(Luận văn thạc sĩ) nghiên cứu ảnh hưởng của kết cấu khuôn đến quá trình giải nhiệt cho tấm khuôn dương với hệ thống BAFFLE

iv TÓM TẮT Trong công nghệ ép phun sản phẩm nhựa, thời gian làm mát thường chiếm đến 70% chu kỳ.Do đó quá trình làm mát cho bề mặt khuôn được đề xuất nhằm giúp cho thời gian làm mát khô

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

LUẬN VĂN THẠC SĨ HUỲNH VĂN LỢI

NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA KẾT CẤU KHUÔN ĐẾN QUÁ TRÌNH GIẢI NHIỆT CHO TẤM KHUÔN

DƯƠNG VỚI HỆ THỐNG BAFFLE

NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ KHÍ - 06520103

Tp Hồ Chí Minh, tháng 7/2016

S K C0 0 4 8 8 2

i

LÝ LỊCH KHOA HỌC

I LÝ LỊCH SƠ LƯỢC:

Họ & tên: Huỳnh Văn Lợi Giới tính: Nam

Ngày, tháng, năm sinh: 24 – 06 – 1977 Nơi sinh: Tp.HCM Quê quán: Tp.HCM Dân tộc: Kinh

Chỗ ở riêng hoặc địa chỉ liên lạc : 121 Kp Phước Lai phường Trường Thạnh Quận 9 Thành phố Hồ Chí Minh

Điện thoại: 0903852492

E-mail: huynhvanloi1977@gmail.com

II QUÁ TRÌNH ĐÀO TẠO:

1.Trung học chuyên nghiệp:

Hệ đào tạo: Thời gian đào tạo từ / đến / Nơi học (trường, thành phố):

Thời gian Nơi công tác Công việc đảm nhiệm

Từ 06/2011 đến nay Công ty TNHH Sài Gòn Precision Kỹ sư sản xuất

ii

LỜI CAM ĐOAN

Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của tôi

Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác

Tp Hồ Chí Minh, ngày 26 tháng 07 năm 2016

(Ký tên và ghi rõ họ tên)

Huỳnh Văn Lợi

iii

LỜI CẢM ƠN

Trước tiên tôi xin được bày tỏ lòng biết ơn chân thành và sâu sắc đến PGS.TS

Đỗ Thành Trung,TS Phạm Sơn Minh đã tận tình trực tiếp hướng dẫn,định hướng và sửa chữa những thiếu sót trong quá trình thực hiện đề tài

Tôi xin cảm ơn quý thầy trong Trường Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố

Hồ Chí Minh đã tận tình dạy dỗ giúp đỡ tôi trong quá trình học tập tại trường

Tôi xin cảm ơn phòng đào tạo cao học Trường học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh đã tạo điều kiện cho tôi học tập cũng như thực hiện đề tài

Cuối cùng, tôi xin cảm ơn sự giúp đỡ,động viên nhiệt tình của các bạn học viên Cao học,ngành Kỹ thuật Cơ khí, khóa 2014-2016A Trường ĐH Sư phạm Kỹ thuật TP Hồ Chí Minh,và nhất là gia đình đã tạo điều kiện cho tôi học tập thật tốt

Tp Hồ Chí Minh, tháng 07 năm 2016

Học viên thực hiện luận văn

Huỳnh Văn Lợi

iv

TÓM TẮT

Trong công nghệ ép phun sản phẩm nhựa, thời gian làm mát thường chiếm đến 70% chu kỳ.Do đó quá trình làm mát cho bề mặt khuôn được đề xuất nhằm giúp cho thời gian làm mát không kéo dài quá lâu.Đề tài “Nghiên cứu ảnh hưởng của kết cấu khuôn đến quá trình giải nhiệt cho tấm khuôn dương với hệ thống Baffle ” sẽ giải quyết phần nào vấn đề nói trên

Mục đích của đề tài là nghiên cứu ảnh hưởng của vật liệu khuôn, lưu lượng dòng chảy, hình dáng và kích thước khuôn, và hình dáng kênh giải nhiệt đến quá trình điều khiển nhiệt độ cho tấm khuôn dương với hệ thống Baffle

Nội dung và phương pháp nghiên cứu của đề tài là nghiên cứu về lý thuyết truyền nhiệt, lý thuyết khuôn mẫu Kết quả của quá trình mô phỏng trên phần mềm kết hợp với đo đạt thực tế nhiệt độ bề mặt khuôn

Thí nghiệm được thực hiện tại phòng thí nghiệm công nghệ khuôn mẫu của trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP HCM

Từ khóa: ép phun, gia nhiệt cục bộ, điều khiển nhiệt độ cho lòng khuôn, nhiệt

độ khuôn, truyền nhiệt

v

ABSTRACT

In injection molding field, cooling time often accounted for 70% of that cycle.Therefore cooling process for the mold surface was presented to help to mold cooling time not too long.Topic '' To study the effect of the structure to the process

of cooling the mold to mold positive plate Baffle System " explained this problem

The purpose of this Project is studying the effect of mold material, flow rate

of water, mold geometry, and cooling channel design on the dynamic mold temperature control of the core plate Baffle System

The content and methodology of the research relate to heat transfer, mouldingand theories the results of simulation combined with the actual mould surface temperature measuring process

The experiment was carried out in molding technology in the laboratory of the Ho Chi Minh CityUniversity of Technology and Education

Key words: injection molding, local heating, temperature control for mold

cavity , mould temperature ,heat transfer

vi

MỤC LỤC

Trang tựa TRANG

Quyết định giao đề tài Xác nhận của cán bộ hướng dẫn Lý lịch khoa học i

Lời cam đoan ii

Lời cảm ơn iii

Tóm tắt iv

Abstract v

Mục lục vi

Danh sách các chữ viết tắt x

Danh sách các hình xi

Danh sách các bảng xv

Chương 1 TỔNG QUAN 1

1.1 Tổng quan chung về lĩnh vực nghiên cứu , các nghiên cứu trong và ngoài nước đã công bố 1

1.1.1 Các nghiên cứu trong và ngoài nước 1

1.1.1.1 Các nghiên cứu ngoài nước 1

1.1.1.2 Các nghiên cứu trong nước 2

1.2 Tính cấp thiết của đề tài 3

1.3 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận văn 3

1.3.1 Ý nghĩa khoa học 3

1.3.2 Ý nghĩa thực tiễn 4

1.4 Mục đích nghiên cứu 4

1.5 Đối tượng nghiên cứu 4

1.6 Phạm vi nghiên cứu 4

1.7 Phương pháp nghiên cứu 5

1.7.1 Phương pháp nghiên cứu lý thuyết 5

vii

1.7.2 Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm 5

1.8 Kết cấu của luận văn 5

Chương 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT 6

2.1 Tổng quan về khuôn ép phun 6

2.1.1 Khái niệm chung về khuôn 6

2.1.2 Kết cấu chung 1 bộ khuôn 6

2.1.3 Phân loại khuôn ép phun 8

2.1.3.1 Khuôn 2 tấm 8

2.1.3.2 Khuôn 3 tấm 9

2.1.3.3 Khuôn nhiều tầng 11

2.2 Hệ thống nhiệt trong khuôn ép phun 12

2.3 Yêu cầu chung về hệ thống nhiệt trong khuôn ép phun 13

2.4 Gia nhiệt bằng chất lỏng 15

2.4.1 Nước 15

2.4.2 Dầu 15

2.5 Thiết kế hệ thống kênh làm nguội 16

2.5.1 Các bộ phận trong hệ thống 16

2.5.2 Những lưu ý khi thiết kế 17

2.6 Hệ thống kênh dẫn nước 18

2.6.1 Hệ thống làm nguội cho khuôn dương 20

2.6.1.1 Hệ thống vách phẳng và vách xoắn làm nguội (Baffle) 20

2.6.1.2 Hệ thống vòi phun 21

2.6.1.3 Hệ thống lỗ nghiêng 22

2.6.1.4 Hệ thống xoắn ốc 24

2.6.1.5 Chốt làm nguội 24

2.6.1.6 Ống nhiệt 26

2.7 Bố trí kênh dẫn nước 27

2.7.1 Bố trí liên tục 27

2.7.2 Bố trí song song 28

viii

2.8 Các yếu tố ảnh hưởng đến chu kỳ làm nguội 29

2.8.1 Hình dạng và kích thước sản phẩm 29

2.8.2 Bề dày sản phẩm 30

2.8.3 Vật liệu nhựa 30

2.8.4 Kiểu dáng và kích thước của cổng phun và runner 30

2.8.5 Vật liệu chế tạo khuôn 30

2.9 Hiệu suất làm nguội 31

2.9.1 Kết cấu và vật liệu khuôn 31

2.9.2 Hình dáng hình học và kích thước kênh làm nguội 32

2.9.3 Số lượng kênh 32

2.9.4 Lưu lượng nước làm nguội 32

2.10 Các phương thức trao đổi nhiệt 33

2.10.1 Dẫn nhiệt 33

2.10.2 Đối lưu nhiệt 33

2.10.2.1 Định nghĩa và phân loại 33

2.10.2.2 Công thức tính nhiệt cơ bản 34

2.10.2.3 Hệ số tỏa nhiệt α 34

2.10.3 Bức xạ nhiệt 35

2.11 Truyền nhiệt 35

2.11.1 Khái niệm 35

2.11.2 Truyền nhiệt đẳng nhiệt qua tường phẳng 35

2.11.3 Truyền nhiệt đẳng nhiệt qua tường ống 36

Chương 3 MÔ PHỎNG PHÂN BỐ NHIỆT ĐỘ TRONG KHUÔN DƯƠNG 37

3.1 Mô hình 37

3.1.1 Hệ thống kênh dẫn nước không sử dụng hệ thống Baffle 39

3.1.2 Hệ thống kênh dẫn nước có sử dụng hệ thống Baffle 40

3.2 Điều kiện biên 41

3.3 Mô hình lưới 43

3.4 Kết quả mô phỏng và phân tích 46

ix

3.4.1 Ảnh hưởng của kênh dẫn nước ( có và không có Baffle) 46

3.4.2 Ảnh hưởng chiều cao khuôn h đến nhiệt độ khuôn 48

3.4.2.1 Vật liệu thép 48

3.4.2.2 Vật liệu nhôm 51

3.4.2.3 Vật liệu đồng 54

3.4.3 Ảnh hưởng bề dày khuôn t đến nhiệt độ khuôn 57

3.4.3.1 Vật liệu thép 57

3.4.3.2 Vật liệu nhôm 60

3.4.3.3 Vật liệu đồng 64

3.4.4 Ảnh hưởng góc khuôn α đến nhiệt độ khuôn 69

3.4.4.1 Vật liệu thép 69

3.4.4.2 Vật liệu nhôm 72

3.4.4.3 Vật liệu đồng 76

3.4.5 Ảnh hưởng vật liệu đến nhiệt độ khuôn 79

3.5 Nhận xét kết quả mô phỏng 80

Chương 4 THÍ NGHIỆM QUÁ TRÌNH GIẢI NHIỆT CỦA TẤM KHUÔN 4.1 Mô hình thí nghiệm 84

4.2 Tiến hành thí nghiệm 87

4.2.1 Thiết bị thí nghiệm 87

4.2.2 Các bước tiến hành thí nghiệm 89

4.3 Kết quả thí nghiệm 89

4.4 So sánh kết quả mô phỏng và thí nghiệm 90

4.5 So sánh kết quả thí nghiệm giữa khuôn thép và khuôn nhôm 92

Chương 5 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 93

5.1 Kết quả đạt được của luận văn 93

5.2 Hướng phát triển 94

TÀI LIỆU THAM KHẢO 95

PHỤ LỤC 97

x

DANH SÁCH CÁC CHỮ VIỀT TẮT

CAD : Computer Aided Design

CAM : Computer Aided Manufacturing

CFD : Computer Fluid Dynamic

CFX : Computational Fluid Xerography

xi

DANH SÁCH CÁC HÌNH

Hình 2.1 Khuôn âm và khuôn dương ở trạng thái đóng 6

Hình 2.2 Kết cấu của bộ khuôn 7

Hình 2.3 Cấu tạo khuôn hai tấm 8

Hình 2.4 khuôn 3 tấm 2 lòng khuôn ở quy trình mở khuôn 10

Hình 2.5 Thời gian làm nguội chiếm phần lớn thời gian chu kỳ 12

Hình 2.6 Hệ thống làm nguội hoàn chỉnh 16

Hình 2.7 Hệ thống làm nguội trên khuôn 17

Hình 2.8 Bố trí kênh dẫn nguội làm nguội đều sản phẩm 17

Hình 2.9 Dòng chảy rối trao đổi nhiệt tốt hơn 18

Hình 2.10 Hệ thống kênh dẫn nước cơ bản gồm 2 đường song song 18

Hình 2.11 Hệ thống kênh dẫn làm nguội 4 phía 19

Hình 2.12 Hệ thống kênh dẫn bao quanh sản phẩm hình tròn xoay 19

Hình 2.13 Kích thước tối ưu thiết kế kênh dẫn nước 20

Hình 2.14 Hệ thống vách phẳng làm nguội (Baffle) 20

Hình 2.15 Hệ thống vách xoắn làm nguội (Baffle) 21

Hình 2.16 Hệ thống có 1 vòi phun trên khuôn 21

Hình 2.17 Hệ thống có nhiều vòi phun trên khuôn 22

Hình 2.18 Hệ thống có 2 lỗ nghiêng 23

Hình 2.19 Hệ thống có nhiều lỗ nghiêng kết hợp 23

Hình 2.20 Hệ thống lỗ bậc trên khuôn 24

Hình 2.21 Hệ thống xoắn ốc trên khuôn 24

Hình 2.22 Làm nguội bằng không khí 24

Hình 2.23 Làm nguội bằng ống dẫn nhiệt 25

xii

Hình 2.24 Nguyên lí hoạt động của chốt làm nguội 25

Hình 2.25 Nguyên lí hoạt động của ống nhiệt 26

Hình 2.26 Kích thước lõi khuôn khi đặt các hệ thống nhiệt 27

Hình 2.27 Hệ thống kênh nước với bố trí liên tục 28

Hình 2.28 Hệ thống kênh nước với kiểu bố trí song song kết hợp vòi phun 29

Hình 2.29 Kích thước kênh làm nguội cho thiết kế 32

Hình 2.30 Đối lưu nhiệt tự nhiên 34

Hình 2.31 Đối lưu nhiệt cưỡng bức 34

Hình 2.32 Truyền nhiệt đẳng nhiệt qua tường phẳng 35

Hình 2.33 Truyền nhiệt đẳng nhiệt qua tường ống 36

Hình 3.1 Kích thước mô hình mô phỏng 38

Hình 3.2 Mô hình 3D 38

Hình 3.3 Kích thước kênh nước không sử dụng hệ thống Baffle 39

Hình 3.4 Hình 3D của mô hình kênh nước không sử dụng hệ thống Baffle cắt ở mặt phẳng A-A 39

Hình 3.5 Kích thước kênh nước sử dụng hệ thống Baffle 40

Hình 3.6 Hình 3D của mô hình kênh nước sử dụng hệ thống Baffle cắt ở mặt phẳng A-A 40

Hình 3.7 Thông số chia lưới cho các mô hình 41

Hình 3.8 Nhiệt độ khuôn ban đầu 42

Hình 3.9 Thông số lưu lượng lưu chất 42

Hình 3.10 Mô hình lưới có sử dụng Inflation 43

Hình 3.11 Vào môi trường Inflation 43

Hình 3.12 Đưa các thông số vào Inflation 44

Hình 3.13 Cách chọn một đối tượng 44

Hình 3.14 Bảng thông số chia lưới 44

Hình 3.15 Bảng thông số chia lưới sau khi thiết lập 45

xiii

Hình 3.16 Mô hình chia lưới đặc biệt ANSYS CFX 45

Hình 3.17 Vị trí 2 điểm P1 và P2 46

Hình 3.18 Biểu đồ nhiệt độ tại điểm P1và P2 của khuôn vật liệu thép có và không có Baffle 46

Hình 3.19 Biểu đồ nhiệt độ tại điểm P1và P2 của khuôn vật liệu nhôm có và không có Baffle 47

Hình 3.20 Biểu đồ nhiệt độ tại điểm P1và P2 của khuôn vật liệu đồng có và không có Baffle 47

Hình 3.21 Đồ thị nhiệt độ của thép tại điểm P1 và P2 , h(10-50 mm) 48

Hình 3.22 Đồ thị nhiệt độ của nhôm tại điểm P1 và P2 , h(10-50 mm) 51

Hình 3.23 Đồ thị nhiệt độ của đồng tại điểm P1 và P2 , h(10-50 mm) 54

Hình 3.24 Đồ thị nhiệt độ của thép tại điểm P1 và P2 , t(1-5 mm) 57

Hình 3.25 Đồ thị nhiệt độ của nhôm tại điểm P1 và P2 , t(1-5 mm) 60

Hình 3.26 Đồ thị nhiệt độ của đồng tại điểm P1 và P2 , t(1-5 mm) 64

Hình 3.27 Đồ thị nhiệt độ của thép tại điểm P1 và P2 , α(91-950) 69

Hình 3.28 Đồ thị nhiệt độ của nhôm tại điểm P1 và P2 , α(91-950) 72

Hình 3.29 Đồ thị nhiệt độ của đồng tại điểm P1 và P2 , α(91-950) 76

Hình 3.30 Đồ thị nhiệt độ của thép,nhôm,đồng tại điểm P1 và P2 79

Hình 3.31 Kích thước chi tiết thân khuôn 82

Hình 3.32 Kích thước chi tiết lõi khuôn 83

Hình 3.33 Kích thước lắp ráp cho hai chi tiết lõi và thân khuôn 83

Hình 4.1 Thân khuôn vật liệu thép sau khi gia công 84

Hình 4.2 Thân khuôn vật liệu nhôm sau khi gia công 84

Hình 4.3 Lõi khuôn vật liệu thép sau khi gia công 85

Hình 4.4 Lõi khuôn vật liệu nhôm sau khi gia công 85

xiv

Hình 4.5 Các chi tiết tấm khuôn dương vật liệu thép 85

Hình 4.6 Các chi tiết tấm khuôn dương vật liệu nhôm 86

Hình 4.7 Tấm khuôn dương vật liệu thép và nhôm sau khi lắp ráp 86

Hình 4.8 Sơ đồ thí nghiệm 87

Hình 4.9 Biểu đồ nhiệt độ tại điểm P1 và P2 của khuôn vật liệu thép 90

Hình 4.10 Biểu đồ nhiệt độ tại điểm P1 và P2 của khuôn vật liệu nhôm 91

Hình 4.11 Biểu đồ kết quả nhiệt độ thí nghiệm tại hai điểm P1 và P2 của khuôn vật liệu thép và khuôn vật liệu nhôm 92

xv

DANH SÁCH CÁC BẢNG

Bảng 2.1 Nhiệt độ khuôn cho vật liệu 14

Bảng 2.2 Nhiệt độ làm việc của các loại môi chất 16

Bảng 2.3 Hệ số truyền nhiệt một số vật liệu 31

Bảng 2.4 Lưu lượng nước làm nguội kinh nghiệm 33

Bảng 3.1 Thông số vật liệu đưa vào mô phỏng 42

Bảng 3.2 Nhiệt độ tại mặt cắt A-A ở cuối quá trình gia nhiệt (20s) và giải nhiệt (40s) của vật liệu thép, h(10-50 mm) 49

Bảng 3.3 Nhiệt độ tại mặt cắt A-A ở cuối quá trình gia nhiệt (20s) và giải nhiệt (40s) của vật liệu nhôm, h(10-50 mm) 52

Bảng 3.4 Nhiệt độ tại mặt cắt A-A ở cuối quá trình gia nhiệt (20s) và giải nhiệt (40s) của vật liệu đồng, h(10-50 mm) 55

Bảng 3.5 Nhiệt độ tại mặt cắt A-A ở cuối quá trình gia nhiệt (20s) và giải nhiệt (40s) của vật liệu thép, t(1-5 mm) 58

Bảng 3.6 Nhiệt độ tại mặt cắt A-A ở cuối quá trình gia nhiệt (20s) và giải nhiệt (40s) của vật liệu nhôm, t(1-5 mm) 62

Bảng 3.7 Nhiệt độ tại mặt cắt A-A ở cuối quá trình gia nhiệt (20s) và giải nhiệt (40s) của vật liệu đồng, t(1-5 mm) 66

Bảng 3.8 Nhiệt độ tại mặt cắt A-A ở cuối quá trình gia nhiệt (20s) và giải nhiệt (40s) của vật liệu thép, α(91-950) 70

Bảng 3.9 Nhiệt độ tại mặt cắt A-A ở cuối quá trình gia nhiệt (20s) và giải nhiệt (40s) của vật liệu nhôm, α(91-950) 73

Bảng 3.10 Nhiệt độ tại mặt cắt A-A ở cuối quá trình gia nhiệt (20s) và giải nhiệt (40s) của vật liệu đồng, α(91-950) 77

1

Chương 1 TỒNG QUAN

1.1 Tổng quan chung về lĩnh vực nghiên cứu,các nghiên cứu trong và ngoài nước đã công bố

1.1.1 Các nghiên cứu trong và ngoài nước

1.1.1.1 Các nghiên cứu ngoài nước

Điều khiển nhiệt độ khuôn là một trong các lĩnh vực được quan tâm trong ngành khuôn mẫu.Qua quá trình nghiên cứu,các kết quả nghiêng cứu sau đã được

tập hợp và phân tích:

- Đề tài “Development of Gas-Assisted Dynamic Mold Temperature Control System and Its Application for Micro Molding” [1] được thực hiện bởi Shia-Chung Chen, Jen-An Chang, Ying-Chieh Wang, Chun-Feng Yeh Ưu điểm của nghiên cứu này :gia nhiệt và giải nhiệt từ 600C đến 1000C, 1100C, 1200C và trở về 600C bằng khí có thời gian của 1 chu kỳ ngắn hơn so với dùng nước gia nhiệt và giải nhiệt cho khuôn

- Đề tài “Effect of cooling system on the polymer temperature and solidification

during injection molding”[2] được thực hiện bởi Hamdy Hassan, Nicolas Regnier, Cedric Lebot, Cyril Pujos, Guy Defaye.Đề tài nói lên sự ảnh hưởng hệ thống giải nhiệt trong chu kỳ ép phun.Các kết quả mô phỏng nói lên sự thay đổi nhiệt độ

khuôn qua các chu kỳ Hiệu quả của việc làm mát trên các kênh và ảnh hưởng của

vị trí của nó trên nhiệt độ phân phối rộng khắp các polymer và các sản phẩm được nghiên cứu Kết quả chỉ ra rằng khi làm mát các sản phẩm, hiệu suất làm mát được cải thiện

-Đề tài “Effect of cylcic cooling on power consumption of the injection moulding process”[3] được thực hiện bởi Kelly,Al,Coates,PD,Evans,R.Kết quả đạt được: làm mát bằng nước là phương pháp hiệu quả để kiểm tra nhiệt độ khuôn,thời gian chu

kỳ ép phun ngắn nhất, chênh lệch nhiệt độ trên khuôn nhỏ làm mát theo chu kỳ giảm đáng kể so với làm mát liên tục

2

Thiết kế và tối ưu hóa các kênh giải nhiệt thích hợp trong khuôn ép phun “Design and optimisation of conformal cooling channels in injection moulding tools” do nhóm tác giả D.E.Dimla, M.Camilotto, F.Miani thuộc đại học Bournemouth [4]

Mục tiêu chính của nghiên cứu này để thiết kế tối ưu và hiệu quả cho các kênh gia nhiệt và giải nhiệt thích hợp trong khuôn ép phun sử dụng FEA và phân tích truyền nhiệt.Mô hình CAD 3D của thành phần đặc trưng phù hợp với khuôn ép nhựa là thiết kế cốt lõi và các dụng cụ cần thiết để chỉnh sửa các sản phẩm được tạo ra.Đầu tiên xác định vị trí tốt nhất cho các cổng phun nhựa và sau đó các kênh giải nhiệt.Hai thành phần này ảnh hưởng nhiều nhất trong thời gian chu kỳ.Phân tích các mô hình cho thấy rằng những kênh giải nhiệt thích hợp có thời gian chu kỳ giảm đáng kể

1.1.1.2 Các nghiên cứu trong nước

Hiện nay, các doanh nghiệp Việt Nam, các đề tài nghiên cứu về lĩnh vực nhựa

đã có định hướng về nghiên cứu tối ưu hóa quá trình giải nhiệt cho khuôn phun ép nhằm giải quyết bài toán về chi phí sản xuất trong ngành nhựa Trong quá trình tìm hiểu, các doanh nghiệp Việt Nam đang trong quá trình khai thác một số phần mềm chuyên dùng cho mô phỏng quá trình gia công nhựa như: C-Mold, Moldflow, Moldex3D,… Ngoài ra, trong nghiên cứu, đã có một số đề tài tìm hiểu và ứng dụng công cụ CAD – CAM – CAE được thực hiện như sau:

Luận văn tốt nghiệp cao học của học viên Võ Bá Anh Đại (ĐH Sư Phạm Kỹ Thuật TP HCM)[5]: “Nghiên cứu phân tích truyền nhiệt cho khuôn ép nhựa để giảm thiểu sự biến dạng của sản phẩm” Luận văn này đã đề cập đến việc thiết kế - mô phỏng quá trình hoạt động cấp nhiệt và giải nhiệt bằng nước cho tấm khuôn dương vật liệu thép, với sự hỗ trợ của phần mềm CREO Parametric 2.0 và ANSYS CFX Kết quả đạt được của đề tài là thực hiện thành công bài mô phỏng truyền nhiệt trong khuôn ép nhựa sử dụng hệ thống nước để gia nhiệt và làm nguội lòng khuôn; đánh giá xu hướng và sự biến đổi nhiệt độ trong khuôn; đánh giá sai số và cách hạn

1.2 Tính cấp thiết của đề tài

Hiện nay, công nghệ ép phun đang là một trong những ngành phát triển nhanh

và mạnh không chỉ riêng ở Việt Nam mà còn cả trên thế giới.Nhu cầu thị hiếu người tiêu dùng ngày càng cao,đòi hỏi sản phẩm có tính thẩm mỹ,chất lượng tốt,đa dạng,phong phú.Để làm được điều đó ngành nhựa cần cải tiến cái cũ,tìm ra các giải pháp mới.Hơn thế nữa sản phẩm nhựa đưa ra thị trường có sự cạnh tranh gay gắt về tính năng,chất lượng giá thành giữa các mặt hàng nhựa.Ngoài ra trong công nghệ ép phun thời gian và nguyên liệu là ưu tiên hàng đầu

Với các vấn đề được đặt ra như trên,cũng như được sự tin tưởng và giúp đỡ của giảng viên hướng dẫn Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP Hồ Chí Minh nên tác giả thực hiện đề tài “Nghiên cứu ảnh hưởng của kết cấu khuôn đến quá trình giải nhiệt cho tấm khuôn dương với hệ thống Baffle”, nhằm mục đích nâng cao chất lượng,giảm giá thành, tiết kiệm nguyên vật liệu cho các sản phẩm nhựa

1.3 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận văn

1.3.1 Ý nghĩa khoa học

Qua quá trình nghiên cứu đề tài đã làm rõ được ảnh hưởng của kết cấu khuôn đến quá trình giải nhiệt cho tấm khuôn dương với hệ thống Baffle.Ngoài ra phân bố nhiệt tại mặt cắt khuôn A-A cũng được làm rõ và so sánh với nhiều giá trị thông số khuôn khác nhau

 Thiết kế tấm khuôn dương với hệ thống baffle

 Mô phỏng quá trình điều khiển nhiệt độ tấm khuôn dương với hệ thống baffle trên phần mềm ANSYSWorkbench 14.0, vật liệu là thép,nhôm,đồng

 Gia công hoàn chỉnh 2 bộ khuôn với hai vật liệu là thép và nhôm

 Thí nghiệm,đánh giá quá trình giải nhiệt tấm khuôn đã gia công

1.5 Đối tượng nghiên cứu

 Tấm khuôn dương với hệ thống baffle

 Mô phỏng quá trình giải nhiệt cho tấm khuôn dương với hệ thống baffle.Nhằm hổ trợ phục vụ sản xuất tại các nhà máy chuyên sản xuất các sản phẩm nhựa được thuận lợi và dễ dàng hơn

1.6 Phạm vi nghiên cứu

 Nghiên cứu phân tích mô phỏng quá trình gia nhiệt và giải nhiệt tấm khuôn dương với hệ thống Baffle với các vật liệu là thép,nhôm,đồng trên modul CFX phần mềm ANSYS 14.0

 Thông số mô phỏng trình gia nhiệt và giải nhiệt tấm khuôn dương với hệ thống Baffle :

o Chiều cao tấm khuôn dương h = (10-50 mm)

1.7 Phương pháp nghiên cứu

Phương pháp nghiên cứu lý thuyết kết hợp với phương pháp thực nghiệm

1.7.1 Phương pháp nghiên cứu lý thuyết

 Công nghệ ép phun

 Quá trình truyền nhiệt

 Xử lý số liệu thực nghiệm

1.7.2 Phương pháp thực nghiệm :

 Thí nghiệm thực tế, đo nhiệt độ tấm khuôn dương với hệ thống Baffle

 Thu thập kết quả và xử lý số liệu thí nghiệm

1.8 Kết cấu của luận văn

 Chương 1: Tổng quan

 Chương 2: Cơ sở lý thuyết

 Chương 3: Mô phỏng phân bố nhiệt độ trong tấm khuôn dương với hệ thống Baffle

 Chương 4: Thí nghiệm quá trình giải nhiệt tấm khuôn dương với hệ thống Baffle

 Chương 5: Kết luận và hướng phát triển

6

Chương 2

CƠ SỞ LÝ THUYẾT

2.1 Tổng quan về khuôn ép nhựa [7,8]

2.1.1 Khái niệm chung về khuôn

Khuôn là cụm gồm nhiều chi tiết lắp với nhau để tạo thành một bộ khuôn hoàn chỉnh Sản phẩm được tạo hình giữa 2 phần khuôn, khoảng trống giữa 2 phần

đó là hình dạng của sản phẩm cần tạo

Khuôn là dụng cụ (thiết bị) dùng để tạo hình sản phẩm theo phương pháp định hình Khuôn được thiết kế và chế tạo để sử dụng cho một số lượng chu trình nào

đó, có thể là một lần cũng có thể là nhiều lần

Khuôn bao gồm hai chính:

- Phần cavity (khuôn cái, khuôn cố định): được gá lên tấm cố định của máy

ép nhựa

- Phần core (khuôn đực, khuôn di động): được gá lên tấm di động của máy ép nhựa

Hình 2.1 Khuôn âm và khuôn dương ở trạng thái đóng

2.1.2 Kết cấu chung 1 bộ khuôn

Ngoài core và cavity thì trong khuôn còn rất nhiều bộ phận khác Các bộ phận này lắp ghép với nhau tạo thành những hệ thống cơ bản của bộ khuôn

7

Hình 2.2 Kết cấu của bộ khuôn

Chức năng của các yếu tố cơ bản:

1 Vít lục giác: liên kết các tấm khuôn và tạo tính thẩm mỹ

2 Vòng định vị: định tâm giữa bạc cuống phun và vòi phun

3 Bạc cuống phun: dẫn nhựa từ máy ép phun vào các kênh dẫn nhựa

4 Khuôn cái: tạo hình cho sản phẩm

5 Bạc định vị: đảm bảo vị trí tương quan giữa khuôn đực và khuôn cái

6 Tấm kẹp trước: giữ chặt phần cố định của khuôn vào máy ép nhựa

7 & 11 Vỏ khuôn cái và khuôn đực: khuôn đực thường được dùng làm bằng vật liệu rẻ tiền hơn so với khuôn cái nên giúp giảm giá thành khuôn nhưng vẫn đảm bảo hiệu quả kinh tế của khuôn

8 Chốt hồi: hồi hệ thống đẩy về vị trí ban đầu khi đóng khuôn

9 Khuôn đực: tạo hình cho sản phẩm

10 Chốt định vị: chui vào bạc định vị khi khuôn đóng, giúp khuôn đực và khuôn cái liên kết một cách chính xác

12 Tấm đỡ: tăng bền cho khuôn trong quá trình ép phun

13 Gối đỡ: tạo khoảng trống để tấm đẩy hoạt động

14 Tấm giữ: giữ các chốt đẩy

15 Tấm đẩy: đẩy các chốt đẩy để lói sản phẩm ra khỏi khuôn

16 Tấm kẹp sau: giữ chặt phần di động của trên máy ép nhựa

17 Gối đỡ phụ: tăng bền cho khuôn trong quá trình ép phun

Có thể thiết kế cổng vào nhựa sao cho sản phẩm và kênh dẫn nhựa tự động tách rời hoặc không tách rời khi sản phẩm và kênh dẫn nhựa (xương keo) được lấy

ra khỏi khuôn

Khuôn 2 tấm được sử dụng rất thông dụng trong hệ thống khuôn ép phun Kết cấu khuôn đơn giản, dễ chế tạo nhưng chỉ sử dụng khuôn 2 tấm cho những sản phẩm dễ bố trí cổng vào nhựa

Hình 2.3 Cấu tạo khuôn 2 tấm

 Ưu điểm

- Khuôn 2 tấm tiết kiệm vật liệu hơn,do kênh dẫn nhựa ở bên hông

- So với khuôn 3 tấm thì khuôn 2 tấm đơn giản hơn do không cần có tấm giựt cuống keo như khuôn 3 tấm, rẻ hơn, chu kỳ ép ngắn hơn

- Thời gian để gia công và chế tạo khuôn cũng ngắn hơn

- Giá thành thấp hơn khuôn 3 tấm hay khuôn nhiều tầng

 Ứng dụng khuôn 2 tấm rẻ tiền để làm các sản phẩm dân dụng các đồ dùng cá nhân, các sản phẩm phục vụ cho gia đình không đòi hỏi độ chính xác cao

và rẻ tiền

2.1.3.2 Khuôn 3 tấm

 Khái niệm

Khuôn 3 tấm là khuôn ép phun dùng hệ thống kênh dẫn nguội, kênh dẫn được

bố trí trên 2 mặt phẳng, khi mở khuôn thì có một khoảng mở để lấy sản phẩm và một khoảng mở khác để lấy kênh dẫn nhựa

Sản phẩm và kênh dẫn luôn tự động tách rời nhau khi sản phẩm và kênh dẫn được lấy ra khỏi khuôn

Đối với sản phẩm loại lớn cần nhiều miệng phun hoặc khuôn nhiều lòng, cần nhiều miệng phun thì có thể sử dụng khuôn 3 tấm

10

Khuôn 3 tấm ở giai đoạn thứ nhất Khuôn 3 tấm ở giai đoạn thứ hai

Hình 2.4 Khuôn 3 tấm 2 lòng khuôn ở quy trình mở khuôn

 Ưu điểm

- Giá thành thấp hơn so với khuôn kênh dẫn nóng

- Ít bị hỏng hóc hơn khuôn có kênh dẫn nóng

- Có thể phù hợp với những vật liệu chịu nhiệt kém

- Năng suất cao do hệ thống dẫn nhựa tự động tách ra khỏi sản phẩm khi mở khuôn

- Cho khả năng phân phối nhựa tốt hơn và đồng đều hơn do các nhánh kênh dẫn được bố trí cách đều nhau

- Khuôn có nhiều lòng khuôn

- Khuôn có một lòng khuôn nhưng phức tạp nên cần hơn một vị trí phun nhựa

- Khó khăn trong việc chọn ra một vị trí phun thích hợp khác

 Ưu điểm

 Do 2 hay nhiều khuôn ghép lại nên năng suất cao

 Thu hồi vốn nhanh

 Giảm số lượng máy, diện tích nhà xưởng

 Nhược điểm

 Giá thành cao do kết cấu khuôn phức tạp

 Sử dụng máy ép chuyên dụng, cần lực ép lớn

 Hao tốn vật liệu do kênh dẫn dài

 Áp suất cao để điền đầy khuôn do kênh dẫn dài

 Ứng dụng

 Khuôn có nhiều lòng khuôn

 Khuôn có một lòng khuôn nhưng phức tạp nên cần hơn một vị trí phun nhựa

 Khó khăn trong việc chọn ra một vị trí phun thích hợp khác

Vì phải cân bằng dòng nhựa giữa các kênh dẫn khác với nhau nên buộc phải thiết kế

kênh dẫn không nằm trên mặt phân khuôn

12

2.2 Hệ thống nhiệt trong khuôn ép phun[7,8]

Hệ thống nhiệt là một chu trình kín Chất lỏng làm nguội từ bồn chứa được đưa đến máy gia nhiệt để đạt được nhiệt độ yêu cầu, sau đó được bơm đưa vào bộ phận phân phối để đưa vào các kênh dẫn Trong kênh dẫn, nhờ vận tốc do bơm tạo

ra, chất lỏng làm nguội tuần hoàn xung quanh lòng khuôn làm nhiệm vụ hấp thụ nhiệt do khuôn tỏa ra Sau đó, chất lỏng làm nguội được tập hợp lại trong bộ góp

Cuối cùng được đưa trở về bồn chứa chuẩn bị cho chu trình tiếp theo

Hệ thống làm nguội có vai trò rất quan trọng trong khuôn ép phun Chúng là cách thức duy nhất làm cho các sản phẩm nhựa được làm nguội và đông đặc lại nhằm tránh sự biến dạng kéo dài trong suốt quá trình ép phun

Quy trình làm nguội trong một chu kỳ ép phun là giai đoạn đặc biệt quan trọng

để tăng năng suất và chất lượng sản phẩm.Bởi vì giai đoạn làm nguội có thể chiếm đến 80% thời gian 1 chu kỳ ép phun và thường chiếm chi phí đắt nhất Cho nên thiết

kế hợp lý hệ thống làm nguội sẽ đáp ứng được thời gian làm nguội theo yêu cầu kỹ thuật và tăng năng suất gia công chế tạo sản phẩm do rút ngắn được thời gian chu

kỳ

Hình 2.5.Thời gian làm nguội chiếm phần lớn thời gian chu kỳ

Mặt khác, các khuyết tật không mong muốn chẳng hạn như vết lõm, co rút không đồng đều, ứng suất dư do phân bố nhiệt, biến dạng sản phẩm là do thiết kế hệ thống làm nguội không hợp lý Các khuyết tật này có thể được hạn chế hoặc thậm

2.3 Yêu cầu chung về hệ thống nhiệt trong khuôn phun ép[7,8]

Đối với một số loại nhựa cần nhiệt độ cao mới có thể chảy dẻo tốt trong khuôn

và điền đầy toàn bộ lòng khuôn thì cần phải gia nhiệt thêm cho khuôn Các môi chất gia nhiệt thường dùng là nước nóng, dầu nóng và hơi nước Trong đó, nước nóng là môi chất phổ biến nhất được dùng gia nhiệt cho khuôn có kênh dẫn nguội

Yêu cầu chung là làm giảm thời gian gia nhiệt, giải nhiệt càng nhanh càng tốt trong khi vẫn giữ được các tính chất vật lý của vật liệu cũng như yêu cầu chất lượng của sản phẩm nhựa Khi vật liệu nhựa nóng chảy được phun vào các lòng khuôn thì phải đông đặc trước khi được hệ thống đẩy đẩy ra khỏi khuôn Trong một số trường hợp khuôn ép sử dụng trong thời gian dài làm cho nhiệt độ khuôn lên cao buộc phải thoát nhiệt nhanh chóng để đẩy sản phẩm ra ngoài nhanh

Đối với các vật liệu vô định hình có cấu trúc ngẫu nhiên có thể được giải nhiệt làm nguội nhanh mà khônglàm thay đổi thuộc thuộc tính của vật liệu Nhưng đối với vật liệu có tính chất là mạng tinh thể nếu làm nguội quá nhanh đồng nghĩa với nhựa đông đặc quá nhanh sẽ làm ảnh hưởng đến tính chất gây ra các lỗi trên sản phẩm Kết quả sẽ làm cho sản phẩm sau khi ép bị cong vênh, sai lệch về kích thước

và hình dạng Để tránh vấn đề trên thì khi thiết kế hệ thống làm nguội cho khuôn phải sử dụng 2 nguồn nước nhiệt độ cao để gia nhiệt và nhiệt độ thấp hơn để làm nguội khuôn trong một chu kỳ ép

Yêu cầu nhiệt độ trên khuôn :

 Thực tế cho thấy nhiệt độ khuôn cao có xu hướng cải thiện độ bóng bề mặt

và hạn chế tối đa việc không điền đầy lòng khuôn Mặt khác, có xu hướng làm vật liệu bị cháy và vết dòng chảy, nhưng nếu nhiệt độ khuôn quá thấp, vật liệu ở cổng phun bị kết tinh trước khi được điền đầy lòng khuôn

Dưới đây là bảng nhiệt độ khuôn thích hợp theo kinh nghiệm của một số vật liệu phổ biến

Bảng 2.1 Nhiệt độ khuôn cho vật liệu

Nhiệt độ khuôn Vật liệu Nhiệt độ khuôn (°C)

Trong thực tế nước được sử dụng để làm mát khuôn trên phạm vi nhiệt độ

từ 5 đến 80°C Nhưng đôi khi có thể được sử dụng ở nhiệt độ cao hơn nhiều, lên đến 200°C, nhưng trong trường hợp này, toàn bộ hệ thống phải được áp lực

Sau quá trình sử dụng lâu dài sẽ có các loại tảo rêu tích tụ hoặc làm oxy-hóa trong đường ống kênh làm nguội làm giảm hiệu quả của hệ thống làm nguội Để giữ cho hệ thống trong trạng thái tốt phải kiểm tra nguồn nước định kỳ hoặcsử dụng nước được khử khoáng trong một hệ thống mạch khép kín

2.4.2 Dầu

Đối với những khuôn có nhiệt độ trên 100°C thường sử dụng dầu làm môi chất làm nguội.Sử dụng dầu trong trường hợp này có ưu điểm tránh được sự nguy hiểm của hơi quá nhiệt và không làm oxy-hóa các đường ống kênh làm nguội

16

Bảng 2.2.Nhiệt độ làm việc của các loại môi chất

Common Coolant Medium Working range ( ° C)

Nguồn nước nóng trong quá trình gia nhiệt sẽ được chứa ở bồn nước nóng Tại

đó sẽ có hệ thống (máy) làm nóng nguồn nước Có thể điều chỉnh nhiệt độ nước và lưu lượng nước ở đầu ra Nguồn nước nhiệt độ thấp hơn trong quá trình làm nguội

có thể lấy trực tiếp từ môi trường hoặc ở bồn nước của các máy làm lạnh Một công việc cũng không kém phần quan trọng là điều khiển hướng chảy của 2 dòng nước vào hệ thống làm nguội của khuôn Vì không thể để 2 dòng này chảy trước trực tiếp song song vào khuôn được Trong thực tế công việc này được 1 van điện từ đảm nhận Chúng được cài đặt thời gian để chuyển hướng dòng chảy

Hình 2.6.Hệ thống làm nguội hoàn chỉnh

H: Bộ điều khiển nhiệt (Temperature controller)

Hình 2.7.Hệ thống làm nguội trên khuôn 2.5.2 Những lưu ý khi thiết kế

Đảm bảo làm nguội đồng đều toàn bộ sản phẩm Do đó, cần chú ý làm

nguội những phần dày nhất của sản phẩm

Hình 2.8 Bố trí kênh dẫn nguội làm nguội đều sản phẩm

18

Kênh làm nguội nên được đặt gần mặt lòng khuôn khi có thể để làm nguội tốt hơn

Đường kính kênh làm nguội (thường lớn hơn 8mm) nên không đổi trên toàn

bộ chiều dài kênh để tránh sự cản dòng vị sự ngắt nghẽn làm trao đổi nhiệt không tốt

Nên chia kênh làm nguội làm nhiều vòng làm nguội để tránh mất áp cho thiết kế kênh làm nguội quá dài

Tạo dòng chảy rối trong kênh làm nguội để trao đổi nhiệt tốt hơn

Hình 2.9 Dòng chảy rối trao đổi nhiệt tốt hơn 2.6 Hệ thống kênh dẫn nước[7,8]

Thông thường phương pháp cung cấp chất lỏng làm mát cho khuôn đơn giản nhất là khoan lỗ xung quanh các lòng khuôn Hình 2.6 là hệ thống cơ bản nhất bao gồm hai lỗ khoan chạy song song với mặt dài nhất của một khuôn hình chữ nhật Hệ thống này chỉ làm nguội 2 phía của sản phẩm, các phía còn lại không được làm nguội Hệ thống không hiệu quả và tồn tại nhiều khuyết điểm như làm nguội không đều, tốn nhiều thời gian …

Hình 2.10.Hệ thống kênh dẫn nước cơ bản gồm 2 đường song song

19

Hình 2.11.Hệ thống kênh dẫn làm nguội 4 phía

Hình 2.12.Hệ thống kênh dẫn bao quanh sản phẩm hình tròn xoay

Việc xác định vị trí, số lượng và kích thước của các kênh dẫn là hết sức quan trọng Nếu các kênh đặt quá xa nhau, thì nhiệt độ trên khuôn không đều Nhiệt độ trong khuôn không được hấp thụ vào kênh dẫn nước tốt Nếu các kênh đặt quá gần nhau, làm cho độ bền của tấm khuôn giảm Nếu các kênh quá gần với bề mặt lòng khuôn, làm cho bề mặt sản phẩm ở những nơi đó sần sùi, mặt khác việc kiểm soát nhiệt độ khuôn càng trở nên khó khăn Dưới đây là bảng kích thước tối ưu theo kinh nghiệm được sử dụng trong thiết kế kênh làm nguội cho khuôn:

20

Hình 2.13.Kích thước tối ưu thiết kế kênh dẫn nước 2.6.1 Hệ thống làm nguội cho khuôn dương

2.6.1.1 Hệ thống vách phẳng và vách xoắn làm nguội (Baffle)

Tấm khuôn dương sẽ được khoan các lỗ sâu vào lòng khuôn.Sau đó dùng các vách phẳng chia các lỗ khoan đó thành 2 phần để chất làm nguội chạy lên xuống bên trong các lỗ khoan giúp quá trình làm nguội diễn ra nhanh hơn Với vách xoắn, dòng chảy bên trong là dòng chảy rối nên hiệu quả làm nguội tốt hơn vách phẳng Đảm bảo dòng chảy không bị tắt nghẽn, diện tích mặt cắt ngang của 2 bên vách ngăn tương đương với diện tích kênh nước chính Có thể sử dụng nhiều vách ngăn nếu lõi của tấm khuôn dương quá lớn Nhưng không làm quá 4 vách ngăn để tránh sự gia tăng không mong muốn trong nhiệt độ chất lỏng

Hình 2.14.Hệ thống vách phẳng làm nguội (Baffle)

Hình 2.16.Hệ thống có 1 vòi phun trên khuôn

lỗ sâu nên gặp nhiều khó khăn khi gia công như:

 Khó tạo phoi khi cắt và khó thoát phoi ra khỏi vùng cắt

 Khó bôi trơn và làm nguội dụng cụ cắt

 Khó bảo đảm độ cứng vững,tránh rung động của hệ thống công nghệ nên khó bảo đảm độ thẳng theo yêu cầu và đúng vị trí của tâm lỗ gia công

 Khó theo dõi kiểm tra chất lượng bề mặt gia công và sự làm việc của dụng cụ,đặc biệt là bảo đảm độ bền mòn của dụng cụ cắt trong suốt quá trình làm việc

Trong thực tế chiều dài của các lỗ được giới hạn tối đa là khoảng 150 mm để đảm bảo độ chính xác về kích thước

Hạn chế của phương pháp này là có khả năng phoi trong lúc khoan có thể bị mắc kẹt tại các nơi giao nhau của các lỗ, do đó hạn chế dòng chảy của nước làm nguội

Do đó trước khi đưa khuôn vào sử dụng phải kiểm tra kỹ càng các kênh nước này

Lỗ sâu có kích thước nhỏ có thể được gia công bằng phương pháp EDM Tuy chi phí cao nhưng lại có tính kinh tếhơn cho việc lắp đặt các kênh làm nguội nhỏ và lõi phức tạp hơn