Ứng dụng công nghệ CAD/CAE/CAM trong thiết kế gia công khuôn vỏ máy khoan điện cầm tay

Ứng dụng công nghệ CAD/CAE/CAM trong thiết kế gia công khuôn vỏ máy khoan điện cầm tay

KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP

ỨNG DỤNG CAD/CAE/CAM TRONG THIẾT KẾ KHUÔN NHỰA CHI TIẾT VỎ

MÁY KHOAN ĐIỆN CẦM TAY

Người hướng dẫn: TS NGUYỄN QUANG KHUYẾN

Người thực hiện: NGUYỄN HỮU GIÁP

Lớp: 13060201 Khoá: 17

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH, NĂM 2018

LỜI CẢM ƠN

Để hoàn thành tốt bài báo cáo tốt nghiệp này em cũng xin chân thành cảm ơn Khoa

Khoa Học Ứng Dụng- trường Đại học Tôn Đức Thắng, Bộ môn Vật liệu hữu cơ đã tạo

điều kiện để em có đợt thực hiện khóa luận tốt nghiệp này Em xin cảm ơn Thầy

Nguyễn Quang Khuyến đã tận tình chỉ dẫn, giúp đỡ em hoàn thành tốt bài báo cáo

Trong quá trình thực hiện khóa luận, cũng như trong quá trình hoàn thiện bài báo

cáo mặc dù em đã rất cố gắng nhưng do kiến thức cũng như kinh nghiệm thực tiễn còn

hạn chế nên không thể tránh khỏi những thiếu sót, em rất mong nhận được ý kiến đóng

góp của Bộ môn và thầy cô để em học thêm được nhiều kinh nghiệm và bài báo cáo

được hoàn thiện hơn

Lời cuối cùng để tỏ lòng biết ơn chân thành em xin kính chúc Quý Thầy cô trường

Đại học Tôn Đức Thắng luôn dồi dào sức khỏe và nhiệt huyết để tiếp tục thực hiện sứ

mệnh cao đẹp của mình là truyền đạt kiến thức cho thế hệ mai sau

Chân thành cảm ơn!

