Phân tích kết cấu và ứng dụng mô hình tiến hóa trong thiết kế khuôn nhựa
Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (23.17 MB, 81 trang )
MỤC LỤC
LỜI CẢM ƠN ................................................................................................................ 4
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CÁC CHỮ VIẾT TẮT ........................................ 5
DANH MỤC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ .......................................................................... 6
MỞ ĐẦU ...................................................................................................................... 10
1. Lý do chọn đề tài .................................................................................................. 10
2. Lịch sử nghiên cứu ............................................................................................... 13
3. Mục đích nghiên cứu của luận văn, đối tượng, phạm vi nghiên cứu .............. 13
4. Tóm tắt cô đọng các luận điểm cơ bản và đóng góp mới của tác giả .............. 14
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ KHUÔN NHỰA VÀ KẾT CẤU KHUÔN
NHỰA ........................................................................................................................... 16
1.1. Khái niệm về khuôn .......................................................................................... 16
1.2. Phân loại khuôn ................................................................................................ 16
1.2.1. Theo phương pháp gia công nhựa: ............................................................... 16
1.2.2. Theo kết cấu khuôn ...................................................................................... 17
1.3. Cấu tạo và chức năng của các bộ phận của khuôn ........................................ 23
1.4. Các yêu cầu kỹ thuật đối với khuôn đúc phun sản phẩm nhựa ................... 24
1.5. Quy trình thiết kế khuôn .................................................................................. 25
1.5.1. Cơ sở dữ liệu cần thiết khi thiết kế khuôn.................................................... 25
1.5.2. Quy trình thiết kế khuôn ép phun ................................................................. 25
1.5.3. Một số vấn đề lưu ý khi thiết kế ................................................................... 26
1.5.4. Xác định thông số máy ép phun ................................................................... 26
1.6. Tự động hóa quá trình thiết kế khuôn ............................................................ 28
Kết luận chương 1 .................................................................................................... 32
1
CHƯƠNG 2: MÔ HÌNH TIẾN HÓA VÀ GIẢI PHÁP XÂY DỰNG MÔ HÌNH
TIẾN HÓA TRONG CATIA ...................................................................................... 33
2.1. Kỹ thuật KBE trong thiết kế và mô hình tiến hóa ......................................... 33
2.2. Phương pháp xây dựng mô hình tiến hóa trong CATIA .............................. 36
2.3. Các công cụ thực hiện việc xây dựng mô hình tiến hóa trong CATIA ........ 40
2.3.1.Các tính năng cơ bản của mô đun Knowledge adivisor trong CATIA ........ 40
2.3.2.Ứng dụng mô đun Knowledge adivisor trong CATIA.................................. 49
Kết luận chương 2 .................................................................................................... 49
CHƯƠNG 3: ỨNG DỤNG MÔ HÌNH TIẾN HÓA TRONG THIẾT KẾ
KHUÔN ........................................................................................................................ 51
3.1. Thiết kế khuôn cho một sản phẩm nhựa theo cách truyền thống ................ 51
3.1.1. Các bước trong quá trình thiết kế khuôn trên Catia ..................................... 51
3.1.2. Ứng dụng thiết kế khuôn cho hộp đựng thực phẩm bảo quản lạnh ............. 51
3.2. Thiết kế khuôn cho một sản phẩm nhựa có ứng dụng mô hình tiến hóa .... 58
3.2.1. Các bước trong quá trình thiết kế khuôn có ứng dụng mô hình tiến hóa
trên Catia ................................................................................................................ 58
3.2.2. Xây dựng quy trình thiết kế mô hình tiến hóa trong Catia ........................... 59
3.3. Ứng dụng mô hình tiến hóa trong thiết kế khuôn nhựa................................ 60
3.3.1. Thiết kế mô hình tiến hóa sản phẩm hộp đựng thực phẩm .......................... 60
3.3.2. Thiết kế mô hình tiến hóa khối lòng- khối lõi .............................................. 67
3.3.3. Thiết kế mô hình tiến hóa cụm chi tiết kết cấu khuôn nhựa ........................ 70
Kết luận chương 3 .................................................................................................... 77
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ .................................................................................... 78
TÀI LIỆU THAM KHẢO .......................................................................................... 80
2
LỜI CAM ĐOAN
Luận văn thạc sỹ “Phân tích kết cấu và ứng dụng mô hình tiến hóa trong
thiết kế khuôn nhựa” của học viên Nguyễn Thị Hương, chuyên ngành Chế tạo máy
Đây là nghiên cứu do tôi thực hiện. Kết quả nghiên cứu trong Luận văn hoàn toàn
trung thực và chưa được công bố trong công trình nghiên cứu nào. Các nội dung
tham khảo, thông tin trích dẫn trong luận văn đều đã được chỉ rõ nguồn gốc.
Tôi xin chịu trách nhiệm về những cam đoan trên.
Ngày 10 tháng 11 năm 2015
Học viên
Nguyễn Thị Hương
3
LỜI CẢM ƠN
Trong thời gian thực hiện luận văn Thạc sĩ, tôi đã nhận được sự quan tâm giúp
đỡ của nhiệt tình của nhiều tập thể và cá nhân.
Với tình cảm chân thành của mình, tôi xin trân trọng cảm ơn thầy giáo TS. Lê
Giang Nam đã tận tình hướng dẫn tôi trong suốt quá trình nghiên cứu hoàn thành
bản luận văn này.
Trân trọng cảm ơn Ban giám hiệu lãnh đạo trường Đại học Bách Khoa Hà Nội,
các thầy cô, công nhân viên chức Viện đào tạo sau đại học, Viện cơ khí cùng toàn
thể các thầy, cô trong bộ môn Máy - Ma sát học đã tận tình giúp đỡ và tạo điều kiện
thuận lợi nhất để tôi hoàn thành nhiệm vụ học tập và nghiên cứu của mình.
Tôi xin chân thành cảm ơn Ban giám hiệu lãnh đạo trường Đại học Kinh tế –
Kỹ thuật Công nghiệp – nơi tôi đang công tác đã tận tình giúp đỡ và tạo điều kiện
thuận lợi cho tôi trong suốt quá trình theo học và hoàn thành luận văn tốt nghiệp.
Cuối cùng, tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới gia đình cùng bạn bè đồng
nghiệp đã thường xuyên quan tâm, động viên, tạo mọi điều kiện tốt nhất về tinh
thần cũng như vật chất cho tôi trong suất thời gian vừa qua.
Do thời gian thực hiện có hạn và kiến thức của bản thân còn nhiều hạn chế cho
nên luận văn này không thể tránh khỏi những thiếu sót. Tôi rất mong nhận được sự
chỉ bảo, đóng góp ý kiến của thầy cô và các bạn.
Xin chân thành cảm ơn!
4
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CÁC CHỮ VIẾT TẮT
TT
Ký Hiệu
Ý nghĩa
Giải thích
Phân tích kỹ thuật dựa trên tri
1
KBE
Knowledge-Based Engineering
2
KBS
Knowledge-Based Systems
3
CNC
Computer Numerical Control
4
CIM
5
CAD
6
CAM
7
CAE
Computer Aided Engineering
8
ES
Expert System
9
CSDL
10
FMS
11
PP
Phương pháp
12
SD
Sơ đồ
thức
Phân tích hệ thống dựa trên tri
thức
Máy điều khiển theo chương
trình số
Computer Integrated
Sản xuất tích hợp điều hành
Manufacturing
máy tính
Computer Aided Design
Thiết kế với sự trợ giúp của
máy tính
Computer Aided
Gia công với sự trợ giúp của
Manufacturing
máy tính
Phân tích kỹ thuật với sự trợ
giúp của máy tính
Hệ chuyên gia
Cở sở dữ liệu
Flexible Manufacturing System Hệ thống sản xuất linh hoạt
5
DANH MỤC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ
Hình vẽ
Nội dung
Trang
Hình 1
Khuôn hai tấm
11
Hình 2
Khuôn ba tấm
11
Hình 3
Khuôn nhiều tầng
11
Hình 4
Ứng dụng KBE làm giảm thời gian thiết kế
12
Hình 1.1
Định nghĩa khuôn
16
Hình 1.2
Kết cấu chung của bộ khuôn hai tấm
17
Hình 1.3
Khuôn hai tấm có kênh dẫn nguội
17
Hình 1.4
Khuôn hai tấm có kênh dẫn nóng
19
Hình 1.5
Kết cấu khuôn ba tấm
19
Hình 1.6
Khuôn nhiều tầng
20
Hình 1.7
Tháo lõi bằng chốt xiên
21
Hình 1.8
Tháo lõi bằng xi lanh thủy lực
21
Hình 1.9a
Tháo ren trong và ren ngoài bằng chốt gập nhả
21
Hình 1.9b
Sản phẩm khuôn nhiều màu
22
Hình 1.10
Kết cấu chung của một bộ khuôn
22
Hình 1.11
Quy trình thiết kế khuôn ép phun
25
Hình 1.12
Các sản phẩm nhựa
29
Hình 1.13
Kết cấu một bộ khuôn
30
Hình 1.14
Tấm lõi và khối lõi
30
Hình 1.15
Tấm lòng và khối lòng
31
Hình 2.1
Mô hình tiến hóa
36
Hình 2.2
Chu kỳ chung của kỹ thuật KBE
38
Hình 2.3
Chu kỳ chung của kỹ thuật KBE với ứng dụng CATIA cho
38
mô hình tiến hóa
Hình 2.4
Sơ đồ của phương pháp cho mô hình tiến hóa trong hệ thống
40
CATIA
Hình 2.5
Môi trường Knowledge adivisor
6
42
Hình 2.6
Các chức năng cơ bản của modul Knowledge adivisor
43
Hình 2.7
Bảng hiển thị các thông số
44
Hình 2.8
Thêm thuộc tính của tham số
44
Hình 2.9
Vật liệu mặc định
45
Hình 2.10
Thay đổi vật liệu
45
Hình 2.11
Thư viện vật liệu trong CATIA
45
Hình 2.12
Giá trị thuộc tính của đối tượng
45
Hình 2.13
Thư viện các chức năng thiết lập quy luật
Hình 2.14
Hộp thoại Check Editor
47
Hình 2.15
Thiết lập thông tin hiển thị sau khi kiểm tra
48
Hình 2.16
Thiết kế bảng trong CATIA
49
Hình 2.17
Tạo bảng thiết kế trong CATIA
50
Hình 2.18
Bảng tham số trong CATIA
50
Hình 2.19
Bảng thiết kế trong CATIA
50
Hình 3.1
Các bước thiết kế khuôn trên Catia theo cách truyền thống
52
Hình 3.2
Mô hình 3D chi tiết
53
Hình 3.3
Mô hình tách lòng và lõi
53
Hình 3.4
Định nghĩa lòng và lõi
54
Hình 3.5
Mặt phân lòng và lõi
54
Môi trường tạo khuôn cơ sở
54
Hình 3.7
Chọn bộ khuôn tiêu chuẩn
54
Hình 3.8
Bộ khuôn cơ sở
55
Hình 3.9
Tạo mặt phân khuôn tấm lòng
55
Hình 3.10
Tạo mặt phân khuôn tấm lõi
55
Hình 3.11
Bản vẽ tấm lòng khuôn
55
Hình 3.12
Bản vẽ tấm lõi khuôn
56
Hình 3.13
Lắp bu lông cố định cho phần khuôn trên
57
Hình 3.6
7
47
Hình 3.14
Lắp bạc cuống phun
57
Hình 3.15
Lắp cuống phun
57
Hình 3.16
Lắp chốt đẩy sản phẩm
58
Hình 3.17
Xác định vị trí đường nước làm mát
58
Hình 3.18
Bộ khuôn hoàn chỉnh
59
Hình 3.19
Quy trình thiết kế mô hình tiến hóa cho một chi tiết (sản
60
phẩm, khối lòng- khối lõi)
Hình 3.20
Quy trình thiết kế mô hình tiến hóa bộ khuôn
61
Hình 3.21
Bản vẽ 3D sản phẩm hộp đựn sản phẩm trong CATIA
62
Hình3.22
Thiết lập các thông số tạo hàm và tạo bảng cho chi tiết
63
Hình 3.23
Tạo lập bảng cho sản phẩm trong CATIA
63
Hình 3.24
Lựa chọn các thông số kích thước
64
Hình3.25
Tạo lập các thông số trong Microsoft Exel
64
Hình3.26
Lựa chọn các thông số cần thiết lập
65
Hình 3.27
Mô hình chi tiết mới
65
Hình 3.28
Tạo hàm quan hệ các kích thước
66
Hình 3.29
Thiết lập hàm quan hệ
66
Hình 3.30
Hàm quan hệ các thông số đã tạo
67
Hình 3.31
Kích hoạt các hàm quan hệ
67
Hình 3.32
Bản vẽ 3D chi tiết khối lõi ntrong Catia
68
Hình 3.33
Bản vẽ 3D chi tiết khối lòng ntrong Catia
68
Hình 3.34
Tạo lập bảng cho chi tiết trong CATIA
69
Hình 3.35
Tạo hàm quan hệ
69
Hình 3.36
Lựa chọn các thông số thiết kế cho khối lõi
69
Hình 3.37
Thiết lập hàm quan hệ
69
Hình 3.38
Lựa chọn các thông số thiết kế cho khối lòng
69
Hình 3.39
Hàm quan hệ các thông số đã tạo
69
Hình 3.40
Kích hoạt các hàm quan hệ khối lõi
70
8
Hình 3.41
Kích hoạt các hàm quan hệ khối lòng
70
Hình 3.42
Bảng thông số thiết kế khối lõi
70
Hình 3.43
Bảng thông số thiết kế khối lòng
70
Hình3.44
Chọn thông số thiết kế khối lõi
70
Hình 3.45
Chọn thông số thiết kế khối lòng
70
Hình 3.46
Mô hình tiến hóa khối lõi
71
Hình3.47
Mô hình tiến hóa khối lòng
71
Hình3.48
Mô hình 3D của cụm chi tiết trong bộ khuôn
71
Hình3.49
Mô hình lắp ráp bộ khuôn
71
Các hàm quan hệ và ràng buộc trong bản thân các chi tiết và
72
Hình3.50
giữa các chi tiết với nhau
Hình3.51
Lựa chọn các kích thước tạo hàm
72
Hình3.52
Thiết lập hàm quan hệ trong bản thân chi tiết
73
Hình3.53
Thiết lập hàm quan hệ và ràng buộc giữa các chi tiết với
73
nhau
Hình3.54
Mối quan hệ giữa các thông số trong một chi tiết
74
Hình3.55
Mối quan hệ giữa các chi tiết với nhau
74
Hình3.56
Kích hoạt các hàm quan hệ
75
Hình3.57
Tạo lập bảng thông số thiết kế cho cả bộ khuôn
75
Hình3.58
Lựa chọn các thông số tạo bảng
76
Hình3.59
Lựa chọn các thông số thiết kế
77
Hình3.60
Lựa chọn các thông số tạo bảng
77
Hình3.61
Mô hình tiến hóa bộ khuôn
77
9
MỞ ĐẦU
1. Lý do chọn đề tài
Công nghệ chế tạo khuôn ép phun các sản phẩm nhựa là một lĩnh vực kỹ thuật
then chốt, có vị trí, vai trò hết sức quan trọng trong quá trình phát triển các ngành
sản xuất, gia công dân dụng [1]. Nhờ có sự phát triển của khoa học máy tính và
công nghệ thông tin mà các giai đoạn thiết kế và chế tạo khuôn từng bước được tự
động hóa [8,4]. Việc áp dụng quy trình công nghệ CAD/CAM/CAE/CNC trong quá
trình thiết kế, lập trình, mô phỏng quá trình gia công khuôn ép phun được áp dụng
phổ biến, giúp giảm được thời gian thiết kế, chế tạo, nâng cao năng suất lao động và
chất lượng sản phẩm [7]. Tuy nhiên giai đoạn thiết kế, chế tạo khuôn cho một mẫu
sản phẩm có kích thước tương đồng vẫn đòi hỏi nhiều thời gian và nhiều công việc
thiết kế lặp lại.
Các sản phẩm nhựa ngày nay đang chiếm vai trò ngày càng lớn trong kỹ thuật
và đời sống như trong các máy móc thiết bị công nghiệp, thiết bị điện, đồ gia
dụng…Chúng luôn có sự thay đổi về chủng loại và số lượng tùy theo yêu cầu sử
dụng của người tiêu dùng. Đồng thời các công ty sản xuất nhựa luôn có chiến lược
thay đổi mẫu mã kiểu dáng của sản phẩm để thu hút người tiêu dùng. Như vậy vòng
đời của mỗi mẫu sản phẩm nhựa thường ngắn [10]. Một vấn đề đặt ra là tốc độ ra
sản phẩm phải đủ nhanh để có thể cạnh tranh trên thị trường. Để tạo ra sản phẩm
nhanh thì tốc độ ra khuôn phải đủ nhanh.
Theo kết cấu khuôn thì khuôn ép phun có nhiều loại khác nhau như khuôn hai
tấm, (hình 1), khuôn ba tấm (hình 2), khuôn nhiều tầng (hình 3)… Nhưng kết cấu
một bộ khuôn nhựa thường được thiết kế và chế tạo theo xu hướng mô đun hóa và
tiêu chuẩn hóa. Điều đó cho phép công việc thiết kế và chế tạo khuôn chỉ cần tập
trung vào thiết kế kết cấu hệ thống khuôn, thiết kế khối lòng, khối lõi khuôn còn hệ
thống áo khuôn đã được thiết kế và chế tạo theo bộ tiêu chuẩn riêng và có thể mua
sẵn. Hiện nay có rất nhiều hãng sản xuất khuôn lớn như Futaba, Misumi… đều có
một bộ tiêu chuẩn riêng để thuận tiện cho việc tự động hóa quá trình thiết kế khuôn
10
Hình 1: Khuôn hai tấm
Hình 2: Khuôn ba tấm
Hình 3: Khuôn nhiều tầng
Công việc thiết kế khuôn đòi hỏi nhiều thời gian, nhiều công việc thiết kế lặp
lại.Đặc biệt trong các vùng công việc: thiết kế khuôn cho cùng một họ các sản
phẩm, thiết kế kết cấu khuôn hoặc thiết kế phát triển từ một sản phẩm đã có. Các
mẫu sản phẩm cải tiến luôn kế thừa những tính năng và hình dạng của mẫu thiết kế
trước. Quá trình thiết kế khuôn cho các họ sản phẩm có tính kế thừa các đời khuôn
trước cao. Vì vậy, một yêu cầu đặt ra là cần một kỹ thuật nào đó trong quá trình
thiết kế để làm giảm thời gian thiết kế các công việc thiết kế lặp lại, giúp tăng tốc độ
khuôn nhanh cho các họ sản phẩm, hoặc các thiết kế phát triển sản phẩm.
Theo Stokes (2001)[13], tỷ lệ phần trăm của công việc có tính chất lặp đi lặp
lại trong quá trình thiết kế chiếm khoảng 80% thời gian, còn lại 20% cho các hoạt
động sáng tạo. Tuy nhiên, sự hình thành một dự án hoàn chỉnh phụ thuộc phần lớn
vào sự sáng tạo của các nhà thiết kế. Nói cách khác, để có một dự án hoàn chỉnh
cần có sự trợ giúp từ hệ chuyên gia, những giải pháp tối ưu, để tăng thời gian dành
cho thiết kế sáng tạo. Do vậy cần thiết phải giảm thời gian dành cho công việc có
tính chất lặp đi lặp lại một cách đáng kể. Một trong những giải pháp đã được sử
dụng để giảm thời gian thiết kế có tính chất lặp lại là kỹ thuật KBE đã được đề xuất
bởi Hopgood, năm 2001 [3]; Kusiak, 2000 [6]; Stokes, 2001 [13] (Hình 4).
Theo định nghĩa (Stokes, 2001)[13], kỹ thuật hệ thống KBE là một cách sử
dụng tích hợp các phần mềm máy tính cho việc tổng hợp và tái sử dụng kiến thức
về một sản phẩm và con đường dẫn tới quá trình hình thành sản phẩm tốt nhất.
Điều đó mang lại lợi ích trong trường hợp thiết kế cho cùng một họ các chi tiết,
thiết kế hệ thống hoặc thiết kế phát triển một dạng sản phẩm.
11
Trong đó quá trình thiết kế chủ
yếu dựa trên các hoạt động lặp đi lặp lại
tạo thành xương sống cho một nhóm
công việc xác định của quy trình thiết kế.
Với giải pháp trên, Skarka và Mazurek,
(2005 [11]) đã sử dụng Catia để tạo ra
mô hình tiến hóa của sản phẩm ứng dụng
trong thiết kế.
Hình 4: Ứng dụng KBE làm giảm
thời gian thiết kế [4]
Mô hình tiến hóa cho phép tạo ra nhanh các thiết kế mới dựa trên các thiết kế
trước đó, cho phép giảm thời gian thời gian cần thiết cho những công việc lặp lại
trong quá trình thiết kế. Trên cơ sở đó, có thể sử dụng phần mềm Catia để tạo ra mô
hình tiến hóa để giúp cho quá trình thiết kế khuôn diễn ra nhanh, chính xác mà vẫn
đảm thiết kế đúng đảm bảo tính công nghệ trong thiết kế khuôn. Nghiên cứu này đã
sử dụng Catia để xây dựng mô hình hình học bộ khuôn và tiến hành tham số hóa các
thông số hình học và tạo ra các hàm liên kết giữa chúng, kết quả ta thu được một
mô hình tiến hóa của bộ khuôn. Khi thay đổi các kích cỡ sản phẩm hay các thông số
của bộ khuôn thì hình dạng của bộ khuôn sẽ thay đổi theo. Do đó làm giảm thời
gian thiết kế khuôn lặp lại của đời sản phẩm trước, tăng thời gian thiết kế sáng tạo
mới của sản phẩm, giúp tạo ra sản phẩm nhanh chóng đồng thời tăng tính cạnh tranh
của sản phẩm trên thị trường.
Từ những nhu cầu trên, tác giả đã nghiên cứu và thực hiện luận văn với đề
tài: “Phân tích kết cấu và ứng dụng mô hình tiến hóa trong thiết kế khuôn
nhựa”
12
2. Lịch sử nghiên cứu
- Năm 2005: Tác giả Jonas và cộng sự đã phát triển tính năng Knowledgeware
trên Catia đã sử dụng kỹ thuật KBE trong việc thiết kế để tạo ra mô hình tiến hóa
[15]
- Năm 2011: Tác giả Huabo He và cộng sự đã nghiên cứu và áp dụng kỹ thuật
KBE trong quá trình thiết kế đối với các sản phẩm cơ điện tử để nâng cao hiệu quả
thiết kế sáng tạo và tránh những công việc lặp lại trong những thiết kế truyền
thống.[13]
- Năm 2012: Tác giả Zhou Xing và cộng sự đã nghiên cứu và áp dụng kỹ thuật
KBE để tạo ra nhanh các thiết kế cho sản phẩm rơ mooc [18]
- Năm 2012: Tác giả Lưu Huy Hạnh và cộng sự đã nghiên cứu các ứng dụng
phương pháp mô hình tiến hóa trong phần mềm CATIA hỗ trợ cho quá trình xây
dựng cơ sở dữ liệu phục vụ cho trung tâm phay CNC tại trường Cao đẳng Nghề Kỹ
thuật công nghệ nhằm nâng cao chất lượng, phục vụ tốt cho quá trình đào tạo kết
hợp sản xuất trong nhà trường.
3. Mục đích nghiên cứu của luận văn, đối tượng, phạm vi nghiên cứu
Mục đích nghiên cứu:
Kết quả nghiên cứu của đề tài sẽ là những tài liệu cần thiết phục vụ đào tạo,
nghiên cứu và chuyển giao công nghệ, góp phần nâng cao hiệu quả đào tạo và hiệu
quả sản xuất.
Nghiên cứu nhằm đưa ra một quy trình ứng dụng mô hình tiến hóa trong
thiết kế khuôn, xuất phát từ mô tả sản phẩm phát triển lên khối lòng, khối lõi, tấm
lòng, tấm lõi và toàn bộ kết cấu khuôn. Nghiên cứu đã đem lại hiệu quả trong thiết
kế các sản phẩm hình dạng tương đồng (họ sản phẩm), hoặc các thiết kế phát triển
sản phẩm, giảm thời gian cho công việc thiết kế lặp lại, tăng thời gian thiết kế sáng
tạo, từ đó tăng năng suất và tính cạnh tranh trên thị trường.
Nghiên cứu cũng đưa ra minh chứng cho việc áp dụng mô hình tiến hóa
trong lĩnh vực khuôn mẫu và đã mang lại hiệu quả ban đầu. Đồng thời mở ra nhiều
hướng nghiên cứu cho các lĩnh vực khác.
13
Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:
Đối tượng nghiên cứu là kết cấu khuôn nhựa và mô hình tiến hóa. Nghiên
cứu xây dựng quy trình thiết kế mô hình tiến hóa trong lĩnh vực thiết kế khuôn
nhựa
Phạm vi nghiên cứu: Các sản phẩm nhựa có hình dạng tương đồng (họ sản
phẩm)
4. Tóm tắt cô đọng các luận điểm cơ bản và đóng góp mới của tác giả
Để đạt được mục tiêu của đề tài, luận văn tập trung nghiên cứu và phân tích
các vấn đề sau:
- Nghiên cứu tổng quan về khuôn nhựa và kết cấu khuôn nhựa để thấy được
xu hướng của việc tiêu chuẩn hóa trong quá trình thiết kế và chế tạo khuôn nhựa.
- Nghiên cứu cơ sở lý thuyết về mô hình tiến hóa, hệ thống công cụ thực hiện
để xây dựng mô hình tiến hóa, cơ sở phương pháp luận xây dựng mô hình tiến hóa
trong Catia.
- Nghiên cứu quá trình thiết kế khuôn nhựa trên Catia và ứng dụng vào quá
trình thiết kế cho sản phẩm hộp đựng thực phẩm.
- Xây dựng quy trình thiết kế mô hình tiến hóa trong Catia cho khối lòng, khối
lõi và kết cấu chung của khuôn nhựa.
- Ứng dụng xây dựng mô hình tiến hóa cho khối lòng, khối lõi và kết cấu
chung của khuôn cho sản phẩm hộp đựng thực phẩm.
5. Phương pháp nghiên cứu
Các phương pháp chủ đạo được sử dụng để giải quyết các nội dung nghiên
cứu của đề tài là phương pháp nghiên điều tra tư liệu, phương pháp nghiên cứu lý
luận, mô phỏng số.
Điều tra tư liệu: Nghiên cứu các công trình liên quan đã được công bố, các tài
liệu khoa học, sách báo..từ đó phân tích thống kê, tổng kết để đưa ra những vấn đề
chưa được giải quyết.
Nghiên cứu lý luận: Dựa trên cơ sở các công trình nghiên cứu đã công bố về
việc ứng dụng kỹ thuật KBE và phương pháp MOKA cho quá trình thiết kế sản
14
phẩm, từ đó luận văn sẽ đi sâu vào nghiên cứu các ứng dụng của mô đun
Knowledge adivisor trong CATIA cho việc xây dựng quy trình thiết kế mô hình
tiến hóa trong thiết kế khuôn nhựa.
Mô phỏng số: Ứng dụng mô đun Knowledge adivisor trong CATIA, xây
dựng mô hình tiến hóa cho khối lòng, khối lõi, tấm lòng, tấm lõi và kết cấu khuôn
của sản phẩm hộp đựng thực phẩm để đánh giá sự phù hợp và tính đúng đắn của
hướng nghiên cứu.
15
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ KHUÔN NHỰA VÀ KẾT CẤU KHUÔN
NHỰA
1.1. Khái niệm về khuôn
Khuôn 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. Sản phẩm được tạo thành giữa hai phần
của lòng khuôn. Khoảng trống giữa hai phần khuôn được điền đầy bởi nhựa và nó
sẽ mang hình dạng của sản phẩm. Một phần lõm vào xác định hình dạng của sản
phẩm gọi là lòng khuôn, còn phần lồi ra xác định hình dạng bên trong của sản phẩm
gọi là lõi khuôn.
Lòng khuôn
Không gian tạo hình
sản phẩm
Mặt phân khuôn
Lõi khuôn
Hình 1.1 Định nghĩa khuôn
1.2. Phân loại khuôn
Việc phân loại khuôn cho sản phẩm nhựa chủ yếu dựa trên hai phương pháp:
Phương pháp gia công và theo kết cấu khuôn
1.2.1. Theo phương pháp gia công nhựa:
Khuôn ép: Dùng để tạo hình sản phẩm nhựa từ nguyên liệu nhựa dùng để nung
nóng và ép vào lòng khuôn.
Khuôn đùn: Được sử dụng để tạo ra các sản phẩm nhựa dạng tấm, thanh,
ống…
Khuôn tạo hình nhiệt ép: Sử dụng lực ép để tạo hình sản phẩm, loại này ít
được sử dụng
Khuôn thổi định hình: Được sử dụng để tạo hình các chi tiết rỗng như chai,
lọ…
16
1.2.2. Theo kết cấu khuôn
Theo kết cấu khuôn, khuôn có nhiều loại: khuôn một lòng khuôn; khuôn nhiều
lòng khuôn; khuôn hai tấm; khuôn ba tấm; khuôn không có hệ thống kênh nhựa;
khuôn nhiều tầng…
Khuôn hai tấm
Kết cấu chung của bộ khuôn hai tấm
Hình 1.2. Kết cấu chung của bộ khuôn hai tấm
Khuôn hai tấm là loại khuôn phổ biến nhất. So với khuông ba tấm thì khuôn hai tấm
đơn giản hơn, rẻ hơn và có chu kỳ ép phun ngắn hơn
Khuôn hai tấm có kênh dẫn nguội
Đối với khuôn hai tấm có một lòng khuôn thì không cần đến kênh dẫn nhựa vì
nhựa sẽ điền đầy trực tiếp vào khuôn thông qua bạc cuống phun.
Đối với khuôn hai tấm có nhiều lòng khuôn thì ta nên quan tâm nhiều đến việc
thiết kế kênh dẫn và miệng phun sao cho nhựa có thể điền đầy vào các lòng khuôn
cùng lúc (vấn đề cân bằng dòng chảy của nhựa). Trước khi bắt đầu thiết kế khuôn,
17
loại này ta nên dùng một quá trình phân tích số dựa trên công nghệ CAE để tìm ra
vị trí đặt miệng phun, áp lực phun rồi mới tiến hành thiết kế. Khi xét thấy vị trí các
miệng phun có thể đặt thẳng hàng với các lòng khuôn thì việc dùng khuôn hai tấm
là thích hợp.
Hình 1.3. Khuôn hai tấm có kênh dẫn nguội
* Ưu điểm
Khuôn hai tấm có kênh dẫn nguội có các ưu điểm sau: Kết cấu đơn giản; giá
thành khuôn rẻ; vận hành bảo trì đơn giản; sự điền đầy đồng đều; dùng cho mọi
loại nhựa; hoạt động tin cậy.
* Nhược điểm
Khuôn hai tấm có kênh dẫn nguội có các nhược điểm sau: Tốn vật liệu cuống
phun; thời gian ép phun dài hơn; lực kẹp lớn; áp suất duy trì ngắn nên sản phẩm
dễ bị khuyết tật.
Khuôn 2 tấm rất thông dụng trong hệ thống khuôn nhằm sản xuất những sản
phẩm đơn giản.
Vì vấn đề cân bằng dòng và đòi hỏi các miệng phun phải được bố trí thẳng
hàng với các lòng khuôn mà việc thiết kế khuôn hai tấm có nhiều lòng khuôn gặp
nhiều hạn chế đối với một số loại nhựa nhất định. Do đó để khắc phục nhược điểm
này người ta dùng đến khuôn ba tấm hoặc khuôn hai tấm có kênh dẫn nóng. Tuy
nhiên đối với những sản phẩm loại lớn không bố trí được miệng khuôn ở tâm hoặc
18
sản phẩm có nhiều miệng phun hoặc lòng khuôn cần nhiều miệng phun ở tâm thì kết
cấu khuôn 2 tấm trở nên không thích hợp.
Khuôn hai tấm có kênh dẫn nóng
Khuôn hai tấm dùng kênh dẫn nóng luôn giữ cho nhựa chảy trong bạc cuống
phun, kênh dẫn và miệng phun nhựa, chỉ đông đặc khi nó chảy vào lòng khuôn.
Khi khuôn mở ra thì chỉ có sản phẩm (đôi khi có kênh dẫn nguội) được lấy ra
ngoài. Khi khuôn đóng lại thì nhựa trong các kênh dẫn vẫn nóng và tiếp tục điền
đầy vào lòng khuôn một cách trực tiếp
Đối với loại khuôn này, các miệng phun
phải được ở vị trí trung tâm của các lòng
khuôn. Điều này có nghĩa là các kênh dẫn
phải được đặt xa mặt phân khuôn. Nhưng
điều này không gây bất kỳ trở ngại nào cho
việc thiết kế. Loại khuôn này cũng phù hợp
với khuôn có nhiều lòng khuôn với kích
Hình 1.4:Kết cấu khuôn hai tấm có
kênh dẫn nóng.
thước nhỏ hay những khuôn mà hệ thống
kênh dẫn phức tạp và phí nhiều vật liệu.
* Ưu điểm:
Khuôn hai tấm có kênh dẫn nóng có các ưu điểm sau: Tiết kiệm vật liệu;
không có vết của miệng phun trên sản phẩm; giảm thời gian chu kỳ; điều khiển
được sự điền đầy và dòng chảy của nhựa.
* Nhược điểm:
Khuôn hai tấm có kênh dẫn nóng có các nhược điểm sau: giá thành cao hơn
khuôn hai tấm có kênh dẫn nguội; khó đổi màu vật liệu; hệ thống điều khiển nhiệt
độ dễ bị hỏng; không thích hợp với những vật liệu chịu nhiệt kém.
Khuôn ba tấm
Khuôn 3 tấm có 2 đường phân khuôn một để tháo rãnh dẫn và một để tháo chi
tiết, nó gồm 3 phần: tấm cố định, tấm di chuyển và tấm dùng để tháo khuôn.
19
Hình 1.5: Kết cấu khuôn ba tấm
* Ưu điểm:
Khuôn ba tấm có các ưu điểm sau: giá thành thấp hơn so với khuôn hai tấm
có kênh dẫn nóng; ít bị hỏng hóc hơn khuôn có kênh dẫn nóng; có thể phù hợp với
những vật liệu chịu nhiệt kém; chi tiết và rãnh dẫn có thể tự động tách riêng ra, nó
dễ tự động hóa và được áp dụng rộng rãi trong dạng sản xuất lớn.
* Nhược điểm:
Khuôn ba tấm có các nhược điểm sau: chu kỳ ép phun tăng do hành trình
của dòng nhựa để điền đầy lòng khuôn dài; lãng phí nhiều vật liệu; cần áp suất
phun lớn để điền đầy; cấu trúc phức tạp hơn khuôn 2 tấm.; giá thành khuôn
cũng cao hơn.
Khuôn nhiều tầng
Khuôn nhiều tầng được sử dụng với mục đích tạo ra sản phẩm với số lượng
lớn tăng năng suất, giảm giá thành, giảm chi phí làm khuôn. Tuy nhiên cũng ảnh
hưởng tới việc thiết kế và gia công cũng như lắp ráp gặp khó khăn hơn do các thông
số về độ phẳng, độ đồng tâm giữa các bề mặt. Hệ thống khuôn nhiều tầng được chế
tạo để giữ lực kẹp của máy thấp (nghĩa là sử dụng cho loại máy có kích thước nhỏ).
Với loại hệ thống khuôn này chúng ta có một hệ thống đẩy ở mỗi mặt của khuôn.
20
Hình 1.6: Khuôn nhiều tầng
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 xy lanh thủy lực tạo chuyển động ngang độc lập với mở khuôn
Hình 1.7: Tháo lõi bằng chốt xiên
Hình 1.8: Tháo lõi bằng xy lanh thủy lực
Khuôn của sản phẩm có ren
21
Phần tử ren gồm có ren trong và ren ngoài. Có nhiều cách tháo ren như tháo
ren cưỡng bức, tháo ren bằng chốt gập, tháo ren bằng thanh răng, bánh răng, tháo
ren bằng tay, tháo ren bằng chốt nhả
Hình 1.9a: Tháo ren trong và ren ngoài bằng chốt gập nhả
Khuôn nhiều màu
Khuôn nhiều màu là khuôn ép
với các dạng sản phẩm gồm
nhiều giai đoạn, mỗi giai đoạn
sử dụng một bộ khuôn riêng và
quá trình này thường xẩy ra liên
tục cho đến khi ép xong hoàn
chỉnh một sản phẩm.
Hình 1.9b: Sản phẩm của khuôn nhiều màu
Trên cơ sở đó đề tài chọn khuôn hai tấm có một lòng khuôn, không cần đến kênh
dẫn nhựa mà nhựa sẽ được điền đầy trực tiếp vào lòng khuôn thông qua bạc cuống
phun.
22
1.3. Cấu tạo và chức năng của các bộ phận của khuôn
1. Tấm kẹp trên
10. Chốt đẩy
2. Tấm khuôn
trước
11. Tấm giữ
3. Vòng định vị
4.Bạc cuống phun
5. Sản phẩm
6. Bộ định vị
7. Tấm đỡ
8. Khối đỡ
9.Tấm kẹp phía
dưới
12. Tấm đẩy
13. Bạc dẫn hướng hệ
thống
14. Chốt hồi
15. Bạc mở rộng
16. Trụ đỡ
17. Tấm khuôn sau
18. Bạc dẫn hướng
lắp với chốt dẫn
hướng
19. Chốt dẫn hướng
Hình 1.10: Kết cấu chung của một bộ khuôn
Khuôn ép phun là thiết bị tạo hình ra sản phẩm nhựa. Kết cấu một bộ khuôn ép
phun (hình 1.6) bao gồm nhiều chi tiết lắp ghép với nhau. Trong đó các chi tiết của
khuôn được định hướng tiêu chuẩn hóa với các chức năng cụ thể:Tấm kẹp trên (1)
có vai trò kẹp phần nửa khuôn trên (nửa khuôn tĩnh) vào tấm cố định trên máy ép
phun; tấm khuôn trước (2) là phần cố định của khuôn, có vai trò tạo thành khu vực
lòng khuôn; vòng định vị (3) có vai trò đảm bảo vị trí tương quan thích hợp của
khuôn với vòi phun trên máy ép phun; bạc cuống phun (4) có vai trò nối vòi phun
trên máy với hệ thống kênh dẫn nhựa; sản phẩm (5) được hình thành sau khi ép
phun;bộ định vị (6) có vai trò đảm bảo tương quan vị trí giữa tấm khuôn trước, tấm
khuôn sau với toàn bộ khuôn; tấm đỡ (7) có vai trò giữ cho mảnh ghép lòng khuôn
không bị rơi ra ngoài, đồng thời, tấm đỡ cũng đóng vai trò tăng độ cứng vững, đảm
bảo độ bền cho khuôn; khối đỡ (8) có vai trò tạo khoảng không giữa tấm đỡ và tấm
kẹp sau, đảm bảo hệ thống đẩy có thể hoạt động được, khối đỡ cũng đóng vai trò
tăng cứng, đảm bảo bền cho khuôn; tấm kẹp phía sau (9) có vai trò kẹp phần khuôn
dưới (nửa khuôn di động) vào tấm di động của máy; chốt đẩy (10) dùng để đẩy sản
phẩm khi khuôn mở, trong một số trường hợp chốt đẩy có thể được thay bằng các
hệ thống đẩy khác như: tấm đẩy...; tấm giữ (11) có vai trò giữ, xác định vị trí của
23
chốt đẩy trong hệ thống đẩy, tấm đẩy (12) có vai trò tạo chuyển động qua lại cho
chốt đẩy (hệ thống đẩy), bạc dẫn hướng hệ thống đẩy (13) có vai trò dẫn hướng cho
toàn bộ hệ thống đẩy. Đồng thời, bạc dẫn hướng cũng giúp tránh mòn hoặc làm
hỏng trụ đỡ, tấm đẩy và tấm giữ do sự chuyển động qua lại giữa chúng, chốt hồi
(14) có vai trò đưa hệ thống đẩy quay trở về vị trí ban đầu khi khuôn đóng lại, bạc
mở rộng (15) có vai trò dẫn hướng và tránh mài mòn hoặc làm hỏng tấm kẹp phía
sau, khối đỡ và tấm đỡ, trụ đỡ (16) có vai trò dẫn hướng chuyển động cho hệ thống
đẩy, đồng thời trụ đỡ cũng làm tăng độ cứng vững và độ bền cho khuôn sau; tấm
khuôn sau (17) là phần chuyển động của khuôn, tạo nên khu vực lõi khuôn; bạc dẫn
hướng lắp ghép với chốt dẫn hướng (18) có vai trò dẫn hướng đảm bảo hai nửa
khuôn ăn khớp với nhau; chốt dẫn hướng (19) lắp ghép với bạc dẫn hướng, có vai
trò dẫn hướng đảm bảo hai nửa khuôn ăn khớp với nhau.
1.4. Các yêu cầu kỹ thuật đối với khuôn đúc phun sản phẩm nhựa
Đảm bảo độ chính xác về kích thước và biên dạng của 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 tương quan chính xác giữa hai 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 kỳ 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.
24
1.5. Quy trình thiết kế khuôn
1.5.1. Cơ sở dữ liệu cần thiết khi thiết kế khuôn
Bản vẽ chi tiết với đầy đủ kích thước như vật liệu chế tạo chi tiết (loại nhựa),
vật liệu của lòng khuôn, độ chính xác của chi tiết bao gồm độ chính xác về kích
thước, độ chính xác về hình dáng hình học và vị trí tương quan giữa các bề mặt, số
lượng các chi tiết yêu cầu, các bề mặt làm việc, không gian làm việc của chi tiết.
Các thông số kỹ thuật của máy ép như lực kẹp khuôn lớn nhất của máy là bao
nhiêu, khối lượng vật liệu lớn nhất của máy có thể gia công được, kích thước bàn
máy để lắp khuôn, áp lực phun lớn nhất của máy, khoảng mở tối thiểu và tối đa của
máy, kích thước lỗ định vị khuôn trên bàn máy.
1.5.2. Quy trình thiết kế khuôn ép phun
Hình 1.11 Quy trình thiết kế khuôn ép phun
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. Bản vẽ mô tả kích thước sản
phẩm hoặc mô hình 3D của sản phẩm. Từ kích thước của sản phẩm và năng suất ra
khuôn quyết định đến áo khuôn và máy đúc phun. Bước tiếp theo 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
25
