Ứng dụng phần mềm topsolid trong thiết kế và gia công khuôn ép nhựa

MỤC LỤC
MỤC LỤC ...................................................................................................................1
LỜI CAM ĐOAN .......................................................................................................3
CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT ........................................................................5
HỆ THỐNG DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ ...............................................................6
HỆ THỐNG DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU ........................................................10
PHẦN MỞ ĐẦU .......................................................................................................11
CHƢƠNG I. TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ CAD/CAM-CNC .........................13
1.1. Lịch sử phát triển của công nghệ CAD/CAM-CNC ......................................13
1.2. Nguyên lý của CAD/CAM-CNC ...................................................................14
1.2.1. CAD (Computer Aided Design) .............................................................14
1.2.2. CAM (Computer Aided Manufacture) ...................................................15
1.2.3. CNC (Computerized Numerical Control) ..............................................17
1.3. Tích hợp CAD và CAM .................................................................................17
1.4. Tình hình ứng dụng công nghệ CAD/CAM-CNC ở Việt Nam .....................20
1.4.1. Ứng dụng CAD/CAM trong chế tạo khuôn mẫu ...................................20
1.4.2 Ứng dụng CAD/CAM-CNC trong thiết kế ngƣợc ..................................21
1.5. Kết luận ..........................................................................................................23
CHƢƠNG II. CHẤT DẺO VÀ KHUÔN GIA CÔNG CHẤT DẺO ........................24
2.1. Tổng quan về chất dẻo ...................................................................................24
2.1.1. Khái niệm về chất dẻo ............................................................................24
2.1.2. Đặc tính chung của Polymer...................................................................24
2.1.3. Phân loại Polymer...................................................................................25
2.1.4. Các loại chất dẻo dùng trong máy ép đúc ..............................................25
2.1.5. Những ứng dụng của chi tiết nhựa nhiệt dẻo..........................................28
2.2. Khuôn ép nhựa ...............................................................................................30
2.2.1. Khái quát về khuôn .................................................................................30
2.2.2. Cấu tạo chung của khuôn .......................................................................31
2.2.3. Các yêu cầu kỹ thuật đối với khuôn ép nhựa .........................................32

1

2.2.4. Các loại khuôn phổ biến .........................................................................32
2.2.5. Các hệ thống của khuôn .........................................................................36
2.2.6. Trình tự thiết kế và bảo quản khuôn .......................................................54
2.2.7. Vật liệu làm khuôn .................................................................................55
2.2.8. Các chi tiết tiêu chuẩn của khuôn ...........................................................60
2.3. Kết luận ..........................................................................................................60
CHƢƠNG III. ỨNG DỤNG PHẦN MỀM TOPSOLID TRONG THIẾT KẾ VÀ
CHẾ TẠO KHUÔN ÉP NHỰA ................................................................................61
3.1. Tổng quan về phần mềm TopSolid ................................................................61
3.2. Thiết kế sản phẩm trên TopSolid'Design .......................................................64
3.2.1. Thiết kế mô hình 3D (Part design) .........................................................64
3.2.2. Thiết kế 2D và tạo bản vẽ kỹ thuật (Draft).............................................65
3.2.3. Lắp ghép các chi tiết (Assembly) ...........................................................66
3.2.4. Thiết kế Surface ......................................................................................66
3.2.5. Chuyển đổi thiết kế từ 2D sang 3D ........................................................67
3.2.6. Thƣ viện chi tiết khổng lồ ......................................................................67
3.2.7. Mô phỏng động lực học (Kinematics) ....................................................67
3.2.8. Mô phỏng động lực học (Dynamic) .......................................................67
3.3. Thiết kế khuôn với TopSolid'Mold ................................................................68
3.4. Lập trình gia công trên TopSolid'Cam...........................................................70
3.5. Ứng dụng phần mềm TopSolid trong thiết kế và chế tạo khuôn ép nhựa cho
sản phẩm kéo cắt giấy ...........................................................................................74
3.5.1. Thiết kế sản phẩm ...................................................................................74
3.5.2. Phân tích và thiết kế khuôn cho sản phẩm .............................................75
3.5.3. Lập trình gia công lòng và lõi khuôn .....................................................81
3.6. Kết luận ..........................................................................................................94
KẾT LUẬN VÀ HƢỚNG NGHIÊN CỨU ..............................................................95
TÀI LIỆU THAM KHẢO .........................................................................................96

2


LỜI CAM ĐOAN
Tác giả xin cam đoan đề tài: “Ứng dụng phần mềm TopSolid trong thiết kế và
gia công khuôn ép nhựa” là công trình nghiên cứu thực sự của cá nhân tác giả,
đƣợc thực hiện dƣới sự hƣớng dẫn khoa học của PGS.TS Tăng Huy. Các số liệu,
những kết luận nghiên cứu đƣợc trình bày trong luận văn này trung thực và chƣa
từng đƣợc công bố trong bất kỳ một công trình nào khác. Trừ các phần tham khảo
đã đƣợc nêu rõ trong luận văn.
Tác giả

Lê Diên Hùng

3


LỜI CẢM ƠN
Trƣớc tiên, tác giả xin gửi lời cảm ơn tới PGS.TS Tăng Huy, ngƣời hƣớng dẫn và
giúp đỡ để tác giả có thể hoàn thành tốt luận văn này. Sự hiểu biết sâu sắc về khoa
học, cũng nhƣ kinh nghiệm của thầy chính là tiền đề giúp tôi đạt đƣợc những thành
tựu và kinh nghiệm quý báu.
Tác giả cũng bày tỏ lòng biết ơn tới Ban lãnh đạo và Khoa Sau đại học - Trƣờng
Đại học Bách khoa Hà Nội đã tạo mọi điều kiện thuận lợi để tôi hoàn thành bản
luận văn này.
Do năng lực bản thân còn nhiều hạn chế nên luận văn không tránh khỏi những
thiếu sót, tác giả mong nhận đƣợc sự đóng góp ý kiến của các Thầy (Cô) giáo và các
bạn đồng nghiệp.
Tác giả

Lê Diên Hùng

4


CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT
NC (Number Contral) - Điều khiển số.
CNC (Computer Numerical Control) - Điều khiển số có sự trợ giúp của máy tính
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.
IGES - Initial Graphic Exchange speciílcation.
SET - Standard Exchange transport.
STEP - Standard for Exchange of Product Model Data.
APT - Automatically Programmed Tools.
MAP - Manufacturing Automation Protocol.
TOP - Technical and Office Protocol.
DNC - Direct Numerical Control.
PPC - Production Planning Control.
RP - Rapid Prototyping.
IR- Industry Robot.
PS - Power Shape.
PE – Polyetylen.
PP – Polypropylen.
PS – Polystyren.
PVC - Polyvinilclorit.
PVA - Polyvinylacetat.

PVAL - Polyvinylalcol.
PA - Polyamit.
SX - Sản xuất.

5


HỆ THỐNG DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ
Hình 1.1. Sơ đồ lịch sử phát triển của hệ thống CAD/CAM .................................... 13
Hình 1.2 Các giai đoạn chính của quá trình thiết kế ................................................. 15
Hình 1.3. Các lĩnh vực ứng dụng trong hệ CAM ...................................................... 16
Hình 1.4. Mô hình công cụ CAD/CAM .................................................................... 17
Hình 1.5. Mối quan hệ CAD/CAM và tự động hóa sản xuất.................................... 18
Hình 1.6. Các công việc và chức năng của CAD/CAM trong chu kỳ sản xuất ........ 19
Hình 1.7. Ứng dụng RE trong ngành công nghiệp ô tô ............................................ 22
Hình 1.8. Dùng máy scan 3D để lấy mẫu khuôn ép nhựa ........................................ 23
Hình 2.1. Kết cấu của một bộ khuôn hai tấm ép sản phẩm nhựa.............................. 31
Hình 2.2. Kết cấu khuôn hai tấm .............................................................................. 33
Hình 2.3. Kết cấu khuôn ba tấm................................................................................ 34
Hình 2.4. Khuôn nhiều tầng ...................................................................................... 34
Hình 2.5. Kết cấu cơ bản của khuôn cho sản phẩm nhiều màu ................................ 35
Hình 2.6. Sản phẩm của khuôn nhiều màu ............................................................... 36
Hình 2.7. Cấu tạo chung của hệ thống đẩy ............................................................... 36
Hình 2.8. Một số loại chốt đẩy .................................................................................. 37
Hình 2.9. Hệ thống dùng lƣỡi đẩy............................................................................. 38
Hình 2.10. Hệ thống dùng ống đẩy ........................................................................... 38
Hình 2.11. Ống đẩy ................................................................................................... 38
Hình 2.12. Hệ thống đẩy dùng tấm tháo ................................................................... 39
Hình 2.13. Hệ thống cấp nhựa .................................................................................. 39
Hình 2.14. Bạc cuống phun dùng bốn bu lông ......................................................... 40

Hình 2.15. Lắp ghép giữa bạc cuống phun và vòng định vị ..................................... 40
Hình 2.16. Kích thƣớc hợp lý của cuống phun ......................................................... 41
Hình 2.17. Kênh dẫn nhựa ........................................................................................ 42
Hình 2.18. Một số tiết diện kênh dẫn nhựa ............................................................... 42
Hình 2.19. Miệng phun trực tiếp ............................................................................... 43
Hình 2.20. Miệng phun cạnh ..................................................................................... 44

6


Hình 2.21. Miệng phun kiểu then ............................................................................. 44
Hình 2.22. Thành phần hệ thống làm nguội.............................................................. 45
Hình 2.23. Hệ thống dẫn hƣớng và định vị ............................................................... 47
Hình 2.24. Chốt dẫn hƣớng có vai ............................................................................ 48
Hình 2.25. Bạc dẫn hƣớng ........................................................................................ 48
Hình 2.26. Cơ cấu định vị mặt côn ........................................................................... 49
Hình 2.27. Mặt vát đơn định vị chính xác................................................................. 49
Hình 2.28. Mặt vát đôi định vị chính xác.................................................................. 49
Hình 2.29. Hình dạng sản phẩm có undercut ............................................................ 51
Hình 2.30. Một số undercut điển hình ...................................................................... 51
Hình 2.31. Nguyên lý tháo undercut ......................................................................... 52
Hình 2.32. Tháo undercut mặt ngoài sử dụng lõi trƣợt ............................................. 52
Hình 2.33. Tháo undercut mặt trong sử dụng chốt đẩy xiên..................................... 53
Hình 2.34. Các thành phần cơ bản của một hệ thống chốt đẩy xiên ......................... 54
Hình 2.35. Khuôn làm bằng thép NAK 80 ............................................................... 58
Hình 3.1. Thiết kế các chi tiết bằng TopSolid'Design .............................................. 64
Hình 3.2. Mô hình chuyển từ bản vẽ thiết kế sang bản vẽ kỹ thuật .......................... 65
Hình 3.3. Mô hình chuyển đổi từ bản vẽ lắp ghép sang bản vẽ kỹ thuật .................. 65
Hình 3.4. Lắp ráp các chi tiết trong TopSolid ........................................................... 66
Hình 3.5. Thiết kế mô hình surface ........................................................................... 66

Hình 3.6. Mô phỏng động lực học ............................................................................ 67
Hình 3.7. Modul TopSolid'Mold- thiết kế khuôn ép nhựa ........................................ 68
Hình 3.8. Thƣ viện khuôn mẫu tiêu chuẩn trong Topsolid ....................................... 68
Hình 3.9. Hệ thống làm mát đƣợc thiết kế trong Topsolid ....................................... 69
Hình 3.10. Lòng, lõi khuôn đƣợc chuyển sang Topsolid’Cam để gia công ............. 69
Hình 3.11. Phân tích dòng chảy với Mold Flow ....................................................... 70
Hình 3.12. Lập trình gia công với TopSolid'Cam ..................................................... 70
Hình 3.13. Thƣ viện máy .......................................................................................... 71
Hình 3.14. Thƣ viện dao ........................................................................................... 71

7


Hình 3.15. Mô phỏng phay 2D ................................................................................. 72
Hình 3.16. Mô phỏng phay contuor 3D .................................................................... 72
Hình 3.17. Phay mặt trên máy 4 trục ........................................................................ 72
Hình 3.18. Chuyển đổi gia công từ 3 trục sang 5 trục .............................................. 73
Hình 3.19. Mô phỏng gia công trên máy phay tiện phức hợp .................................. 73
Hình 3.20. Thực hiện nguyên công khoan, tiện trong TopSolid............................... 74
Hình 3.21. Tiện nhiều đầu dao .................................................................................. 74
Hình 3.22. Hình ảnh thân kéo đƣợc thiết kế ............................................................. 75
Hình 3.23. Đƣờng phần khuôn đƣợc tạo ra ............................................................... 75
Hình 3.24. Mặt phân khuôn ...................................................................................... 76
Hình 3.25. Khuôn trên ............................................................................................... 76
Hình 3.26. Khuôn dƣới ............................................................................................. 76
Hình 3.27. Nhân ra nhiều lòng khuôn ....................................................................... 76
Hình 3.28. Chọn khuôn tiêu chuẩn ........................................................................... 77
Hình 3.29. Khuôn tiêu chuẩn đƣợc tạo ..................................................................... 78
Hình 3.30. Tạo rãnh dẫn nhựa................................................................................... 78
Hình 3.31. Thiết kế hệ thống chốt đẩy sản phẩm...................................................... 79

Hình 3.32. Chọn hệ thống cổng phun cho sản phẩm ................................................ 79
Hình 3.33. Hệ thống làm mát .................................................................................... 80
Hình 3.34. Hệ thống chốt đỡ ..................................................................................... 80
Hình 3.35. Hệ thống chốt hồi .................................................................................... 81
Hình 3.36. Hệ thống khuôn hoàn chỉnh .................................................................... 81
Hình 3.37. Chọn máy pháy phay CNC kí hiệu HAAS-VMC VFA4 SS .................. 82
Hình 3.38. Gọi chi tiết vào môi trƣờng gia công ...................................................... 83
Hình 3.39. Tạo phôi cho chi tiết gia công ................................................................. 83
Hình 3.40. Nhận dạng chi tiết gia công và phôi........................................................ 84
Hình 3.41. Mô phỏng phay mặt phẳng...................................................................... 87
Hình 3.42. Mô phỏng phay hốc phía trên ................................................................. 89
Hình 3.43. Mô phỏng phay thô lòng khuôn .............................................................. 90

8


Hình 3.44. Mô phỏng phay tinh lòng khuôn ............................................................. 92
Hình 3.45. Xuất mã NC sang máy phay CNC .......................................................... 93
Hình 3.46. Học viên Lê Diên Hùng đang vận hành gia công sản phẩm ................... 93
Hình 3.47. Sản phẩm sau khi hoàn thiện................................................................... 94

9


HỆ THỐNG DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU
Bảng 2.1 Ký hiệu vật liệu ........................................................................................57
Bảng 2.2 Thông số thép 1055 ..................................................................................57
Bảng 2.3 Thông số thép 2083 ..................................................................................58
Bảng 2.4 Thông số thép NAK 80 ............................................................................58
Bảng 2.5 Thành phần nhôm 6061 ............................................................................59

Bảng 2.6 Thành phần nhôm 7005 ............................................................................60

10


PHẦN MỞ ĐẦU
Công nghệ CAD/CAM-CNC đã và đang đi sâu vào trong các lĩnh vực sản xuất
cơ khí, chế tạo máy nhƣ một yêu cầu tất yếu của nền sản xuất hiện đại nhằm mục
đích nâng cao năng xuất lao động, giảm giá thành và tạo ra các sản phẩm đạt chất
lƣợng cao. Với những ƣu điểm đó, công nghệ CAD/CAM-CNC ngày càng đƣợc
ứng dụng rộng rãi và chuyên sâu trong các ngành công nghiệp trọng điểm của một
quốc gia nhƣ: chế tạo ô tô, máy bay, công nghiệp đóng tầu, chế tạo khuôn mẫu, thiết
kế các sản phẩm dân dụng v..v.
Trong một hệ CAD/CAM, các phần mềm CAD/CAM-CNC là một yếu tố cấu
thành hết sức quan trọng giữ vai trò quyết định tới chất lƣợng cũng nhƣ thành công
khi ứng dụng hệ CAD/CAM trong quá trình sản xuất. Cùng với tiến trình phát triển
mạnh mẽ của công nghệ CAD/CAM, các phần mềm CAD/CAM cũng ngày càng
đƣợc cập nhật, bổ xung và hoàn thiện nhằm đáp ứng thực tiễn sản xuất. Có thể kể
đến một loạt các hệ phần mềm nổi tiếng, mạnh mẽ và đƣợc ứng dụng rộng rãi trên
thị trƣờng hiện nay nhƣ: Catia, Unigraphic, Pro Engineer, TopSolid, Cimatron…
TopSolid là một trong những phần mềm CAD/CAM nổi tiếng nhất hiện nay của
hãng Missler, Pháp. TopSolid cung cấp giải pháp tổng thể CAD/CAM/CNC tạo khả
năng liên kết linh hoạt giữa các khâu trong quá trình sản xuất từ thiết kế CAD mô
phỏng gia công CAM do đó TopSolid đƣợc các tập đoàn lớn trên thế giới sử dụng.
Tại Việt Nam, việc ứng dụng công nghệ CAD/CAM-CNC cùng các phần mềm
CAD/CAM trong sản xuất ngày càng phát triển rộng rãi và đƣợc coi nhƣ chìa khoá
để nền sản xuất cơ khí nói chung cũng nhƣ công nghệ chế tạo máy nói riêng đón
đầu và tiếp cận với trình độ sản xuất tiên tiến trên thế giới.
Là một học viên cao học ngành Chế tạo máy niên khoá 2013 – 2015 trƣờng Đại
học Bách khoa Hà Nội. Tác giả lựa chọn đề tài luận văn thạc sĩ “Ứng dụng phần

mềm TopSolid trong thiết kế và gia công khuôn ép nhựa” nhằm mục đích tiếp
cận, tìm hiểu cũng nhƣ ứng dụng công nghệ CAD/CAM-CNC trong gia công chế
tạo các chi tiết khuôn mẫu thông qua phần mềm TopSolid. Từ đây cung cấp một

11


nhìn khái quát nhƣng cũng chi tiết và cụ thể về công nghệ CAD/CAM. Luận văn
đƣợc chia thành 3 chƣơng cụ thể nhƣ sau:
Chƣơng I. Tổng quan về công nghệ CAD/CAM-CNC
Chƣơng II. Chất dẻo và khuôn gia công chất dẻo
Chƣơng III. Ứng dụng phần mềm Topsolid trong thiết kế và chế tạo khuôn mẫu
* Mục đích nghiên cứu: Phần đầu của đề tài là các nghiên cứu lý thuyết về
CAD/CAM-CNC nhằm đƣa ra các vấn đề mang tính lý luận, là cơ sở để nghiên
cứu, ứng dụng trong thực tế sản xuất. Nội dung tiếp theo là các vấn đề liên quan tới
chất dẻo cũng nhƣ đặc điểm, cấu tạo của khuôn ép các sản phẩm chất dẻo. Phần
nghiên cứu ứng dụng đi sâu vào việc thiết kế cũng nhƣ gia công khuôn ép cho các
sản phẩm nhựa trên phần mềm TopSolid. Từ đó góp phần vào việc nâng cao hiệu
quả khai thác, sử dụng phần mềm Topsolid trong các Công ty cơ khí nói chung và
đối với Trƣờng Cao đẳng Cơ khí Luyện kim nói riêng.
* Đối tƣợng nghiên cứu: Đề tài tập trung nghiên cứu việc thiết kế và lập trình
gia công khuôn ép nhựa trên phần mềm TopSolid, tích hợp việc gia công khuôn đó
trên máy CNC.
* Ý nghĩa của đề tài
- Tiếp cận việc nghiên cứu CAD/CAM-CNC bằng một công cụ mới nhƣng mạnh
mẽ và hiệu quả cao.
- Nâng cao hiệu quả khai thác công nghệ CAD/CAM-CNC mà cụ thể là phần
mềm TopSolid tại đơn vị công tác (Trƣờng Cao đẳng Cơ khí Luyện kim), cùng với
đó là đƣa phần mềm TopSolid vào sử dụng nhiều ở các doanh nghiệp tại Việt Nam.
* Phƣơng pháp nghiên cứu

- Nghiên cứu cơ sở lý thuyết về công nghệ chất dẻo, công nghệ ép phun, các bộ
phận cơ bản của khuôn nhựa, tiếp cận phần mềm TopSolid.
- Sử dụng các công cụ thiết kế khuôn của TopSolid’ Mold để thiết kế một bộ
khuôn ép nhựa, sau đó lập trình gia công tấm lòng, lõi khuôn trên TopSolid’ Cam
- Gia công hoàn thiện tấm lòng và lõi khuôn trên máy phay CNC.

12


CHƢƠNG I. TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ CAD/CAM-CNC
1.1. Lịch sử phát triển của công nghệ CAD/CAM-CNC
Những năm cuối thế kỷ 20, công nghệ CAD/CAM đã trở thành một lĩnh vực đột
phá trong thiết kế, chế tạo và sản xuất sản phẩm công nghiệp. CAD (Computer
Aided Design) là thiết kế trợ giúp bằng máy tính, CAM (Computer Aided
Manufacture) là sản xuất với sự trợ giúp của máy tính. Hai lĩnh vực này ghép nối
với nhau đã trở thành một loại hình công nghệ cao, một lĩnh vực khoa học tổng hợp
của sự liên ngành Cơ khí - Tin học - Điện tử - Tự động hóa. Cùng với sự phát triển
của khoa học máy tính, CAD/CAM đã đƣợc nhận thức và chấp nhận nhanh chóng
trong công nghiệp (công nghiệp dệt - may, công nghiệp nhựa, công nghiệp cơ khí
chế tạo...) vì nó là hạt nhân chính để sáng tạo và sản xuất sản phẩm, để tăng năng
xuất lao động, giảm cƣờng độ lao động và tự động hóa quá trình sản xuất, nâng cao
độ chính xác của chi tiết và đạt hiệu quả kinh tế cao.
Lúc đầu CAD/CAM là hai ngành phát triển tách biệt nhau, độc lập với nhau
trong khoảng 30 năm. Hiện nay chúng đƣợc tích hợp thành một hệ thống, trong đó
quá trình thiết kế có thể lựa chọn đƣợc phƣơng án tối ƣu và quá trình sản xuất có
thể đƣợc giám sát và điều khiển từ khâu đầu đến khâu cuối. Phần mềm CAD đầu
tiên là SKETCHPAD xuất hiện vào năm 1962 đƣợc viết bởi Ivan Sutherland thuộc
trƣờng kỹ thuật Massachusetts (MIT – Massachusetts Institute of Technology).

Hình 1.1. Sơ đồ lịch sử phát triển của hệ thống CAD/CAM [13]

13


Hiện nay trên thế giới đã có hàng ngàn phần mềm CAD và một trong những phần
mềm thiết kế nổi tiếng nhất là AutoCAD. AutoCAD phiên bản đầu tiên (Release 1)
đƣợc công bố tháng 12 - 1982. Cho đến năm 1997 thì đã có phiên bản thứ 14
(Release 14). Từ năm 2000 đến nay, gần nhƣ mỗi năm đều có ra đời phiên bản mới.
Cũng nhƣ hệ CAD, hệ CAM đƣợc phát triển ứng dụng đầu tiên tại MIT cho các
máy gia công điều khiển số CNC (Computer Numerical Control) bằng máy vi tính
vào đầu những năm 70.
Hệ tích hợp CAD/CAM ra đời vào giữa những năm 70 và 80 của thế kỷ trƣớc.
1.2. Nguyên lý của CAD/CAM-CNC
1.2.1. CAD (Computer Aided Design) - Thiết kế với sự trợ giúp của máy tính
Để tạo thành một sản phẩm hoàn chỉnh cần thực hiện hai công đoạn chính là:
thiết kế và chế tạo. Ở công đoạn thiết kế trên cơ sở thu thập thông tin, xử lý dữ liệu
và kết hợp với khả năng sáng tạo ngƣời thiết kế phân tích toàn bộ tập hợp các
phƣơng án và chọn ra một phƣơng án thiết kế tối ƣu. Đối với sản phẩm có cấu trúc
phức tạp, đòi hỏi những chỉ tiêu cao về thông số kỹ thuật cũng nhƣ kinh tế, để đạt
đƣợc giải pháp tối ƣu, trong nhiều trƣờng hợp công việc thiết kế và chế tạo không
thể thực hiện một cách hoàn chỉnh bởi những phƣơng pháp và công cụ thông
thƣờng. Thiết kế với sự hỗ trợ của máy tính điện tử - CAD là sự ứng dụng có hiệu
quả các phƣơng tiện công nghệ của kỹ thuật tin học, điện tử... để giải quyết các
công việc liên quan tới công việc thiết kế. Quá trình thiết kế nói chung bao gồm
việc xác định và mô tả các giải pháp kỹ thuật cụ thể thỏa mãn tất cả các yêu cầu kỹ
thuật, chỉ tiêu kinh tế và có thể phân chia làm 6 giai đoạn chính (Hình 1.2).
Việc sử dụng công cụ tin học và điện tử trong công việc thiết kế với sự trợ giúp
của máy tính điện tử (CAD) có thể chia thành bốn công đoạn chính bao gồm:
- Mô hình hóa hình học
- Tính toán kỹ thuật

- Thiết kế tối ƣu
- Lập tài liệu kỹ thuật tự động từ mô hình đã đƣợc thiết kế

14


Hình 1.2 Các giai đoạn chính của quá trình thiết kế [8]
1.2.2. CAM (Computer Aided Manufacture) - Sản xuất (gia công) với sự trợ giúp
của máy tính
Thực hiện quy trình sản xuất với sự trợ giúp của máy tính điện tử là sử dụng máy
tính để lập kế hoạch sản xuất và điều khiển sản xuất. Sơ đồ các lĩnh vực ứng dụng
trong hệ CAM có thể đƣợc biểu diễn theo sơ đồ trên hình 1.3
Lập kế hoạch sản xuất đƣợc thực hiện cho các công việc cụ thể sau đây:
- Tự động hóa thiết kế quy trình công nghệ, có nghĩa là hình thành các trình tự
nguyên công để gia công chi tiết cụ thể. Muốn thực hiện đƣợc công việc này, ngoài
các dữ liệu về hình học (bên CAD cung cấp), còn cần các dữ liệu về công nghệ nhƣ:
thông số kỹ thuật của máy, thông số về dao cắt, thông số về gá lắp, thông số chế độ
cắt và tiêu chuẩn hoá các nguyên công.
- Tự động lập chƣơng trình gia công cho máy điều khiển theo chƣơng trình số.
Ngôn ngữ lập trình của CAM là APT (Automatically Programed Tool). Với APT
ngƣời lập trình có thể xác định dung sai, quỹ đạo chuyển động của dụng cụ.

15


Hình 1.3. Các lĩnh vực ứng dụng trong hệ CAM [8]
Hệ CAM đƣợc sử dụng rộng rãi ở Việt Nam là MILL-CAM, LATHE-CAM
- Tự động hóa lập các định mức kỹ thuật để thực hiện từng nguyên công công nghệ.
- Tự động lên kế hoạch nhu cầu về cơ sở vật chất, mua bán thành phẩm và
nguyên vật liệu.

- Tự động lập kế hoạch sản xuất có xét tới yêu cầu và điều kiện cụ thể. Việc điều
khiển quá trình sản xuất đƣợc thực hiện dƣới mặt bằng phân xƣởng của xí nghiệp
hay nhà máy. Bao gồm các công việc điều khiển tự động các trang thiết bị nhƣ máy
công cụ, dây chuyền sản xuất, rôbốt vận chuyển, rôbốt cấp phôi, lấy chi tiết…; điều
khiển, giám sát hoạt động của xƣởng nhƣ: chất lƣợng sản phẩm, cung cấp vật tƣ,
lƣu kho… Trong tất cả những công việc áp dụng của máy tính điện tử trên đây đòi
hỏi có sự tham gia của con ngƣời hoặc để nhập dữ liệu đảm bảo cho chƣơng trình
làm việc hoặc để giám sát các kết quả thực hiện.

16


1.2.3. CNC (Computerized Numerical Control) - Điều khiển số bằng máy tính
CNC là khái niệm để chỉ một trong các chức năng của máy công cụ điều khiển số
thông qua các thông tin đƣợc lập trình trong các chƣơng trình NC. Quá trình điều
khiển này có thể thực hiện các chuyển động với đối tƣợng là dụng cụ cắt hoặc phôi
thông qua việc nhập các thông số nhƣ lƣợng chạy dao, tốc độ trục chính, chiều sâu
cắt và các yếu tố nhƣ bật, tắt dung dịch trơn nguội, chiều quay trục chính....
Điều khiển số với sự hỗ trợ của máy tính đƣợc áp dụng rộng rãi trên các máy
công cụ nhƣ máy tiện, máy phay, máy mài... hoặc các trung tâm gia công.
1.3. Tích hợp CAD và CAM
Tổ hợp CAD/CAM là một hệ thống mà ở đó mối liên kết giữa thiết kế và chế tạo
đƣợc hoàn thiện dựa trên cơ sở sử dụng thông tin và dữ liệu của quá trình CAD trực
tiếp trong thủ tục CAM. Nhƣ vậy tránh đƣợc sự hình thành một cách độc lập các dữ
liệu cho chƣơng trình của máy tính trong lĩnh vực sản xuất.

Hình 1.4. Mô hình công cụ CAD/CAM
Hệ CAD/CAM kỹ thuật đã đƣợc ứng dụng cho cơ khí từ một vài năm trƣớc trong
một số lĩnh vực trong công nghiệp hàng không. Hệ tích hợp CAD/CAM đã có ở
Việt Nam là Cimatron, MasterCam, ProEngineer, Delcam, TopSolid, Visi.

Mối quan hệ CAD/CAM và tự động hóa sản xuất thể hiện trên hình 1.5 là phần
giao giữa 5 phần:

17


Hình 1.5. Mối quan hệ CAD/CAM và tự động hóa sản xuất
Trong đó:
- Mạng làm việc là các hệ thống tổ chức sản xuất, hệ thống cung cấp vật liệu và
những công việc thực hiện trên sàn máy, xí nghiệp.
- Công cụ sản xuất nhƣ máy CNC, Robot công nghiệp.
- Công cụ thiết kế nhƣ máy tính, máy vẽ và các phần mềm ứng dụng.
- Mô hình hình học là những thực thể hình học cơ sở, đƣợc sử dụng trên bản vẽ
kỹ thuật hay trên màn hình máy tính.
Để đánh giá đƣợc tầm quan trọng của CAD/CAM trong chu kỳ sản xuất chúng ta
nên phân tích các phạm vi hoạt động khác nhau và chức năng tƣơng ứng để thực
hiện việc nghiên cứu và chế tạo sản phẩm. Các thể loại công việc và chức năng của
chúng trong chu kỳ sản xuất đƣợc thể hiện trên hình 1- 6.
Chu kỳ này hoạt động theo nhu cầu của khách hàng và thị trƣờng tiêu thụ. Chu
kỳ sản xuất có thể thay đổi tuỳ theo yêu cầu của khách hàng.
Xuất phát từ ý đồ tạo ra sản phẩm mới ngƣời ta thiết kế, hoàn tất chúng bằng bản
vẽ. Trên cơ sở các bản vẽ chi tiết phải lập quy trình công nghệ chế tạo sản phẩm và
lập kế hoạch sản xuất. Để chế tạo sản phẩm phải lập nhu cầu về trang thiết bị công
nghệ và các dụng cụ cần thiết. Kế hoạch sản xuất phải chỉ rõ thời gian và sản lƣợng
xuất xƣởng trong thời gian đã định. Tiếp theo là công đoạn đƣa vào sản xuất, chế
tạo xong phải tiến hành kiểm tra và thử nghiệm sản phẩm, cuối cùng là bàn giao cho
khách hàng.

18

Hình 1.6. Các công việc và chức năng của CAD/CAM trong chu kỳ sản xuất [8]
Giai đoạn chuẩn bị công nghệ, nghĩa là thiết kế quy trình công nghệ và lập biểu
đồ sản xuất với sự trợ giúp của máy tính điện tử. Ngoài ra máy tính điện tử còn có
thể áp dụng điều khiển quá trình chế tạo chi tiết dùng tay máy, các máy điều khiển
theo chƣơng trình số (CNC). Công đoạn cuối cùng là kiểm tra và thử nghiệm cũng
có thể tự động hóa nhờ máy tính điện tử. Qua đây ta thấy hệ thống CAD/CAM đóng
vai trò quan trọng trong nền sản xuất hiện đại trong tƣơng lai và đặc biệt là các lĩnh
vực chuyên môn hóa cao, chẳng hạn nhƣ việc thiết kế và chế tạo các bản mạch in
thì kiểu liên kết này đƣợc sử dụng ngày càng mạnh. Từ hình 1.6 rõ ràng CAD/CAM
bao trên hầu hết các dạng hoạt động và chức năng của chu kỳ sản xuất. Trong công
đoạn thiết kế và chế tạo ở các nhà máy hiện đại, kỹ thuật tính toán phải phát huy tác
dụng và là nhu cầu không thể thiếu đƣợc.

19


1.4. Tình hình ứng dụng công nghệ CAD/CAM-CNC ở Việt Nam
Trong thời kỳ mở cửa, hội nhập với thế giới bên ngoài, kinh tế Việt Nam có
nhiều khởi sắc, các kỹ thuật sản xuất tiên tiến của nƣớc ngoài cũng vì thế mà đƣợc
thâm nhập, tiếp thu. Ngành cơ khí nói chung và ngành khuôn mẫu nói riêng cũng
không phải là ngoại lệ.
Năm 1997 là năm mà các phần mềm CAD/CAM bắt đầu du nhập vào Việt Nam,
có thể kể đến là phần mềm Cimatron, cho đến nay thị trƣờng CAD/CAM tại Việt
Nam phát triển rất đa dạng nhƣ Pro/Engineer, MasterCAM, Catia, NX, TopSolid,
SolidCAM... Tuy vậy chỉ có rất ít các cơ sở sản xuất có đủ nguồn lực tài chính để
mua bản quyền các phần mềm này, phần lớn trong đó là các phần mềm đƣợc bẻ
khóa hoặc dùng thử. Rõ ràng tính năng của phần mềm bẻ khóa hay dùng thử miễn
phí là hạn chế và chúng chỉ giải quyết một lớp nhỏ các bài toán thực tế và chỉ mang
tính giới thiệu. Bên cạnh đó nguồn nhân lực sử dụng CAD/CAM đƣợc đào tạo bài

bản cũng không nhiều dẫn đến hạn chế trong khai thác các tính năng của chúng.
Các máy CNC sử dụng trong các xí nghiệp đa phần là các máy đã qua sử dụng từ
các nƣớc phát triển nhƣ Nhật Bản, Đài loan... dẫn đến sự lạc hậu về công nghệ, sai
số lớn trong gia công, chất lƣợng kém, dễ hƣ hỏng. Các máy CNC của các trƣờng
Đại học, Viện nghiên cứu phần đa đƣợc mua từ nguồn ngân sách, nhiều máy CNC
mới nhƣng không đƣợc sử dụng do nguồn nhân lực không đƣợc đào tạo dẫn đến sự
lãng phí lớn.
Mặc dù còn nhiều vấn đề khó khăn kể trên nhƣng hiện nay phong trào ứng dụng
kỹ thuật CAD/CAM vào trong sản xuất đƣợc phát triển mạnh mẽ. Các Viện nghiên
cứu, các Trƣờng Đại học, các cơ sở sản xuất đã mạnh dạn đầu tƣ các công cụ thiết
kế, tính toán nhằm tăng năng suất, chất lƣợng sản phẩm nâng khả năng cạnh tranh
của hàng nội địa cũng nhƣ đáp ứng nhu cầu ngày một cao của xã hội.
1.4.1. Ứng dụng CAD/CAM trong chế tạo khuôn mẫu
Do sự phát triển mạnh mẽ của ngành công nghiệp nhựa ở Việt Nam trong những
năm gần đây mà yêu cầu về việc tạo ra các sản phẩm nhựa đáp ứng đƣợc yêu cầu
của xã hội là một nhu cầu cấp thiết. Việc ứng dụng các phần mềm CAD/CAM để

20


thiết kế sản phẩm, thiết kế khuôn và gia công tạo hình vì lẽ đó mà phát triển rộng
rãi. Các doanh nghiệp đa phần đều sử dụng các công cụ CAD/CAM trong việc hỗ
trợ quá trình sản xuất, phổ biến nhất có thể kể đến là ProEngineer, MasterCAM,
Solidworks… Lĩnh vực ứng dụng không chỉ ở thiết kế khuôn nhựa, mà còn ứng
dụng trong thiết kế khuôn đột dập, thiết kế vỏ tàu thủy, các tính toán, phân tích
động học, ứng suất, ngoài ra còn ứng dụng trong gia công đồ mỹ nghệ, đồ gỗ.
Trong thiết kế khuôn mẫu, việc ứng dụng CAD/CAM để sản xuất đồ tiêu dùng ở
nƣớc ta là phổ biến hơn cả do về yêu cầu kỹ thuật không cao của các loại mặt hàng
này, cũng nhƣ những lý do lạc hậu về công nghệ, thiết bị nhƣ đã nói ở trên.
1.4.2 Ứng dụng CAD/CAM-CNC trong thiết kế ngược - Reverse Engineering

Công nghệ thiết kế ngƣợc ra đời dựa trên nhu cầu sản xuất thực tế, đôi khi ngƣời
ta cần chế tạo sản phẩm theo những mẫu có sẵn mà chƣa (hoặc không) có mô hình
CAD tƣơng ứng nhƣ các chi tiết không rõ xuất xứ, những phù điêu, bộ phận cơ thể
con ngƣời, động vật. Để tạo đƣợc mẫu của những sản phẩm này, trƣớc đây ngƣời ta
phải đo đạc rồi vẽ phác lại hoặc dựng sáp, thạch cao để in mẫu. Các phƣơng pháp
này cho độ chính xác không cao, tốn nhiều thời gian và công sức, đặc biệt là đối với
những chi tiết phức tạp. Ngày nay ngƣời ta đã sử dụng máy quét hình để số hóa
hình dáng của chi tiết sau đó các phần mềm CAD/CAM chuyên dụng để xử lý dữ
liệu số hóa cuối cùng sẽ tạo ra đƣợc mô hình CAD 3D cho chi tiết với độ chính xác
cao. Mô hình CAD này cũng có thể chỉnh sửa nếu cần.
Trên phạm vi rộng công nghệ thiết kế ngƣợc đƣợc định nghĩa là hoạt động bao
gồm các bƣớc phân tích để lấy thông tin về sản phẩm đã có sẵn (bao gồm thông tin
về chức năng các bộ phận, đặc điểm về kết cấu hình học, vật liệu, tính công nghệ)
sau đó tiến hành khôi phục lại mô hình CAD cho chi tiết hoặc phát triển thành sản
phẩm mới, sử dụng CAD/RP/CNC (RP: Rapid Prototyping - công nghệ tạo mẫu
nhanh) để chế tạo sản phẩm. Công nghệ thiết kế ngƣợc đã đƣợc ứng dụng trong
nhiều lĩnh vực nhƣ hóa học, điện tử, xây dựng, cơ khí, y học, nghệ thuật.
Từ khi ra đời vào những năm 90 của thế kỷ trƣớc, công nghệ thiết kế ngƣợc đã
đƣợc nghiên cứu, áp dụng trong nhiều lĩnh vực phát triển nhanh sản phẩm, đặc biệt

21


là trong lĩnh vực thiết kế mô hình 3D từ mô hình đã có sẵn nhờ sự trợ giúp của máy
tính. Kỹ thuật thiết kế ngƣợc ngày càng phát triển theo sự phát tiển của các phần
mềm CAD/CAM. Nó luôn đƣợc quan tâm và cũng liên tục đƣợc cải tiến để đáp ứng
để đáp ứng nhu cầu của xã hội trên nhiều lĩnh vực sản xuất. Reverse Engineering trở
thành 1 bộ phận quan trọng của sản xuất hiện tại. Đã có nhiều công ty của nhiều
quốc gia ứng dụng hiệu quả và rất thành công công nghệ này. Có thể thấy Trung
Quốc là một điển hình. Nhiều sản phẩm nhƣ xe máy, ô tô, máy móc hàng loạt đồ gia

dụng, đồ chơi đã đƣợc sản xuất dựa trên sự sao chép các mẫu có sẵn trên thị trƣờng
của các hãng nổi tiếng của Nhật, Hàn Quốc nhƣ Honda, Misubishi, Toyota.

Hình 1.7. Ứng dụng RE trong ngành công nghiệp ô tô
Ở Việt Nam, trong những năm trở lại đây công nghệ thiết kế ngƣợc cũng đã đƣợc
áp dụng vào sản xuất. Tuy nhiên phần lớn chƣa mang tính chuyên nghiệp. Ví dụ
nhƣ các công ty sản xuất, chế tạo khuôn cho các mặt hàng nhựa, cơ khí thƣờng khi
nhận đơn đặt hàng của các đối tác làm 1 bộ khuôn cho 1 mẫu sản phẩm cho trƣớc
thì đa số việc số hóa mô hình lấy dữ liệu đều thực hiện 1 cách thủ công, đo vẽ bằng
tay. Việc ứng dụng các thiết bị số hóa công nghệ cao chuyên dụng, các phần mềm
thiết kế ngƣợc vẫn chƣa nhiều. Chỉ có 1 số ít công ty có thể làm theo hợp đồng nhƣ
các viện nghiên cứu của các trƣờng đại học nhƣ trƣờng Đại Học GTVT, Đại Học
Bách Khoa TP Hồ Chí Minh, Đại Học Bách Khoa Hà Nội có máy quét 3D nhƣng
chủ yếu vẫn là phục vụ cho học tập và nghiên cứu.

22


Hình 1.8. Dùng máy scan 3D để lấy mẫu khuôn ép nhựa
1.5. Kết luận
Công nghệ CAD/CAM-CNC là thành quả của việc kết hợp giữa công nghệ thông
tin, cơ khí, điện tử... là một thành tựu không nhỏ làm thay đổi cơ bản của nền sản
xuất cơ khí. Việc ứng dụng công nghệ CAD/CAM-CNC trong sản xuất giúp giảm
thiếu các chi phí chạy thử cũng nhƣ đƣa quá trình sản xuất gần hơn với nhu cầu
ngày càng cao của ngƣời tiêu dùng. Sự thay đổi này rõ ràng đã mang lại những hiệu
quả to lớn trong sản xuất, tiết kiệm đáng kể về thời gian cũng nhƣ sự linh hoạt trong
sản xuất, ứng dụng công nghệ CAD/CAM-CNC, đặc biệt là sử dụng các phần mềm
thiết kế tích hợp sẽ mang lại những lợi ích to lớn không chỉ đối với cơ sở sản xuất
mà qua đó còn ảnh hƣởng đến cả nền sản xuất của một khu vực. Cùng với tốc độ
phát triển không ngừng của ngành công nghiệp cơ khí cũng nhƣ những ngành khoa

học khác thì việc cập nhật liên tục các tiến bộ về kỹ thuật là điều cấp thiết. Điều này
có ý nghĩa vô cùng to lớn, đặc biệt hơn là trong thời kỳ mà nƣớc ta đang có những
bƣớc phát triển trong giai đoạn tiếp cận nền sản xuất hiện đại.

23


CHƢƠNG II. CHẤT DẺO VÀ KHUÔN GIA CÔNG CHẤT DẺO
2.1. Tổng quan về chất dẻo
2.1.1. Khái niệm về chất dẻo
2.1.1.1. Chất dẻo
Chất dẻo, hay còn gọi là nhựa hoặc polyme, là các hợp chất cao phân tử, đƣợc
dùng làm vật liệu để sản xuất nhiều loại vật dụng trong đời sống hằng ngày cho đến
những sản phẩm công nghiệp, gắn với đời sống hiện đại của con ngƣời. Chúng là
những vật liệu có khả năng bị biến dạng khi chịu tác dụng của nhiệt, áp suất và vẫn
giữ đƣợc sự biến dạng đó khi thôi tác dụng.
2.1.1.2. Thành phần
- Thành phần cơ bản: là 1 polyme nào đó. Ví dụ: thành phần chính của êbônit là
cao su, của xenluloit là xenlulozơ nitrat, của bakelit là phenolfomanđehit.
- Chất hoá dẻo: để tăng tính dẻo, hạ nhiệt độ chảy và độ nhớt của polime.
- Chất độn: để tiết kiệm nguyên liệu, tăng cƣờng một số tính chất.
Ví dụ: amiăng để tăng tính chịu nhiệt.
- Chất phụ: chất tạo màu, chất chống oxi hoá, chất gây mùi thơm.
2.1.1.3. Polymer
Polymer là hợp chất cao phân tử đƣợc cấu tạo từ rất nhiều nhóm có cấu tạo hoá
học giống nhau lặp đi lặp lại và chúng nối với nhau bằng liên kết đồng hoá trị.
Ví dụ: Polyetylen: nCH2 = CH2  (-CH2 - CH2-)n
Mắt xích cơ bản (-CH2 - CH2 -) là những phần lặp đi lặp lại trong mạch polyme.
Độ lớn của mạch phân tử đƣợc xác định bằng phân tử lƣợng trung bình M hoặc
độ trùng hợp trung bình P.

2.1.2. Đặc tính chung của Polymer
Polymer là loại vật liệu nhẹ ( = 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 điện, dẫn nhiệt kém. Bền với
hóa chất, có khả năng tái sử dụng cao (tái sinh, chất đốt), có nhiệt độ gia công thấp
(2500÷4000), có thể gia công bằng nhiều phƣơng pháp (đùn, ép, đúc, phun, thổi…).

24


2.1.3. Phân loại Polymer
* Phân loại theo hiệu ứng của polyme với nhiệt độ
- Nhựa nhiệt dẻo: Là loại nhựa khi nung nóng đến nhiệt độ chảy mềm Tm thì nó
chảy mềm ra và khi hạ nhiệt độ thì nó đóng rắn lại. Thƣờng tổng hợp bằng phƣơng
pháp trùng hợp. Nhựa nhiệt dẻo có khả năng tái sinh đƣợc nhiều lần, ví dụ nhƣ :
polyetylen (PE), polypropylen (PP), polystyren (PS), poly butadien (PB), poly
etylen terephtalat (PET), ...
- Nhựa nhiệt rắn: là hợp chất cao phân tử có khả năng chuyển sang trạng thái
không gian 3 chiều dƣới tác dụng của nhiệt độ hoặc phản ứng hóa học và sau đó
không nóng chảy hay hòa tan trở lại đƣợc nữa, không có khả năng tái sinh. Một số
loại nhựa nhiệt rắn: ure focmadehyt [UF], nhựa epoxy, phenol focmadehyt [PF],
nhựa melamin, polyeste không no...
- Vật liệu đàn hồi (elastome): là loại nhựa có tính đàn hồi nhƣ: cao su,…
* Phân loại theo ứng dụng
- Nhựa thông dụng: là loại nhựa đƣợc sử dụng số lƣợng lớn, giá rẻ, dùng nhiều
trong những vật dụng thƣờng ngày, nhƣ: PP, PE, PS, PVC, PET, ABS…
- Nhựa kỹ thuật: Là loại nhựa có tính chất cơ lý trội hơn so với các loại nhựa
thông dụng, thƣờng dùng trong các mặt hàng công nghiệp, nhƣ: PC, PA...
- Nhựa chuyên dụng: Là các loại nhựa tổng hợp chỉ sử dụng riêng biệt cho từng
trƣờng hợp.
* Phân loại theo thành phần hóa học mạch chính

- Polyme mạch cacbon: polymer có mạch chính là các phân tử cacbon liên kết
với nhau: PE, PP, PS, PVC, PVAc...
- Polyme dị mạch: polymer trong mạch chính ngoài nguyên tố cacbon còn có các
nguyên tố khác nhƣ O, N, S... Ví dụ nhƣ PET, POE, poly sunfua, polyamit...
- Polyme vô cơ nhƣ poly dimetyl siloxan, sợi thủy tinh, poly photphat...
2.1.4. Các loại chất dẻo dùng trong máy ép đúc
2.1.4.1. Nhựa polyetylen
* Ký hiệu khoa học là: PE. Gồm 2 loại: PE mềm và PE cứng.

25