MỤC LỤC

LỜI NÓI ĐẦU 1

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ CAD/CAE/CAM 2

1 Giới thiệu chung: 2

1.1 Các định nghĩa về CAD, CAM, CAE : 5

1.1.1 CAD (Computer-Aided Design) 5

1.1.2 CAM (Computer-Aided Manufacturing) 6

1.1.3.CAE (Computer-Aided Engineering) 6

1.1.4 Sử dụng hệ thống CAD/CAM/CAE để phát triển sản phẩm 7

CHƯƠNG II: CÔNG NGHỆ ÉP PHUN VÀ VẬT LIỆU ÉP PHUN 9

2.1 Cấu tạo chung máy ép phun 9

2.1.1 Hệ thống khuôn [1,3] 12

2.1.2 Hệ thống kẹp 13

2.1.3 Nguyên lý hoạt động của máy ép phun [3] 13

2.2 Vật liệu polymer dùng trong công nghệ ép phun 14

2.2.1 Nhựa PP (Poly Propylene) [2] 14

2.2.2 Nhựa HDPE (High Density Polyethylene) [2] 15

2.2.3 Nhựa LDPE (Low Density Polyethylene) [2] 16

2.2.4 Nhựa ABS (Acrylonitrile Butadien Styrene) [2] 17

2.3 Cơ sở lý thuyết về ảnh hưởng nhiệt độ đến độ cong vênh sản phẩm 18

2.3.1 Khái niệm về độ cong vênh 18

2.3.2 Nguyên nhân gây ra hiện tượng co rút cong vênh sản phẩm 18

2.3.3 Đặc điểm trong hiện tượng co rút cong vênh sản phẩm 19

2.3.4 Hiện tượng co rút, cong vênh của sản phẩm nhựa: 19

2.3.5 Ảnh hưởng của nhiệt độ nhựa đến độ co rút cong vênh sản phẩm 20

2.3.6 Ảnh hưởng của nhiệt độ khuôn đến độ co rút cong vênh sản phẩm 21

CHƯƠNG III: CƠ SỞ THIẾT KẾ KHUÔN MẪU 22

3.1 Giới thiệu chung về khuôn mẫu tạo hình 22

3.2 Khuôn cho sản phẩm nhựa 22

3.3 Cấu tạo chung và chức năng của một bộ khuôn ép phun nhựa 23

3.4 Vai trò của các bộ phận trong bộ khuôn: 24

3.5 Hệ thống đẩy trong khuôn 27

3.6 Hệ thống làm nguội khuôn 28

3.6.1 Các phương pháp làm nguội: 28

3.7 Hệ thống dẫn nhựa 28

CHƯƠNG IV: CÁC LƯU Ý KHI THIẾT KẾ SẢN PHẨM TRONG CÔNG NGHỆ ÉP PHUN 30

4.1 Khái quát các vấn đề liên quan đến thiết kế sản phẩm ép phun 30

4.2 Một số vấn đề cần quan tâm trong quá trình thiết kế hình học sản phẩm 30

4.2.1 Góc thoát khuôn 30

4.2.2 Bề dày thành 31

4.2.3 Góc bo 33

4.2.4 Gân 34

CHƯƠNG V: THIẾT KẾ CHI TIẾT 37

5.1 Thiết kế chi tiết (part) trong môi trường Workbench 37

5.2 Bo tròn cạnh 39

5.3 Tạo vỏ 40

5.4 Tạo gân cho chi tiết 42

CHƯƠNG VI: THIẾT KẾ KHUÔN CHO CHI TIẾT VỎ MÁY KHOAN ĐIỆN CẦM TAY 44

6.1 Thiết kế khuôn tổng thể 44

6.1.1 Phân tích lõi khuôn (Core) và lòng khuôn (Cavity) 44

6.2 Thiết kế kết cấu khuôn cho sản phẩm 48

6.2.1 Tạo bộ khuôn 48

6.2.2 Tạo mặt phân khuôn cho chi tiết 50

6.3 Lắp ráp các chi tiết vào khuôn 51

6.3.1 Lắp trục dẫn hướng 51

6.3.2 Lắp bạc dẫn hướng 51

6.3.3 Lắp cuống phun 52

6.3.4 Lắp bạc cuống phun 53

6.3.5 Lắp bu lông cố định bạc cuống phun 53

6.3.6 Lắp bu lông cố định tấm miếng ghép khuôn âm và tấm kẹp trên 54

6.3.7 Lắp ráp bu lông cố định tấm miếng ghép khuôn dương và tấm kẹp dưới 54

6.3.4 Lắp các chốt hồi 56

6.3.8 Lắp chốt đẩy sản phẩm 56

6.3.5 Lắp các chốt đẩy 57

CHƯƠNG VII: TỔNG QUAN VỀ PHẦN MỀM MOLDFLOW 59

7.1 Giới thiệu chung: 59

7.2 Lợi ích của ứng dụng moldflow 59

7.3 Cơ sở lý thuyết của phần mềm MOLDFLOW 60

7.3.1 Lý thuyết về phần tử hữu hạn khi chia lưới sản phẩm 60

7.3.2 Độ nhớt của chất lỏng 60

7.3.3 Lý thuyết về truyền nhiệt 61

7.4 Thông số đầu vào của việc phân tích dòng chảy trong công nghệ ép phun 62

7.5 Kết quả của việc phân tích mô phỏng dòng chảy 63

7.6 Sai số giữa kết quả phân tích MOLDFLOW với thực tế ép phun sản phẩm 63

CHƯƠNG VIII: TẠO MESH VÀ SỬA LỖI TẠO MESH 65

8.1.Khái quát 65

8.2.Tạo lưới 67

8.3 Thảo luận về việc chia lưới 70

8.4 Chỉnh sửa các lỗi xảy ra trên lưới được chia 72

CHƯƠNG IX: TỐI ƯU HÓA VỊ TRÍ ĐẶT CỔNG PHUN 75

9.1 Khái quát 75

9.2 Quy trình thực hiện phân tích chọn vị trí cổng phun phù hợp 75

9.3 Thiết lập cài đặt cho phân tích vị trí đặt cổng phun 76

9.4 Các kết quả có được từ phân tích vị trí cổng phun phù hợp 78

9.5 Chạy phân tích điền đầy nhanh (Fill Fast analysis) 79

CHƯƠNG X: TỐI ƯU HÓA CÁC THÔNG SỐ QUÁ TRÌNH (PROCESS

PARAMETERS) 82

10.1 Khái quát 82

10.2 Chạy phân tích cửa sổ khuôn ép phun khuôn mẫu 82

10.3 Chọn lựa vật liệu ép phun phù hợp 85

CHƯƠNG XI: TỐI ƯU HÓA QUÁ TRÌNH ĐIỀN ĐẦY KHUÔN 94

11.1 Khái quát 94

11.2 Quy trình để tiến hành một tối ưu hóa điền đầy 95

11.3 Tính toán hệ thống kênh dẫn nhựa 97

11.4 Các kết quả có được từ phân tích điền đầy (Fill Analysis) 100

CHƯƠNG XII: PHÂN TÍCH SỰ ĐỊNH HƯỚNG CỦA SỢI 115

12.1 Khái quát 115

12.2 Tiêu chuẩn thiết kế 115

12.3 Xem xét các kết quả định liên quan đến sự định hướng của sợi 115

CHƯƠNG XIII: TỐI ƯU HÓA CÁC THÔNG SỐ LÀM NGUỘI KHUÔN (COOLING ANALYSIS) 120

13.1 Khái quát 120

13.2 Tiêu chuẩn thiết kế 120

13.3 Quy trình tối ưu hóa các thông số trong phân tích làm nguội khuôn 122

13.4 Tính toán kích thước kênh làm mát trong khuôn [5,6] 124

13.5 Đánh giá các kết nhận được từ phân tích làm mát 128

13.5.1 Xem lại các kết quả chính 128

13.5.2 Các kết quả bổ trợ 135

CHƯƠNG XIV: TỐI ƯU HÓA PACKING PROFLIE 144

14.1 Khái quát 144

14.2 Tiêu chuẩn thiết kế 144

14.3 Quy trình tối ưu hóa profile bảo áp (Packing) 144

14.4 Xác định áp suất packing ban đầu [4] 146

14.5 Xác định thời gian packing ban đầu 148

14.6 Chạy phân tích packing lần 1 149

14.6.1 Các kết quả nhận được từ lần chạy phân tích packing đầu tiên 150

14.7.Chạy phân tích packing thứ hai 156

14.8 Chạy phân tích packing thứ ba 157

14.8.1 Đánh giá chất lượng phân tích packing lần 3 158

CHƯƠNG XV: PHÂN TÍCH CONG VÊNH TRÊN CHI TIẾT 160

15.1 Tiêu chuẩn thiết kế 160

15.2 Xác định độ lớn của cong vênh 160

15.2.1 Chạy phân tích cong vênh 161

15.2.2 Kết quả tổng quan đánh giá độ lớn của cong vênh trên chi tiết 161

15.3 Xác định nguyên nhân của cong vênh (Warpage) 164

15.3.3 Kết quả đánh giá nguyên nhân chủ yếu gây cong vênh trên chi tiết 166

CHƯƠNG XVI: MÔ PHỎNG QUÁ TRÌNH GIA CÔNG KHUÔN MẪU 169

16.1 Khái quát về phần mềm mô phỏng gia công cắt gọt kim loại SOLIDCAM 169

16.2 Khái niệm cơ bản 170

16.3 Tổng quan về quy trình gia công trong SolidCAM 171

16.3.1 Xác định phần CAM-Part 171

16.3.2 Chế độ gia công phay 173

16.4 Gia công khuôn cái 179

16.5 Gia công khuôn đực 181

KẾT LUẬN 184

TÀI LIỆU THAM KHẢO 185

DANH MỤC HÌNH

Hình 2.1: Sơ đồ cấu tạo máy ép phun 9

Hình 2.2: Hệ thống hỗ trợ ép phun 9

Hình 2.3: Vòng gia nhiệt 10

Hình 2.4: Cấu tạo trục vít 10

Hình 2.5: Van một chiều 10

Hình 2.6: Các loại bộ hồi tự hở 11

Hình 2.7: Vòi phun 11

Hình 2.8: Các thành phần trong khuôn 12

Hình 2.9: Các kiểu rãnh dẫn [4] 12

Hình 2.10: Hệ thống kẹp khuôn 13

Hình 2.11: Cơ cấu khuỷu 13

Hình 2.12: Ảnh hưởng của thông số ép đến độ co rút nhựa 20

Hình 2.13: Biểu đồ trạng thái co rút thể tích theo nhiệt độ 20

Hình 3.1: Kết cấu của khuôn 23

Hình 3.2: Các loại vòng định vị 25

Hình 3.3: Các kiểu chốt dẫn hướng 26

Hình 3.4: Các kiểu bạc dẫn hướng 26

Hình 3.5: Các loại chốt đẩy 27

Hình 3.6: Các kiểu bạc cuống phun 27

Hình 3.7: Hệ thống kênh dẫn nhựa 29

Hình 4.1: Góc thoát khuôn 30

Hình 4.2: Bề dày thành 31

Hình 4.3: Khuyết tật thường gặp liên quan đến thiết kế bề dày 32

Hình 4.4: Vùng chuyển tiếp 32

Hình 4.5: Các cách thiết kế bề dày đồng nhất 33

