp tuyến $P_z$, công suất cắt $N$ theo sổ tay công nghệ chế tạo máy; thực hiện gia công phay vạn năng trên máy FVHM-GS300A và xử lý bề mặt bằng công nghệ bắn cát.
  • Phương pháp thực nghiệm kiểm chứng: Thử nghiệm ép nhựa trên máy ép cỡ nhỏ kế thừa từ đề tài trước, cải tiến cơ cấu ép và hiệu chỉnh hình học cổng phun (gate) với các bán kính $R1\text{ mm}$, $R2\text{ mm}$, $R3,5\text{ mm}$ trên nhiều chủng loại nhựa.

Thiết kế và triển khai chế tạo

Hệ thống khuôn mẫu và quy trình công nghệ được thiết kế, kiểm toán tham số và chế tạo theo các tiêu chuẩn kỹ thuật cơ khí:

1. Phân tích chi tiết và lựa chọn vật liệu

Chi tiết nửa khuôn trên có dạng khối hộp, kích thước hoàn thiện $80 \times 80 \times 15\text{ mm}$, khối lượng tính toán trên phần mềm NX là $Q = 1,3879\text{ kg}$. Vật liệu được lựa chọn là hợp kim nhôm 6061 thay vì thép kết cấu do các đặc tính công nghệ:

  • Trọng lượng nhẹ, khả năng dẫn và tản nhiệt nhanh hơn thép gấp 7 lần, giúp chu kỳ gia nhiệt và làm nguội sản phẩm nhanh hơn tới $50%$.
  • Phân phối nhiệt đồng đều trên toàn bộ lòng khuôn, giảm thiểu co ngót và hạn chế biến dạng cong vênh của sản phẩm nhựa.
  • Độ cứng phù hợp, phoi dễ thoát, chi phí phôi thấp, dễ gia công cắt gọt, thích hợp cho dạng sản xuất đơn chiếc phục vụ chế tạo thử nghiệm mẫu.
  • Phôi được chế tạo bằng phương pháp cán (tổ chức kim loại mịn chặt, hạn chế rỗ xốp khí) và cắt định hình phôi thô với kích thước $87 \times 87 \times 22\text{ mm}$.

Yêu cầu kỹ thuật gia công chi tiết khuôn:

  • Độ nhám bề mặt gia công đạt $Ra = 0,63\ \mu\text{m}$.
  • Dung sai 2 lỗ định vị $\varnothing 10$ là $+0,12\text{ mm}$.
  • Độ không song song giữa các mặt bên và mặt chuẩn A không vượt quá $0,1\text{ mm}$.
  • Độ không vuông góc giữa các mặt bên và mặt chuẩn A không vượt quá $0,05\text{ mm}$.

2. Mô phỏng ép phun nhựa trên Moldex3D

Quá trình phân tích số trên Moldex3D được thiết lập với mẫu thử nghiệm bằng vật liệu nhựa ABS (Acrylonitrile Butadiene Styrene) nhằm dự báo các khuyết tật trước khi gia công:

Thông số thiết lập mô phỏng Giá trị cài đặt Kết quả phân tích thu được Giá trị đo kiểm mô phỏng
Vật liệu phân tích Nhựa ABS Áp suất điền đầy lớn nhất $0,592\text{ MPa}$
Nhiệt độ nóng chảy nhựa $200 - 260^\circ\text{C}$ Áp suất điền đầy nhỏ nhất $0\text{ MPa}$
Nhiệt độ ép cài đặt $230^\circ\text{C}$ Nhiệt độ lớn nhất trong lòng khuôn $230^\circ\text{C}$
Nhiệt độ khuôn $60^\circ\text{C}$ ($50 - 82^\circ\text{C}$) Nhiệt độ nhỏ nhất trong lòng khuôn $66,611^\circ\text{C}$
Áp suất ép danh định $0,8\text{ MPa}$ Vận tốc dòng chảy nhựa $3,079\text{ cm/s}$
Thời gian điền đầy cài đặt $20\text{ giây}$ Độ nhớt dòng nhựa $9.000\text{ P}$
Thời gian làm lạnh cài đặt $25,6\text{ giây}$ Thời gian làm lạnh thực tế mô phỏng $189,567\text{ giây}$

Mô phỏng phát hiện các vị trí bẫy khí (Air Trap) cục bộ tại các góc nhọn của hốc tạo hình, làm cơ sở để nhóm tác giả xác định yêu cầu sấy khô hạt nhựa, tối ưu hóa hệ thống thoát khí và bố trí lại kênh dẫn nhựa trên khuôn.

