Các hệ thống cơ bản của khuôn

V. Đường lối thiết kế khuôn sản phẩm chất dẻo

5.6. Các hệ thống cơ bản của khuôn

5.6.1. Hệ thống cấp nhựa:

Nguyên liệu nhựa chảy vào lòng khuôn qua hệ thống cấp nhựa. Hệ thống cấp nhựa gồm: Cuống phun, kênh nhựa, cổng nhựa.

Mục đích của hệ thống cổng nhựa là dẫn vật liệu chảy đều và với áp suất và nhiệt độ tối thiểu giảm dần tới mỗi lòng khuôn, hoặc tới điểm xa hơn tại một lòng khuôn lớn. Chảy đều về bản chất có nghĩa là bằng tỷ lệ chảy qua mỗi cổng nhựa.

Điều này có nghĩa là bằng áp suất tại điểm cuối của mỗi cổng nhựa, nó đúng cho tất cả các lòng khuôn. Trong trường hợp của một họ khuôn, tổng lượng chảy có thể khác ở mỗi lòng khuôn, nhưng trong một nhánh được thiết kế chính xác, thì sự điền đầy vào lòng khuôn sẽ hoàn toàn khác nhau trong cùng một thời gian. Khi sử dụng một hệ thống đo áp suất trong lòng khuôn, chuyển từ lúc bơm tới việc duy trì hoặc thành sản phẩm được điều khiển bởi bộ chuyển đổi trong lòng khuôn. Hệ thống này hoạt động tốt khi tất cả lòng khuôn được điền đầy cùng lúc. Tuy nhiên một lòng khuôn được điền đầy trước và cổng nhựa của nó đông lại trước khi pha đông được bắt đầu bởi phần tử cảm biến áp suất trong lòng khuôn khác, nó có thể do thiếu hụt kết hợp với việc điền đầy không đủ và tỷ trọng thấp. Qua lúc đông đặc cũng có thể vẫn xảy ra nếu dòng chảy không cân bằng nhau.

Do đó bước đầu tiên trong thiết kế nhiều lòng khuôn là bố trí xắp đặt dòng chảy bằng nhau, mỗi dòng chảy tỷ lệ với mỗi lòng khuôn sao cho tất cả các lòng được điền đầy như nhau trong cùng một thời gian. Nếu tất cả lòng khuôn là như nhau thì sẻ làm giảm giá trị bằng lượng giảm áp suất từ cuống phun tới mỗi đầu ra của cổng nhựa. Trong trường hợp đơn giản này, một cách trình bày “cân bằng tự nhiên” có chiều dài và kích cỡ bằng nhau đối với tất cả các máng dẫn. Số lòng

khuôn đối với khuôn cân bằng tự nhiên là 2, 4, 6, 8, 16, 18, 24, 32, 48, 64, 72, 96 v.v và vòng tròn miệng phun được đặt ở giữa. Không gian đủ cần phải ở giữa lòng khuôn để cho phép làm mát đều trên khuôn. Trong nhiều trường hợp phức tạp, khuôn cũng “cân bằng từng phần” hoặc “cân bằng giả tạo” .

Nguyên liệu chảy vào lòng khuôn qua hệ thống cấp nhựa là một quá trình hoạt động như sau :

Trước tiên nguyên liệu nhựa ở trạng thái nóng chảy được đổ vào cuống phun và hệ thống kênh nhựa dẫn đến lòng khuôn. Khi nhựa nóng chảy điền vào lòng khuôn thì chúng nhanh chóng được đông đặc lại tạo thành một lớp vỏ mỏng (do lòng khuôn có nhiệt độ thấp). Lúc đầu lớp nhựa đông đặc lại rất mỏng vì thế nhiệt mất đi rất nhanh, sau một thời gian lớp nhựa đông đặc đạt được một độ dày nhất định thì nhiệt thu được từ nhựa và ma sát do dòng chảy cân bằng với lượng nhiệt mất đi, như vậy đã đạt được trạng thái cân bằng nhiệt.

Vì nhựa là một chất dẫn nhiệt kém nên lớp vỏ đông đặc sẽ đóng một vai trò là lớp cách nhiệt cho lõi trong của nhựa nóng chảy và giữ nhiệt cho lõi trong. Do đó mà nguyên liệu nhựa vẫn có thể chảy qua lõi giữa trong quá trình phun. Nếu tốc độ phun tăng (áp lực phun lớn) thì lớp nhựa đông lại sẻ bị mỏng đi do nhiệt ma sát sinh ra lớn

Để có được một lớp cách nhiệt bằng phẳng thì không nên để có góc nhọn làm cản trở dòng chảy. Hơn nữa vùng làm nguội chậm khó qua được ở cuối cuống phun và kênh nhựa tốt nhất là làm giống như dùng vật liệu cứng, điều này cho phép nhựa nóng chảy chảy qua được.

Cuống phun:

- Cuống phun là chỗ nối giữa vòi phun của máy phun và kênh nhựa.

- Với khuôn hai tấm cuống phun nên có một nấc nhỏ để phù hợp với chỗ không ăn khớp, như hình bên:

- Với hệ thống cuống phun thông thường, thường có bạc cuống phun. Bạc cuống phun được tôi cứng để không bị vòi phun của máy làm hỏng.

- Kích thước của cuống phun phụ thuộc vào Hình 1.15: Cuống phun hai yếu tố: khối lượng và độ dầy thành của sản phẩm cũng như loại vật liệu nhựa được sử dụng.

Ta có quan hệ: W: Khối lượng (g)

D: Đường kính mặt cắt ngang cuống phun (mm).

S: Chiều dầy thành (mm).

Hình 1.16 : Bạc cuống phun

Min 0.1

Bạc cuống phun

Hình 1.17

Bán kính trên bạc cuống phụ và vòi phun phải tạo nên được sự liên kết phù hợp giữa chúng. Bán kính trên bạc cuống phun phải lớn hơn 2÷5 mm so với bán kính của vòi phun để đảm bảo không có khe hở giữa cuống phun và vòi phun khi chúng tiếp xúc với nhau.

Góc côn của cuống phun là yếu tố rất quan trọng, góc côn này ảnh hưởng đến việc thầo cuống phun ra khỏi bạc cuống phun và thời gian làm nguội. Do vậy góc côn này không được quá nhỏ hay quá to, tối thiểu nên là 10.

Kênh nhựa:

- Kênh nhựa là đoạn nối giữa cuống phun và miệng phun. Kênh nhựa phải được thiết kế ngắn nhất có thể để có thể nhanh chóng điền đầy lòng khuôn mà không bị mất nhiều áp lực.

- Kích thước của kênh nhựa phải đảm bảo đủ nhỏ để làm giảm phế liệu và lượng nhựa trong lòng khuôn, nhưng phải đủ lớn để chuyển một lượng vật liệu đáng kể để điền đầy lòng khuôn nhanh và giảm sự mất áp lực ở kênh nhựa và các miệng phun.

- Kênh nhựa có các loại tiết diện ngang như hình tròn, hình thang, kênh hình chữ nhật, kênh hình bán nguyệt và hình cong. Nhưng trong các loại kênh nhựa trên thì kênh nhựa có tiết diện hình tròn hoặc hình thang là tốt nhất.

- Kênh nhựa hình tròn cho phép một lượng vật liệu tối đa chảy qua mà không bị mất nhiều nhiệt, tuy nhiên việc chế tạo khuôn loại này đắt hơn vì kênh nhựa phải nằm ở hai bên của mặt khuôn.

- Khi dùng kênh nhựa hình thang thì phải sử dụng một lượng vật liệu nhiều hơn so với hình tròn, nhưng kênh hình thang dễ gia công hơn vì nó chỉ nằm ở một bên của mặt phân khuôn.

2 2,5 3 3,5 4 4,5 5 5.5 6 D(mm) W(g)

100 200 300 400 500 600 700

S=1 S=2

S=3 S=4

S=

5

S=6 S=

7

- Để xác định diện tích tiết diện kênh nhựa ta phải dựa vào thời gian điền đầy:

t =

m Q m s v. Q⇒ = =t

⇒ s = tv

m .

Trong đó :

m : Khối lượng sản phẩm. (g) Q : Lưu lượng phun.(m3/s) s : Diện tích tiết diện.(m m2) v : Tốc độ phun.(m/s)

- Cách tính dòng chảy: Mỗi loại chất dẻo sẽ chảy trong một khoảng cách chi tiết có liên quan đến độ dày của thành kênh mà nó chảy qua. Quan hệ này được thể hiện trong tỷ lệ 200:2 nghĩa là với thành dày 2mm thì độ dài tối đa của dòng chảy là 200mm. Xuất phát từ công thức:

F S

H= P

32.V .n

Trong đó: L là độ dài dòng chảy; H là bán kính thuỷ lực. H được tính theo công thức: H =

2.B.D B+D

Trong đó: B là chiều rộng (cm) và D là chiều dày (cm); P là lực ép tối đa (ví dụ 1200 bar); VF là chu vi của dòng chảy trước (30cm/s); NS là độ nhớt có giá trị 2600g/s đối với loại vật liệu không định hình và 1700g/s đối với loại vật liệu tinh thể.

Từ những số liệu trên ta có: L = C.H2 với C = 320 cho vật liệu không định hình và C = 500 cho vật liệu tinh thể.

- Tốc độ phun phụ thuộc vào nhiều yếu tố : Áp lực phun, độ bóng bề mặt kênh nhựa, nhiệt độ khuôn. Như vậy việc tính toán chính xác diện tích tiết diện kênh nhựa là rất khó khăn và phức tạp. Mặt khác việc tính toán phải dược trên các giả thuyết. Do đó kết quả tính được chỉ là gần đúng.

- Đối với loại khuôn nhiều lòng khuôn, việc đảm bảo cho các lòng khuôn được điền đầy là rất quan trọng. Để đảm bảo điều này ta có các giải pháp:

+ Loại khuôn nhiều lòng khuôn có một đoạn ngắn ở cuối đường kênh nhựa ở lòng khuôn cuối cùng (kênh cân bằng nhân tạo).

+ Nhưng biện pháp tốt nhất là cho độ dài của các kênh nhựa của tất cẩ các sản phẩm như nhau (kênh nhựa được cân bằng từng phần).

- Để đơn giản ta cân bằng các kênh nhựa bằng mô hình hoá đơn giản:

Hỡnh 1.18 Các dạng mặt cắt kênh nhựa: Tròn, chữ nhật, đa giác, Elip…

Khuôn 6 lòng khuôn Khuông 2 lòng khuôn Khuôn 8 lòng khuôn

Khuôn 12 lòng khuôn Khuôn 8 lòng khuôn

Khuôn 8 lòng khuôn Khuôn 16 lòng khuôn

Sơ đồ1.4. Bố trí cân bằng thời gian chảy tới các lòng khuôn của các kênh nhựa H:W = 2:4

H

W 15

0

Vật liệu thừa Vật liệu thừa Vật liệu thừa

Các miệng phun và khuyết tật khi phun nhựa:

- Miệng phun là miệng mở giữa kênh nhựa và lòng khuôn. Các miệng phun thường được giữ ở kích thước nhỏ nhất và được mở rộng nếu cần thiết.

- Miệng phun lớn rất tốt cho sự chảy êm của dòng nhựa nhưng lại phải có thêm nguyên công cắt và để lại vết cắt lớn trên sản phẩm.

- Vị trí của miệng phun là rất quan trọng, vị trí sai của miệng phun có thể tạo ra một số khuyết tật sau:

- Vật được phun bị ngắn: Tức là vật lìệu bị đông cứng kết trước khi sản phẩm được điền đầy.

- Sản phẩm bị cong vênh: Đối với loại sản phẩm dài, thẳng có một miệng phun trung tâm, xu hướng cấu trúc phân tử nhựa sau khi phun luôn là sẽ gây ra sự uốn cong. Điều này có thể được giảm nhờ có miệng phun rất rộng.

- Sản phẩm có đường hàn: Khi nhựa chảy quanh vật cản mà bị đông lại nhiều thì nó sẽ không có sự pha trộn tốt với nhau và khi đông cứng nó để lại phía sau một đường phân biệt gọi là đường hàn.

- Sự tạo đuôi: Khi nhựa chảy qua một cửa hẹp vào trong một lòng khuôn lớn có thể bị tạo thành đuôi. Điều này có thể xẩy ra cả khi lòng khuôn đã hoàn toàn đầy.

- Hõm co: Khi nhựa phải chảy qua một tiết diện mỏng, nên khó giữ được áp lực khuôn cao để làm đầy các khoảng trống, nên sản phẩm có thể bị hõm co bởi nhựa co lại ở tiết diện dầy.

Để tránh điều này ta có thể:

+ Thay đổi vị trí miệng phun.

+ Thay đổi thiết kế sản phẩm.

+ Kết hợp cả hai cách trên.

- Cản khí: Khi nhựa chảy vào lòng khuôn mà khí trong lòng khuôn không thoát ra được thì sản phẩm sẽ bị hỏng do bọt khí. Do vậy ta phải thiết kế khuôn có lỗ thoát khí (nếu cần) hoặc thay đổi vị trí miệng phun.

Các kiểu miệng phun:

- Miệng phun cuống phun: Miệng phun cuống phun được dùng khi bạc cuống phun có thể dẫn nhựa trực tiếp vào lòng khuôn. Kiểu này rất tốt cho các loại sản phẩm lớn.Nhược điểm là phải chi phí thêm để tách miệng phun sau khi phun khuôn.

- Miệng phun cạnh: Đây là kiểu miệng phun rất thông dụng, có thể sử dụng cho tất cả các loại sản phẩm. Nhưng phải tính đến phí tổn cắt bỏ nó.

- Miệng phun kiểu băng: Loại này không thông dụng, chỉ dùng để khắc phục những trục trặc khi bị tạo đuôi, kiểu này để lại dấu vết miệng phun lớn.

- Miệng phun kiểu đường ngầm: Đây là loại rất thông dụng, bởi nó có thể tự cắt khi sản phẩm nhựa bị đẩy ra khỏi khuôn. Miệng phun đường hầm cũng có thể

dùng với khuôn trước. Sản phẩm qua miệng phun được cắt đi nhờ bộ phận mở của khuôn, nhưng có nhược điểm lớn là sản phẩm bị dính vào khuôn trước.

- Miệng phun điểm chốt: Đây là kiểu thông dụng với cấu trúc khuôn ba tấm có những lòng khuôn lớn mà cần nhiều miệng phun hơn, hoặc cho loại khuôn nhiều lòng khuôn. Kích thước của miệng phun điểm chốt rất quan trọng, nếu điểm chốt quá to hoặc phần côn quá nhỏ thì dấu vết của nó thấy rất rõ.

Hệ thống kênh nhựa của nó thường là hình thang ở tiết diện ngang.

- Miệng phun kiểu cái quạt: Tốt cho sản phẩm khó điền đầy như sản phẩm nhựa Acrylic. Ưu điểm của nó là chảy lên hết bề rộng của sản phẩm nhưng phải chi phí cao khi cắt miệng phun.

- Miệng phun kiểu đĩa: Kiểu này dùng để điền đầy một lòng khuôn từ một hốc trong sản phẩm. Vật liệu từ cuống phun chảy ra ngoài và tất cả các tiết diện lòng khuôn được điền đầy cùng một lúc.

- Miệng phun vòng tròn: Loại này dùng để dẫn vật liệu vào sản phẩm hình trụ dài có những tiết diện mỏng, vật liệu làm đầy sản phẩm ngay.

5.6.2. Hệ thống đẩy: Chức năng của hệ thống đẩy là lấy sản phẩm ra sau khi khuôn mở.

Khi thết kế hệ thống đẩy phải đảm bảo:

- Khoảng đẩy: khoảng đẩy phải lớn hơn từ 5÷10 mm so với chiều cao của sản phẩm được lấy ra từ khuôn sau.

- Sau khi sản phẩm đựơc lấy ra, hệ thống đẩy phải trở về vị trí ban đầu để các chốt đẩy không làm hỏng các lòng khuôn của khuôn trước khi đóng khuôn.

- Phần đỉnh của chốt đẩy về lý thuyết chỉ nằm ngang mức so với lòng khuôn, nhưng có thể trên hoặc dưới 0,05÷0,1 mm.

- Kích thước của chốt đẩy rất quan trọng nó phải đảm bảo đủ cứng vững để đẩy được sản phẩm ra khỏi lòng khuôn, kích thước của chốt đẩy phụ thuộc vào kích thước của sản phẩm, nhưng không nên nhỏ hơn 3mm.

- Thiết kế hệ thống đẩy phải đảm bảo không làm yếu khuôn sau.

- Khi khuôn dùng để sản xuất từ 50000 sản phẩm trở lên hoặc những sản phẩm cần có hành trình đẩy dài hoặc cần những chốt đẩy rất nhỏ thì nên có những chốt dẫn hướng trong hệ thống đẩy.

Hệ thống đẩy bao gồm:

- Các chốt đẩy tròn: Đây là kiểu chốt đẩy thông thường nhất, nó rất đơn giản để đưa vào trong khuôn. Những lỗ tròn và chốt tròn rất dễ gia công, nhưng để gia công được những lỗ vừa dài và chính xác thì rất tốn kém.

Ta có thể doa rộng các lỗ chốt đẩy, chiều dài của lỗ doa có đường kính D nên lấy như sau:

Với lỗ nhiệt luyện trước khi gia công: L = 4xD Với lỗ đã nhiệt luyện: L = 3xD

Chú ý : Đối với những loại khuôn đã tôi mà vật liệu phun vào khuôn là polyacetat, polyamit, polycacbonat thì các lỗ phải để lượng dư trước khi nhiệt luyện để sau này còn mài.

- Lưỡi đẩy: Lưỡi đẩy tạo ra được nhiều bề mặt đẩy hơn là chốt đẩy tròn nhỏ, đối với những tiết diện mỏng. Nhưng là bất lợi là những lỗ đẩy hình chữ nhật rất khó làm. Các lưỡi đẩy cũng yếu hơn các chốt đẩy tròn nhưng cũng có thể được tăng cứng vững. Việc mài những lỗ đẩy là để tạo nên một bề mặt rất phẳng cho các lưỡi đẩy đi qua.

- Các ống đẩy: Các ống đẩy rất thuận lợi cho quá trình đẩy quanh các chốt lõi. Khi dùng hệ thống đẩy này, góc thoát có thể giảm xuống đến 50 để tránh các vết chìm để lại trên bề mặt phía trên.

- Thanh đẩy: Thanh đẩy thường được dùng cho các sản phẩm lớn. Để thanh đẩy không làm hỏng lõi trong khi đẩy và lùi về, thanh đẩy phải đặt cách bề mặt thẳng đứng của khuôn ít nhất 0,5 mm. Chính vì lý do này mà thanh đẩy phải được hướng dọc theo khoảng đẩy.

- Tấm tháo: Tấm tháo là một trong các hệ thống đẩy tốt nhất. Trong trường hợp này việc dẫn hướng để tránh làm hỏng lõi khuôn cũng rất quan trọng.

- Các van đẩy: Hệ thống van đẩy không thông dụng trong chế tạo khuôn nhựa. Nó thường được dùng bằng các hình cóc và trợ giúp không khí trong quá trình đẩy có hiệu quả. Một van đẩy cũng rẻ hơn so với dùng tấm tháo. Tuy nhiên phải có một góc lớn hơn 20.

- Sự đẩy cuống phun-kênh nhựa-miệng phun:

Sự đẩy cuống phun:

Hệ thống này phải thực hiện hai hành động:

+ Kéo cuống phun ra ngoài khuôn khi khuôn mở.

+Đẩy kênh nhựa, cuống phun, và miệng phun ra khỏi khuôn sau. Đối với hành động thứ nhất ta cần một bộ phận kéo cuống phun, có ba kiểu hệ thống kéo cuống phun:

Kiểu chỗ cắt sau dạng côn ngược: Đây là kiểu thông dụng mà trong đó dùng như một vùng thân nguội.

Bộ phận kéo cuống phun có rãnh vòng: Theo thiết kế này, có một hoặc nhiều rãnh vòng được cắt trong thân nguội để sau đó tạo khả năng kéo cuống phun.

Bộ phận kéo cuống phun kiểu chữ Z: Đây là kiểu đơn giản nhất, nhược điểm của kiểu này là cuống phun thường không luôn luôn rời ra khỏi chốt đẩy kiểu này.

Để phun khuôn tự động thì vị trí của bộ phận hình chữ Z phải đựơc định vị chính xác.

Sự đẩy kênh nhựa:

Đối với khuôn có nhiều lòng khuôn và hệ thống kênh nhựa lớn thì nên có nhiều chốt đẩy, điều này làm cho quá trình đẩy từ khuôn sau được êm.