Hình 4.6: Góc bo không đúng 34

Hình 4.7: Các thông số hình học của gân 35

Hình 5.1: Kích thước trên hình chiếu bằng 37

Hình 5.2: Đùn chi tiết 38

Hình 5.3: Trước và sau khi vát chi tiết 38

Hình 5.4: Vát chi tiết vỏ máy khoan 39

Hình 5.5: Hộp thoại bo tròn cạnh 40

Hình 5.6: Chi tiết sau khi được bo tròn các cạnh 40

Hình 5.7: Hộp thoại tạo thành chi tiết 41

Hình 5.8: Chi tiết sau khi tạo vách 41

Hình 5.9: Tạo gân cho chi tiết 42

Hình 6.1: Hình vẽ 3D chi tiết vỏ máy khoan 44

Hình 6.2: Vào môi trường tách khuôn 44

Hình 6.3: Hộp thoại phân khuôn 46

Hình 6.4: Lòng khuôn và lõi khuôn 47

Hình 6.5: Mặt phân khuôn của chi tiết 47

Hình 6.6: Vào môi trường thiết kế khuôn 48

Hình 6.7: Xuất chi tiết thiết kế vào môi trường thiết kế khuôn 48

Hình 6.8: Mô hình khuôn 3D tạm thời 49

Hình 6.9: Chọn kích thước khuôn 49

Hình 6.10: Xẻ khuôn 50

Hình 6.11: Chọn trục dẫn hướng 51

Hình 6.12: Lắp bạc dẫn hướng 52

Hình 6.13: Lắp bạc mở rộng 52

Hình 6.14: Lắp cuống phun 53

Hình 6.15: Lắp bạc cuống phun 53

Hình 6.16: Lắp bu lông cố định bạc cuống phun 54

Hình 6.17: Bu lông cố định tấm miếng ghép khuôn âm và tấm kẹp trên 55

Hình 6.18: cố định tấm miếng ghép khuôn dương và tấm kẹp dưới 55

Hình 6.19: Lắp các chốt hồi 56

Hình 6.20: Vị trí đặt chốt đẩy 57

Hình 6.21: Lắp các chốt đẩy 57

Hình 6.22: Bộ khuôn hoàn chỉnh 58

Hình 7.1: Profile vận tốc và tốc độ biến dạng trượt của nhựa trong khuôn 61

Hình 8.1: Phần tử lưới [4] 65

Hình 8.2: Các loại lưới [4] 66

Hình 8.4: Chèn các nút lưới 73

Hình 8.5: Đổi các phần tử 73

Hình 8.6: Hợp nhất một nút 74

Hình 9.1: Quy trình chọn vị trí cổng phun phù hợp [4] 75

Hình 9.2: Hộp thoại thiết lập cài đặt vị trí cổng phun 77

Hình 9.3: Chỉ số kháng dòng (Flow resistance indicator) 78

Hình 9.4: Kết quả vị trí đặt cổng phù hợp (gating suitability) 79

Hình 9.5: Thời gian điền đầy khuôn 79

Hình 9.6: Bóng khí 80

Hình 9.7: Đường giao lưu 81

Hình 10.1: Quy trình tìm điều kiện quá trình ép phun [4] 83

Hình 10.2: Vị trí cổng phun 84

Hình 10.3: Điều kiện quá trình được khuyến nghị trong cơ sở dữ liệu 85

Hình 10.4: Biểu đồ miền 2D thể hiện điều kiện quá trình tối ưu 86

Hình 10.5: Đồ thị độ giảm áp suất theo thời gian 87

Hình 10.6: Đồ thị nhiệt độ tối thiểu tại đầu của dòng chảy 89

Hình 10.7: Đồ thị ứng suất biến dạng trượt cực đại 90

Hình 10.8: Đồ thị thời gian làm mát cực đại 91

Hình 10.9: Đồ thị chất lượng ép phun theo thời gian 92

Hình 10.10: Biểu đồ PVT của ABS GF20 93

Hình 10.11: Độ nhớt của ABS GF20 theo tốc độ biến dạng trượt 93

Hình 11.1: Hộp thoại tham số bộ giải (solver parameters) thông số điều kiện 94

Hình 11.2: Quy trình tối ưu hóa điền đầy [4] 95

Hình 11.3: Đầu đề cho bảng tiến trình pha điền trong nhật ký phân tích 97

Hình 11.4: Miệng phun cạnh 100

Hình 11.5: Tạo kết quả mới 101

Hình 11.6: Thời gian điền đầy khuôn 102

Hình 11.7: Áp suất tại thời điểm chuyển tiếp V/P 103

Hình 11.8: Áp suất tại thời điểm cuối quá trình điền đầy 104

Hình 11.9: Đường giao lưu 105

Hình 11.10: Áp suất điền đầy 106

Hình 11.11: Nhiệt độ khối tại thời điểm cuối pha điền đầy 107

Hình 11.12: Tỷ lệ phần nhựa đông tại thời điểm của quá trinh điền đầy 108

Hình 11.13: Tỷ lệ phần nhựa đông trong khuôn 109

Hình 11.14: Thời gian để đạt được nhiệt độ thoát khuôn 111

Hình 11.15: Ứng suất trượt tại thành sản phẩm 112

Hình 11.16: Đồ thị lực kẹp khuôn 113

Hình 11.17: Độ co ngót thể tích thời điểm tháo khuôn 114

Hình 12.1: Phần tỷ lệ định hướng sợi trung bình 116

Hình 12.2: Các điểm truy vấn độ định hướng của sợi 117

Hình 12.3: Biểu đồ định hướng sợi trung bình 118

Hình 12.4: Biểu đồ tensor định hướng của sợi 119

Hình 13.1: Cách bố trí kênh dẫn lưu chất [3] 122

Hình 13.2: Kênh dẫn lưu chất không nên quá dài [3] 122

Hình 13.3: Quy trình tối ưu hóa các thông số làm nguội khuôn [4] 123

Hình 13.4: Đồ thị XY nhiệt dung riêng vs nhiệt độ 125

Hình 13.5: Hệ thống làm nguội mặc định (mặc định) trong MOLDFLOW 127

Hình 13.6: Hệ thống làm nguôi đã được điều chỉnh 127

Hình 13.7: Hệ làm nguội vách ngăn [3] 128

Hình 13.8: Thông tin về chất lưu trong mạch (mặc định) 129

Hình 13.9: Thông tin về chất lưu trong mạch (sau khi điều chỉnh) 129

Hình 13.10: Kết quả nhiệt độ khuôn (trước khi tối ưu hóa) 130

Hình 13.11: Kết quả nhiệt độ khuôn (sau khi tối ưu hóa) 130

Hình 13.12: Nhiệt độ của khuôn trước khi tối ưu 132

Hình 13.13: Nhiệt độ của khuôn sau khi tối ưu 132

Hình 13.14: Các điểm truy vấn liên quan đến đồ thị XY profile nhiệt độ 134

Hình 13.15: Đồ thị XY profile nhiệt độ trên chi tiết 134

Hình 13.16: Nhiệt độ cực đại trên chi tiết trước khi tối ưu 135

Hình 13.17: Nhiệt độ cực đại trên chi tiết sau khi tối ưu 136

Hình 13.18: Nhiệt độ trung bình của chi tiết trước khi tối ưu 137

Hình 13.19: Nhiệt độ trung bình của chi tiết sau khi tối ưu 137

Hình 13.20: Thời gian đạt nhiệt độ tháo khuôn của chi tiết trước khi tối ưu 139

Hình 13.21: Thời gian đạt nhiệt độ tháo khuôn của chi tiết sau khi tối ưu 140

Hình 13.22: Nhiệt độ nước làm mát mạch trước khi tối ưu 141

Hình 13.23: Nhiệt độ nước làm mát mạch sau khi tối ưu 141

Hình 13.24: Nhiệt độ kim loại hệ thống làm mát trước khi tối ưu 142

Hình 13.25: Nhiệt độ kim loại hệ thống làm mát sau khi tối ưu 143

Hình 14.1: Quy trình tối ưu hóa profile bảo áp (Packing) [4] 145

Hình 14.2: Thông số hình học của mô hình phân tích 148

Hình 14.3: Độ co ngót thể tích tại thời điểm tháo khuôn 150

Hình 14.4: Vị trí điểm truy vấn độ co ngót thể tích tại thời điểm tháo khuôn 151

Hình 14.5: Độ co ngót thể tích tại các điểm truy vấn 151

Hình 14.6: Các điểm truy vấn độ biến thiên của áp suất theo thời gian 152

Hình 14.7: Đồ thị áp suất XY tại một số vị trí 153

Hình 14.8: Các thành phần áp suất của profile Packing 154

Hình 14.9: Thời gian cổng khóa dòng 155

Hình 14.10: Hình dạng cho Packing profile 157

Hình 14.11: Hình dạng Packing profile (phân tích bảo áp lần III) 158

Hình 14.12: So sánh độ co thể tích của ba lần bảo áp với ba profile bảo áp khác nhau 159

Hình 15.1: Độ lệch toàn cục trên chi tiết theo trục Z 162

Hình 15.2: Mặt phẳng neo (anchor plane) với các vị trí neo cùng độ lệch Z 163

Hình 15.3: Vị trí các điểm truy vấn liên quan đến độ lệch của chi tiết 163

Hình 15.4: Đồ thị độ lệch toàn cục (all effects) trên chi tiết theo truc Z 164

Hình 15.5: Quy trình tìm nguyên nhân chính gây độ lệch lớn [4] 165

Hình 15.6: So sánh độ co ngót thể tích của các hiệu ứng nguyên nhân 167

Hình 16.1: Quy trình định nghĩa chi tiết CAM-Part [5,6] 172

Hình 16.2: Gia công biên dạng thô (Contour Roughing) 175

Hình 16.3: Trước khi gia công vét thô (Rest Roughing) 175

Hình 16.3: Sau khi gia công vét thô (Rest Roughing) 176

Hình 16.4: Gia công tinh (bán tinh) theo phương Z không đổi 177

Hình 16.5: Gia công tuyến tính tinh (bán tinh) (Linear Machining) 177

Hình 16.6: Gia công vét tinh (bán tinh) (Rest Machining) 178Hình 16.7: Khuôn cái đích cần gia công 179Hình 16.8: Khuôn đực đích cần gia công 181

