Đồ án Quy trình công nghệ chế tạo nắp che động cơ ôtô bằng phương pháp RTM

Ta phải quan tâm tới tính chất cơ học của khuôn vì khuôn phải đủ cứng vững để chịu được các lực tác động như : lực đóng khuôn ,áp suất nhựa trong quá trình bơm ,quá trình di chuyển khuôn

I Thiết kế khuôn và các thiết bị liên quan

Quá trình công nghệ RTM bao gồm việc dùng máy hút để hút chuyển nhựa vào trong khuôn và hút hết bọt khí xuất hiện trong lòng sản phẩm , nhằm đảm bảo yêu cầu kỹ thuật cho sản phẩm Do đó việc tính toán thiết kế bao gồm : +Chọn vật liệu chế tạo khuôn

+Tính toán thiết kế đường ống dẫn nhựa và hút nhựa

+ Tính toán thiết kế khuôn bao gồm cả vị trí đặt ống dẫn và ống hút

+Tính toán thiết kế máy hút ,việc điều chỉnh áp suất hút thế nào là phù hợp

1. Lựa chọn vật liệu khuôn

Để quyết định chọn lựa vật liệu khuôn ,ta cần quan tâm tới tính chất cơ học ,hóa học của vật liệu Việc sử dụng vật liệu mà có khả năng phản ứng hóa học với nhựa và chất xúc tác là điều cấm kỵ Ngoài ra vật liệu phải có khả năng chống ăn mòn và bền

về mặt cơ lý trong quá trình sản xuất sản phẩm

Ta phải quan tâm tới tính chất cơ học của khuôn vì khuôn phải đủ cứng vững để chịu được các lực tác động như : lực đóng khuôn ,áp suất nhựa trong quá trình bơm ,quá trình di chuyển khuôn , Ngoài ra vật liệu làm khuôn phải có khả năng chống lại các tác động có thể có trong quá trình xử lý khuôn Ví dụ như có thể tình cờ làm rơi các dụng cụ lên khuôn ,thực hiện bơm nhựa trong khi di chuyển khuôn ,…

Tỉ trọng của vật liệu cũng rất quan trọng vì nó ảnh hưởng tới khối lượng của khuôn Với những khuôn lớn ,nên tránh lựa chọn những vật liệu có tỉ trọng lớn Điều này rất quan trọng nếu như việc sử dụng khuôn trong quá trình sản xuất là bằng tay

Quá trình sản xuất … ảnh hưởng đến thời gian gia công ,kích thước dung sai ,độ nhám bề mặt

Những vật liệu thường được lựa chọn để chế tạo khuôn là thép ,nhôm ,sắt đúc ,GFR (Nhựa được gia cường sợi thủy tinh ) ,CFR (Nhựa được gia cường sợi

+Bề mặt làm việc tốt

+Tương thích với hầu hết các loại nhựa

*Nhược điểm : + Chi phí cao ,chỉ phù hợp với những khuôn loại nhỏ ,hình dáng phức tạp sản xuất với khối lượng lớn

+ Thép có khối lượng riêng cao hơn so với các loại vật liệu khác.

+ Nhiệt độ khuyếc tán của thép là quá thấp ,những kênh làm mát hoặc gia nhiệt luôn phải được gia công thêm nên giá thành khuôn sẽ cao

+ Cho dung sai nhỏ khi gia công

+ Việc gia công khuôn có thể hkông cần thiết nếu trong quá trình đúc đạt được mức độ yêu cầu Điều này dẫn đến chi phí khuôn giảm đi

*Nhược điểm : + Bề mặt không tốt như khuôn bằng nhôm hay thép

+ Tính dẫn nhiệt kém ,luôn phải thiết kế thêm kênh dẫn nhiệt + Bề mặt dễ bị khuyết tật do môi trường ăn mòn

+ Khối lượng riêng lớn

d)Nhựa được gia cường thêm sợi thủy tinh :

*Ưu điểm : + Chi phí rất thấp

+ Phù hợp với sản xuất với sản lượng thấp Nếu môi trường làm việc chịu nhiệt độ cao và áp suất lớn thì không nên sử dụng bằng vật liệu này

*Nhược điểm : + Có thể dễ dàng bị hỏng hay trầy xước do tác động của quá trình xử lý

+ Quá trình đóng rắn khó kiểm soát làm cho dung sai của sản phẩm lớn

+ Không chịu được nhiệt độ và áp suất cao

e) Nhựa được gia cường thêm sợi carbon :

*Ưu điểm : +Cơ tính tốt hơn so với nhựa được gia cường bằng sợi thủy tinh

+Tuổi thọ làm việc lâu hơn sovới nhựa được gia cường bằng sợi thủy tinh.

+Tương thích hóa học với bất kỳ loại nhựa nào.

+Dung sai kích thước tốt hơn

*Nhược điểm : + Rất khó để chế tạo ra những chi tiết có hình dáng phức tạp f) Gốm :

*Ưu điểm : +Tương thích với bất kỳ chất nhựa và dung môi nào

+Có thể làm việc ở nhiệt độ cao

Hình dưới cho thấy tính chất cơ lý của những vật liệu ở trên

Nhìn vào bảng ta thấy cơ tính của vật liệu nhựa được gia cường thêm sợi thủy tinh

là lớn nhất Giá thành của vật liệu này hoàn toàn không cao Mặt khác ,khuôn có kích thước khá lớn ,và việc chế tạo sản phẩm không hoàn toàn tự động nên để thuận tiện ,an toàn trong quá trình sản xuất ,vật liệu có khối lượng riêng nhẹ sẽ thích hợp hơn Vậy vật liệu ta lựa chọn làm khuôn là nhựa PEKN được gia cường thêm sợi thủy tinh

* Steel alloy 1040

** Alloy 2024

*** Grade G3000

**** E glass fibers-epoxy matrix (Vf = 0.60)

***** High modulus carbon fibers-epoxy matrix ( Vf = 0.60)

n Vf

h

ρ ρ

=

Vf =

Trong đó : + n là số lượng lớp sợi trong khuôn

+ ρ :mật độ sợi trong một tấm sợi [kg/m2]

+ ρ’ :mật độ sợi tre [kg/m3]

+ h :bề dày tương đối của chi tiết [m]

Có nhiều loại sợi tre ,mật độ của nó từ kg/m3 đến kg/m3 Việc ứng dụng sợi tre trong quá trình làm thực tế là khoảng kg/m3

Chi tiết nắp che động cơ có bề dày trung bình là h= 50mm=0,05mm Số lớp tre trong khuôn n = lớp Vậy ta tính được tỉ lệ khối lượng sợi Vf=

Áp lực chất lỏng bên trong khoang khuôn khi bơm nhựa vào phụ thuộc vào nhiều yếu tố như độ thẩm thấu vào sợi của nhựa ,độ nhớt của nhựa ,lưu lượng dòng chảy của chất lỏng ,kích thước của khoang khuôn Áp lực trong khuôn có thể thay đổi từ vài kPa đến vài trăm kPa Hầu hết các máy hút đều có khả năng hút ở áp suất không đổi Áp lực của khuôn được bị ảnh hưởng của việc rò rỉ khí trong khuôn ,hở đường ống dẫn Áp lực kẹp khuôn phải có độ lớn ít nhất bằng tổng áp lực nén sợi và áp suất hút nhựa Hệ thống kẹp khuôn được đề cập đến dưới đây

2. Thiết kế đường ống dẫn và hút nhựa

Để thiết kế đường ống đạt tiêu chuẩn kỹ thuật sao cho thuận lợi cho việc tínhtoán sau này ,ta sẽ ứng dụng những lý thuyết về dòng chảy trong quá trình RTM

+Chất lỏng Newton : Là dung dịch chất lỏng không chứa các phần tử lớn hơn kích thước phân tử chính

+Chất lỏng phi Newton :Là dung dịch chứa đáng kể các phân tử có kích thước phân tử lớn hơn kích thước phân tử chính

Do dòng chảy nhựa là hỗn hợp nhựa PEKN ,Styren và chất đóng rắn nên dòng chảy này là dòng chảy Newton Mặt khác ,trong quá trình RTM ,do nhựa di chuyển trong khuôn ,nó sẽ thấm vào sợi vì vậy dòng nhựa chảy trongkhuôn phải tuân theo định luật Dracy :

+ µ

là độ nhớt nhựa + K là hệ số độ thấm của sợi

+ ∇P là Gradient áp suất (Tức P đầu ra –P đầu vào khuôn )

Để dòng nhựa chảy trong khuôn tuân theo định luật Dracy thì dòng nhựa chảy trong ống dẫn trước khi vào khuôn phải là dòng chảy tầng Để đảm bảo các yêu cầu về kỹ thuật ,dòng chảy tầng đó phải có hệ số Reynold nhỏ hơn

1 Nếu ta thay đổi chiều dài và đường kính của đường ống thì những yếu tố của dòng chảy sẽ thay đổi

Quá trình RTM xảy ra dưới sự tác động của nhiều yếu tố như cấu trúc hình học của khuôn, thuộc tính của sợi (độ chịu thấm của sợi ,độ dai của sợi,…), tínhchất của nhựa, … Có nhiều biến số trong quá trình RTM như áp lực hút ,vị trí

và số lượng của miệng hút , nhiệt độ khi hút

Nhựa khi chảy trong đường ống phải là dòng chảy tầng và hệ số Reynold đóng vai trò rất quan trọng Ta có công thức tính hệ số Reynold :

Re =

.v D h

ρ µ

(2)Trong đó : + ρ

Mật độ chất lỏng của nhựa + v Vận tốc chất lỏng

+ µ

Độ nhớt chất lỏng + h

D

Đường kính ống Các khe hở của mat là rất nhỏ so với kích thước của khuôn và độ căng bề mặt được bỏ qua, dòng chảy trong quá trình có thể được mô tả theo định luật dòng chảy Newton :

(+) Thiết kế ống dẫn

Trong quá trình RTM đường ống được nối từ bình chứa nhựa tới

khuôn,nhựa sẽ chảy từ bình chứa vào trong khuôn Để nghiên cứu tác động của đường ống tới quá trình này ,ta thiết kế đường ống như Hình1

Hình 1: Dạng đường ống

Ở hình 2,ta xét những hình dạng khác nhau của đường ống ,đầu vào sẽ chia thành các chiều dài 50mm ,100mm ,150mm ,200mm với các bán kính có thể là 5mm ,8mm ,10mm ,12mm Đoạn chuyển đổi 20mm Đầu ra sẽ chia thành các chiều dài 20mm ,60mm với các bán kính có thể là 3mm ,5mm ,8mm

Hình 2 : Mô hình dòng chảy nhựa

Để chứng minh cho quá trình tính toán ,không giảm tổng quát ta chọn chiều dài đoạn đầu vào là 50mm với bán kính 5mm ,chiều dài đoạn chuyển đổi

là 20mm ,chiều dài đầu ra là 20mm với bán kính 3mm Ta sẽ tìm hiểu mối quan

hệ giữa tốc độ của đường ống ở đầu ra ,đường kính ống, chiều dài ống tác động thế nào tới hệ số Reynold Giả sử rằng mật độ và độ nhớt của nhựa đã biết và là hằng số

ρ

=

3 3

A B'

C C'

Vi Tri Nay Toc Do Nhua Max

A : Vị trí có đường kính 0mm

B ,B’ : Vị trí có đường kính 1,5 mm

C ,C’ : Vị trí có đường kính 3mm

Hình 3 : Mối quan hệ của đường kính ống và tốc độ dòng chảy

Từ mối quan hệ trong hình trên ta thấy rằng ở vị trí 1,5mm thì tốc độ tối đa là41,939 mm/s Giả sử vận tốc dòng chảy đạt giá trị lớn nhất bằng vận tốc của dòng chảy ở vị trí có bán kính 3mm ,ta thay vào phương trình (2) để tính hệ số Reynold cho phù hợp quá trình RTM

Tốc độ dòng chảy và tỉ lệ đường kính ống dẫn cũng có mối quan hệ như hình

vẽ 4 Quan hệ của chúng theo hàm số :

Y = -0,47953 + 25,61355 X

là hằng số thì khi mà đường kính đầu ra là 6mm ,10mm ,15mm thì ta có mối liên hệ giữa tốc độ dòng chảy nhựa ở đầu ra và hệ số Reynold như hình vẽ 5.

Hình 5: Quan hệ giữa tốc độ đầu ra và hệ số Reynold

Quan hệ của chúng như sau : + 6mm : Y = 2,85239 10^-6 + 0,00144 X + 10mm : Y = -1,05055 10^– 6 + 0,0024 X + 16mm : Y = 7,97777 10^– 7 + 0,00384 X

Theo các công thức trên thì hệ số Reynold đều nhỏ hơn 1 Bằng cách này

ta có thể dễ dàng thay đổi ống dẫn nhựa cho những thí nghiệm khác nhau để điều khiển tốc độ dòng chảy nhựa tốt hơn

KẾT LUẬN : Trong quá trình RTM ,nhựa chảy trong ống dẫn phải phù hợp với hệ số Reynold ( Re<1 )

Bằng cách thay đổi chiều dài và đường kính của đầu vào và đầu ra tốc độ ởđầu ra cho ta 4 phương trình ở trên Thông qua 4 phương trình này ta có thể tính toán được kích thước đường ống ,tốc độ nhựa ở đầu ra ( tức tốc độ nhựa lúcvào trong khuôn) và hệ số Reynold để đảm bảo các yêu cầu kỹ thuật cho ra các sản phẩm phù hợp

Ví dụ :

Khi đường kính của đầu vào là 6mm ,10mm ,16mm ,20mm

+ Đường kính đầu (b) là 6mm thì tốc độ phải được giới hạn từ 0- 700mm/s.Vì nếu tốc độ vượt quá giới hạn trên thì Re >1

+ Đường kính đầu (b) là 10mm thì tốc độ phải được giới hạn từ 0-

3. Tính toán thiết kế khuôn :

Chi tiết : Nắp che động cơ ô tô

C C B B

Lựa chọn vật liệu chế tạo : +Như đã nói ở trên ,việc dần thay thế sợi thủy tinhbằng sợi thực vật là xu hướng tất yếu trong những năm tới Vì thế chi tiết được làm từ nhự PEKN được gia cường thêm bằng sợi tre

Lựa chọn phương pháp : + Phương pháp RTM là phương pháp đơn giản ,dể làm ,chi phí thấp nên đã được áp dụng rất rộng rãi trên thế giới,nhưng còn khá mới mẻ ở Việt Nam Do đó việc nghiên cứu và phát triển công nghệ này đang rất được quan tâm ở nước ta Chi tiết nắp che động cơ ô tô không đòi hỏi yêu cầu kỹ thuật cao như những chi tiết khác trong xe ô tô như các chi tiết nội ,ngoại

thất ,nên việc sử dụng công nghệ RTM để chế tạo chi tiết là có thể thực hiện được

Lựa chọn vật liệu khuôn : +Có hai loại vật liệu làm khuôn : khuôn kim loại vàkhuôn composite Chi tiết có kích thước khá lớn ,việc chế tạo khuôn bằng kim loại đòi hỏi chi phí về vật liệu và chi phí gia công cao Trong khi việc chế tạo khuôn bằng composite khá đơn giản mà chi phí lại bình thường.Khuôn được sử dụng nhiều lần nên phải đảm bảo độ bền theo thời gian

Vì cơ tính rất tốt của sợi thủy tinh nên ta chọn vật liệu là nhựa PEKN được gia cường thêm bằng sợi thủy tinh

Yêu cầu kỹ thuật của khuôn : +Từ hình dáng thiết kế của chi tiết ,khuôn phải đáp ứng đúng các yêu cầu hình học của chi tiết như góc lượn ,độ dốc,.v.v

(*) Tính toán vị trí đặt đầu ống hút và ống dẫn nhựa trên khuôn :

(a) Tính toán vị trí đặt ống dẫn nhựa vào khuôn:

Để biết vị trí đặt ống dẫn ,ta cần quan tâm tới lưu lượng dòng chảy vào

khuôn tại mỗi vị trí của khuôn

Tổng lưu lượng dòng chảy tuân theo định luật Darcy :

. p x

d K v

n d

=

Trong đó : + v là vận tốc dòng chảy lúc vào khuôn

+ K là độ thấm ướt của sợi

+ n là độ nhớt của nhựa

+

p x

x

d K V

n d

=

;

. p z z

z

d K V

n d

=

Tính thẩm thấu có thể khác nhau đáng kể giữa các loại vật liệu Nếu sợi gia cường định hướng ngẫu nhiên thì cho Vf % thấp còn nếu định hướng 1 chiều thì

cho Vf% cao Độ thẩm thấu của sợi theo hướng Z thường được bỏ qua ,thậm chíđối với khuôn tương đối dày độ thẩm thấu theo hướng này cũng được bỏ qua Nhiều sợi gia cường được đan thành tấm (như sợi thủy tinh ) cũng có thể được coi là cơ bản đẳng hướng trong mặt phẳng nhìn từ khái niệm thẩm thấu Bỏ qua tính dị hướng của chúng,những tấm sợi gia cường (mà thường gọi là tấm mat )

sẽ đưa ra một cách tổng quát mô hình dòng chảy cơ bản trong khuôn Giả sử bềmặt thấm là như nhau theo mọi hướng Ta có phương trình :

2

(1 )

C n L Vf T

P K

−

=

Trong đó : + T là thời gian thẩm thấu nhựa vào sợi

+ L là chiều dài đặc trưng của khuôn ( Hay chiều dài trung bình của khuôn)

+ C là hằng số phụ thuộc lựa chọn ban đầu

Với đầu ống dẫn đặt ở cạnh thì C =1/4

Với đầu ống dẫn đặt ở vị trí các góc của khuôn thì C =1/6

Với đầu ống dẫn đặt ở vị trí giữa khuôn thì hằng số C được tính

Nếu d =10% L thì C=0,9

Như vậy,với áp suất duy trì không đổi khi hút ta thấy rằng nếu đặt ống hút ở cácmép ngoài cùng (ở 4 góc nếu khuôn có dạng hình hộp) thì T sẽ nhanh gấp 4 lần

so với đặt ở cạnh khuôn Do đó trong đa số trường hợp ta sẽ đặt đầu vào nhựa ở

vị trí mép khuôn,chứ không đặt ở giữa khuôn

Vấn đề quan tâm khác là làm thế nào để biết được áp suất của nhựa phụ thuộc thế nào vào thời gian để kịp thời điều chỉnh máy cho phù hợp Hình 6 cho thấy

sự phân bố áp lực trong lòng khuôn ,nó thay đổi trong một chu kỳ bơm

Hình 6

Ta cũng sẽ thấy được sự thay đổi của áp lực tại một điểm trong khuôn Với một bề rộng khuôn phẳng và không đồng nhất ,ống dẫn đặt tại mép khuôn ,áp lực hút nhựa tại đầu ống hút là không đổi ,áp suất trong khuôn ở những vị trí khác nhau cho những giá trị khác nhau Hình 7 biểu diễn dạng chung của sự phân bố áp lực

(*) Ảnh hưởng của cấu trúc và Vf% của chất gia cường lên tính thấm

Phường trình Kozeny –Carman về mối liên hệ này :

2

(1 )

C d B K

B

=

− Trong đó : + C là hằng số

3 Tính toán máy hút chân không

Hiện tượng thấm ướt

Sự thấm ướt xảy ra một cách tự nhiên khi góc tiếp xúc giữa bề mặt bất kỳ và chất lỏng phảo nhỏ hơn 90 độ Trong trường hợp nhựa epoxy được gia cường thêm sợi C thì góc tiếp xúc phải nhỏ hơn 20 độ Bỏ qua những lực khác ,chỉ xem xét những gì xảy ra khi sự kéo của sợi gặp phải chất lỏng thấm ướt Lấy

một trường hợp giả định chỗ mà khối lượng nhựa tiếp xúc đều với sợi Ở thời điểm tiếp xúc đầu tiên ,sự tiếp xúc nằm ở vị trí tiếp tuyến với sợi Khi dòng chảy làm ướt sợi ,một hố lõm được hình thành và ban đầu làm ướt mặt trước và

di chuyển vào bên trong để giảm thiểu năng lượng bề mặt Hình vẽ

Điều này tương tự như mao dẫn tăng lên trong ống hẹp

Hình vẽ biểu thị khi nhựa tiếp xúc với bề mặt sợi và bắt đầu thấm ướt Dưới tác dụng của sức căng bề mặt ,các phân tử nhựa tiếp tục di chuyển vào bên trong cho đến khi hố lõm trở nên bằng phẳng và không tồn tại sự khác biệt về áp suất quanh bề mặt chất lỏng Ta có công thức về áp lực tồn tại trên

+ R1, R2 là bán kính khái quát hóa

Nếu R2 là vô hạn thì R1 có thể tính xấp xỉ bằng 0,5 lần khoảng cách giữa 2 sợi liên tiếp.Ví dụ với nhựa epoxy thì sức căng bề mặt là 40 dynes/cm và giả sử khoảng cách giữa 2 sợi liên tiếp bằng 0,4 lần bán kính sợi C (Vf% xấp xỏ bằng 63%) thì áp suất lớn nhất quanh bề mặt chất lỏng vào khoảng 28Kpa hay 4psi Ngoại trừ vị trí ở gần đầu chảy vào của nhựa ,áp suất tại đây vượt qua áp suất ở những chỗ khác Ngoài ra dòng chảy nhựa này cũng gây ra lực tác dụng có xu hướng co cụm tại từng nhóm sợi nhỏ Giả thiết ở mức vi mô,các sợi là hoàn toàn thẳng thì lực này nhanh chóng làm co cụm những sợi này với nhau và ngăncản hiệu quả dòng chảy nhựa tiếp tục thấm ướt vào trong Trong những nhóm sợi cục bộ đó ,nếu các sợi có sự không đẳng hướng với nhau thì chúng sẽ làm tăng khả năng không hướng tâm của các sợi ,điều này chống lại khả năng co