thiết kế khuôn ép phun

- Coâng ngheä eùp phun taïo ra nhöõng saûn phaåm nhöïa ña daïng veà hình daïng vaø kích côõ gaén lieàn vôùi cuoäc soáng cuûa chuùng ta.

PHAÀN 1: THIEÁT KEÁ KHUOÂN

EÙP PHUN

Chương 1: TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ ÉP PHUN

1 Sản phẩm của công nghệ ép phun

- Công nghệ ép phun tạo ra những sản phẩm nhựa đa dạng về hình dạng và kích cỡ gắn liền với cuộc sống của chúng ta

- Tạo ra những sản phẩm có hình dáng phức tạp, trong mọi lĩnh vực của đời sống : tiêu dùng, công nghệ thực phẩm, y tế, công nghệ cao…

- Sản phẩm sau khi ép phun có màu sắc phong phú, không cần phải sơn

- Độ nhẵn bóng bề mặt cao nên không cần gia công lại

- Những sản phẩm của công nghệ ép phun có độ dẻo, dai, nhẹ, hình dáng đa dạng, bắt mắt, thân thiện với con người

- Có thể tái chế giúp tiết kiệm vật liệu

Hình 1.1 sản phẩm nhựa gia dụng

Hình 1.2 Sản phẩm nhựa kỹ thuật

2 Phân loại máy ép phun

2.1 Phân loại máy theo vật liệu được sử dung

- Máy ép phun nhựa nhiệt dẻo

- Máy ép phun nhựa nhiệt rắn

2.2 Phân loại máy theo hệ thống kẹp

- Máy dùng hệ thống kẹp thủy lực

-Máy dùng hệ thống kẹp đòn khuỷu

2.3 Phân loại máy theo lực kẹp

Có các loại máy 50, 80,100, 150 180,…(tấn)

2.4 Phân loại máy theo hướng trục vít

- Máy ép phun đứng

- Máy ép phun nằm ngang

2.5 Phân loại máy theo công nghệ ép phun

- Máy ép phun lệch tâm

- Máy ép phun nhiều màu

- Máy ép phun nhiều nguyên liệu

- Máy ép phun thổi khí

- Máy ép phun nhựa nhiệt rắn

- Máy ép phun cao su

3 Vật liệu trong công nghệ ép phun

Vật liệu thường được dùng trong trong công nghệ ép phun là nhựa Nó là những vật liệu nhân tạo nhận được trên cơ sở các polymer hữu cơ Khi nung nóng chúng sẽ chảy dẻo và dưới tác dụng của lực chúng được tạo hình dáng và giữ nguyên hình dáng đó

Vật liệu nhựa được dùng để ép phun rất đa dạng với hơn 20000 loại nhựa nhiệt dẻo và 5000 loại nhựa nhiệt rắn

Thành phần của nhựa :

• Chất liên kết: loại nhựa tổng hợp

• Chất độn: ở dạng bột, sợi tấm, vô cơ, hữu cơ

• Ngoài ra có thể cho thêm các chất phụ gia

Một số loại nhựa thường sử dụng trong khuôn mẫu:

- Nhựa PVC (Polyvinyl Chloride)

