Nghiên cứu xây dựng quy trình thiết kế hệ thống làm nguội cho khuôn ép phun nhựa theo công nghệ cad

Quá trình ép phun nhựa chịu ảnh hưởng bởi 3 yếu tố sau : - Vật liệu nhựa - Khuôn ép phun hệ thống cấp nhựa, hệ thống làm nguội,… - Chế độ gia công áp suất ép phun, nhiệt độ nhựa, thời gi

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

-

NGUYỄN VĂN THÀNH

NGHIÊN CỨU XÂY DỰNG QUI TRÌNH THIẾT KẾ HỆ THỐNG LÀM NGUỘI CHO KHUÔN ÉP PHUN NHỰA

CHUYÊN NGÀNH: CƠ KHÍ CHẾ TẠO MÁY MÃ SỐ NGÀNH: 2.01.00

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP Hồ Chí Minh, năm 2005

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH

  ™™™  

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:PGS.TS ĐOÀN THỊ MINH TRINH

CÁN BỘ CHẤM NHẬN XÉT 1: GVC.TS PHẠM NGỌC TUẤN

CÁN BỘ CHẤM NHẬN XÉT 2: GVC.TS NGUYỄN HỮU LỘC

Luận văn Thạc Sĩ được bảo vệ tại HỘI ĐỒNG CHẤM BẢO VỆ LUẬN VĂN THẠC SĨ – TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA, tháng 9

năm 2005

Có thể tìm hiểu luận văn tại Thư Viện Cao Học - Trường Đại Học Bách Khoa - Đại Học Quốc Gia TP Hồ Chí Minh

PHÒNG ĐÀO TẠO SAU ĐẠI HỌC ĐỘC LẬP – TỰ DO – HẠNH PHÚC

TP.HCM, ngày tháng năm 2005

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨHọ và tên học viên : NGUYỄN VĂN THÀNH Phái: NAM

Ngày, tháng, năm sinh: 27 / 2 / 1973 Nơi sinh: KIÊN GIANG

Chuyên ngành : CƠ KHÍ CHẾ TẠO MÁY MSHV: 00403098

I- TÊN ĐỀ TÀI:

NGHIÊN CỨU XÂY DỰNG QUI TRÌNH THIẾT KẾ HỆ THỐNG LÀM NGUỘI

CHO KHUÔN ÉP PHUN NHỰA THEO CÔNG NGHỆ CAD/CAE

II- NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:

1 Nghiên cứu cơ sở lý thuyết truyền nhiệt trong khuôn ép phun nhằm xác định kích thước và phân bố hệ thống làm nguội

2 Xác lập qui trình thiết kế hệ thống làm nguội cho khuôn ép phun theo công nghệ CAD/CAE

3 Triển khai áp dụng cho 1 bộ khuôn ép phun cụ thể

III- NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 01 / 07 / 2004

IV- NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 28 / 02 / 2005

V - HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: PGS.TS ĐOÀN THỊ MINH TRINH

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN BỘ MÔN QUẢN LÝ CHUYÊN NGÀNH

Nội dung và đề cương Luận văn Thạc Sĩ đã được Hội Đồng Chuyên Ngành thông qua

Ngày tháng năm 2005

PHÒNG ĐÀO TẠO SAU ĐẠI HỌC KHOA QUẢN LÝ NGÀNH

LỜI CẢM ƠN

Trong thời gian thực hiện luận văn, tôi đã nhận được nhiều sự giúp đỡ và động viên chân tình của Quý Thầy, Cô và các bạn đồng nghiệp Hôm nay, luận văn đã được hoàn thành, tôi xin kính gửi lời biết ơn sâu sắc nhất đến:

Cán bộ hướng dẫn: PGS.TS Đoàn Thị Minh Trinh đã tận tình giúp đỡ, chỉ dạy

và hướng dẫn cho tôi trong suốt quá trình thực hiện luận văn

Cán bộ chấm nhận xét 1: GVC TS Phạm Ngọc Tuấn

Cán bộ chấm nhận xét 2: GVC TS Nguyễn Hữu Lộc

Đã dành những thời giờ quý báu để duyệt và cho những ý kiến đóng góp giúp luận văn được hoàn thiện hơn

Quý Thầy, Cô giảng dạy các môn học đã nhiệt tình truyền thụ những kiến thức bổ ích không những cho luận văn mà còn cho công tác của tôi trong bước đường tương lai

Xin thành thật biết ơn Th.S Cái Minh Giác, Giám đốc Kỹ thuật Công ty TNHH

Cơ Khí Phú Vinh, đã giúp đỡ tôi rất nhiều về những kinh nghiệm thực tế và đã tạo điều kiện tốt nhất để có thể tiến hành phần thực nghiệm trên bộ khuôn nắp vỏ máy nước nóng tại Công ty

Xin chân thành cảm ơn Quý Thầy, Cô trong Khoa Cơ Khí, Bộ môn Kỹ Thuật

Điều Khiển Tự Động và Phòng Thí Nghiệm CAD/CAM/CNC đã tạo mọi điều kiện thuận lợi cho tôi trong quá trình học tập và nghiên cứu

Đặc biệt, xin gửi lời tri ân và chia sẻ niềm vui đến cha mẹ, gia đình và những người thân đã giúp đỡ, động viên, hỗ trợ và khích lệ tinh thần cho tôi trong suốt quá trình học tập và thực hiện luận văn

Cuối cùng, xin kính chúc tất cả mọi người được nhiều sức khỏe, hạnh phúc và thành đạt

TP.Hồ Chí Minh, tháng 7 năm 2005

Người thực hiện luận văn Nguyễn Văn Thành

LỜI NÓI ĐẦU

Để thích ứng với thị trường, xu thế tự động hóa sản xuất ngày nay là sử dụng kỹ thuật máy tính, công nghệ phần mềm để liên kết dữ liệu và tự động hóa các chức năng kỹ thuật nhằm phát triển và nâng cao chất lượng sản phẩm, giảm thời gian và

chi phí sản xuất

Gia công nhựa bằng phương pháp ép phun là quá trình công nghệ khá phức tạp Chất lượng và giá thành sản phẩm phụ thuộc vào nhiều yếu tố và khó có thể dự đoán một cách chính xác các yếu tố này Thông thường, để có được loạt sản phẩm đạt chất lượng, cần thực hiện giai đoạn ép thử sản phẩm để điều chỉnh các thông số công nghệ gia công, thậm chí cả điều chỉnh khuôn Chi phí cho giai đoạn ép thử không phải là nhỏ, do đó cần có giải pháp hạn chế tối đa việc ép thử và chỉnh sửa, để giảm chi phí sản xuất

Ứng dụng công nghệ CAD/CAE cho phép dự đoán các điều kiện kỹ thuật cần thiết của quá trình sản xuất, để điều chỉnh hình học sản phẩm, thay đổi kết cấu khuôn trước khi chế tạo thực sự; lựa chọn chế độ gia công một cách hợp lý nhất, tránh tối đa các khuyết tật có thể xảy ra

Quá trình ép phun nhựa chịu ảnh hưởng bởi 3 yếu tố sau :

- Vật liệu nhựa

- Khuôn ép phun (hệ thống cấp nhựa, hệ thống làm nguội,…)

- Chế độ gia công (áp suất ép phun, nhiệt độ nhựa, thời gian chu kỳ,…)