3. Quy trình công nghệ gia công cơ khí

Nhóm tác giả xây dựng và so sánh hai phương án phân chia nguyên công cho nửa khuôn trên:

  • Phương án 1 (được chọn): Gia công tạo chuẩn bề mặt trước, khoan 2 lỗ định vị $\varnothing 10$ ở nguyên công cuối sau khi đã hình thành các mặt chuẩn phụ, tránh sai lệch vị trí gá đặt và tiết kiệm thời gian gá kẹp.
  • Phương án 2 (bị loại): Khoan lỗ định vị $\varnothing 10$ ngay sau khi phay mặt đáy, khi các mặt chuẩn chưa hoàn thiện, dễ tích lũy sai số kích thước và tăng tỷ lệ phế phẩm.

Chu trình công nghệ 8 nguyên công theo Phương án 1:

  1. Nguyên công 1: Phay mặt đáy (mặt A) đạt chuẩn tinh; định vị mặt B trên phiến tỳ (3 bậc tự do), ngàm cố định ê-tô khống chế 2 bậc, kẹp chặt từ mặt D.
  2. Nguyên công 2: Phay mặt đầu (mặt B); lấy mặt A làm chuẩn định vị 3 bậc tự do trên phiến tỳ, ngàm ê-tô định vị 2 bậc tự do.
  3. Nguyên công 3: Phay 4 mặt bên (C, D, E, F) về kích thước bao $87\text{ mm}$; lấy mặt A làm chuẩn định vị.
  4. Nguyên công 4: Phay lòng khuôn tạo hình ngôi sao (bước 1 phay thô, bước 2 phay tinh); lấy mặt A làm chuẩn định vị.
  5. Nguyên công 5: Phay đầu rãnh phun bán kính $R5\text{ mm}$; chuẩn định vị mặt A.
  6. Nguyên công 6: Phay đầu rãnh phun bán kính $R1\text{ mm}$; chuẩn định vị mặt A.
  7. Nguyên công 7: Khoan 2 lỗ định vị $\varnothing 10\text{ mm}$ vuông góc mặt A; chuẩn định vị mặt A.
  8. Nguyên công 8: Bo cạnh và bắn cát hoàn thiện bề mặt chi tiết.

Thiết bị gia công là máy phay đứng vạn năng FVHM-GS300A (kích thước bàn $300 \times 1270\text{ mm}$, dải tốc độ trục chính 16 cấp từ $75$ đến $3600\text{ vòng/phút}$, công suất động cơ $5\text{ HP}$, trọng lượng máy $2350\text{ kg}$). Dao cụ gồm dao phay mặt đầu răng chắp mảnh hợp kim cứng BK6 ($D = 200\text{ mm}, B = 46\text{ mm}, d = 50\text{ mm}, Z = 20\text{ răng}$) và mũi khoan thép gió P6M5.

Tính toán chế độ cắt phay thô mặt A (chiều sâu cắt $t = 3,5\text{ mm}$, lượng chạy dao răng $S_z = 0,24\text{ mm/răng}$, lượng chạy dao vòng $S_0 = 4,8\text{ mm/vòng}$):

  • Tốc độ cắt tính toán: $V_t = 209 \times 1 \times 0,7 = 146,3\text{ m/phút}$.
  • Vòng quay tính toán $n_t = 232,96\text{ vòng/phút}$; chọn theo cấp máy thực tế $n_m = 237\text{ vòng/phút}$.
  • Tốc độ cắt thực tế: $V_{tt} = \frac{\pi \times 200 \times 237}{1000} = 148,836\text{ m/phút}$.
  • Tốc độ tiến dao phút: $S_p = 4,8 \times 237 = 1137,6\text{ mm/phút}$.
  • Lực cắt tiếp tuyến xác định theo công thức kinh nghiệm cơ khí: $$P_z = \frac{10 \times C_p \times t^x \times S_z^y \times B^u \times Z}{D^q \times n^w} \times K_{MV} = \frac{10 \times 218 \times 3,5^{0,92} \times 0,24^{0,78} \times 46^1 \times 10}{100^{1,15} \times 237^0} \times 0,25 = 1306,96\text{ N}$$
  • Công suất cắt hiệu dụng: $$N = \frac{P_z \times V_{tt}}{1020 \times 60} = \frac{1306,96 \times 148,836}{1020 \times 60} = 3,18\text{ kW}$$ (Giá trị này phù hợp với công suất động cơ máy phay $5\text{ HP} \approx 3,73\text{ kW}$).