4 Những khuyết tật trên sản phẩm khi ép phun

Lỗi Nguyên nhân Cách khắc phục

- Giảm vận tốc phun để nhựa điền đầy từ từ và khí dễ dàng thoát

ra ngoài

2 Các đốm cháy - Các bọt khí tích tụ

trong lòng khuôn duới áp suất và nhiệt độ cao sẽ bị cháy tạo ra lỗi

-Nhựa cũng bị cháy

do áp suất và nhiệt độ ép quá cao

- Thiết kế hệ thống dẫn nhựa hợp lý để tránh quá nhiệt

- Thiết kế sản phẩm để tránh bẫy khí

- Giảm vận tốc quay của trục vít và áp suất phun ép

- Giảm nhiệt độ trong khoang gia nhiệt và trên vòi phun

3 Vết rạn nứt - Ứng suất dư cao.

- Sản phẩm có nhiều đường hàn

- Hướng co rút khác

- Tăng bề dày chi tiết hợp lý

- Thiết kế kênh dẫn giảm co rút

4 Tróc bề mặt - Trộn vật liệu chưa

đều và dính ẩm vật liệu

- Nhiệt nóng chảy của nhựa thấp

- Ở miệng phun và kênh dẫn có cạnh sắc

- Loại bỏ hơi ẩm và điều chỉnh tỷ lệ vật liệu ép hợp lý

- Đánh bóng miệng phun và kênh dẫn

- Tăng nhiệt độ dòng nhựa để tạo liên kết

4 Đổi màu sản

phẩm dài khiến nhựa điền đầy - Khoang cấp liệu quá

lòng khuôn ở nhiệt độ cao

- Vật liệu nghiền khác màu với vật liệu tái chế

- Trục vít tạo ma sát lớn

- Giữ vật liệu sạch trước khi ép

- Giảm ma sát của hệ thống dẫn để tránh quá nhiệt

- Tránh sự tích tụ khí làm cháy sản phẩm

- Chọn trục vít hợp lý

- Giảm nhiệt độ khoang cấp liệu và vòi phun

6 Bavia

- Các tấm khuôn không khít nhau

- Lực kẹp khuôn không đủ để chống lại áp suất lòng khuôn

- Sự đông đặc cục bộ quá mức làm tăng áp trong lòng khuôn

- Nhiệt chảy dẻo quá cao và áp suất ép quá cao cũng làm cho bavia

- Hệ thống thoát khí quá sâu

- Đảm bảo sự khép kín giữa hai nửa khuôn hợp lý

- Tăng khả năng chịu lực của các tấm khuôn bằng các tấm đỡ phụ

- Tăng lực kẹp của máy

- Giảm nhiệt độ khoang cấp liệu và vòi phun để tránh áp suất phun quá cao

- Giảm áp suất phun và bảo áp thay vào đó tăng thời gian ép cũng như hạ từ từ vận tốc phun đề tránh áp suất ngược

7 Sản phẩm bị

cong vênh các vùng không đồng đều - Sự làm nguội giữa

làm sản phẩm co rút theo nhiều hướng khác nhau

Đây là nguyên nhân chính làm chi tiết bị cong vênh

- Chi tiết bị cong vênh

do làm nguội hai mặt

- Thiết kế hệ thống làm nguội cho đồng đều

- Giảm bề dày thành chi tiết nếu có thể, hoặc thêm vào các vấu lồi, gân tăng cứng

- Đặt miệng phun để dòng chảy chảy theo một huớng

không giống nhau.

- Lòng khuôn quá phức tạp khiến dòng chảy

- Khuôn bị rò rỉ áp và thể tích vật liệu cũng gây nên thiếu vật liệu

- Có thể tăng bề dày sản phẩm để mở rộng dòng chảy

- Đặt miệng phun tại nơi có bề dày lớn

- Tăng kích thuớc miệng phun, kích thuớc kênh dẫn hay số miệng phun để giảm kháng dòng

- Đặt lỗ thoát khí tại nơi khó điền đầy hoặc tăng số luợng lỗ thoát khí

- Tăng áp suất phun ( khoảng

70 – 80 % áp suất cực đại của máy)

- Tăng vận tốc phun để nhựa điền đầy vào lòng khuôn nhanh hơn

- Tăng thể tích phun

- Vật liệu không sạch

- Không dùng lại vật liệu bị nhiễm bẩn

- Tránh để vật liệu dính tạp chất truớc khi ép

- Tránh để dầu bôi trơn của máy lẫn vào nhựa chảy dẻo

- Làm nhẵn bóng bề mặt kênh dẫn

- Chọn công suất ép thích hợp (70 -80 % công suất máy)

- Vệ sinh máy và khuôn truớc khi ép

- Giảm nhiệt độ khoang cấp liệu và vòi phun để tránh gây quá nhiệt cho nhựa

10 Đuờng hàn - Vị trí miệng phun

đặt lệch

- Bề dày sản phẩm

- Đặt vị trí miệng phun sao cho cân bằng dòng chảy

- Giảm sự chênh lệch bề dày

không hợp lý.