Trong đó, hệ thống làm nguội với chức năng giải nhiệt trong khuôn và rút ngắn thời gian làm nguội, nó ảnh hưởng trực tiếp đến chất lượng sản phẩm (cụ thể là biến dạng cong vênh và biến dạng co rút do tác nhân nhiệt) và thời gian chu kỳ ép phun (vì thời gian làm nguội chiếm hơn 70% thời gian chu kỳ) Do đó, hệ thống làm nguội cần được bố trí hợp lý để giảm thiểu sự chênh lệch nhiệt độ trên sản phẩm, dẫn đến hạn chế được biến dạng do tác nhân nhiệt

Với tầm quan trọng và ảnh hưởng như vậy, nên khi thiết kế hệ thống làm nguội cho khuôn ép phun cần đảm bảo các chỉ tiêu sau:

- Đảm bảo độ chính xác kích thước, hình học sản phẩm trong phạm vi yêu cầu

- Giảm tối đa thời gian chu kỳ

Hệ thống làm nguội là hệ thống phức tạp, thông thường được thiết kế theo hai phương pháp khác nhau, đó là phương pháp thiết kế theo kinh nghiệm và phương pháp thiết kế với sự trợ giúp của công cụ CAE

Việc thiết kế hệ thống làm nguội ở các cơ sở sản xuất chế tạo khuôn mẫu của Việt Nam chủ yếu thực hiện theo kinh nghiệm, mang tính thủ công, chưa ứng dụng công nghệ CAD/CAE để hỗ trợ quá trình thiết kế, do đó, khó có thể đánh giá một cách chính xác ảnh hưởng của hệ thống làm nguội đến quá trình ép phun trước khi sản xuất, chế tạo khuôn và ép thử sản phẩm

Do đó, được sự hướng dẫn của PGS.TS Đoàn Thị Minh Trinh, tôi chọn hướng

nghiên cứu này với đề tài : “Nghiên cứu xây dựng qui trình thiết kế hệ thống làm

nguội cho khuôn ép phun nhựa theo công nghệ CAD/CAE”

Đề tài luận văn thạc sĩ do tôi thực hiện tham gia giải quyết một phần nhỏ nhiệm vụ nghiên cứu thuộc đề tài KH-CN cấp Thành phố (*) do PGS.TS Đoàn Thị Minh Trinh làm chủ nhiệm Với đề tài KH-CN này tôi đã tham gia với tư cách là một trong số cán bộ phối hợp chính thực hiện chuyên đề nghiên cứu “Xây dựng qui trình thiết kế hệ thống làm nguội hợp lý cho khuôn ép phun nhựa theo công nghệ CAD/CAE” So với kết quả đã đạt được của đề tài nghiên cứu nêu trên, kết quả luận văn thạc sĩ đã nghiên cứu chi tiết về cơ sở lý thuyết truyền nhiệt trong khuôn ép phun, từ đó đề xuất qui trình cụ thể xác định đường kính và tính toán mật độ bố trí kênh làm nguội cho khuôn ép phun

(*) Đề tài KH-CN cấp Thành phố: “Ứng dụng công nghệ CAD/CAE/CAM, xác định thông số miệng phun, vùng dồn nén khí-kích thước kênh dẫn nhựa - hệ thống giải nhiệt hợp lý cho khuôn ép phun nhựa” (thuộc chương trình “Nghiên cứu tự động hóa” của Thành phố), thực hiện trong thời gian 9/2003- 8/2004 Nghiệm thu ngày 30/8/2004.

Mục đích và nhiệm vụ nghiên cứu của luận văn:

Mục đích luận văn: Nghiên cứu xây dựng qui trình thiết kế hệ thống làm nguội

cho khuôn ép phun nhựa theo công nghệ CAD/CAE

Để thực hiện mục đích nêu trên, nhiệm vụ chính thực hiện trong phạm vi luận văn bao gồm:

1 Nghiên cứu cơ sở lý thuyết truyền nhiệt trong khuôn ép phun nhằm xác định kích thước và phân bố hệ thống làm nguội

2 Xác lập qui trình tính toán kích thước và phân bố hệ thống làm nguội cho khuôn ép phun theo công nghệ CAD/CAE

3 Triển khai áp dụng cho 1 bộ khuôn ép phun cụ thể.

Nội dung nghiên cứu được tóm tắt như sau:

Phần A: Tổng quan về phương pháp thiết kế hệ thống làm nguội cho khuôn ép

phun

Nội dung của phần này nhằm giới thiệu cấu trúc chung của hệ thống làm nguội, trên cơ sở đó đưa ra đường lối chung khi thiết kế hệ thống làm nguội Đồng thời so sánh sự khác biệt giữa phương pháp thiết kế hệ thống làm nguội theo kinh nghiệm và phương pháp thiết kế với sự hỗ trợ của công cụ CAE, từ đó đưa ra đề nghị xây dựng qui trình thiết kế hệ thống làm nguội theo công nghệ CAD/CAE

Phần B: Nghiên cứu cơ sở lý thuyết truyền nhiệt trong khuôn ép phun - xác lập

qui trình xác định kích thước, bố trí kênh làm nguội

Nội dung của phần này là khảo sát bản chất quá trình trao đổi nhiệt trong

khuôn ép phun, tìm hiểu cơ sở khoa học để xác định các thông số của quá trình làm nguội Trên cơ sở đó xác lập qui trình tính toán kích thước và bố trí kênh làm nguội

Phần C: Xây dựng qui trình thiết kế hệ thống làm nguội cho khuôn ép phun theo

công nghệ CAD/CAE

Nội dung của phần này là xác lập qui trình tổng quát để thiết kế hệ thống làm nguội cho khuôn ép phun theo công nghệ CAD/CAE Để minh họa, nội dung luận văn trình bày việc áp dụng toàn bộ qui trình, trong đó bao gồm qui trình tính toán bố trí hệ thống làm nguội theo công nghệ CAD/CAE cho khuôn vỏ bình nước nóng

Mold cooling process of an injection molding cycle is critical from the viewpoint of productivity and quality of molded part Because Cooling time occupies more than 70 percent of the entire molding cycle, so efficient cooling systems cut down cooling time required and improve molding productivity by shortening the cycle time

On the other hand, undesired defects such as sink marks, differential shrinkage, thermal residual stress built-up, as well as part warpage are attributed to poor cooling system design These defects can be relieved or even be eliminated through a proper arrangement of cooling channels and the best combination of process conditions

Plastic parts are cooled by cooling channel through the mold material The heat

is transferred via heat conduction from the polymer inside the cavity to the cooling lines, and the heat is removed through the heat convection of coolants

CAE (Computer-Aided Engineering) has been proved to be an efficient engineering tool for part designers and mold engineers to optimize molding cooling system design parameters and verify the design on the computer before mold is build

In this thesis, the writer has studied of the cooling problem to get up the design process of cooling system in injection mold rely on CAD/CAE technology with the purpose is that: “Uniform distribution of heat on the parts”

The thesis includes 3 parts that presented following details:

Part A: Overview of design method of cooling system in injection mold

Part B: To study theory of thermal transfer in injection mold –

To establish calculate process of size and place of cooling channel

Part C: To establish design process of cooling system for injection mold rely on

CAD/CAE technology

MỤC LỤC

Phần A: Tổng quan về phương pháp thiết kế hệ thống làm nguội cho

Chương 1: Đường lối chung thiết kế hệ thống làm nguội 14

1.1 Cấu trúc chung của hệ thống làm nguội 15 1.2 Đường lối chung thiết kế hệ thống làm nguội 18

Chương 2: Phương pháp thiết kế hệ thống làm nguội 29

2.1 Phương pháp thiết kế theo kinh nghiệm 30 2.2 Phương pháp thiết kế với sự trợ giúp của công nghệ CAD/CAE 31 2.3 Đề xuất xây dựng qui trình thiết kế theo công nghệ CAD/CAE 32

