Nghiên cứu ứng dụng kỹ thuật CADCAM trong thiết kế chế tạo khuôn mẫu chính xác sử dụng phần mềm CADMEISTE

THIẾT KẾ KHUÔN ÉP NHỰA TRÊN PHẦN MỀM 3.1.2 Một số thanh công cụ chính sử dụng trong quá trình thiết kế 50 3.3 Ứng dụng Cadmeister thiết kế bộ khuôn cho sản phẩm “hộp điện” 63 3.3.1 Phân

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

-

DƯƠNG TIẾN CÔNG

Nghiên cứu ứng dụng kỹ thuật CAD/CAM trong thiết kế chế tạo khuôn mẫu

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN 3 LỜI CẢM ƠN 4 CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT 5

MỞ ĐẦU 10

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ CAD/CAM VÀ ỨNG DỤNG

1.2 Ứng dụng công nghệ CAD/CAM trong ngành chế tạo khuôn mẫu 17 1.2.1 Sự phát triển và ứng dụng trên thế giới 17

2.2 Một số loại chất dẻo thông dụng 21

2.4 Khuôn ép nhựa 29

2.4.3 Các yêu cầu kỹ thuật đối với khuôn ép nhựa 31

2.4.4 Các loại khuôn phổ biến 32

2.4.6 Các hệ thống của khuôn ép nhựa 34

CHƯƠNG III THIẾT KẾ KHUÔN ÉP NHỰA TRÊN PHẦN MỀM

3.1.2 Một số thanh công cụ chính sử dụng trong quá trình thiết kế 50

3.3 Ứng dụng Cadmeister thiết kế bộ khuôn cho sản phẩm “hộp điện” 63 3.3.1 Phân tích chọn điểm rót nhựa cho chi tiết 63

3.3.7 Gọi khuôn theo tiêu chuẩn 72

CHƯƠNG IV: LẬP TRÌNH GIA CÔNG PHAY CNC TẤM LÒNG KHUÔN,

PHỤ LỤC 85

LỜI CAM ĐOAN

Tác giả xin cam đoan rằng toàn bộ những kết quả đ−ợc trình bày trong luận văn với đề tài: “Nghiờn cứu ứng dụng kỹ thuật CAD/CAM trong thiết kế chế tạo khuụn mẫu chớnh xỏc sử dụng phần mềm CADMEISTER.” này là công trình do chính tác giả thực hiện và ch−a đ−ợc công bố trên bất kỳ một tạp chí nào Nếu

không đúng nh− vậy, tác giả xin hoàn toàn chịu trách nhiệm

Tỏc giả

Dương Tiến Cụng

LỜI CẢM ƠN

Tác giả xin chân thành cảm ơn PGS.TS Tăng Huy, người đã hướng dẫn và giúp

đỡ tận tình từ định hướng đề tài, tổ chức thực nghiệm đến quá trình viết và hoàn

chỉnh Luận văn

Tác giả bày tỏ lòng biết ơn đối với các thầy cô trong Bộ môn Chế tạo máy-

Viện Cơ khí – Đại học Bách Khoa Hà Nội Xin cảm ơn Ban lãnh đạo và Viện Sau

đại học của trường Đại học Bách Khoa Hà Nội đã tạo điều kiện thuận lợi để tôi

hoàn thành Luận văn này

Tác giả cũng chân thành cảm ơn ban lãnh đạo nhà trường và các thầy cô khoa

Cơ khí Trường Đại học sư phạm kỹ thuật Hưng Yên

Do năng lực bản thân còn nhiều hạn chế nên Luận văn không tránh khỏi sai sót,

tác giả rất mong nhận được sự đóng góp ý kiến của các thầy (cô) giáo, các nhà khoa

CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT

NC (Number Control) – Điều khiển số

CNC (Computer Numerical Control) – Điều khiển số có sự trợ giúp của máy tính MCU (Machine Control Unit) – Hệ điều khiển máy

CAD (Computer Aided Design) – Thiết kế có sự trợ giúp của máy tính

CAM (Computer Aided Manufacturing) - Chế tạo có sự trợ giúp của máy tính CAE (Computer Aided Enginering) - Thiết kế có sự trợ giúp của máy tính CIM (Computer Intergrated Manufacturing) - Hệ thống sản xuất tích hợp

CAPP - Computer Aided Process Planning

PHICS – Programers Hierarchica Graphic System

GKS-3D – Graphic Kernel System

CGI – Computer Graphic Interface

CGM – Computer Graphic Metafile

IGES – Initial Graphic Exchange Specification

SET – Standard Exchange transport

VDAFS-VAD – Flachenschnitt

PDES – Produce Data Exchange Specification

STEP – Standard for Exchange of Product Model Data

CAD-NT-CAD – Normteile

APT – Automatically Programmed Tools

MAP – Manufacturing Automation Protocol

TOP – Technical and Office Protocol

DNC – Direct Numerical Control

PPC – Production Planning Control

PVC - Polyvinilclorit

PVA – Polyvinylacetat

PVAL - Polyvinylalcol

PA - Polyamit

HỆ THỐNG DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

Hình 1.1- Sơ đồ lịch sử phát triển của hệ thống CAD/CAM 13Hình 1.2 - Quy trình xử lý thông tin trong kỹ thuật CAD/CAM-NC 14Hình 1.3 - Mức tiếp cận CAD/CAM với hệ phần cứng và phần mềm 15Hình 1.4 - Nguyên lý kỹ thuật CAD/ CAM-CNC 15Hình 1.5 - Tác động của hệ thống CAD tới khả năng tạo hình trong thiết kế 16Hình 1.6 - Khả năng phát hiện lỗi và chi phí cho việc khắc phục trong quá

Hình 2.2 - Hệ thống kẹp 25

Hình 2.5 - Giai đoạn bơm nhựa 27Hình 2.6 - Giai đoạn làm nguội 27Hình 2.7 - Giai đoạn lấy sản phẩm 27

Hình 2.9 - Khuôn 2 tấm 32Hình 2.10 - Khuôn 3 tấm 32Hình 2.11 - Khuôn nhiều tầng 32

Hình 2.13 - Số lượng sản phẩm trên một khuôn 33Hình 2.14 - Môt số loại chốt đẩy 34Hình 2.15 - Hệ thống cấp nhựa 35Hình 2.16 - Kênh dẫn nhựa cho bố trí lòng khuôn dạng hình chữ nhật 36Hình 2.17 - Kênh dẫn nhựa cho bố trí lòng khuôn dạng vòng tròn 37Hình 2.18 - Một số dạng miệng phun thường dùng 38Hình 2.19 - Hệ thống làm nguội khuôn bằng nước 39Hình 2.20 - Tháo lõi mặt bên bằng cam chốt xiên 40Hình 2.21 - Tháo lõi mặt bên bằng cam chân chó 40Hình 2.22 - Tháo lõi mặt bên bằng hệ thống thủy lực 40

Hình 2.23 - Tháo lõi mặt bên bằng hệ thống thanh đẩy xiên 41Hình 2.24 - Tháo lõi mặt bên bằng hệ thống đường dẫn cam 41Hình 2.25 - Hình ảnh một số lòng và lõi khuôn 42

Hình 3.8 – Chọn vật liệu cho sản phẩm nhựa 64Hình 3.9 – Phân tích điểm rót nhựa trên MoldFlow 65Hình 3.10 - Phân tích thời gian điền đầy lòng khuôn 65Hình 3.11 – Phân tích khả năng điền đầy lòng khuôn 66Hình 3.12 – Phân tích nhiệt độ dòng chảy tại các vị trí 66Hình 3.13 – Phân tích hướng mở khuôn cho sản phẩm hộp điện 67Hình 3.14 – Định nghĩa lại các bề mặt lòng khuôn và lõi khuôn 68Hình 3.15 – Đường phân khuôn và mặt phân khuôn của sản phẩm 69

Hình 3.17 – Tạo chốt lõi cho tấm lòng khuôn Cavity 71Hình 3.18 – Tạo Slide, chốt lõi, miếng ghép cho tấm lõi khuôn 71Hình 3.19 - Hệ thống làm mát cho một lòng khuôn (phần khuôn tĩnh) 73Hình 3.20 - Hệ thống làm mát cho hai lòng khuôn (phần khuôn tĩnh) 73

Hình 3.22 – Vị trí các chốt đẩy trên một lòng khuôn 74Hình 3.23 – Hệ thống đẩy sản phẩm 74

Hình 3.24 – Hệ thống dẫn hướng đẩy và hệ thống các trụ đỡ 74Hình 3.25 – Kết cấu phần khuôn động 75Hình 3.26 – Kết cấu phần khuôn tĩnh 75