DANH MỤC BẢNG

Bảng 8.1: Thiết lập cài đặt tạo lưới và kết quả 69

Bảng 13.1: Các tham số phân tích đầu vào của phân tích làm nguội 121

Bảng 14.1: Các thông số 144

Bảng 14.2: Dữ liệu tính toán áp suất packing 148

Bảng 14.3: Xác định thời gian packing 149

Bảng 14.4: Thông số liên quan đến phân tích bảo áp (Packing) lần 1 149

Bảng 14.5: Các giá trị để tính toán profile packing ép phun đầu tiên 156

Bảng 14.6: Profile packing đầu tiên 156

Bảng 14.7: Tham số 157

Bảng 14.8: Các tham số 158

Bảng 15.1: Tiêu chí phân tích 160

Bảng 15.2: Xác định nguyên nhân của cong vênh 168

LỜI NÓI ĐẦU

Một trong những thành tựu quan trọng nhất của tiến bộ khoa học kỹ thuật là sự phát triển mạnh mẽ của ngành vật liệu polyme, các nhà sản xuất đã đưa ra thị trường nhiều chủng loại chất dẻo với các tính chất hơn hẳn các loại vật liệu khác đó là nhẹ, bền, đẹp,

dễ gia công,… Bên cạnh đó, trên thế giới nhu cầu sử dụng chất dẻo trong kỹ thuật cũng như dân dụng ngày càng tăng, nhiều sản phẩm được sản xuất từ vật liệu chất dẻo ngày càng đa dạng và phong phú về hình dáng, chủng loại, giá trị sử dụng của các loại sản phẩm này xâm nhập vào mọi lĩnh vực của nền kinh tế và dân dụng Khi chất lượng cuộc sống ngày càng cao thì yêu cầu về chất lượng và giá thành của các sản phẩm từ nhựa càng khắt khe hơn, dẫn đến thách thức lớn cho các nhà sản xuất và gia công, cũng

vì thế ngành công nghiệp khuôn mẫu đã ra đời để đáp ứng nhu cầu đó Hiện nay, trên thế giới ngành công nghiệp này phát triển rất mạnh mẽ, đã cho ra nhiều sản phẩm chất lượng cao và giá thành hạ Lĩnh vực thiết kế khuôn mẫu cho sản phẩm nhựa là một lĩnh vực kỹ thuật rất mới mẻ ở nước ta, đã tạo ra được nhiều sản phẩm có chất lượng cao sử dụng trong các ngành công nghiệp và dân dụng Đặc biệt, chúng ta có thể sử dụng nhựa tái chế để tạo ra các sản phẩm, từ đó giảm thiểu sự ô nhiễm đối với môi trường xung quanh Trước đây việc chế tạo khuôn mẫu phải nhờ vào bàn tay khéo léo của những người thợ, nhưng cho đến nay nhờ sự phát triển mạnh mẽ của khoa học kỹ thuật đã cho

ra đời phương pháp gia công mới như lập trình gia công tự động trên máy CNC (công nghệ CAD/CAM/CNC), gia công trên máy xung EDM nhờ đó chúng ta có thể chế tạo những bộ khuôn phức tạp và có độ chính xác cao để tạo ra những sản phẩm đáp ứng được với nhu cầu của thị trường Nhằm tìm hiểu sâu hơn về lĩnh vực khuôn mẫu,

em chọn đề tài “Ứng dụng công nghệ CAD/CAE/CAM trong thiết kế gia công khuôn vỏ máy khoan điện cầm tay”

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ CAD/CAE/CAM

1 Giới thiệu chung:

Công nghiệp ngày nay muốn tồn tại và phát triển trong sự cạnh tranh trên toàn thế giới trừ khi họ đưa ra các sản phẩm mới có chất lượng tốt hơn, giá cả thấp hơn và thời gian chế tạo ngắn hơn Vì vậy, họ phải cố gắng sử dụng khả năng bộ nhớ lớn hơn, tốc

độ xử lý nhanh và khả năng giao diện đồ họa dễ sử dụng của máy tính để tự động hóa

và phải kết hợp với các sản xuất hoặc kỹ thuật riêng rẽ không hiệu quả khác Như vậy

sẽ làm giảm thời gian và giá thành của sản phẩm Thiết kế có sự trợ giúp của máy tính (CAD), gia công có sự trợ giúp của máy tính (CAM), và phân tích mô phỏng có sự giúp sự trợ giúp của kỹ thuật (CAE) là các kỹ thuật sử dụng cho mục đích trong trong chu kỳ sản xuất.Vì vậy để hiểu được vai trò của CAD, CAM, CAE, chúng ta cần xem xét các hoạt động và chức năng khác nhau phải được hoàn thành trong thiết kế và chế tạo một sản phẩm.Các hoạt động và chức năng đó được nói đến như là chu kỳ sản xuất Như vậy chu kỳ sản xuất bao gồm hai phần chính:

- Quá trình thiết kế (Bắt đầu từ nhu cầu của khách hàng)

- Quá trình gia công ( Bắt đầu từ các đặc tính thiết kế)

- Các hoạt động trong quá trình thiết kế có thể được chia làm hai phần lớn là tổng hợp và phân tích Quá trình tổng hợp bao gồm các hoạt động như: nhận biết sự cần thiết của thiết kế, biểu diễn các đặc tính của thiết kế, nghiên cứu tính khả thi của các thông tin của thiết kế có liên quan và thiết kế dựa trên các khái niệm Một khi bản thiết

kế được phát triển, quá trình phân tích được bắt đầu với việc phân tích và tối ưu hóa bản thiết kế như: di chuyển các chi tiết không cần thiết, giảm bới các kích thước, chấp nhận và sử dụng sự cân đối hình học Tùy thuộc vào các đặc tính sử dụng của sản phẩm

mà quá trình phân tích có thể tập trung vào các vấn đề chính như: phân tích ứng suất để kiểm tra độ bền của sản phẩm, việc phân tích kiểm tra tác động để kiểm tra va chạm giữa các chi tiết trong quá trình lắp ghép… Một khi bản thiết kế đã được hoàn thành,

việc chế tạo mẫu cũng có thể được tiến hành Ngày này công nghệ chế tạo khuôn mẫu không còn là vấn đề khó khăn đối với kỹ thuật nhờ công nghệ tạo mẫu nhanh Công nghệ tạo mẫu nhanh xây dựng nên các mẫu bằng việc xếp các lớp vật liệu mẫu từ đáy tới đỉnh Vì vậy phương pháp tạo mẫu nhanh có thể xây dựng nên các mẫu trực tiếp từ

dữ liệu CAD của bản thiết kế

Nếu đánh giá bản thiết kế trên mẫu nhanh chỉ định mà chưa đạt yêu cầu, quá trình được lặp lại với bản thiết kế mới Khi đánh giá bản thiết kế đạt yêu cầu, tài liệu thiết kế được chỉnh lý

Theo công nghệ truyền thống, tài liệu thiết kế dưới dạng bản vẽ kỹ thuật sẽ được đưa đến nơi sản xuất

Theo công nghệ CAD/CAM, quá trình gia công cũng bắt đầu với việc lập kế hoạch sản xuất, sử dụng dữ liệu bản vẽ từ quá trình thiết kế và kết thúc với sản xuất thực tế Lập kế hoạch sản xuất cũng bao gồm các công đoạn như lập quy trình công nghệ, chọn máy, chọn vật liệu, lập chương trình gia công, thiết kế đồ gá Mối quan hệ giữa lập quy trình công nghệ và quá trình sản xuất tương tự nhau và đó là tổng hợp của quá trình thiết kế và gia công, đòi hỏi phải có kinh nghiệm và độ chính xác