chi tiết đến mức có thể

- Tăng nhiệt độ khuôn và nhiệt độ chảy dẻo.Đuờng hàn sẽ ít nếu nhiệt độ chảy dẻo lớn hơn nhiệt độ phun 20o C

Chương 2: KẾT CẤU KHUÔN ÉP NHỰA

1 Các thành phần trong khuôn ép nhựa

Hình1.3 Kết cấu khuôn

Chức năng của các bộ phận khuôn

1 Tấm kẹp trước : kẹp phần cố định của khuôn với tấm cố định của máy ép nhựa

2 Tấm khuôn âm : chứa lòng khuôn hoặc phần insert định hình sản phẩm, được lắp vào tấm kẹp trước

3 Bạc cuống phun : đưa nhựa vào lòng khuôn, thông thường nó nằm trên tấm kẹp trước

5 Vít lục giác : cố định các chi tiết với nhau.

6 Đường nước : dẫn nước hoặc dung môi để làm nguội khuôn trong quá trình làm mát

7 Tấm khuôn dương : chứa lòng khuôn hoặc phần insert định hình sản phẩm, được lắp chặt vào gối đỡ hay tấm lót

8 Tấm lót : giữ cho tấm khuôn không bị uốn

9 Gối đỡ : tạo khoảng không gian cho lói sản phẩm

10 Tấm giữ : giữ tấm đẩy và ty lói

11 Tấm đẩy : kết hợp với tấm giữ và chốt đẩy để đẩy chi tiết ra khỏi khuôn

12 Tấm kẹp sau : kẹp phần di động của khuôn với tấm di động của máy ép nhựa

13 Chốt đẩy : đẩy sản phẩm ra khỏi lòng khuôn

14 Lò xo : để đảm bảo các tấm giữ và tấm đẩy hồi về vị trí cũ sau khi lói

15 Chốt hồi : cùng với lò xo đưa các tấm giữ và tấm đẩy hồi về vị trí cũ sau khi lói

16 Bạc dẫn hướng : dẫn hướng cho trục dẫn hướng hạn chế mòn tấm khuôn

17 Lòng khuôn : tạo nên hình dáng của chi tiết

18 Chốt dẫn hướng : dẫn hướng cho tấm khuôn âm và khuôn dương

2 Một số loại khuôn

- Khuôn hai tấm

- Khuôn ba tấm

- Khuôn nhiều tầng

- Khuôn có lõi mặt bên

- Khuôn cho sản phẩm có ren

- Khuôn nhiều màu

2.1 Khuôn hai tấm

2.1.1 Khuôn hai tấm có kênh dẫn nguội

Khuôn hai tấm là loại khuôn phổ biến nhất.So với khuôn ba tấm thì khuôn hai tấm đơn giản hơn, rẻ hơn và có chu kỳ ép phun ngắn hơn

Đối với khuôn hai tấm có một lòng khuôn thì không cần đến kênh dẫn nhựa mà nhựa sẽ điền đầy trực tiếp vào lòng khuôn thông qua bạc cuống phun

Đối với khuôn hai tấm có nhiều lòng khuôn thì ta cần quan tâm đến việc thiết kế kênh dẫn và miệng phun sao cho nhựa có thể điền đầy các lòng khuôn cùng lúc

Hình 1.4 Khuôn hai tấm kênh dẫn nguội.

Kết cấu khuôn 2 tấm sử dụng kênh dẫn nguội:

Hình 1.5 kết cấu khuôn 2 sử dụng kênh dẫn nguội 2.1.2 Khuôn hai tấm có kênh dẫn nóng.

Hình 1.6 Khuôn hai tấm có kênh dẫn nóng.

Với loại khuôn này, nhựa luôn ở trạng thái chảy lỏng do được gia nhiệt trong hệ thống kênh dẫn nóng (hot runner), vật phun ra không có kênh nhựa kèm theo nên giảm được lượng nhựa dư thừa.