Hình 3.28 – Hình ảnh tổng thể của bộ khuôn 76

Hình 4.3 - Chọn dao và chế độ cắt gọt cho nguyên công phay thô 3 và 4 79

Hình 4.4 – Kết quả gia công đạt được sau nguyên công 3 và 4 79

Hình 4.5 - Chọn dao và chế độ cắt gọt cho nguyên công phay 4 góc trên 80

Hình 4.6 – Kết quả gia công đạt được sau nguyên công 3 và 4 80

Hình 4.7 - Chọn dao và chế độ cắt gọt cho nguyên công phay kênh dẫn nhựa 81 Hình 4.8 – Kết quả gia công đạt được sau nguyên công 9 81

Hình 4.9 – Dụng cụ cắt và kết quả đạt được sau nguyên công 10 82

Hình 4.11 – Dụng cụ cắt và kết quả gia công mặt dưới tấm lõi 83

Hình 4.12 – Xuất chương trình NC sau khi lập trình gia công 84

MỞ ĐẦU

Công cuộc công nghiệp hóa hiện đại hóa đất nước trong những năm gần đây đang được đẩy nhanh - là một yêu cầu tất yếu cho sự phát triển của công nghiệp nói riêng và nền kinh tế nói chung Trong đó cơ khí hóa, tự động hóa trong các lĩnh vực sản xuất là một phần không thể thiếu của nền sản xuất hiện đại Là một học viên của ngành cơ khí tôi luôn không ngừng học hỏi, nghiên cứu, tiếp cận với các thiết bị, quy trình công nghệ cũng như ứng dụng các phần mềm CAD/CAM Bằng thực nghiệm và thí nghiệm trong quá trình giảng dạy tại các đơn vị trường học, cơ sở sản xuất tôi đã nắm bắt và hiểu rõ hơn về các thiết bị máy móc, công nghệ

Với sự phát triển không ngừng của khoa học kỹ thuật ngày nay, các máy công

cụ điều khiển số tự động và bán tự động hiện đang được sử dụng phổ biến tại hầu hết các nước Trong những năm gần đây các máy CNC được nhập vào Việt Nam với số lượng ngày càng nhiều Việc tìm hiểu khai thác khả năng công nghệ gia công trên máy CNC cũng như trên trung tâm gia công nhằm đạt hiệu quả kinh tế cao đang là nhiệm vụ cấp bách

Việc sử dụng các phần mềm CAD/CAM để khai thác tính ưu việt của các máy CNC là hết sức cần thiết Máy CNC giúp cho con người có thể gia công được những sản phẩm theo mong muốn mặc dù là rất phức tạp mà trước đây con người chưa thể gia công được Thiết kế và chế tạo khuôn nhựa không phải là một đề tài mới, tuy nhiên cùng với sự phát triển của các phần mềm CAD/CAM, công nghệ làm khuôn đã có những thay đổi rõ rệt Độ chính xác của khuôn ngày được nâng cao để đáp ứng yêu cầu của thị trường Hiện nay có rất nhiều phần mềm có modul thiết kế, gia công khuôn như Catia, Solid Edge, Cadmeister, Delcam, ProEngineer, Mastercam, Camtool… mỗi phần mềm đều có những thế mạnh riêng Phần mềm CAD/CAM tích hợp Cadmeister là phần mềm rất mạnh của Nhật Bản chuyên dụng cho thiết kế khuôn mẫu cho sản phẩm nhựa Hiện nay đã được nhiều công ty khuôn mẫu như TOHO, MARUSUN, NIPPON, HAL VIỆT NAM,… sử dụng phục vụ sản xuất và các Trường đại học trong nước như ĐH SPKT Hưng Yên, ĐH Công Nghiệp

Hà Nội, Cao đẳng Công Nghệ Thăng Long đưa vào chương trình đào tạo cho sinh viên nắm được các công nghệ mới trong ngành thiết kế khuôn mẫu nhựa Do đó dẫn

đến việc tác giả quyết định chọn đề tài: “Nghiên cứu ứng dụng kỹ thuật CAD/CAM

trong thiết kế chế tạo khuôn mẫu chính xác sử dụng phần mềm Cadmeister”

Trong đề tài luận văn tốt nghiệp này tác giả sẽ tiến hành thiết kế khuôn trên

modul Cadmeister - Mold và lập trình gia công lòng khuôn trên phần mềm

Mastercam

Lịch sử nghiên cứu: Nghiên cứu về ứng dụng phần mềm Cadmeister trong

thiết kế, chế tạo và gia công khuôn mẫu còn khá mới ở Việt Nam Có rất ít doanh nghiệp đang sử dụng phần mềm này, các tài liệu sử dụng phần mềm bằng tiếng Việt chưa có nhiều đặc biệt là modul thiết kế khuôn Mold

Mục đích nghiên cứu: Nghiên cứu tổng quan về CAD/CAM, công nghệ chất

dẻo, khuôn nhựa và ứng dụng phần mềm Cadmeister vào thiết kế và gia công khuôn nhựa trên máy CNC

Đối tượng nghiên cứu:

Đối tượng nghiên cứu của đề tài là công nghệ thiết kế khuôn trên phần mềm Cadmeister và lập trình gia công tấm lòng khuôn trên phần mềm gia công Mastercam

Ý nghĩa đề tài:

- Đưa ra cái nhìn tổng quan về CAD/CAM đặc biệt là trong sản xuất khuôn mẫu

- Giúp hiểu rõ hơn các tính năng ưu việt và đa dạng của phần mềm CAD/CAM- Cadmeister

- Sơ lược về quy trình thiết kế khuôn trên phần mềm Cadmeister và gia công khuôn mẫu trên phần mềm Mastercam

Phương pháp nghiên cứu:

- Nghiên cứu cơ sở lý thuyết về công nghệ chất dẻo, công nghệ thiết kế khuôn

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ CAD/CAM VÀ ỨNG DỤNG

TRONG NGÀNH CHẾ TẠO KHUÔN MẪU

1.1 Tổng quan về công nghệ CAD/CAM

1.1.1 Lịch sử phát triển của công nghệ CAD/CAM

Lịch sử phát triển của công nghệ CAD/CAM liên quan trực tiếp với sự phát triển của công nghệ máy tính Một trong những dự án quan trọng đầu tiên trong lĩnh vực đồ hoạ máy tính là dự án triển khai ngôn ngữ APT tại Học viện công nghệ Masschusetts vào giữa thập kỷ 50 của thế kỷ thứ 20 Chữ APT là viết tắt của thuật ngữ Automatically Programed Tools (Tạm hiểu là: Máy công cụ được lập trình tự động) Dự án này có quan hệ mật thiết với ý tưởng triển khai một phương thức thuận tiện để thông qua máy tính xác định các yếu tố hình học phục vụ cho việc lập trình cho máy công cụ điều khiển số

Từ những năm 60 của thế kỷ 20 nhiều tập đoàn công nghiệp như General Motors, IBM, Lockheed Georgia, Itek Corp… đã thực hiện các dự án về đồ hoạ máy tính Đến cuối thập kỷ 60 một số nhà cung cấp hệ thống CAD/CAM đã được thành lập trong đó phải kể đến hãng Calma vào năm 1968, Applicon và Computervision vào năm 1969 Các hãng này bán trọn gói theo kiểu chìa khoá trao tay trong đó có hầu hết hoặc toàn bộ phần cứng và phần mềm theo yêu cầu của khách hàng Một số hãng khác phát triển theo xu hướng cung cấp phần mềm đồ hoạ như hãng Par Hanratti mà công ty thành viên của nó đã cho ra đời AD2000…

Có thể nói đây là một trong những người mở đường tiêu biểu Ngày nay CAD/CAM đã thực sự trở thành một công nghệ có tốc độ phát triển cực kỳ nhanh chóng trên nhiều lĩnh vực khoa học và công nghệ khác nhau và cũng thật khó có thể liệt kê đầy đủ các hãng sản xuất và cung cấp dịch vụ, sản phẩm trong lĩnh vực này Trong lĩnh vực này phải kể đến một vài hãng quen thuộc như Soft Desk nổi tiếng với phần mềm đồ hoạ Autocad ra đời từ cuối năm 1982, hãng Gulf Publishing với các phần mềm thiết kế máy, hãng MTS với gói phần mềm MTS - CAD/CAM

Hệ tích hợp CAD/CAM ra đời vào giữa những năm 70 – 80 Ta có thể biểu diễn lịch sử phát triển của hệ thống CAD/CAM bằng sơ đồ sau đây:

Hình 1.1 Sơ đồ lịch sử phát triển của hệ thống CAD/CAM

1.1.2 Giới thiệu về CAD/CAM – CNC

Trong ngành Cơ khí đã có sự dịch chuyển từ tự động hoá các doanh nghiệp

có quy mô sản xuất lớn sang quy mô vừa và nhỏ, điều đó đã cho phép dễ dàng thực hiện linh hoạt hoá Với định hướng này, dây chuyền gia công chi tiết cơ khí có thể thực hiện theo một trong các phương án sau:

+ Phương án 1: Dùng máy vạn năng kết hợp gá lắp, điều chỉnh theo nhóm chi tiết + Phương án 2: Dùng máy chuyên dùng đơn giản có khả năng điều chỉnh theo nhóm chi tiết gia công

+ Phương án 3: Dùng các máy hay trung tâm gia công CNC theo giải pháp tập trung nguyên công, tự động hoá việc điều khiển theo hướng linh hoạt hoá và tự động hoá

Các thủ tục xử lý trong kỹ thuật CAD/CAM-CNC có thể khái quát qua sơ đồ hình1.3

Bắt đầu hệ thống CAD/CAM

Tạo lập mô hình học

(2D, 3D)

Tệp dữ liệu về máy CNC

Tệp vật liệu gia công Tệp dụng cụ cắt Tệp dữ liệu hình học

Gia công chi tiết trên

máy CNC

Xuất băng lỗ NC (ghi

chương trình gia công NC)

Chuẩn bị chương trình gia công NC

Tạo lập quỹ đạo dao

(Toolpath)

Đặt các điều kiện về

gia công (cắt gọt) Chọn dụng cụ cắt

Tạo lập bản vẽ chi

tiết

Hình 1.2 Quy trình xử lý thông tin trong kỹ thuật CAD/CAM-NC

Quá trình từ thiết kế đến chế tạo ra sản phẩm có sự đóng góp đắc lực của kỹ thuật CAD/CAM-CNC nhưng vai trò của con người trong đó có ý nghĩa quyết định Chương trình gia công NC, CNC dù có được xây dựng từ chuỗi liên thông thì cũng không thể đáp ứng với mọi loại máy, mọi loại vật liệu, mọi phương thức gia công

mà thể hiện rõ nhất là việc sử dụng chế độ cắt trên máy

1.1.3 Tích hợp CAD và CAM

¾ Các mức tiếp cận của kỹ thuật CAD/CAM-CNC:

CAD/CAM với hệ phần cứng và phần mềm được kết nối theo sơ đồ sau:

¾ Nguyên lý CAD/CAM – CNC

Sơ đồ nguyên lý của kỹ thuật CAD/CAM:

1.1.4 Mục tiêu và ý nghĩa của hệ thống CAD/CAM

Dòng thông tin chính trong một doanh nghiệp được xuất phát từ các lĩnh vực xác định khái niệm sản phẩm (thiết kế, cấu trúc, chuẩn bị gia công) đến các lĩnh vực gia công chế tạo sản phẩm Để cho chất lượng sản phẩm tốt hơn, thời gian sản xuất ngắn hơn, tính linh hoạt tăng lên và như vậy tính kinh tế, sự cạnh tranh cao hơn bắt buộc ở tất cả các khâu của quá trình sản xuất sản phẩm cần phải tìm và ứng dụng các khả năng quay vòng sản xuất

Giao diện dữ liệu (tiêu chuẩn/chuyên dụng)

Giao diện dữ liệu (tiêu chuẩn/chuyên dụng)

Hình 1.4 Nguyên lý kỹ thuật CAD/ CAM-CNC

(AUTO-DESK, SOFT-DESK…)

Máy công cụ CNC Robot (IR)

Trung tâm tế bào gia công CNC

FMS DESK…)

+ Cimatron + TRAUB + DENFORD + Master CAM + Heidenhain + Boxfort MTS, v.v…

Hình 1.3 – Mức tiếp cận CAD/CAM với hệ phần cứng và phần mềm

Ở hình 1.5 chỉ rõ ở phía bên trái việc thiết kế các kết cấu bằng tay do người

giàu kinh nghiệm thực hiện Việc làm thủ công này chiếm mất khoảng 50% Những công việc này hoàn toàn có thể mô tả bằng thuật toán dưới sự hỗ trợ của máy tính trong trường hợp định nghĩa sản phẩm bằng một hệ thống CAD/CAM

Thiết kế truyền thống Thiết kế với CAD/CAM

Hình 1.5 Tác động của hệ thống CAD tới khả năng tạo hình trong thiết kế

Thực chất mục đích ứng dụng kỹ thuật CAD/CAM ngày nay có thể nâng cao chất lượng sản phẩm Ở bước thứ nhất là phải nhận biết được các lỗi và giải quyết lỗi đó như vậy sẽ không làm ảnh hưởng đến công đoạn kế cận hay không ảnh hưởng đến các chức năng sản xuất sau này Làm như vậy sản phẩm sẽ ít có lỗi và giá thành

sản phẩm mới giảm, ở hình 1.6 cho thấy ý nghĩa của việc sử dụng thiết bị phát hiện

lỗi sớm

trong quá trình thiết kế

Hệ thống CAD/CAM có thể hỗ trợ nâng cao chất lượng sản phẩm qua:

- Tạo hình dáng chính xác cho sản phẩm và thuyết minh sản phẩm mới bằng sự

hỗ trợ của máy tính (Tạo mẫu cho sản phẩm nhanh và chính xác)

- Xây dựng tài liệu nhanh và chính xác (Tiêu chuẩn hoá và công nghệ chuẩn)

- Linh hoạt trong thiết kế và gia công

- Sử dụng CAD/CAM có khả năng sử dụng tiếp các dữ liệu sản xuất mà máy tính lưu dữ cho các công đoạn kế cận hay cho toàn bộ quá trình sản xuất sản phẩm (Ví

dụ truyền các dữ liệu về hình dạng hình học, cấu trúc của chi tiết đến công đoạn lập

kế hoạch sản xuất, gia công và lắp ráp )

- Các doanh nghiệp có trang bị CAD/CAM mạnh họ sẽ luôn có ưu thế trong việc cung cấp khối lượng lớn sản phẩm trong thời gian ngắn, các tài liệu của sản phẩm được đọc và viết dưới dạng số hoá, đôi khi ý nghĩa này được coi như nghĩa vụ trong việc sử dụng hệ thống CAD/CAM Khi các dữ liệu sản xuất hãy còn tồn tại trên máy mà ta sử dụng hệ thống CAD/CAM sẽ cho phép các doanh nghiệp tăng sức cạnh tranh

1.2 Ứng dụng công nghệ CAD/CAM trong ngành chế tạo khuôn mẫu

1.2.1 Sự phát triển và ứng dụng trên thế giới

Các nước có nền công nghiệp tiên tiến như: Nhật Bản, Hàn Quốc, Đài Loan,…

đã ứng dụng rộng rãi công nghệ CAD/CAM đặc biệt là trong ngành công nghiệp khuôn mẫu để nhanh chóng chuyển đổi các quá trình sản xuất theo kiểu truyền thống sang sản xuất công nghệ cao nhằm nâng cao chất lượng sản phẩm và phát huy tối đa năng lực thiết bị của mình

Việc ứng dụng công nghệ CAD/CAM trong ngành chế tạo khuôn mẫu hiện nay theo các hướng sau:

- Hoàn thiện phát triển phần cứng điều khiển số CNC Hướng này là sự kết hợp giữa Cơ – Tin – Điện tử và đã có kết quả rất tốt Các dây chuyền sản xuất đồng bộ với hàng loạt các thiết bị công nghiệp, máy công cụ có gắn hệ điều khiển CNC với

độ chính xác gia công cao Hãng Fanuc và Heidenhain là hai hãng nghiên cứu và

chế tạo hệ điều khiển CNC nổi tiếng nhất thế giới Phát triển phần mềm theo hướng đơn giản trong lập trình, tích hợp nhiều tính năng và giao diện thân thiện, linh hoạt hơn

- Xây dựng hệ thống phần mềm tích hợp CAD/CAM/CAE trợ giúp thiết kế và chế tạo khuôn mẫu, công nghệ thông tin được ứng dụng triệt để trong hướng phát triển này Các phần mềm nổi tiếng như Catia do hãng Dassaul Systemse viết, phần mềm Pro-Engineer do hãng Parametric Technology xây dựng và phát triển, một số phẩn mềm khác như Cimatron, Delcam, MasterCam Trong những năm gần đây Nhật Bản đã đưa ra phẩn mềm Cadmeister chuyên dùng cho ngành thiết kế chế tạo khuôn mẫu nhựa Hướng phát triển của hệ thống CAD/CAM sẽ là sự bổ sung các loại mô hình thiết kế, cập nhật thêm các phương pháp gia công chính xác và hiệu quả hơn