Phần B: Nghiên cứu cơ sở lý thuyết truyền nhiệt trong khuôn ép phun

-xác lập qui trình xác định kích thước, bố trí kênh làm nguội34

Chương 3: Nghiên cứu cơ sở lý thuyết truyền nhiệt trong khuôn ép phun 35

3.1 Tổng quan về quá trình truyền nhiệt trong khuôn ép phun 36 3.2 Cơ sở xác định kích thước, bố trí kênh làm nguội 38

Chương 4: Qui trình xác định kích thước và bố trí kênh làm nguội 47

4.1 Qui trình xác định kích thước và bố trí kênh làm nguội cho khuôn ép phun 48 4.2 Xác định kích thước và bố trí kênh làm nguội cho khuôn vỏ bình nước nóng 49

Phần C : Xây dựng qui trình thiết kế hệ thống làm nguội cho khuôn

Chương 5: Xây dựng qui trình thiết kế hệ thống làm nguội cho khuôn ép phun

5.1 Xây dựng qui trình thiết kế hệ thống làm nguội theo công nghệ CAD/CAE 57

5.2 Chỉ tiêu phân tích hệ thống làm nguội 57

5.3 Hướng dẫn áp dụng qui trình thiết kế hệ thống làm nguội theo công nghệ

CAD/CAE 58

Chương 6: Áp dụng qui trình thiết kế hệ thống làm nguội theo công nghệ

6.2 Áp dụng qui trình thiết kế hệ thống làm nguội theo công nghệ CAD/CAE 69

Phụ lục I: Bảng tra đường kính thủy lực dh và hệ số hiệu chỉnh Kfg của các dạng kênh

Phụ lục II: Phương trình xác định thời gian làm nguội của một số chi tiết điển hình 83

Phụ lục III: Thông số vật lý của nước trên đường bảo hòa 84

Phụ lục IV: Thủ tục phân tích quá trình làm nguội trên phần mềm Moldflow 85

Chữ viết tắt – Ký hiệu

a Hệ số khuếch tán nhiệt của vật liệu nhựa (m2/s)

A CW Diện tích bề mặt kênh làm nguội (m2)

A M Diện tích bề mặt sản phẩm (m2)

b Khoảng cách giữa hai kênh làm nguội (m)

Bi Hệ số Biot

CAD Computer Aided Design - Thiết kế với sự trợ giúp của máy tính

CAE Computer Aided Engineering – Phân tích kỹ thuật với sự trợ giúp của

máy tính

C p Nhiệt dung riêng của vật liệu nhựa (J/kg ¨C)

d h Đường kính thủy lực kênh làm nguội (m)

k Hệ số dẫn nhiệt của vật liệu nhựa (W/moC)

k W Hệ số dẫn nhiệt của vật liệu làm khuôn(W/moC)

K fg Hệ số hiệu chỉnh Nusselt

l Khoảng cách từ tâm kênh làm nguội đến bề mặt khuôn (m)

m Khối lượng vật liệu nhựa (kg)

MPI Moldflow Plastics Insight - Chức năng phân tích tích hợp của phần

mềm Moldflow

Pr Hệ số Prandtl

q& Mật độ dòng nhiệt (W/cm2)

Q M Nhiệt lượng tỏa ra của sản phẩm (J)

M

Q& Dòng nhiệt từ sản phẩm truyền qua khuôn (W)

s Bề dày sản phẩm (m)

t C Thời gian làm nguội (s)

T C Nhiệt độ chất làm nguội (oC)

T CW Nhiệt độ bề mặt kênh làm nguội (oC)

T E Nhiệt độ tháo sản phẩm (oC)

T M Nhiệt độ nhựa chảy dẻo (oC)

T W Nhiệt độ bề mặt khuôn ( oC)

C

V& Lưu lượng chất làm nguội (lít/phút)

ν Độ nhớt động học của chất làm nguội (m2/s)

ρ Khối lượng riêng (g/m3)

α Hệ số khuếch tán nhiệt của nước (m2/s)

CHƯƠNG 1

ĐƯỜNG LỐI CHUNG THIẾT KẾ

HỆ THỐNG LÀM NGUỘI

1.1 Cấu trúc chung của hệ thống làm nguội

1.2 Đường lối chung thiết kế hệ thống làm nguội

Trong chương mở đầu này, chúng ta sẽ giới thiệu tổng quát về cấu trúc chung của hệ thống làm nguội cho khuôn ép phun, sau đó sẽ đi vào đường lối chung thiết kế hệ thống làm nguội

1.1 Cấu trúc chung của hệ thống làm nguội

Hệ thống làm nguội cho khuôn ép phun thông thường gồm những thành phần sau (hình 1.1):

- Hệ thống kênh dẫn chất làm nguội – (A)

- Cơ cấu chia dòng (vách ngăn, hoặc ống ngăn); thanh, chốt dẫn nhiệt – (B)

- Ống nối – (C)

- Bộ góp – (D), có nhiệm vụ tập trung chất làm nguội lưu thông trong các kênh

làm nguội, sau đó đưa đến bộ giải nhiệt, chuẩn bị cho chu kỳ tiếp theo

- Bộ phân phối – (E), có nhiệm vụ phân phối chất làm nguội từ bơm cho các

kênh làm nguội

- Khoang tạo hình – (F)

- Bơm – (G), tạo vận tốc và áp suất cho chất làm nguội

- Bồn chứa có bộ giải nhiệt cho chất làm nguội – (H), có nhiệm vụ đưa chất làm

nguội sau khi hấp thụ nhiệt trở về nhiệt độ yêu cầu ban đầu

Hình 1.1 Cấu trúc chung của hệ thống làm nguội

Nguyên lý hoạt động:

Hệ thống làm nguội là một chu trình kín Chất lỏng làm nguội từ bồn chứa (H) đã được bộ giải nhiệt đưa đến nhiệt độ yêu cầu, sau đó được bơm (G) đưa vào bộ phân phối (E) Từ bộ phân phối, chất lỏng làm nguội được đưa vào các kênh làm nguội (A) để thực hiện việc giải nhiệt Trong kênh làm nguội, nhờ vận tốc do bơm tạo

ra, chất làm nguội tuần hoàn xung quanh lòng khuôn làm nhiệm vụ giải nhiệt Sau đó, chất làm nguội được tập hợp lại trong bộ góp (D) Cuối cùng được đưa trở về bồn chứa chuẩn bị cho chu trình tiếp theo

Như vậy, trong quá trình làm nguội, chất làm nguội tuần hoàn liên tục trong khuôn với vận tốc và áp suất không đổi

Các cơ cấu làm nguội đặc biệt:

Những kênh làm nguội khuôn thông thường được khoan trực tiếp trong lòng khuôn và lõi khuôn Tuy nhiên, khuôn có thể chứa đựng những khu vực quá xa, quá khó để điều tiết nhiệt bằng những kênh làm nguội bình thường; những khu vực không thể bố trí được kênh dẫn chất làm nguội

Để làm nguội đồng đều những khu vực này, phương pháp thay thế là sử dụng các cơ cấu làm nguội đặc biệt, gồm có: cơ cấu vách ngăn; cơ cấu ống ngăn; ống nhiệt (hình 1.2)

Hình 1.2 Các cơ cấu làm nguội đặc biệt

Mỗi cơ cấu có đặc điểm và khả năng ứng dụng riêng của nó Nhưng các cơ cấu này thường được dùng để làm nguội lõi hoặc giải nhiệt riêng tại vùng tụ nhiệt, nơi không thể bố trí được kênh dẫn chất làm nguội