Một khi lập quy trình công nghệ được hoàn tất, sản phẩm được sản xuất và được kiểm tra theo các yêu cầu chất lượng

Các chi tiết đã qua quá trình kiểm tra chất lượng sẽ được lắp ghép, kiểm tra chức năng, đóng gói, dãn nhãn và chở tới khách hàng

Trong quá trình tổng hợp người thiết kế phải lựa chọn tốt thông tin về thiết kế có liên quan để nghiên cứu tính khả thi bằng cách sử dụng định dạng dữ liệu và việc sử dụng cataloge để có thể điều khiển được thông tin và chất lượng của sản phẩm Chúng

ta cũng không dễ dàng hình dung được cách sử dụng mày tính trong quá trình thiết kế

vì máy tính chưa phải là công cụ mạnh cho quá trình thiết kế, tạo lập thông minh Mô hình hóa tham số hoặc khả năng lập trình Macro của hệ thống Computer-Aided-

Drafting, hoặc mô hình hóa hình học có thể sử dụng trong công việc thiết kế là các đặc trưng của phầm mềm CAD

Chúng ta có thể sử dụng máy tính trong quá trình phân tích ban đầu của quá trình thiết kế Thực tế, nhiều phần mềm có thể sử dụng trong việc phân tích, kiểm tra, phân tích động học… những phần mềm này được gọi là CAE

Vấn đề đặt ra với phần mềm CAE là việc cung cấp mô hình phân tích Sẽ không có vấn đề gì nếu mô hình phân tích được thực hiện tự động dựa trên khái niệm thiết kế Tuy nhiên, mô hình phân tích không giống với việc thiết kế khái niệm nhưng được thực hiện bằng cách giảm bớt các kích thước Mức độ thích hợp của phần giảm đi là khác nhau, nó phụ thuộc vào yêu cầu phân tích và độ chính xác Vì vậy rất khó để có thể tự động hóa quá trình giảm đi này, theo đó các mô hình phân tích thường được tạo lập tách biệt nhau

Đó là cách làm thông dụng để tạo lập hình dạng lý thuyết của mô hình thiết kế bằng việc sử dụng một hệ thống vẽ có sự trợ giúp của máy tính hoặc một hệ thống mô hình hóa hình học hoặc đôi khi sử dụng khả năng xây dựng bên trong của các gói phần mềm phân tích Các gói phần mềm CAE thường cần đến cấu trúc được thể hiện bởi việc bố trí các lưới liên kết bên trong và được máy tính quản lý thành các vùng dữ liệu Nếu gói phần mềm phân tích được sử dụng có khả năng tạo lập các lưới này một cách tự động, phần mềm đó sẽ cần thiết để tạo lập hình dạng đường bao Tuy nhiên các lưới cũng phải được tạo lập bởi người sử dụng hoặc tự động bởi phần mềm.Việc tạo ra các lưới này được gọi là mô hình phần tử hữu hạn Mô hình phần tử hữu hạn cũng bao gồm các điều kiện biên xác định và các điều kiện bên ngoài

Nếu chúng ta cần một mẫu thiết kế, chúng ta có thể tạo ra một mẫu thiết kế được sử dụng bởi các phần mềm được thiết kế nối với một máy tạo mẫu nhanh Các gói phần mềm này cũng được gọi là CAM Dĩ nhiên hình dạng mẫu tạo ra với công nghệ cao trong một loại dữ liệu tương ứng với hình dạng được tạo lập bởi mô hình hóa hình học

up, mẫu nhanh ảo cũng cung cấp cho chúng ta các thông tin tương tự như mẫu thực khi các công cụ phân tích được sử dụng trong quá trình tạo mẫu trở nên đủ mạnh Vì vậy các mẫu nhanh ảo sẽ có khuynh hướng thay thế các mẫu thực

Phần cuối cùng của quá trình thiết kế là tạo profile thiết kế Các thông số máy tính

có khả năng lưu trữ và quản lý profile thiết kế Công nghệ máy tính cũng được sử dụng trong quá trình gia công Quá trình gia công bao gồm các hoạt động của việc lập kế hoạch sản xuất, thiết kế và chuẩn bị dao cụ, vật liệu, lập trình NC, điều khiển máy CNC, điều khiển chất lượng và đóng gói Các gói phần mềm này được gọi là CAM

1.1 Các định nghĩa về CAD, CAM, CAE :

1.1.1 CAD (Computer-Aided Design)

Là kỹ thuật liên quan đến việc sử dụng các hệ thống máy tính để trợ giúp trong việc tạo lập, hiệu chỉnh, phân tích và tối ưu hóa một bản thiết kế Vì vậy bất kỳ chương trình máy tính nào như là đồ họa máy tính và một chương trình ứng dụng các chức năng dễ lập trình trong quá tình thiết kế được gọi là CAD

Các công cụ CAD có thể thay đổi từ các công cụ hình học để điều khiển hình dạng đến việc tạo các chương trình ứng dụng theo yêu cầu của khách hàng, cũng như việc phân tích và tối ưu hóa Các công cụ này bao gồm việc phân tích dung sai, tính khối lượng, mô hình phần tử hữu hạn và hiển thị kết quả phân tích

Các vai trò cơ bản nhất của CAD có thể được nói đến như : thiết kế, mô hình hóa hình học, thiết kế chi tiết máy, tạo bản vẽ sơ đồ mạch điện, kiến trúc…

Các đối tượng hình học được tạo lập bởi các hệ thống CAD có thể được sử dụng như là cơ sở để hình thành nên các chức năng khác trong các hệ thống CAE và CAM Đây là một trong những lợi ích lớn nhất của CAD vì nó có thể lưu trữ và định nghĩa lại mỗi khi cần thiết

1.1.2 CAM (Computer-Aided Manufacturing)

Là công nghệ liên quan đến việc sử dụng các hệ thống máy tính để lập kế hoạch, quản lý và điều khiển các hoạt động sản xuất thông qua giao diện trực tiếp hoặc gián tiếp của máy tính với các thiết bị sản xuất của nhà máy

Một trong những phạm vi ứng dụng thành công nhất của CAM là điều khiển số hoặc

NC Kỹ thuật NC sử dụng các câu lệnh được lập trình để điều khiển máy công cụ như: máy tiện, máy mài, máy phay, đột lỗ…

Máy tính có thể tạo ra một khối lượng lớn các câu lệnh NC dựa trên dữ liệu hình học

từ định dạng dữ liệu CAD cộng với các thông tin phụ cho quá trình gia công

Chức năng quan trọng khác của CAM là lập trình robot để có thể làm việc trong các dây truyền sản xuất, lựa chọn và định vị dao cụ, phôi cho các máy NC Ngoài ra các robot còn có thể thực hiện được các công việc khác như: hàn hoặc lắp ghép hoặc di chuyển các chi tiết…

Lập kế hoạch sản xuất cũng là mục đích của việc tự động hóa có sự trợ giúp của máy tính Lập kế hoạch sản xuất có khả năng xác định một cách tuần tự và chi tiết các bước sản xuất cần thiết để tạo ra một bộ phận chi tiết từ lúc bắt đầu đến lúc kết thúc Thậm chí việc lập kế hoạch sản xuất một cách tự động và đầy đủ là có thể thực hiện được và có thể được tạo lập nếu kế hoạch sản xuất cho một chi tiết tương tự đã có

Để thực hiện mục đích này công nghệ nhóm đã được phát triển để tổng hợp các chi tiết tương tự nhau thành một họ, nhóm Các chi tiết được phân loại tương tự nhau nếu chúng có các đặc tính gia công chung như: rãnh, hốc, lỗ…Do đó để phát hiện một cách

tự động sự giống nhau giữa các chi tiết, định dạng dữ liệu CAD phải chứa đựng các thông tin về các đặc tính đó Công việc này được thực hiện thành công bởi việc sử dụng các mô hình hóa dựa trên các đặc tính hoặc thừa nhận các đặc tính

1.1.3.CAE (Computer-Aided Engineering)

Là kỹ thuật liên quan đến việc sử dụng các hệ thống máy tính để phân tích đối tượng

điềuchỉnh và tối ưu hóa quá trình Các công cụ CAE được ứng dụng rất rộng lớn Ví

dụ, có thể sử dụng CAE để xác định các đường chuyển động và các chuyển động liên kết trong các chi tiết máy, có thể phân tích sự chuyển vị, có thể được sử dụng để xác định tải trọng và chuyển vị trong các lắp ghép phức tạp như là các thiết bị tự động, có thể mô phỏng thời gian và mô phỏng hoạt động của các mạch điện tử phức tạp

Phần lớn các phương pháp sử dụng trong việc phân tích kỹ thuật trong máy tính là phương pháp phần tử hữu hạn FEM ( the Finite Element Method) Phương pháp phần

tử hữu hạn cũng được sử dụng để xác định ứng suất biến dạng, truyền nhiệt, mô tả từ trường, dòng chất lỏng và các vấn đề môi trường liên tục khác

Trong phân tích phần tử hữu hạn, cấu trúc được mô tả bằng một mô hình phân tích được tạp nên từ các thành phần bên trong liên kết, các thành phần này được phần chia thành các phần được quản lý bởi máy tính

Nhiều phần mềm cũng có khả năng tối ưu hóa thiết kế, mặc đù ông cụ tối ưu hóa thiết kế có thể được xem như các công cụ CAE, chúng cũng được phân loại theo các cách thông dụng

Ưu điểm của việc tối ưu hóa và phân tích thiết kế là cho phép người kỹ thuật nhìn thấy trước được quy cách làm việc của sản phẩm do đó sẽ làm giảm đi các lỗi trước khi tiến hành sản xuất, và giảm được phí tổn về mặt thời gian cũng như xây dựng và kiểm tra các lỗi vật lý

CAD/CAM/CAE được xem như các chức năng tự động đặc biệt của chu kỳ sản xuất

và làm cho chúng hiệu quả hơn, vì chúng được phát triển độc lập, chúng không có đầy

đủ vai trò của việc tích hợp các hoạt động thiết kế và gia công của chu kỳ sản xuất Công nghệ mới CIM có thể giải quyết được vần đề tích hợp này

1.1.4 Sử dụng hệ thống CAD/CAM/CAE để phát triển sản phẩm

Chúng ta có thể nêu ra một ví dụ cụ thể cho việc sử dụng hệ thống CAD/CAM/CAE trong việc phát triển sản phẩm

Giả sử công việc của chúng ta là thiết kế và gia công khuôn cho một sản phẩm nhựa, quá trình thiết kế được thực hiện với hệ thống CAD

Bước tiếp theo trong chu kỳ sản phẩm là phân tích thiết kế Mô hình phân tích được

xử lý bởi bộ tiềm xử lý CAE

Khởi động phân tích phần tử hữu hạn trên mô hình phân tích chúng ta có thể kiểm tra được điều kiện bền của sản phẩm Chúng ta cũng có thể chạy chương trình mô phỏng để kiểm tra dòng nhựa nóng sẽ chảy vào hốc của khuôn ép nhựa Nếu kết quả

mô phỏng cho chúng ta thấy sẽ có vấn đề với dòng chảy trong khuôn chúng ta cần hiệu chỉnh lại

Thiết kế khuôn ép nhựa, chế tạo khuôn và đẩy sản phẩm

Từ dữ liệu mô hình thiết kế được tạo lập bởi phần mềm CAD, lõi và hốc được thiết

kế bởi hệ thống mô hình hóa hình học có mục đích chung hoặc tạo lập tự động bởi hệ thống thiết kế khuôn đặc biệt

Từ dữ liệu hình học của lõi và hốc, một bộ khuôn thích hợp có thể được lựa chọn từ

cơ sở dữ liệu chứa đựng các bộ khuôn tiêu chuẩn Sau đó miệng rót, kênh dẫn nhựa, hệ thống làm mát và cách thành phần khác của bộ khuôn được thiết kế và đặt vào bộ khuôn tại vị trí thích hợp Chúng ta có thể chạy mô phỏng lại chương trình để dự đoán dòng chảy cho chính xác hơn, chúng ta cũng có thể chạy phân tích sự tản nhiệt để mô phỏng thiết kế của kênh làm mát

Để hoàn thiện thiết kế khuôn, phần mềm CAM được sử dụng để tính toán các đường cắt NC cần thiết để gia công các tấm Cavity và Core

Khi quá trình gia công cần thiết đã được hoàn thành bộ khuôn được ghép lạ và được

sử dụng cho quá trình ép nhựa Ở đây chúng ta cũng có thể dùng quá trình phân tích để

mô phỏng xác định các điều kiện khác nhau của khuôn giúp chúng ta có thể xử lý tốt hơn bản thiết kế như: Nhiệt độ khuôn, áp lực ép, nhiệt độ nhựa

CHƯƠNG II: CÔNG NGHỆ ÉP PHUN VÀ VẬT LIỆU ÉP

PHUN

2.1 Cấu tạo chung máy ép phun

Hình 2.1: Sơ đồ cấu tạo máy ép phun

Hệ thống hỗ trợ ép phun giúp vận hành máy ép phun:

+ Thân máy (Frame)

+ Hệ thống điện (Electrical system)

+ Hệ thống thủy lực (Hydraulic system)

+ Hệ thống làm nguội (Colling system)

Hình 2.2: Hệ thống hỗ trợ ép phun

Hình 2.3: Vòng gia nhiệt

Hệ thống phun: có nhiệm vụ đƣa nhựa vào khuôn thông qua các quá trình cấp nhựa, nén, khử khí, làm nóng chảy nhựa, phun nhựa lỏng và định hình sản phẩm Gồm:

+ Phễu cấp liệu (Hopper): chứa nguyên liệu để cấp vào máy

+ Xylanh (Barrel): để nhựa hóa bên trong Xylanh đƣợc gia nhiệt bằng các băng cấp nhiệt Nhiệt độ xung quanh xylanh cung cấp

cần đủ để làm chảy nhựa

+ Vòng gia nhiệt (Heater band): Giúp duy trì

nhiệt độ xylanh để nhựa bên trong luôn ở trạng

thái chảy dẻo Trên máy có nhiều băng gia

nhiệt, cài đặt với nhiệt độ khác nhau, tạo ra các

vùng nhiệt độ thích hợp cho quá trình ép phun

+ Hình 2.4: Cấu tạo trục vít

Trục vít (Screw): có chức năng nén, làm chảy dẻo và tạo áp lực để đẩy nhựa chảy dẻo vào lòng khuôn Cấu tạo:

Van một chiều (Non-return assembly, Non-return valve):

Bộ phận này gồm vòng chắn hình nêm, đầu trục vít, seat Chức năng của nó là tạo dòng nhựa bắn vào khuôn

+

Khi trục vít lùi về thì vòng chắn hình nêm di chuyển hướng về vòi phun và cho phép nhựa chảy về phía trước đầu trục vít Còn khi trục vít di chuyển về phía trước thì vòng chắn hình nêm sẽ di chuyển về hướng phễu và đóng kín với seat không cho nhựa chảy ngược về phía sau

Hình 2.6: Các loại bộ hồi tự hở

+ Vòi phun (Nozzle): có chức năng nối khoang trộn với cuống phun và phải có hình dạng đảm bảo bịt kín khoang trộn và khuôn Trong quá trình phun nhựa lỏng vào khuôn, vòi phun phải thẳng hàng với bạc cuống phun và đầu vòi phun nên được lắp kín với phần lõm của bạc cuống phun thông qua vòng định vị để đảm bảo nhựa không bị phun ra ngoài và tránh mất áp

Hình 2.7: Vòi phun

2.1.1 Hệ thống khuôn [1,3]

Có hai nửa khuôn, mỗi nửa khuôn gắn với mỗi thớt khuôn Nửa khuôn gắn vào thớt khuôn cố định gọi là khuôn cái Nửa khuôn gắn vào thớt khuôn di động gọi là khuôn đực

+ Khuôn có hệ thống rãnh dẫn nước vào làm nguội khuôn và sản phẩm Trong khuôn có nhiều cốc (sản phẩm), sắp xếp theo nhiều hình dạng: tròn, song song, chữ thập, đường thẳng

+ Rãnh dẫn thường sinh ra nhiệt nội sinh do ma sát giữa vật liệu với thành khuôn Kích thước rãnh dẫn càng nhỏ nhiệt nội sinh càng cao với cùng tốc độ phun (mm/s) Khi nhiệt độ tăng, độ nhớt vật liệu giảm dẫn đến quá trình điền đầy khuôn tốt hơn và giảm ứng suất nội, giảm cong vênh, giúp tránh sự giảm cấp vật liệu, tiết kiệm nguyên liệu

Hình 2.8: Các thành phần trong khuôn

Hình 2.9: Các kiểu rãnh dẫn [4]

+ Cuống phun: là phần nối béc phun vào khuôn, cuống phun được mở càng nhỏ càng tốt nhưng phải đảm bảo cho khuôn điền đầy bình thường

+ Cốc phun (Cavity): là nơi tạo hình sản phẩm

+ Cổng: là điểm nối giữa rãnh dẫn với cavity

2.1.2 Hệ thống kẹp

Hệ thống kẹp có chức năng đóng, mở khuôn, tạo lực kẹp giữ khuôn trong quá trình làm nguội và đẩy

sản phẩm thoát khỏi khuôn khi kết thúc một chu kỳ ép phun Bao gồm:

+ Cụm đẩy của máy (Machine ejectors): tạo ra lực đẩy tác động vào tấm đẩy trên khuôn để đẩy sản phẩm rời khỏi khuôn

+ Cụm kiềm (Clamp cyclinders): cung cấp lực để đóng mở khuôn và giữ khuôn trong suốt quá trình phun

Thường có 2 loại:

Cơ cấu khuỷu và xylanh thủy lực:

Hình 2.11: Cơ cấu kẹp khuôn

2.1.3 Nguyên lý hoạt động của máy ép phun [3]

Đầu tiên nguyên liệu được đưa vào phễu chứa nguyên liệu Nguyên liệu được làm nóng chảy nhờ các thanh gia nhiệt ở nhiệt độ thích hợp

Hình 2.10: Hệ thống kẹp

Nhựa nóng chảy sẽ được dẫn lên phía trước nhờ trục vít (xoay), đồng thời trục vít cũng lùi về để lại một khoảng trống phía trước đầu phun cho nhựa tràn vào Sau đó nhựa nóng chảy được bơm vào khuôn nhờ áp lực đẩy của trục vít (không xoay)

Sau khi nhựa được điền đầy lòng khuôn Hệ thống làm mát sẽ chuyển hóa nhựa nóng chảy sang trạng thái kết tinh để định hình sản phẩm trong lòng khuôn Phần kẹp khuôn di động sẽ mở khuôn ra một khoảng được định trước sau đó đẩy sản phẩm ra ngoài nhờ trục lói của máy ép tác động một lực đẩy lên hệ thống đẩy của khuôn một khoảng cách được định trước

2.2 Vật liệu polymer dùng trong công nghệ ép phun

Một số polymer thường được sử dụng

2.2.1 Nhựa PP (Poly Propylene) [2]

- Là loại nhựa nhiệt dẻo có tính ứng dụng cao

- PP được trùng hợp ở 80 , áp suất 4.5 MPa trong 1.5h với chất xúc tác là TiCl4

- Tính chất: Tính chất phụ thuộc vào cấu trúc đồng phân, lập thể

 Không tan trong dung môi hữu cơ, ngay cả khi tiếp xúc lâu, chỉ trương trong các cacbuahydro thơm và clo hóa Nhưng ở nhiệt độ 80o

C thì PP bắt đầu tan trong hai loại dung môi trên

 Không hút nước, hút ẩm <0.01%

+ Tính chất điện: cách điện tốt ở tần số cao

+ Tính bán dính kém

+ Tính chất gia công, ép phun tốt

+ Các tính chất khác: đục, không mùi, không vị, không độc, rẻ

Ứng dụng:

+ Cứng: nắp chai nước ngọt, thân và nắp bút mực, két bia, …

+ Kháng hóa chất: chai lọ, thuốc y tế, màng mỏng bao bì, …

+ Cách điện tần số cao: làm vật liệu cách điện tần số cao, tấm, vạch cách điện + Dùng trong nghành dệt: sợi dệt PP, dép giả da, đồ nhựa gia dụng

2.2.2 Nhựa HDPE (High Density Polyethylene) [2]

Là loại nhựa PE (polyethylene) có độ nhớt cao

Được trùng hợp ở áp suất thấp (2÷8) MPa, nhiệt độ (130÷175)0C với dung môi là hexane và xyclohexane, xúc tác là phức chất xiclopentadien trên clorua kim loại chuyển tiếp

Phản ứng trùng hợp tiến hành trên dung dịch và polyethylene hòa tan trong dung môi

+ Tính chất hóa học: chịu hóa chất tốt

 Có tính chất của một hydrocacbon no nên không tác dụng với acid, kiềm, dung dịch thuốc tím và nước brom

 Ở 70oC HDPE hòa tan kém trong dung môi như toluene, xilen, amilacetale, dầu thông, dầu khoáng

 Dù ở nhiệt độ cao, HDPE cũng không thể hòa tan trong nước, các loại rượu béo, aceton, ether ethylic glycerin và các loại dầu thảo mộc

+ Tính chất nhiệt: nhiệt độ hóa mềm cao 120oC, nhiệt Tg: -80oC, rất dễ gia công Ứng dụng: được dùng làm vỏ bọc dây điện, bọc hàng hóa, áo mưa, chai, lọ, ống nước, thiết bị nhựa dùng trong hóa học, …

2.2.3 Nhựa LDPE (Low Density Polyethylene) [2]

LDPE là loại PE có nhiều nhánh, khó kết tinh, được trùng hợp từ khí C2H4 dưới áp suất cao (1500÷2500) bar và nhiệt cao (180÷200)oC có chất khởi đầu là O2 là phương pháp sản xuất PE có tỷ trọng thấp, trọng lượng phân tử trung bình (10,000  45,000) đvC

- Tính chất:

+ Tỷ trọng: d= (0,92 ÷ 0,93) g/cm3

+ LDPE hoàn toàn ở trạng thái vô định hình, trong suốt

+ Nhiệt độ chuyển hóa thủy tinh (Tg): -800C

Ứng dụng:

+ Sản xuất các loại sản phẩm thổi như chai, lọ, màng co

+ Sản xuất các loại ống, sản xuất các loại màng trong, màng che phủ, màng co, màng che nhà vườn, …

2.2.4 Nhựa ABS (Acrylonitrile Butadien Styrene) [2]

- Cấu trúc: vô định hình, trong suốt

 Khi hàm lượng Butadien tăng: Giảm độ bền kéo, modul đàn hồi và độ cứng Tăng độ bền va đập, kháng mài mòn và độ giãn dài

 Khi hàm lượng Styrene tăng: tăng độ chảy khi quá nhiệt Độ phân cực và kết tinh: có phân cực, độ kết tinh thấp

+ Tính chất cơ học:

 Độ co ngót khi gia công: (0,40,7) %

 Cháy với ngọn lửa màu vàng, sinh ra khói đen tạo khí Styrene

+ Tính chất nhiệt:

 Nhiệt độ biến dạng do nhiệt là (60÷120)oC, cháy được

 Nóng chảy: (220250)oC

+ Tính chất hóa học:

 Bền trong môi trường: acid mạnh, kiềm, hydrocacbon, dầu, chất béo, xăng

 Kém bền trong acetone, ethyl benzene, ether, ethyl chloride, ethylen chloride, aniline, benzen, …

+ Trong công nghiệp xe: làm các bộ phận xe hơi, xe máy

+ Trong công nghiệp bao bì: các sản phẩm ép phun, thùng chứa, màng, mủ bảo hiểm

2.3 Cơ sở lý thuyết về ảnh hưởng nhiệt độ đến độ cong vênh sản phẩm

2.3.1 Khái niệm về độ cong vênh

Cong vênh là một sự biến dạng mà bề mặt của sản phẩm ép phun không theo hình dạng dự định của thiết kế Một phần kết quả cong vênh nhân được từ ứng suất dư trong quá trình ép phun trong đó lần lượt, bị gây ra bởi sự khác biệt về độ co rút của vật liệu trong sản phẩm ép phun Nếu độ co ngót trên toàn bộ chi tiết đồng nhất, khuôn sẽ không bị biến dạng hoặc cong vênh, mà nó sẽ trở nên nhỏ hơn đáng kể trong phạm vi cho phép Tuy nhiên, độ co rút thấp và đồng đều là một nhiệm vụ phức tạp do sự hiện diện và tương tác của nhiều yếu tố như định hướng sợi và tính chất hóa lý của vật liệu, làm mát khuôn, thiết kế khuôn và chi tiết sản phẩm, và điều kiện quá trình ép phun [4]

2.3.2 Nguyên nhân gây ra hiện tượng co rút cong vênh sản phẩm

a Các nguyên nhân gây ra cong vênh:

- Quá trình giải nhiệt không đồng đều trên toàn bộ sản phẩm

- Một phần nhỏ trên chi tiết co rút nhiều dẫn đến biến dạng trên diện rộng

b Các yếu tố ảnh hưởng đến cong vênh:

Các yếu tố ảnh hưởng đến độ cong vênh sản phẩm bao gồm nhiếu yếu tố như:

- Hệ số co rút của vật liệu nhựa

- Phân bố nhiệt độ khuôn và nhiệt độ sản phẩm

- Thời gian giải nhiệt

- Độ cứng vững của kết cấu sản phẩm

Co rút là hiện tượng làm giảm kích thước của sản phẩm trong quá trình nguội của vật liệu nhựa Có 3 đặc điểm cần chú ý khi hiện tượng co rút xảy ra:

Trong quá trình phun ép, áp suất phun (P), thể tích nhựa (V) và nhiệt độ nhựa (T) luôn có ảnh hưởng với nhau Sự ảnh hưởng của các yếu tố khác như nhiệt độ khuôn, hoặc thời gian điền đầy,… đều ảnh hưởng đến độ co rút của sản phẩm nhựa

Thể tích nhựa sẽ tăng lên khi được nung nóng và giảm dần trở lại như ban đầu Khi vật liệu nhựa nóng chảy (melt) bị nén bởi áp suất không đổi, thể tích nhựa sẽ giảm so với trường hợp không chịu áp suất nào Khi giảm áp suất thì thể tích cũng tăng trở lại

2.3.4 Hiện tượng co rút, cong vênh của sản phẩm nhựa:

Co rút nhựa là yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến độ cong vênh của sản phẩm Độ co rút sẽ xuất hiện trong quá trình sản phẩm nhựa nguội từ nhiệt độ nhựa nóng chảy (melt temperature) đến nhiệt độ môi trường khuôn (mold temperature) Nhựa nóng chảy được phun vào lòng khuôn đến khi lòng khuôn được điền đầy Sau đó lòng khuôn sẽ được giải nhiệt, ngay lập tức nhựa ở các điểm nằm gần thành khuôn sẽ đông lại Kể từ

đó, sự conrút diễn ra làm cho thể tích của nhựa trong khuôn giảm Nhìn chung, trong quá trình phun ép nhựa, ảnh hưởng của các thông số ép đến độ co rút - cong vênh sản phẩm nhựa được tổng hợp như hình sau:

Hình 2.12: Ảnh hưởng của thông số ép đến độ co rút nhựa

2.3.5 Ảnh hưởng của nhiệt độ nhựa đến độ co rút cong vênh sản phẩm

Khi chọn thông số ép phun cho nhiệt độ nhựa thì ta phải chọn nhiệt độ ở trạng thái hóa dẻo như đồ thị sau:

Vì vậy việc lựa chọn nhiệt độ gia nhiệt hạt nhựa thích hợp là rất quan trọng trong việc giảm độ cong vênh sản phẩm Nhiệt độ nóng chảy dao động từ thấp khoảng 350 °

F đến 700 ° F hoặc nhiều hơn, tùy thuộc vào nhựa được đúc

2.3.6 Ảnh hưởng của nhiệt độ khuôn đến độ co rút cong vênh sản phẩm

Theo các nghiên cứu và thực nghiệm trước đây thì nhiệt độ khuôn sau khi nguội càng cao thì độ co rút và cong vênh sản phẩm càng cao

Biểu đồ trên cho thấy nếu nhiệt độ khuôn được làm nguội tốt như cột bên phải thì độ

co rút và cong vênh trên sản phẩm sẽ thấp và ngược lại, khi nhiệt độ khuôn cao thì độ

co rút và cong vênh sản phẩm sẽ nhiều

Nhiệt độ khuôn được quyết định bởi hệ thống làm nguội và thời gian làm nguội khuôn Nhưng khi dùng hệ thống làm nguội tốt và thời gian nguội lâu thì sẽ đội giá thành sản phẩm nên để ổn định tối đa

CHƯƠNG III: CƠ SỞ THIẾT KẾ KHUÔN MẪU

3.1 Giới thiệu chung về khuôn mẫu tạo hình

Khuôn mẫu là dụng cụ tạo hình cho các thiết bị dựa trên các phương pháp tạo hình khác nhau Kích thước và kết cấu của khuôn phụ thuộc vào kích thước và hình dạng của sản phẩm Thông thường việc phân loại khuôn dựa trên các phương pháp gia công như: khuôn đúc, khuôn đột dập, khuôn rèn, …

- Các điểm cần chú ý khi thiết kế khuôn:

+ Xác định loại khuôn cần thiết kế

+ Xác định tính năng kỹ thuật, tuổi thọ, hình thức sử dụng của khuôn

+ Lựa chọn vật liệu và phương pháp xử lý bề mặt tạo hình của khuôn

+ Lựa chọn phương pháp chế tạo khuôn, trang thiết bị, máy móc…

3.2 Khuôn cho sản phẩm nhựa

Được sử dụng để tạo hình cho các sản phẩm nhựa theo các phương pháp gia công khác nhau

Việc phân loại khuôn cho sản phẩm nhựa chủ yếu dựa trên 2 phương pháp là: Phương pháp gia công và theo cấu tạo khuôn

Theo phương pháp gia công nhựa có:

+ Khuôn ép: Dạng khuôn này dùng để tạo hình sản phẩm nhựa từ nguyên liệu nhựa được nung nóng và ép vào long khuôn

+ Khuôn đùn: Được sử dụng để tạo ra các sản phẩm dạng tấm, thanh, ống…

+ Khuôn đúc phun: Là loại khuôn được sử dụng khá thông dụng

+ Khuôn tạo hình nhiệt ép: Sử dụng lực ép để tạo hình sản phẩm, loại khuôn này ít được sử dụng

+ Khuôn thổi định hình: Được sử dụng để tạo hình các chi tiết rỗng dạng chai, lọ… Phân loại khuôn theo kết cấu:

+ Khuôn một lòng khuôn