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Cơ sở hình thành đề tài

Chương 1 trình bày lý do chọn đề tài dựa trên nhu cầu cấp thiết về việc nội địa hóa quy trình thiết kế khuôn mẫu tại Việt Nam nhằm giảm sự phụ thuộc vào các đơn vị nước ngoài. Tác giả nêu rõ mục tiêu ứng dụng đồng bộ CAD, CAE và CAM vào thiết kế, chế tạo khuôn hàng mẫu (prototype mold) đơn chiếc. Chương này xác định ý nghĩa thực tiễn là giúp kiểm tra, phát hiện và khắc phục các sai hỏng hình học trước khi tiến hành chế tạo khuôn hàng loạt tốn kém; đồng thời giới hạn phạm vi đề tài vào việc thiết kế bộ khuôn ép cỡ nhỏ thử nghiệm trong môi trường phòng thí nghiệm.

Chương 2: Tổng quan về ngành khuôn

Chương này điểm lại các mốc lịch sử then chốt của ngành ép phun nhựa (năm 1868 John W. Hyatt phát minh celluloid, năm 1872 thực hiện tiêm celluloid nóng vào khuôn và năm 1946 James Hendry phát triển kỹ thuật ép đùn trục vít). Tác giả thiết lập cơ sở lý thuyết phân biệt khuôn sản xuất hàng loạt (series mold) và khuôn mẫu (prototype mold), phân tích ưu điểm của khuôn nhôm về tốc độ tản nhiệt, độ linh hoạt và chi phí. Nội dung tổng quan cũng đánh giá hiện trạng ngành khuôn mẫu tại Việt Nam, nêu bật năng lực của một số doanh nghiệp nội địa (MIDA Precision Mold) và chỉ ra các rào cản kỹ thuật như thiếu trang thiết bị đồng bộ, chưa có giáo trình đào tạo chuẩn hóa, trình độ công nghệ trong nước đa phần chỉ đạt cấp độ 3.

Chương 3: Thiết kế bộ khuôn

Chương 3 chi tiết hóa quá trình thiết kế hình học và phân tích động học ép phun. Từ thông số đường kính trong ống chứa nhựa $\varnothing 20\text{ mm}$ và thể tích buồng chứa $21.991,1485\text{ mm}^3$, nhóm tác giả thiết kế mô hình 3D sản phẩm mẫu và bộ khuôn trên SolidWorks. Tiếp đó, phần mềm Moldex3D được sử dụng để phân tích dòng chảy nhựa ABS với các tham số: nhiệt độ ép $230^\circ\text{C}$, nhiệt độ khuôn $60^\circ\text{C}$, áp suất điền đầy $0,8\text{ MPa}$, thời gian điền đầy $20\text{ giây}$. Kết quả tính toán mô phỏng cung cấp dữ liệu số về phân bố áp suất cực đại ($0,592\text{ MPa}$), dải nhiệt độ ($66,611^\circ\text{C} - 230^\circ\text{C}$), vận tốc dòng ($3,079\text{ cm/s}$), độ nhớt ($9.000\text{ P}$), thời gian làm lạnh ($189,567\text{ giây}$) và các vị trí bẫy khí. Cuối chương, phần mềm Siemens NX CAM được khai thác để mô phỏng đường chạy dao, lựa chọn dao và kiểm tra tính khả thi của quá trình gia công.

