Nghiên cứu công nghệ chế tạo sản phẩm nhựa kỹ thuật bằng phương pháp đúc ứng dụng chế tạo chi tiết phục vụ quốc phòng

..

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

ĐÀO QUỐC HÙNG

NGHIÊN CỨU CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO SẢN PHẨM NHỰA
KỸ THUẬT BẰNG PHƯƠNG PHÁP ĐÚC, ỨNG DỤNG
CHẾ TẠO CHI TIẾT PHỤC VỤ QUỐC PHÒNG

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ KHÍ

HÀ NỘI - 2016


ĐẶT VẤN ĐỀ
Hiện nay, việc sử dụng vật liệu nhựa để làm linh kiện, vật dụng,... trong
cuộc sống đã dần trở thành phổ biến. Chính vì vậy, ngành cơng nghệ khn
mẫu cũng đang có những bước phát triển mạnh mẽ. Trước đây, việc chế tạo
khuôn mẫu phải nhờ vào bàn tay khéo léo của những người thợ, nhưng đến
nay nhờ sự phát triển của khoa học kỹ thuật đã cho ra đời phương pháp gia
cơng mới như lập trình gia công tự động trên máy CNC (công nghệ
CAD/CAM/CNC), gia công trên máy xung EDM,... nhờ đó chúng ta có thể
chế tạo những bộ khn phức tạp và có độ chính xác cao, đáp ứng nhu cầu
của thị trường.
Tuy nhiên, việc ứng dụng công nghệ CAD/CAM/CNC trong sản xuất
khuôn của các Nhà máy, đơn vị thuộc Tổng cục Công nghiệp quốc phòng
(CNQP), trực thuộc Bộ Quốc phòng vẫn còn nhiều hạn chế. Thực tế tại Nhà

máy Z131 – Tổng cục CNQP (địa chỉ: phường Bãi Bông – thị xã Phổ Yên –
tỉnh Thái Nguyên) là một ví dụ, Nhà máy đã gặp rất nhiều khó khăn khi chế
tạo những bộ khn phức tạp do việc ứng dụng công nghệ CAD/CAM/CNC
trong sản xuất còn nhiều hạn chế.
Cụ thể, từ năm 2009 đến nay Nhà máy đã tiến hành nghiên cứu, chế thử
sản phẩm Mơ hình Súng tiểu liên AK47 phục vụ mơn học Giáo dục quốc
phịng. Đây là sản phẩm mơ hình có vỏ bằng nhựa dựa vào súng AK47 thực
tế, sản xuất nhằm đáp ứng nhu cầu dạy và học môn học Giáo dục quốc phòng
của nhiều nhà trường, đơn vị trong cả nước, thay thế cho việc học chay của
học sinh, sinh viên trước đây. Mặc dù đã có nhiều cố gắng trong nghiên cứu,
chế thử và chế tạo sản phẩm, nhưng sản phẩm vỏ súng AK47 nhựa do Nhà
máy sản xuất vẫn tồn tại nhược điểm là: Sản phẩm nhựa sau khi chế tạo có ba
via lớn, tính thẩm mỹ thấp; Độ bền của sản phẩm không cao.

1


Nhằm tìm hiểu sâu hơn về lĩnh vực khn mẫu, ứng dụng công nghệ
CAD/CAM/CNC trong chế tạo khuôn mẫu và giải quyết vấn đề thực tiễn tồn
tại ở đơn vị, em lựa chọn đề tài “Nghiên cứu công nghệ chế tạo sản phẩm
nhựa kỹ thuật bằng phương pháp đúc, ứng dụng chế tạo chi tiết phục vụ
quốc phịng”.
Đề tài có 2 mục tiêu sau:
Một là, tìm hiểu tổng quan về công nghệ chế tạo sản phẩm nhựa kỹ
thuật bằng phương pháp đúc; ứng dụng công nghệ CAD/CAM – CNC trong
việc thiết kế, phân tích sản phẩm nhựa.
Hai là, ứng dụng công nghệ CAD/CAM – CNC trong thiết kế khuôn ép
nhựa sản phẩm vỏ súng AK47 phục vụ môn học giáo dục quốc phòng.

2

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
1.1. Tổng quan về luận văn:
Trong những năm gần đây, việc ứng dụng sản phẩm nhựa trong cuộc
sống dần trở nên phổ biến, do đó ngành cơng nghiệp chế tạo sản phẩm nhựa
cũng có những bước phát triển mạnh mẽ. Ngành công nghiệp chế tạo sản
phẩm nhựa đã tạo ra những sản phẩm sử dụng trong sinh hoạt hàng ngày như
xô, chậu, cốc,... và trong công nghiệp sản xuất vũ khí trang bị phục vụ quân
đội cũng đóng góp nhiều sản phẩm hữu ích (như các chi tiết súng, chi tiết
trong ngành hậu cần,...). Các bộ khuôn ép sản phẩm nhựa trước đây thường
được tạo ra bởi những người thợ bậc cao, có bàn tay khéo léo, nhưng đến nay
nhờ sự phát triển của khoa học kỹ thuật đã cho ra đời phương pháp gia công
mới như lập trình gia cơng tự động trên máy CNC (cơng nghệ
CAD/CAM/CNC), gia cơng trên máy xung EDM,... nhờ đó chúng ta có thể
chế tạo những bộ khn phức tạp và có độ chính xác cao, đáp ứng nhu cầu
của thị trường.
Trên thế giới đã có rất nhiều nước áp dụng ngành công nghiệp chế tạo
sản phẩm nhựa phục vụ trong quân đội và phục vụ công tác huấn luyện trong
quân đội để đảm bảo tính an tồn trong q trình huấn luyện. Ở Việt Nam, từ
năm 2009, Bộ Quốc phòng đã có quyết định cho các đơn vị trong Tổng cục
Cơng nghiệp Quốc phịng nghiên cứu chế tạo sản phẩm Mơ hình súng AK47
phục vụ mơn học giáo dục quốc phịng an ninh. Súng AK47 được qn đội
Liên Xơ bắt đầu sử dụng từ năm 1949, và kể từ đó AK47 đã trở thành một
trong những loại vũ khí cá nhân nổi tiếng nhất lịch sử nhân loại với vô vàn
chiến tích bất hủ, trở thành loại súng được sử dụng rộng rãi nhất trên thế giới,
qua 70 quốc gia với ước tính gần 180 triệu khẩu được sản xuất cho đến thời
điểm hiện tại (trong đó gần 80 triệu là mẫu AK-47 gốc, số còn lại là biến thể).

3

Súng AK47 có chi phí sản xuất thấp và đơn giản khi sử dụng nên được Quốc
phòng Việt Nam sản xuất và chế tạo phục vụ quân đội trong công cuộc bảo vệ
đất nước. Súng AK47 được sử dụng chủ yếu trong các đơn vị quân đội hiện
nay và trong lĩnh vực đào tạo mơn học Giáo dục Quốc phịng an ninh của
nước ta thì Súng AK47 là một sản phẩm khơng thể thiếu. Nhưng việc trang bị
tồn bộ súng AK47 cho học sinh, sinh viên để phục vụ huấn luyện, đào tạo
quân sự là điều hết sức khó khăn, cả về kinh tế và về đảm bảo tính an tồn.
Chính vì vậy, sản phẩm Mơ hình Súng tiểu liên AK47 phục vụ mơn học Giáo
dục quốc phịng là sản phẩm cần thiết để phục vụ nhu cầu môn học Giáo dục
quốc phịng. Đây là sản phẩm mơ hình có vỏ bằng nhựa dựa vào súng AK47
thực tế, sản xuất nhằm đáp ứng nhu cầu dạy và học môn học Giáo dục quốc
phòng của nhiều nhà trường, đơn vị trong cả nước, thay thế cho việc học chay
của học sinh, sinh viên trước đây.
Tuy nhiên, thực tế sản xuất sản phẩm Mơ hình Súng tiểu liên AK47
phục vụ mơn học Giáo dục quốc phịng của ngành Cơng nghiệp Quốc phịng
nước ta vẫn còn nhiều điểm hạn chế do việc ứng dụng CAE trong thiết kế,
sản xuất còn yếu. Và những ví dụ thực tiễn về ứng dụng CAE trong sản xuất
chi tiết nhựa phục vụ quốc phòng an ninh tại Việt Nam cịn rất ít.
1.2. Cơng nghệ ép phun:
Cơng nghệ ép phun là q trình phun nhựa nóng chảy điền đầy lịng
khn. Khi nhựa được làm nguội và đơng cứng lại trong lịng khn thì khn
được mở ra và sản phẩm được đẩy ra khỏi khuôn nhờ hệ thống đẩy. Trong q
trình này khơng có bất kỳ một phản ứng hóa học nào.
* Khả năng của cơng nghệ ép phun:
- Tạo ra những sản phẩm có hình dáng phức tạp tùy ý.
- Trên cùng một sản phẩm hình dáng giữa mặt trong và mặt ngồi có thể
khác nhau (đây là một thế mạnh so với các công nghệ sản xuất khác).

4


- Khả năng tự động hóa và chi tiết có tính lặp lại cao.
- Sản phẩm sau khi ép phun có màu sắc phong phú và độ nhẵn bóng bề
mặt cao nên không cần gia công lại.
- Phù hợp với sản xuất hàng khối.
1.3. Các loại khuôn ép phun phổ biến:
1.3.1. Khuôn hai tấm:
Khuôn hai tấm là khuôn ép phun dùng hệ thống kênh dẫn nguội, kênh
dẫn nằm ngang mặt phân khuôn, cổng vào nhựa bên hông sản phẩm và khi
mở khn thì chỉ có một khoảng mở để lấy sản phẩm và kênh dẫn nhựa.
Đối với khuôn hai tấm thì có thể thiết kế cổng vào nhựa sao cho sản
phẩm và kênh dẫn nhựa tự động tách rời hoặc không tách rời khi sản phẩm và
kênh dẫn nhựa (xương keo) được lấy ra khỏi khuôn.
Phương pháp dùng khuôn hai tấm rất thông dụng trong hệ thống khuôn
ép phun. Khuôn gồm có hai phần: lịng khn và lõi khn. Kết cấu khuôn
đơn giản, dễ chế tạo nhưng khuôn hai tấm thường chỉ sử dụng để tạo ra những
sản phẩm dễ bố trí cổng vào nhựa.

Hình 1.1. Khn hai tấm có một lịng khn và nhiều lịng khn

5


Hình 1.2. Khn hai tấm có lõi ghép
1.3.2. Khn ba tấm
Khuôn ba tấm là khuôn ép phun dùng hệ thống kênh dẫn nguội, kênh
dẫn được bố trí trên hai mặt phẳng và khi mở khn thì có một khoảng mở để
lấy sản phẩm ra và khoảng mở kia để lấy kênh nhựa. Do đó, nếu lấy sản phẩm

và kênh dẫn ra khỏi khn dùng hệ thống đẩy thì phải bố trí hai hệ thống nên
kết cấu khn sẽ phức tạp và lớn hơn khuôn hai tấm.
Đối với khuôn ba tấm thì sản phẩm và kênh dẫn nhựa ln tự động tách
rời khi sản phẩm và kênh dẫn nhựa được lấy ra khỏi khuôn.
Đối với sản phẩm loại lớn cần nhiều miệng phun hoặc khn nhiều
lịng khn cần nhiều miệng phun thì có thể dùng khn ba tấm.

Hình 1.3. Kết cấu khuôn ba tấm

6


Nhược điểm của hệ thống khuôn ba tấm là khoảng cách giữa vịi phun của
máy và lịng khn dài nên có thể làm giảm áp lực phun khi nhựa vào lịng khn.
Có thể khắc phục điều này bằng cách dùng hệ thống kênh dẫn nhựa nóng.

Hình 1.4. Kết cấu khn ba tấm
1.3.3. Khuôn nhiều tầng
Khuôn nhiều tầng là khuôn ép phun do hai hay nhiều bộ khuôn ghép lại
với nhau, để tăng năng suất (tăng số lượng sản phẩm trong một chu kỳ).
Khn nhiều tầng là khn ép phun có thể dùng hệ thống kênh dẫn
nguội hoặc kênh dẫn nóng. Hiện nay, khn nhiều tầng dùng kênh dẫn nóng
được sử dụng rộng rãi hơn do chiều dài kênh dẫn trên khn nhiều tầng q
dài, khó điều khiển nhiệt độ và áp suất nếu dùng kênh dẫn nguội.

Hình 1.5. Khn nhiều tầng

7

Khi yêu cầu số lượng sản phẩm lớn thì dùng khn nhiều tầng. Hệ
thống khn này có một hệ thống đẩy ở mỗi mặt của khuôn.
Trong khuôn nhiều tầng, vấn đề cách nhiệt giữa các tấm khuôn rất quan
trọng. Tấm dẫn nhựa nóng và tấm khn âm (hoặc dương) khơng được tiếp
xúc trực tiếp với nhau để đảm bảo là tấm dẫn keo nóng khơng bị nguội nhựa
và tấm sản phẩm thì khơng nóng lên, vì trong khn nhiều tầng sử dụng hệ
thống Hot Runner nên các tấm sản phẩm phải có nhiệt độ thấp để cho q
trình làm nguội nhựa khi vào lịng khn được nhanh, từ đó tăng chu kỳ sản
xuất và tăng năng suất.
1.4. Máy ép phun:
* Cấu tạo chung:

Hình 1.6. Các hệ thống cơ bản trong máy ép phun
* Hệ thống hỗ trợ ép phun: Là hệ thống giúp vận hành máy ép phun. Hệ
thống này gồm 4 hệ thống con: Thân máy; Hệ thống điện; Hệ thống thủy lực; Hệ
thống làm nguội.
* Thân máy : Liên kết cá hệ thống trên máy lại với nhau.

8


Hình 1.7. Hệ thống thủy lực của máy ép phun
* Hệ thống thuỷ lưc: Cung cấp lực để đóng và mở khn, tao ra và duy
trì lực kẹp, làm cho trục vít quay và chuyển động tới lui, tạo lực cho chốt đẩy
và sự trượt của lõi mặt bên. Hệ thống này bao gồm bơm, van, motor, hệ thống
óng, thùng chứa nhiên liệu…

Hình 1.8. Hệ thống điện của máy ép phun
* Hệ thống điện: Cấp nguồn cho motor điện và hệ thống điều khiển nhiệt
cho khoang chứa vật liệu nhờ cac băng nhiệt và đảm bảo sự an toàn điện cho

người vận hành máy bằng các công tắc.

9


Hình 1.9. Hệ thống làm nguội của máy ép phun
* Hệ thống làm nguội: Cung cấp nươc hay dung dịch ethyleneglycol…
để làm nguội khuôn, dầu thủy lực và ngăn không cho nhựa thơ ở cuống phễu
bị nóng chảy. Nhiệt trao đổi cho dầu thủy lực vào khoảng 90 ÷ 1200F. Bộ điều
khiển nhiệt nước cung cấp một lượng nhiệt, áp suất, dịng chảy thích hợp để
làm nguội nhựa nóng trong khn.

Hình 1.10. Hệ thống phun của máy ép phun
* Hệ thống phun: Hệ thống phun làm nhiệm vụ đưa nhựa vào khn
thơng qua các q trình cấp nhựa, nén, khử khí, làm chảy dẻo nhựa, phun
nhựa lỏng và định hình sản phẩm.
10


Hệ thống này gồm các bộ phận.
- Phễu cấp nhiệt: chứa vật liệu như dạng viên để cấp vào khoang trộn
- Khoang chứa liệu: Chứa nhựa và để vít trộn di chuyển qua lại bên trong
nó. Khoang trộn được gia nhiệt nhờ các băng cấp nhiệt. Nhiệt đô xung quanh
khoang chứa liệu cung cấp từ 20 đến 30% nhiệt độ cần thiết để làm chảy lòng
vật liệu nhựa.
- Các băng gia nhiệt: Giúp duy trì nhiệt độ khoang chứa liệu để nhựa bên
trong khoang luôn ở trạng thái chảy dẻo. Thơng thường, trên một máy ép
nhựa có thể có nhiều băng gia nhiệt được cài đặt với các nhiệt độ khác nhau
để tạo ra các vùng nhiệt độ thích hợp cho q trình ép phun.
- Trục vít: Có chức năng nén, làm chảy dẻo và tạo áp lực để đẩy nhựa

chảy dẻo vào lịng khn.
Trục vít có cấu tạo gồm 3 vùng được minh họa trong hình vẽ:

Hình 1.11. Trục vít của hệ thống phun
Bộ hồi tự hở: Bộ phận này gồm cịng chắn hình nêm, đầu trục vít và
seat. Chức năng của no là tạo ra dòng nhựa bắn vào khn. Khi trục vít lùi về
thì vịng chắn hình nêm di chuyển về hướng vòi phun và cho phép nhựa chảy
về phía trước đầu trục vít. Cịn khi trục vít di chuyển vể phía trước thì vịng
chắn hình nêm sẽ di chuyển về hướng phễu đóng kín với seat khơng cho nhựa
chảy ngược về phía sau.
11


Hình 1.12. Bộ hồi tự hở của máy ép phun
Vịi phun: Có chức năng nối khoang trộn với cuống phun và phải có
hình dạng đảm bảo bịt kín khoang trộn va khn. Nhiệt độ ở vịi phun nên
được cài đặt lớn hơn hoặc bằng nhiệt độ chảy của vật liệu. Trong q trình
phun nhựa lỏng vào khn, vịi phun phải thẳng hàng với bạc cuống phun và
đầu vòi phun nên được lắp kín với phần lõm của bạc cuống phun thơng qua
vịng định vị để đảm bảo nhựa khơng bị phun ra ngồi và tránh mất áp.

Hình 1.13. Vịi phun của máy ép phun

12


* Hệ thống kẹp:

Hình 1.14. Hệ thống kẹp của máy ép phun
Hệ thống kẹp có chức năng đóng, mở khn, tạo lực kẹp giữ khn trong

q trình làm nguội và đẩy sản phẩm thốt ra khỏi khn khi kết thúc một chu
kỳ ép phun.
Hệ thống này gồm các bộ phân:
- Cụm đẩy của máy: Gồm xylanh thủy lực, tấm đẩy và cần đẩy. Chúng có
chức năng tạo ra lực đẩy tác động vào tấm đẩy trên khuôn để đẩy sản phẩm rời
khỏi khn.
- Cụm kìm: Thường có hai loại chính, đó là loại dùng cho cơ cấu khuỷu
và loại dùng các xylanh thủy lực. Hệ thống này có chức năng cung cấp lực để
đóng mở khn và lực giữ khn đóng trong suốt q trình phun.
- Tấm di động: Là một tấm thép lớn có bề mặt có nhiều lỗ thơng với tấm di
động của khn. Chính nhờ các lỗ thơng này mà cần đẩy có thể tác động lực vào
tấm đẩy trên khn. Ngồi ra, trên tấm di động cịn có các lỗ trên ren để kẹp tấm
di động của khuôn. Tấm này di chuyển tới lui dọc theo 4 thanh nối trong suốt
quá trình ép phun.

13


Hình 1.15. Tấm di động và vị trí của nó trên máy ép phun
Tấm cố định: Cũng là một tấm thép lớn có nhiều lỗ thơng với tấm cố định
của khn. Ngồi 4 lỗ dẫn hướng và các lỗ có ren để kẹp tấm cố định của khuôn
tương tự như tấm di động, tấm cố định cịn có thêm lỗ vịng định vị để định vị
tấm cố định của khn và đảm bảo sự thăng hàng giữa cần đẩy và cụm phun.

14


Hình 1.16. Tấm cố định và vị trí của nó trên máy ép phun
Những thanh nối: Có khả năng co giãn để chống lại áp suât phun khi
kìm tạo lực. Ngồi ra chúng cịn có tác dụng dẫn hướng cho tấm di động.

* Hệ thống điều khiển:
Hệ thống điều khiển giúp người vận hành máy theo dõi và điểu chỉnh
các thông số gia công như: nhiệt độ, áp suất, tốc độ phun, vận tốc và vị trí của
trục vít, vị trí của các bộ phận trong hệ thống thủy lực. Q trình điều khiển
có ảnh hưởng trực tiếp đến chất lượng sau cùng của sản phẩm và hiệu quả
kinh tế của quá trình. Hệ thống điều khiển giao tiếp với người vận hành máy
qua bảng nút điều khiển và màn hình máy tính.
- Màn hình máy tính: Cho phép nhập các thơng số gia cơng, trình bày các
giữ liệu của q trình ép phun, cũng như các tín hiệu báo động và cá thông điệp.
- Bảng điều khiển: Gồm cac công tắc và các nút nhấn dùng để vận hành
máy. Một bản điều khiển điển hình gồm có: Nút nhấn điều khiển bơm thủy
lực, nút nhân tắt nguồn điện hày dừng khẩn cấp và các công tắc điều khiển
bằng tay. Bên trong hệ thống điều khiển là bộ vi xử lý các rơle, cơng tắc hành
trình, các bộ phận điều khiển nhiệt độ, áp suất, thời gian…
1.4. Quá trình ép phun
Q trình đúc phun gồm có 3 giai đoạn chính:
- Giai đoạn dẻo hoá và chuyển hoá vật liệu sử dụng cho gia cơng đúc
sang trạng thái nóng chảy.
- Giai đoạn điền đầy khuôn và làm nguội sản phẩm
- Giai đoạn lấy sản phẩm ra khỏi khuôn.

15


1.4.1. Giai đoạn dẻo hỏa và chuyển hóa vật liệu sang trạng thái nóng chảy

Hình 1.17. Mơ tả dịng vật liệu nhựa
Vật liệu ở dạng hạt được đưa vào phễu liệu, từ đó nó được chuyển vào
rãnh vít của trục vít nằm trong xylanh. Trục vít quay lùi tạo điều kiện vật liệu
được vận chuyển lên phía trước về phía vịi phun, nhựa liên tục được dồn về

phía trước trục vít cho đến khi đủ cho một lần phun. Trong suốt q trình đó
vật liệu được tiếp nhận nhiệt từ thành xylanh do các nhân tố mang nhiệt cung
cấp (hơi nóng, điện trở, điện từ...). Nhờ có nhiệt lượng đó cùng lượng nhiệt
ma sát hình thành giữa trục vít vật liệu mà vật liệu bị nóng chảy, nhiệt độ
càng cao thì độ nhớt càng giảm. Khi lượng nhựa cho một lần phun đã đủ, trục
vít dừng quay.
1.4.2. Giai đoạn điền đầy khuôn và làm nguội sản phẩm
Giai đoạn này chia làm 3 giai đoạn nhỏ tương ứng với với các khoảng
thời gian ti, tp và tc:

Hình 1.18. Thời gian chu kỳ
ti - thời gian phun: là khoảng thời gian tính từ lúc bắt đàu phun cho đến
khi làm đầy lòng khuôn.

16


tp - thời gian nén đặc: Giai đoạn quá trình đúc được điều khiển theo áp
suất (áp suất duy trì không đổi)
tc - thời gian làm mát: là khoảng thời gian cần thêm để 90% chiều dày
chi tiết đạt tới nhiệt độ đông đặc.
th - thời gian giữ: là khoảng thời gian tổng cộng của hai pha nén đặc và
làm mát. Đây là thời gian cần giữ chi tiết nhựa trong khn sau khi nó được
điền đầy.
to - thời gian mở khuôn: là khoảng thời gian khuôn được mở.
1.4.3. Giai đoạn điền đầy khn
Với hai nửa khn đã đóng, trục vít khơng cịn quay nữa mà đóng vai trị
của một piston chuyển động chuyển dịch dọc trục về phía trước đẩy nhựa vào
trong lịng khn. Van hãm (van 1 chiều) ở đầu trục vít ngăn cản nhựa chảy theo
hướng ngược lại.

Trong giai đoạn điền đầy, nhựa được đẩy vào trong lịng khn cho đến
khi khn được làm đầy. Khi dịng chảy nhựa vào trong lịng khn, phần
nhựa tiếp xúc với thành khn sẽ đơng lại nhanh hình thành một lớp vỏ ngồi
giữa khn và phần nhựa nóng chảy. Ở chỗ tiếp xúc giữa vùng chảy và đông
đặc, các phân tử nhựa di chuyển dọc theo hướng dịng chảy

Hình 1.19. Hướng dòng chảy và hướng truyền nhiệt của nhựa.
Lúc đầu lớp nhựa đơng lại rất mỏng vì thế nhiệt mất đi rất nhanh, sau
đó càng nhiều nhiệt bị mất đi khi qua lớp nhựa mỏng tạo nên lớp nhựa đông
dày hơn. Hướng truyền nhiệt của nhựa được mơ tả ở hình trịn bên trái: nhiệt
truyền qua lớp nhựa đơng tới thành khn. Lớp vỏ đơng nhận nhiệt từ dịng

17


nhựa lỏng, và truyền nhiệt tới thành khuôn. Khi lớp nhựa đơng đã đạt tới độ
dày nhất định thì nhiệt thu được từ nhựa (và nhiệt ma sát sinh ra từ dòng
chảy) sẽ cân bằng với lượng nhiệt đã mất, trạng thái cân bằng được xác lập.
Hiện tượng đó thường xảy ra sớm khi đúc phun, sau khoảng vài phần giây.
1.4.4. Giai đoạn nén đặc
Giai đoạn nén bắt đầu khi lịng khn vừa được điền đầy nhựa. Trong giai
đoạn này, áp lực phun duy trì để nén thêm vật liệu vào trong lịng khn, với
mục đích làm độ co nhiệt đồng đều ở mức thấp, nhờ đó, giảm độ cong vênh của
sản phẩm.
Khi vật liệu điền đày khuôn và giai đoạn nén bắt đầu, dòng chảy nhựa
được điều khiển bởi sự thay đổi mật độ phân tử nhựa dọc chi tiết. Nếu một
vùng nào đó của chi tiết có độ đặc thấp hơn vùng lân cận, nhựa sẽ chảy tới
vùng đó cho tới khi có sự cân bằng.
Nén đặc quá nhiều sẽ khiến chi tiết có ứng suất cao, gây khó khăn trong
q trình đẩy và lãng phí nhựa. Nén không đủ tạo ra hiện tượng thiếu nhựa

trong khuôn, bề mặt thô, vết lõm, đường hàn và các khuyết tật khác. Lượng
nén đặc chính xác được xác định bằng phương pháp thử sai hoặc dùng các
phần mềm mô phỏng.
Trong thực tế, do sự giới hạn của áp suất, ta không thể nén đủ nhựa vào
khn để bù trừ hồn tồn cho sự co nhiệt. Vì vậy khi thiết kế khn, lượng
co nhiệt khơng được bù này phải được tính đến bằng cách làm lịng khn lớn
hơn so với kích thước chi tiết
1.4.5. Giai đoạn làm nguội
Tốc độ và sự đồng đều khi làm nguội ảnh hưởng tới chất lượng đúc và
giá thành sản phẩm. Thời gian làm nguội thường chiếm trên 2/3 tổng chu
trình sản xuất một chi tiết nhựa dẻo.

18


Giai đoạn làm mát bắt đầu ở cuối quá trình nén chặt. Giai đoạn làm mát
là khoảng thời gian từ cuối q trình nén tới thời điểm khn mở ra. Nhựa bắt
đầu nguội từ giai đoạn điền đầy, vì vậy giai đoạn này coi là khoảng thời gian
cần thêm để làm đơng đủ nhựa cho q trình đẩy. Thực tế khơng cần thiết
tồn bộ 100% chi tiết hoặc hệ thống dẫn nhựa phải đông đặc. Nhựa ở khu vực
trung tâm của thành chi tiết đạt tới nhiệt độ đông đặc và trở thành khối rắn
trong thời gian làm nguội.
1.4.6. Giai đoạn lấy sản phẩm ra khỏi khuôn
Vật liệu đông đặc đã được làm nguội tới nhiệt độ đẩy (giá trị nhiệt độ
đẩy phụ thuộc vào loại vật liệu). Khuôn mở ra, hệ thống đẩy hoạt động đẩy
chi tiết ra ngoài. Thực tế chỉ cần chiều dày thành chi tiết đông đặc tới 90% và
hệ thống cấp nhựa đông đặc khoảng 50% là có thể lấy sản phẩm ra.
Sau khi sản phẩm đã lấy ra, khn lại được đóng và trục vít chuyển
động quay lùi để chuẩn bị cho lần phun kế tiếp.

19


CHƯƠNG 2: ỨNG DỤNG CAE TRONG THIẾT KẾ KHUÔN
2.1. Phương pháp truyền thống thiết kế khuôn ép phun:
Phương pháp truyền thống thiết kế khuôn ép phun là kiểu thiết kế mà
người sản xuất chỉ dựa vào kinh nghiệm và tri thức để tiến hành thiết kế và
sản xuất đồng thời dựa vào kết quả thử khuôn thực tế để sửa đổi thiết kế hoặc
phán đốn một cách một cách khó khăn.

Hình 2.1. Sơ đồ phương pháp thiết kế truyền thống
Đặc điểm của phương pháp này là tất cả các tham số thiết kế hoặc ép
phun hoàn toàn dựa vào kinh nghiệm và hiểu biết của người sản xuất và người
thiết kế, sử dụng sổ tay hoặc tiêu chuẩn thiết kế và tiến hành thiết kế điều
chỉnh. Những tham số thiết kế có phù hợp hay khơng phải đến lúc thử khn
thực tế mới có thể nghiệm chứng, khi xuất hiện vấn đề, thường phải tiến hành
sửa chữa khuôn, sửa đổi thiết kế khuôn hoặc cả sản phẩm.
Nhược điểm của phương pháp này là công việc kiểm chứng dựa vào
thử khuôn, sửa đổi thiết kế tiến hành ở công đoạn sau, do đó việc sửa chữa
khó khăn và hao phí tiền bạc lớn, thời gian thử và sửa dài, giá thành sản phẩm
cao, thời gian giao hàng và đưa ra thị trường dài khơng có lợi cho tình hình
hiện nay chu kì sử dụng sản phẩm ngắn và thời gian giao hàng nghiêm ngặt.
2.2. Phương pháp ứng dụng CAE thiết kế khuôn ép phun:
Thiết kế CAE là sự kết hợp kinh nghiệm và tri thức, sử dụng phương
pháp phân tích bằng máy vi tính để hiểu dưới tổ hợp điều kiện ép phun thiết

20


kế khơng giống nhau, đặc tính ép phun và biến đổi chất lượng sản phẩm. kết

quả cung cấp có thể giúp người thiết kế sử lý giả quyết vấn về dựa vào kết
quả và tham số thiết kế và ép phun có thể biết được các vấn đề tiềm ẩn.

Hình 2.2. Phương páp thiết kế ứng dụng CAE
Do máy vi tính tính tốn nhanh chóng hiệu quả, đồng thời có thể đem
kết quả phân tích với các thơng số phân bố nhiệt độ rất khó thu được trên thực
tế với đồ họa máy tính biểu diễn ra. Do đó nhà thiết kế sản phẩm và nhà thiết
kế khn có thể dựa vào kết quả phân tích để cải thiện thiết kế, nâng cao chất
lượng sản phẩm và tránh các vấn đề về ép phun, và có thể thử trên máy tính
các phương án khả thi để tối ưu hóa thiết kế.
Phương pháp thiết kê ứng dụng CAE giúp giảm giá thành và thời gian
hao phí trong q trình thử khn thực tế, rút ngắn thời gian đưa ra sản phẩm.
đồng thời kết quả phân tích cung cấp đặc tính trạng thái của từng quá trình cụ
thể, giúp người thiết kế nhanh chóng tích lũy kinh nghiệm và thiết lập tiêu
chuẩn thiết kế.

21


2.3. Lợi ích của việc sử dụng CAE thiết kế khn ép phun:
- Phân tích CAE dựa vào đặc tính trình tự của hệ thống, kết hợp lý luận
mơ hình để tiến hành phân tích, kết quả có ý nghĩa vật lý, là Know-Why mà
không phải là Know-How của kinh nghiệm truyền thống, do đó có thể hệ
thống hóa và khoa học hóa tham số ép phun và các loại thiết kế đối với trình
tự trạng thái và chất lượng sản phẩm, đạt đến mục tiêu ép phun một cách khoa
học (Scientific Molding).
- Do tính tin cậy của kết quả CAE, có thể chỉ ra vấn đề tiềm ẩn trong
quá trình ép phun và thiết kế, đề ra sửa đổi thiết kế và hướng giải quyết trở
ngại và phương án khả thi, có thể tránh điểm mù kinh nghiệm.
- CAE ở giai đoạn thiết kế có thể thực hiện trên máy vi tính đối với các

phương án sửa đổi thiết kế tiến hành đánh giá (Evaluate), nhận định (Verify)
và tối ưu hóa (Optimize), giảm thời gian, giá thành thử khn, sửa khn thực
tế, rút ngắn chu trình thử sai thực tế, rút ngắn thời gian phát triển sản phẩm
(Product Development Time) và thời gian đưa ra thị trường (Time-to-Market),
giảm hao phí, thời gian và tiền bạc trong các cơng đoạn.
- CAE có thể trợ giúp người ép phun dự đốn và nắm bắt thông số ép
phun đối với ảnh hưởng chất lượng sản phẩm, tìm ra hướng xử lý (Processing
Window) và tối ưu hóa thơng số ép phun.
- CAE có thể chỉ ra các nhân tố chủ yếu ảnh hưởng chất lượng ép phun, từ
đó cung cấp tham số sửa đổi thiết kế, tham số ép phun và chỉ tiêu định lượng.
- CAE có thể mở “hộp đen” ép phun, với phương pháp sinh động và cụ
thể hiển thị tham số gia cơng và thiết kế đối với trình tự trạng thái và ảnh hưởng
chất lượng sản phẩm, có thể giúp người sử dụng nhanh chóng tích lũy kinh
nghiệm thiết kế và ép phun, có giúp đỡ tương đối lớn về bồi dưỡng nhân viên.

22


- CAE có thể giúp người sử dụng nhanh chóng nắm bắt vật liệu mới,
quy trình mới, thiết kế mới và phương pháp ép phun, có hiệu quả và nhanh
chóng tích lũy kinh nghiệm thiết kế chuẩn và hiểu biết về ép phun.
- CAE cho phép người thiết kế và chế tạo khuôn rút ngắn được thời
gian thiết kế cũng như chi phí trong việc sản xuất khn. Quy trình dưới đây
so sánh các bước thực hiện:

Hình 2.3. Quy trình thiết kế khơng có CAE

Hình 2.4. Quy trình thiết kế có CAE
Có thể thấy, trên quy trình thiết kế chế tạo khuôn truyền thống, việc thử
khuôn được tiến hành sau khi đã chế tạo xong khn và q trình thử cần phải

được tiến hành trên khn thật, nên khi có lỗi phải sửa khuôn hoặc làm lại
khuôn mới để khắc phục lỗi.

23


2.4. Tổng quan về CAE:
2.4.1. Lý thuyết về phần tử hữu hạn khi chia lưới sản phẩm
Phương pháp phần tử hữu hạn (Finite Element Method - FEM) là một
phương pháp gần đúng để giải một số lớp bài toán biên. Theo phương pháp
phần tử hữu hạn, trong cơ học, vật thể được chia thành những phần tử nhỏ có
kích thước hữu hạn, liên kết với nhau tại một số hữu hạn các điểm trên biên
(gọi là các điểm nút). Các đại lượng cần tìm ở nút sẽ là ẩn số của bài toán (gọi
là các ẩn số nút). Tải trọng trên các phần tử cũng được đưa về các nút.
Trong mỗi phần tử, đại lượng cần tìm được xấp xỉ bằng những biểu
thức đơn giản và có thể biểu diễn hồn tồn qua các ẩn số nút. Dựa trên
ngun lí năng lượng, có thể thiết lập được các phương trình đại số diễn tả
quan hệ giữa các ẩn số nút và tải trọng nút của một phần tử. Tập hợp các phần
tử theo điều kiện liên tục sẽ nhận được hệ phương trình đại số đối với các ẩn
số nút của toàn vật thể.
2.4.2. Độ nhớt của chất lỏng
Độ nhớt của một chất lưu là thông số đại diện cho ma sát trong của dòng
chảy. Khi các dòng lưu chất liền kề có tốc độ chuyển động khác nhau, ngồi sự
va đập giữa các phần tử vật chất cịn có sự trao đổi xung lượng giữa chúng.

Hình 2.5. Phân bố của nước quanh trục quay

24