- Phát triển các phẩn mềm trợ giúp thiết kế tính toán, kiểm định và mô phỏng Hướng phát triển này khá mới mẻ và đang được ưu tiên đầu tư hàng đầu Lợi ích đáng kể nhất của phần mềm này là cho phép người sử dụng thiết kế nhanh hơn, chính xác hơn và đặc biệt là có thể giảm thiểu các sai sót trong khâu thiết kế và chế tạo Trong lĩnh vực khuôn mẫu có thể kể đến các thư viện chi tiết tiêu chuẩn trong khuôn được sản xuất bởi hàng trăm công ty lớn nhỏ để cung cấp cho các nhà chế tạo khuôn Tiêu chuẩn hóa các chi tiết đang là xu thế tất yếu trong các lĩnh vực chế tạo nói chung

- Ngoài ba hướng ứng dụng trên còn có một loạt các ứng dụng mới như: Công nghệ tạo mẫu nhanh, công nghệ Laser, công nghệ gia công tốc độ cao cũng đang được triển khai với quy mô quốc tế

1.2.2 Sự phát triển và ứng dụng tại Việt Nam

Các cơ sở sản xuất khuôn mẫu trong nước trước đây việc thiết kế và chế tạo khuôn chủ yếu dựa vào kinh nghiệm, tay nghề của thợ do đó khi gia công gặp nhiều trở ngại Trong những năm gần đây các công ty bắt đầu đầu tư phần mềm CAD/CAM để nâng cao độ chính xác, năng suất trong quá trình thiết kế và gia công khuôn Tuy nhiên việc đầu tư còn nhiều hạn chế do chi phi đầu tư cao nên chỉ có các doanh nghiệp lớn có thể đầu tư, còn đa số các doanh nghiệp nhỏ chỉ sử dụng các phần mềm miễn phí hoặc bản dùng thử không có bản quyền

Đội ngũ cán bộ sử dụng công nghệ CAD/CAM còn ít, trình độ còn hạn chế

do chưa được đào tạo bài bản Trang bị máy công cụ gia công điều khiển số CNC

để chế tạo khuôn mẫu ở các doanh nghiệp mới chỉ dừng lại ở một vài trung tâm phay CNC, tiện CNC và một vài thiết bị gia công CNC khác đều thuộc cỡ trung và nhỏ nên sản phẩm chế tạo ra mới chỉ là loạt nhỏ, đơn giản và không đồng đều về mặt chất lượng

Việc ứng dụng các phần mềm tích hợp CAD/CAM hiện này ngày càng phổ biến Các doanh nghiệp đã nhận thức được sức mạnh của công nghệ CAD/CAM trong việc chế tạo các loại khuôn mẫu có độ chính xác và phức tạp cao

Hiện nay công nghệ CAD/CAM đã được đưa vào đào tạo tại các trường đại học kỹ thuật với kiến thức công nghệ được cập nhật thường xuyên Tuy nhiên chất lượng đào tạo còn chưa thực sự cao do còn thiếu máy CNC để thực hành Bên cạnh

đó các trường dạy nghề và các viện nghiên cứu cũng góp phần đáng kể vào việc đào tạo công nhân kỹ thuật và kỹ sư

1.3 Kết luận

Công nghệ CAD/CAM – CNC là một bước nhảy vọt trong ngành công nghệ

Cơ khí, nó làm thay đổi về chất của nền sản xuất Cơ khí khi nó có bổ trợ của công nghệ thông tin và điện tử Rõ ràng khi có sự bổ trợ này thì tính tự động hóa trong thiết kế và gia công được nâng lên rất nhiều, giúp tăng hiệu quả kinh tế và giảm thiểu được sức lao động Để nắm bắt tốt được CAD/CAM – CNC thì ngoài những kiến thức rất tốt về công nghệ còn cần phải khai thác sâu về phần mềm thiết kế và gia công Với tốc độ phát triển nhanh chóng của ngành công nghiệp Cơ khí hiện nay đòi hỏi người làm công nghệ không chỉ nắm vững được những kiến thức cơ bản mà phải thường xuyên cập nhật kiến thức mới Chính vì vậy việc nắm bắt công nghệ CAD/CAM – CNC là một nhu cầu hết sức quan trọng, nhất là trong hoàn cảnh nước ta đang trong giai đoạn tiếp cận nền sản xuất hiện đại

CHƯƠNG II: CÔNG NGHỆ ĐÚC PHUN GIA CÔNG

VẬT LIỆU CHẤT DẺO

2.1 Vật liệu chất dẻo

2.1.1 Khái niệm về chất dẻo và Polyme

Chất dẻo là loại vật liệu hỗn hợp được tạo thành từ các Polyme cùng với các chất phụ gia phù hợp cho mục đích sử dụng như chất độn, chất gia cường, chất ổn định, chất bôi trơn, chất tạo màu,…

Polyme là hợp chất hữu cơ được hình thành do sự liên kết hóa học bền vững giữa các đơn vị Polymer với cấu trúc phân tử hoàn toàn giống nhau

Ví dụ: Polyetylen: nCH2 = CH2 → (- CH2 – CH2 -)n

Các đơn vị polymer (- CH2 – CH2 -) được gọi là các mắt xích của chuỗi mạch Độ lớn của mạch phân tử được xác định bằng phân tử lượng trung bình M hoặc độ trùng hợp trung bình P

Đặc tính chung của polymer:Polymer là loại vật liệu nhẹ (ρ = 0,8 – 2,2 g/cm3), mềm dẻo (E nhỏ), có khả năng thấu quang tốt, dễ bị thẩm thấu bởi các chất khí, dẫn nhiệt kém, dẫn điện kém, bền với hóa chất, có khả năng tái sử dụng cao (tái sinh, chất đốt), có nhiệt độ gia công thấp (2500 – 4000), được gia công bằng nhiều phương pháp (đùn, đúc phun, thổi, ép,…)

2.1.2 Phương pháp tổng hợp polymer

- Sự trùng hợp: Một số loại chất dẻo: Polyetylen, Polystyren, Polyvinylclorit,…

Với phương pháp này sau khi thực hiện phản ứng sẽ không có sự tạo thành sản phẩm phụ Yêu cầu để thực hiện là phải có liên kết đôi không bão hòa

- Sự trùng phối: Một số loại chất dẻo: Polyuretan, nhựa Epoxy,… Phương pháp này không xuất hiện các sản phẩm phụ có phân tử thường Trong phản ứng dùng hai chất đơn phân tử khác nhau Có sự đổi chỗ cho các nguyên tử Các nhóm chức trong Monomer thường là hai và nằm ở hai đầu phân tử Monomer

- Sự trùng ngưng: Phản ứng có sự tạo thành sản phẩm phụ (H2O) Các Monomer ban đầu có chứa các nhóm chức, số nhóm chức lớn hơn 2 Phản ứng cần cung cấp thêm nhiệt Ví dụ Phenol

- Đồng trùng hợp và các Polymer hỗn hợp: Phản ứng đồng trùng hợp là sự tham gia phản ứng trùng hợp của hai hoặc ba Monomer khác loại, chúng liên kết lại với nhau tạo ra polymer đồng trùng hợp Một số chất dẻo: ABS (bloc), SAN (ghép cấy), PVC (polyblend)

2.1.3 Phân loại polymer

- Theo cơ sở nguồn gốc nhận Polymer:

Polymer tự nhiên: cao su thiên nhiên, xelluloz và len

Polymer tổng hợp: tạo thành thông qua PƯHH: PP, PVC, Epoxy,

- Theo tính chất cơ lý đặc biệt: Nhựa nhân tạo, vật liệu có tính cao su, vật liệu tạo sợi, vật liệu tạo màng

- Theo cấu trúc hóa học, khả năng gia công và ứng dụng

Các Polymer mạch cácbon, mạch chính chỉ có nguyên tử C

Các Polymer mạch không đồng nhất, mạch chính còn có O, N, …

Các Polymer mạch vô cơ, mạch chính không chứa C

- Theo phương diện công nghệ:

Chất dẻo nhiệt dẻo

Ứng dụng của Polyetylen: Bọc dây điện, dây cáp do PE có tính cách điện cao, độ thấm hơi nhỏ; Sản xuất ống dẫn vì ống PE không bị ăn mòn, sức cản nhỏ khi có chất lỏng chảy qua, dễ lắp ráp, mềm, chịu lạnh tốt,…; Màng và tấm PE dùng để bao gói hàng, bảo vệ máy móc và các chi tiết máy, làm các khinh khí cầu, áo mưa, khăn trải bàn, mái che, ; Sản phẩm đúc phun: là phương pháp được áp dụng rộng rãi nhất để gia công sản phẩm định hình bằng vật liệu Polyetylen.

