CƠ SỞ LÝ THUYẾT
Tổng quan về công nghệ ép phun
Công nghệ ép phun là phương pháp sản xuất sản phẩm bằng cách phun nhựa nóng chảy vào khuôn Quá trình bắt đầu với việc cho nhựa vào thùng nhiệt, sau đó trộn đều bằng hệ thống trục vít Nhựa được đẩy vào khuôn, nơi nó làm nguội và đông lại theo hình dạng khuôn Khi nhựa đã cứng lại, khuôn sẽ mở ra để lấy sản phẩm.
Quá trình chế tạo khuôn ép phun bắt đầu bằng thiết kế khuôn, sau đó được thực hiện bởi thợ làm khuôn Vật liệu chính để chế tạo khuôn thường là kim loại như thép hoặc nhôm, và được gia công chính xác để đạt được hình dạng mong muốn.
Công nghệ ép phun hiện đang được sử dụng phổ biến trong sản xuất, từ các chi tiết nhỏ đến tấm khung xe Sự phát triển của công nghệ in 3D, đặc biệt là việc áp dụng photopolymer và vật liệu không chảy trong quá trình ép phun, đã tạo ra cơ hội mới cho việc sản xuất khuôn phun đơn giản.
Quá trình ép phun nhựa đang ngày càng phát triển và được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực sản xuất Phương pháp này mang lại sự linh hoạt và hiệu quả cao trong việc sản xuất các sản phẩm nhựa với độ chính xác cao và đa dạng hình dạng.
Để đảm bảo quá trình ép phun diễn ra suôn sẻ và sản phẩm đạt chất lượng cao, việc thiết kế các chi tiết nhựa là rất quan trọng Cần xem xét cẩn thận các yếu tố như loại vật liệu, hình dạng chi tiết, yêu cầu đặc tính của sản phẩm và thuộc tính của khuôn nhựa.
Hình 2-1: Hình ảnh máy ép nhựa
Hình 2-2: Hình ảnh máy ép nhựa 2.1.2 Lịch sử hình thành
Công nghệ ép phun nhựa ra đời từ năm 1872, khi hai anh em John Wesley Hyatt và Isaiah phát minh máy phun ép đầu tiên tại Mỹ Ban đầu, máy hoạt động giống như một kim tiêm lớn, nung chảy nhựa và bơm vào khuôn qua piston Tuy nhiên, thiết bị này đơn giản hơn nhiều so với các máy móc hiện đại ngày nay.
Trong quá trình phát triển công nghệ ép phun nhựa, các nhà khoa học như Arthur Eichengrün và Theodore Becker đã có những đóng góp quan trọng, bao gồm việc khám phá cellulose acetate hòa tan đầu tiên vào năm 1903, loại nhựa này không chỉ khó cháy hơn cellulose nitrate mà còn dễ dàng trong quá trình ép phun Năm 1939, Arthur Eichengrün đã phát minh ra máy ép phun đầu tiên và nhận bằng sáng chế cho khuôn ép nhựa cellulose acetate linh hoạt.
Sau Chiến tranh thế giới thứ II, nhu cầu về sản phẩm rẻ và hàng loạt gia tăng đáng kể Năm 1946, nhà phát minh James Watson Hendry đã chế tạo máy bơm trục vít đầu tiên, cho phép kiểm soát chính xác tốc độ phun và chất lượng sản phẩm, đồng thời hỗ trợ trộn nguyên liệu như nhựa màu và tái chế Đến năm 1970, Hendry phát triển hệ thống ép phun có trợ khí, giúp làm nguội nhanh các sản phẩm phức tạp, cải thiện tính linh hoạt thiết kế và độ cứng, đồng thời giảm chi phí, nhiên liệu, nguyên liệu và lượng chất thải.
Công nghệ ép phun nhựa hiện nay được áp dụng phổ biến trong sản xuất linh kiện cho nhiều ngành công nghiệp, bao gồm ô tô, y tế, hàng không-vũ trụ, hàng tiêu dùng, đồ chơi, hệ thống ống nước, bao bì và xây dựng.
2.1.3 Cấu tạo và nguyên lý làm việc
- Máy ép phun bao gồm 2 thành phần chính là phần kẹp khuôn và phần phun nhựa
Hình 2-3: Hình cấu tạo máy dập khuôn nhựa
Phần kẹp khuôn bao gồm hai thành phần chính: phần kẹp khuôn cố định và phần kẹp khuôn di động Phần kẹp khuôn cố định giữ cho khuôn được định vị chính xác thông qua vòng định vị và lỗ định vị trên máy Trong khi đó, phần kẹp khuôn di động kẹp nửa khuôn di động và di chuyển theo phương song song với hướng đóng mở khuôn, giúp thực hiện quá trình đóng mở khuôn trong chu kỳ ép phun Ngoài ra, phần này còn được trang bị lòi đẩy để tác động lên tấm đẩy pin, đẩy sản phẩm ra ngoài sau khi hoàn tất quá trình ép.
Phần phun nhựa sử dụng nhiệt độ để biến đổi nhựa từ trạng thái rắn sang lỏng, sau đó nhựa nóng chảy được đẩy vào khuôn nhờ áp lực thông qua hệ thống vít xoắn và vòi phun.
- Bên cạnh 2 bộ phận chính này thì máy ép nhựa còn được bổ sung thêm hệ thống làm nguội, robot hoặc các hệ thống hỗ trợ khác
➢ Nguyên lý hoạt động của máy ép nhựa
Hình 2-4: Hình nguyên lý làm việc
- Nguyên liệu nhựa được đưa vào phễu chứa và được làm nóng chảy bởi các thanh gia nhiệt, tạo thành một chất lỏng
Chất lỏng nhựa được đưa lên phía trước nhờ vào sự quay của trục vít, trong khi trục vít cũng di chuyển lùi để tạo ra không gian trống phía trước đầu phun, cho phép nhựa tràn vào.
Áp lực từ trục vít giúp bơm chất lỏng nhựa vào khuôn, nơi có hình dạng và chi tiết được thiết kế phù hợp để tạo ra sản phẩm cuối cùng.
Sau khi khuôn được nạp đầy nhựa, hệ thống làm mát sẽ bắt đầu làm nguội nhựa, giúp nó đông lại và hình thành sản phẩm cứng bên trong khuôn.
Phần kẹp khuôn di động sẽ mở khuôn ra một khoảng cách đã được xác định trước Sản phẩm hoàn thành sẽ được đẩy ra ngoài nhờ trục lói của máy ép, bằng cách áp dụng lực đẩy lên hệ thống pin đẩy trong khuôn.
Khuôn ép
Việc lựa chọn vật liệu chế tạo khuôn mang tính kinh tế, với khuôn thép có chi phí cao nhưng tuổi thọ dài, cho phép sản xuất nhiều chi tiết trước khi bị mòn Thép hóa tốt có độ cứng HRC = 38÷45, ít bị mài mòn, phù hợp cho các chi tiết nhỏ hoặc bộ phận lớn hơn Sau gia công, khuôn được xử lý nhiệt để nâng cao tuổi thọ và khả năng chống mài mòn, đạt độ cứng HRC = 50÷60 Khuôn nhôm giúp tiết kiệm chi phí, có khả năng sản xuất hàng trăm ngàn chi tiết nhờ vào thiết kế và gia công hiện đại Hợp kim đồng beryllium được sử dụng khi cần thải nhiệt nhanh Các khuôn có thể được sản xuất bằng máy CNC hoặc quy trình gia công tia lửa điện.
- Phần cavity (phần khuôn cái, phần khuôn cố định): được gá trên tấm cố định của máy ép nhựa
- Phần core (phần khuôn đực, phần khuôn di động): được gá trên tấm di động của máy ép nhựa
Khoảng trống giữa cavity và core được lấp đầy bằng nhựa nóng chảy, sau đó nhựa được làm nguội và đông đặc lại Cuối cùng, sản phẩm được lấy ra khỏi khuôn bằng hệ thống tự động hoặc thao tác bằng tay, tạo ra sản phẩm với hình dạng tương ứng của lòng khuôn.
Trong một bộ khuôn, phần lõm được gọi là lòng khuôn, xác định hình dạng bên ngoài của sản phẩm, trong khi phần lồi ra gọi là lõi, xác định hình dạng bên trong Một bộ khuôn có thể bao gồm một hoặc nhiều lòng khuôn và lõi, và phần tiếp xúc giữa chúng được gọi là mặt phân khuôn.
Hình 2-9: Khuôn âm và khuôn dương ở trạng thái đóng
Nhựa dẻo được đưa qua vòi phun vào lòng khuôn thông qua cuống phun Cuống phun đóng vai trò quan trọng trong việc kết nối vòi phun với kênh nhựa, giúp dẫn dòng nhựa từ máy đến kênh dẫn hoặc trực tiếp đến lòng khuôn.
Hình 2-10: Hình ảnh thực tế về khuôn của một mẫu nhựa
Lượng nhựa cần thiết để lấp đầy các cuống phun, kênh dẫn và khoang trong quá trình ép phun được gọi là "shot" Việc thoát khí khỏi khuôn là rất quan trọng để ngăn ngừa khuyết tật và biến dạng sản phẩm Để đảm bảo thoát khí hiệu quả, các lỗ thông hơi được cắt qua mặt phân chia khuôn và xung quanh pin đẩy Để dễ dàng tháo rời sản phẩm, thường có một góc trống, kích thước của góc này phụ thuộc vào độ sâu của lòng khuôn Nếu không có đủ khoảng trống, sản phẩm có thể bị biến dạng hoặc hư hỏng khi tách ra khỏi khuôn, và độ co ngót của vật liệu cũng cần được xem xét để xác định kích thước góc trống.
Hệ thống làm mát đóng vai trò quan trọng trong việc điều chỉnh nhiệt độ của khuôn trong quá trình ép phun Bằng cách sử dụng ống nước hoặc các chất làm mát khác, nhiệt độ được hấp thụ và dẫn đi, giúp duy trì nhiệt độ thích hợp cho khuôn Điều này đảm bảo quá trình biến cứng của vật liệu diễn ra hiệu quả.
Thiết kế hợp lý và hiệu quả của hệ thống thông hơi, góc trống và hệ thống làm mát là yếu tố then chốt để đảm bảo sản phẩm cuối cùng đạt chất lượng cao, đồng thời giúp quá trình ép phun diễn ra thuận lợi và hiệu quả.
Hình 2-11: Chu kì ép phun
Để nâng cao tính linh hoạt và khả năng sản xuất nhiều dạng khác nhau của cùng một chi tiết, khuôn ép nhựa thường được thiết kế thành nhiều phần gọi là chèn Việc thay thế, bổ sung hoặc hoán đổi các chèn cho phép một khuôn có thể tạo ra nhiều hình thức khác nhau của cùng một sản phẩm.
Đối với các chi tiết phức tạp, khuôn ép trở nên phức tạp hơn với việc sử dụng hệ thống bệ trượt để đẩy chi tiết ra khỏi khoang Khi khuôn được tách ra, các bệ trượt được kéo khỏi phần nhựa nhờ vào các chốt nghiêng cố định trên khuôn cố định Các chốt này chạm vào bệ trượt, khiến nó lùi lại khi phần khuôn di động mở ra Sau khi chi tiết được giải phóng khỏi khuôn và khuôn đóng lại, các bệ trượt di chuyển về phía các chốt nghiêng.
Hệ thống Overmould cho phép tái tạo các chi tiết đã được sản xuất trước đó bằng cách tạo ra một lớp nhựa mới xung quanh chúng Công nghệ này thường được áp dụng trong sản xuất lốp xe và bánh xe, mang lại hiệu quả cao trong việc cải thiện chất lượng và độ bền của sản phẩm.
Khuôn hai hoặc nhiều tấm được thiết kế để thực hiện quá trình "overmould" trong một chu kỳ ép phun, yêu cầu nhiều đợt ép phun đặc biệt Quy trình này diễn ra hai lần, giúp giảm thiểu lỗi rìa mép Đầu tiên, vật liệu gốc được thành hình dạng cơ bản, sau đó, vật liệu thứ hai với màu sắc khác được phun vào các khoảng trống Nhờ vào quy trình này, các chi tiết như nút bấm và chìa khóa có độ bền cao và không bị mòn đi khi sử dụng lâu dài.
Công nghệ ép phun cho phép sản xuất nhiều chi tiết giống nhau trong một lần phun, không giới hạn số lượng "bản in" trong khuôn Một số khuôn dùng để sản xuất số lượng lớn, như nắp chai, có thể chứa hơn 128 lòng khuôn, từ đó nâng cao hiệu suất sản xuất.
➢ Các bước thiết kế khuôn sơ lược:
- Bước 1: Tính số lòng khuôn
Yêu cầu: Kích thước, lực kẹp máy, theo số lượng sản phẩm, thời gian, chất lượng và giá thành sản phẩm, kết cấu khuôn
- Bước 2: Cách bố trí lòng khuôn
Thường bố trí theo kinh nghiệm nhưng ta phải mô phỏng quá trình điền đầy để lựa chọn dạng lòng khuôn phù hợp
Để thiết kế hiệu quả, cần chú ý đến việc dễ dàng lấy chi tiết ra khỏi khuôn Lựa chọn mặt có diện tích lớn nhất sẽ giúp quá trình làm khuôn và lấy sản phẩm trở nên thuận lợi hơn Ngoài ra, chiều sâu mặt phân khuôn nên nhỏ và số lượng chi tiết ít để đảm bảo độ chính xác khi lắp ráp.
- Bước 4: Thiết kế hệ thống kênh dẫn nhựa gồm cuốn phun, kênh dẫn và miệng phun
- Bước 5: Thiết kế chốt dẫn hướng, bạc dẫn hướng
- Bước 6: Thiết kế hệ thống trượt
- Bước 7: Thiết kế hệ thống rãnh thoát khí trên mặt phân khuôn
Để tránh tình trạng kẹt và đảm bảo sản phẩm được điền đầy, cần bố trí vật liệu ở những vị trí mà chúng được điền sau cùng Chiều sâu của rảnh cũng cần được điều chỉnh phù hợp nhằm ngăn chặn việc sản phẩm trở thành phế phẩm.
- Bước 8: Thiết kế hệ thống đẩy
- Bước 9: Thiết kế hệ thống đàn hồi
Hình 2-12: Quy trình công nghệ thiết kế khuôn
➢ Kết cấu cơ bản của khuôn :
Hình 2-13: Kết cấu chung của một bộ khuôn
1: Tấm kẹp sau 7: Bạc cuống phun 13: Tấm giữ
2: Bạc dẫn hướng 8: Vòng định vị 14: Tấm đẩy
3: Tấm khuôn dương 9: Sản phẩm 15: Chốt đỡ
4: chốt dẫn hướng 10: Bộ định vị 16: Bạc dẫn hướng
5: Tấm khuôn âm 11: Tấm đỡ 17: Chốt hồi về
6: Tấm kẹp trước 12: Khối đỡ 18: Bạc mở rộng
Ngoài core và cavity, bộ khuôn còn bao gồm nhiều bộ phận khác, tất cả được lắp ghép với nhau để tạo thành các hệ thống cơ bản của bộ khuôn.
Dung sai
Dung sai là độ lệch của các thông số như kích thước, trọng lượng, hình dạng và góc nghiêng, với các khoảng giới hạn khác nhau tùy theo quy trình sử dụng Trong ép phun thông thường, dung sai được xác định trong khoảng IT=9÷14 Đối với nhựa nhiệt dẻo và nhựa nhiệt rắn, dung sai dao động từ ±0.008 đến ±0.002 inch Trong các ứng dụng sản xuất hàng loạt chuyên biệt, dung sai cho đường kính và các đối tượng tuyết tính là ±5mm, trong khi bề mặt cuối cùng đạt được nằm trong khoảng 0.05÷0.1mm.
Phương án thiết kế máy tạo mòn cho chi tiết khuôn
3.1 Phương án thiết kế máy tạo mòn cho chi tiết khuôn
Để kiểm tra khảo sát thực nghiệm một cách hiệu quả, máy tạo mòn cho chi tiết khuôn cần được thiết kế với các yêu cầu đảm bảo tính chính xác và khả quan cho các số liệu tính toán và nghiên cứu sau này.
- Đảm bảo độ chính xác tại vị trí cần kiểm tra
- Đảm bảo máy phải hoạt động bình thường
- Máy phải gọn nhẹ, dễ tháo lắp, sửa chữa và thay thế
- Đảm bảo tính kinh tế
➢ Từ những tiêu chí trên, nhóm đã đề ra các phương án như sau:
Mô hình được lắp đặt trên một mặt bàn siêu phẳng, được hỗ trợ bởi các thanh nhôm định hình Mặt bàn có thiết kế lỗ ren để dễ dàng siết ốc từ trên xuống Đặc biệt, tấm đỡ bạc kiểm tra pin đẩy được định vị bằng hai chốt trụ ngắn và cũng được siết ốc từ trên xuống mặt bàn Để đảm bảo độ dày và độ chính xác trong gia công, các tấm đẩy được sử dụng nhằm tăng khối lượng cho mô hình.
2 thanh trượt ở đáy để dễ dàng chuyển động tịnh tiến Cơ cấu đẩy bằng xylanh và trượt trên thanh trượt giống với thực tế của khuôn ép nhựa
Hình 3-1: Mẫu thiết kế phương án 1
Hình 3-2: Mặt bích giữ ty đẩy
- Dễ chế tạo, lắp ráp
- Dễ dàng kiểm soát hành trình của pin đẩy
- Chi phí chế tạo cao
- Cần độ chính xác gia công rất cao
- Khó điểu chỉnh độ đồng tâm tại vị trí cần kiểm tra
- Khi xylanh hoạt động không đảm bảo được độ đồng tâm giữa xylanh và tấm đẩy
- Giữa 3 chi chi tiết gồm 2 tấm đẩy và mặt bích chưa đảm bảo về mặt công nghệ (khống chế bậc tự do)
- Các tấm đẩy rất dày khiến trọng lượng của mô hình tăng đáng kể
Phương án 2 cải tiến nguyên lý làm việc của phương án 1 bằng cách loại bỏ tấm giữ mặt bích ty đẩy, thay vào đó gắn trực tiếp mặt bích lên tấm đẩy Toàn bộ hệ thống được lắp đặt trực tiếp trên khung nhôm định hình, cho phép điều chỉnh vị trí xylanh dễ dàng dọc theo hành trình đẩy Tấm giữ bạc được cố định trên 2 thanh trượt, mang lại sự ổn định và hiệu quả trong quá trình vận hành.
Hình 3-3: Mẫu thiết kế phương án 2
Hình 3-4: Cải tiến sau phương án 1
- Cơ cấu đơn giản, dễ lắp ráp, chỉnh sửa
- Quá trình đẩy dễ dàng, êm, có thể tùy chỉnh vị trí xylanh
- Mô hình có tính thẩm mỹ
- Sử dụng đầu lắc nối vào xylanh có thể tránh được độ không đồng tâm giữa xylanh và tấm đẩy
- Chi phí chế tạo cao
- Vẫn chưa đảm bảo được độ đồng tâm của Pin đẩy và bạc
- Cần độ chính xác gia công cao
Sau một thời gian dài sử dụng, các thanh nhôm định hình có thể bị dịch chuyển do dao động trong quá trình hoạt động của mô hình Điều này dẫn đến các sai số không mong muốn và khó kiểm soát.
Máy sử dụng cơ cấu đẩy bằng xylanh khí nén với khớp nối là đầu lắc, thay thế cho cơ cấu sử dụng động cơ và chi tiết cam Các phần còn lại của thiết kế vẫn giữ nguyên như phương án 3.
Tấm còm được làm từ nhôm 6061 giúp giảm trọng lượng của máy, mang lại lợi thế trong việc gia công và di chuyển Mặc dù nhôm có giá cao hơn sắt thép, nhưng tính linh hoạt và hiệu quả của nhôm trong ứng dụng công nghiệp rõ ràng vượt trội hơn so với thép.
Các thành phần trong bộ khuôn thường được chế tạo từ thép và hợp kim chống mài mòn Đặc biệt, chi tiết bạc kiểm tra độ mòn hoạt động như tấm khuôn và tiếp xúc với chi tiết Pin đẩy làm từ vật liệu SKD theo tiêu chuẩn Do đó, việc sử dụng vật liệu tối thiểu là thép cho chi tiết bạc kiểm tra độ mòn là cần thiết để đảm bảo độ chính xác và khách quan trong số liệu.
Hình 3-5: Mẫu thiết kế phương án 3
Thiết kế nguyên lý làm việc giống với khuôn ép nhựa thực tế
Các chi tiết dễ chế tạo và chủ yếu có thể gia công thủ công giúp giảm đáng kể chi phí sản xuất Hơn nữa, sản phẩm có độ cứng vững cao, đồng thời dễ dàng tháo lắp để kiểm tra và thay thế.
Khắc phục được các nhược điểm của 3 phương án trên
Do sử dụng khí nén nên khi hoạt động không được êm như khi dùng động cơ
Máy được làm từ vật liệu nhôm có tuổi thọ thấp, chỉ thích hợp cho các hoạt động nghiên cứu và kiểm tra Thiết bị này không phù hợp với cường độ làm việc nặng trong thời gian dài.
3.1.4 Phương án 4 Để tối ưu mô hình, nhưng cải tiến hơn lúc này sử dụng động cơ điện thay cho việc sử dụng xylanh khí nén Việc này giúp việc đẩy chốt pin dễ dàng hơn vì cơ cấu cam lúc này biến chuyển động quay thành tịnh tiến giúp chốt pin tịnh tiến đi lên Sau đó nhờ lực lò xo ở 4 chốt dẫn hưởng trả về cứ như thế rồi lặp đi lặp lại Ở phương án 4 cả hệ được đặt trực tiếp trên khung nhôm định hình nên rất dễ dàng lắp ráp
- Cơ cấu đơn giản, dễ lắp ráp, chỉnh sửa
- Quá trình đẩy dễ dàng
- Cơ cấu cam hoạt động êm hơn sử dụng khí nén
- Không phụ thuộc vào bình khí
- Độ cứng vững của máy được đảm bảo
Để đảm bảo độ đồng tâm tại vị trí khảo sát độ mòn của Pin đẩy, cần thiết phải thiết lập mô hình tương tự nguyên lý làm việc thực tế trên khuôn ép nhựa.
- Chi tiết bạc để kiểm tra độ mòn Pin đẩy có thể dễ dàng tháo ra đo đạc mà không cần phải tháo toàn bộ khuôn
Để đảm bảo độ đồng tâm tại vị trí khảo sát độ mòn của pin đẩy, cần thiết lập mô hình tương tự như nguyên lý làm việc thực tế trong khuôn ép nhựa.
Sau một thời gian dài sử dụng, các thanh nhôm định hình có thể bị dịch chuyển do dao động trong quá trình hoạt động của mô hình Điều này dẫn đến các sai số không mong muốn và gây khó khăn trong việc kiểm soát.
- Máy bị rung, gây ra tiếng ồn vì chuyển động lò xo hồi về dẫn đến va chạm giữa các tấm đẩy trong quá trình làm việc
Hình 3-6: Mẫu thiết kế phương án 4
Lựa chọn phương án thiết kế với những chi tiết tiêu chuẩn
Phương án 4 là lựa chọn tối ưu, đáp ứng đầy đủ các yêu cầu và mục tiêu đề ra Máy đảm bảo độ đồng tâm và hoạt động theo nguyên lý tương tự như máy ép nhựa, đáp ứng các tiêu chuẩn kỹ thuật và thẩm mỹ trong quá trình vận hành Đồng thời, phương án này giúp giảm thiểu sai số trong chế tạo nhờ sử dụng các chi tiết tiêu chuẩn.
Ty đẩy, hay còn gọi là Pin đẩy, là bộ phận thiết yếu trong máy tạo mòn Vai trò của Pin đẩy là đẩy sản phẩm nhựa ra khỏi khuôn sau khi quá trình ép hoàn tất.
Chi tiết Pin EPN10-100 được chế tạo từ vật liệu SKD61 và xử lý bề mặt bằng Nitrided, đảm bảo tiêu chuẩn chất lượng cao Với hành trình hoạt động của pin là 10mm, chi tiết sẽ được cắt ngắn mà không ảnh hưởng đến tính chất bề mặt cần khảo sát, nhằm đạt được kết quả chính xác nhất Để giảm thiểu sai số trong quá trình gia công, nhóm đã áp dụng phương pháp cắt dây hiệu quả.
Hình 3-8: Thông số kỹ thuật và kích thước pin đẩy tiêu chuẩn
Hình 3-9: Vị trí pin đẩy
Hình 3-10: Phương pháp cắt dây
Chốt dẫn hướng và bạc dẫn hướng là hai bộ phận quan trọng đi cùng nhau, được làm từ vật liệu SUJ2 với độ cứng 58HRC, giúp giảm mài mòn và tăng tuổi thọ Trong quá trình hoạt động, chốt dẫn hướng trượt trên mặt trong của bạc dẫn hướng, vì vậy cả hai cần phải được chế tạo từ cùng một loại vật liệu để đảm bảo mòn đều và duy trì độ chính xác của máy Khi phát hiện độ mòn vượt mức cho phép, cần thay thế đồng bộ cả chốt và bạc dẫn hướng để đảm bảo hiệu suất hoạt động.
Trong một bộ khuôn, chi tiết này được gọi là chốt hồi theo tài liệu [2] trang 80, nhưng thực tế trên thị trường, nó thường được biết đến với tên gọi chốt dẫn hướng.
Hình 3-11: Thông số kỹ thuật chốt dẫn hướng
Hình 3-12:Vị trí lắp chốt dẫn hướng
THIẾT KẾ MÁY
Thiết kế kỹ thuật cơ khí
4.1.1 Thiết kế khung Để đảm bảo tính kinh tế nhưng vẫn đảm bảo yêu cầu kỹ thuật Nhóm đã sử dụng nhôm định hình 30x30mm để làm khung của máy với kích thước chung của khung là 804x375x325 mm
Hình 4-1: Nhôm định hình 30x30 mm
Hình 4-2: Bản vẽ khung máy
Khung máy được thiết kế với nhôm định hình dễ lắp ráp, không cần dung sai cụ thể, chỉ yêu cầu kích thước chiều dài tương đối của từng cụm chi tiết Sau khi lắp xong, vị trí lỗ siết ốc sẽ được xác định và khoan rộng hơn kích thước ốc từ 1 đến 3mm để tránh tình trạng lệch lỗ khoan Với thiết kế này, nhóm đã đạt được các mục tiêu đề ra.
- Đảm bảo tính thẩm mỹ
- Nhỏ gọn, trọng lượng nhẹ thuận tiện di chuyển
- Giá thành rẻ nhưng vẫn đáp ứng đủ chất lượng về độ cứng vững và độ bền
Sử dụng vật liệu là nhôm định hình 30x30 mm vừa tiết kiệm chi phí vừa giảm trọng lượng của mô hình
Hình 4-3: Lắp khung máy hoàn thiện 4.1.2 Tấm kẹp
Tấm kẹp giữ phần cố định của khuôn để gắn vào khung và thường được sử dụng để kẹp lên máy ép phun Tuy nhiên, trong mô hình tạo mòn cho chi tiết khuôn, tấm kẹp được gắn trực tiếp vào khung thông qua các lỗ bulong có sẵn Mục tiêu chính của sự thay đổi này là tối ưu hóa các chi tiết nhằm tiết kiệm năng lượng cho quá trình mòn Có ba nguyên nhân chính dẫn đến sự thay đổi này.
Thiết kế vật liệu cho các tấm kết nối sau tấm kẹp thường sử dụng thép và có ít chi tiết hơn so với khuôn thực tế, do đó lực kẹp giữa tấm kẹp và khung không cần phải quá lớn.
Khi sử dụng chi tiết kẹp khuôn chuyên dụng, cần có không gian để chứa chúng, điều này làm tăng trọng lượng của mô hình Thay vào đó, tấm kẹp chỉ cần thiết kế lỗ bắt để siết ốc, giúp giảm trọng lượng tấm và mang lại vẻ gọn gàng cho mô hình.
Mô hình tạo mẫu cho chi tiết khuôn được thiết kế với tiêu chí tiết kiệm và nhỏ gọn, ưu tiên tính kinh tế và kích thước tối thiểu Để đạt được điều này, cần điều chỉnh cơ cấu kẹp bằng cách sử dụng siết ốc cố định với khung, từ đó tạo ra phương pháp kẹp tối ưu hơn và dễ dàng tháo lắp.
Việc thay đổi phương pháp cố định tấm kẹp vào khung thông qua các lỗ đã được thiết kế sẵn mang lại nhiều lợi ích, bao gồm giảm trọng lượng, tiết kiệm không gian và tính kinh tế.
Sử dụng ốc lục giác để siết thay cho kẹp khuôn mang lại tính ổn định cao hơn, đặc biệt khi được làm từ vật liệu thép so với việc gia công bằng nhôm.
Hình 4-5: Bản vẽ tấm kẹp
Tấm kẹp không yêu cầu dung sai quá nhỏ và chính xác trong quá trình chế tạo, do vị trí và chức năng của nó Chi tiết này có thể được gia công bằng máy phay thủ công, vì độ chính xác của máy gia công truyền thống vẫn đáp ứng đủ yêu cầu dung sai trên bản vẽ Việc sử dụng máy phay thủ công giúp giảm chi phí chế tạo đáng kể so với việc sử dụng máy CNC, từ đó tránh lãng phí không cần thiết.
Hình 4-6: Lắp tấm kẹp vào khung bằng ốc lục giác M6x1.0x45 4.1.3 Khối đỡ
Khối đỡ có vai trò quan trọng trong việc tạo ra khoảng không gian trống cho bộ đẩy sản phẩm, đồng thời giữ và ổn định khuôn ép trong suốt quá trình hoạt động.
Hình 4-7: Vị trí lắp khối đỡ
Dựa vào bảng tra dung sai từ phụ lục 1 và phụ lục 2, cần xác định khoảng dung sai phù hợp dựa trên mục đích sử dụng và lắp ráp Việc chọn phương pháp gia công thích hợp, như sử dụng máy phay truyền thống thay vì máy gia công CNC, sẽ giúp tối ưu hóa hiệu quả và tránh lãng phí.
Hình 4-8: Bản vẽ khối đỡ
Hình 4-9: Lắp khối đỡ lên tấm kẹp
Hình 4-10: Hình ảnh khối đỡ của khuôn 4.1.4 Tấm giữ bạc (tấm đỡ)
Hình 4-11: Vị trí lắp bạc dẫn hướng
Tấm giữ bạc có tác dụng giữ và cố định các bạc khuôn này vào khuôn ép, đảm bảo chính xác và đúng vị trí của chúng
Tấm giữ bạc có thể được thiết kế với các tính năng bổ sung như tiết kiệm không gian và dễ dàng thay thế, điều này giúp tăng tính linh hoạt và hiệu quả trong quy trình sản xuất nhựa.
Khi kiểm tra tình trạng mòn của bạc lắp trên tấm giữ bạc, ưu tiên nên được đặt vào mối ghép trung gian vì dễ tháo lắp, thuận tiện cho việc kiểm nghiệm pin đẩy mòn Điều này quan trọng hơn so với việc sử dụng mối ghép chặt thường thấy trong khuôn Do đây là mô hình thử nghiệm, nên không thể hoàn toàn giống với khuôn thực tế trong quá trình phun ép.
Tấm giữ bạc trong khuôn ép nhựa đóng vai trò thiết yếu trong việc giữ và cố định các bạc khuôn, đảm bảo tính chính xác và ổn định trong suốt quá trình hoạt động.
Hình 4-12: Bản vẽ tấm giữ bạc
Hình 4-13: Hình ảnh tấm giữ bạc 4.1.5 Tấm đẩy
Hình 4-14: Vị trí lắp tấm đẩy, tấm giữ và tấm chặn bạc
Tấm đẩy là thành phần quan trọng trong khuôn, dùng để kẹp phần di động và thực hiện chuyển động tịnh tiến Nó có nhiệm vụ đẩy sản phẩm, kết hợp với tấm giữ để kẹp pin đẩy và chốt dẫn hướng, tạo thành bộ phận chuyển động hiệu quả trong mô hình.
Tính toán thiết kế
❖ Dung sai giữa tấm giữ bạc và bạc ty đẩy: 𝐷1 = ∅14 0 +0,015 và 𝑑1 = ∅14 +0.001 +0.012
Hình 4-32: Công thức tính dung sai lắp ghép có độ hở
Lắp ghép giữa tấm giữ bạc và bạc là loại lắp ghép trung gian phổ biến, sử dụng hệ thống lỗ H7/k6 Kích thước cụ thể là ∅14𝐻7 (0 +0,018) và ∅14𝑘6 (+0,001 +0,012) Sau khi thực hiện tính toán, các thông số dung sai đã được xác định.
Hình 4-33: Công thức tính dung sai lắp ghép trung gian
Min 14 14,001 Độ hở Max 0,017 Độ dôi Max 0,012
Bạc là một chi tiết thường xuyên được tháo lắp, do đó yêu cầu độ chính xác cao, với độ lệch không vượt quá 0,1mm Vì vậy, kiểu lắp trung gian với khoảng hở đã được tính toán là lựa chọn phù hợp.
❖ Dung sai giữa bạc dẫn hướng và chốt dẫn hướng: 𝐷 = ∅10 −0.005 0 và 𝑑 = ∅10 −0,015 −0,01
Lắp ghép bạc dẫn hướng và chốt dẫn hướng tuân theo tiêu chuẩn của nhà sản xuất, thuộc kiểu lắp có độ hở cho phép hai chi tiết chuyển động tịnh tiến Độ hở được xác định theo công thức trong bảng dưới đây.
Lắp có độ hở (mm) D d
Min 9,995 9,985 Độ hở Max 0,015 Độ hở Min 0,005 Độ hở trung bình 0,01
❖ Dung sai giữa tấm giữ bạc và bạc dẫn hướng: 𝐷 = ∅14 0 +0,011 và 𝑑 = ∅14 +0,007 +0,015
Chi tiết bạc dẫn hướng là một thành phần cố định với tấm giữ bạc, yêu cầu kiểu lắp ghép có độ dôi hoặc lắp trung gian ∅14𝐻6(0 +0,011) và ∅14𝑚5(+0,007 +0,015) Theo tài liệu [1] trang 43, kiểu lắp ghép H6/m5 thuộc loại lắp ghép trung gian (hệ thống lỗ) với độ chính xác cao và xác suất xuất hiện độ dôi trên 80% Dựa vào công thức tính dung sai lắp ghép trung gian, ta có bảng thông số dung sai tương ứng.
Min 14.00 14,012 Độ hở Max -0,001 Độ dôi Max 0,015
Sau khi tính toán, thông số độ hở tối đa được xác định là -0,001, cho thấy mối lắp này không có độ hở mà chỉ có độ dôi Do đó, cần phải tính lại theo công thức lắp ghép có độ dôi để đảm bảo tính chính xác và hiệu quả trong quá trình lắp ráp.
Hình 4-34: Công thức tính dung sai lắp ghép có độ dôi
Lắp có độ dôi (mm) D d
Min 14.00 14,007 Độ dôi Max 0,015 Độ dôi Min -0,015 Độ dôi trung bình 0 Dung sai độ dôi 0,003
Khi lắp đặt pin đẩy và chốt dẫn hướng vào tấm giữ, cần đảm bảo tấm giữ song song với tấm giữ bạc đã có bạc dẫn hướng và bạc lắp sẵn Tiếp theo, hãy đảm bảo rằng các pin đẩy và chốt dẫn hướng khớp với các lỗ tương ứng trên tấm giữ bạc, sau đó gõ nhẹ để chúng vào hoàn toàn Cuối cùng, siết chặt tấm đẩy với tấm giữ, đồng thời lưu ý không để chốt dẫn hướng và pin đẩy rơi ra ngoài để đảm bảo độ đồng tâm.
❖ Dung sai giữa tấm giữ và ty đẩy: 𝐷 1 = ∅10 0 +0,015 và 𝑑 1 = ∅10 −0,02 −0,01 ;
Để đảm bảo quá trình lắp ráp dễ dàng và đạt độ chính xác cao, cần sử dụng kiểu lắp ghép có độ hở với kích thước ∅10H7 (0 +0,015) và ∅10 −0,02 −0,01, tương đương với ∅10f6 (−0,022 −0,013) Kiểu lắp H7/f6 thuộc loại lắp có độ hở, giúp cải thiện hiệu suất lắp ráp.
Lỗ D2 có miền dung sai ∅15𝐽𝑠9(±0,021) và ∅15 −0,3 0 ≈ ∅15ℎ14( −0,43 0 ), thuộc kiểu lắp trung gian Js9/h14, cho phép độ hở ít mà không yêu cầu độ chính xác quá cao Công thức tính cho lắp ghép có độ hở và lắp trung gian đã được áp dụng để thu được các số liệu cần thiết.
Lắp có độ hở (mm) D1 d1 Lắp trung gian (mm) D2 d2
Min 10 9,956 Min 14,97 14.7 Độ hở Max 0,059 Độ hở Max 0,321 Độ hở Min 0,036 Độ dôi Max 0,021 Độ hở trung bình 0,0475 Dung sai lắp ghép 0,342
❖ Dung sai giữa tấm giữ và chốt dẫn hướng: 𝐷 1 = ∅10 0 +0,009 và 𝑑 1 = ∅10 +0,006 +0,012 ;
Với ∅10𝐻6( 0 +0,009 ) và ∅10𝑚5( +0,006 +0,012 ) kiểu lắp H6/m5 thuộc mối lắp trung gian với xác suất xuất hiện độ dôi là 80% thường dùng cho các loại mối ghép cố định ∅13𝐻8( 0 +0,027 ) và
Kiểu lắp H8/d8 với độ hở lớn, được ký hiệu là ∅13𝑑8( −0,077 −0,05 ), giúp bù trừ cho sai lệch vị trí và dễ dàng tháo lắp Công thức tính cho lắp ghép có độ hở và lắp trung gian rất quan trọng trong quá trình thiết kế.
Lắp trung gian (mm) D1 d1 Lắp có độ hở (mm) D2 d2
Min 10 10,006 Min 13 12,923 Độ hở Max 0,003 Độ hở Max 0,104 Độ dôi Max 0,012 Độ hở Min 0,05
Dung sai lắp ghép 0,015 Độ hở trung bình 0,077
Phần điện
Các lỗ lắp ốc lục giác có sai số nhỏ từ 1/10-1/100, với miền dung sai vị trí không vượt quá 1mm và các lỗ được gia công lớn hơn 1mm Ví dụ, lỗ lắp ốc M6 trên khung có kích thước gia công là ∅7 Đối với các chi tiết có lỗ lắp ghép ốc lục giác, đường kính lỗ được làm rộng hơn đường kính đỉnh ren từ 1-1,2mm, đảm bảo rằng đường kính lỗ không lớn hơn đường kính đầu ốc lục giác.
4.3.1 Các thiết bị điều khiển
Bảng 4-4: Các thiết bị điện
STT Tên thiết bị Hình ảnh Ký hiệu SL
10 Cảm biến tiệm cận NPN 1
- Bật CB để cấp nguồn cho hệ thống (đén báo pha L sáng để báo hiệu)
- Mở nút EMG để bắt đầu làm việc
- Ấn nút Start nguồn điện được cấp vào Contactor:
+ Tiếp điểm phụ thưởng mở dóng lại để duy trì dòng điện
+ Các tiếp điểm chính đóng lại để nguồn 220V đi đến nguồn xung để chuyển thành dòng diện một chiều 12V
- Nguồn 12V sẽ cung cấp cho các thiết bị (Relay, PWM,…) hoạt động
- Sau khi được cấp nguồn qua thiết bị PWM, động cơ bắt động hoạt động (điều khiển tốc độ có thể tùy chỉnh trên thiết bị Controller)
Khi động cơ quay một vòng, đầu cảm biến nhận tín hiệu từ trục cam và gửi đến Relay trung gian Khi cuộn coil của Relay được cấp điện, tiếp điểm KF1 sẽ đóng lại, tạo mạch kín cho bộ đếm, giúp bộ đếm tăng lên một đơn vị trên mặt đồng hồ hiển thị.
- Khi tạm dừng, ấn nút Stop, K1 mất điện làm các tiếp điểm mở ra nguồn điện dừng cung cấp cho các thiết bị
- Khi không làm việc, gạc CB xuống và nguồn điện tổng sẽ bị ngắt
Hình 4-35: Sơ đồ mạch điện
Hình 4-36: Lắp hoàn chỉnh hệ thống điện
KẾT QUẢ, NHẬN XÉT VÀ ĐÁNH GIÁ
Đo kết quả
Tiến hành chạy thử nghiệm máy để đo sự thay đổi đường kính của các pin đẩy sau 40,000 chu kỳ Các mốc khảo sát bao gồm số liệu trước khi thực hiện thí nghiệm, số vòng kiểm tra và kết quả thực nghiệm Cuối cùng, tiến hành kiểm tra và đánh giá kết quả thu được.
Hình 5-7: Hình ảnh nghiệm thu
Hình 5-9: Pin đẩy bị mòn
Các thông số
Bảng 5-1: Thông số thực nghiệm
Nhôm(mm) Thép C45(mm) SKD61(mm)
Hình 5-10: Biểu đồ thể hiện sự thay đổi đường kính của các pin đẩy với 40000 chu kỳ
Nhận xét và đánh giá
Sau khi thử nghiệm thu được kết quả ở trên biểu đồ, có thể thấy rằng:
❖ Khi sử dụng Nhôm làm pin đẩy để kiểm nghiệm :
Nhôm có đặc tính cơ lí nhẹ, dẻo và dễ uốn cong, dẫn đến khả năng bị biến dạng Qua quá trình đẩy pin, đường kính của pin giảm cho thấy rằng vật liệu nhôm không ổn định và mau mài mòn.
❖ So sánh giữa thép C45 và SKD61:
Thép C45 và SKD61 là hai loại vật liệu khác nhau với các tính chất và ứng dụng riêng biệt Trong bài viết này, chúng ta sẽ so sánh đặc điểm và ứng dụng của hai loại thép này để hiểu rõ hơn về sự khác biệt giữa chúng.
Thép C45 là loại thép có chứa khoảng 0,45% carbon, một yếu tố quyết định tính chất của thép Bên cạnh đó, thép C45 cũng bao gồm các nguyên tố khác như silic, mangan và lưu huỳnh, góp phần tạo nên đặc tính của vật liệu này.
SKD61 là loại thép hợp kim đặc biệt, bao gồm các thành phần như carbon (C), silic (Si), mangan (Mn), crom (Cr) và vanadi (V) Thành phần hợp kim của SKD61 được thiết kế và điều chỉnh nhằm mang lại những tính chất ưu việt cho các ứng dụng ở nhiệt độ cao.
• Độ cứng và độ bền:
Thép C45 là loại thép có độ cứng cao và độ bền tốt, thường được sử dụng trong các ứng dụng cần tính chất cơ học vừa phải và độ bền đáng tin cậy, chẳng hạn như các bộ phận máy móc.
SKD61 là một loại thép hợp kim nổi bật với độ cứng cao, khả năng chịu nhiệt tốt và chống mài mòn hiệu quả Loại thép này thường được ứng dụng trong các lĩnh vực nóng như khuôn ép nhựa, khuôn dập và khuôn ép kim loại.
- Thép C45: Thép C45 có ổn định nhiệt tốt, nhưng không tốt như SKD61 trong các ứng dụng nhiệt độ cao
SKD61 là loại thép được thiết kế đặc biệt để chịu nhiệt hiệu quả, giữ được độ cứng và độ bền ổn định ngay cả ở nhiệt độ cao Nhờ vào những đặc tính này, SKD61 trở thành lựa chọn lý tưởng cho các quy trình sản xuất nóng, đặc biệt là trong ngành khuôn ép nhựa.
Thép C45 và SKD61 có tính chất và ứng dụng riêng biệt; Thép C45 phù hợp cho các ứng dụng máy móc và độ bền cơ học, trong khi SKD61 thường được sử dụng trong các ứng dụng nhiệt độ cao như khuôn ép nhựa Việc lựa chọn giữa hai loại thép này phụ thuộc vào yêu cầu cụ thể của ứng dụng và điều kiện làm việc.
Kết quả thử nghiệm về sự mài mòn cho thấy SKD61 nổi bật với tính chất tốt, đáp ứng yêu cầu cao trong thiết kế và sản xuất khuôn phun ép Với khả năng chống oxi hóa và độ bền vượt trội, SKD61 là lựa chọn phù hợp với giá cả hợp lý và dễ gia công.