Chương 4: Quy trình công nghệ gia công chi tiết

Nội dung chương 4 tập trung vào việc thiết kế quy trình chế tạo nửa khuôn trên bằng vật liệu nhôm 6061 ($Q = 1,3879\text{ kg}$). Sau khi phân tích tính công nghệ và so sánh phương pháp tạo phôi (chọn phương pháp cán thay vì đúc trong khuôn kim loại để tránh ứng suất dư và biến trắng), tác giả lập bảng so sánh hai phương án phân chia nguyên công và chọn phương án 1 gồm 8 nguyên công. Toàn bộ sơ đồ gá đặt, định vị (sử dụng phiến tỳ, ngàm ê-tô khống chế đủ bậc tự do cần thiết) và kẹp chặt cho từng nguyên công được mô tả chi tiết. Tác giả tiến hành tính toán cụ thể chế độ cắt trên máy phay FVHM-GS300A với dao hợp kim BK6, xác định lực cắt tiếp tuyến $P_z = 1306,96\text{ N}$ và công suất cắt $N = 3,18\text{ kW}$.

Chương 5: Thử nghiệm khuôn

Chương 5 trình bày quá trình thực nghiệm ép nhựa trên máy ép cỡ nhỏ. Nhóm tác giả tiếp nhận máy ép từ đề tài khóa trước, thực hiện cải tiến lại cơ cấu truyền động và gia nhiệt. Quá trình ép thử nghiệm khuôn ghi nhận hiện tượng thiếu liệu khi sử dụng cổng phun kích thước nhỏ bán kính $R1\text{ mm}$; sau đó cổng phun được mở rộng lên $R2\text{ mm}$ và hoàn thiện ở bán kính $R3,5\text{ mm}$, cho phép nhựa điền đầy hoàn toàn lòng khuôn. Các thử nghiệm đúc mẫu được thực hiện trên ba loại vật liệu: hạt nhựa PLA, hạt nhựa Moldable plastic và hạt nhựa tái chế, kèm theo phân tích các khuyết tật co ngót, bọt khí phát sinh trên từng loại sản phẩm.

Chương 6: Kết luận và kiến nghị

Chương tổng kết các kết quả đạt được về mặt thiết kế CAD, phân tích CAE, lập trình CAM, gia công thực tế chi tiết khuôn nhôm 6061 và đúc thành công sản phẩm mẫu; đồng thời nêu các kiến nghị cải tiến về cơ cấu máy ép, hệ thống kiểm soát nhiệt và tự động hóa trong các nghiên cứu tiếp theo.

Kết quả và đóng góp kỹ thuật

Đồ án đã đạt được các kết quả kỹ thuật cụ thể, được kiểm chứng qua số liệu tính toán và thực nghiệm xưởng:

  • Thiết kế và mô phỏng hoàn chỉnh: Xây dựng mô hình 3D bộ khuôn ép mẫu tương thích với máy ép nhựa cỡ nhỏ (ống đùn $\varnothing 20\text{ mm}$, thể tích $21.991,1485\text{ mm}^3$). Dự báo chính xác trường áp suất ($0,592\text{ MPa}$), trường nhiệt độ ($66,611^\circ\text{C} - 230^\circ\text{C}$) và vị trí rỗ khí trên Moldex3D, cho phép chủ động phương án công nghệ trước khi gia công cơ.
  • Tối ưu hóa quy trình gia công cơ khí: Xác lập quy trình công nghệ 8 nguyên công gia công nửa khuôn trên bằng nhôm 6061, giải quyết bài toán chọn chuẩn công nghệ (chuẩn mặt A xuyên suốt quá trình phay lòng khuôn, rãnh phun và khoan lỗ). Các giá trị chế độ cắt được tính toán giải tích đầy đủ: vận tốc cắt thực tế $V_{tt} = 148,836\text{ m/phút}$, lực cắt $P_z = 1306,96\text{ N}$, công suất cắt $N = 3,18\text{ kW}$ trên máy phay FVHM-GS300A.
  • Chế tạo thực tế và xử lý bề mặt: Chế tạo thành công bộ khuôn thực tế đạt độ nhám $Ra = 0,63\ \mu\text{m}$, dung sai vị trí lỗ định vị $\varnothing 10\text{ mm}$ trong phạm vi $+0,12\text{ mm}$, hoàn thiện độ nhẵn bằng phương pháp bắn cát.
  • Cải tiến thiết bị và thông số cổng phun qua thực nghiệm: Khắc phục khuyết tật điền đầy thông qua việc thử nghiệm chuỗi kích thước cổng phun (gate) từ $R1\text{ mm} \rightarrow R2\text{ mm} \rightarrow R3,5\text{ mm}$. Tại kích thước $R3,5\text{ mm}$, sản phẩm mẫu được điền đầy sắc nét trên 3 loại vật liệu nhựa (PLA, Moldable plastic và nhựa tái chế).
  • Đóng góp so với nghiên cứu trước: Kế thừa và cải tiến thành công kết cấu máy ép nhựa thí nghiệm của sinh viên khóa trước, chuyển giao từ mô hình nghiên cứu đơn thuần sang một hệ thống khuôn - máy hoàn chỉnh có thể vận hành ổn định trong phòng thí nghiệm.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Căn cứ vào phạm vi và điều kiện thực nghiệm trình bày trong đồ án, đề tài tồn tại một số hạn chế:

  • Độ bền khuôn bị giới hạn: Do sử dụng vật liệu hợp kim nhôm 6061 để tối ưu chi phí và gia công đơn chiếc, độ bền cơ học và khả năng chống mài mòn của khuôn thấp hơn so với khuôn thép tiêu chuẩn (chỉ phù hợp sản xuất thử nghiệm mẫu, không dùng cho sản xuất công nghiệp hàng loạt).
  • Kích thước và công suất ép nhỏ: Thiết bị ép nhựa thí nghiệm có dung tích nòng nhỏ ($21.991,1485\text{ mm}^3$, đường kính xi-lanh $\varnothing 20\text{ mm}$), áp suất ép và lực kẹp khuôn còn hạn chế, chưa đáp ứng được các sản phẩm có diện tích cản dòng lớn hoặc thành mỏng phức tạp.
  • Khuyết tật bọt khí và co ngót: Trên một số mẫu ép bằng hạt nhựa tái chế hoặc Moldable plastic, sản phẩm vẫn xuất hiện hiện tượng rỗ khí bề mặt và co rút do hệ thống thoát khí trên khuôn chưa được bố trí kênh riêng biệt và hệ thống gia nhiệt chưa có mạch điều khiển nhiệt độ khuôn tự động.

Hướng mở rộng được đề xuất:

  • Nghiên cứu thiết kế kênh dẫn và rãnh thoát khí chuyên biệt trên mặt phân khuôn để loại bỏ triệt để hiện tượng Air Trap.
  • Tích hợp vòng gia nhiệt tự động có cảm biến hồi tiếp nhiệt độ cho nòng ép và bộ khuôn.
  • Nâng cấp cơ cấu kẹp khuôn thủy lực hoặc khí nén nhằm tăng lực giữ khuôn trong quá trình đùn ép áp lực cao.

Giá trị tham khảo

Tài liệu đồ án mang lại giá trị thực tiễn đối với:

  • Sinh viên ngành Kỹ thuật Cơ khí, Công nghệ Chế tạo Máy: Tham khảo phương pháp lập tiến trình công nghệ gia công chi tiết dạng hộp/khuôn, phương pháp tra bảng chế độ cắt, tính toán lực cắt $P_z$, công suất cắt $N$ và thiết kế đồ gá định vị ê-tô trên máy phay vạn năng.
  • Người làm đề tài về khuôn ép phun và công nghệ vật liệu polyme: Cung cấp quy trình tích hợp khép kín từ CAD (SolidWorks) sang CAE (Moldex3D) để phân tích trường nhiệt, áp suất và bẫy khí; đặc biệt là dữ liệu thực nghiệm hiệu chỉnh cổng phun (gate $R1 - R3,5$) và hành vi điền đầy của các vật liệu nhựa PLA, Moldable plastic và nhựa tái chế trên máy ép cỡ nhỏ.

Câu hỏi thường gặp

1. Tại sao nhóm tác giả lựa chọn vật liệu nhôm 6061 để gia công bộ khuôn thay vì các loại thép làm khuôn chuyên dụng?
Nhôm 6061 được lựa chọn do đặc thù đề tài là khuôn hàng mẫu (prototype mold) sản xuất đơn chiếc. Nhôm có khả năng tản nhiệt nhanh hơn thép 7 lần, giúp tăng tốc độ làm nguội sản phẩm lên tới $50%$, phân phối nhiệt đều giúp giảm co ngót cong vênh, trọng lượng nhẹ, dễ gia công cắt gọt, chi phí phôi thấp và rút ngắn chu kỳ chế tạo từ 2 đến 4 tuần so với gia công khuôn thép.

2. Quá trình ép thực nghiệm đã điều chỉnh kích thước cổng phun (gate) như thế nào để khắc phục lỗi thiếu liệu?
Ban đầu, nhóm tác giả gia công rãnh phun với cổng phun bán kính $R1\text{ mm}$, nhựa không thể điền đầy lòng khuôn do trở lực dòng chảy lớn trong máy ép áp suất nhỏ. Nhóm tiến hành mở rộng cổng phun lên $R2\text{ mm}$ nhưng sản phẩm vẫn chưa đạt độ hoàn thiện. Chỉ khi tiếp tục mở rộng bán kính cổng phun lên $R3,5\text{ mm}$, dòng nhựa nóng chảy mới điền đầy hoàn toàn lòng khuôn, tạo ra sản phẩm định hình rõ nét.

3. Các thông số công nghệ chính được thiết lập trong mô phỏng ép phun nhựa ABS trên phần mềm Moldex3D là bao nhiêu?
Các thông số cài đặt gồm: nhiệt độ nóng chảy của nhựa trong dải $200 - 260^\circ\text{C}$, nhiệt độ ép đặt ở $230^\circ\text{C}$, nhiệt độ khuôn đặt ở $60^\circ\text{C}$ (giới hạn $50 - 82^\circ\text{C}$), áp suất ép danh định $0,8\text{ MPa}$, thời gian điền đầy cài đặt $20\text{ giây}$ và thời gian làm lạnh cài đặt $25,6\text{ giây}$.

4. Chuẩn định vị công nghệ chính được chọn để gia công nửa khuôn trên là bề mặt nào?
Mặt phẳng A (mặt phân khuôn chính) được chọn làm mặt chuẩn định vị chính cho hầu hết các nguyên công từ nguyên công 2 đến nguyên công 7 (phay mặt đầu, phay 4 mặt bên, phay thô/tinh lòng khuôn ngôi sao, phay rãnh phun và khoan 2 lỗ định vị $\varnothing 10\text{ mm}$). Việc duy trì một chuẩn định vị chính giúp hạn chế sai số gá đặt và đảm bảo dung sai độ vuông góc, độ song song giữa các bề mặt.

5. Kích thước phôi thô và kích thước hoàn thiện của chi tiết khuôn là bao nhiêu?
Phôi ban đầu được tạo hình bằng phương pháp cán và cắt thô với kích thước $87 \times 87 \times 22\text{ mm}$. Sau khi trải qua quy trình công nghệ 8 nguyên công cắt gọt, chi tiết hoàn thiện đạt kích thước danh nghĩa $80 \times 80 \times 15\text{ mm}$, độ nhám $Ra = 0,63\ \mu\text{m}$ và khối lượng $Q = 1,3879\text{ kg}$.

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp "Thiết kế và chế tạo khuôn hàng mẫu cho máy ép nhựa cỡ nhỏ" đã giải quyết trọn vẹn chu trình kỹ thuật chế tạo cơ khí từ thiết kế 3D, mô phỏng động học dòng chảy đến lập quy trình gia công và đúc ép thực nghiệm. Bằng việc kết hợp hiệu quả chuỗi công cụ SolidWorks, Moldex3D và Siemens NX trên nền vật liệu hợp kim nhôm 6061, đề tài cung cấp giải pháp chế tạo khuôn mẫu thử nghiệm nhanh, tiết kiệm chi phí và bám sát điều kiện trang thiết bị xưởng thực hành. Kết quả chế tạo thực tế và các dữ liệu kiểm chứng với hạt nhựa PLA, Moldable plastic và nhựa tái chế khẳng định tính khả thi của hệ thống, đóng góp một mô hình thiết bị - khuôn hoàn chỉnh phục vụ nghiên cứu và giảng dạy chuyên ngành công nghệ chế tạo máy.