II. Thiết kế khuôn đúc
2.2.2.Xác định vị trí đặt miệng phun và chốt đẩy
Miệng phun chọn vị trí như hình vẽ vì các vị trí khác đều bị các chốt làm lõi chiếm không gian. Sử dụng phần mềm MPI để phân tích nhận thấy vị trí đặt miệng phun khá hợp lý.
Do hình dạng và kích thước của sản phẩm, ta dùng 4 chốt đẩy có đường kính là 4 mm trong đó có một chốt để đẩy cuống
Kích thước của bạc cuống phun được lấy theo tiểu chuẩn (hình 5.67a [5]). Đường kính đầu phun bạc cuống phun (3mm) cần lấy lớn hơn kích thước chiều dày chi tiết đúc (2mm). Đường kính lỗ bạc nơi phun vào lòng khuôn = 2,5 ÷ 3,5 chiều dày chi tiết lấy đường kính = 6 mm (nếu đường kính này quá lớn sẽ làm tăng thời gian đúc vì cần thêm thời gian làm nguội cuống phun).
Vật liệu làm bạc cuống phun là thép 40Cr13 được tôi và ram ở 50÷200°C với độ cứng 53÷55 HRC nhằm tăng độ cứng và khả năng chống mòn vì bạc là nơi đặt vòi phun nhựa. Để hạn chế thêm khả năng mòn, làm thêm một bạc bao ngoài bạc cuống phun.
2.2.4. Xác định hệ thống lõi mặt bên, miếng ghép lòng và lõi khuôn
Chi tiết đúc có mấu lồi cắt trong để lắp ghép nên phải làm lõi mặt bên.
Kích thước miếng lõi khuôn
Chọn kích thước chiều cao 2 mặt chính của miếng ghép lòng khuôn và lõi khuôn bằng kích thước của tấm khuôn trước và tấm khuôn sau, đây là các kích thước chọn theo tiêu chuẩn sao cho phù hợp với kích thước chi tiết đúc (80 mm và 40 mm). Các bề mặt này cần phải đảm bảo độ bóng bề mặt 0,63 μm. Tất cả các kích thước tương ứng với kích thước của chi tiết (đã nhân 1,022) lấy một nửa dung sai của kích thước chi tiết (người dùng khuôn nhận phần còn lại). Phần vai để giữ các miếng ghép trong tấm khuôn có độ rộng khác nhau (10 mm và 15 mm) nhằm tránh lắp ngược miếng ghép vào tấm khuôn.
2.2.5. Xác định hệ thống làm nguội, vị trí chốt dẫn hướng và vít kẹp
Đường kính kênh làm khuôn lớn hơn 8 mm.
Khoảng cách kênh làm nguội tới thành khuôn bằng 2 lần đường kính ống và khoảng cách giữa các kênh với nhau bằng 3÷5 lần đường kính ống. Sự truyền nhiệt phụ thuộc vào diện tích tiếp xúc của ống nhân với hệ số truyền nhiệt hay là đường kính ống sẽ ảnh hưởng vào sự truyền nhiệt. Nếu đường kính lớn gấp 2 thì độ chảy tăng gấp 4 nhưng sự truyền nhiệt chỉ tăng gấp 2. Vì vậy làm nhiều lỗ nhỏ tốt hơn một lỗ lớn.
Chọn hệ thống làm nguội bằng nước đường kính 12 mm với kích thước vị trí như hình vẽ. Độ chênh lệch nhiệt độ ở đầu vào và đầu ra của đường ống khoảng 3÷5°C. Nước
trong ống cần đạt độ chảy rối thay vì chảy tầng để giảm nhiệt độ nhanh. Trong lòng ống bố trí nút chặn bằng cao su để đổi hướng dòng chảy.
Vị trí vít kẹp và chốt dẫn hướng như hình vẽ trang trước. Vít kẹp chọn loại vít M16.
Chọn chốt dẫn hướng có đường kính = 25 mm (tiêu chuẩn). Vị trí chốt dẫn hướng theo tiêu chuẩn phụ thuộc vào kích thước mặt khuôn (hình 564, [5]). Một chốt dẫn hướng được đặt lệch (chốt phía trên bên phải hình vẽ) để tránh lắp ngược tấm khuôn.
Kích thước chốt và bạc dẫn hướng lấy theo tiêu chuẩn (hình 559, [5]), hình (561, [5])
Đoạn chiều dài 131 mm của chốt dẫn hướng lớn hơn chiều cao của sản phẩm tính cả cuống phun (110 mm) để không làm hỏng sản phẩm khi mở khuôn. Bạc và chốt lắp lỏng với kiểu lắp H7/f7. Đường kính lỗ phần đầu của bạc được doa rộng 1mm giúp chốt dẫn hướng đi vào dễ dàng.
Vật liệu làm chốt dẫn hướng: 40Cr13 để chống mòn.
2.2.6.Thiết kế chiều dày của các tấm khuôn
Độ dầy tấm đỡ lấy bằng = 40 cm.
Chiều dày của mọi tấm khuôn và khối đỡ đều lấy dung sai ±0,001 in. (±0,03 mm) Hai tấm kẹp có chiều dài nhô ra so với tấm khuôn, khoan lỗ và rãnh để bắt vít cố định lên các tấm ép của máy.
2.2.7. Xác định quá trình đẩy và độ dày tấm đẩy
Độ dày tấm đẩy tính theo diện tích hình chiếu của vật đúc lên mặt phân khuôn = 29 cm2 độ dày tấm đẩy bằng 20 mm (trang 87, [5])
Khoảng đẩy nằm giữa tấm đỡ và tấm giữ = chiều cao của vật đúc tính từ đường phân khuôn (57 mm) + 5÷10 mm. Lấy khoảng đẩy = 65 mm.
Do đường kính chốt đẩy (4 mm) quá nhỏ so với hành trình đẩy nên ta chọn chốt đẩy dạng bậc và khoét rộng tấm đỡ và miếng ghép lõi khuôn. Kích thước 60 mm trên hình vẽ đảm bảo chốt đẩy di chuyển đủ hành trình khi đẩy.
Chốt đẩy làm bằng thép 40Cr13 đã qua tôi và ram đạt độ cứng 55 HRC. Chốt đẩy cần có một độ hở với phần lỗ lắp với
tấm giữ, khoảng hở xung quanh đầu chốt từ 0,4÷0,8 mm, và độ hở phía trên là 0,05 mm. Điều này cho phép chốt đẩy tìm đúng vị trí của nó khi khuôn lắp ráp.
Lò xo gắn vào chốt đẩy giúp hệ thống đẩy tự động quay về không để sản phẩm dính vào chốt đẩy.
4 chốt dẫn hướng có ghép bạc chống mòn giúp tấm đẩy và tấm giữ không bị lệch khi đẩy.
2.2.8. Xác định vòng định tâmvà bu lông vòng nâng
Kích thước vòng định tâm phù hợp với kích thước của bạc cuống phun, nó vừa đóng vai trò định tâm vòi phun vừa dùng để kẹp bạc cuống phun. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Bu lông vòng nâng gắn vào lỗ ren được dùng để nâng khuôn từ kho đặt lên vị trí kẹp trong máy đúc phun. Bu lông phải đặt ở vị trí khi được nâng, khuôn ở trạng thái cân bằng. Lỗ ren được gia công ở mặt vuông góc với mặt kẹp khuôn. Với kích thước khuôn là 420 x 270 x 270 ta thiết kế hai bu lông vòng vít vào 2 tấm kẹp khuôn. Bu lông có đường kính M12 (trang 189, [5]). Trong sản xuất, người ta chỉ dùng thép rèn cho bu lông vòng nâng.
2.2.9. Hoàn chỉnh sơ đồ khuôn Chú thích: 1. Đệm đỡ tấm đẩy 2. Bạc mở rộng 3. Tấm kẹp phía sau 4. Khối đỡ 5. Tấm đỡ 6. Bạc dẫn hướng 7. Tấm khuôn sau
8. Tấm khuôn phía trước 9. Chốt dẫn hướng 10. Tấm kẹp phía trước 11. Miếng ghép lòng khuôn 12. Lỗ ghép tịt 13. Vít M6 14 Bạc cuống phun 15 Vòng định vị
19 Miếng ghép lõi khuôn 20. Vít kẹp phần di động 21. Lò xo đẩy 22. Chốt đẩy 23. Lõi ghép lỗ thông 24. Lõi ghép phần di động 25. Chốt dẫn hướng hệ thống đẩy 26. Vít M12 27. Bạc 28. Tấm giữ 29. Tấm đẩy 30. Vít M2 31. Cam 32. Miếng lắp lò xo 33. Kênh làm mát
Miếng ghép lòng khuôn (bên phải) và miếng ghép lõi khuôn (bên trái)
2.2.10. Tính lực kẹp khuôn và lực đẩy vật đúc
a. Tính lực kẹp khuôn:
Lực kẹp khuôn nhỏ nhất = diện tích hình chiếu của vật đúc lên mặt phân khuôn x áp suất nhựa trung bình trong lòng khuôn.
Diện tích hình chiếu của vật đúc lên mặt phân khuôn = 29 cm2. Chiều dài dòng chảy nhựa trong khuôn bằng khoảng 150 mm. Chiều dày vật đúc: 2mm
Lấy theo bảng 4-6, [6], áp suất nhựa trung bình trong lòng khuôn = 176 KG/cm2 Lực kẹp bằng 5,1 tấn. Lực kẹp này phải < 80% lực kẹp tối đa của máy đúc.
b. Tính lực đẩy vật đúc: ) . 4 2 ( . . . . γ µ t d t d d A E S P t − = (công thức trang 333, [6]) Trong đó
E: mô đun đàn hồi = 2255 MPa = 22550 KG/cm2
A = diện tích hình chiếu của vật đúc lên mặt phân khuôn = 29 cm2
µ= hệ số ma sát giữa nhựa và thép (0,3÷0,4)
d = đường kính vòng tròn ngoại tiếp lõi khuôn = 8,4 cm t = chiều dày vật đúc = 0,2 cm
γ= hệ số Poisson của nhựa = 0,45
.
t
S = Hệ số nở nhiệt đẳng hướng của PP (3,5.10-5 1/C) x hiệu nhiệt dộ làm chảy và nhiệt độ khi đẩy (234 – 85)оC x d = 0,043 (cm) 82 ) 45 , 0 . 2 , 0 . 4 4 , 8 2 , 0 . 2 4 , 8 ( 4 , 8 4 , 0 . 29 . 22550 . 043 , 0 = − = P (KG) 2.2.11.Chọn loại máy đúc
Máy đúc phun lựa chọn phải đáp ứng 3 yêu cầu: - Kích thước phù hợp với khuôn
- Lực kẹp lớn nhất > 25% lực kẹp khuôn.
- Thể tích nhựa trong một lần phun (trục vít di chuyển 1 hành trình) > Thể tích nhựa cần phun vào khuôn.
Từ các yêu cầu trên ta chọn máy đúc phun Allrounder 221 K 28 tấn của Alburg (trong cơ sở dữ liệu của MPI):
- Hành trình lớn nhất của trục vít: 116,7 mm - Tốc dộ phun lớn nhất = 80,08 cm3/s - Đường kính trục vít = 30 cm
- Áp suất thủy lực lớn nhất = 10,4 MPa - Áp suất phun lớn nhất = 104 MPa - Thời gian đáp ứng thủy lực = 0,2 s - Lực kẹp lớn nhất = 25,4 tấn
- Nhiệt độ khuôn = 50оC - Nhiệt độ chảy dẻo = 230оC
Theo quy tắc chung, cần phải kiểm tra các điểm sau trước khi lắp khuôn:
Nếu khuôn đã được sử dụng từ trước thì xem nó đã được kiểm tra hoặc sửa chữa chưa. Kiểm tra đầu vào và đầu ra của kênh dẫn nước bằng cách thổi khí nén để chắc chắn kênh nước thông và sạch.
Chắc chắn vòng định vị ăn khớp chính xác với lỗ tâm của tấm khuôn cố định. Kiểm tra tổng chiều cao của khuôn có vượt quá khoảng sáng của máy không. Kiểm tra giá trị của lực kẹp khi gia công.
Theo quy tắc thực tế thì trọng lượng max của phát đạn đủ cho khối lượng của sản phẩm. Kiểm tra độ song song của hai tấm khuôn trước khi lắp khuôn. Kiểm tra các bulông kẹp vòng có chắc chắn không, các trụ đỡ có bám bụi bẩn hoặc phoi kim loại không… (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Không nên lắp khuôn nặng bằng tay. Cần sử dụng máy nâng hoặc cơ cấu xích ròng rọc. Trong lúc tháo khuôn không được dùng búa gõ vào khuôn khi các bu lông an toàn vẫn còn chặt.
2.2.13. Lưu giữ khuôn
- Để đảm bảo chất lượng của sản phẩm, khuôn phải được duy trì ở nhiệt độ làm việc của nó.
- Khi tháo khuôn không nên sử dụng kim loại hoặc vật có cạnh sắc để tránh làm xước bề mặt phân khuôn.
- Không bao giờ được sờ tay vào bề mặt nhẵn của khuôn để tránh để lại dấu vết ăn mòn kim loại.
- Nếu máy không được sử dụng qua đêm thì cần bôi lên bề mặt nhẵn bóng của khuôn một lớp mỏng Kerosin hoặc Turpeline.
- Khi không làm việc thì tất cả các phần tử lò xo phải ở trạng thái thả lỏng.
- Khuôn không hoạt động cần phải để mở nhưng phải được phủ bằng vải khô. Trước khi nghỉ cần cho hệ thống nước làm nguội tiếp tục đươc tuần hoàn cho đến khi khuôn nguội. - Tất cả các chi tiết của khuôn được bôi mỡ và giữ kín trong thời gian lưu giữ.
- Khuôn cần phải được sắp xếp phù hợp với kiểu của chúng và phù hợp với số và vị trí của nó trên giá nặng và giữ trong phòng sạch.
- Để dễ xác định tất cả các khuôn đều có số khuôn hoặc tên.
2.3. Ứng dụng Moldflow Plastics Insights để mô phỏng tính toán đúc phun
MPI hỗ trợ mạnh trong việc tính toán các thông số đầu vào và đầu ra của khuôn đúc.
2.3.1. Thiết đặt thông số đầu vào
Trước hết ta nhập mô hình hình học định dạng IGES của chi tiết.
Tạo mô hình lưới cho vật đúc: Tạo lưới (Mesh) cho vật thể: Vào Mesh>Creat Mesh
Lựa chọn phương pháp đúc (Thermoplastics Injection Molding)
Lựa chọn kiểu phân tích (Flow): Vào Analysis>Set Analysis Sequence>Flow Chọn vị trí phun và xây dựng hệ thống cấp nhựa (cuống phun).
Xây dựng kênh làm mát .
Thiết lập thông số quá trình đúc: Vào Analysis>Process Settings Wizard
Nhiệt độ khuôn = 50оC, nhiệt độ đầu trục vít = 230 оC, nhiệt độ mở khuôn = 85 оC. Chọn máy Allrounder 221 K 28 tấn của Alburg
Thực hiện quá trình phân tích: Vào Analysis>Analysis Now! Thời gian phân tích khoảng 5÷15’ tùy cấu hình máy.
2.3.2.Kết quả thu được
MPI cung cấp cho ta một số lượng kết quả rất phong phú giúp ta hiểu rõ hơn quá trình đúc phun. Từ kết quả thu được, nếu sản phẩm không đạt yêu cầu như độ co ngót lớn, nhiều khuyết tật, các thông số ứng suất vượt quá giới hạn cho phép thì ta cần thiết kế là sản phẩm, khuôn hoặc thông số máy đúc.
Sau đây là các kết quả tính toán và mô phỏng:
Các kết quả của giai đoạn điền đầy:
Áp suất phun lớn nhất(ở 1,043 s)= 26,3499 MPa Thời gian phun =1,0684 s
Nhiệt độ cao nhất trong lòng khuôn = 233,8860 C Nhiệt độ thấp nhất trong lòng khuôn = 179,0070 C Ứng suất cắt lớn nhất = 0,3830 MPa
Tốc độ trượt lớn nhất = 1,5848E+04 1/s
Bảng mô tả giai đoạn điền đầy lòng khuôn
Trong đó: time= thời gian điền đầy, Volume=dung tích đã phun, Pressure= áp suất phun, Clamp force= lực kẹp, Flow rate= tốc độ phun, Status= trạng thái điều khiển (V= điều khiển theo vận tốc, P: điều khiển theo ápsuất) (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Các kết quả của giai đoạn nén đặc:
Lực kẹp lớn nhất = 4,3465 tấn
Tổng khối lượng đã phun = 37,0425 g Thời gian nén = 11,0435 s
Nhiệt độ cao nhất trong lòng khuôn = 233,5960 C Nhiệt độ thấp nhất trong lòng khuôn = 50,2770 C Ứng suất cắt lớn nhất = 0,9463 MPa Độ co nhiệt lớn nhất = 2,8226 % Độ co nhiệt nhỏ nhất = 1,7743 % Độ co nhiệt trung bình = 2,1334 % Chỉ số lõm lớn nhất = 0,0000 % Chỉ số lõm nhỏ nhất = -0,2845 %
Khối lượng nhựa trong cuống phun = 0.6294 g Thời gian làm nguội để lấy sản phẩm = 29 s
Đồ thị lực kẹp khuôn theo thời gia
Các kết quả mô phỏng khác được đưa vào phần phụ lục được đánh số trang PL1÷13.
III. Ứng dụng MasterCAM X trong việc gia công, chế tạo khuôn
Khuôn dùng để chế tạo vỏ máy gọt bút chì có lòng khuôn và lõi khuôn gồm các mặt cong phức tạp. Do đó ta không thể sử dụng công nghệ thường để gia công chính xác được lòng khuôn mà cần phải sử dụng tới công nghệ gia công CNC. Tuy nhiên nhằm đảm bảo tính kinh tế thì không nên sử dụng hoàn toàn công nghệ CNC mà ta cần dùng kết hợp cả hai công nghệ: Công nghệ thường dùng gia công sơ bộ bề mặt trước khi sử
Trong quá trình gia công CNC, để gia công được các bề mặt cong 3D phức tạp vì việc lập trình phải hoàn toàn tự động, lập trình bằng tay chỉ dùng khi đọc và sửa code. Với sự trợ giúp của phần mềm Mastercam và SolidWorks việc lập trình gia công trở nên dễ dàng hơn. Ban đầu ta thiết kế sản phẩm trong SolidWorks sau đó chuyển sang
Mastercam để thực hiện quá trình gia công tự động, mô phỏng và xuất chương trình NC. Trong SolidWorks, lưu tập tin chi tiết lòng khuôn dưới định dạng IGES. Sau đó ta mở nó bằng Mastercam.
Loại bỏ những lỗ trong khuôn để dễ dàng xác định mặt phẳng tạo đường chạy dao (những lỗ này được gia công ở nguyên công sau).
Đầu tiên xác định phôi bằng cách click vào stock setup trên cây quản lý Toolpaths Manager để chọn toạ độ điểm gốc và kích thước phôi. Click vào Bounding Box rồi chọn OK.
Kích thước phối sẽ được xác định như hình vẽ
Ta bắt đầu thực hiện quá trình gia công: Bước đầu tiên là gia công thô
[Menu] Toolpaths Surface Rough Rough Radical Toolpath …
Một hộp thoại xuất hiện, chọn Cavity (lòng khuôn)
Click vào Geometry trên cây quản lý xuất hiện hộp thoại chọn mặt cong tạo đường chạy dao, chọn các mặt trong lòng khuôn. Click vào Parameters trên cây quản lý để chọn loại dao và các thông số gia công.