 Ưu điểm:

- Tiết kiệm vật liệu

- Không có vết của miệng phun trên sản phẩm

- Giảm thời gian chu kỳ

- Điều khiển được sự điền đầy và dòng chảy của nhựa

 Nhược điểm:

- Giá thành cao hơn khuôn hai tấm có kênh dẫn nguội

- Khó đổi màu vật liệu

- Hệ thống điều khiển nhiệt độ dễ bị hỏng

- Không thích hợp với những vật liệu chịu nhiệt kém

2.2 Khuôn ba tấm

So với khuôn hai tấm thì hệ thống kênh dẫn của khuôn ba tấm được đặt trên tấm thứ hai song song với mặt phân khuôn chính.Chính nhờ tấm thứ hai này mà kênh dẫn và cuống phun có thể được rời ra khỏi sản phẩm khi mở khuôn (tự cắt đuôi keo)

Khuôn ba tấm được dùng khi mà toàn bộ hệ thống kênh dẫn không thể bố trí trên cùng một mặt phẳng như ở khuôn hai tấm Điều này có thể là do:

- Khuôn có nhiều lòng khuôn

- Khuôn có một lòng khuôn nhưng phức tạp nên cần hơn một vị trí phun nhựa Vì phải cân bằng dòng nhựa giữa các kênh dẫn với nhau nên buộc phải thiết kế kênh dẫn không nằm trên mặt phân khuôn

- Điểm đặc trưng của khuôn ba tấm là tự cắt đuôi keo

Các bộ phận chính trong khuôn 3 tấm:

Hình 1.7 Các bộ phận trong khuôn 3 tấm

Phần 1 là phần cố định : gồm tấm kẹp trước để nối khuôn vào máy gia công

nhựa và một tấm trung gian để tháo miệng phun của trục kéo cuống phun

Phần 2 là phần chuyển động có chức năng của khuôn 2 tấm, loại trừ hệ thống

trục để làm phần 3 chuyển động

Phần 3 là phần của tấm khuôn dưới Mặt gần với phần 1 được gia công hệ thống

kênh nhựa còn phần dưới là khuôn insert của khuôn âm

2.3 Khuôn nhiều tầng

Hình 1.7 Khuôn nhiều tầng

Với mục đích tạo ra sản phẩm với số lượng lớn, tăng năng suất, giảm giá thành, giảm chi phí làm khuôn.Tuy nhiên nó cũng ảnh hưởng đến công việc thiết kế, gia công cũng như lắp ráp gặp khó khăn hơn do các thông số về độ phẳng, độ đồng tâm

2.4 Khuôn có lõi mặt bên

Khi khuôn được thiết kế và đường phân khuôn đã cố định, thường có một số phần của sản phẩm không tháo ra được ra được theo hướng mở của khuôn.Trong trường hợp đó cần đến các lõi mặt bên.Có nhiều cách thiết kế lõi mặt bên bao gồm kết cấu cam chốt xiên, chốt có mặt cam, chốt dẻo, chốt xiên, chốt xiên kép, cam chân chó, chốt tháo có lõi côn, trượt theo hướng cam

Hình1.8 Tháo lõi bằng chốt xiên Hình 1.9 Tháo lõi mặt bên bằng xylanh thủy lực.

2.5 Khuôn cho sản phẩm có ren

Phần tử ren gồm có ren trong và ren ngoài.Có nhiều cánh tháo ren như: tháo ren cưỡng bức, tháo ren bằng chốt gập, tháo ren bằng thanh răng bánh răng, tháo ren bằng tay, tháo ren bằng chốt nhả

Hình1.10 Tháo ren trong bằng chốt gập nhả Hình1.11 Tháo ren ngoài bằng chốt gập nhả

2.6 Khuôn nhiều màu

Khuôn nhiều màu là khuôn ép với các dạng sản phẩm gồm nhiều gia đoạn, mổi gia đoạn sử dụng một khuôn riêng và quá trình này thương xảy ra liên rục cho đến khi ép xong hoàn chỉnh một sản phẩm