Cơ cấu vách ngăn và cơ cấu ống ngăn là những bộ phận đặc biệt được thêm vào kênh làm nguội, dùng để hướng dòng chảy chất làm nguội vào những khu vực không thể bố trí kênh Bởi vì cả hai đều có tiết diện nhỏ, gia tăng sự cản dòng, do đó, nên cẩn thận khi thiết kế cơ cấu này, để tránh sự sụt áp quá mức

Sau đây, chúng ta tìm hiểu khái quát về các cơ cấu làm nguội đặc biệt

a) Cơ cấu vách ngăn

Cơ cấu vách ngăn thực chất là một kênh dẫn chất làm nguội được khoan vuông góc với kênh dẫn chính, có một lá kim loại ở giữa phân chia kênh dẫn ra thành hai kênh dẫn nửa hình tròn (hình 1.2) Chất làm nguội chảy trong một mặt của lá kim loại từ kênh dẫn chính, xoay vòng tại đỉnh cơ cấu đến mặt còn lại, sau đó chảy về kênh dẫn chính

Khó khăn lớn nhất khi thiết kế cơ cấu này là: thật khó mà lắp đặt vách ngăn chính xác tại tâm, dẫn đến sự phân bố nhiệt độ trên mỗi mặt của lõi có thể sẽ không đều

Những khó khăn trên có thể được khắc phục nếu lá kim loại tạo vách ngăn được xoắn đi Lấy ví dụ, vách ngăn xoắn ốc (hình 1.3), vận chuyển chất làm nguội tới đỉnh và trở lại trong hình thể xoắn vòng Cơ cấu loại này rất có ích cho những đường kính lõi từ 12 ÷ 50 mm, và làm cho sự phân bố nhiệt độ trên lõi rất đồng đều

Hình 1.3 Cơ cấu vách ngăn xoắn ốc đơn tuyến và nhị tuyến

Trong thực tế có hai loại vách ngăn xoắn ốc là đơn tuyến và nhị tuyến (hình 1.3)

b) Cơ cấu ống ngăn

Cơ cấu ống ngăn thì tương tự như cơ cấu vách ngăn, chỉ khác là lá kim loại được thay bởi một ống nhỏ Chất làm nguội chảy vào phần dưới của ống và vọt lên đỉnh như một vòi nước Sau đó, chất làm nguội chảy vòng xuống ra bên ngoài của ống để tiếp

tục chảy đến kênh dẫn chính (hình 1.4)

Cơ cấu ống ngăn làm nguội hiệu quả nhất đối với những lõi nhỏ và dài Đường kính lỗ khoan ngoài và đường kính ống phải được tính toán điều chỉnh sao cho sự cản dòng trong cả hai tiết diện là bằng nhau Điều kiện tối ưu cho kích thước này là:

Đường kính trong / Đường kính ngoài = 0,707

Đối với đường kính ống nhỏ tới 4mm, ống nên được vát xiên tại cuối ống để tăng tiết diện ngang ngõ ra (hình 1.4)

Hình 1.4 Cơ cấu ống ngăn

Cơ cấu ống ngăn có thể được sử dụng không chỉ để làm nguội lõi khuôn, mà còn để làm nguội những phần không gian khác của khuôn, nơi mà không thể bố trí kênh làm nguội thông thường

c) Thanh truyền nhiệt (ống nhiệt)

Thanh truyền nhiệt là cơ cấu thay thế cho cơ cấu vách ngăn hay cơ cấu ống ngăn Nó là một ống trụ kín được đổ đầy lưu chất Lưu chất sẽ bốc hơi khi hấp thu nhiệt từ khuôn và sẽ ngưng tụ khi giải thoát nhiệt cho chất làm nguội (hình 1.5)

Hình 1.5 Ống nhiệt

Hiệu quả truyền nhiệt của ống nhiệt hầu như lớn hơn 10 lần so với ống đồng Để cho sự dẫn nhiệt được tốt, phải hạn chế khe hở không khí giữa ống nhiệt và khuôn khi lắp ống, hoặc điền đầy nó bằng chất bịt kín có tính dẫn nhiệt cao

1.2 Đường lối chung thiết kế hệ thống làm nguội

Hai yếu tố cơ bản quyết định đến hiệu quả của hệ thống làm nguội là:

- Hệ thống kênh dẫn chất làm nguội

- Chế độ làm nguội

Vì thế, khi thiết kế chúng ta cần chú trọng xem xét đường lối chung của hai yếu tố này

1.2.1 Đường lối thiết kế hệ thống kênh dẫn chất làm nguội

Trong khuôn, có những vị trí có thể bố trí được hệ thống kênh dẫn chất làm nguội và cũng có những vị trí không thể bố trí được hệ thống kênh dẫn chất làm nguội

Ở những vị trí có thể bố trí được hệ thống kênh dẫn, căn cứ vào độ dày thành sản phẩm và hình học sản phẩm, kết cấu khuôn, khi thiết kế hệ thống làm nguội, người thiết kế cần thực hiện những công đoạn sau đây:

- Xác định không gian bố trí hệ thống kênh làm nguội

- Xác định kích thước kênh làm nguội

- Bố trí hệ thống kênh làm nguội vào trong khuôn

1.2.1.1 Xác định không gian bố trí hệ thống kênh làm nguội

Không gian phân bố tốt nhất cho kênh làm nguội là nằm trong tấm khuôn chứa lòng khuôn (cối) và lõi khuôn (chày) (hình 1.6)

Tấm lòngkhuônTấm lõi

Bộ góp

Bộ phânphối

Hình 1.6 Bố trí kênh làm nguội trong khuôn

- Việc bố trí kênh làm nguội bên ngoài khối lòng khuôn hoặc khối lõi sẽ dẫn

đến hiệu quả giải nhiệt giảm đi khoảng 50%

- Đặc biệt cần tăng cường giải nhiệt tại những vị trí đặc biệt của hình học sản

phẩm, như vùng có bề dày lớn, vùng có gân, góc cạnh, vùng lõi

1.2.1.2 Xác định kích thước kênh làm nguội

Kênh làm nguội thường có tiết diện tròn Đường kính kênh làm nguội phải lấy theo kích thước tiêu chuẩn của dụng cụ gia công Việc chọn kích thước liên quan đến tốc độ dòng chảy, sao cho đảm bảo dòng chảy rối trong khuôn

1.2.1.3 Bố trí hệ thống kênh làm nguội vào trong khuôn

Việc bố trí hệ thống kênh làm nguội vào trong khuôn ảnh hưởng rất lớn đến hiệu quả giải nhiệt cho khuôn Khoảng cách giữa các kênh làm nguội và khoảng cách từ kênh làm nguội tới bề mặt sản phẩm nên phù hợp với sức bền của vật liệu khuôn Khuôn có thể bị hỏng dưới tác dụng của lực kẹp, áp lực ép phun

Do đó, khi bố trí hệ thống kênh làm nguội vào trong khuôn, chúng ta cần thực hiện các bước sau đây:

- Xác định loại cấu hình kênh làm nguội

- Xác định khoảng cách giữa những kênh làm nguội

- Xác định khoảng cách từ kênh làm nguội đến bề mặt sản phẩm

- Xác định chiều dài kênh làm nguội chất làm nguội

a) Xác định loại cấu hình kênh làm nguội

Chúng ta có thể chọn cấu hình kênh làm nguội sau đây: cấu hình kênh làm nguội song song (hình 1.7a) hoặc cấu hình kênh làm nguội nối tiếp (hình 1.7b)