2.2.2 Polypropylen - PP

Là chất dẻo tinh thể, nhiệt độ gia công từ 200 – 280oC Áp suất đúc 8000 – 14000 N/cm2 Độ ngót 1 – 2,5%, bề dày sản phẩm tăng độ co ngót sản phẩm tăng Sau một khoảng thời gian ngắn sau khi lấy sản phẩm ra khỏi khuôn, sản phẩm có lượng co ngót lần hai Độ co ngót lần 2 xảy ra sau 6h đầu sau khi sản phẩm lấy ra khỏi khuôn Với việc giảm nhiệt độ vật liệu trong khuôn, tăng áp suất đúc, tăng thời gian bơm và thời gian duy trì vật liệu dưới áp suất thì độ co ngót lần 2 giảm

Nhiệt độ khuôn từ 40 – 70oC (có thể 90 – 100oC, tùy thuộc dạng sản phẩm, chế

độ gia công) Nhiệt độ khuôn cao dùng cho sản phẩm thành mỏng để giảm đến mức tối thiểu biến dạng, nhiệt độ khuôn cao bề mặt sản phẩm bóng PP nguội nhanh trong khuôn làm giảm thời gian làm mát sản phẩm

Ứng dụng của PP: sản xuất các loại vật dụng thông thường, sản phẩm gia dụng, vật dụng chất lượng cao, chi tiết công nghiệp, các loại van, vỏ acquy, chi tiết nhựa trong xe máy, ôtô, điện tử, nội thất cao cấp, hộp thực phẩm, bàn ghế, dùng cho bao

bì y tế, bao bì thực phẩm, xylanh tiêm

ủ ở nhiệt độ 65 – 85oC từ 1 – 3 giờ Sản phẩm từ PS nhìn chung dễ đẩy ra khỏi khuôn Đối với PS chưa được biến tính có độ giòn khá cao, cần thiết phải phân bố lực đẩy cho đều và đặc biệt ở những chỗ có gân cần phải vê tròn

Ứng dụng của PS: Nhựa PS dễ dàng gia công bằng phương pháp đúc phun chế tạo các sản phẩm định hình; Sản phẩm của công nghệ đùn: ống, thanh, băng, màng,

và sợi; Xốp Polystyren là loại vật liệu bên trong có nhiều lỗ hổng chứa không khí hoặc khí trơ khác, dẫn nhiệt kém nên được dùng để cách nhiệt các ống dẫn nước, trong máy lạnh Nhựa xốp PS có thêm bột than và bột kim loại sẽ dùng trong trường hợp hấp thụ tần số âm thanh cực cao

Sản phẩm thành dày từ PVC khó sản xuất vì chúng cần làm mát lâu Ngoài ra sản phẩm thành dày có độ co ngót lớn vì vậy thời gian duy trì áp suất lâu và cần tăng cường kênh rót Khi phân hủy PVC cứng thải ra khí acid vì vậy bề mặt khuôn cần mạ crôm hoặc phủ niken

Ứng dụng của PVC: PVC cứng thường được dùng để bọc lót lên kim loại, gỗ, bêtông trong các thiết bị và bể chứa Ống dẫn, tấm PVC cứng thường được gia công bằng phương pháp đùn, cán liên tục Các sản phẩm định hình như các chi tiết trong máy bơm, các bánh răng… thường được chế tạo bằng phương pháp đúc phun Dùng PVC mềm để sản xuất ra các sản phẩm có tính chất mềm mại như màng mỏng, lớp phủ, bột nhão, nhựa xốp, vải giả da,…

2.2.5 Polyamit - PA (Nylon)

Là chất dẻo tinh thể có nhiệt độ nóng chảy: 180 – 289oC, nhiệt độ làm mềm của

PA thấp hơn nhiệt độ nóng chảy 50 – 150oC Khi chuyển từ trạng thái rắn sang trạng thái lỏng, thể tích vật liệu tăng khoảng 15% Áp suất đúc 8000 – 10000 N/cm2 Nhiệt độ khuôn duy trì trong khoảng 60 – 120oC và cần phải điều chỉnh nghiêm ngặt để tránh cho vật liệu khỏi bị đông cứng trong kênh dẫn Cần thiết phải đảm bảo khuôn có nhiệt độ ổn định và đồng đều

Khó khăn khi gia công PA có liên quan đến trữ lượng độ ẩm cao (dễ hút ẩm), với độ ẩm môi trường 65% PA chứa tới 3% Trước khi nhập PA vào thùng liệu cần

sấy PA cẩn thận, sấy ở nhiệt độ 70 – 80oC trong thời gian 4 – 5h, sấy ở tủ sấy chân không nhiệt độ 80 – 90oC, áp suất chân không 2 – 3N/cm2 với thời gian 3h bề dày lớp sấy 25mm Sau khi sấy xong nên đóng gói cẩn thận Độ ẩm của vật liệu trong thùng liệu không được vượt quá 0,15 – 0,25% Nên dùng thùng đựng liệu có bộ

phận sấy để đựng vật liệu

Ứng dụng của PA: Sợi Polyamit: Vừa nhẹ, lại có độ bền mòn cao, bề mặt ngoài đẹp dùng để sản xuất vải nhung, vải quần áo, vải phủ bọc, cốt băng tải, bít tất, các loại lưới đánh cá, làm mành cho các lốp xe đạp, xe máy, ôtô và cả trong máy bay Ngoài ra PA còn được dùng nhiều trong ngành cơ khí chế tạo ra các loại chi tiết chịu ma sát: ổ trượt, vòng cách ổ lăn, thanh trượt và bánh răng,…

2.3 Máy đúc áp lực

2.3.1 Phân loại

Có nhiều cách phân loại máy đúc áp lực, nhưng phổ biến có một số cách phân loại sau:

+ Theo lực kẹp khuôn : Loại 50, 100, …, 8000 tấn

+ Theo trọng lượng sản phẩm một lần phun tối đa : 1, 5, 8, 10, …, 56, 120 oz + Theo loại pittông hay trục vít

+ Kiểu trục vít

+ Loại trục vít nằm ngang hay thẳng đứng

2.3.2 Cấu tạo

Máy ép phun gồm các bộ phận chính sau: Hệ thống kẹp, khuôn, hệ thống phun, hệ

thống thuỷ lực, hệ thống điều khiển

Hình 2.1 Mô hình máy ép phun

- Hệ thống kẹp: có tác dụng mở và đóng khuôn đồng thời hỗ trợ việc dịch

chuyển phần tử khuôn và tạo ra lực đủ lớn để giữ khuôn trong quá trình điền đầy khuôn đẩy sản phẩm ra khỏi khuôn Chuyển động của cụm thiết bị này là chuyển

động tịnh tiến, vậy mọi cơ cấu tạo ra chuyển động này đều được phép áp dụng

- Khuôn: bao gồm 2 thành phần cơ bản là nửa cố định và nửa khuôn di động

Nửa khuôn di động thường mang theo phần lõi khuôn, còn nửa khuôn cố định thường mang phần lòng khuôn Trong các tấm khuôn người ta bố trí hệ thống làm mát và kênh dẫn nhựa Ngoài ra còn các thanh nối và các bộ phận khác như hệ

thống gia nhiệt

- Hệ thống phun: Hệ thống phun bao gồm 3 bộ phận chính là phễu cấp liệu, xi

lanh nhiệt, trục vít, đầu trục vít và đầu phun

Hình 2.3 Mô hình trục vít + Phễu cấp liệu: Nhựa nhiệt dẻo được cấp vào dưới dạng những viên nhỏ

Phễu cấp liệu có tác dụng chứa những hạt vật liệu này Những hạt vật liệu nhỏ này

từ cửa của phễu cấp liệu đi vào trong xi lanh nhiệt

+ Xi lanh nhiệt: Xi lanh nhiệt gia nhiệt cho vật liệu làm cho vật liệu chảy

lỏng ra Nó được nung nóng bởi các may xo nhiệt

+ Trục vít: Trục vít bao gồm 3 đoạn:

Đoạn nhập liệu: Ở gần phễu nhập liệu dùng để chuyển nguyên vật

liệu về phía trước, ở cuối vùng này, nguyên liệu mềm và bắt đầu chảy (50%L)

Vùng nén ép: Ở giữa vít, dùng để nén ép nguyên liệu lỏng (25%L) Vùng định lượng:Trộn và tạo đồng nhất vật liệu trước khi phun vào

khuôn

+ Đầu phun: Là bộ phận gắn giữa đầu xi lanh và cuống phun của khuôn

Đầu phun phải có hình dạng thích hợp với sự chảy nguyên liệu và gắn chặt với cuống phun trong quá trình ép phun Lỗ đầu phun nên nhỏ hơn lỗ cuống phun ở khuôn Đầu phun có thể thay đổi và có vòng nhiệt riêng Do các loại nhựa có đặc điểm khác nhau nên đầu phun cũng có kết cấu khác nhau để giúp cho quá trình

phun nhựa vào khuôn được tốt nhất

- Hệ thống thủy lực: có nhiệm vụ cung cấp năng lượng để mở và đóng khuôn, giữ

tải trọng kẹp chặt, làm quay trục vít, và tạo lực cho chốt đẩy để tách khuôn Hệ thống thuỷ lực bao gồm bơm, van, động cơ thuỷ lực, hệ thống ống dẫn và hệ thống

chứa

- Hệ thống điều khiển: có tác dụng làm cho quá trình vận hành máy ổn định và lặp

đi lặp lại Hệ thống hiển thị và điều khiển các thông số của quá trình ép phun như: Nhiệt độ, áp suất, tốc độ phun, vị trí và tốc độ quay của trục vít, vị trí của hệ thống thuỷ lực Quá trình điều khiển ảnh hưởng trực tiếp đến chất lượng cuối cùng của sản phẩm và tính kinh tế

2.3.3 Chu trình đúc phun: diễn ra qua 3 giai đoạn chính:

- Giai đoạn 1: Nhựa hoá và chuyển hoá vật liệu sử dụng cho gia công ép phun

sang trạng thái nóng chảy Vật liệu chất dẻo được cho vào phễu định lượng và cấp

liệu đặt trên xi lanh của máy đi vào rãnh vít của trục vít nằm trong xi lanh Vật liệu nóng chảy được chuyển lên phía trước nhờ áp lực được hình thành trong quá trình

quay của trục vít đồng thời trục vít bị kéo lùi về phía sau Như vậy lượng vật liệu cần thiết để điền đầy khoang tạo hình của khuôn sẽ được tập kết ở khoảng trống phía trước trục vít

Hình 2.4 Quá trình nhựa hóa Hình 2.5 Giai đoạn bơm nhựa

- Giai đoạn 2: Điền đầy khuôn hay còn gọi là giai đoạn bơm nhựa Trong quá

trình điền đầy khuôn, dưới tác dụng của xi lanh thủy lực trục vít thực hiện chuyển dịch dọc trục về phía trước và đẩy khối vật liệu nóng chảy qua vòi phun vào khuôn

Xi lanh tiếp tục giữ áp lực phun trong quá trình làm nguội để đảm việc điền đầy

lòng khuôn

Hình 2.6 Giai đoạn làm nguội Hình 2.7 Giai đoạn lấy sản phẩm

- Giai đoạn 3: Lấy sản phẩm ra khỏi khuôn Sau khi sản phẩm nhựa đã được làm

nguội trong khuôn, nhờ xi lanh thủy lực thì hai nửa khuôn được tách ra và hệ thống

đẩy sẽ đẩy sản phẩm ra

2.3.4 Các thông số cơ bản của máy đúc phun

- Thể tích phun: Thông số này coi là thông số dữ liệu Hiện tồn tại các máy đúc

phun có thể tích đúc từ 2 ÷30.000cm3 Máy đúc phun thường hay sử dụng nhất là loại máy có thể tích 6, 125, 250, 500 cm3

- Tốc độ phun: Thông số này cần được đảm bảo là tối ưu, sao cho trong quá trình

điền đầy khuôn nó không đông cứng (có nghĩa với vận tốc không được quá nhỏ) và đồng thời cũng không lớn quá để xảy ra hiện tượng phân huỷ vật liệu do ma sát Tốc độ phun có đơn vị (cm3/s) Việc điều chỉnh tốc độ phun từ giá trị cực đại tới giá trị tối ưu được thực hiện bằng cách thay đổi lưu lượng chất lỏng trong hệ thống thuỷ lực

- Áp lực phun: Áp lực phun được ấn định khi máy hoạt động Nó được xác định

trong từng trường hợp cụ thể, có thể tính đến kết cấu khuôn, tính chất của vật liệu

và nhiệt độ gia công Áp lực cần thiết để điền đầy khuôn, phụ thuộc vào thời gian phun Áp lực phun cao được sử dụng khi sản xuất chi tiết có thành mỏng

- Diện tích ép: Là hình chiếu bề mặt chi tiết lên mặt khuôn Diện tích ép phun của

các sản phẩm khác nhau được gia công trên các máy có thể tích phun danh nghĩa xác định thì khác nhau.Diện tích ép được xác định cho loại chi tiết riêng biệt và nó

là một trong những thông số cơ bản của máy đúc phun Thông số này có ảnh hưởng tới lực kẹp khuôn, tới kích thước khuôn và tiếp theo là chỉ số kinh tế kỹ thuật của máy Khi xác định thông số này cần tính đến ảnh hưởng của nó tới khả năng sử dụng rộng rãi của máy để sản xuất các chi tiết khác nhau có cùng trọng lượng và ảnh hưởng đến chỉ số công nghệ kỹ thuật của máy

- Bàn kẹp: Bàn kẹp có ảnh hưởng rõ rệt tới trọng lượng của máy Khuôn được kẹp

trên bàn nhờ các lỗ ren hoặc các rãnh dọc chữ T hoặc các phương tiện khác nhau phân bố trên bàn kẹp Kết cấu bộ phận kẹp khuôn của máy được phân biệt theo số trục đỡ và sự bố trí của nó Đối với máy có thể tích đúc không lớn thường có hai trụ

đỡ phân bố theo phương ngang hoặc chéo

- Lực kẹp khuôn: Lực kẹp khuôn của máy được xác định bởi diện tích ép và sự

phân bố áp lực trong khuôn Lực kẹp khuôn có thể tính gần đúng theo biểu thức:

- Khoảng cách giữa các tấm kẹp và hành trình của tấm di động: Hai thông số

này phụ thuộc vào mặt hàng của sản phẩm đúc Khoảng cách lớn nhất giữa hai bàn kẹp khuôn và hành trình bàn di động sẽ quyết định đến chiều cao khuôn và tiếp điến chiều cao sản phẩm có thể ép được trên máy ép phun đã cho

2.4 Khuôn ép nhựa

2.4.1 Khái quát về khuôn

Khuôn là một dụng cụ để định hình một loại sản phẩm nhựa nó được thiết kế sao cho có thể sử dụng cho một số lượng chu trình yêu cầu Ta cũng có thể định nghĩa khuôn như sau: Khuôn là một cụm chi tiết gồm nhiều chi tiết lắp với nhau, ở

đó nhựa được phun vào, được làm nguội, rồi đẩy sản phẩm ra

Kích thước và kết cấu của khuôn phụ thuộc vào kích thước và hình dáng sản phẩm Sản lượng sản phẩm là một yếu tố quan trọng trong quá trình thiết kế khuôn, nếu yêu cầu sản xuất hàng loạt nhỏ thì không cần đến khuôn nhiều lòng khuôn hoặc khuôn có kết cấu cao cấp

Hai bước quan trọng nhất trong tính toán thiết kế khuôn là thiết kế sản phẩm

và thiết kế khuôn Bước đầu tiên trong thiết kế khuôn là có bản vẽ hoàn chỉnh về sản phẩm bao gồm: Dung sai (sai số cho phép) tốt nhất là sử dụng những sai số hình học để giảm những giá trị không rõ ràng, phác thảo các góc độ khác nhau, yêu cầu

kỹ thuật bề mặt và vật liệu Polymer được sử dụng Và một mẫu ban đầu hoặc mô hình 3D sẽ rất thuận lợi khi thiết kế Nếu chi tiết phức tạp hoặc mẫu đặc biệt thì có dùng máy tính để sử dụng các phần mềm có sẵn trên thị trường Bước tiếp theo là lựa chọn kiểu máy và kiểu khuôn, đây là bước quyết định đến số lượng sản phẩm

trong một lần đúc từ đó ảnh hưởng đến năng suất và sản lượng Khi chọn máy và kiểu khuôn cần lưu ý đến khối lượng phun của máy và thể tích lòng khuôn Trên cơ

sở kiểu khuôn đã chọn ta tiến hành thiết kế chi tiết: Chọn vị trí mặt phân khuôn, các tấm, cổng phun, các kênh dẫn nhựa, hệ thống đẩy sản phẩm, lõi…

2.4.2 Cấu tạo chung của khuôn

- Tấm kẹp trên: Tấm này có tác dụng kẹp chặt tấm khuôn trên và tấm kẹp trên

thành một khối và kẹp chặt cả khối này bàn tĩnh của máy ép nhựa

- Tấm khuôn trên: Là bộ phận quan trọng nhất vì nó là hình bao ngoài của sản phẩm Nó quyết định đến độ chính xác của khuôn cũng như độ chính xác của sản phẩm Bề mặt ngoài của sản phẩm đẹp hay xấu, chính xác hay không là phụ thuộc hoàn toàn vào khi ta gia công tấm khuôn này

Hình 2.8 Cấu tạo chung của khuôn

- Bộ định vị: Đảm bảo sự phù hợp giữu phần cố định và phần chuyển động của khuôn Nó bao gồm chốt định vị và bạc định vị

- Tấm đỡ: Giữ cho mảnh ghép của khuôn không bị rơi ra ngoài

- Thanh kê: Dùng làm phần ngăn giữa tấm đỡ và tấm kẹp phía dưới để cho giàn đẩy hoạt động được

- Tấm kẹp dưới: Tấm này kẹp toàn bộ cụm khuôn dưới thành một khối và kẹp

khối này vào bàn máy động của máy ép nhựa

- Chốt đẩy: Dùng để đẩy sản phẩm ra khỏi khuôn khi khuôn mở

- Tấm kẹp đẩy: Giữ chốt đẩy, chốt hồi, chốt giật cuống

- Tấm đẩy: Dùng để chặn các chốt lắp trên tấm kẹp đẩy trong quá trình đẩy sản phẩm ra ngoài không thể rơi các chốt ra được Tấm đẩy và tấm kẹp đẩy được bắt chặt thành một khối và được gọi là giàn đẩy Giàn đẩy nằm phía dưới khuôn dưới và trên tấm kẹp dưới

- Chốt hồi: Làm cho giàn đẩy có thể quay trở về khi khuôn đóng lại

- Trụ kê: Dẫn hướng chuyển động và đỡ cho tấm đẩy, tránh cho tấm khuôn khỏi

bị cong do áp lực đẩy cao, tăng tuổi thọ cho khuôn

- Tấm khuôn dưới: Là một bộ phận cũng rất quan trọng, nó là đường bao quyết định hình dáng bên trong của sản phẩm Khuôn dưới và khuôn trên kết hợp với nhau để tạo ra hình dáng hoàn chỉnh của chi tiết Khuôn trên là bộ phận đứng yên, khuôn dưới là bộ phận di động

2.4.3 Các yêu cầu kỹ thuật đối với khuôn ép nhựa

- Đảm bảo độ chính xác về kích thước, hình dáng biên dạng sản phẩm

- Đảm bảo độ bóng cần thiết cho cả lòng khuôn và lõi để đảm bảo độ bóng của sản phẩm

- Đảm bảo vị trí chính xác về tương quan giữa 2 nửa khuôn

- Đảm bảo lấy sản phẩm ra khỏi khuôn một cách dễ dàng

- Vật liệu chế tạo khuôn phải có tính chống mòn cao và dễ gia công

- Khuôn phải đảm bảo độ cứng khi làm việc tất cả bộ phận của khuôn không được biến dạng hoặc lệch khỏi vị trí cần thiết khi chịu lực ép lớn (vài trăm tấn)

- Khuôn phải có hệ thống làm lạnh bao quanh lòng khuôn sao cho lòng khuôn phải có nhiệt độ ổn định để vật liệu dễ điền đầy vào lòng khuôn và định hình nhanh chóng trong lòng khuôn từ đó rút ngắn chu kì ép và tăng năng suất

- Khuôn phải có kết cấu hợp lý không quá phức tạp sao cho phù hợp với khả năng công nghệ hiện có

2.4.4 Các loại khuôn phổ biến

- Khuôn 2 tấm

Có kết cấu đơn giản và thường được sử

dụng nhất Khi lấy sản phẩm thì chỉ có một

khoảng sáng nên còn được gọi là khuôn một

khoảng sáng, khi đó sản phẩm ra khỏi khuôn

nó dính liền với kênh dẫn nhựa và cổng

nhựa do đó cần phải có một công đoạn khác

để tách lấy riêng sản phẩm Tuy nhiên loại

khuôn này tiết kiệm được vật liệu do kênh

nhựa ngắn

- Khuôn 3 tấm

Có kết cấu phức tạp hơn khuôn 2

tấm Khi khuôn mở sẽ xuất hiện 2 khoảng

sáng, một khoảng để lấy sản phẩm, khoảng

sáng còn lại để lấy kênh dẫn nhựa Nghĩa là

kênh nhựa và cổng nhựa được tự động tách

ra khỏi sản phẩm khi mở khuôn Loại khuôn

này tốn vật liệu do kênh dẫn nhựa dài

- Khuôn nhiều tầng

Về kết cấu thường có 3 cụm khuôn

trong đó cụm khuôn ở giữa ở cả hai mặt là

lòng khuôn Khi khuôn mở sẽ tạo ra 2 khoảng

trống thì cả 2 khoảng đều để sản phẩm rơi ra

Loại khuôn này phù hợp với số lượng sản

Hình 2.10 Khuôn 3 tấm Hình 2.9 Khuôn 2 tấm

phẩm lớn, giảm lực kẹp của máy, tuy nhiên hệ thống đẩy rất phức tạp

- Khuôn tháo chốt ngang

Thông thường sản phẩm được

đẩy ra khỏi khuôn theo phương

đóng mở khuôn Tuy nhiên trên các

sản phẩm nếu có lỗ ngang hoặc

hõm ngang thì việc đẩy sản phẩm

không thể thực hiện được Muốn

lấy sản phẩm ra khỏi khuôn ta cần

phải rút các chi tiết tạo hõm ngang

hoặc lỗ ngang Vì vậy người ta gọi

là khuôn tháo chốt ngang Để tháo

chốt ngang có thể sử dụng chuyển

động mở khuôn thông qua việc

dùng chốt xiên hoặc dùng xilanh

thủy lực tạo chuyển động ngang

độc lập với việc mở khuôn

Hình 2.12 Khuôn có chốt tháo ngang

2.4.5 Số lượng sản phẩm trên một khuôn

- Khuôn 1 ổ: Trên khuôn chỉ có một khoang khuôn, cho ta 1 sản phẩm Thường

được dùng để sản xuất sản phẩm có kích thước lớn

- Khuôn nhiều ổ: Trên khuôn có nhiều khoang khuôn và cho ta nhiều sản phẩm 1

lượt Thường áp dụng cho sản phẩm có kích cỡ nhỏ và số lượng lớn

Hình 2.13 Số lượng sản phẩm trên một khuôn

2.4.6 Các hệ thống của khuôn ép nhựa

2.4.6.1 Hệ thống đẩy

- Có chức năng đẩy được sản phẩm ra khỏi khuôn sau khi mở khuôn và đẩy được

cả kênh dẫn nhựa Yêu cầu đối với hệ thống đẩy là phải dễ dàng đẩy rời hẳn sản phẩm ra khỏi khuôn nhưng không làm ảnh hưởng đến chất lượng và bề mặt sản phẩm vì vậy phải chọn phương pháp đẩy phù hợp với hình dáng của sản phẩm và vật liệu chế tạo sản phẩm Phải chọn số lượng và vị trí của chi tiết đẩy hợp lý mà không ảnh hưởng đến độ bền cơ học của khuôn

- Nguyên tắc thiết kế

+ Lực bám của sản phẩm khi đẩy F bám thực chất là lực ma sát giữa sản phẩm với bề mặt của lõi khuôn hoặc phần khuôn mà sản phẩm bao quanh Ma sát này xuất hiện do ứng suất dư sinh ra trong quá trình làm nguội sản phẩm Lực này phụ thuộc vào vật liệu chế tạo sản phẩm, diện tích, chất lượng, độ nghiêng của bề mặt tiếp xúc

+ Lực đẩy sản phẩm phụ thuộc vào diện tích tiếp xúc giữa chi tiết đẩy với bề mặt sản phẩm, phụ thuộc vào độ dày của sản phẩm tại chỗ tiếp xúc và vật liệu chế tạo ra sản phẩm Để đẩy được sản phẩm thì lực đẩy phải lớn hơn lực bám (Fđẩy > Fbám)

+ Ngoài ra vị trí đặt các chi tiết đẩy phải thật gần với thành sản phẩm ở nơi có lực bám lớn Vị trí của hệ thống đẩy đặt trên khuôn chủ yếu được bố trí ở nửa khuôn động Cũng có thể bố trí ở nửa khuôn tĩnh, khi đó ta phải thiết kế tấm kẹp tạo

ra lực dọc khi khuôn mở

- Phân loại hệ thống đẩy

+ Đẩy bằng chốt: Nếu bề mặt sản

phẩm rộng, bố trí nhiều chốt đẩy thì ta

phải đặt thêm các tấm đẩy hoặc trụ đỡ

để tránh cho khuôn khỏi bị hỏng Nếu

chốt nhỏ mà hành trình lớn thì để

tránh cong chốt phải đặt các trục dẫn hướng

+ Đẩy bằng lưỡi đẩy: Đối với các sản phẩm thành mỏng bắt buộc phải đẩy vào thành thì chốt đẩy hình tròn sẽ không đủ lực đẩy Khi đó người ta phải đẩy bằng lưỡi đẩy Lưỡi đẩy là một lá thép mỏng, mặt cắt ngang là một hình chữ nhật hẹp được tăng cứng ở phần tấm kẹp và được dẫn hướng nhờ chi tiết dẫn hướng phụ + Đẩy bằng ống đẩy: Với các sản phẩm có lỗ, lực bám ở chốt tạo lỗ thường rất lớn cần phải đẩy bằng ống đẩy bao quanh lấy chốt tạo lỗ và đôi khi trên đầu chốt đẩy người ta đặt thanh đẩy

+ Đẩy bằng thanh đẩy, vành đẩy: Thường ứng dụng cho sản phẩm lớn và lực bám khuôn lớn Để tránh làm hỏng lõi khuôn thanh đẩy phải để cách thành lõi khuôn lớn hơn 0,5mm Thanh đẩy và chốt đẩy được ghép với nhau bằng vít hoặc chốt ngang

2.4.6.2 Hệ thống chốt hồi

- Hồi khuôn tự động: Sau khi đẩy sản phẩm ra khỏi khuôn, dưói tác dụng đàn hồi của lò xo lắp trên các chốt hội khuôn toàn bộ hệ thống đẩy sẽ chuyển động về vị trí ban đầu chuẩn bị cho chu kì ép tiếp theo

- Hồi khuôn cưỡng bức: Sau khi đẩy sản phẩm ra khỏi lòng khuôn, thớt khuôn động sẽ chuyển động dần về phía thớt tĩnh đưa toàn bộ hệ thống giàn đẩy về vị trí ban đầu chuẩn bị cho chu trình ép tiếp theo

2.4.6.3 Hệ thống cấp nhựa

Hệ thống cấp nhựa bao gồm cuống

phun, kênh nhựa và cổng nhựa Kênh nhựa

có thể bao gồm kênh nhựa chính và kênh

nhựa phụ hoặc chỉ có kênh nhựa chính tùy

thuộc vào việc bố trí các lòng trong khuôn

Chức năng của hệ thống dẫn nhựa là dẫn

vật liệu chảy đều với nhiệt độ và áp suất tối

thiểu giảm dần tới mỗi lòng khuôn Điều này

có nghĩa là áp suất tại điểm cuối của mỗi cổng nhựa là bằng nhau, nó đúng cho tất

cả các lòng khuôn, tổng lượng chảy có thể khác ở mỗi lòng khuôn, nhưng trong một nhánh được thiết kế chính xác, thì sự điền đầy vào lòng khuôn sẽ hoàn toàn khác nhau trong cùng một thời gian Do đó bước đầu tiên trong thiết kế lòng khuôn là bố

Hình 2.15 Hệ thống cấp nhựa

trí sắp đặt dòng chảy bằng nhau, mỗi dòng chảy tỉ lệ với mỗi lòng khuôn sao cho tất

cả các lòng khuôn được điền đẩy như nhau trong cùng một thời gian Trong nhiều trường hợp phức tạp, khuôn cũng cân bằng từng phần hoặc cân bằng giả tạo

Cuống phun: là chỗ nối giữa vòi phun và kênh nhựa Có rất nhiều kiểu cuống

phun, đơn giản nhất là kiểu cuống phun dành cho một tấm Vấn đề chính trong vùng cuống phun là điều tiết nhiệt độ khác giữa miệng phun và cuống phun Miệng phun cần được giữ trên nhiệt độ nóng chảy và trên nhiệt độ cuống phun, trong khuôn hệ thống kênh dẫn nhựa lạnh thì cần phải được giữ nhiệt độ khuôn Đối với khuôn hai tấm thì hệ thống cuống phun được sử dụng thông dụng nhất là loại có bạc cuống phun Bạc cuống phun được tôi cứng để không bị vòi phun của máy lảm hỏng Kích thước của cuống phun này được tiêu chuẩn hóa

Kênh nhựa: là đoạn nối giữa cuống phun và miệng phun Kênh nhựa phải

được thiết kế ngắn nhất sao cho có thể nhanh chóng điền đầy lòng khuôn mà không mất nhiều áp lực Kích thước kênh dẫn nhựa phải đủ nhỏ để giảm phế liệu và áp lực phun nhưng phải đủ lớn để cấp đủ lượng nhựa vào lòng khuôn Vị trí dẫn nhựa vào lòng khuôn phải hợp lý nhằm đảm bảo vật liệu điền đầy khuôn dễ dàng, dấu được vết cắt rãnh nhằm đảm bảo mỹ quan cho sản phẩm, tránh dẫn trực tiếp vào bề mặt làm việc của chi tiết gây ảnh hưởng xấu đến khả năng làm việc sau này

Tổng chiều dài kênh dẫn càng ngắn càng tốt để giảm lực cản trên đường đi và tăng khả năng điền đầy cho khuôn cũng như tiết kiệm nguyên liệu Hệ thống kênh nhựa được thiết kế có dạng chữ X, H, Z, O, … tùy theo số lượng sản phẩm yêu cầu cho một lần phun Dưới đây là một số cách bố trí lòng khuôn và hệ thống kênh nhựa thông dụng

Hình 2.16 Kênh dẫn nhựa cho bố trí lòng khuôn dạng hình chữ nhật

Hình 2.17 Kênh dẫn nhựa cho bố trí lòng khuôn dạng vòng tròn

Diện tích kênh nhựa và miệng phun được xác định dựa vào yêu cầu của sản phẩm và kinh nghiệm thiết kế của người thiết kế Miệng phun có tiết diện nhỏ thì khi cắt bỏ dễ và vết cắt để lại trên sản phẩm nhỏ do đó sản phẩm sẽ có hình thức đẹp Nhưng như thế thì dòng nhựa chảy vào khuôn sẽ khó khăn hơn, tiết diện thường được chọn nhỏ nhất có thể, sau đó dựa vào sản phẩm ở nguyên công đúc thử

để quyết định sửa lại vị trí hoặc mở rộng miệng phun, nếu sản phẩm đúc thử có các khuyết tật như: Hụt vật liệu, cong vênh, để lại đường hàn, tạo ra đuôi, co ngót do thiếu vật liệu, có lõm, co do khí không thoát ra khỏi lòng khuôn thì ta sẽ phải điều chỉnh lại miệng phun vào lòng khuôn

Có nhiều loại kênh nhựa được sử dụng

trong công việc thiết kế khuôn Hiện nay những

kiểu kênh nhựa thông dụng nhất đó là: Hình tròn,

hình thang, hình chữ nhật trong đó hình tròn là

loại được ưa chuộng nhất vì tiết diện ngang là

hình tròn cho phép một lượng vật liệu tối đa chảy qua mà không bị mất nhiệt, nhưng kênh nhựa loại này khi gia công sẽ mất nhiều thời gian hơn vì kênh nhựa phải nằm trên hai bên của mặt khuôn

Kênh nhựa hình thang cũng được sử dụng nhiều vì loại này gia công dễ nhưng lượng vật liệu thừa lớn Loại này có lợi khi kênh nhựa chỉ đi qua một mặt trượt Loại kênh nhựa hình chữ nhật và hình bán nguyệt là loại kênh nhựa không tốt vì nó hay gây ra nhiều sự cố, loại này hiện nay không được sử dụng nữa

Kênh nhựa được thiết kế phải được điền đẩy lòng khuôn theo đúng tỷ lệ quy định để tránh quá lượng dẫn đến lãng phí vật liệu cũng như gây ra sự cố sản phẩm

bị công vênh Để tránh điều này cần có sự cân bằng hệ thống kênh nhựa

Miệng phun: Miệng phun là chỗ mở giữa kênh nhựa và lòng khuôn, nó rất

quan trọng vì nếu cổng nhựa càng nhỏ thì khuôn có thể dễ dàng tách ra Cổng nhựa cần phải đặt ở vị trí có thể điền đầy nhanh nhất và đều Khi thiết kế khuôn người ta

có rất nhiều cách chọn miệng phun, điển hình là các loại sau: Miệng phun cuống

phun, miệng phun cạnh, miệng phun kiểu chùm lên phần lòng khuôn, miệng phun kiểu dải quạt, miệng phun hình đĩa, miệng phun vòng tròn đai, miệng phun kiểu đường ngầm, miệng phun kiểu điểm chốt Trong thực tế tùy theo kết cấu của sản phẩm và kết cấu của khuôn mà người ta chọn miệng phun cho hợp lý

Hình 2.18 Một số dạng miệng phun thường dùng:

(a) - Vòng tròn đai, (b) - Điểm chốt, (c) - Đường ngầm, (d) - Dải quạt