nghiên cứu đặc điểm độ bền mỏi xoắn của chi tiết nhựa

Đề tài “Enhancing the Fatigue Property of Nylon 6 by Using Glass-fiber Reinforcement and Injection Molding” Nghiên cứu độ bền mỏi của vật liệu comosite với các thông số phun khác nhau nă

Tổng quan hướng nghiên cứu

1.1.1 Các đề tài nghiên cứu trong nước Đối với các đề tài nghiên cứu trong nước, cơ tính của vật liệu nhựa được xem xét từ khá nhiều khí cạnh như bền kéo, bền uốn, Trong đó có một số nghiên cứu nổi bật sau:

[1] Trần Văn Chứ, Quách Văn Thiêm (2013) Nghiên cứu ảnh hưởng thông số ép tới độ bền kéo và độ bền uốn của vật liệu phức hợp gỗ nhựa Tạp chí khoa học và công nghệ lâm nghiệp, số 4 tr.52-59

• Theo tác giả Trần Văn Chứ, Quách Văn Thiêm: Khi nhiệt độ đầu vòi phun quá cao hoặc quá thấp thì độ bền kéo và bền uốn đều không tốt Khi áp suất ép và thời gian ép tăng thì độ bền kéo và độ bền uốn tăng và ngược lại, giai đoạn đầu tăng nhanh và giai đoạn sau tăng chậm được thể hiện ở hình 1.1

• Tác giả đã chỉ ra rằng với nhiệt độ ép 𝑇𝑇1 = 180°𝐶𝐶, áp suất ép 𝑃𝑃1 = 9.3 𝑀𝑀𝑃𝑃𝑀𝑀, thời gian ép 𝑇𝑇𝑔𝑔 = 33𝑠𝑠 thì đạt độ bền kéo là 33.66 MPa, độ bền uốn là 84.71 Mpa

Hình 1 1: Mối quan hệ giữa nhiệt độ nhựa, thời gian phun và áp suất phun đến độ bền kéo (a), (b), độ bền uốn (c), (d)

[2] Đề tài “Nghiên cứu ảnh hưởng của thông số ép phun tới độ bền uốn của vật liệu nhựa PA66” năm 2016 – ĐH Sư Phạm Kỹ Thuật TPHCM

• Đề tài được thực hiện bởi Vũ Viết Chuyên – trường ĐH Sư Phạm Kỹ Thuật TPHCM Nghiên cứu chỉ ra rằng nhiệt độ nhựa làm cho độ bền uốn giảm, áp suất phun làm cho độ bền uốn tăng Những ảnh hưởng của nhiệt độ đến độ bền uốn cao hơn áp suất phun thể hiện ở hình 1.2

Hình 1.2: Sự ảnh hưởng của nhiệt độ nhựa và áp suất phun đến độ bền uốn

[3] Đề tài “Nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số phun ép đến độ bền kéo của sản phẩm composite sợi thủy tinh nền polyme” năm 2016 – ĐH Sư Phạm Kỹ Thuật TPHCM

• Tác giả Lê Tiến Thành – trường ĐH Sư Phạm Kỹ Thuật TPHCM đã nghiên cứu độ bền kéo của sản phẩm PA6 + 30% Glass Fiber khi thay đổi 3 thông số ép đó là nhiệt độ khuôn, nhiệt độ nhựa và áp suất phun

• Kết quả nghiên cứu: Nhiệt độ khuôn tăng từ 40 0 C đến 70 0 C độ bền kéo được cải thiện rõ rệt Nhiệt độ nhựa càng tăng thì độ bền kéo càng tăng, tới lúc nhiệt độ nhựa đạt 270 0 C thì độ bền kéo giảm xuống đạt giá trị 370.36 MPa Áp suất phun càng tăng thì độ bền kéo càng tăng đạt giá trị lớn nhất 443.21 MPa

[4] Đề tài “A study on the welding line strength of injection molding product with various venting systems” (Nghiên cứu về độ bền đường hàn của sản phẩm ép phun với các hệ thống thông hơi khác nhau) năm 2017

• Đề tài được thực hiện bởi Phạm Sơn Minh, Đỗ Thành Trung và Trần Minh Thế Uyên – trường ĐH Sư Phạm Kỹ Thuật TPHCM Nhóm tác giả đã nghiên cứu sự ảnh hưởng của hệ thống thông hơi đến độ bền đường hàn trên các mẫu thử kéo theo tiêu chuẩn ISO 527

• Kết quả nghiên cứu là: Nếu không có hệ thống thông hơi, khi áp suất phun tăng từ 0,9 MPa lên 1,1 MPa, độ bền đường hàn tăng với cả hai vật liệu PA66 và PA66 + 30% GF Tuy nhiên, khi áp suất phun cao hơn 1,1 MPa, độ bền đường hàn giảm khoảng 6% cho cả hai vật liệu Khi hệ thống thông hơi được sử dụng, hiện tượng giảm độ bền đường hàn khi tăng áp suất phun đã được loại bỏ Kích thước hệ thống thông hơi 0.10 mm là tốt nhất trong nghiên cứu này được thể hiện ở hình 1.3 a b

Hình 1.3: Ảnh hưởng của áp suất phun độ bền đường hàn dưới các kích thước hệ thống thông hơi khác nhau với vật liệu PA66 (a) Pa66 +30% GF (b)

[5] Đề tài “Enhancing the Fatigue Property of Nylon 6 by Using Glass-fiber

Reinforcement and Injection Molding” (Nghiên cứu độ bền mỏi của vật liệu comosite với các thông số phun khác nhau) năm 2019

• Đề tài được thực hiện bởi nhóm tác giả Huỳnh Đỗ Song Toàn, Lê Hiếu Giang và các công sự - Trường ĐH Sư Phạm Kỹ Thuật TPHCM Nhóm tác giả đã nghiên cứu độ bền mỏi uốn của nhựa PA6 gia cố sợ thủy tinh với các biến độc lập: Thành phần sợi thủy tinh, nhiệt độ nhựa, áp suất giữ khuôn, thời gian giữ khuôn, áp suất phun và thời gian phun Tuy nhiên, đối với 250 ° C,

• Kết quả nghiên cứu: Thông qua phân tích phương sai (ANOVA) tác giả cho rằng tỷ lệ sợi thủy tinh cùng nhiệt độ nóng chảy là hai yếu tố làm dịch chuyển mỏi Càng nhiều phần trăm sợi thủy tinh trong PA6 thì độ dịch chuyển của mẫu thử càng nhỏ Khi phân tích ANOVA một chiều để tìm mối liên hệ giữa các thành phần chất độn sợi thủy tinh và các thông số phun nhận thấy rằng

Hình 1.4: Mối quan hệ giữ lực mỏi và nhiệt độ nóng chảy 1.1.2 Các đề tài nghiên cứu ngoài nước

- Độ bền mỏi là một khía cạnh được các tác giả nước ngoài quan tâm và nghiên cứu Sau đây là một số bài nghiên cứu về độ bền mỏi của vật liệu nhựa

[6] Đề tài “Temperature Increase of Sheet Molding Compound (SMC-R65) in

Flexural Fatigue Test” (Tăng nhiệt độ của hợp chất đúc tấm (SMC-R65) trong thử nghiệm độ mỏi uốn) – năm 1983

Hình 1.5 Mối quan hệ giữa nhiệt độ và tần số góc

• Tác giả S V HOA and Q B NGUYEN đã nghiên cứu sự gia tăng nhiệt độ trong thử nghiệm mỏi uốn của hợp chất đúc tấm SMC-R65 trong phạm vi tần số thử nghiệm từ 1000 cpm đến 2200 cpm Sự thay đổi tần số thử nghiệm ảnh hưởng đến sự tăng nhiệt độ (Hình 2.5) Dựa trên việc giảm 10% độ cứng uốn (Hình 1.6) cho thấy không có sự ảnh hưởng của tần số đối với tuổi thọ mỏi

Hình 1.6: Số chu kỳ dựa vào giảm 10% độ cứng uốn

[7] Đề tài “Flexural Fatigue of Short Glass Fiber Reinforced a Blend of

Polyphenylene Ether Ketone and Polyphenylene Sulfide” (Độ mỏi uốn của sợi thủy tinh tăng cường Polyphenylene Ether Ketone và Polyphenylene Sulfide) - năm 1994

• Tác giả Jiang Zhou và các đồng nghiệp đã thử nghiệm mỏi uốn 4 điểm đối với vật liệu sợi thủy tinh gia cố hỗn hợp polyphenylene ether ketone và polyphenylene sulfide với các tỷ lệ ứng suất khác nhau và tần số khác nhau Kết quả cho thấy có sự thay đổi độ dốc của biểu đồ mỏi S – N Tần số tải từ 0,89 – 7,0Hz không ảnh hưởng đáng kể đến số chu kỳ mỏi

[8] Đề tài “The Effect of Temperature on Fatigue Strength and Cumulative Fatigue

Damage of FRP Composites” (Ảnh hưởng của nhiệt độ đến độ bền mỏi và thiệt hại mỏi tích lũy của vật liệu tổng hợp FRP) – năm 2010

Tính cấp thiết của đề tài

- Qua việc quan sát hằng ngày, chúng ta có thể nhận thấy rằng từ những vật dụng cơ bản như thước, bút cho học sinh đến các đồ chơi dành cho trẻ em và các sản phẩm phức tạp như bàn, ghế, vỏ tivi, đồng hồ đều được tạo ra thông qua công nghệ phun ép nhựa Điều này cho thấy rằng sản phẩm nhựa, phần lớn được sản xuất bằng phương pháp phun ép, đã trở thành một phần không thể thiếu trong đời sống hằng ngày.

- Với sự tăng cường nhu cầu sử dụng sản phẩm phun ép trên thị trường, các tiêu chí liên quan đến mẫu mã, màu sắc, kiểu dáng và đặc biệt là chất lượng sản phẩm đều cần phải được nâng cao Trong số các tiêu chí này, chất lượng sản phẩm đặc biệt quan trọng, được thể hiện qua nhiều yếu tố như độ bền, khả năng chịu nhiệt và độ cứng Tuy nhiên, trong số các yếu tố này, độ bền mỏi được coi là một yếu tố quan trọng nhất

- Trong lĩnh vực công nghệ phun ép, các thông số phun ép đóng vai trò quan trọng đối với chất lượng của sản phẩm Tuy nhiên, trong thực tế, các thông số phun ép thường được áp dụng dựa trên kinh nghiệm mà không đánh giá được độ bền mỏi của vật liệu Để hiểu rõ hơn về tác động của các thông số phun ép đối với độ bền mỏi của vật liệu và tăng cường hiệu suất trong quá trình phun ép, việc tiến hành nghiên cứu cụ thể về ảnh hưởng của các thông số phun ép là cần thiết.

Ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn

- Từ kết quả thí nghiệm, biểu đồ thực nghiệm có thể giúp đánh giá được sự ảnh hưởng của độ bền mỏi và các thông số ép phun đến chất lượng sản phẩm trong ngành phun ép nhựa

- Từ biểu đồ giúp chúng ta ép ra những sản phẩm có độ bền mỏi xoắn mong muốn.

Mục đích nghiên cứu, đối tượng nghiên cứu

- Chúng ta đánh giá ảnh hưởng của độ bền mỏi xoắn và các thông số ép đến độ bền mỏi của vật liệu nhựa bằng cách thực hiện các thí nghiệm cụ thể và phân tích kết quả thu được Sau đó, chúng ta có thể tạo ra biểu đồ thực nghiệm để minh họa giữa các yếu tố này Bằng cách này, chúng ta có thể nhận diện được mức độ ảnh hưởng của mỗi thông số ép và độ bền mỏi xoắn đối với chất lượng cuối cùng của sản phẩm

- Các thông số phun ép: Nhiệt độ nhựa, áp suất duy trì, thời gian duy trì áp

- Độ bền mỏi của chi tiết nhựa

Nhiệm vụ nghiên cứu và giới hạn đề tài

- Nghiên cứu về tiêu chuẩn thí nghiệm đo độ bền mỏi

- Ép sản phẩm trên máy ép nhựa ngang Haitian MA1200 III

- Thí nghiệm, xử lý số liệu và vẽ biểu đồ biểu hiện độ bền mỏi

1.5.2 Giới hạn đề tài Đề tài nghiên cứu sẽ tập trung vào việc giải quyết các vấn đề sau:

- Thí nghiệm trên vật liệu nhựa ABS, PP, PA6 (0%  30%)

- Thay đổi các thông số phun ép: nhiệt độ nhựa, áp suất duy trì và thời gian duy trì áp

- Sử dụng phương pháp phun ép nhựa để tạo ra sản phẩm

- Thiết kế đồ gá phục vụ cho việc đo độ bền mỏi của chi tiết nhựa

- Xử lý số liệu thu được và vẽ biểu đồ dựa trên kết quả xử lý số liệu

1.5.3 Phương pháp nghiên cứu Đề tài sử dụng các phương pháp nghiên cứu sau:

Các phương pháp nghiên cứu lý thuyết:

- Phương pháp phân tích và tổng hợp lý thuyết bắt đầu bằng việc thu thập các thông tin liên quan đến đề tài, sau đó tổ chức và tổng hợp chúng theo từng phần cụ thể

- Các phương pháp nghiên cứu thực tiễn:

- Phương pháp giả thuyết khoa học: Sự biến đổi trong thông số phun ép có thể ảnh hưởng đến độ bền mỏi của sản phẩm phun ép nhựa

- Phương pháp thực nghiệm khoa học: Thực hiện các thí nghiệm thực nghiệm để đánh giá tác động của các yếu tố đối với độ bền mỏi của vật liệu nhựa.

Vật liệu nhựa ABS

- Nhựa ABS là một loại nhựa tổng hợp đa cấu trúc, với tên gốc viết tắt của các chất chiếm thành phần chính: Acrylonitrile (A), Butadiene (B), và Styrene (S) Cấu trúc của nhựa ABS bao gồm các phân tử polymer có chứa các đơn vị monomer từ ba thành phần chính [14]:

- Acrylonitrile (A): Đóng góp tính chất cứng và chịu nhiệt cho nhựa ABS Phần này giúp tăng cường độ cứng và độ bền cơ học của vật liệu

- Butadiene (B): Đây là thành phần mang tính đàn hồi cao, cung cấp tính linh hoạt và khả năng chống va đập cho nhựa ABS

- Styrene (S): Styrene giúp cải thiện độ bóng và khả năng gia công của nhựa, đồng thời cũng ảnh hưởng đến độ dẻo dai và khả năng chịu nhiệt

- Kết hợp ba thành phần này tạo nên một cấu trúc polymer phức tạp, cho phép nhựa ABS có những tính chất ưu việt như độ cứng, độ bền, độ co dãn, khả năng chịu va đập và chịu nhiệt tốt Do tính chất linh hoạt của nó, nhựa ABS thường được sử dụng trong nhiều ứng dụng khác nhau từ đồ gia dụng đến sản phẩm công nghiệp và công nghệ.

Hình 2.1: Cấu trúc phân tử nhựa ABS

Thường sử dụng phương pháp phun ép nhựa để gia công vì độ co ngót thấp nên sản phẩm rất chính xác Nhựa ABS có thể làm dạng tấm, profile đùn và màng

Hình 2.2: Nguyên lý ép phun [37]

Nhựa ABS được biết đến với tính chất rất cứng và chắc chắn, nhưng không dễ vỡ, tạo ra một sự cân bằng tốt giữa độ bền kéo, độ chịu va đập, độ cứng bề mặt, độ rắn và khả năng chịu nhiệt ở nhiệt độ thấp Ngoài ra, nó cũng có các đặc tính tốt liên quan đến điện, và điều này làm cho nó trở thành một lựa chọn phổ biến trong các ứng dụng điện tử Mặc dù có những tính chất ưu việt này, nhưng giá cả của nhựa ABS lại tương đối phải chăng.Thể hiện hình ảnh hạt nhựa ABS thông thường

- Đặc tính đặc trưng của nhựa ABS bao gồm khả năng chống va đập và độ dẻo dai Có nhiều biến thể nhựa ABS khác nhau được tinh chỉnh để nâng cao khả năng chống va đập, độ dẻo dai và khả năng chịu nhiệt Khả năng chống va đập không giảm đáng kể ở nhiệt độ thấp Nhựa ABS thể hiện khả năng ổn định tốt dưới tải trọng, và khả năng chịu nhiệt của nó tương đương hoặc vượt trội so với các loại nhựa như Acetal, PC ở điều kiện nhiệt độ phòng Khi không chịu va đập, hư hại thường xảy ra do biến dạng hơn là gãy vỡ Tính chất vật lý của nhựa ABS ít ảnh hưởng đến độ ẩm, thay vào đó, chúng ảnh hưởng đến sự ổn định kích thước của vật liệu

2.1.4 Thế mạnh của nhựa ABS

- Nhựa ABS thừa hưởng những ưu điểm của cả vật liệu nhựa thông thường và kim loại, bao gồm tính cứng, độ bền với nhiệt độ và hóa chất Bên cạnh đó, nhựa ABS còn có nhiều ưu điểm hơn khi chất lượng gia công không kém phần so với các vật liệu kim loại như sắt thép

- Nhựa ABS có độ bền màu và khá kháng với hầu hết các chất ăn mòn và không dễ bị oxy hóa, do đó, vật liệu composite này được sử dụng rộng rãi trong các ngành công nghiệp hóa chất để làm thùng - bồn đựng hóa chất, thùng rác, hoặc lớp phủ bề mặt bể chống ăn mòn

- Nhờ khả năng gia công, tạo hình và màu sắc linh hoạt, nhựa ABS được sử dụng rộng rãi trong việc sản xuất các đồ gia dụng và vật liệu xây dựng như ống nước, mái che

- Bên cạnh đó, nhờ tính linh hoạt và chất lượng không thua kém so với kim loại, nhựa composite còn nhẹ hơn nhiều, do đó, được sử dụng trong việc sản xuất các thiết bị vệ sinh và vỏ bọc sản phẩm

- Hơn nữa, nhựa ABS không chỉ có khả năng cách điện và cách âm tốt mà còn tổ hợp các ưu điểm của cả nhựa và kim loại, điều này đã làm cho nó trở thành lựa chọn thay thế cho các vật liệu khác trong ngành xây dựng và công nghiệp

- Nhựa ABS rất nhẹ, chỉ chiếm khoảng 40% so với nhôm khi tính theo cùng thể tích Do đặc tính này, gần đây nhựa ABS đã được sử dụng để thay thế kim loại trong các sản phẩm của ngành cơ khí, chế tạo máy, đóng xuồng

- Có thể áp dụng một lớp phủ nhũ với hiệu ứng ánh kim lên bề mặt của nhựa ABS để tạo ra cảm giác giống như kim loại

- Nhựa ABS, với sự kết hợp của tính chất cách điện và khả năng ép phun linh hoạt, không giới hạn, cùng với giá thành phải chăng, đã được ứng dụng rộng rãi trong các sản phẩm cách điện Nó được sử dụng trong lĩnh vực kỹ thuật điện tử và truyền thông, bao gồm việc sản xuất vỏ và các linh kiện bên trong cho các thiết bị điện tử [15]

- Nhựa ABS thường xuất hiện xung quanh cuộc sống hằng ngày của chúng ta, không chỉ trong các vật dụng hằng ngày như vỏ màn hình máy tính, TV, xe máy Mà nó còn được sử dụng trong nhiều lĩnh vực khác như kỹ thuật nhiệt lạnh, công nghiệp xe hơi và bao bì Đặc biệt, nhựa ABS cũng rất phổ biến trong các ứng dụng liên quan đến thực phẩm và sản phẩm ép phun, bao gồm việc sản xuất thùng chứa và màng đựng thực phẩm, mũ bảo hiểm, đồ chơi và nhiều sản phẩm khác

Hình 2.4: Ứng dụng của nhựa ABS 2.2 Vật liệu nhựa PP

- Nhựa PP (Polypropylene) là một loại nhựa polymer nhiệt dẻo có độ cứng và độ dẻo, được sản xuất từ monome propene (hay propylene) Công thức hoá học của nhựa PP là (C3H6)n, là một trong những loại nhựa có giá thành thấp nhất hiện nay [16]

Hình 2.5: Công thức & cấu trúc hoá học của nhựa PP

- Về bề ngoài, hạt nhựa PP có màu trắng trong suốt, không chứa màu sắc, không có mùi, vị, hoặc chất độc hại Khi sản xuất, nhà sản xuất thường pha trộn thêm các hạt tạo màu để tạo ra các sản phẩm có màu sắc đa dạng và hấp dẫn hơn

Vật liệu nhựa Pa6

- Nhựa PA6, còn được biết đến với tên đầy đủ là PolyAmide hay Nylon, là một loại đại phân tử có các đơn vị liên kết Amide lặp lại Đây là loại nhựa được sử dụng chủ yếu trong các ứng dụng kỹ thuật yêu cầu tính chất vật lý và cơ học cao Polymer này được tổng hợp bởi IG Schraker ở Đức, sử dụng caprolactam làm nguyên liệu với axit-aminocaproic là chất khởi đầu Việc sản xuất thử nghiệm sợi PA6 đã được tiến hành từ năm 1939 và việc thương mại hóa bắt đầu từ công ty Faben của Đức vào năm 1943 [18]

Hình 2.12: Hạt nhựa Pa6 (30%) GF

2.3.2 Đặc điểm của nhựa PA6

- Nhựa PA6 rất bền, nhẹ, chịu được mài mòn Rất bền trong môi trường hóa chất Nhựa có thể chịu được nhiệt độ thấp, dễ gia công, có độ trơn bóng cao, dễ pha màu và đặc biệt không độc hại

- Là loại nhựa nguyên sinh được biết đến rất nhiều hiện nay Nhựa có đặc tính cực kỳ cứng ở nhiệt độ thấp, đồng thời có bề mặt cứng cao và khả năng chống ăn mòn hiệu quả Ngoài ra, nó cũng có chỉ số sốc cơ học thấp, giúp chịu được va đập mà không bị biến dạng hoặc vỡ vụn

- Có khả năng cách điện tốt nên được sử dụng trong nhiều cấu trúc cơ học và linh kiện

- Là một loại nhựa nhiệt dẻo, Pa6 có đặc tính là trạng thái chảy mềm thành chất lỏng ở nhiệt độ cao và đông cứng khi làm nguội

- Nhựa PA6 được tạo ra bằng phản ứng trùng hợp Đây là dòng nguyên liệu có tính cơ học tối ưu, độ kéo cao, tính linh hoạt và khả năng phục hồi tốt

- Độ rão thấp, độ bền và khả năng chống va đập rất cao Chính vì vậy mà nhựa rất dễ nhuộm màu, hệ số ma sát thấp nên khả năng chống ăn mòn cực kỳ cao

- Nhiệt độ nóng chảy cao, từ 500 đến 540 độ K Khi hoạt động ở nhiệt độ cao thì PA6 có nhiệt độ truyền thủy tinh dẫn đến tính cơ học rất tốt

- Khả năng kháng dầu, bazo và nhiều dung môi khác rất tốt Nhờ đó mà tính chất cơ học thường ít bị thay đổi

- Khả năng chống ẩm tốt, tính chất điện cũng tốt hơn so với các loại nhựa khác

- Tuy nhiên, nhựa PA6 lại có mức độ kết tinh và điểm nóng chảy cực kỳ thấp

2.3.3 Ưu điểm của nhựa PA6

- Có khả năng chịu mài mòn rất tốt

- Bền, nhẹ, chịu được hóa chất và hoạt động tốt trong dải nhiệt độ rộng

- Dễ pha màu, dễ gia công và không chứa các chất độc hại

- Có nhiệt độ biến dạng cao, chịu ẩm tốt

- Có khả năng chịu va đập cao, có độ đàn hồi tốt

- Rất an toàn với các loại thực phẩm

- Có tính cách điện; giảm xóc giảm ồn trong các chi tiết máy khi làm việc

- Có tính bền, nhẹ, chịu được hóa chất, chịu được nhiệt độ thấp, có độ trơn bóng cao

2.3.4 Ứng dụng của nhựa PA6

- Trong sản xuất công nghiệp sản xuất ô tô: Nhựa PA6 được ứng dụng rộng rãi trong ngành sản xuất ô tô để chế tạo ra những vật dụng như lưới bọc nhiên liệu, bộ lọc ô tô, vật dụng đựng đồ tiêu hao, nắp đậy lốc máy, bình đựng nước tản nhiệt, bình đựng dầu máy, … Bên cạnh đó, nhựa PA6 còn được sử dụng làm linh kiện đồ điện ô tô, điều khiển [19]

- Trong công nghiệp điện và điện tử: Trong lĩnh vực này, nhựa PA6 được sử dụng để sản xuất nồi bán dẫn, máy hút bụi, máy gia nhiệt, công tắc, điện trở và nhiều ứng dụng khác

- Trong máy móc chính xác và thiết bị y tế: Nhựa PA6 được sử dụng để làm ống truyền máu, máy hút máu, máy truyền dịch, cũng như các chỉ khâu phẫu thuật và nhiều sản phẩm khác trong lĩnh vực y tế

• Dùng làm cánh quạt gió, đệm chống mài mòn, bảng điều khiển cấu trúc

• Dùng làm bánh răng, chi tiết máy bơm, chi tiết chịu lực, các chi tiết trong sản xuất ô tô

• Dùng làm bánh xe, ống lót, đinh vít

• Dùng làm thanh ray trượt, bánh ray, ống nối

• Ứng dụng trong ngành công nghiệp xây dựng, công nghiệp thép

• Dùng làm bạc đỡ của các chi tiết cơ khí

• Làm bao bì hút chân không Đặc biệt, màng nhựa PA6 khi ghép cùng nhựa PE có thể dùng làm bao bì chứa thực phẩm đông lạnh Chứa thực phẩm dạng lỏng có thể chịu được nhiệt độ thanh trùng lên đến 100 độ C trong vòng 10 phút Dùng làm màng co bảo quản thực

(b) Bánh xe trong trục lăn

(c) Bulong và đai ốc Hình 2.14: Ứng dụng của nhựa Pa6

Độ bền của vật liệu

- Độ bền là một đặc tính cơ bản của vật liệu, đánh giá khả năng chịu đựng mà không bị nứt, gãy hoặc phá hủy dưới tác động của các lực bên ngoài Khái niệm này có thể được hiểu theo nhiều cách khác nhau, do đó, người ta thường chia thành các đặc tính khác nhau về độ bền dựa trên các tác động của các lực bên ngoài, bao gồm độ kéo, độ bền nén, độ bền cắt, độ bền uốn, độ bền mỏi, độ bền va đập và giới hạn chảy [20]

- Độ bền uốn của vật liệu, còn gọi là điểm cong vênh, mô tả trạng thái giới hạn khi vật liệu chịu ứng suất uốn Trước khi đạt đến giới hạn uốn, vật liệu thường biến dạng đàn hồi và trở lại trạng thái ban đầu khi tải trọng được loại bỏ Tuy nhiên, khi vượt qua điểm cong vênh, một số tổ chức nhỏ có thể xuất hiện và gây ra biến dạng vĩnh viễn, không thể phục hồi trạng thái ban đầu sau khi loại bỏ tải trọng [21]

- Độ bền kéo là khả năng của vật liệu chịu đựng khi một lực tác động tăng dần đến khi vật liệu dạng sợi hoặc trụ bị đứt Giá trị lực kéo giới hạn, khi vật liệu đứt, thường được ký hiệu là 𝜎𝜎𝜎𝜎 Độ bền kéo được áp dụng rộng rãi trong các lĩnh vực như thiết kế chế tạo máy, xây dựng và khoa học vật liệu [22]

- Độ bền mỏi là hiện tượng gây ra thiệt hại lũy tiến cho các vật liệu dưới tác động của tải trọng chu kỳ Các thiệt hại vật lý bao gồm các vết nứt và biến dạng, cuối cùng dẫn đến sự phá hủy của vật liệu Theo tác giả Ibrahim Burhan, mỏi là quá trình tích lũy sự phá hủy dần dần trong cấu trúc của vật liệu do ứng suất thay đổi theo thời gian Theo tác giả Ngô Văn Quyết, hiện tượng mỏi là quá trình tích lũy sự phá hủy trong vật liệu do tải trọng thay đổi Quá trình này bắt đầu từ những vết nứt nhỏ (vết nứt tế vi) sinh ra từ vùng chịu ứng suất lớn Khi số lần tải trọng tăng lên, các vết nứt mở rộng và dẫn đến suy yếu của vật liệu, cuối cùng dẫn đến gãy hỏng Độ bền mỏi là tính chất của vật liệu chống lại quá trình phá hủy mỏi Ứng suất Đường cong mỏi

Số chu kỳ Ứng suất cơ sở

- Đường cong mỏi là biểu đồ thể hiện mối quan hệ giữa các biến thiên về ứng suất và số chu kỳ ứng suất tương ứng Trong hình, đường cong mỏi cổ điển được biểu diễn dưới dạng S=f(N), hay còn gọi là đường cong mỏi Veller (Wohler’s Curve) Trong đó, 𝜎𝜎𝜎𝜎𝑀𝑀𝜎𝜎 là ứng suất biến đổi lớn nhất, 𝜎𝜎𝑀𝑀 là biên độ ứng suất, và

N là số chu kỳ ứng suất Từ đồ thị, có thể quan sát rằng khi ứng suất tăng lên, tuổi thọ của vật liệu giảm đi Ngược lại, khi ứng suất giảm đến giá trị 𝑆𝑆𝑆𝑆, đường cong mỏi gần như nằm ngang Điều này cho thấy số chu kỳ ứng suất có thể tăng lên một cách đáng kể mà không gây ra hỏng hóc cho chi tiết [23]

- Độ bền nén của vật liệu là khả năng chịu đựng các tác động của lực ép [24]

Hình 2.13: Hướng lực nén lên vật liệu Độ dẻo của vật liệu:

- Độ dẻo là một đặc tính của vật liệu, biểu thị khả năng chịu đựng tác động của các lực làm biến dạng vật thể mà không gây phá hủy cho khối chất rắn đó

- Độ dẻo là giá trị biểu thị mức độ biến dạng dưới tác động của ứng suất trượt gây biến dạng, vật liệu có độ dẻo cao có khả năng thay đổi hình dạng một cách tự nhiên mà không dẫn đến sự phá hủy [25].

Công nghệ phun ép

Công nghệ ép phun là quá trình phun nhựa nóng chảy để lấp đầy lòng khuôn Sau khi nhựa làm nguội và đông cứng trong lòng khuôn, khuôn được mở ra và sản phẩm được đẩy ra khỏi khuôn bằng hệ thống đẩy Trong quá trình này, không có sự phản ứng hóa học nào xảy ra

2.5.1 Các yếu tố ảnh hưởng đến công nghệ phun ép

- Sự không đồng đều của nhiệt độ có thể xảy ra

- Nhiệt độ của nhựa sẽ biến đổi khi di chuyển từ vị trí đầu phun máy ép đến lòng khuôn

- Quá trình thay đổi nhiệt độ phụ thuộc vào ma sát giữa nhựa và khuôn cũng như sự truyền nhiệt ra từ các tấm khuôn và môi trường xung quanh.- Sự thay đổi nhiệt độ ảnh hưởng đến độ nhớt của nhựa

- Nhiệt độ cũng sẽ ảnh hưởng đến khả năng nén vật liệu vào khuôn

- Nhiệt độ ảnh hưởng đến thời gian làm nguội của sản phẩm

- Nhiệt độ khuôn cao khiến cho sản phẩm nguội chậm, có thể dẫn đến hiện tượng sản phẩm bị cong vênh

Tốc độ phun: Quyết định khả năng lấp đầy khuôn và đảm bảo tính đồng nhất của vật liệu từ vị trí đầu tiên đến vị trí cuối trong lòng khuôn

- Các vùng chịu ảnh hưởng của tốc độ phun bao gồm vùng xung quanh cổng phun, các thành phần giao nhau và phần khuôn lấp đầy cuối cùng

Các khuyết tật do tốc độ phun gây ra bao gồm:

- Hiện tượng tạo bọt khí và cong vênh do co rút

- Phun với tốc độ phun quá nhanh: Sự biến dạng của sản phẩm sẽ không đồng đều khi tốc độ phun quá cao qua các phần khác nhau của lòng khuôn

- Phun với tốc độ cao đòi hỏi lực ép khuôn lớn

- Phun qua cổng phun với tốc độ cao có thể gây ra hiện tượng phun tia, làm cho dòng chảy không đều và dẫn đến bề mặt sản phẩm gần cổng phun không đẹp

Phun với tốc độ khác nhau trên cùng một mẫu:

- Để ngăn chặn hiện tượng tập trung bọt khí và đảm bảo sự lấp đầy khuôn đồng đều mà không cần phải kéo dài thời gian phun, việc thiết lập tốc độ phun khác nhau ở các vùng khác nhau là cần thiết

Phun với tốc độ cao với các mẫu thành mỏng:

- Đối với các sản phẩm có đặc tính mỏng, việc phun với tốc độ càng nhanh càng tốt để đảm bảo rằng khuôn được điền đầy đúng cách

Cài tốc độ phun thay đổi:

- Không phải mọi khi việc thay đổi tốc độ phun đều mang lại kết quả ngay lập tức, vì nó còn phụ thuộc vào quán tính của trục vít Áp suất phun:

- Áp suất đóng vai trò quan trọng trong quá trình ép phun, và nó có ảnh hưởng đáng kể đến sự ổn định về kích thước và tính chất cơ học của sản phẩm

Hình 2.14: Sản phẩm bị thiếu nhựa Áp suất nén (giữ):

- Áp suất nén là áp suất tăng lên trong khuôn sau khi khuôn được điền đầy, và nó có ảnh hưởng đến tổng lượng vật liệu được ép vào khuôn

- Lượng nhựa được nén vào khuôn sẽ được sử dụng để bù vào sự co ngót trong quá trình làm nguội

- Khối lượng của sản phẩm cuối cùng sẽ phụ thuộc vào áp suất nén được áp dụng Áp suất duy trì và thời gian duy trì áp có thể được mô tả như sau:

- Áp suất duy trì: Đây là áp suất duy trì trong giai đoạn sau khi áp suất nén đã đạt được và được duy trì ổn định

- Thời gian duy trì áp là khoảng thời gian từ khi áp suất nén đạt đến cực đại cho đến khi cổng phun đông đặc.

Công nghệ khuôn mẫu

Khuôn mẫu thường bao gồm hai bộ phận chính là khuôn đực và khuôn cái Trong lĩnh vực kỹ thuật, khuôn mẫu thường được phân thành hai phần: phần cố định và phần di động [26]

– Phần cố định: là phần đứng yên trong suốt quá trình đúc Phần cố định này được kết nối với vòi phun của máy ép để phun vào lòng khuôn

– Phần di động: là phần sẽ di chuyển trong quá trình, đóng vai trò mở khuôn trong một chu kỳ

Phần này có thể giúp mở khuôn ra để sản phẩm và runner ra ngoài Đóng vai trò giúp cho sản phẩm không bị xì ra trong chu trình sản xuất

- Khuôn vật liệu kim loại: là loại khuôn đúc đóng vai trò quan trọng để đúc ra các sản phẩm từ kim loại như: Khuôn đúc, khuôn đúc áp lực, khuôn rèn dập,

- Khuôn đúc là công cụ được sử dụng để tạo ra các chi tiết cho sản phẩm bằng cách rót kim loại nóng chảy vào lòng khuôn Khuôn đúc được sử dụng rộng rãi để đúc ra thân động cơ, bộ phận phối, cổ xả, bánh xe…

Hình 2.15: Khuôn vật liệu kim loại

- Khuôn đúc áp lực là phương pháp sản xuất các chi tiết bằng cách nén kim loại lỏng và phun vào khuôn để tạo hình dạng của sản phẩm Các sản phẩm được tạo ra bằng phương pháp này thường là các chi tiết bằng nhôm như bộ phận của động cơ, sản phẩm chính xác và các linh kiện khác

Hình 2.16: Khuôn đúc áp lực

- Khuôn rèn dập: Đây là loại khuôn tạo hình sản phẩm bằng các dập vật liệu trong khuôn dập Phương pháp này là phương pháp rèn các vật liệu sau khi đã được nung nóng trước (dập nóng) và cũng áp dụng cho các loại vật liệu không cần nung nóng (dập nguội) Các vật liệu mềm như nhôm thường được sử dụng trong quá trình dập nguội

Các sản phẩm được rèn dập thông thường là những sản phẩm đòi hỏi độ bền cao như trục, tay biên, hoặc khớp nối

- Khuôn ép: Đây là phương pháp dập bằng cách ép một tấm kim loại vào lòng khuôn để tạo nên hình dạng của sản phẩm Các bước trong quá trình khuôn bao gồm: Uốn (tạo ra hình dạng), cắt (loại bỏ các phần không cần thiết), vát cạnh (gia công các cạnh của sản phẩm), tạo các vạch gờ và hoàn thiện hình dạng của các phần còn lại

Một số bộ phận được dập thông qua nhiều công đoạn và ép liên tục Các sản phẩm khuôn ép như: Khung cánh cửa, vành ép, vỏ ô tô, khay nhôm, ca, cốc…

- Khuôn ép Nhựa: gồm các loại khuôn sử dụng để ép nên các sản phẩm về nhựa có thể kể đến: khuôn ép phun, Khuôn ép đùn, Khuôn thổi…

- Khuôn nhựa ép phun: Khuôn được vận hành bằng cách đổ các vật liệu nhựa nung nóng vào khuôn và ép thành hình dạng của khuôn Các sản phẩm khuôn nhựa bao gồm các thiết bị điện gia dụng, nội thất ô tô, xe máy và điện thoại, để chỉ một số ví dụ.…

Khuôn đùn (extrusion): Là loại máy đùn liên tục hình thành bằng cách đặt vật liệu vào trong máy và được đùn liên tục ra hình dạng của cửa ra thiết bị Sản phẩm đùn ép nhựa thường dạng hình ốc, hoặc các sản phẩm dạng ống dài…

Hình 2.20: Khuôn ép nhựa phun

- Khuôn thổi là phương pháp đúc bằng cách đưa các vật liệu dạng ống vào khuôn và sử dụng áp suất khí nén để thổi vào, khiến chúng giãn nở đến khi có hình dạng tương tự với khuôn đúc… Đây là phương pháp sử dụng rộng rãi cho các sản phẩm chai lọ…

- Khuôn đúc chân không là phương pháp sản xuất trong đó vật liệu tấm được nung chảy và đặt sát với lòng khuôn bằng cách hút chân không để tạo ra hình dạng chi tiết của sản phẩm Phương pháp này thường không được sử dụng cho các chi tiết có hình dạng phức tạp

Hình 2.22: Khuôn đúc chân không

- Khuôn đúc ép chuyển: là phương pháp làm mềm vật liệu nhựa trong khoang nung và đẩy vào lòng khuôn để đông cứng và mở khuôn để lấy vật liệu

Hình 2.23: Khuôn đúc ép chuyển Ngành sản xuất khuôn mẫu:

- Với những ưu điểm như sản xuất số lượng lớn, thời gian sản xuất ngắn và độ ổn định cao, các sản phẩm khuôn mẫu hiện đang đóng vai trò quan trọng trong nhiều lĩnh vực sản xuất công nghiệp

- Quá trình sản xuất khuôn mẫu thường bao gồm 5 bước chính: Thiết kế, gia công, nhiệt luyện, kiểm tra chất lượng và lắp ráp.

Cơ cấu mềm

- Cơ cấu mềm là cơ cấu cho phép truyền hoặc biến đổi chuyển động của lực và momen thông qua biến dạng đàn hồi của cấu trúc, các thanh được kết nối với nhau bằng các khớp nối, có thể được co dãn theo các hướng khác nhau

- Sự chuyển động của cơ cấu mềm làm cho các phần của nó biến dạng và lưu trữ năng lượng đàn hồi Sau đó, năng lượng này được giải phóng để hỗ trợ cơ cấu thực hiện một chức năng cụ thể Điều này là điểm khác biệt chính giữa cơ cấu mềm và cơ cấu cứng truyền thống

2.7.1 Một số cơ cấu mềm hiện nay:

Cơ cấu đàn hồi song ổn định, hay còn được gọi là cơ cấu bistable, là một loại cơ cấu có ba vị trí cân bằng mà không cần sử dụng thêm năng lượng để duy trì ở

Hình ảnh "quả bóng trên đỉnh đồi" thường được sử dụng để mô phỏng nguyên lý cơ cấu song ổn định, minh họa cho một cơ cấu được tổng hợp từ cơ cấu mềm hoàn toàn Loại cơ cấu này có thể được áp dụng làm các loại công tắc cơ micro trong các hệ thống điện cơ, vì chức năng của nó là có thể duy trì hệ thống ở một trong hai trạng thái mở hoặc đóng mà không cần tiêu tốn thêm năng lượng nguồn để duy trì trạng thái đó

Hình 2.24: Hình ảnh “quả bóng trên đồi” mô phỏng cho nguyên lý cơ cấu đàn hồi song song ổn định a) b)

Hình 2.25 Cơ cấu đàn hồi song ổn định, a) vị trí ổn định ban đầu, b) vị trí ổn định thứ hai

Loại cơ cấu này có thể được sử dụng làm các loại công tắc cơ micro trong các hệ thống điện cơ, vì chức năng của nó là có thể duy trì hệ thống ở một trong hai trạng thái mở hoặc đóng mà không cần tiêu tốn thêm năng lượng nguồn để duy trì trạng thái đó

Hình 2.26: Minh họa áp dụng của cơ cấu Compliant

- Không giống như lò xo xoắn, có mô-men xoắn tăng khi vòng quay tăng, cơ chế khớp mô-men xoắn không đổi (Compliant) cung cấp mô-men xoắn gần như không đổi trong một khoảng thời gian quay cụ thể Thay vì sử dụng điều khiển cảm biến, cơ cấu Compliant thụ động duy trì một mô-men xoắn không đổi Các ứng dụng tiềm năng bao gồm cân bằng động và tĩnh của máy móc, thiết bị phục hồi chức năng khớp của con người và thiết bị hỗ trợ di chuyển của con người.

Mô hình sản phẩm cơ cấu mềm dạng “Compliant”

• Mô hình được thiết kế trên phần mềm Creo Parametric, sau đó tiếp tục qua quá trình thiết kế khuôn ép phun và gia công bộ khuôn trước khi lắp ráp Sau đó, mô hình được sản xuất bằng quá trình ép phun, sử dụng các loại nhựa khác nhau như PA6 không gia cố (0% GF), PA6 gia cố 30% (30%GF), và PP, với các tỷ lệ pha trộn tương ứng là 0%, 5%, 10%, 15%, 20%, 25%, 30% Cụ thể, tỷ lệ phần trăm này áp dụng cho việc pha trộn vật liệu nhựa tái chế.

• Mô tả về thông số hình học của mô hình cơ cấu dạng 'Compliant': Mô hình có hình dạng hình tròn với đường kính đường bao là ∅100x5mm và được sản xuất bằng phương pháp ép phun nhựa, sử dụng vật liệu PA6 và PA6 gia cố 30% (30%GF) với tỷ lệ trộn đã nêu ở trên Mô hình này bao gồm tổng cộng 4 dây, mỗi dây có bề dày 1mm, nối từ hình trụ tròn ở tâm ra đường bao hình tròn ở bên ngoài Các dây này có khả năng giãn dài ra tùy thuộc vào góc xoắn

Hình 3.1: Các thông số hình học của mô hình

Khuôn phun ép

- Đề tài tốt nghiệp này tập trung chủ yếu vào quá trình thực nghiệm, do đó, chúng em không tham gia vào quá trình thiết kế và chế tạo khuôn phun ép cho mô hình nêu trên.

Hình 3.4 Hình ảnh thực tế của bộ khuôn được dùng để làm thực nghiệm

- Thông số phun ép và tỷ lệ trộn vật liệu nhựa

- Tỷ lệ trộn vật liệu nhựa:

Trong dự án này, như đã đề cập ở trên, chúng em sử dụng hai loại vật liệu nhựa là PA6 và PA6 30%GF với các tỷ lệ trộn khác nhau Cụ thể, các tỷ lệ trộn bao gồm: 0%, 5%, 10%, 15%, 20%, 25% và 30% Mỗi trường hợp ép mô hình, chúng em cân đối tỷ lệ trộn và khối lượng nhựa là 700g, đảm bảo việc loại bỏ nhựa thải cũ còn dư từ các trường hợp trước và thử ép mô hình cho đến khi dòng nhựa chảy ra ổn định Để tính toán khối lượng của mỗi loại vật liệu khi trộn lại với nhau, chúng em sử dụng công thức sau:

Bảng 3.1 Bảng thông số giữa tỷ lệ trộn và khối lượng nhựa của từng trường hợp với nhựa PA6

TỶ LỆ PA6 0% GF PA6 30%GF

- Trong quá trình công nghệ ép phun, có nhiều thông số quan trọng cần được cài đặt để ảnh hưởng đến các đặc tính vật lý và hóa học của sản phẩm Cụ thể, các thông số cần được điều chỉnh trong quá trình ép phun bao gồm:

- Nhiệt độ sấy: trước khi tiến hành ép sản phẩm, các loại nhựa cần được sấy khô, nhiệt độ sấy khoảng 80 ℃ cho nhựa ABS, PP và 110℃ cho nhựa Pa6

- Thời gian sấy: trong khoảng: từ 2 – 4 giờ

- Áp suất phun: áp suất tại vị trí vòi phun của máy ép đi vào khuôn

- Nhiệt độ khuôn: Đây là nhiệt độ bề mặt lòng khuôn trong quá trình ép sản phẩm

- Tốc độ phun trong khoảng: 75 – 235 mm/s

- Hiện nay, các thông số ép phun thường được thiết lập dựa trên kinh nghiệm hoặc thử nghiệm thực tế Trong nghiên cứu chuyên đề này, chúng em tiến hành nghiên cứu về sự biến đổi của độ bền mỏi xoắn trong các trường hợp thay đổi các thông số ép, bao gồm nhiệt độ nhựa, áp suất duy trì và thời gian duy trì áp.3.2.2 Điều kiện đầu vào của quá trình ép phun:

- Thí nghiệm đánh giá sự ảnh hưởng của các thông số: Nhiệt độ, áp suất, và thời gian duy trì áp suất là những yếu tố quan trọng trong quá trình đánh giá độ bền mỏi xoắn của vật liệu nhựa khi chịu tải xoắn cố định Vậy, có tổng cộng ba yếu tố đầu vào cần được xem xét.

- Đối với thông số nhiệt độ nóng chảy nhựa: Nhựa ABS, PP nóng chảy ở nhiệt độ 220℃ và nhựa Pa6 nóng chảy ở nhiệt độ 280℃

- Đối với thông số áp suất duy trì: tiến hành phun ép thử để xác định được khoảng áp suất hợp lý.

Thực hiện thí nghiệm

+ Máy ép nhựa Haitian MA 1200 III

Hình dáng thực tế máy ép nhựa được thể hiện ở hình 3.3 và thông số phun ép nhựa Haitian MA 1200 III được trình bày ở bảng 3.2

Hình 3.6: Máy ép nhựa Haitian MA 1200 III

2 Loại trục vít 214 cm³ θ40 mmB

4 Điện áp AC 80V 3P/N/PE 50Hz

10 Độ dày khuôn tối thiểu 150mm

11 Kích thước khuôn tối thiểu H x V 290x290mm

13 Tốc độ dòng định danh 0.2L/phút

14 Dung tích bồn dầu 3CV

Bảng 3.2: Thông số máy ép nhựa Haitian MA 1200 III

Theo yêu cầu của đề tài, các thông số ép phun của mỗi loại nhựa không được điều chỉnh trong quá trình làm mô hình Dựa trên sự hướng dẫn của giảng viên và việc nghiên cứu các thông số kỹ thuật của từng loại nhựa cùng với việc thử nghiệm trên máy ép nhựa, dưới đây là các thông số phun ép nhựa mà em đã xác định:

Filling press 55 Bar Filling speed 90% Filling press Filling time 1s

Packing press 51 Bar Packing speed 90% Packing press Packing time 1s

Temperature Max.temp = 220 0 C, Min.temp = 200 0 C

Bảng 3.3: Bảng thông số phun ép mô hình với những trường hợp nhựa PP

Hình 3.7: Bảng thông số ép nhựa PP

Bảng 3.4 Bảng thông số phun ép mô hình với những trường hợp nhựa ABS

Hình 3.8: Bảng thông số ép nhựa ABS

Bảng 3.5: Bảng thông số phun ép mô hình với những trường hợp nhựa Pa6 (0%30%)

Hình 3.9: Bảng thông số ép nhựa Pa6 (0%30%)

3.3.2 Mô hình đo moment xoắn cho mô hình cơ cấu mềm “Compliant”

Mô hình máy thử xoắn: Máy thử xoắn được thiết kế và chế tạo bởi nhóm của nhóm khóa trước đó Trong phần này, em sẽ giới thiệu cấu trúc và nguyên lý hoạt động của máy mà không đi sâu vào chi tiết về phương pháp thiết kế và chế tạo Cấu trúc của máy thử xoắn:

Khung máy: Đây là một phần quan trọng trong máy thử xoắn, chịu trách nhiệm chống lại các lực tác động và cung cấp sức chứa để hỗ trợ các bộ phận khác trong hệ thống máy thử xoắn

Chống rung: Khung máy đóng vai trò quan trọng trong việc chống lại các dao động và rung động không mong muốn của các bộ phận bên trong máy thử xoắn trong quá trình hoạt động Điều này đảm bảo rằng các quy trình đo lường và kiểm tra diễn ra một cách chính xác và đáng tin cậy.

Hỗ trợ các bộ phận khác: Khung máy cũng đóng vai trò trong việc định vị và duy trì ổn định cho các bộ phận khác trong máy thử xoắn như hộp giảm tốc, mâm cặp, adapter, và các thiết bị điều khiển Nó giúp kết nối và duy trì sự ổn

Bền và ổn định: Khung máy được thiết kế và chế tạo để đảm bảo độ bền và ổn định cao Nó cần có khả năng chịu được lực xoắn và tác động từ môi trường trong quá trình sử dụng máy thử xoắn.

Với các chức năng đã nêu, khung máy đóng vai trò quan trọng trong việc đảm bảo sự ổn định, độ chính xác và an toàn của máy thử xoắn trong quá trình thực hiện các bước kiểm tra và đo lượng xoắn

Khung máy bao gồm 4 tấm, mỗi tấm trong khung máy đều đóng vai trò quan trọng trong việc giữ cho các bộ phận bên trong máy thử xoắn ổn định và đúng vị trí Các tấm này được liên kết với nhau bằng 4 thanh, và 4 thanh này hỗ trợ cho việc điều chỉnh khoảng cách giữa 2 tấm ở giữa, tạo ra khoảng cách phù hợp so với chiều dài của mẫu thử tương ứng. Để điều chỉnh khoảng cách giữa hai tấm ở giữa dễ dàng hơn, các tấm này không tiếp xúc với bề mặt dưới và để tránh tạo ra lực ma sát khi di chuyển, có 2 thanh đỡ được gắn vào hai tấm ngoài cùng của khung máy bằng các ke chữ L Điều này giúp đảm bảo sự linh hoạt và tránh hiện tượng ma sát không mong muốn trong quá trình điều chỉnh

Hình 3.10: Mô hình thiêt kế khung máy của máy thử xoắn

Bộ căng đai và bộ truyền đai:

- Như chúng ta đã biết, bộ căng đai và bộ truyền đai đều đóng vai trò quan trọng trong việc truyền chuyển động quay từ trục gắn mâm cặp tới encoder để đo góc xoắn một cách chính xác

- Bộ căng đai có nhiệm vụ căng đai, đảm bảo rằng đai luôn ở trạng thái căng đúng đắn Nhóm căng đai thường sử dụng một con ốc để căng đai Khi vặn ốc, đai sẽ được căng đến mức căng phù hợp Điều này vô cùng quan trọng để đảm bảo rằng đai không bị lỏng hoặc trượt ra khỏi vị trí khi máy thử xoắn đang hoạt động

- Bộ truyền đai, đặc biệt bộ truyền đai răng, đóng vai trò truyền chuyển động quay từ trục gắn mâm cặp tới encoder Bằng cách kết nối đai răng với trục gắn mâm cặp và encoder, sự xoay của trục sẽ được truyền từ mâm cặp tới encoder Điều này cho phép encoder đo góc xoắn một cách chính xác

Vì vậy, bộ căng đai và bộ truyền đai là hai bộ phận quan trọng trong hệ thống đo góc xoắn của máy thử xoắn Sự căng đúng đảm bảo sự ổn định và độ chính xác của đai, trong khi bộ truyền đai đảm bảo truyền chuyển động quay một cách chính xác từ trục gắn mâm cặp tới encoder để đo góc xoắn

- Lực được truyền vào tay quay vô lăng tạo ra moment xoắn Moment này được tạo ra bởi người điều khiển

- Moment xoắn được truyền từ tay quay qua trục gắn với vô lăng Trục này chịu tải từ moment xoắn và truyền nó đến các bộ phận khác trong hệ thống

- Đầu còn lại của trục gắn với vô lăng được kết nối với khớp nối cứng Khớp nối cứng giữ cho trục và các bộ phận khác liên kết chặt chẽ, chuyển động xoay từ trục gắn vô lăng sang trục hộp giảm tốc

- Trục vào của hộp giảm tốc được kết nối với một khớp nối khác Đây là khớp nối để truyền động từ trục hộp giảm tốc đến một khối nối khác trong hệ thống

- Đầu còn lại của khớp nối này gắn với trục gắn vào mâm cặp Trục gắn này chịu tải từ hộp giảm tốc và truyền nó đến mâm cặp

Bộ đồ gá chi tiết ‘cơ cấu mềm Compliant’

- Dựa vào thiết kế của cơ cấu mềm ‘Compliant’ và dưới sự hướng dẫn của giảng viên, chi tiết đồ gá cho cơ cấu được thiết kế với những thông số như sau:

- Đồ gá khoan được thiết kế với 4 lỗ ∅3 Đầu hình vuông gắn chặt vào chi tiếp Compliant Sau đó tiến hành khoan với mũi khoan ∅2.75 và khoan thủng lỗ chi tiết

Hình 3.20: Bản vẽ đồ gá khoan

Hình 3.22: Bản vẽ đồ gá phần cố định

Hình 3.23: Hình thực tế đồ gá phần cố định

Hình 3.24: Bản vẽ chi tiết quay

Hình 3.25: Hình thực tế chi tiết quay

Bulong Sản phẩm Đồ gá

Hình 3.26: Lắp ghép hoàn chỉnh

Bulong Đai ốc Đồ gá (chi tiết quay)

Sản phẩm Đồ gá (phần cố định)

Hình 3.27: Gá đặt và kẹp chặt hoàn chỉnh trên máy

- Thông số và nguyên lý hoạt động của máy thử xoắn

- Độ chính xác: ±0.1 N.m, ±0.001˚ Độ phân giải:0.1 N.m, 0.001˚

Vât liệu kiểm tra: Máy thử xoắn có khả năng kiểm tra moment xoắn cho các vật liệu nhựa.

Nguyên lý hoạt động

- Ban đầu bật công tắc nguồn điện được cấp cho mô tơ giúp mô tơ quay và tạo ra moment xoắn Moment này được truyền lên trục gắn với vô lăng thông qua bộ truyền đai răng tỉ số truyền 1:2 Trục này được làm bằng thép có khả năng chịu tải cao để chịu được moment xoắn từ lực quay vô lăng

- Trục vô lăng nối tiếp với trục đầu vào của hộp giảm tốc thông qua một khớp nối cứng Khớp nối này giúp truyền động từ trục vô lăng sang hộp giảm tốc một cách liên tục và chính xác Hộp giảm tốc được sử dụng để giảm tốc độ quay và tăng moment xoắn trên trục ra

- Trục ra của hộp giảm tốc kết nối với mâm cặp bằng một khớp nối cứng Khớp nối cứng đảm bảo truyền động xoắn một cách chính xác

- Mâm cặp 1 được kết nối với mẫu thử xoắn thông qua một chi tiết trung gian để liên kết mâm cặp và mẫu với nhau Khác với mâm cặp 1 mâm cặp 2 của mô hình này được cố định và không thể quay

- Adapter được sử dụng để đo moment xoắn của mẫu thử Nó được gắn vào mâm cặp được cố định thông qua chi tiết trung gian được thiết kế phù hợp với đầu vào và đầu ra của cảm biến Adapter thu nhận moment xoắn từ mẫu thử cho phép quan sát và ghi lại dữ liệu moment xoắn

Mâm cặp Đồ gá (phần cố định Đồ gá (chi tiết quay)

Hình 3.28: Lắp đặt sản phẩm lên máy thử độ bền xoắn

Hộp giảm tốc (1/50) Đồ gá

(được lắp hoàn chỉnh) Cảm biến

Hình 3.29: Máy thử xoắn khi hoạt động

3.5 Sensor và phần mềm đo TIA V17

3.5.1 Cảm biến đo moment xoắn (sensor)

Cảm biến momen xoắn (tiếng Anh torque sensor) là bộ chuyển đổi (transducer) đầu vào cơ học xoắn thành tín hiệu điện ở đầu ra Để hiểu rõ hơn về loại cảm biến này, ta cần biết thêm momen xoắn là gì

Mô-men xoắn là lực xoắn hoặc quay xung quanh một trục, có thể tác dụng theo chiều kim đồng hồ hoặc ngược chiều kim đồng hồ Một ví dụ điển hình về momen xoắn là cơ cấu lái xe Để rẻ một góc, người lái xe sẽ tác động một lực lên vô lăng, lực này sẽ tác dụng trực tiếp mô-men xoắn lên cột lái Momen xoắn này được tạo ra bởi sự kết hợp của lực từ tay người lái và khoảng cách hai tay từ tâm bánh xe Ưu điểm nổi bật:

-Đo mô-men xoắn được tích hợp trong quá trình sản xuất

-Giúp giám sát quy trình đảm bảo sản xuất không có lỗi

-Chi phí đảm bảo chất lượng được cắt giảm đáng kể nhờ phát hiện các sai lệch ở giai đoạn đầu

-Hiệu quả quy trình được tối ưu hóa vì thiết bị đo được sử dụng cực kỳ linh hoạt

Hình 3.30: Cảm biến sử dụng

3.5.2 Phần mềm đo moment xoắn TIA Portal:

TIA Portal (viết tắt của Totally Integrated Automation Portal) là một bộ phần mềm tích hợp, bao gồm nhiều ứng dụng khác nhau, được sử dụng để quản lý tự động hóa và vận hành điện của các hệ thống Nó được coi là một trong những phần mềm tự động hóa tiên tiến nhất, cho phép sử dụng chung một môi trường/nền tảng để thực hiện các nhiệm vụ và điều khiển hệ thống

Hình 3.31: Phần mềm TIA Portal

TIA Portal ra đời vào năm 1996 do các kỹ sư của Siemens phát triển Nó giúp người dùng nhanh chóng phát triển và viết các phần mềm quản lý riêng lẻ trên một nền tảng thống nhất, giảm thiểu thời gian tích hợp các ứng dụng riêng biệt để tạo ra hệ thống thống nhất

TIA Portal - Tích hợp tự động toàn diện là phần mềm cơ sở cho tất cả các ứng dụng khác trong hệ thống Nó bao gồm cả lập trình và tích hợp cấu hình thiết bị trong dải sản phẩm Đặc điểm của TIA Portal là khả năng chia sẻ cùng một cơ sở dữ liệu cho các phần mềm, tạo ra tính thống nhất và toàn vẹn cho hệ thống ứng dụng quản lý và vận hành

TIA Portal cung cấp một môi trường lập trình thuận tiện cho việc thực hiện các thao tác sau:

1 Thiết kế kéo và thả thông tin dễ dàng, với hỗ trợ nhiều dạng ngôn ngữ khác nhau

2 Quản lý phân quyền người dùng, mã, và dự án một cách toàn diện

3 Thực hiện kết nối trực tuyến và chẩn đoán cho tất cả các thiết bị trong dự án để phát hiện các vấn đề và lỗi hệ thống

4 Tích hợp mô phỏng hệ thống

5 Dễ dàng thiết lập cấu hình và kết nối giữa các thiết bị Siemens

Bước 1: Gá đồ gá khoan vào lỗ hình vuông của cơ cấu mềm ‘Compliant’ sau đó tiến hành khoan thủng 4 lỗ

Bước 2: Gá chi tiết quay của bộ đồ gá vào chi tiết Compliant, sau đó tiến hành bắt bulong M3 vào 4 lỗ đã khoan trước đó, bắt bulong M3 sát xuống bề mặt chi tiết Tiến hành gá chi tiết compliant vào chi tiết mặt đỡ cố định còn lại của bộ độ gá và bắt bulong M5 sau đó siết chặt bằng đai ốc M5 Gá toàn bộ chi tiết lên máy thử xoắn, phần chi tiết mặt đỡ cố định hướng về mâm cặp có gá bộ cảm biến Đặt đúng chiều quay của chi tiết compliant và siết chặt đầu mâm cặp còn lại

Bước 3: Tiến hành kết nối PLC với laptop thông qua dây kết nối đầu Ethernet

Mở phần mềm đo moment xoắn đứt trên TIAV17 Vào trang web PLC http://192.168.0.6/ để lấy kết quả đo

Bước 4: Thiết lập các thông số cần thiết trên phần mềm đo Nhấn start và bắt đầu lấy kết quả đo.

Phân tích kết quả đo độ bền mỏi mỏi xo

Qua quá trình làm thực nghiệm đo biến dạng đàn hồi của mô hình cơ cấu mềm dạng với những vật liệu nhựa PP, ABS và Pa6 (0  30%) tương ứng với những trường hợp tỷ lệ trộn vật liệu nhựa: 0%, 5%, 10%, 15%, 20%, 25%, 30% kết quả biến dạng đàn hồi của những trường hợp được trình bày ở những bảng sau, với Input là giá trị chuyển vị đầu vào trung bình cộng của 2 giá trị Input ở 2 bên của mô hình, 3 giá trị Output 1,2 và 3 là giá trị chuyển vị đầu ra của 3 mô hình được đo và giá trị Avg Out là giá trị trung bình Output của 3 mô hình được đo

Filling press: Áp suất điền đầy (Mpa)

Filling speed: Tốc độ điền đầy

Filling time: Thời gian điền dầy (s)

Packing press: Áp suất đóng (Mpa)

Packing speed: Tốc độ đóng

Temperature: Nhiệt độ nóng chảy

Bảng 4.1: Thống kê số liệu

Góc xoắn phải Góc xoắn trái Số chu kỳ

Bảng 4.1 Bảng thông số thí nghiệm Trường hợp nhựa ABS:

Hình 4.1: Biểu đồ Moment xoắn của nhựa ABS

Biểu đồ moment xoắn mỏi của nhựa ABS được hiển thị dưới dạng đồ thị của moment xoắn mỏi (torque) so với góc xoắn (angle of twist) Biểu đồ trên thể hiện sự thay đổi của moment xoắn qua các vòng của chu kỳ

Hình 4.2: Biểu đồ Moment xoắn của nhựa PP

Biểu đồ moment xoắn mỏi của nhựa PP được hiển thị dưới dạng đồ thị của moment xoắn mỏi (torque) so với góc xoắn (angle of twist) Biểu đồ trên thể hiện sự thay đổi của moment xoắn qua các vòng của chu kỳ

Hình 4.3: Biểu đồ Moment xoắn của nhựa PA6 (0%)

Biểu đồ moment xoắn mỏi của nhựa PA6 (0%) được hiển thị dưới dạng đồ thị của moment xoắn mỏi (torque) so với góc xoắn (angle of twist) Biểu đồ trên thể hiện sự thay đổi của moment xoắn qua các vòng của chu kỳ

Qua quá trình thử nghiệm các mẫu sản phẩm của từng trường hợp nhựa ta thấy:

- Qua 100 chu kỳ trong vùng đẳng moment hầu hết các trường hợp nhựa đều có độ bền chịu mỏi khá tốt

- Tuy nhiên có 2 trường hợp nhựa chịu bền mỏi khá yếu đó là:

+ Trường hợp nhựa ABS trong 50 chu kỳ chịu mỏi khá tốt nhưng sau khi qua tới 100 chu kỳ thì độ bền mỏi suy giảm khá nhiều cho ta thấy độ bền của nhựa ABS tương đối yếu so với các trường hợp nhựa còn lại

+ Trường hợp nhựa Pa6 (30%) đây là trường hợp có độ bền mỏi kém nhất so với tất cả các trường hợp trên Như trong biểu đồ thể hiện ta thấy nhựa Pa6 (30%) chỉ chịu bền được 30 chu kỳ xoắn  Nhựa Pa6 30% rất giòn và chịu bền rất yếu.

Tách số liệu và so sánh các trường hợp nhựa

4.2.1 Kết quả phân tách số liệu

Negative moment chart of ABS plastic

Positive moment chart of ABS plastic

Biểu đồ moment xoắn dương chỉ đến khả năng chịu tải của nhựa ABS trong khi đang uốn cong Khi moment xoắn dương giảm xuống nghĩa là khả năng chịu mỏi, và độ bền đang giảm qua các chu kỳ Biểu đồ moment xoắn âm thể khi nhựa ABS bắt đầu trải qua sự biến dạng, là dấu hiệu của sự đàn hồi kém hoặc sự hỏng hóc

Negative moment chart of PP plastic

Positive moment chart of PP plastic

Hình 4.11: Kết quả phân tách trên origin của nhựa PP

Biểu đồ moment xoắn dương chỉ đến khả năng chịu tải của nhựa PP trong khi đang uốn cong Khi moment xoắn dương giảm xuống nghĩa là khả năng chịu mỏi, và độ bền đang giảm qua các chu kỳ Biểu đồ moment xoắn âm thể khi nhựa PP bắt đầu trải qua sự biến dạng, là dấu hiệu của sự đàn hồi kém hoặc sự hỏng hóc

Negative moment chart of Pa6 (0%) plastic

Positive moment chart of Pa6 (0%) plastic

Hình 4.12: Kết quả phân tách trên origin của nhựa Pa6 (0%)

Biểu đồ moment xoắn dương chỉ đến khả năng chịu tải của nhựa PA6 (0%) trong khi đang uốn cong Khi moment xoắn dương giảm xuống nghĩa là khả năng chịu mỏi, và độ bền đang giảm qua các chu kỳ Biểu đồ moment xoắn âm thể khi nhựa PA6 (0%) bắt đầu trải qua sự biến dạng, là dấu hiệu của sự đàn hồi kém hoặc sự hỏng hóc

4.2.2 Chồng các biểu đồ và so sánh các trường hợp

So sánh nhựa ABS và nhựa PP

Hình 4.19: Kết quả so sánh kết quả của nhựa ABS và nhựa PP

Nhận xét: Qua kết quả thí nghiệm cho ta thấy nhựa PP có độ cứng thấp hơn so với nhựa ABS, nhưng nó có độ đàn hồi cao hơn Điều này làm cho nhựa PP phù hợp với các ứng dụng cần tính linh hoạt và đàn hồi cao, còn nhựa ABS thì phù hợp hơn cho các ứng dụng yêu cầu độ cứng cao

So sánh nhựa Pa6 (0%) và nhựa Pa6 (5%)

Nhận xét: Qua kết quả thì nghiệm cho ta thấy nhựa PA6 (0%) có độ dẻo và đàn hồi tốt hơn so với PA6 (5%) do không có sợi thủy tinh làm giảm tính linh hoạt

- PA6 (5%) có thể cứng hơn và ít linh hoạt hơn

- Nhựa PA6 (5%) thường có độ cứng và độ bền cơ học cao hơn so với PA6 (0%) do sự gia cường bởi sợi thủy tinh

- Sợi thủy tinh trong PA6 (5%) giúp tăng cường cấu trúc và khả năng chịu tải, làm cho nó chịu được các tác động va đập và lực tốt hơn

So sánh nhựa Pa6 (10%) và nhựa Pa6 ( 15%)

Hình 4.21: Biểu đồ so sánh nhựa Pa6 (10%) và nhựa Pa6 (15%)

Nhận xét: Qua kết quả thí nghiệm cho ta thấy Nhựa PA6 (10%) thường có độ dẻo và độ bền mỏi tương đối Độ dẻo của nó có thể giúp nó chịu được tác động va đập và uốn cong trong một phạm vi nhất định

Còn nhựa PA6 (15%), nhờ sợi thủy tinh giúp tăng cường cấu trúc của nhựa, làm cho nó trở nên cứng cáp hơn và chịu được tác động mạnh mẽ hơn Tuy nhiên, độ dẻo của nó có thể giảm một chút so với PA6 (10%)

So sánh nhựa Pa6 (20%) với nhựa Pa6 (25%)

Hình 4.22: Biểu đồ so sánh nhựa Pa6 (0%) và nhựa Pa6 (5%)

Nhận xét: Qua kết quả thí nghiệm cho ta thấy nhựa PA6 (25%) có thể có độ cứng cao hơn so với PA6 (20%) do sự gia tăng tỷ lệ sợi thủy tinh Tuy nhiên, PA6 (20%) có thể linh hoạt hơn một chút Độ bền cơ học của PA6 (25%) có thể cao hơn so với PA6 (20%) Sự gia cường bằng sợi thủy tinh giúp tăng cường khả năng chịu va đập và tải trọng, làm cho PA6 (25%) thích hợp cho các ứng dụng đòi hỏi độ bền cao

So sánh nhựa ABS với Pa6 (30%)

Hình 4.23: Biểu đồ so sánh nhựa ABS và nhựa Pa6 (30%)

Nhận xét: Qua kết quả thí nghiệm cho ta thấy nhựa Pa6 (30%) có độ cứng cao hơn so với nhựa ABS, nhưng nó có độ đàn hồi thấp hơn Độ dẻo của PA6 (30%) có thể không đủ linh hoạt trong một số ứng dụng đòi hỏi độ dẻo cao hơn, như trong việc làm đàn hồi và uốn cong so với nhựa ABS

So sánh nhựa PP với Pa6 (0%)

Tổng hợp kết quả

4.3.1 Các trường hợp nhựa Pa6:

Nhựa Pa6 Độ dẻo Độ bền cơ học Khả năng chịu va đập

5% Trung Bình Trung Bình Trung Bình

10% Trung Bình Trung Bình Trung Bình

15% Trung Bình Cao Trung Bình

Bảng 5.1 Bảng so sánh kết quả thí nghiệm các trường hợp nhựa Pa6 (030%)

4.3.2 Các trường hợp nhựa ABS, PP và Pa6

Yếu tố ABS PP Pa6 Độ bền mỏi xoắn

ABS có độ dẻo vừa phải, không quá mềm, không quá cứng

Thấp đến trung bình PP có tính đàn hồi cao

Trung bình đến cao PA6 có độ dẻo tương đối cao và độ bền mỏi xoắn tốt Độ dẻo

ABS có độ dẻo vừa phải, đủ linh hoạt để chịu được va đập mà không gãy

PP có độ dẻo cao, mềm mại và linh hoạt

PA6 có độ dẻo tương đối cao, sự linh hoạt và chịu lực tốt Ứng dụng

Sản phẩm điện tử, ô tô, đồ chơi, vỏ ngoài các sản phẩm Đóng gói, đồ gia dụng, ống nước, y tế Ô tô, dệt may, ống nước, ứng dụng công nghiệp

Bảng 5.2 Bảng so sánh kết quả của nhựa ABS, PP và Pa6

Kết luận

- Nghiên cứu đã thành công trong việc đánh giá và phân tích độ bền mỏi xoắn của các chi tiết nhựa trong các điều kiện xoắn khác nhau

- Các thông số quan trọng như độ cứng, tính linh hoạt, cấu trúc phân tử của nhựa đã được xác định và ảnh hưởng đến độ bền mỏi xoắn

- Phương pháp thử nghiệm đã được xác định và tiêu chuẩn hóa để đo lường độ bền mỏi xoắn một cách chính xác

- Các yếu tố môi trường như nhiệt độ, độ ẩm, và các tác động bên ngoài khác cũng có ảnh hưởng đáng kể đến độ bền mỏi xoắn của chi tiết nhựa.

Hạn chế của đề tài

- Do đề tài này nằm trong phạm vi đồ án tốt nghiệp, đồng thời điều kiện về kinh tế và thời gian có hạn nên đề tài không tránh khỏi những hạn chế:

- Quá trình ép thực nghiệm mô hình cơ cấu mềm “Compliant” còn gặp khó khăn vì tính không ổn định của nhựa PA6 khi được gia cố thêm sợi thủy tinh

Hướng phát triển

- Tiếp tục nghiên cứu về cơ chế gây hỏng hóc và suy giảm độ bền mỏi xoắn của các loại nhựa khác nhau dưới tác động của các yếu tố môi trường

- Phát triển các phương pháp mới để cải thiện độ bền mỏi xoắn của các chi tiết nhựa, bao gồm việc sử dụng các hợp chất gia cường, cải tiến quy trình sản xuất, và tối ưu hóa cấu trúc thiết kế

- Xem xét các phương pháp mô hình hóa và mô phỏng để dự đoán độ bền mỏi xoắn của các chi tiết nhựa một cách chính xác và hiệu quả

- Nghiên cứu về độ bền mỏi xoắn của chi tiết nhựa mang lại những thông tin quan trọng về tính chất và ứng dụng của vật liệu nhựa, đồng thời mở ra cơ hội

Tiêu đề	Nghiên cứu đặc điểm độ bền mỏi xoắn của chi tiết nhựa
Tác giả	Nguyễn Minh Dũng, Nguyễn Thành Đạt, Lê Ngọc Thiện
Người hướng dẫn	PGS. TS Phạm Sơn Minh
Trường học	Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh
Chuyên ngành	Công nghệ Kỹ thuật Cơ khí
Thể loại	Đồ án tốt nghiệp
Năm xuất bản	2024
Thành phố	Thành phố Hồ Chí Minh

Định dạng
Số trang	102
Dung lượng	8,54 MB