Hình 1.7 Hai loại cấu hình chính của kênh làm nguội

Trong cả hai loại cấu hình này, sự gia tăng nhiệt độ sau cùng của chất làm nguội được xác định rõ bằng lượng nhiệt được truyền từ nhựa nóng chảy và tốc độ dòng chảy của chất làm nguội trong kênh làm nguội Điều này có nghĩa là nhân tố quan trọng nhất trong việc duy trì hiệu quả truyền nhiệt là “tốc độ dòng chảy” và

“cách bố trí kênh làm nguội”

Mỗi loại cấu hình đều có những đặc điểm và khả năng ứng dụng riêng Sau đây, chúng ta sẽ xem xét từng loại cấu hình này

Cấu hình kênh làm nguội song song:

Đặc điểm:

- Những kênh làm nguội song song được nối trực tiếp từ bộ phân phối tới bộ góp

(hình 1.8)

Hình 1.8 Các cấu hình kênh làm nguội song song

- Do đặc điểm dòng chảy của thiết kế song song, tốc độ dòng chảy dọc theo

những kênh làm nguội khác nhau có thể sẽ khác nhau, phụ thuộc vào sự cản trở dòng chảy và đường kính của mỗi kênh làm nguội Sự khác nhau này dẫn đến hiệu quả giải nhiệt của những kênh làm nguội thay đổi từ vị trí này tới vị trí khác, do đó, việc làm nguội khuôn có thể không đồng đều với cấu hình kênh làm nguội song song

- Khi cấu hình kênh làm nguội song song được sử dụng, mỗi nhánh đều phải có

khả năng hấp thụ nhiệt từ khu vực xung quanh Dòng chảy chất làm nguội phải được điều chỉnh bằng việc chỉ rõ chiều dài và đường kính của mỗi nhánh trong cấu hình

- Mỗi nhánh nên có dòng chảy rối để có hiệu quả truyền nhiệt cao nhất Diện

tích bề mặt trao đổi nhiệt của nhánh được xác định rõ bằng việc cân bằng giữa chiều dài và đường kính dựa vào sự tụ nhiệt được khoanh vùng Một cấu hình kênh làm nguội song song được cân bằng sẽ hấp thụ nhiệt đồng đều hơn

Nhược điểm của cấu hình kênh làm nguội song song:

- Tốc độ dòng chảy trong mỗi nhánh sẽ bị giảm khi những nhánh cộng thêm

được sáp nhập vào Vì vậy sẽ làm giảm hiệu quả làm nguội, trừ khi tốc độ dòng chảy trong mỗi nhánh được gia tăng phù hợp

- Tốc độ dòng chảy có thể thay đổi từ nhánh này tới nhánh kia, đây là nguyên

nhân dẫn đến việc làm nguội không đồng đều Sự bất lợi này có thể được giảm đến mức tối thiểu bằng việc điều chỉnh đường kính ở mỗi nhánh để cân bằng tốc độ dòng chảy

- Nếu một nhánh bị tắt nghẽn bởi những lớp cặn, tốc độ dòng chảy trong nhánh

đó có thể bị giảm đột ngột, trong khi những nhánh khác gia tăng, do đó, điều này sẽ gây ra việc làm nguội khuôn không đồng đều

Cấu hình kênh làm nguội song song thường được sử dụng trong những trường hợp sau:

- Sự sụt áp trong cấu hình kênh làm nguội nối tiếp quá cao, vượt công suất bơm

sử dụng

- Những khu vực trong khuôn không thể được làm nguội hiệu quả với cấu hình

kênh làm nguội nối tiếp Điều này phụ thuộc vào kích cỡ và độ phức tạp của khuôn

Cấu hình kênh làm nguội nối tiếp:

Đặc điểm:

- Những kênh làm nguội thông với nhau trong một đường nhánh đơn từ ngõ vào

tới ngõ ra (hình 1.9)

Hình 1.9 Cấu hình kênh làm nguội nối tiếp

- Cấu hình loại này được giới thiệu và được sử dụng rộng rãi nhất

- Những kênh làm nguội phải có kích cỡ đồng đều để chất làm nguội có được

dòng chảy rối trong toàn bộ chiều dài một chu trình

- Thật dễ dàng khi điều khiển vận tốc dòng chảy chất làm nguội trong một chu

trình kênh làm nguội nối tiếp, bởi vì tốc độ dòng chảy trong mỗi phần tử là như nhau Vì thế, cũng thật dễ dàng để duy trì điều kiện tốc độ dòng chảy cho việc truyền nhiệt có hiệu quả

Những điều cần lưu ý khi sử cấu hình kênh làm nguội nối tiếp:

- Cần phải theo dõi để giảm đến mức thấp nhất sự gia tăng nhiệt độ của chất

làm nguội, khi đó chất làm nguội sẽ tập trung tất cả nhiệt dọc theo đường đi của kênh làm nguội Thông thường, sự chênh lệch nhiệt độ của chất làm nguội giữa đầu vào và đầu ra nên nằm trong khoảng 50C đối với sản phẩm thông thường và trong khoảng 10C -30C đối với sản phẩm yêu cầu độ chính xác cao

- Trong những khuôn lớn, có thể dùng nhiều hơn một chu trình kênh làm nguội

nối tiếp để đảm bảo nhiệt độ chất làm nguội không tăng quá mức Và vì thế, việc làm nguội khuôn cũng đồng đều hơn

- Đôi khi, cấu hình kênh làm nguội nối tiếp cũng không được dùng Ví dụ như,

khi mà chiều dài của chu trình kênh làm nguội làm cho sự sụt áp trong chu trình tăng quá cao so với công suất bơm có thể, hoặc khi những cấu trúc bắt buộc trong bản thiết kế khuôn làm cho khuôn không thể được làm nguội hiệu quả với cấu hình kênh làm nguội nối tiếp

- Những khó khăn trên có thể được khắc phục bằng việc chia chu trình kênh làm

nguội quá dài thành hai hay nhiều chu trình ngắn hơn, hoặc sử dụng cấu hình kênh làm nguội song song đã được cân bằng

b) Xác định khoảng cách giữa những kênh làm nguội

Hệ thống làm nguội nên có số lượng kênh làm nguội tương thích và khoảng cách phù hợp để đạt được việc làm nguội đồng đều

Việc giảm khoảng cách giữa những kênh làm nguội sẽ làm cho nhiệt độ khuôn đồng đều hơn

Khoảng cách này phụ thuộc vào vật liệu khuôn, đường kính kênh làm nguội và độ dày thành sản phẩm Giá trị phân bố này sẽ được tính toán chi tiết ở chương

3

c) Xác định khoảng cách từ kênh làm nguội đến bề mặt sản phẩm

Khoảng cách này ảnh hưởng rõ rệt tới sự cong vênh, đặc tính cơ học của sản phẩm, tới mức độ hạn chế của việc điền đầy lòng khuôn

Việc tăng khoảng cách từ kênh làm nguội đến lòng khuôn sẽ làm cho nhiệt độ tại bề mặt khuôn đồng đều hơn Điều này cũng làm tăng cường nhiệt độ tại bề mặt khuôn trong quá trình ép phun và thời gian chu kỳ cũng tăng

Với khoảng cách ngắn hơn, nhiệt được lấy đi nhanh hơn và thời gian chu kỳ sẽ ngắn hơn Nhưng hậu quả là sự thay đổi đột ngột của bề mặt khuôn, điều này có thể dẫn đến nhiều vấn đề về chất lượng sản phẩm Giá trị này sẽ được tính toán chi tiết ở chương 3

d) Xác định chiều dài kênh làm nguội

Chiều dài kênh làm nguội được dùng để tính toán sự sụt áp và khả năng trao đổi nhiệt của kênh làm nguội Cho nên, một chu trình kênh làm nguội nên có chiều dài nhất định

