(Luận văn thạc sĩ) Nghiên cứu phân bố nhiệt độ của tấm khuôn dương với phương pháp gia nhiệt bằng điện trở
Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (4.02 MB, 105 trang )
LỜI CAM ĐOAN
Tơi cam đoan đây là cơng trình nghiên cứu của tôi.
Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai
công bố trong bất kỳ cơng trình nào khác.
Tp. Hồ Chí Minh, ngày 29 tháng 04 năm 2016
( Ký tên và ghi rõ họ tên )
Nguyễn Văn Dũng
ii
LỜI CẢM ƠN
Sau thời gian theo học tại trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật thành phố Hồ
Chí Minh, tác giả đã đúc kết được nhiều kiến thức bổ ích cho chun mơn của
mình. Với đề tài nghiên cứu dưới hình thức luận văn thạc sỹ, tác giả đã vận dụng
những kiến thức để tiến hành giải quyết một bài toán cụ thể. Đề tài luận văn nghiên
cứu và giải quyết vấn đề dựa trên cơ sở lý thuyết tính toán về lĩnh vực phương pháp
gia nhiệt bằng điện trở nên bước đầu tiếp cận tác giả đã gặp rất nhiều khó khăn và
hạn chế. Tuy nhiên, với sự hướng dẫn của Thầy PGS.TS. ĐỖ THÀNH TRUNG,
Thầy TS. Phạm Sơn Minh, cùng với sự hỗ trợ từ gia đình, bạn bè, đồng nghiệp, tác
giả đã lĩnh hội được nhiều kiến thức mới bổ ích về chun ngành và cho cơng tác
chun mơn sau khi ra trường. Vì vậy, tác giả xin chân thành cảm ơn.
-
Ban Giám Hiệu Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp. Hồ Chí Minh.
-
Q thầy cơ Khoa Chế tạo máy - Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp. Hồ
Chí Minh.
-
Phịng Đào tạo - Sau Đại học và các phòng khoa trong trường Đại học Sư phạm
Kỹ thuật Tp. Hồ Chí Minh.
-
Gia đình, bạn bè và đồng nghiệp cùng các anh chị ngành Công Nghệ Chế Tạo
Máy khóa 2014-2016.
Một lần nữa tác giả xin chân thành cảm ơn sự giúp đỡ, động viên quý báu
của tất cả mọi người. Xin trân trọng cảm ơn!
Tp.Hồ Chí Minh, ngày 29 tháng 04 năm 2016
Học viên thực hiện luận văn
Nguyễn Văn Dũng
iii
TÓM TẮT
Ngày nay, với sự phát triển vượt bậc của khoa học kỹ thuật, các sản phẩm
nhựa được thiết kế và phát triển theo xu hướng có kết cấu nhẹ hơn, nhỏ hơn, mỏng
hơn. Do đó, q trình phun ép các sản phẩm dạng này đang đối mặt với các thử
thách lớn. Nếu trong suốt quá trình phun ép, nhiệt độ khn có thể duy trì ở giá trị
cao hơn nhiệt độ chuyển pha của vật liệu nhựa thì khả năng điền đầy khn với
những chi tiết có kích thước micro sẽ tăng lên.
Vì vậy, mục tiêu quan trọng của q trình điều khiển nhiệt độ khn phun ép
là: gia nhiệt cho bề mặt khuôn đến nhiệt độ yêu cầu, nhưng vẫn đảm bảo thời gian
chu kỳ phun ép không quá dài. Biết được ảnh hưởng của vật liệu khuôn, hình dáng
và kích thước khn, và hình dáng kênh giải nhiệt đến q trình điều khiển nhiệt độ
cho tấm khn dương.
Nhiệt độ khn đóng một vai trị quan trọng trong sự hình thành chất lượng
sản phẩm. Kiểm sốt và điểu khiển nhiệt độ của khuôn là hết sức cần thiết để đạt
được chất lượng sản phẩm tốt nhất. Vì thế, một kỹ thuật mới đã được nghiên cứu và
áp dụng thành cơng cho các sản phẩm địi hỏi cao về độ chính xác cũng như cơ tính,
đó là phương pháp gia nhiệt bằng điện trở cho tấm khuôn dương, nhằm đáp ứng yêu
cầu gia nhiệt nhanh và nhiệt độ cao cho bề mặt khuôn. Các kết quả của nghiên cứu
đã cho thấy hiệu quả tích cực của phương pháp trên .
iv
ABSTRACT
Nowadays, the rapid development of science and technology, plastic
products are designed and developed according to lighter, smaller, thinner
structures. Therefore, the injection process of these products is facing to big
challenges. If during injection molding process, mold temperature can be
maintained at a higher value than the phase – transition temperature of the plastic
materials and then, the ability to full fill plastic into the mold with detailed micro
size will be increased.
Hence, the important goal of the temperature control process in injection
molding is: preheating the mold surface temperature to gain the expected
temperatures and ensuring the injection molding cycle time not too long. Knowing
the impact of mold materials, mold shape and size, and shape of the cooling channel
to process temperature control for positive mold plate
Mold temperature plays an important role in the formation of product
quality. The mold temperature control is essential to achieve the best quality.
Therefore, a new technique has been studied and successfully applied to products
requiring high accuracy as well as mechanical properties, which is the method by
resistive heating for cavity, in order to meet requirements fast heating and high
temperature for the mold surface. The results of the study showed the positive effect
of the above methods.
v
MỤC LỤC
LÝ LỊCH KHOA HỌC ................................................................................................ i
LỜI CAM ĐOAN .......................................................................................................ii
LỜI CẢM ƠN ........................................................................................................... iii
TÓM TẮT .................................................................................................................. iv
ABSTRACT ................................................................................................................ v
MỤC LỤC .................................................................................................................. vi
DANH SÁCH CÁC CHỮ VIẾT TẮT ....................................................................... xi
DANH SÁCH CÁC HÌNH .......................................................................................xii
DANH MỤC CÁC BẢNG......................................................................................xvii
Chương 1 TỔNG QUAN ............................................................................................ 1
1.1 Tổng quan chung. .................................................................................................. 1
1.1.1 Đặt vấn đề .......................................................................................................... 1
1.1.2 Các cơng trình nghiên cứu trong và ngồi nước liên quan đến gia nhiệt cho
tấm khuôn dương......................................................................................................... 2
1.1.2.1 Gia nhiệt bằng nước nóng ............................................................................... 2
1.1.2.2 Gia nhiệt bằng điện trở .................................................................................... 3
1.1.2.3 Gia nhiệt bằng khí nóng .................................................................................. 4
1.1.2.4 Nghiên cứu của nhóm tác giả thuộc bộ mơn kỹ thuật cơ khí, đại học Chung
Yuan Christian, Đài Loan ........................................................................................... 4
1.2. Lý do chọn đề tài và giới hạn đề tài ..................................................................... 5
1.2.1 Lý do chọn đề tài ................................................................................................ 5
1.2.2. Phạm vi và giới hạn đề tài ................................................................................. 5
1.3. Mục tiêu của đề tài ............................................................................................... 6
1.4. Phương pháp nghiên cứu...................................................................................... 6
Chương 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT ................................................................................. 7
2.1. Giới thiệu về khuôn ép nhựa ............................................................................... 7
vi
2.1.1. Khái niệm chung về khuôn ............................................................................... 7
2.1.2. Phân loại ............................................................................................................ 7
2.1.3. Kết cấu chung của một bộ khuôn ...................................................................... 7
2.2. Công nghệ phun ép............................................................................................... 9
2.2.1. Khả năng công nghệ phun ép ............................................................................ 9
2.2.1.1. Ưu điểm của phun ép ..................................................................................... 9
2.2.1.2. Khuyết điểm của phun ép ............................................................................. 10
2.2.2. Các yêu cầu kỹ thuật đối với tấm insert .......................................................... 10
2.2.2.1 Yêu cầu hình học ........................................................................................... 10
2.2.2.2. Quy luật thiết kế cooling channel ................................................................ 10
2.2.2.3. Quy luật thiết kế heater ................................................................................ 11
2.2.3. Chu trình ép phun ............................................................................................ 12
2.3. Quá trình điều khiển nhiệt độ cho khn ........................................................... 13
2.3.1. Tính tốn lưu lượng nước cần thiết để giải nhiệt cho khuôn .......................... 13
2.3.2. Xác định đường kính kênh dẫn chất làm nguội .............................................. 13
2.3.3. Kiểm sốt nhiệt độ khn ............................................................................... 14
2.4 Giới thiệu về vật liệu nhựa sử dụng trong công nghệ ép phun ........................... 15
2.4.1. Khái niệm ........................................................................................................ 15
2.4.2. Phân loại .......................................................................................................... 15
2.4.2.1. Theo nguồn gốc ............................................................................................ 15
2.4.2.2. Theo cấu trúc hình học ................................................................................. 15
2.4.2.3.Theo ứng dụng .............................................................................................. 15
2.4.2.4. Theo tính chịu nhiệt ..................................................................................... 16
2.4.3. Một số loại nhựa thông dụng .......................................................................... 16
2.4.3.1. Nhựa PP (Polypropylene). ........................................................................... 16
2.4.3.2. Nhựa PE (Polyetylene). ................................................................................ 16
2.4.3.3. Nhựa PS (Polystyrene). ................................................................................ 16
2.4.3.4. Nhựa ABS (Acrylonitrile Butadene Styrene) .............................................. 17
2.5. Cơ sở nghiên cứu và mô phỏng.......................................................................... 17
vii
2.5.1 Cơ sở nghiên cứu ............................................................................................. 17
2.5.2. Mô phỏng phần mềm ANSYS 14.0 ................................................................ 18
Chương 3 THIẾT KẾ VÀ MÔ PHỎNG ................................................................... 26
3.1. Mục tiêu thiết kế và mô phỏng........................................................................... 26
3.2 Cơ sở cho q trình thiết kế và mơ phỏng: ......................................................... 26
3.3 Thay đổi vị trí đặt heater và hình dáng cooling channel. .................................... 29
3.3.1. Thiết kế mơ hình phân tích.............................................................................. 29
3.3.1.1. Thiết kế 1: .................................................................................................... 29
3.3.1.2. Thiết kế 2: .................................................................................................... 29
3.2.1.3. Thiết kế 3: .................................................................................................... 30
3.3.2 Kết quả mô phỏng. ........................................................................................... 30
3.3.2.1. Thiết kế 1: .................................................................................................... 30
3.3.2.2. Thiết kế 2: .................................................................................................... 31
3.3.2.3.Thiết kế 3: ..................................................................................................... 31
3.3.3. Tổng hợp kết quả............................................................................................. 32
3.4. Thay đổi số lượng cooling channel ở thiết kế 1. ................................................ 35
3.4.1. Thiết kế mơ hình phân tích.............................................................................. 35
3.4.1.1. Thiết kế 1 cooling channel . ......................................................................... 35
3.4.1.2. Thiết kế 2 cooling channel. .......................................................................... 36
3.4.1.3. Thiết kế 3 cooling channel . ......................................................................... 36
3.4.2. Kết quả mô phỏng. .......................................................................................... 37
3.4.2. 1. Thiết kế 1 cooling channel . ....................................................................... 37
3.4.2.2. Thiết kế 2 cooling channel . ......................................................................... 37
3.4.2.3. Thiết kế 3 cooling channel . ......................................................................... 38
3.4.3.Tổng hợp kết quả.............................................................................................. 39
3.5. Thay đổi số lượng heater ở thiết kế 3. ................................................................ 41
3.5.1. Thiết kế mơ hình phân tích.............................................................................. 41
3.5.1.1. Thiết kế 4 heater. .......................................................................................... 41
3.5.1.2. Thiết kế 6 heater. .......................................................................................... 42
viii
3.5.1.3. Thiết kế 8 heater. .......................................................................................... 42
3.5.2. Kết quả mô phỏng. .......................................................................................... 43
3.5.2.1. Thiết kế 4 heater ........................................................................................... 43
3.5.2.2. Thiết kế 6 heater ........................................................................................... 43
3.5.2.3. Thiết kế 8 heater ........................................................................................... 44
3.5.3. Tổng hợp kết quả............................................................................................. 45
3.6. Thay đổi góc độ khn . ..................................................................................... 48
3.6.1. Thiết kế mơ hình phân tích.............................................................................. 48
3.6.1.1. Thiết kế góc khn 900 ................................................................................ 48
3.6.1.2. Thiết kế góc khn 950 ................................................................................ 49
3.6.1.3. Thiết kế góc khn 980 ................................................................................ 49
3.6.2. Kết quả mô phỏng. .......................................................................................... 50
3.6.2.1. Thiết kế góc khn 900 ................................................................................ 50
3.6.2.2. Thiết kế góc khn 950 ................................................................................ 50
3.6.2.3. Thiết kế góc khn 980 ................................................................................ 51
3.6.3. Tổng hợp kết quả............................................................................................. 52
3.7. Thay đổi kích thước chiều dài sản phẩm . ......................................................... 55
3.7.1. Thiết kế mơ hình phân tích.............................................................................. 55
3.7.1.1. Thiết kế chiều dài sản phẩm (L= 45 mm) .................................................... 55
3.7.1.2. Thiết kế chiều dài sản phẩm (L= 50 mm) .................................................... 56
3.7.1.3. Thiết kế chiều dài sản phẩm (L= 55 mm) .................................................... 56
3.7.2. Kết quả mô phỏng. .......................................................................................... 57
3.7.2.1. Thiết kế chiều dài sản phẩm (L= 45 mm) .................................................... 57
3.7.2.2. Thiết kế chiều dài sản phẩm (L= 50 mm) .................................................... 57
3.7.2.3 Thiết kế chiều dài sản phẩm (L= 55 mm) ..................................................... 58
3.7.3. Tổng hợp kết quả............................................................................................. 59
3.8 Thay đổi vật liệu làm khn................................................................................ 62
3.8.1. Thiết kế mơ hình phân tích.............................................................................. 62
3.8.2. Kết quả mơ phỏng. .......................................................................................... 63
ix
3.8.2.1. Vật liệu CT3. ................................................................................................ 63
3.8.2.2. Vật liệu Al. ................................................................................................... 63
3.8.2.3. Vật liệu Cu. .................................................................................................. 64
3.8.3. Tổng hợp kết quả ............................................................................................ 65
3.9. Mơ hình tối ưu .................................................................................................... 68
3.9.1. Bản vẽ thân khuôn ........................................................................................... 69
3.9.2. Bản vẽ lõi nước ............................................................................................... 69
3.9.3. Bản vẽ lắp ráp khn....................................................................................... 70
Chương 4 THÍ NGHIỆM VÀ SO SÁNH KẾT QUẢ ............................................... 71
4.1.Chuẩn bị thí nghiệm. ........................................................................................... 71
4.2. Lắp ráp................................................................................................................ 73
4.3. Tiến hành thí nghiệm ......................................................................................... 76
4.4. Kết quả thí nghiệm ............................................................................................. 77
4.5. So sánh kết quả thí nghiệm với kết quả mơ phỏng ............................................ 84
4.5.1. Vật liệu nhôm (Al) .......................................................................................... 84
4.5.2. Vật liệu thép CT3 ............................................................................................ 85
Chương 5 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI ........................ 87
TÀI LIỆU THAM KHẢO ......................................................................................... 88
x
DANH SÁCH CÁC CHỮ VIẾT TẮT
ABS
:
Acrylonitrile Butadene Styrene
CFD
:
Computer Fluid Dynamic
PE
:
Poly Etylene
PP
:
Poly Propylene
PS
:
Poly Styrene
S
:
Bề dày thành sản phẩm lớn nhất( mm)
TK
:
Thiết kế
xi
DANH SÁCH CÁC HÌNH
Hình
Trang
Hình 1.1: Đường Streamline nhiệt độ của nước cuối q trình gia nhiệt và giải nhiệt
của khn vật liệu nhơm .............................................................................................2
Hình1.2: So sánh kết quả giữa mơ phỏng và thí nghiệm cho tấm khn Al. .............3
Hình 1.3: So sánh kết quả giữa mơ phỏng và thí nghiệm cho tấm khn C45...........3
Hình1.4: So sánh kết quả giữa mơ phỏng và thí nghiệm cho tấm khn Al ..............4
Hình 1.5: So sánh sự thay đổi nhiệt độ đo được cho phương pháp gia nhiệt bằng khí
nóng và gia nhiệt bằng nước nóng ..............................................................................5
Hình 2.1: Kết cấu khn hai tấm ................................................................................9
Hình 2.2: heater .........................................................................................................11
Hình 2.3: Cốc thí nghiệm y tế...................................................................................17
Hình 2.4: Tấm khn dương.....................................................................................17
Hình 2.5: Điên trở.....................................................................................................18
Hình 2.6: Giao diện phần mềm ANSYS 14.0 ...........................................................19
Hình 2.7: Các module của phần mềm ANSYS workbench14.0 ...............................20
Hình 2.8: Các chức năng của Module Transient thermal. ........................................20
Hình 2.9: Chức năng Engineering Data. ...................................................................21
Hình 2.10: Các vật liệu có trong phần mềm ANSYS 14.0 .......................................21
Hình 2.11: Các thuộc tính của vật liệu. .....................................................................22
Hình 2.12: Giao diện của Geometry. ........................................................................22
Hình 2.13: Xuất file đi .igs vào Geometry. ...........................................................23
Hình 2.14: Các chức năng mơ phỏng trong Geometry .............................................23
Hình 2.15: Khn sau khi đã chia lưới. ....................................................................24
Hình 2.16: Cài đặt nhiệt độ mơ phỏng. .....................................................................24
Hình 2.17: Nhập số bước và thời gian bước. ............................................................24
Hình 2.18: Nhập cơng suất điện trở. .........................................................................25
xii
Hình 2.19: Nhập hệ số làm mát của mơi trường. ......................................................25
Hình 2.20: Kết quả mơ phỏng tấm khn .................................................................25
Hình 3.1: Kích thước ban đầu của tấm khn dương. ..............................................27
Hình 3.2 Các điểm khảo sát nhiệt độ trên bề mặt lòng khn. .................................27
Hình 3.3: Thiết kế 1 với 6 heater và 2 cooling channel. ...........................................29
Hình 3.4: Thiết kế 2 với 6 heater và 2 cooling channel. ...........................................29
Hình 3.5: Thiết kế 3 với 6 heater và 1 cooling channel . ..........................................30
Hình 3.6: Kết quả mơ phỏng cuối q trình gia nhiệt của thiết kế 1. .......................30
Hình 3.7. Kết quả mơ phỏng cuối quá trình gia nhiệt của thiết kế 2. .......................31
Hình 3.8: Kết quả mơ phỏng cuối q trình gia nhiệt của thiết kế 3. .......................32
Hình 3.9:Biểu đồ biến đổi nhiệt độ tại tâm bề mặt lịng khn khi thay đổi vị trí đặt
heater và hình dáng cooling channel. ........................................................................34
Hình 3.10: Thiết kế với 1 cooling channel. ...............................................................35
Hình 3.11: Thiết kế với 2 cooling channel. ...............................................................36
Hình 3.12: Thiết kế với 3 cooling channel. ...............................................................36
Hình 3.13: Kết quả mơ phỏng cuối q trình gia nhiệt với 1 cooling channel. ........37
Hình 3.14: Kết quả mơ phỏng cuối q trình gia nhiệt với 2 cooling channel. ........37
Hình 3.15: Kết quả mơ phỏng cuối q trình gia nhiệt với 2 cooling channel. ........38
Hình 3.16: Biểu đồ biến đổi nhiệt độ tại tâm bề mặt lịng khn khi thay đổi số
lượng cooling channel ...............................................................................................40
Hình 3.17: Thiết kế với 4 heater. ..............................................................................41
Hình 3.18: Thiết kế với 6 heater ...............................................................................42
Hình 3.19: Thiết kế với 8 heater ...............................................................................42
Hình 3.20: Kết quả mơ phỏng cuối q trình gia nhiệt với 4 heater. ........................43
Hình 3.21: Kết quả mơ phỏng cuối q trình gia nhiệt với 6 heater. ........................43
Hình 3.22: Kết quả mơ phỏng cuối quá trình gia nhiệt với 8 heater. ........................44
Hình 3.23: Biểu đồ biến đổi nhiệt độ tại tâm bề mặt lịng khn khi thay đổi số
lượng heater. ..............................................................................................................47
xiii
Hình 3.24: Nhiệt độ chênh lệch bề mặt lịng khn ở cuối quá trình gia nhiệt khi
thay đổi số lượng heater. ...........................................................................................47
Hình 3.25: Thiết kế với góc khn 900 .....................................................................48
Hình 3.26: Thiết kế với góc khn 950 .....................................................................49
Hình 3.27: Thiết kế với góc khn 980 .....................................................................49
Hình 3.28: Kết quả mơ phỏng cuối q trình gia nhiệt với góc khn 900 ..............50
Hình 3.29: Kết quả mơ phỏng cuối q trình gia nhiệt với góc khn 950 ..............50
Hình 3.30: Kết quả mơ phỏng cuối q trình gia nhiệt với góc khn 980 ..............51
Hình 3.31: Biểu đồ biến đổi nhiệt độ tại tâm bề mặt lịng khn khi thay đổi góc
khn .........................................................................................................................54
Hình 3.32: Nhiệt độ chênh lệch bề mặt lịng khn ở cuối q trình gia nhiệt khi
thay đổi góc khn. ...................................................................................................54
Hình 3.33: Thiết kế với chiều dài sản phẩm 45 mm .................................................55
Hình 3.34: Thiết kế với chiều dài sản phẩm 50 mm .................................................56
Hình 3.35: Thiết kế với chiều dài sản phẩm 55 mm .................................................56
Hình 3.36: Kết quả mơ phỏng cuối q trình gia nhiệt với chiều dài sản phẩm 45
mm .............................................................................................................................57
Hình 3.37: Kết quả mơ phỏng cuối q trình gia nhiệt với chiều dài sản phẩm 50
mm .............................................................................................................................57
Hình 3.38: Kết quả mơ phỏng cuối quá trình gia nhiệt với chiều dài sản phẩm 55
mm. ............................................................................................................................58
Hình 3.39: Biểu đồ biến đổi nhiệt độ tại tâm bề mặt lịng khn khi thay đổi kích
thước chiều dài sản phẩm. .........................................................................................61
Hình 3.40: Nhiệt độ chênh lệch bề mặt lịng khn ở cuối q trình gia nhiệt khi
thay đổi kích thước chiều dài sản phẩm. ...................................................................61
Hình 3.41: Thiết kế 3 ................................................................................................62
Hình 3.42: Kết quả mơ phỏng cuối quá trình gia nhiệt với vật liệu thép CT3..........63
Hình 3.43: Kết quả mơ phỏng cuối q trình gia nhiệt với vật liệu Al.....................63
Hình 3.44: Kết quả mơ phỏng cuối q trình gia nhiệt với vật liệu Cu. ...................64
xiv
Hình 3.45: Biểu đồ biến đổi nhiệt độ tại tâm bề mặt lịng khn khi thay đổi vật liệu
...................................................................................................................................67
Hình 3.46: Nhiệt độ chênh lệch bề mặt lịng khn ở cuối quá trình gia nhiệt khi
thay đổi vật liệu .........................................................................................................67
Hình 3.47: Thân khn .............................................................................................69
Hình.3.48: Lõi nước. .................................................................................................69
Hình.3.49: Tấm khn ..............................................................................................70
Hình 3.50: Sơ đồ nghiên cứu của tấm khn dương.................................................70
Hình 4.1: Thân khn vật liệu nhơm ........................................................................71
Hình 4.2: Lõi khn vật liệu nhơm ...........................................................................71
Hình 4.3: Thân khn vật thép CT3 .........................................................................72
Hình 4.4: Lõi khn vật liệu thép CT3 .....................................................................72
Hình 4.5: Heater ........................................................................................................73
Hình 4.6: Đầu nối ống nước ......................................................................................73
Hình 4.7: Máy đo nhiệt độ ........................................................................................73
Hình 4.8: Lắp lõi vào thân khn..............................................................................74
Hình 4.9: Lắp đầu nối ống nước vào tấm insert ........................................................74
Hình 4.10: Lắp heater vào tấm insert ........................................................................75
Hình 4.11: Heater được lắp hồn chỉnh vào tấm insert.............................................75
Hình 4.12: Sơ đồ kết nối cooling channel .................................................................76
Hình 4.13: Sơ đồ thí nghiệm .....................................................................................76
Hình 4.14:Cuối q trình gia nhiệt tấm khn Al.....................................................80
Hình 4.15:Cuối q trình giải nhiệt tấm khn Al ...................................................80
Hình 4.16: Cuối q trình gia nhiệt tấm khn thép CT3........................................81
Hình 4.17: Cuối q trình giải nhiệt tấm khn thép CT3 .......................................81
Hình 4.18: Vị trí khảo sát nhiệt độ ............................................................................81
Hình 4.19: Cuối quá trình gia nhiệt tấm khn thép CT3 ở vị trí số 7 .....................82
Hình 4.20: Cuối q trình gia nhiệt tấm khn Al ở vị trí số 7 ................................82
xv
Hình 4.21: Biểu đồ nhiệt độ tại tâm bề mặt lịng khn của hai tấm insert Al, CT3
khi thí nghiệm ...........................................................................................................83
Hình 4.22: Biểu đồ so sánh nhiệt độ tại tâm bề mặt lịng khn của vật liệu AL ....84
Hình 4.23: Biểu đồ so sánh nhiệt độ tại tâm bề mặt lịng khn của vật liệu CT3...86
xvi
DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng
Trang
Bảng 2.1: Chu trình phun ép .....................................................................................12
Bảng 2.2: Các thông số của nước làm nguội ............................................................13
Bảng 2.3: Đường kính kênh làm nguội theo kinh nghiệm sản xuất .........................14
Bảng 3.1: Thông số vật liệu đưa vào mô phỏng .......................................................28
Bảng 3.2: So sánh kết quả mô phỏng khi thay đổi vị trí đặt heater và hình dáng
cooling channel. ........................................................................................................33
Bảng 3.3: So sánh kết quả mô phỏng khi thay đổi số lượng cooling channelthiết kế
1. ................................................................................................................................40
Bảng 3.4: So sánh kết quả mô phỏng khi thay đổi số lượng heater ở thiết kế 3 ......46
Bảng 3.5: So sánh kết quả mô phỏng khi thay đổi góc độ tấm khn dương. .........53
Bảng 3.6: So sánh kết quả mô phỏng khi thay đổi kích thước chiều dài sản phẩm .60
Bảng 3.7: So sánh kết quả mô phỏng khi thay đổi vật liệu tấm khn. ...................66
Bảng 4.1: Kết quả trung bình sau 3 lần đo tại tâm bề mặt lịng khn ....................77
Bảng 4.2: Kết quả 3 lần thí nghiệm của vật liệu thép CT3 ......................................79
Bảng 4.3: Kết quả 3 lần thí nghiệm của vật liệu Al .................................................80
Bảng 4.4:So sánh kết quả thí nghiệm tại tâm bề mặt lịng khn của tấm khn Al
và CT3 .......................................................................................................................82
Bảng 4.5: So sánh kết quả thí nghiệm và mơ phỏng tại tâm bề mặt lịng khn của
tấm insert Al ..............................................................................................................84
Bảng 4.6 : So sánh kết quả thí nghiệm và mơ phỏng tại tâm bề mặt lịng khn của
tấm khn CT3 ..........................................................................................................85
xvii
Chương 1
TỔNG QUAN
1.1 Tổng quan chung.
1.1.1 Đặt vấn đề
Hiện nay, các nước trên thế giới như: Nhật, Đài Loan, Đức, Mỹ …đã áp
dụng công nghệ điều khiển nhiệt độ trong ngành công nghiệp nhựa, đã và đang
nâng cao chất lượng sản phẩm cũng như hiệu quả kinh tế to lớn. Tuy nhiên, ở Việt
Nam cơng nghệ này cũng cịn khá mới mẻ, hầu hết các doanh nghiệp ngành nhựa sử
dụng cơng nghệ này chủ yếu mua của nước ngồi từ khn cho đến bộ điều khiển
với giá thành cao. Vì vậy, việc nghiên cứu, thiết kế và chế tạo bộ điều khiển nhiệt
độ cho khuôn là hết sức cần thiết cho ngành nhựa trong nước, giảm bớt sự phụ
thuộc vào cơng nghệ nước ngồi và chi phí sản xuất.
Khi bộ khuôn được thiết kế hệ thống điều khiển nhiệt độ, người kỹ sư sẽ
kiểm soát được nhiệt độ bề mặt lịng khn hoặc nhiệt độ của cả khn tạo điều
kiện tốt nhất cho quá trình phun ép. Việc điều khiển được nhiệt độ trong suốt chu kỳ
phun ép là hết sức quan trọng mang lại nhiều lợi ích kỹ thuật và kinh tế.
Đối với những sản phẩm nhựa đơn giản không nhất thiết phải thiết kế hệ
thống điều khiển nhiệt độ cho khuôn, nhưng hệ thống này không thể thiếu đối với
những sản phẩm phức tạp. Sản phẩm phức tạp có hình dáng và độ dày mỏng thay
đổi ở nhiều vị trí khác nhau nên để giảm bớt các khuyết tật có thể xảy ra cho sản
phẩm trong q trình phun ép cần phải có sự điều khiển nhiệt độ. Điều khiển không
chỉ đơn giản là tăng hay giảm nhiệt độ theo thời gian mà còn điều khiển phân bố
nhiệt độ cao thấp ở những vị trí khác nhau cho phù hợp với hình dáng sản phẩm. Để
làm được điều đó cần tính tốn số lượng heater, cooling channel, vị trí, chất giải
nhiệt, thời gian gia nhiệt, thời gian giải nhiệt … cho phù hợp với thiết kế của khn.
Có như vậy sản phẩm mới có thể điền đầy khn một cách tốt nhất, tránh được các
hiện tượng: cong vênh, đường hàn, vết lõm, co rút …
1
Điều khiển được nhiệt độ bề mặt lịng khn cũng góp phần giảm được chu
kỳ phun ép một cách đáng kể, điều này mang lại nhiều lợi ích kinh tế. Thơng qua
điều khiển nhiệt độ sẽ tìm ra được thời gian gia nhiệt và giải nhiệt hợp lý tránh lãng
phí thời gian cũng như công suất của điện trở. Giảm chu kỳ phun ép đồng nghĩa với
sản lượng được tăng lên rất nhiều, giảm hao phí năng lượng khơng cần thiết trong
quá trình gia nhiệt. Khi sản phẩm đảm bảo yêu cầu về kỹ thuật và sản lượng tăng
chắc chắn sẽ mang lại nhiều lợi nhuận cho doanh nghiệp.
Với mục đích nghiên cứu và chế tạo hệ thống điều khiển nhiệt độ cho khuôn
dương, nên tác giả đã quyết định chọn đề tài “NGHIÊN CỨU PHÂN BỐ NHIỆT
ĐỘ CỦA TẤM KHUÔN DƯƠNG VỚI PHƯƠNG PHÁP GIA NHIỆT BẰNG
ĐIỆN TRỞ”.
1.1.2 Các cơng trình nghiên cứu trong và ngồi nước liên quan đến gia nhiệt
cho tấm khuôn dương
1.1.2.1 Gia nhiệt bằng nước nóng “ Tối ưu hóa hệ thống điều khiển nhiệt khn
dương” tác giả Lê Quang Lưu [6].
Hình 1.1: Đường Streamline nhiệt độ của nước cuối quá trình gia nhiệt và giải nhiệt
của khuôn vật liệu nhôm
2
Hình1.2: So sánh kết quả giữa mơ phỏng và thí nghiệm cho tấm khuôn Al.
Trong nghiên cứu này cho thấy cuối q trình gia nhiệt 20s cho tấm khn
dương, nhiệt độ thí nghiệm tại điểm P1 đạt được 52,25 0C và tại điểm P2 là 65,50C,
điểm P1 có sự chênh lệch nhiệt độ giữa thí nghiệm và mơ phỏng lớn hơn điểm P2.
Nhiệt độ cuối quá trình giải nhiệt P1 là 380C, P2 là 350 C.
1.1.2.2 Gia nhiệt bằng điện trở “Tối ưu hóa hệ thống điều khiển nhiệt độ bằng điện
trở và nước cho tấm khuôn dương” tác giả Nguyễn Tấn Phùng [7].
Hình 1.3: So sánh kết quả giữa mơ phỏng và thí nghiệm cho tấm khn C45
Trong nghiên cứu này cho thấy nhiệt độ cuối quá trình gia nhiệt lúc mơ
phỏng là 960C và thí nghiệm là 740C chênh lệch khoảng 220C, cuối quá trình giải
nhiệt là 570C chênh lệch giữa thí nghiệm và mơ phỏng là 0.130C.
3
1.1.2.3 Gia nhiệt bằng khí nóng “Gia nhiệt cục bộ cho lịng khn ép nhựa bằng
khí nóng’’ tác giả Phùng Huy Dũng [8].
Hình1.4: So sánh kết quả giữa mơ phỏng và thí nghiệm cho tấm khn Al
Qua biểu đồ cho thấy sự gia nhiệt bằng khí nóng làm nhiệt độ tấm insert
khuôn tăng lên rất nhanh. Khi gia nhiệt với nguồn nhiệt là 2000C, thời gian gia nhiệt
5s đến 10s thì nhiệt độ khn tăng trung bình: 80C/s, thời gian gia nhiệt 10s đến 15s
thì nhiệt độ khn tăng trung bình: 20C/s.
1.1.2.4 Nghiên cứu của nhóm tác giả thuộc bộ mơn kỹ thuật cơ khí, đại học Chung
Yuan Christian, Đài Loan: Đánh giá tính khả thi của phương pháp gia nhiệt bằng
khí nóng cho việc điều khiển nhiệt độ bề mặt khn trong q trình phun ép [9].
Phương pháp gia nhiệt bằng khí nóng có thể tăng nhiệt độ bề mặt khn từ
600C đến 120 0C trong vịng 2 giây (nghĩa là tốc độ trung bình khoảng 300C/giây)
và cần 34 giây để nhiệt độ trở về 600C. Trong khi, phương pháp gia nhiệt bằng nước
nóng thì phải mất 192 giây để có thể tăng nhiệt độ bề mặt khn từ 600C đến 1200C
và cần 75 giây để nhiệt độ trở về 600C.
4
Hình 1.5: So sánh sự thay đổi nhiệt độ đo được cho phương pháp gia nhiệt
bằng khí nóng và gia nhiệt bằng nước nóng
1.2. Lý do chọn đề tài và giới hạn đề tài
1.2.1 Lý do chọn đề tài
Hiện nay, sản phẩm nhựa được ứng dụng rộng rãi trên thị trường, mang lại
hiệu quả kinh tế cao. Chính vì vậy việc nghiên cứu các thuộc tính của nhựa có liên
quan đến chất lượng sản phẩm. Trong đó nhiệt độ là một yếu tố quan trọng ảnh
hưởng đến sự hình thành sản phẩm. Nên tác giả đã chọn đề tài: “NGHIÊN CỨU
PHÂN BỐ NHIỆT ĐỘ CỦA TẤM KHUÔN DƯƠNG VỚI PHƯƠNG PHÁP
GIA NHIỆT BẰNG ĐIỆN TRỞ”
1.2.2. Phạm vi và giới hạn đề tài
Do những điều kiện khách quan cũng như chủ quan mà đề tài chỉ nghiên cứu
trong phạm vi giới hạn sau:
- Tổng quan về khuôn ép nhựa và quá trình điều khiển nhiệt độ cho khn.
- Thiết kế tấm khuôn dương trên phần mềm Creo 2.0
- Mô phỏng phân bố nhiệt độ của tấm khuôn dương trên phần mềm
ANSYS 14.0
- Gia công tấm khuôn dương.
- So sánh đánh giá kết quả giữa mơ phỏng và thí nghiệm
5
1.3. Mục tiêu của đề tài
-
Nghiên cứu phân bố nhiệt độ của tấm khuôn dương với phương pháp gia nhiệt
bằng điện trở.
-
Xác định ảnh hưởng của vật liệu khn, hình dáng và kích thước khn, hình
dáng kênh giải nhiệt đến q trình điều khiển nhiệt độ cho tấm khn dương.
-
Điều khiển nhiệt độ khuôn theo yêu cầu: gia nhiệt bề mặt lịng khn đạt được ≥
800C và giải nhiệt xuống 400C trong q trình mơ phỏng.
-
Thiết kế, mơ phỏng và chế tạo hệ thống điều khiển nhiệt độ cho tấm khn
dương (tấm insert).
-
Thí nghiệm thực tế.
-
So sánh đánh giá kết quả giữa mơ phỏng và thí nghiệm.
1.4. Phương pháp nghiên cứu
Để thực hiện tốt việc nghiên cứu thiết kế tấm khuôn dương, cần phải dựa trên
những kiến thức cơ bản về gia cơng cơ khí, phần mềm thiết kế Creo 2.0, phầm mềm
mô phỏng ANSYS 14.0…
Luận văn được thực hiện bằng các phương pháp nghiên cứu:
- Phương pháp lấy ý kiến giáo viên hướng dẫn, chuyên gia.
- Phương pháp nghiên cứu tài liệu, giáo trình
- Phương pháp mơ phỏng và thực nghiệm
6
Chương 2
CƠ SỞ LÝ THUYẾT
2.1. Giới thiệu về khuôn ép nhựa [1]
2.1.1. Khái niệm chung về khuôn
- Là một dụng cụ để định hình cho một sản phẩm nhựa. Kích thước và kết
cấu khn phụ thuộc vào kích thước hình dáng của sản phẩm.
- Là một cụm gồm nhiều chi tiết lắp ghép với nhau, ở đó nhựa được phun
vào, được làm nguội và đẩy ra sản phẩm bao gồm có 2 phần chính: core (khn
đực) và cavity (khn cái hay lịng khn).
2.1.2. Phân loại
- Theo số tầng lịng khn:
Khuôn 1 tầng.
Khuôn nhiều tầng.
- Theo loại kênh dẫn:
Dùng kênh dẫn nóng (hot runner).
Khn dùng kênh dẫn nguội (cold runner).
- Theo cách bố trí kênh dẫn:
Khn 2 tấm.
Khuôn 3 tấm.
- Theo số màu nhựa tạo ra sản phẩm:
Khuôn cho sản phẩm 1 màu.
Khuôn cho sản phẩm nhiều màu.
2.1.3. Kết cấu chung của một bộ khn
Có 2 phần chính core và cavity:
- Phần khn cái (Cavity): phần lõm vào xác định hình dạng bên ngồi của
sản phẩm cịn được gọi là lịng khn, phần khuôn này cố định được gắn trên tấm
cố định của máy ép phun.
7
- Phần khuôn đực (Core): phần lồi ra xác định hình dạng bên trong của sản
phẩm cịn gọi là lõi, phần khuôn này di động được gắn trên tấm di động của máy
ép phun.
Ngồi ra cịn có:
-Phần tạo sản phẩm: đây là khoảng trống giữa khuôn đực và khuôn cái được
điền đầy bởi nhựa dẻo và nó sẽ mang hình dạng của sản phẩm, nhựa được làm
nguội rồi lấy ra khỏi khuôn bằng hệ thống đẩy sản phẩm hoặc bằng tay.
- Hệ thống dẫn hướng và định vị: gồm tất cả các chốt dẫn hướng, bạc dẫn
hướng, vòng định vị… có nhiệm vụ giữ đúng vị trí làm việc của 2 phần khuôn khi
chúng được ghép với nhau để tạo hình sản phẩm.
- Hệ thống dẫn nhựa vào lịng khn: gồm bạc cuống phun, kênh dẫn nhựa
và miệng phun làm nhiệm vụ cung cấp nhựa vào lịng khn.
- Hệ thống đẩy sản phẩm: gồm các chốt đẩy, chốt hồi, tấm đẩy, tấm giữ, gối
đỡ… có nhiệm vụ đẩy sản phẩm ra khỏi khuôn sau khi ép xong.
- Hệ thống lõi mặt bên: gồm lõi mặt bên, má lõi, thanh dẫn hướng, cam chốt,
xiên, xy lanh thủy lực… làm nhiệm vụ tháo những phần ẩn khó khăn khi tháo như
under-cut ra theo hướng mở khn.
- Hệ thống thốt khí: gồm có những rãnh thốt hơi, có nhiệm vụ đưa khơng
khí cịn lại trong khn ra ngồi tạo điều kiện cho nhựa điền đầy lịng khn 1 cách
dễ dàng và giúp cho sản phẩm tránh 1 số khuyết tật như rỗ khí, cháy, thiếu vật liệu…
- Hệ thống làm nguội: gồm các đường nước, các rãnh, ống dẫn nhiệt, đầu nối…
có nhiệm vụ ổn định nhiệt độ khuôn và làm nguội sản phẩm 1 cách nhanh chóng.
8
Hình 2.1: Kết cấu khn hai tấm
2.2. Cơng nghệ phun ép
2.2.1. Khả năng cơng nghệ phun ép
- Có thể hiểu một cách đơn giản: công nghệ phun ép là quá trình điền đầy
lịng khn bằng dịng nhựa nóng chảy, sau đó giải nhiệt và lấy sản phẩm ra nhờ hệ
thống đẩy, khơng xảy ra bất kỳ phản ứng hóa học nào. Trong đó, yêu cầu kỹ thuật
cũng như chất lượng sản phẩm phụ thuộc vào các yếu tố như: nhiệt độ, tốc độ phun,
áp suất phun, vật liệu, chất lượng khn…
2.2.1.1. Ưu điểm của phun ép
-
Tốc độ sản xuất nhanh.
-
Có thể sản xuất với sản lượng lớn.
-
Chi phí nhân lực (trên từng sản phẩm) thấp.
-
Dễ dàng tự động hóa.
-
Đa số sản phẩm khơng cần gia cơng thêm.
-
Có thể gia cơng được các sản phẩm với nhiều loại hình dáng, màu sắc và chất
lượng bề mặt cao.
-
Với một số loại hình dạng, phun ép là phương pháp sản xuất có chi phí thấp nhất.
-
Có khả năng sản xuất được các sản phẩm kích thước nhỏ.
9
