Báo cáo Thiết kế bộ khuôn ép nhựa phục vụ chương trình đào tạo 150 tín chỉ ngành Công nghệ Kỹ thuật Cơ khí (Phần 1)

Nội dung text: Báo cáo Thiết kế bộ khuôn ép nhựa phục vụ chương trình đào tạo 150 tín chỉ ngành Công nghệ Kỹ thuật Cơ khí (Phần 1)

1. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH CÔNG TRÌNH NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CẤP TRƯỜNG THIẾT KẾ BỘ KHUÔN ÉP NHỰA PHỤC VỤ CHƯƠNG TRÌNH ÐÀO TẠO 150 TÍN CHỈ NGÀNH CÔNG NGHỆ KỸS K C 0 0 3 9 5 9 THUẬT CƠ KHÍ MÃ SỐ: T2015-26 S KC 0 0 5 6 2 8 Tp. Hồ Chí Minh, 2015
2. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI KH&CN CẤP TRƯỜNG THIẾT KẾ BỘ KHUÔN ÉP NHỰA PHỤC VỤ CHƯƠNG TRÌNH ĐÀO TẠO 150 TÍN CHỈ NGÀNH CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT CƠ KHÍ Mã số: T 2015-26 Chủ nhiệm đề tài: Ths. Trần Chí Thiên TP. HCM, 10-2015 Trang 1
3. TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH KHOA CƠ KHÍ CHẾ TẠO MÁY BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI KH&CN CẤP TRƯỜNG THIẾT KẾ BỘ KHUÔN ÉP NHỰA PHỤC VỤ CHƯƠNG TRÌNH ĐÀO TẠO 150 TÍN CHỈ NGÀNH CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT CƠ KHÍ Mã số: T 2015-26 Chủ nhiệm đề tài: Ths. Trần Chí Thiên TP. HCM, 10-2015 Trang 2
4. MỤC LỤC Trang Mục lục i Danh mục các từ viết tắt ii Thông tin kết quả nghiên cứu iii Phần 1: Mở đầu I. Tồng quan tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước 6 II.Tính cấp thiết của đề tài 6 III.Mục tiêu của đề tài 6 IV.Đối tượng và phạm vi nghiên cứa 6 V. Cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu 7 VI. Nội dung nghiên cứu 7 Phần 2: Nội dung Chương 1 : Giới thiệu công nghệ ép phun 1.1 Khái quát về công nghệ ép phun 8 1.2 Máy ép nhựa 8 1.3 Trục vít trong máy ép nhựa 10 1.4 Kẹp khuôn 13 1.5 khuôn và các loại khuôn thông dụng 14 1.6 Nhựa trong công nghệ nhựa 21 1.7 Vật liệu làm khuôn 26 Chương 2 : Lý thuyết thiết kế và tính toán 2.1 Thiết kế sản phẩm 28 2.2 Khoang tạo hình 30 2.3 Hệ thống cấp nhựa 33 2.4 Thiết kế và tính toán 41 Trang 3
5. 2.5 Tính toán bề dày các tấm 43 2.6 Hệ thống đẩy 44 2.7 Hệ thống dấn hướng và định vị 51 2.8 Hệ thống làm mát 51 2.9 Hệ thống thoát khí 55 Chương 3 : Tổng quan về Autodesk Moldflow 3.1 Tổng quan phần mềm Autodesk Moldflow 56 3.2 Các bước thực hiện một bài toán phân tích bằng phần mềm AMI 2010 59 3.3 Ứng dụng AMI để xác định vị trí miệng phun 59 3.4 Dùng AMI tối ưu điều kiện ép phun 65 3.5 Dùng AMI phân tích điền đầy nhựa vào khuôn, làm mát, cong vênh 69 Chương 4: Thiết kế sản phẩm & kết cấu bộ khuôn 4.1 Thiết kế chi tiết sản phẩm 72 4.2 Tách khuôn cho chi tiết, lên kết cấu bộ khuôn 76 4.3 Xây dựng kết cấu bộ khuôn. 80 Phần 3: Kết luận & kiến nghị 1. Kết luận 88 2. Kiến nghị 88 DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT CAD Computer Aided Design CAM Computer Aided Manufacturing CAE Computer Aided Engineering CNC Computerized Numerical Control MPI Moldflow Plastics Insight Trang 4
6. TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH Độc lập - Tự do - Hạnh phúc KHOA CKM Tp. HCM, ngày 20 tháng10 năm2015 THÔNG TIN KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU 1. Thông tin chung: - Tên đề tài: Thiết kế bộ khuôn ép nhựa phục vụ chương trình đào tạo 150 tín chỉ ngành công nghệ kỹ thuật cơ khí. - Mã số: T 2015-26 - Chủ nhiệm: TRẦN CHÍ THIÊN - Cơ quan chủ trì: Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh - Thời gian thực hiện: Từ tháng 01 năm 2015 đến tháng 01 năm 2016 2. Mục tiêu: Nhằm đa dạng hóa các sản phẩm nhựa trong quá trình thực tập của sinh viên cũng như đa dạng các lỗi thường gặp trong quá trình ép phun. Từ đó có các biện pháp xử lý lỗi cho quá trình ép phun trên các sản phẩm nhựa. 1. Tính mới và sáng tạo: - Thiết kế khuôn 3 tấm; - Lói trên mặt nghiêng; - Tháo lỏi xiên; - Hệ thống điều khiển quá trình mở khuôn. 2. Kết quả nghiên cứu: - Tìm hiểu công nghệ nhựa; - Tìm hiện các công cụ hỗ trợ quá trình thiết kế khuôn ép nhựa; - Tìm hiểu các loại khuôn ép nhựa; - Thiết kế sản phẩm, thiết kế khuôn ép phun. 3. Sản phẩm: - 01 tập thuyết minh; - Tập bản vẽ bộ khuôn(files mềm) 4. 6. Hiệu quả, phương thức chuyển giao kết quả nghiên cứu và khả năng áp dụng: Ứng dụng trong việc giảng dạy tại khoa CKM trong lĩnh vực công nghệ nhựa, khuôn mẫu. Trưởng Đơn vị Chủ nhiệm đề tài (ký, họ và tên, đóng dấu) (ký, họ và tên) Trần Chí Thiên Trang 5
7. Phần 1: Mở đầu I. TỔNG QUAN TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU THUỘC LĨNH VỰC CỦA ĐỀ TÀI Ở TRONG VÀ NGOÀI NƯỚC Thế giới nói chung và Việt Nam nói riêng trong những năm gần đây sản phẩm làm bằng nhựa đang ngày càng chiếm một thị phần rất lớn trên thị trường. Ưu điểm của loại sản phẩm này là dễ sử dụng, giá thành hợp lý và gần gũi với đời sống sinh hoạt hằng ngày của con người. Thiết kế khuôn mẫu là một lĩnh vục liên quan đến nhiều kiên thức, đòi hỏi phải có sự kết hợp, vận dụng những kiến thúc đã biết ở các môn học trước cùng với môn học thiết kế, chế tạo khuôn mẫu và công nghệ nhựa. Môn học “Thiết kế, chế tạo khuôn mẫu” được đưa vào chương trình đào tạo 150 tín chỉ và bắt đầu tuyển sinh và giảng dạy cho khóa 2012 ngành Công nghệ Kỹ thuật Cơ khí, khoa Cơ khí Chế tạo máy. Đề tài được thực hiện dựa trên yêu cầu thực tế của quá trình triển khai kế hoạch giảng dạy và phương án thiết kế khuôn phải đảm bảo sao cho sản phẩm nhựa đạt được chất lượng và thời gian sản xuất được rút ngắn làm cho chi phí sản xuất và giá thành sản phẩm giảm. Do đó đây chính là yếu tố thực tiễn đảm bảo tính khả thi của đề tài. Thông qua đề tài chúng ta có thể hiểu được khái quát quy trình sản xuất một bộ khuôn nhựa cũng như các phần mềm ứng dụng trong thiết kế và mô phỏng quá trình điền đầy nhựa vào sản phẩm trong quá trình phun. II. TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI: Công nghệ nhựa nói chung và công nghệ ép phun nói riêng đã và đang dần thay thế các công nghệ truyền thống. Chính vì vậy trong chương trình đào tạo ngành Công nghệ Kỹ thuật Cơ khí (150 TC) đã đưa môn học Thực tập công nghệ nhựa vào chương trình đào tạo. Trên cơ sở nhà trường đã trang bị cho khoa CKM máy ép nhựa, để thực hiện được môn học Thực tập công nghệ nhựa phải có khuôn để ép ra sản phẩm. Nhằm đa dạng hóa các sản phẩm nhựa trong quá trình thực tập của sinh viên. Chúng tối đề xuất đề tài NCKH cấp trường với tên đế tài: Thiết kế bộ khuôn ép nhựa phục vụ chương trình đào tạo 150 tín chỉ ngành Công nghệ Kỹ thuật Cơ khí là cần thiết. III. MỤC TIÊU ĐỀ TÀI Nhằm đa dạng hóa các sản phẩm nhựa trong quá trình thực tập của sinh viên cũng như đa dạng các lỗi thường gặp trong quá trình ép phun. Từ đó có các biện pháp xử lý lỗi cho quá trình ép phun trên các sản phẩm nhựa. IV. ĐỐI TƯỢNG, PHẠM VI NGHIÊN CỨU 1. Đối tượng nghiên cứu Khuôn cho công nghệ nhựa. 2. Phạm vi nghiên cứu Khuôn cho công nghệ ép phun. Trang 6
8. V. CÁCH TIẾP CẬN, PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 1. Cách tiếp cận Tiếp cận thực tế sản xuất, phòng thí nghiệm 2. Phương pháp nghiên cứu Tham khảo tài liệu VI. NỘI DUNG NGHIÊN CỨU - Tìm hiểu công nghệ nhựa và công nghệ ép phun ; - Tìm hiện các công cụ hỗ trợ quá trình thiết kế khuôn ép nhựa; - Tìm hiểu các loại khuôn ép nhựa; - Thiết kế sản phẩm, thiết kế khuôn; Trang 7
9. Phần 2: Nội dung CHƯƠNG I GIỚI THIỆU CÔNG NGHỆ ÉP PHUN 1.1 Khái quát về công nghệ ép phun: Là công nghệ tạo hình cho vật liệu nhựa với sự kết hợp của các yếu tố:  Máy ép nhựa (Injection Machine)  Khuôn (Mold)  Vật liệu (Plastic Material) Quy trình ép phun: Vật liệu nhựa (dạng đóng rắn) được gia nhiệt ở một nhiệt độ thích hợp đến khi chảy dẻo. Dưới áp suất lớn được tạo ra bởi máy ép phun, nhựa chảy được phun ép thông qua hệ thống kênh dẫn vào lòng khuôn và tiếp tục đùn ép đến khi nhựa lỏng được điền đầy vào khuôn. Sau đó khuôn được làm nguội và chất dẻo đông cứng lại. Khi khuôn mở ra sản phẩm được đẩy ra khỏi lòng bởi hệ thống đẩy. 1.2. Máy ép nhựa (Injection Machine) 1.2.1 Cấu tạo máy ép nhựa Hình 1.1 Máy ép nhựa. Trang 8
10. Bộ phận kẹp o Đầu xi lanh thủy lực chính. o Cơ cấu khuỷu (đòn). o Xà Knock-out. o Các tấm di động. Các tấm o Các tấm cố định. Cụm phun o Đầu xi lanh thủy lực chính. o Xi lanh phun. o Vít xoắn phun. o Ống phun mỏ vịt. o Hộp bánh răng. o Đai nhiệt. o Van kiểm tra thủy lực (Áp suất). Bảng điều khiển trung tâm o Hệ thống kiểm tra nhiệt (Nhiệt độ). o Hệ thống kiểm tra thời gian (thời gian chu kỳ). o Công tắc giới hạn. Các phụ tùng khác o Báo sự cố. o Chỉ thị nhiệt độ đầu thủy lực. o RPM Gauge (máy đo) đồng hồ đo vòng quay. o Van kiểm tra nước. Bảng 1.1 Cấu tạo máy ép phun. 1.2.2 Phân loại máy ép nhựa: Theo kết cấu có hai loại:  Kiểu ngang.  Kiểu đứng. Theo lực ép ( lực kẹp khuôn). Lực kẹp khuôn Kích thước tương đối 20-100 tấn Nhỏ 100- 500 tấn Vừa 500- 1000 tấn Lớn Trên 1000 tấn Lớn Bảng 1.2 Các cỡ khuôn. Theo kiểu Piston hay trục vít (kiểu đẩy nhựa vào khuôn). Định lượng nhựa cho một lần phun. Theo kiểu khuôn 2 tấm hay 3 tấm. Theo tên gọi của hãng sản xuất. Trang 9
11. 1.2.3 Chu trình ép phun: Công nghệ ép phun đòi hỏi tính chính xác cao khi thiết kế khuôn cũng như trong gia công, lắp ráp. Một chu trình ép sản phẩm hoàn chỉnh có thể chia làm 3 giai đoạn :  Dẻo hóa.  Phun và giữ áp.  Làm nguội và tháo khuôn. Hình 1.2 Quy trình ép phun. 1.3. Trục Vít trong máy ép nhựa: 1.3.1 Cấu tạo: Chia làm 3 vùng phân biệt:  Vùng cấp liệu Lf có bề sâu rãnh Vít (Flight Defth) không đổi và lớn nhất.  Vùng nén Lc (Compresion Zone, Plasticating Zone) có bề sâu ren Vít giảm dần.  Vùng định lượng Lm (Mettering Zone, Pumping Zone) có bề sâu rãnh Vít nhỏ nhất. Hình 1.3 Cấu tạo trục vít chuẩn. Trục vít chuẩn khi gia công nhựa nhiệt dẻo có đặc điểm: Trang 10
12.  Có đường kính /chiều dài:1/12 đến 1/20.  Có đường kính và bước ren không đổi trong suốt chiều dài.  Tỷ số nén 2,21-2,5:1.  Chỉ áp dụng với loại nhựa đã hỗn hợp. 1.3.2 Mũi vít:  Gắn trên đầu trục vít  Có thiết kế phù hợp để tác động chống dòng chảy ngược trong giai đoạn phun và giữ áp. Hình 1.4 Một số kiểu trục vít. 1.3.3 Mô tả quá trình nhựa từ trục vít điền đầy vào khuôn: Hì nh 1.5 Qu á trì nh nh ựa từ trụ c vít điề n đầ y vào khuôn. 1.3.4 Hệ thống điều khiển quay Vít :(Rotatory Screw Drive System) Là nguồn năng lượng chính để hóa dẻo vật liệu. Cung cấp 60%-80% năng lượng để hóa dẻo. Trang 11
13. Phải đủ độ bền để chịu moment cản lớn. Gồm 3 loại chính:  Mô tơ điện giảm tốc bằng bánh răng.  Mô tơ thủy lực giảm tốc bằng bánh răng.  Mô tơ thủy lực vận hành trực tiếp. Bố trí hệ thống điều khiển quay Vít: Gear train Electronic motor Hydraulic Cylinder (Axial Screw Movement ) Hình 1.6 Hệ thống điều khiển quay vít. 1.4. Kẹp khuôn Đây là những bộ phận để định vị khuôn trong máy ép, là cơ cấu duy trì quá trình làm việc của máy ép và khuôn. Bộ phận kẹp khuôn bao gồm:  Trục đỡ (Tie bar).  Bộ phận lói sản phẩm (Ejector System).  Thớt cố định (Stationary Platen).  Bộ phận điều chỉnh bề dày khuôn (Daylight Adjusment ).  Thớt di động (Movable Platen). Hình 1.7 Bộ phận kẹp khuôn. Trang 12
14. Movement with Movement with Movement with Hydraulic Cylinder Toggle Rocks a- Methods moving center section of stack molds. b-Toggle mechanism of stack molds. c- Bộ phận thủy lực kiểu kéo. d- Bộ phận kẹp bằng cơ cấu trục khuỷu. Hình 1.8 a, b, c, d Một số cơ cấu kẹp khuôn. Trang 13
15. 1.5. Khuôn và các loại khuôn thông dụng 1.5.1 Khái niệm về khuôn Khuôn ép sản phẩm nhựa là thiết bị gồm nhiều cụm chi tiết lắp ráp với mục đích tạo hình dáng cho sản phẩm phục vụ cho sản xuất hàng loạt. Tính công nghệ của khuôn dựa trên những đặc tính của sản phẩm như vật liệu, hình dáng, kích thước, số lượng, tuổi thọ của sản phẩm, giá thành Tùy vào những yêu cầu trên ta lựa chọn kết cấu cho phù hợp. Hình dáng của sản phẩm là khoảng trống giữa các phần của khuôn. Khi nhựa được phun và điền đầy vào khoảng trống, sau đó được làm nguội và đẩy sản phẩm ra khi mở khuôn. Phần lõm vào tạo hình dạng bên ngoài của sản phẩm được gọi là lòng khuôn. Phần xác định hình dạng bên trong của sản phẩm được gọi là lõi. Phần tiếp xúc giữa lõi và lòng khuôn được gọi là mặt phân khuôn. Lòng khuôn Mặt phân khuôn Lõi khuôn Hình 1.9 Phần tạo hình dáng sản phẩm. 1.5.2 Kết cấu, chức năng của một bộ khuôn. Kết cấu khuôn gồm 2 phần:  Phía phun được cố dịnh gọi là tấm khuôn trước  Phía đẩy chuyển động khi khuôn mở gọi là khuôn sau. Hình 1.10 Kết cấu chung của bộ khuôn. Trang 14
16. Chú thích: 1. Tấm kẹp phía sau: kẹp phần chuyển động của khuôn vào máy ép phun. 2. Bạc dẫn hướng: để tránh mài mòn hoặc làm hỏng tấm khuôn sau. 3. Tấm khuôn sau: là phần chuyển động của khuôn, tạo nên phần trong và phần ngoài của sản phẩm. 4. Chốt dẫn hướng: dẫn phần chuyển động tới phần cố định của khuôn. 5. Tấm khuôn phía trước: là phần cố định của khuôn tạo thành phần trong và phần ngoài của sản phẩm. 6. Tấm kẹp phía trước: là phần cố định của khuôn và máy ép phun. 7. Bạc cuống phun: nối vòi phun và kênh nhựa với nhau qua tấm kẹp phía trước và tấm khuôn trước. 8. Vòng định vị: đảm bảo vị trí thích hợp của vòi phun với khuôn. 9. Chốt đẩy: dùng để đẩy sản phẩm ra khỏi khuôn khi khuôn mở. 10. Bộ định vị: đảm bảo cho sự phù hợp giữa phần cố định và phần di động của khuôn. 11. Tấm đỡ: giữ cho mảnh ghép của khuôn không bị rơi ra ngoài. 12. Khối đỡ: dùng làm phần ngăn giữa tấm đỡ và tấm kẹp phía sau để cho tấm đẩy hoạt động được. 13. Tấm giữ: giữ chốt đẩy và tấm đẩy. 14. Tấm đẩy: đẩy chốt đẩy đồng thời với quá trình đẩy. 15. Chốt đỡ: dẫn hướng chuyển động và đỡ cho tấm đỡ tránh cho tấm đỡ khỏi bị cong do áp lực đẩy cao. 16. Bạc dẫn hướng chốt: để tránh hao mòn và hỏng chốt đỡ, tấm đẩy và tấm giữ cho chuyển động mạnh giữa chúng. 17. Chốt hồi về: làm cho chốt đẩy có thể quay trở lại khi khuôn đóng lại. 18. Bạc mở rộng: dùng làm bàn kẹp để tránh mài mòn, hỏng tấm kẹp phía sau khối ngăn và tấm đỡ. 1.5.3 Các kiểu khuôn thông dụng  Khuôn hai tấm: Gồm 2 phần: khuôn trước và khuôn sau. Được sử dụng rất phổ biến để gia công các sản phẩm nhựa gia dụng có kích thước vừa phải, hình dáng và kết cấu tương đối đơn giản. Chỉ có một miệng phun đặt trên đường tâm máy ép nhựa Khuôn trước Khuôn sau Hình 1.11 Khuôn 2 tấm ở trạng thái đóng Trang 15
17. a-Khuôn có một lòng khuôn b-Khuôn có nhiều lòng khuôn c-Dạng có lõi ghép. Trang 16
18. d-Dạng có lõi ghép trong lõi ghép Hình 1.12 a, b, c, d Các dạng khuôn 2 tấm.  Khuôn 3 tấm : Với những sản phẩm loại lớn không bố trí được miệng phun ở tâm, sản phẩm có nhiều miệng phun, khuôn nhiều lòng khuôn cần nhiều miệng phun ở tâm thì kết cấu của khuôn có thể thay bằng khuôn 3 tấm. Hệ thống khuôn 3 tấm gồm khuôn sau, khuôn trước và hệ thống thanh đỡ. Khuôn ba tấm tạo ra hai chỗ mở khi khuôn mở. Chỗ mở đầu tiên để lấy sản phẩm ra, chỗ còn lại lấy kênh nhựa. Nhược điểm của khuôn 3 tấm là khoảng cách giữa vòi phun của máy và lòng khuôn rất dài nên có thể làm giảm áp lực khi phun nhựa và tạo ra nhiều phế liệu trong lòng khuôn. Để khắc phục nhược điểm này bằng cách dùng hệ thống khuôn không có kênh nhựa. a-Khuôn 3 tấm ở trạng thái đóng. Trang 17
19. b-Hệ thống khuôn 3 tấm. c-Khuôn không có kênh nhựa. Hình 1.13 a, b, c .Kết cấu của khuôn 3 tấm  Khuôn nhiều tầng Khuôn nhiều tầng có nhiều lòng khuôn được thông với nhau bởi kênh dẫn nhựa. Loại khuôn này thích hợp để gia công sản phẩm đòi hỏi số lượng lớn và giá thành thấp. Do có nhiều tầng nên ở mỗi mặt phân khuôn có hệ thống đẩy riêng biệt. Hệ thống khuôn nhiều tầng được sử dụng ở các máy ép có kích thước nhỏ. Trang 18
20. Hình 1.14 Khuôn nhiều tầng.  Khuôn có xử lý Undercut Undercut: là những trường hợp mà sản phẩm có biên dạng lồi hoặc lõm bề mặt bên ngoài. Do đó không thể lấy sản phẩm trực tiếp từ khuôn sau khi định hình. Những vị trí này có tác dụng can thiệp đến động tác lói sản phẩm. Nếu lói bắt buộc thì sản phẩm bị biến dạng, bể hoặc làm hư khuôn. Để khắc phục vấn đề này ta cần xử lý “Undercut”. Hình 1.15 Các sản phẩm nhựa có xử lý Undercut. Trang 19
21. Hình 1.16 Xử lý Undercut. Các kiểu con trượt (Slide Cores) thông dụng can thiệp vào trong quá trình xử lý Undercut. Kiểu X Kiểu Y Kiểu Z Hình 1.17 Các kiểu Slide Cores thông dụng. 1.6 Nhựa trong công nghệ ép phun 1.6.1 Khái niệm về nhựa : Trang 20
22. S K L 0 0 2 1 5 4