Xác định chiều dài kênh làm nguội chính là:

- Xác định vị trí đặt các bộ phận ống nối, bộ phận uốn cong, bộ phận rẽ nhánh, và những thiết bị phụ

- Số vị trí vào ra phụ thuộc vào cách bố trí kênh làm nguội và số chu trình kênh làm nguội trong khuôn

Việc tăng chiều dài kênh làm nguội sẽ làm tăng giá trị diện tích bề mặt cho sự trao đổi nhiệt

Hình 1.10 Chiều dài một chu trình kênh làm nguội trong khuôn

Theo hình 1.10, khả năng trao đổi nhiệt của kênh làm nguội trong hình (b) tốt hơn trong hình (a)

Tuy nhiên, kênh làm nguội quá dài có thể nảy sinh những khó khăn, bao gồm:

- Sự sụt áp gia tăng

- Cường độ nhiệt độ tại bề mặt khoang tạo hình tăng quá mức

- Sự chênh lệch giữa nhiệt độ đầu vào và nhiệt độ đầu ra của chất làm nguội lớn hơn 30C Điều này ảnh hưởng xấu đến hiệu quả làm nguội khuôn của chất làm nguội

Để ngăn chặn những khó khăn này, những kênh làm nguội quá dài được chia

ra thành hai hay nhiều kênh làm nguội ngắn hơn, như hình (c)

1.2.2 Đường lối xác lập chế độ làm nguội

Khi xác lập chế độ làm nguội, chúng ta cần thực hiện các công việc sau:

- Xác định nhiệt độ chất làm nguội

- Xác định loại chất làm nguội

- Xác định vận tốc dòng chảy chất làm nguội trong kênh dẫn

- Chú ý đến sự sụt áp của chất làm nguội trong kênh dẫn

a) Xác định nhiệt độ chất làm nguội

- Việc xác định nhiệt độ chất làm nguội phụ thuộc vào: nhiệt độ bề mặt khuôn yêu cầu và tính khả thi của việc đạt được nhiệt độ đó

- Một vài loại nhựa nhiệt dẻo yêu cầu nhiệt độ bề mặt khuôn cao để sản phẩm

tốt hơn Trong những trường hợp như vậy, nước hoặc dầu được làm nóng có thể được sử dụng để làm nguội khuôn

- Thông thường, nhiệt độ của chất làm nguội được hạ thấp để đạt được sự

truyền nhiệt tốt hơn và giảm thời gian chu kỳ Tuy nhiên, cố gắng chọn nhiệt độ của chất làm nguội thích hợp để giữ cho nhiệt độ bề mặt lòng khuôn nằm trong giá trị được đề nghị

b) Xác định loại chất làm nguội

- Việc chọn loại chất làm nguội phụ thuộc vào: nhiệt độ chất làm nguội đã được

xác định và khả năng hiện có của nhà sản xuất

- Thông thường, chúng ta dùng nước làm chất làm nguội là hiệu quả nhất vì chi

phí thấp

- Đối với những khuôn yêu cầu nhiệt độ chất làm nguội trên 800C, chúng ta thường dùng dầu làm môi trường trao đổi nhiệt Hệ số dẫn nhiệt của dầu thấp hơn của nước

- Trong một vài trường hợp khác, khi nhiệt độ của chất làm nguội được yêu cầu

rất thấp (≤ 50C), chúng ta thường dùng Etylen Glycol hoặc pha trộn thêm Etylen Glycol vào nước, bởi vì nó là hợp chất chống đông, không sinh ra rỉ sét và chất cặn trong kênh làm nguội

c) Xác định vận tốc dòng chảy chất làm nguội

- Dòng chảy chất làm nguội thường là chảy tầng, chảy rối, hay trạng thái

chuyển tiếp giữa chảy tầng và chảy rối (hình 1.11)

Hình 1.11 Dòng chảy tầng (trái) và dòng chảy rối (phải)

- Để định nghĩa cho loại dòng chảy chất làm nguội, chúng ta sử dụng số

Reynolds (Re) Công thức xác định số Reynolds:

Re =

η

ρ×U×dTrong đó:

ρ: Khối lượng riêng của chất làm nguội

U: Vận tốc trung bình của chất làm nguội chảy trong kênh làm nguội

d: Đường kính kênh làm nguội

η: Độ nhớt động học của chất làm nguội

- Dòng chảy chất làm nguội trong kênh làm nguội ảnh hưởng lớn đến hiệu quả

làm nguội khuôn Hiệu quả trao đổi nhiệt sẽ tăng khi dòng chảy chất làm nguội thay đổi từ chảy tầng sang chảy rối (hình 1.12) Do đó, khi xác định vận tốc dòng chảy, chúng ta phải đảm bảo để có dòng chảy rối hoàn toàn Tức là phải đảm bảo:

Re ≥ 10000

Hình 1.12 Đường dốc nhiệt độ: (a) – dòng chảy tầng, (b) – dòng chảy rối

a = vùng chất làm nguội

b = mặt phân cách chất làm nguội/kim loại

c = vách khoang tạo hình

d = phần chất dẻo

Lưu ý:

- Để cho quá trình giải nhiệt có hiệu quả, dòng chảy chất làm nguội phải là

dòng chảy rối ở mọi vị trí trong kênh làm nguội

- Hiển nhiên, trong miền chảy rối, việc gia tăng vận tốc dòng chảy sẽ làm tăng

hiệu quả giải nhiệt cho khuôn Tuy nhiên, lượng nhiệt cần lấy đi bị giới hạn bởi lượng nhiệt tích tụ trong sản phẩm Như vậy, lượng nhiệt thật sự được lấy

đi từ hệ thống làm nguội sẽ không tăng theo sự gia tăng vận tốc dòng chảy chất làm nguội (hình 1.13)

Hình 1.13 Sự gia tăng hiệu quả giải nhiệt theo vận tốc dòng chảy

A = vùng dẫn

B = vùng chuyển tiếp

C = vùng đối lưu

T = vùng chảy rối

H = sự giải nhiệt thật sự

E = hiệu suất giải nhiệt

- Không cần thiết phải tăng vận tốc dòng chảy chất làm nguội khi số Reynolds

vượt quá 10000 (chảy rối hoàn toàn) Vì khi đó, việc tăng vận tốc dòng chảy chất làm nguội không những không làm tăng hiệu quả giải nhiệt mà còn gây

tác dụng ngược lại trong việc cải thiện tốc độ giải nhiệt hoặc thời gian làm nguội, gây sự sụt áp trong kênh làm nguội lớn và tăng thêm phí tổn cho bơm

d) Chú ý đến sự sụt áp trong kênh làm nguội

- Ở giai đoạn thiết kế, cần phải biết giá trị áp suất chất làm nguội của thiết bị

cung cấp Nếu giá trị này nhỏ hơn giá trị mà những kênh làm nguội cần để lưu thông chất làm nguội trong khuôn, thì việc làm nguội sản phẩm sẽ không có hiệu quả, bởi vì dòng chảy chất làm nguội có thể không phải là dòng chảy rối

- Sự sụt áp liên hệ trực tiếp đến chiều dài, đường kính kênh làm nguội và vận

tốc dòng chảy chất làm nguội Áp suất yêu cầu sẽ tăng khi có sự gia tăng trong chiều dài chu trình kênh làm nguội, có sự gia tăng trong vận tốc dòng chảy chất làm nguội và khi có sự sụt giảm đường kính kênh làm nguội

Kết luận:

Thời gian làm nguội chiếm hơn 2/3 thời gian chu kỳ ép phun nên ảnh hưởng rất lớn đến chất lượng sản phẩm và năng suất của quá trình ép phun Nếu thiết kế hệ thống làm nguội không hợp lý sẽ gây nên những ảnh hưởng sau :

- Tăng thời gian chu kỳ, giảm năng suất, dẫn đến tăng giá thành sản phẩm

- Sản phẩm bị cong vênh, co rút quá phạm vi cho phép, dẫn đến chất lượng sản phẩm kém

Do đó, khi thiết kế hệ thống làm nguội, chúng ta nên tuân thủ theo đường lối chung để nhằm đảm bảo hệ thống làm nguội là hợp lý

CHƯƠNG 2

PHƯƠNG PHÁP THIẾT KẾ HỆ THỐNG LÀM NGUỘI

2.1 Phương pháp thiết kế theo kinh nghiệm

2.2 Phương pháp thiết kế với sự trợ giúp của công nghệ

CAD/CAE 2.3 Đề xuất xây dựng qui trình thiết kế theo công nghệ

CAD/CAE

Ở chương 1, chúng ta đã giới thiệu về cấu trúc và đường lối chung khi thiết kế hệ thống làm nguội cho khuôn ép phun Tiếp theo, trong chương này, chúng ta sẽ đề cập tới phương pháp thiết kế hệ thống làm nguội theo kinh nghiệm và phương pháp thiết kế với sự trợ giúp của công nghệ CAD/CAE,ø từ đó đưa ra đề xuất xây dựng qui trình thiết kế hệ thống làm nguội theo công nghệ CAD/CAE

2.1 Phương pháp thiết kế theo kinh nghiệm

Đối với phương pháp này, người thiết kế thực hiện theo trình tự sau:

- Dựa vào kinh nghiệm và kết cấu khuôn cụ thể để quyết định thông số cho hệ thống làm nguội (kích thước và bố trí kênh làm nguội, nhiệt độ chất làm nguội, lưu lượng chất làm nguội, thời gian làm nguội)

- Ép thử khuôn và kiểm tra sản phẩm, nhìn vào khuyết tật (nếu có) của sản phẩm và sờ tay quanh khuôn để kiểm tra sự phân bố nhiệt độ

- Dựa vào kinh nghiệm để quyết định thay đổi thông số nào (nhiệt độ hay lưu lượng chất làm nguội) hoặc phải gia công thêm hay bỏ bớt các kênh làm nguội

- Quá trình này thử đi thử lại nhiều lần đến khi sản phẩm có thể chấp nhận được

Phương pháp thiết kế theo kinh nghiệm có thể được biểu diễn theo lưu đồ sau:

Thiết kế HTLN theo kinh nghiệm Ép thử sản phẩm

Chấp nhận thiết kế

Đạt

Không đạt

Kích thước, phân bố kênh nguội, thời gian làm nguội, nhiệt độ, lưu

lượng chất làm nguội

Cong vênh, co rút sản phẩm, thời gian làm nguội.

Bắt đầu

Kết thúc

Tóm lại, nếu như có được sự nghiên cứu đầy đủ và toàn diện về cơ sở lý thuyết để tính toán quá trình trao đổi nhiệt trong khuôn khi làm nguội, kết hợp với việc ứng

dụng một cách có phương pháp khả năng phân tích, mô phỏng của phần mềm CAE thì có thể tìm được giải pháp hợp lý cho việc xác lập chế độ làm nguội trong quá trình ép phun

Kết luận:

Phương pháp thiết kế truyền thống chủ yếu dựa trên kinh nghiệm sản xuất, qui trình thiết kế cứ lặp đi lặp lại giữa ép thử và điều chỉnh, nên mất nhiều thời gian, chi phí và công sức, từ đó tăng giá thành sản phẩm lên rất nhiều Mặt khác, do không dự đoán được chính xác hiệu quả của hệ thống giải nhiệt nên kết quả thiết kế có độ tin cậy không cao

2.2 Phương pháp thiết kế với sự trợ giúp của công nghệ CAD/CAE

Ở các nước phát triển trên thế giới, vấn đề làm nguội trong khuôn đã được các chuyên gia về lĩnh vực này nghiên cứu từ năm 1970, khởi đầu là kỹ sư người Mỹ Colin Austin (người đã đưa ra ý tưởng đầu tiên việc xây dựng phần mềm phân tích để áp dụng cho khuôn ép phun) Đến năm 1978 phần mềm Moldflow ra đời - phần mềm CAE phân tích ép phun nổi tiếng trên thế giới hiện nay

Cho đến cuối thập niên 90 của thế kỷ XX, có hàng loạt phần mềm CAE ra đời như Moldex, SIMPOE-Mold Đặc biệt đến năm 2001, hãng MoldFlow cho ra đời phiên bản MPI 3.0 (Moldflow Plastic Insight), đến năm 2001 xuất hiện phiên bản MPI 3.1 và gần đây nhất là phiên bản MPI 5.0 với nhiều chức năng phân tích, mô phỏng quá trình ép phun, trong đó có giải quyết vấn đề làm nguội trong khuôn [15]

Với sự hỗ trợ phân tích của phần mềm CAE, người thiết kế có thể biết trước ảnh hưởng của hệ thống làm nguội đến quá trình ép phun, có thể dự đoán được các khuyết tật có thể xảy ra để có giải pháp thiết kế hợp lý

Thí dụ kết quả phân tích hệ thống làm nguội trên phần mềm Moldflow Plastic Insight có thể hỗ trợ ra quyết định thiết kế như sau:

a) Phân bố nhiệt độ trên sản

phẩm sau khi điền đầy

b) Phân bố nhiệt độ trên kênh

Ngoài ra, phần mềm CAE còn cho phép xác định độ cong vênh, co rút tại mọi

vị trí trên sản phẩm, trên cơ sở đó có thể đánh giá hệ thống làm nguội có đạt chỉ tiêu thiết kế hay không

Kết luận:

Trên thế giới hiện nay, đặc biệt là các nước công nghiệp phát triển thì việc ứng dụng công nghệ CAE để phân tích thiết kế hệ thống làm nguội là vấn đề rất quen thuộc và hầu như đều phải thực hiện khi thiết kế khuôn cho những sản phẩm cao cấp hay những sản phẩm mới Việc áp dụng hiệu quả công nghệ CAD/CAE trong qui trình thiết kế được xem là chiến lược phát triển và cạnh tranh của các nhà sản xuất chế tạo

2.3 Đề xuất xây dựng qui trình thiết kế theo công nghệ CAD/CAE

So với phương pháp thiết kế truyền thống thì phương pháp thiết kế với sự hỗ trợ của công nghệ CAD/CAE có những ưu điểm sau:

- Thời gian sản xuất khuôn ngắn hơn: nếu cùng một sản phẩm thì thời gian sản

xuất khuôn theo phương pháp thiết kế với sự hỗ trợ của công nghệ CAD/CAE giảm ½ thời gian sản xuất so với phương pháp truyền thống

- Nhờ vào kết quả phân tích, mô phỏng của phần mềm CAE, chúng ta có thể

quan sát được toàn bộ bề mặt sản phẩm sau khi làm nguội, do đó có thể dự đoán trước các khuyết tật có thể xảy ra để có giải pháp thiết kế hợp lý trước khi chế tạo

- Tạo được sản phẩm đạt chất lượng tốt hơn, do chúng ta bố trí kênh làm nguội

trong lòng khuôn hợp lý nên phân bố nhiệt trên bề mặt sản phẩm là đồng đều

- Giá thành sản xuất khuôn giảm, do không mất nhiều chi phí trong việc thiết kế

và gia công lại

Do có nhiều ưu điểm vượt trội, cho nên hiện nay nhu cầu áp dụng công nghệ CAD/CAE vào thiết kế và sản xuất khuôn nói chung, thiết kế hệ thống làm nguội nói riêng, đang trở nên quan trọng Do đó, nhu cầu đưa ra qui trình thiết kế hệ thống làm nguội theo công nghệ CAD/CAE là rất cấp thiết

Phần B

NGHIÊN CỨU CƠ SỞ LÝ THUYẾT TRUYỀN NHIỆT TRONG KHUÔN ÉP PHUN – XÁC LẬP QUI TRÌNH XÁC ĐỊNH KÍCH THƯỚC, BỐ TRÍ

KÊNH LÀM NGUỘI

CHƯƠNG 3

NGHIÊN CỨU CƠ SỞ LÝ THUYẾT

TRUYỀN NHIỆT TRONG KHUÔN ÉP PHUN

3.1 Tổng quan về quá trình truyền nhiệt trong khuôn ép

phun

3.2 Cơ sở xác định kích thước, bố trí kênh làm nguội

Để xác định kích thước và bố trí kênh làm nguội trong khuôn ép phun, trong chương này chúng ta đi tìm hiểu chi tiết về bản chất và cơ sở lý thuyết của quá trình truyền nhiệt trong khuôn ép phun

3.1 Tổng quan về quá trình truyền nhiệt trong khuôn ép phun

Tốc độ trao đổi nhiệt giữa nhựa chảy dẻo và khuôn là một yếu tố quyết định trong việc tính toán kinh tế của khuôn ép phun Nhiệt phải được lấy đi từ lúc vật liệu nhựa định hình tới khi trạng thái ổn định được thiết lập (trạng thái cho phép mở khuôn) Thời gian cần để thực hiện công việc này gọi là thời gian làm nguội Lượng nhiệt cần lấy đi phụ thuộc vào nhiệt độ của nhựa chảy dẻo, nhiệt độ tháo khuôn và nhiệt dung riêng của vật liệu nhựa

Để lấy đi lượng nhiệt từ nhựa chảy dẻo, khuôn được thiết kế hệ thống kênh làm nguội Quá trình làm nguội bắt đầu khi lòng khuôn được điền đầy cho đến khi khuôn được mở và sản phẩm được lấy ra Thiết kế hệ thống làm nguội cho khuôn phải phụ thuộc vào bề dày của sản phẩm với thời gian làm nguội là ngắn nhất cho đến khi nhiệt độ nhựa chảy dẻo đạt đến nhiệt độ mở khuôn

Trong trường nhiệt ổn định, nhiệt lượng được đưa vào khuôn và nhiệt lượng lấy

đi phải cân bằng nhau

Hình 3.1 Quá trình truyền nhiệt trong khuôn.

Chúng ta có:

KSQ& +Q&E+Q&AD+Q =0 &C (3.1)

Trong thực tế, sau khi ổn định quá trình ép phun thì sự trao đổi nhiệt trong khuôn chủ yếu là quá trình truyền nhiệt từ nhựa nóng chảy sang khuôn và lượng nhiệt này được lấy đi bởi hệ thống làm nguội Nhiệt lượng sinh ra do hệ thống kênh nhựa nóng (nếu khuôn có sử dụng hệ thống kênh dẫn nhựa nóng) và nhiệt lượng trao đổi với môi trường là không đáng kể, do đó có thể bỏ qua.

KSQ&

CQ&

ADQ&

EQ&

Khi đó, nhiệt lượng trao đổi giữa nhựa nóng chảy và vật liệu khuôn thông qua sự dẫn nhiệt được biểu diễn dưới dạng phương trình Fourier ba chiều như sau:

∂

∂+

Tx

Tkt

Cp : Nhiệt dung riêng của vật liệu nhựa

k : Hệ số dẫn nhiệt của vật liệu nhựa

t : Thời gian dẫn nhiệt

2

2 p

x

Tkt

TC

Tat

Phương trình (3.4) mô tả quá trình làm nguội của sản phẩm nhựa trong khuôn ép phun, cụ thể là quá trình trao đổi nhiệt theo hướng bề dày sản phẩm thông qua quá trình dẫn nhiệt giữa nhựa nóng chảy dẻo và vật liệu khuôn

Nhiệm vụ của hệ thống làm nguội là lấy đi hết nhiệt lượng này thông qua quá trình trao đổi nhiệt đối lưu cưỡng bức giữa khuôn với các kênh làm nguội

Hình 3.2 Quá trình trao đổi nhiệt giữa nhựa nóng chảy, vật liệu khuôn và chất làm nguội

3.2 Cơ sở xác định kích thước, bố trí kênh làm nguội

3.2.1 Xác định đường kính kênh làm nguội (d C )

Trong những trường hợp thông thường, đường kính kênh làm nguội được chọn dC ≈ Þ10 - Þ14 mm [8] Việc chọn đường kính kênh làm nguội phụ thuộc chủ yếu vào không gian giới hạn bởi kích thước tấm khuôn và không gian bố trí cụ thể nhằm tránh hệ thống ty lói, hệ thống cấp nhựa và đồng thời phải đảm bảo khả năng công nghệ

3.2.2 Tính khoảng cách giữa kênh làm nguội và bề mặt khuôn (l)

Bố trí kênh làm nguội trong khuôn ép phun được minh họa trên hình 3.3:

l l

b

T T

d

q

∆ T T

c

cw

w 1

∆ T2

c c

Hình 3.3 Bố trí kênh làm nguội

Trong đó:

b : Khoảng cách giữa hai kênh làm nguội (m)

l : Khoảng cách giữa kênh làm nguội và bề mặt khuôn (m)

dc : Đường kính kênh làm nguội (m)

TC : Nhiệt độ chất làm nguội (oC)

TW : Nhiệt độ bề mặt khuôn (oC)

TCW : Nhiệt độ bề mặt kênh làm nguội (oC)

∆T1= TW - TCW : Chênh lệch nhiệt độ giữa bề mặt khuôn và bề mặt kênh làm

nguội (oC)

∆T2= TCW -TC : Chênh lệch nhiệt độ giữa bề mặt kênh làm nguội và chất làm

nguội (oC)

Trước tiên chúng ta xác định mật độ dòng nhiệt từ bề mặt khuôn truyền cho bề mặt kênh làm nguội, sau đó xác định mật độ dòng nhiệt từ bề mặt kênh làm nguội truyền cho chất làm nguội Để đảm bảo hiệu quả làm nguội thì hai giá trị này phải bằng nhau, dựa vào quan hệ đó chúng ta sẽ tính được khoảng cách l giữa kênh làm nguội và bề mặt khuôn

Quá trình tính toán cụ thể được thực hiện như sau:

Từ phương trình Fourier một chiều (3.3), có thể viết lại thành:

2 2

TC

kt

T

∂

∂ρ

TC

k2 2 p

0dx

Td2

TTthì0x

Phương trình (3.7) và điều kiện biên (3.8) biểu diễn dưới dạng toán học quá trình truyền nhiệt giữa bề mặt khuôn và bề mặt kênh làm nguội Chúng ta cần tìm sự phân bố nhiệt độ trong khuôn và mật độ dòng nhiệt Tích phân (3.7) chúng ta sẽ tìm được qui luật phân bố nhiệt độ trong khuôn:

Tính tích phân lần thứ nhất chúng ta có:

1Cdx

Tính tích phân lần thứ hai thu được: