Bài giảng thiết kế khuôn mẫu đại học thủy lợi

 Theo số màu nhựa tạo ra sản phẩm: • Khuôn cho sản phẩm một màu: • Khuôn cho sản phẩm nhiều màu: Đây là loại khuôn nhiều bạc cuống phun dùng để ép sản phẩm nhiều màu sắc hoặc nhiều loạ

THIẾT KẾ KHUÔN MẪU

TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI

Khoa Cơ khí – Bộ môn Công nghệ cơ khí

GV: TS Nguyễn Công Nguyên Email: ngcnguyen@tlu.edu.vnĐT: 0979931996

- Số tiết: tổng: 45 tiết; LT: 39 tiết; BT: 6 tiết; TN: 0 tiết

- Đánh giá: Điểm quá trình: 40 % (Kiểm tra giữa kỳ; Kiểm tra

trên lớp; Chuyên cần, BT), Điểm thi kết thúc: 60 %

- Hình thức thi: Viết

- Thời gian thi: 70 phút

MECHANICAL ENGINEERING

KHOA CƠ KHÍ

- Thiết kế khuôn phun ép nhựa và chế tạo khuôn

- Giúp sinh viên có kiến thức về khuôn để áp dụng trong đồ

án môn học, đồ án tốt nghiệp và trong sản xuất thực tế

MECHANICAL ENGINEERING

KHOA CƠ KHÍ

NỘI DUNG MÔN HỌC

GIỚI THIỆU CHUNG VỀ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VẬT LIỆU

MECHANICAL ENGINEERING

KHOA CƠ KHÍ

1 Cấu tạo khuôn ép phun

2 Cơ sở lý thuyết về thiết kế khuôn

1 TS Phạm Sơn Minh, ThS Trần Minh Thế Uyên – Thiết kế và chế tạo

khuôn phun ép nhựa – Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật Tp.Hồ Chí Minh –

2014

2 Georg Menges, How to make injection molds, Hanser – 3 rd

3 Daniel Frenkler and Henryk Zawistowski, Hot Runners in Injection

Moulds, Rapra Technology Limited, 2001

4 J Avery, An Overview of Gas-Assist Injection Molding

TÀI LIỆU THAM KHẢO

MECHANICAL ENGINEERING

KHOA CƠ KHÍ

MECHANICAL ENGINEERING

KHOA CƠ KHÍ

YÊU CẦU ĐỐI VỚI SINH VIÊN

- Đến lớp đúng giờ và đầy đủ theo thời khoá biểu của Nhà Trường

- Tìm hiểu trước nội dung liên quan đến buổi học

- Tham gia trao đổi, thảo luận và trả lời các câu hỏi

- Không sử dụng điện thoại, không ngủ gật trong lớp học

Chương 1

CẤU TẠO KHUÔN ÉP PHUN

7

CHƯƠNG 1: CẤU TẠO KHUÔN ÉP PHUN

8) Hệ thống tháo khuôn

9) Một số loại khuôn

• Khuôn đúc: Khuôn cát, khuôn

kim loại, khuôn đúc li tâm,

• Khuôn dập: Đập nguội, dập

nóng,

• Khuôn phun ép nhựa

1.1 TỔNG QUAN VỀ KHUÔN

Video mô phỏng quá trình làm khuôn đúc khuôn cát

Để đúc các chi tiết bằng cách rót kim loại nóng chảy vào lòng khuôn

•Các sản phẩm điển hình

Thân động cơ, bộ phân phối, cổ xả, bánh xe, những pho tượng nhỏ

RÈN DẬP

Tạo hình bằng cách dập vật liệu trong khuôn dập

•Các sản phẩm điển hình

Các sản phẩm cần độ bền cao như là trục khuỷu, tay biên, hoặc khớp nối

Phương pháp rèn vật liệu đã được nung nóng trước được gọi là rèn nóng

Ngoài ra, phương pháp dập vật liệu mà không cần nung nó lên được gọi là dập nguội: Dập nguội được sử dụng để dập vật liệu mềm như nhôm chẳng hạn

Những sản phẩm bằng nhôm như các bộ phận của động cơ, các chi tiết chính xác

KHUÔN ĐÚC ÁP LỰC: Đúc bằng cách nén kim loại lỏng và phun nó vào khuôn

(1) Lắp ráp khuôn (2)Phun kim loại lỏng nhờ áp

lực

(3) mở khuôn và làm nguội

Khuôn dập nóng

KHUÔN NHỰA Khuôn ép phun

1.1.1 Khái niệm

16

Khuôn là dụng cụ (thiết bị) dùng để tạo

hình sản phẩm theo phương pháp tạo

hình, khuôn được thiết kế và chế tạo để

sử dụng cho số chu trình nào đó, chu

Video mô phỏng nguyên lý của máy ép nhựa

Khuôn sản xuất nhựa là một cụm gồm nhiều chi tiết lắp ghép với nhau,

trong đó có 2 thành phần khuôn chính:

- Phần Cavity (Khuôn cái, cối, khuôn âm, phần khuôn cố định) được lắp

trên tấm cố định của máy ép nhựa

- Phần Core (Khuôn đực, chày, khuôn dương, phần khuôn di động) được

lắp trên tấm di động của máy ép nhựa

 Phần trống gữa khuôn dương (Core) và khuôn âm (Cavity), được điền

đầy nhựa nóng chảy, sau đó nhựa được làm nguội rồi đông đặc thành

sản phẩm có hình dạng của lòng khuôn Sau cùng sản phẩm được lấy ra khỏi khuôn bằng tay hoặc hệ thống lấy khuôn

 Phần Core tạo hình bên trong sản phẩm gọi là lõi khuôn, phần Cavity

tạo hình bên ngoài sản phẩm gọi là lòng khuôn

 Phần bề mặt tiếp xúc giữa Cavity và Core được gọi là mặt phân khuôn

1.1.2 Phân loại khuôn ép phun

 Theo số lòng khuôn:

 Khuôn 1 lòng khuôn: Đây là loại khuôn mà 1 lần ép chỉ tạo ra 1 sản phẩm duy nhất ( khuôn 1 cavity )

 Khuôn nhiều lòng khuôn: Đây là loại khuôn mà 1 lần ép có thể tạo

ra nhiều sản phẩm giống nhau hoặc khác nhau ( khuôn nhiều cavity )

 Theo loại kênh dẫn (runner):

• Khuôn dùng kênh dẫn nguội (cool runner):

• Khuôn dùng kênh dẫn nóng: (hot runner): loại khuôn này nhựa

trong kênh dẫn nhựa luôn trong trạng thái nóng chảy nên gọi là kênh dẫn nóng

 Theo cách bố trí số tấm:

• Khuôn hai tấm: Khuôn có kết cấu thông thường,

đuôi keo và sản phẩm cùng nằm trong khoảng mở mặt phân khuôn

• Khuôn ba tấm : Khuôn có thêm kết cấu thêm tấm

giật đuôi keo dùng cho các sản phẩm thiết kế cổng phun dạng pin ( pin gate ) Với kết cấu này đuôi keo

sẽ nằm ở khoảng mở giật đuôi keo còn sản phẩm nằm trong khoảng mở mặt phân khuôn

Ví dụ khuôn 3 tấm (ảnh động)

Cấu tạo khuôn 3 tấm

Nguyên lý làm việc của khuôn 3 tấm

 Theo số màu nhựa tạo ra sản phẩm:

• Khuôn cho sản phẩm một màu:

• Khuôn cho sản phẩm nhiều màu: Đây là loại khuôn

nhiều bạc cuống phun dùng để ép sản phẩm nhiều màu sắc hoặc nhiều loại nhựa khác nhau trên cùng 1 hay nhiều sản phẩm trong cùng một chu kỳ ép phun Khuôn này chỉ vận hành được trên máy có nhiều đầu phun

 Một số cách phân loại khác:

• Phân loại theo lực kẹp khuôn

• Theo lượng nguyên liệu cho một lần phun tối đa: 1, 2, 3, 5, 8,…,56,

120oz (ounce-1 ounce = 28,349 gram)

• Phân loại theo phương đặt đầu phun nhựa: nằm ngang hay thẳng

đứng

• Theo loại pitton hay trục vít

• Phân loại theo tên gọi của hãng sản xuất…

Việc phân loại khuôn cũng là một cách để chúng ta gọi tên khuôn Với mỗi tên gọi thì người nghe sẽ hiểu và định hình ra được kết cấu cũng như công dụng của từng loại khuôn từ đó đưa ra các phương án xử lý thích hợp nhất

1.1.3 Kết cấu chung của một bộ khuôn

Ngoài core và cavity ra thì trong bộ khuôn còn có nhiều bộ phận khác Các bộ phận này lắp ghép với nhau tạo thành những hệ thống

cơ bản của bộ khuôn, bao gồm:

• Hệ thống dẫn hướng và định vị: gồm tất cả các chốt dẫn hướng,

bạc dẫn hướng, định vị lõi, định vị vỏ khuôn… có nhiệm vụ giữ đúng vị trí làm việc của hai phần khuôn khi ghép với nhau để tạo lòng khuôn chính xác

• Hệ thống dẫn nhựa vào lòng khuôn: gồm bạc cuống phun,

kênh dẫn nhựa và cổng bơm làm nhiệm vụ cung cấp nhựa từ đầu phun máy ép vào trong lòng khuôn

• Hệ thống slide (bệ trƣợt): gồm lõi mặt bên, má lõi, thanh dẫn hướng, cam chốt xiên, xy lanh thủy lực,… làm nhiệm vụ tháo những phần không thể tháo (undercut) ra được ngay theo hướng mở của khuôn Xem bài viết

về Undercut

• Hệ thống đẩy sản phẩm: gồm các chốt đẩy, chốt hồi, chốt đỡ, bạc chốt

đỡ, tấm đẩy, tấm giữ, khối đỡ,… có nhiệm vụ đẩy sản phẩm ra khỏi khuôn sau khi ép xong

• Hệ thống thoát khí: gồm có những rãnh thoát khí, van thoát khí có nhiệm

vụ đưa không khí tồn đọng trong lòng khuôn ra ngoài, tạo điều kiện cho nhựa điền đầy lòng khuôn dễ dàng và giúp cho sản phẩm không bị bọt khí hoặc bị cháy khét, thiếu liệu Xem bài viết về van thoát khí – rãnh thoát khí

• Bulong – đai ốc: Dùng để cố định các tấm khuôn, các thành phầm linh

kiện trong khuôn lại với nhau…

• Hệ thống làm nguội: gồm các đường nước, các rãnh, ống dẫn nhiệt,

đầu nối,… có nhiệm vụ ổn định nhiệt độ khuôn và làm nguội sản phẩm một cách nhanh chóng Ngoài ra còn có hệ thống gia nhiệt để giữ nhiệt

độ khuôn ổn định ở nhiệt độ cao đối với sản phẩm dùng nhựa kỹ thuật

• Hệ thống runner: Hệ thống kênh dẫn nguội và kênh dẫn nóng (hot

runner hay còn gọi là hệ thống đuôi keo nóng) Xem bài viết về Hot runner

18 thành phần cơ bản trong kết cấu khuôn ép nhựa

1.2 HỆ THỐNG CẤP NHỰA NGUỘI (Cool Runner)

1.2.1 Tổng quan về hệ thống cấp nhựa nguội

Một hệ thống kênh dẫn nhựa nguội cơ bản bao gồm các thành phần

Hệ thống kênh dẫn nhựa có chức năng phân phối nhựa chảy dẻo từ vòi phun đến các lòng khuôn Hình dạng và kích thước của nó ảnh hưởng đến tiến

trình điền đầy khuôn cũng như chất lượng của sản phẩm

Với khuôn có nhiều lòng khuôn, nhựa được cung cấp từ vòi phun, qua cuống phun và kênh dẫn; sau đó, được bơm vào các lòng khuôn qua các cổng vào nhựa (miệng phun).

Đối với khuôn có một lòng khuôn thì hệ thống cấp nhựa chỉ cần cuống phun Nhựa được cung cấp từ máy ép phun tới cuống phun bằng cách thông qua bạc cuống phun, sau đó trực tiếp tới lòng khuôn

Nguyên tắc thiết kế:

– Đảm bảo sự điền đầy đồng thời các lòng khuôn

– Lựa chọn đúng vị trí miệng phun sao cho không ảnh hưởng đến thẩm mỹ và đặc tính cơ học của sản phẩm

– Phải đảm bảo lấy sản phẩm nhanh

1.2.2 Các bộ phận của hệ thống kênh dẫn nguội

a) Bạc cuống phun có tên gọi tiếng Anh là “Sprue Bushing” là một linh

kiện khuôn được sử dụng nhằm mục đích dẫn nhựa nóng chảy từ đầu bơm của máy ép vào điền đầy lòng khuôn (đối với kết cấu khuôn có cổng bơm thẳng) hoặc vào hệ thống kênh dẫn nhựa

Bạc cuống phun là một thành phần rất quan trọng trong kết cấu khuôn

ép nhựa Tuy nhiên, trong một số trường hợp người ta sẽ không sử dụng bạc cuống phun mà thiết kế và gia công trực tiếp nguyên khối lên tấm khuôn cố định

Để tăng tuổi thọ của khuôn,

gắn lò xo dưới cuống phun để

giảm va chạm có hại cho

cuống phun và vòi phun

Bạc cuống phun có thể được gia công cắt gọt theo yêu cầu hoặc có

thể đặt hàng có sẵn theo các thông số tiêu chuẩn sau:

Bảng quy cách

Bảng các thông số tiêu chuẩn

a) Đuôi côn (tốt nhất)

b) Đuôi chữ Z (tốt)

c) Đuôi vòng rãnh (ít dùng) d) Đuôi rãnh chốt đẩy đầu

bi (ít dùng)

b) Kênh dẫn nhựa: là đoạn nối giữa cuống phun và miệng phun Làm nhiệm

vụ đưa nhựa vào lòng khuôn

số nguyên tắc kỹ thuật để đảm bảo chất lượng cho sản phẩm

• + Giảm đến mức tối thiểu sự thay đổi tiết diện kênh dẫn

• + Nhựa trong kênh dẫn phải thoát khuôn dễ dàng

• + Toàn bộ chiều dài kênh dẫn nên càng ngắn càng tốt, để có thể nhanh

chóng điền đầy lòng khuôn mà tránh không mất áp lực và mất nhiệt trong quá trình điền đầy

• + Kích thước tùy thuộc vào từng loại vật liệu Một mặt kênh nhựa phải đủ

nhỏ để làm giảm phế liệu, rút ngắn thời gian nguội, giảm lực kẹp Mặt khác phải đủ lớn để chuyển một lượng vật liệu điền đầy lòng khuôn nhanh chóng và ít bị mất áp lực

c) Miệng phun (Gate): Còn đƣợc gọi là Cổng bơm nhựa hay cổng

bơm… thuật ngữ chuyên ngành gọi là Gate là phần kết nối kênh dẫn

nhựa và lòng khuôn Cổng bơm nhựa có nhiệm vụ đưa nhựa từ kênh dẫn

và điền đầy lòng khuôn

Cổng bơm nhựa là một thành phần quan trọng ảnh hưởng trực tiếp đến quá trình tạo hình sản phẩm nên khi thiết kế cần phải tuân thủ một số

quy tắc:

1 Miệng phun cần phải đặt ở vị trí sao cho dòng nhựa chảy vào

nơi có bề dày thành lớn nhất đến nhỏ nhất để vật liệu có thể điền đầy sản phẩm

2 Dựa vào kết cấu khuôn, hình dáng sản phẩm, loại nhựa và cả

yêu cầu khách hàng mà lựa chọn kiểu cổng bơm phù hợp

3 Vị trí miệng phun tối ưu sẽ tạo dòng nhựa chảy êm

4 Đặt miệng phun ở vị trí không quan trọng của sản phẩm

5 Miệng phun cần đặt ở vị trí sao cho có thể tống hết không khí ra khỏi

lỗ thoát khí

6 Tối ưu chi phí giá thành sản xuất khuôn và gia công ép nhựa

7 Đặt miệng phun sao cho không để lại đường hàn

8 Đối với các vật tròn, trụ cần đặt miệng phun tại tâm để duy trì tính

đồng tâm

9 Miệng phun thường được giữ ở kích thước nhỏ nhất

Các kiểu miệng phun thông dụng:

1) Side gate/Miệng phun cạnh

2) Submarine gate / Miệng phun kiểu ngầm

3) Point gate / Miệng phun điểm chốt

4) Sprue gate / Miệng phun trực tiếp

5) Fan gate /Miệng phun kiểu quạt

6) Tab gate / miệng phun kiểu gối

7) Tulner gate= Submarine gate

8) Disk (diaphragm) gate /Miệng phun kiểu đĩa 9) Ring gate/ Miệng phun vòng

10) Spider gate/ Miệng phun kiểu nan hoa

11) Film (flash) gate /Miệng kiểu băng (phim)

1 Miệng phun trực tiếp (Sprue gate) là một trong những kiểu cổng bơm nhựa thường thấy trong các kết cấu khuôn đơn giản cho 1 sản phẩm

Ƣu điểm

• Kết cấu khuôn đơn giản

• Ít hao hụt áp

• Tiết kiệm nguyên liệu vì không có kênh dẫn

• Tốc độ điền đầy nhanh

• Dv- đường kính đầu phun của máy

• Giá trị của “t” là độ dày của thành sản phẩm tại vị trí đặt cổng bơm

2 Miệng phun điểm chốt (Pin gate) hay còn gọi là point gate là kiểu

gate có dạng hình kim nên thường được dân trong nghề gọi là bơm kim

Nhựa nóng chảy được bơm vào lòng khuôn thông qua một lỗ nhỏ hình tròn theo chiều thẳng đứng tính từ phía cố định qua phía di động

Đầu cổng phun được thiết kế nhỏ hơn

(Kiểu kim) để tối ưu áp suất cho dòng

chảy nhựa và tiện cho việc cắt gate tự

động Kênh dẫn được bố trí nằm trên

một tấm khuôn riêng biệt Pin gate

được sử dụng trong khuôn 3 tấm

Ưu điểm

• Dễ dàng bố trí nhiều gate vào lòng khuôn đối với những lòng khuôn lớn, giúp cho việc điền đầy nhanh chóng và tốt hơn

• Dễ dàng bố trí gate cho kết cấu khuôn nhiều lòng khuôn

• Tách gate tự động nên không mất thời gian cho công đoạn xử lý

Nhược điểm

• Kết cấu khuôn phức tạp

• Việc lấy đuôi keo sau khi mở khuôn bắt buộc phải có cánh tay robot

hoặc sự can thiệp của người đứng máy

• Hệ thống kênh dẫn dài nên tiêu hao một lượng nguyên liệu đáng kể

• Có thể gây quá nhiệt đối với loại vật liệu có cấu trúc sợi dài và có độ

nhớt kém

Tính toán và thiết kế cổng bơm điểm

Việc tính toán cổng bơm nhựa kiểu point gate rất quan trọng, nếu điểm chốt

quá to hoặc phần côn quá nhỏ thì dấu vết của nó thấy rất rõ gây mất mỹ quan sản phẩm hay đôi khi còn ảnh hưởng đến chức năng sản phẩm nếu bị lỗi gate cao

Áp dụng công thức bên dưới để tính toán – thiết kế point gate;

Một khi sản phẩm được

bố trí kiểu cổng bơm

điểm chốt thì kết cấu khuôn cần có cơ chế giật đuôi keo để công đoạn lấy đuôi keo ra được dễ dàng Trong giới hạn bài viết này chúng ta sẽ sử dụng 2 kiểu giật đuôi keo

thường dùng đó là kiểu undercut và sử chốt

giật đuôi keo

Cơ chế giật đuôi keo

- Kiểu undercut

Để cho quá trình sản xuất hoàn toàn tự động thì chúng ta có thể sử dụng cánh tay robot để gắp đuôi keo ra

Pin giật đuôi keo

hay còn gọi là chốt

giật đuôi keo chính

là một cải tiến từ cơ

khuôn (tấm tháo đuôi

keo) thì việc lấy đuôi

keo ra trở nên dễ

dàng hơn rất nhiều

3 Miệng phun cạnh hay còn gọi là bơm xương, bơm hông… có tên gọi chuyên nghành là side gate là một kiểu cổng bơm nhựa

trong khuôn ép nhựa Side gate thường được bố trí ở cạnh ngoài sản phẩm, ngay mặt phân khuôn và cơ chế điền đầy lòng khuôn từ phía bên hông nên được gọi là miệng phun cạnh, miệng bơm

hông…

Ƣu điểm

• Dễ gia công

• Kết cấu khuôn đơn giản

• Dễ điền đầy lòng khuôn

Nhƣợc điểm

• Phải có công đoạn loại bỏ gate để lấy thành phẩm

• Để lại dấu vết gate lớn trên bề mặt thành phẩm

Tính toán và thiết kế miệng phun cạnh

#1 Kiểu miệng bơm cạnh không có độ côn:

Đây là kiểu thường dùng trong các cơ sở khuôn nhỏ

#2 Kiểu miệng bơm cạnh có độ côn:

- Được sử dụng trong các cơ sở khuôn

chuyên nghiệp

- Khó gia công hơn kiểu ở trên

- Dễ dàng cho việc loại bỏ gate

4 Miệng Phun kiểu gối (Tab gate):

Tương tự như miệng phun kiểu cạnh, chỉ khác nhau ở chỗ là miệng phun nằm lấp trên bề mặt sản phẩm

6 Miệng phun kiểu quạt (Fan gate): Thực chất cũng là kiểu phun kiểu cạnh có bề rộng biến đổi Dòng chảy êm và cho phép điền đầy lòng khuôn nhanh chóng, phù hợp các sản phẩm lớn và dày Do dòng chảy lam tỏa nên giúp tránh được đường hàn ở nơi có bề dày mỏng trên sản phẩm