Hình 1.12 Sản phẩm của khuôn nhiều màu

Chương 3: THIẾT KẾ KHUÔN ÉP PHUN

1 Các vấn đề cần quan tâm khi thiết kế

1 Các tính chất của nhựa dùng làm sản phẩm

2 Số lượng sản phẩm cần sản xuất là bao nhiêu để ta có thể tính toán sơ bộ tuổi bền của khuôn

3 Chu kỳ ép phun mất bao nhiêu thời gian

4 Nơi sản phẩm được sử dụng và được dùng vào việc gì

5 Dung sai lắp ghép giữa các sản phẩm ( nếu có)

6 Độ co rút của nhựa

7 Góc thoát khuôn là bao nhiêu thì phù hợp

8 Loại hệ thống kênh dẫn nào là phù hợp, kênh dẫn nguội, kênh dẫn nóng hay cả hai loại

9 Vị trí miệng phun, dòng chảy, đường hàn, nơi lói sản phẩm

10 Kích thước và kiểu miệng phun

11 Trên khuôn có khắc các hoa văn hay chữ không

12 Các chi tiết thay thế cho khuôn khi cần thiết

13 Các thông số của máy ép phun: kích cỡ, kích thước đầu phun, công suất làm dẻo

14 Tính tự động hóa của máy

15 Thời gian hoàn tất

16 Giá thành khuôn

2 Kết cấu chung của khuôn ép nhựa

- Hệ thống cấp nhựa

- Hệï thống dẫn hướng

- Hệ thống đẩy

- Hệ thống lõi mặt bên

- Hệ thống làm nguội và thoát khí

3 Sản phẩm thiết kế

Sản phẩm thiết kế trong đồ án là gối đỡ trong cần đẩy vali,

4 Chọn loại khuôn cho thiết kế

Sản phẩm gối đỡ này không yêu cầu về mặt thẩm mỹ và độ chính cao nên ta chọn kết cấu và loại khuôn đơn giản cho phù hợp với sản phẩm.

Khuôn ép cho sản phẩm là khuôn hai tấm sử dụng kênh dẫn nguội

5 Tính số lòng khuôn

Có nhiều cách tính số lòng khuôn, ở đây ta áp dụng tính số lòng khuôn dựa vào lực kẹp của máy ép:

P F

P S

n= ×

Trong đó:

- n: số lòng khuôn tối thiểu trên khuôn

- S(mm2): diện tích bề mặt sản phẩm

- P(Mpa): áp suất phun cựa đại trên máy ép

- Fp(N): lực khuôn lớn nhất trên máy ép

- S= 7500mm2; P=280 Mpa; Fp=80.000N

5 7 000 80

280 750

P S

Ta chọn số lòng khuôn là 2 thỏa yêu cầu

 Chọn kích thước 2 lòng khuôn:

- Khuôn trên: dài*rộng*dày= 280*200*45 (mm)

- Khuôn dưới: dài*rộng*dày= 280* 200*60 (mm)

Kiểm tra độ bền khuôn:

Ta có công thức kiểm tra độ bền:

[ ]

P F

δ = ≤ δ

Trong đó:

- P(N): lực ép khuôn:

- F(cm2): tiết diện cắt ngang của tấm khuôn

- δ ( Kg/cm²): giới hạn bền của vật liệu làm khuôn

- [ ]δ : giới hạn bền cho phép của vật liệu.( thép P20)

Ta có [ ]δ =1350Kg/cm²

Theo thông số máy ta có P=80.000KN=80.000Kg

Ta có diện tích tấm khuôn là:

[ ]

P F

δ = ≤ δ ⇒ F≥[ ]δP ⇔F≥80000/1350= 60cm²Mà : F=60x 200=120.00mm²=120 cm²

Vậy với tiết diện thiết kế trên đủ điều kiện bền cho khuôn

6 Thiết kế hệ thống dẫn nhựa

6.1 Cuống phun

Theo lý thuyết tính toán ở chương 2 kích thước cuống phun được thiết kế theo

tiêu chuẩn JSC:

6.2 Kênh dẫn

Ta chọn kênh dẫn nguội với tiết diện cắt ngang là hình tròn

Kích thước kênh dẫn nguội:

7 3

4

1 2

1

L W

Trong đó: D (mm): là đường kính kênh dẫn

W(gam) : là khối lượng sản phẩm L(mm) : là chiều dài kênh dẫn

Thể tích sản phẩm tính theo phần mềm Modex 3D R9.0 bằng 58.1624 cc

Mà khối lượng sản phẩm:

W=V*d với d là trọng lượng riêng và V là thể tích

W=58*0.9=52 g

mm L

W

7 3

115 52 7

3

4

1 2

1 4

1 2 1

Chọn đường kính kênh dẫn 6mm

Thể tích runner: 6 cc

Trong các loại kênh dẫn kênh dâûn tròn đạt hiệu quả cao nhất trong quá trình dẫn nhựa và việc gia công tương đối đơn giản nên ta chọn kênh dẫn tròn

6.3 Miệng phun

Khuôn thiết kế sản phẩm nằm toàn bộ về phía phần khuôn dưới (cavity) nên ta chọn miêng phun kiểu cạnh chỉ phun vào lòng khuôn phía bên khuôn dưới

Bố trí lòng khuôn, kênh dẫn và cổng phun:

7 Hệ thống dẫn hướng

7.1 Chốt dẫn hướng

Chốt dẫn hướng thường có hai loại, loại có vai và loại không vai Ở đây ta chọn loại không vai

Kích thước chốt dẫn hướng:

Tính kích thước chốt dẫn hướng:

- Khối lượng khuôn trên (core): 15kg

- Khối lượng cho mỗi chốt là: 15/4= 3.75kg (vì làm 4 chốt dẫn hướng)

- Momen uốn tác dụng lên chốt:

M= G*l= M*g*l= 3.75*9.8*90=3307.5 NmmM(kg): khối l lượng khuôn trên

g(m/s2): lực trọng trườngl(mm): chiều dài chốtTiết diện chịu lực tại mặt cắùt nguy hiểm:

σ

Với đề tài ta chọn đường kính chốt 16 là hợp lý, thỏa điều kiện bền

7.2 Bạc dẫn hướng

Bạc dẫn hướng có hai loại không vai và loại có vai, trong đề tài chọn loại có vaiKích thước bạc dẫn hướng:

8 Hệ thống lõi mặt bên

Hệ thống lõi mặt bên có nhiều loại có thể sử dụng cho khuôn này, với hình dáng chi tiết trong đề tài chọn hệ thống lõi mặt bên sử dụng cam trượt và xilanh thủy lực đẩy cam ra vào

Một số loại xilanh thủy lực:

Lực ép của xilanh:

F= P*AVới F(N): lực ép của xilanh

P(kgf/cm2): Aùp suất dầu cấp trên máy ép phunA(cm2): Tiết diện của piston

A=π×r2=π × 20 2 = 1256mm2=12.56 cm2

r: bán kính trong của xilanh

P=6 Bar= 61.18 (kgf/cm2)

F= 61.18x12.56= 768.42 (kgf)Để xilanh sau khi kẹp giữ được cam thì ta cần phải có lực kẹp của xilanh lớn hơn lực do áp suất của dòng chảy trong khuôn tác động lên cam

Theo kết quả phân tích bằng phần mềm Modex 3D bên phần CAE thì áp suất dòng nhựa trong khuôn là 60Mpa= 600Bar= 611.83 kgf/cm2 (theo kết quả chuyển đổi bằng phần mềm) Vậy lực kẹp của xilanh thỏa điều kiện của áp suất phun trong khuôn

Bản vẽ cấu tạo xilanh:

Hành trình của xilanh:

Theo kích thước thiết kế ta chọn hành trình ra vào của xilanh là 44 mm để đảm bảo cam ra vào hợp lý trong khuôn

9 Hệ thống làm nguội khuôn

Hệ thống làm nguội trong khuôn thiết kế chọn làm nguội bằng nước với 4 đường nước ở khuôn dưới (cavity) và hai dường nước khuôn trên đường kính 8mm

Để tăng hiệu suất làm nguội trong khuôn kênh dẫn nước làm nguội thiết kế sao cho dòng chảy của nước luôn là dòng chảy rối Để tạo dòng chảy rối tốt ta nối cho các đường nước tuần hoàn trong mỗi lòng khuôn hoặc nối nối tiếp các đường nước trong một lòng khuôn

10 Hệ thống đẩy

Hệ thống đẩy bao gồm chốt hồi và ty lói sản phẩm

 Tính kích thước chốt hồi

Khối lượng cho mỗi chốt chịu là: 6.5/4= 1.625kg (vì làm 4 chốt hồi)

Momen uốn tác dụng lên chốt: