Báo cáo Nghiên cứu thiết kế, chế tạo vỏ bình ắc quy tàu điện mỏ bằng vật liệu phi kim loại

BỘ CÔNG THƯƠNG TẬP ĐOÀN CÔNG NGHIỆP THAN- KHOÁNG SẢN VIỆT NAM VIỆN CƠ KHÍ NĂNG LƯỢNG VÀ MỎ- TKV * * * * * BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI NCKH TÊN ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ, CHẾ TẠO VỎ BÌNH ẮC QUY TÀU ĐIỆN MỎ BẰNG VẬT LIỆU PHI KIM LOẠI Mà SỐ: 02NN-07 ThS. ĐỖ TRUNG HIẾU 6777 10/4/2008 Hà Nội, 2007 BỘ CÔNG THƯƠNG TẬP ĐOÀN CÔNG NGHIỆP THAN – KHOÁNG SẢN VIỆT NAM VIỆN CƠ KHÍ NĂNG LƯỢNG VÀ MỎ- TKV BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI NCKH TÊN ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ, CHẾ TẠO VỎ BÌNH ẮC QUY TÀU ĐIỆN MỎ BẰNG VẬT LIỆU PHI KIM LOẠI Mà SỐ: 02NN-07 THUYẾT MINH BÁO CÁO Cơ quản chủ quản: Bộ Công Thương Cơ quan chủ trì: Viện Cơ khí Năng lượng và Mỏ -TKV CHỦ NHIỆM ĐỀ TÀI Đỗ Trung Hiếu DUYỆT VIỆN Hà Nội, 2007 DANH SÁCH NHỮNG NGƯỜI THỰC HIỆN TT Họ và tên Nghề nghiệp Cơ quan công tác 1 Đỗ Trung Hiếu Thạc sỹ Máy và Dụng cụ Công nghiệp Viện Cơ khí Năng lượng và Mỏ - TKV 2 Trần Đức Thọ Thạc sỹ Máy và Dụng cụ Công nghiệp Viện Cơ khí Năng lượng và Mỏ - TKV 3 Hoàng Văn Vĩ Kĩ sư Chế tạo máy mỏ Viện Cơ khí Năng lượng và Mỏ - TKV 4 Đàm Hải Nam Kĩ sư Công nghệ Chế tạo máy Viện Cơ khí Năng lượng và Mỏ - TKV 5 Nguyễn Đức Toàn Thạc sỹ Máy và Dụng cụ Công nghiệp Trường Đại học Bách khoa Hà Nội 6 Vũ Quang Hà Thạc sỹ Công nghệ Chế tạo máy Công ty TNHH Công nghiệp Quang Nam 7 Vương Thế Hà Kỹ sư Cơ khí Phó GĐ Công ty CP Cơ khí Ôtô Uông Bí 8 Trương Mậu Đạt Kỹ sư Cơ khí Tr. Phòng KCS Công ty CP Cơ khí Ôtô Uông Bí 9 Vũ Văn Công Kỹ sư Công nghệ Chế tạo máy Tr. Phòng KT Công ty CP Cơ khí Ôtô Uông Bí Môc lôc Trang CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN ................................................................... 5 1.1. Tình hình sử dụng tàu điện ắc qui tại các mỏ than Việt Nam... 5 1.2. Tình hình nghiên cứu ứng dụng vật liệu phi kim loại. ............. 7 CHƯƠNG 2. NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ SẢN PHẨM....................... 15 2.1. Nghiên cứu điều kiện làm việc của vỏ bình ắc qui ................. 15 2.2. Phân tích lựa chọn kết cấu và vật liệu chế tạo sản phẩm........ 16 2.3. Chọn loại nhựa để chế tạo sản phẩm ...................................... 17 2.4. Dùng phần mềm ANSYS9.0 tính toán kết cấu của vỏ bình ... 19 CHƯƠNG 3. TÍNH TOÁN THIẾT KẾ KHUÔN ................................ 44 3.1. Tìm hiểu khuôn ép nhựa ......................................................... 44 3.2. Xây dựng quy trình thiết kế, chế tạo bộ khuôn ép phun......... 49 3.3. Ứng dụng phần mềm Moldflow để đánh giá các bộ khuôn.... 63 CHƯƠNG 4. CHẾ TẠO VÀ THỬ NGHIỆM SẢN PHẨM ................ 72 4.1. Quy trình công nghệ chế tạo khuôn ........................................ 72 4.2. Quy trình công nghệ chế tạo vỏ bình ...................................... 72 4.3. THỬ NGHIỆM SẢN PHẨM.................................................. 72 CHƯƠNG 5. KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ....................................... 73 5.1. Kết luận ................................................................................... 73 5.2. Kiến nghị ................................................................................. 73 Ch−¬ng 1. TỔNG QUAN 1.1. Tình hình sử dụng tàu điện ắc qui tại các mỏ than Việt Nam. Để đáp ứng cho nhu cầu sử dụng năng lượng của nền kinh tế, trong những năm qua ngành Than Việt Nam đã phát triển mạnh mẽ và sẽ còn phát triển mạnh trong những năm tiếp theo. Sản lượng than theo quy hoạch được trình bày trong Bảng 1.1 Bảng 1.1: Sản lượng than khai thác theo quy hoạch Sản lượng năm (Triệu tấn) TT Tên gọi 2007 2008 2009 2010 2015 2020 1 Than nguyên khai 35,33 36,71 40,525 44,64 50,185 54,755 1.1 Lộ thiên 19,77 19,46 19,785 18,57 18,615 18,155 1.2 Hầm lò 15,56 17,25 20,740 26,07 31,570 36,600 Nguồn: Quy hoạch phát triển ngành Than Việt Nam Qua bảng trên ta thấy sản lượng than tăng nhanh theo các năm trong đó sản lượng than lộ thiên sẽ giảm dần và sản lượng than hầm lò tăng mạnh. Để đáp ứng được tốc độ tăng trưởng sản lượng trên đòi hỏi ngành than phải đổi mới, hiện đại hoá công nghệ và thiết bị, thực hiện cơ giới hoá đồng bộ các khâu trong dây truyền sản xuất. Một trong các khâu quan trọng trong dây truyền sản xuất than hầm lò chính là khâu vận tải. Trong ngành than hiện nay áp dụng rất nhiều phương thức vận tải trong hầm lò như: + Vận tải bằng băng tải; + Vận tải bằng máng cào; + Vận tải bằng Skíp; + Vận tải bằng xe gòong... Khi vận tải bằng xe goòng thì cũng có những hình thức khác nhau như: Xe goòng kéo cáp, xe goòng kéo bằng đầu tàu điện cần vẹt, xe goòng kéo bằng đầu tàu điện ắc quy. Đối với đầu tàu điện ắc quy hiện nay cũng sử dụng hai loại bình ắc quy là ắc quy chì axít và ắc quy kiềm. Song so với ắc quy chì, ắc quy kiềm có ưu thế tuyệt đối hơn hẳn về tuổi thọ (gấp 10 ÷ 15 lần ắc quy chì về thời gian sử dụng) và độ an toàn cho người và thiết bị (con người không bị bỏng nặng khi sơ suất; thiết bị không bị ăn mòn do hơi axít). Bởi vậy ắc quy kiềm được các đơn vị sử dụng phổ biến hơn. Các loại ắc quy dùng trong Tập đoàn Than – Khoáng sản hiện nay có xuất sứ từ rất nhiều nguồn khác nhau như của Liên Xô (cũ); của Ba Lan; của Trung Quốc... Hiện tại Công ty Cổ phần Cơ khí ôtô Uông Bí là đơn vị duy nhất trong ngành đã chế tạo và cung cấp được các loại bình ắc quy tàu điện mỏ. Sản lượng và chủng loại bình ắc quy đã tiêu thụ của công ty Cổ phần Cơ khí Ôtô Uông Bí trong năm 2006 và 2007 được liệt kê trong Bảng 1.2. Bảng 1.2: Sản lượng và chủng loại bình ắc quy đã tiêu thụ Sản lượng tiêu thụ TT Chủng loại 2006 2007 1 Ắc quy kiềm SN300 1500 2000 2 Ắc quy kiềm SN350 1650 2500 Sản lượng bình ắc quy do Công ty Cổ phần Cơ khí Ôtô Uông Bí bán ra hiện nay chiếm 65 ÷ 70% thị phần trong ngành Than – Khoáng sản, năng lực của Công ty có thể đáp ứng 100% nhu cầu thị trường. Tuy nhiên hiện nay Công ty vẫn áp dụng công nghệ làm vỏ bình bằng kim loại và được bọc một lớp ủng cao su trước khi lắp đặt lên đầu tàu điện. Để có thể thay thế vỏ bình ắc quy từ sắt sang vỏ bình bằng nhựa, Viện Cơ khí Năng lượng và Mỏ - TKV đã tiến hành đề tài nghiên cứu thiết kế chế tạo vỏ bình ắc quy tàu điện mỏ bằng vật liệu phi kim loại. Kết quả thành công của đề tài sẽ được chuyển giao cho Công ty Cổ phần Cơ khí Ôtô Uông Bí sản xuất để góp phần phục vụ ngành Than – Khoáng sản. 1.2. Tình hình nghiên cứu ứng dụng vật liệu phi kim loại. 1.2.1. Ứng dụng vật liệu phi kim loại của thế giới. Trên thế giới, người ta đã ứng dụng chất dẻo để thay thế các vật liệu truyền thống từ lâu để sản xuất ra các sản phẩm kỹ thuật, các hàng hóa tiêu dùng. Hiện nay chất dẻo kỹ thuật được sử dụng rất nhiều trong lĩnh vực công nghiệp ôtô, xe máy, điện tử, điện lạnh, các chi tiết phụ tùng thiết bị máy móc, các thiết bị quang học, trong lĩnh vực thể thao và phục vụ cho nhiều ngành công nghiệp khác. Ưu điểm của việc gia công các sản phẩm kỹ thuật bằng chất dẻo là: có khả năng sản xuất với sản lượng lớn và năng suất cao; có thể thay đổi nhanh nhiều kiểu dáng khác nhau; sản xuất được các sản phẩm từ trong suốt đến nhiều màu sắc; chịu được tác động của môi trường hoá chất; chịu mài mòn, chịu nhiệt độ; cách điện tốt; sản phẩm nhẹ dễ gia công, dễ lắp ráp; giá thành hạ có sức cạnh tranh so với vật liệu truyền thống. Hiện nay, thế giới ứng dụng cả nhựa thông dụng, chất dẻo kỹ thuật, composite… để chế tạo các sản phẩm kỹ thuật phục vụ cho các ngành kinh tế. Để tăng cường cơ tính, người ta phải gia cường sợi thuỷ tinh hoặc khoáng chất vô cơ… thường mức gia cường từ 15% đến 60%. Các nước có nền công nghiệp hoá dầu tiên tiến đều sản xuất các loại chất dẻo kỹ thuật phù hợp với nhu cầu của nước mình. Ví dụ: Polyoximethylene (POM), Polybutylene Terephthalate (PBT), Polythylene Terephthalate (PET), Nylon 6,66 (Poly amide), Polycarbonate (PC) Termo poly urethne (TPU), Poly phenylene (PPS)… Hoặc phối chế các loại nhựa kỹ thuật để có được hỗn hợp nhựa đáp ứng về yêu cầu kỹ thuật như phối chế PC với ABS và gia cường bằng sợi thuỷ tinh từ 10% đến 20% để có tính ổn định kích thước rất cao, ổn định và có độ bền va đập ngay cả ở nhiệt độ thấp (-500C)... Ngoài vật liệu nhựa nhiệt dẻo (Thermo plastic), người ta cũng ứng dụng nhựa nhiệt cứng (Thermo Sets) vào gia công chế tạo các sản phẩm nhựa kỹ thuật, vì chúng có độ ổn định lớn, chịu nhiệt, chịu hoá chất, cách điện tốt… hơn so với nhựa nhiệt dẻo, nếu được gia cường thì các đặc tính được tăng lên rất nhiều và có giá trị về mặt kinh tế. Trong lĩnh vực gia công chế tạo các sản phẩm nhựa kỹ thuật hiện nay, vật liệu Composite được ứng dụng nhiều. Composite là vật liệu được tổng hợp từ hai hay nhiều loại vật liệu khác nhau, nhằm mục đích tạo nên một vật liệu mới, ưu việt và bền hơn so với các vật liệu ban đầu. Vật liệu nền của Composite có thể là Polyme, Kim loại, hợp kim, gốm hoặc cacbon. Vật liệu cốt của Composite có thể là khoáng chất, sợi thủy tinh, sợi chất dẻo hoặc sợi kim loại, sợi cacbon. Composite có thể đáp ứng được một loạt các đòi hỏi cao của kỹ thuật hiện đại như độ bền cao, nhẹ, có thể chịu được nhiệt độ đến 30000C... Vật liệu Composite Polyme được thay thế cho kim loại để chế tạo các chi tiết của máy bay, tên lửa, áo giáp cho cảnh sát, quân đội, ống dẫn dầu khí, hóa chất, vỏ và các chi tiết của ôtô, các thiết bị khác của ngành chế tạo máy. Để nâng cao cơ lý tính và giảm trọng lượng, xu hướng dùng sợi cac bon làm cốt cho Polyme đang được ứng dụng và phát triển nhanh. Composite Polyme sợi cacbon được ứng dụng rộng rãi trong các lĩnh vực thể thao, y tế, hàng không… Hiệu quả vật liệu Composite polyme sợi các bon được sử dụng trong việc chế tạo máy bay AN-124 của Nga (Số liệu của VS. TSKH Nguyễn Đình Đức): - Số lượng các chi tiết máy bay được chế tạo bằng vật liệu Composite Polyme sợi các bon: 200 chi tiết phụ tùng - Giảm được trọng lượng máy bay: 800kg. - Tăng khối lượng vận chuyển: 1108 tấn/km. - Tiết kiệm nhiên liệu: 1,2.104 tấn. - Giảm mức độ phức tạp khi chế tạo: 300 %. Với những tính năng, ưu điểm như vậy, mức tiêu thụ nhựa nhiệt dẻo kỹ thuật trên thế giới có tốc độ tăng trưởng bình quân hàng năm là 7% (theo số liệu của hãng Bager). Năm 1972, cả thế giới mới tiêu thụ khoảng 1,2 triệu tấn, năm 2000 tiêu thụ khoảng 8,5 triệu tấn, năm 2006 tiêu thụ khoảng 12 triệu tấn 1.2.2. Ứng dụng vật liệu phi kim loại tại Việt Nam. Ngành gia công chất dẻo của Việt Nam tuy phát triển nhanh thời gian qua, nhưng cũng bộc lộ một số mặt yếu kém: - Các thành phần kinh tế đều đầu tư vào ngành gia công chất dẻo, nhưng còn mang tính tự phát, nên dẫn đến sự hợp tác, hiệu quả kinh tế chưa cao, nhiều khi mất cân đối giữa cung và cầu. - Chưa chủ động được về nguyên liệu đầu vào. Hiện nay, nguyên liệu sản xuất trong nước mới đáp ứng được khoảng 10 % nhu cầu, chủ yếu là nhựa PVC. - Chưa có một cơ sở nghiên cứu, ứng dụng các thành tựu khoa học kỹ thuật của ngành hoặc chuyên ngành. - Sử dụng các loại chất dẻo có nhiều để sản xuất các sản phẩm kỹ thuật cao cấp, thay thế các vật liệu truyền thống còn thấp. Từ những năm đầu của thập kỷ 90, chất dẻo kỹ thuật đã được chính thức sử dụng tại Việt Nam để chế tạo các bánh răng, gối đỡ của đồng hồ đo nước và đồng hồ đo điện, lẫy của bút bi (POM), các chi tiết phụ tùng máy dệt (PA) vỏ quạt, đồ điện (ABS), ống và phụ tùng cấp thoát nước PVC... Trong những năm qua, việc sử dụng nhựa nhiệt dẻo kỹ thuật để gia công chế tạo chi tiết phụ tùng phục vụ cho việc lắp ráp các sản phẩm điện, điện tử, điện lạnh, xe hơi, xe máy, bưu chính viễn thông... còn quá nhỏ bé. Chỉ đến năm 2000, do việc đẩy mạnh tỷ lệ nội địa hoá các sản phẩm kỹ thuật, đặc biệt là nội địa hóa xe máy, nên tỷ trọng nhựa kỹ thuật đã được đẩy lên đến 25%. (Sản phẩm nhựa kỹ thuật cao, năm 1992 đạt 500 tấn, bằng 5%; năm 2000 đạt 30.000 tấn, bằng 25%). Một trong những chiến lược phát triển công nghiệp Nhựa Việt Nam là tăng dần tỷ trọng sản phẩm nhựa kỹ thuật phục vụ công nghiệp, trước hết là công nghiệp ôtô, xe máy, điện tử, điện lạnh, phụ tùng chi tiết thiết bị máy móc... Hiện nay, đã có hàng chục hãng sản xuất xe hơi danh tiếng trên thế giới đầu tư lắp ráp xe với mục đích đến năm 2005, nâng tỷ trọng nội địa hoá 25%. Ngành công nghiệp lắp ráp xe máy cũng phát triển rất mạnh với tỷ lệ nội địa hoá đạt 40 - 50 %. Bên cạnh đó, cần thoả mãn các chi tiết nhựa của 2 triệu TV, 1 triệu máy vi tính và khoảng 5 triệu điện thoại hàng năm. Tại thời điểm này, vật liệu Composite tiêu thụ tại Việt Nam khoảng 5.000 tấn/năm. Composite được dùng phổ biến để sản xuất các mặt hàng gia dụng như bàn, ghế, bồn tắm, đồ chơi... và các sản phẩm công nghiệp như thuyền bè, canô, bồn chứa hoá chất... Một trong những cơ sở sản xuất lớn sản phẩm Composite là Công ty TNHH Kiên Giang... chuyên sản xuất canô, xuồng, ghe, bồn chứa nước, bồn thực phẩm, cống thủy lợi và sản phẩm của công nghiệp ô tô... Chất lượng sản phẩm nhựa nói chung và sản phẩm nhựa kỹ thuật nói riêng phụ thuộc vào 4 yếu tố: Nguyên liệu nhựa; Máy móc thiết bị; Khuôn đúc; Công nghệ. Do đó, để có thể có một ngành công nghiệp nhựa tiên tiến, đủ sức cạnh tranh trên thị trường khu vực và quốc tế, ngành Nhựa cần phải có những điều kiện tối thiểu để chủ động sản xuất chế tạo, chí ít là một trong 4 yếu tố này, đặc biệt là về nguyên liệu và khuôn đúc. Chắc chắn khi và chỉ khi làm được như vậy, ngành nhựa kỹ thuật cao nước ta mới phát triển đúng với tiềm năng vốn có của mình về thị trường cũng như năng lực sản xuất, nhất là khi ngành đang có trong tay nhiều thiết bị công nghệ tiến tiến hiện đại, cùng một thị trường rộng lớn với hơn 83 triệu dân trong nước và khoảng 600 triệu dân trong khu vực ASEAN. 1.2.3. Tình hình nghiên cứu sản xuất vật liệu nhựa Sản lượng ngành nhựa Việt Nam trong những năm gần đây tăng mạnh là do nhu cầu của xã hội về sản phẩm nhựa ngày càng lớn cũng như thị hiếu của người tiêu dùng thích đa dạng hóa mẫu mã và nâng cao mức độ tiện ích đồ gia dụng, tính năng của một số sản phẩm nhựa công nghiệp bền và rẻ. Một phần nguyên nhân của sự tăng trưởng này là do các doanh nghiệp nhựa có kế hoạch đầu tư đúng đắn và phù hợp với nhu cầu thực tế thể hiện qua các hoạt động của các doanh nghiệp như nghiên cứu thị trường, định hướng chuyên môn hóa sản phẩm, không sản xuất đại trà nhiều ngành hàng. Chỉ số chất dẻo sản xuất được tính trên đầu người Việt Nam thấp hơn nhiều so với các nước khác trên thế giới, năm 1996 là 5,58kg/người, năm 2000 là 11,57kg/người và năm 2005 là 14kg/người và mục tiêu tới năm 2010 là 30kg/người. Riêng Thành Phố Hồ Chí Minh và các vùng lân cận là 100kg/người. Việt Nam cần thực hiện chiến lược và chương trình mạnh mẽ để phát triển ngành này. Ngành nhựa Việt Nam thực chất là một ngành kinh tế kỹ thuật về gia công chất dẻo, hiện chưa có khả năng sản xuất ra nguyên vật liệu nhựa, gần như toàn bộ nguyên vật liệu sản xuất ra sản phẩm nhựa phải nhập từ nước ngoài. Ngành nhựa có ưu điểm là công nghệ cập nhật hiện đại, tốc độ quay vòng nhanh, sử dụng lao động kỹ thuật là chính, sản phẩm đa dạng, phục vụ được nhiều đối tượng, lĩnh vực công nghiệp, cũng như trong tiêu dùng hàng ngày của xã hội. Theo thống kê, 70% nhu cầu vật chất cho đời sống con người được làm bằng nhựa, từ đó chỉ số chất dẻo trên đầu người được thỏa mãn là 30 kg/người (Việt Nam hiện mới chỉ đạt khoảng 14kg/người), còn đạt trên 100kg/người là quốc gia có nền công nghiệp nhựa tiên tiến. Nổi bật nhất trong những năm qua là sự vươn lên mạnh mẽ của khối các công ty tư nhân. Theo thống kê sơ bộ của Hiệp hội nhựa Việt Nam, các công ty tư nhân hiện sản xuất tới 70% sản lượng của cả nước, trong khi cách đây 5 năm con số này chỉ đạt 20%. Máy móc thiết bị ngành nhựa chủ yếu được nhập từ châu Á. Các công nghệ mới hiện đại trong 8 ngành kinh tế kỹ thuật nhựa đều đã có mặt tại Việt Nam, tiêu biểu như các công nghệ sản xuất vi mạch điện tử bằng nhựa, DVD, CD, chai 4 lớp, chai Pet, Pen, màng ghép phức hợp cao cấp BOPP. Ðến nay, cả nước có hơn 5000 máy bao gồm: 3000 máy ép (injection), 1000 máy thổi (bowling injection) và hàng trăm profile các loại trong đó 60-70% là máy đời mới. Trên 99% máy móc thiết bị nhập thông qua cảng TP Hồ Chí Minh (tổng giá trị hơn 26 triệu USD) là máy đời mới. Công nghệ áp dụng trong ngành sản xuất nhựa Việt Nam hiện nay bao gồm: Công nghệ ép phun (Injection Technology): Ðây là công nghệ truyền thống của ngành sản xuất nhựa, được phát triển qua 4 thế hệ máy, thế hệ thứ 4 là các loại máy ép điện, ép gaz đang được áp dụng phổ biến ở các quốc gia có công nghiệp nhựa tiên tiến (Mỹ, Ðức, Nhật...) đang thâm nhập vào thị trường châu Á. Loại công nghệ này phục vụ cho các ngành công nghiệp điện tử, điện dân dụng, sản xuất xe hơi và các ngành công nghiệp khác, đỉnh cao của công nghệ này là công nghệ nhựa vi mạch điện tử. Tại Việt Nam, hiện có gần 3000 thiết bị ép phun, trong đó có 2000 máy ở thế hệ thứ 2, thứ 3 (những năm 90). Trước đây công nghệ ép phun được sử dụng sản xuất hàng gia dụng nay đã chuyển sang hàng nhựa công nghiệp phục vụ cho các ngành công nghiệp khác, sản phẩm của nó đụơc thay thế các chất liệu khác như gỗ, sắt, nhôm trong công nghiệp bao bì và hàng tiêu dùng. Công nghệ đùn thổi (Blowing injection technology): Ðây là công nghệ thổi màng, sản xuất ra các loại vật liệu bao bì nhựa từ màng, dùng trong các công nghệ thổi túi PE, PP và màng (cán màng PVC). Các loại máy thổi được cải tiến từ Việt Nam để thổi túi xốp từ nhiều loại nguyên liệu phối kết, sử dụng các loại nguyên liệu từ đơn nguyên PE, PP đến phức hợp OPP, BOPP thông qua giai đoạn cán kéo hai chiều, bốn chiều. Hiện nay nhiều doanh nghiệp nhựa sử dụng công nghệ đùn thổi bằng nhiều thiết bị nhập từ các nước, nhiều thế hệ để sản xuất các sản phẩm bao bì nhựa. Bên cạnh đó, ngành thổi bao bì dạng chai nhựa tiên tiến như PET, PEN, thùng phuy... đều phát triển từ công nghệ đùn thổi. Công nghệ đùn đẩy liên tục (Profile): Ðược cải tiến từ công nghệ truyền thống đùn thổi, từ nhu cầu tiêu dùng của xã hội phát triển được hình dung thành các nhóm hàng sau đây: - Nhóm sản phẩm dạng ống, từ ống PVC thoát nước đến PE cấp nước, cao cấp là các sản phẩm ống phức hợp nhôm nhựa, ống phức hợp gaz, cáp quang... - Nhóm sản phẩm vật liệu xây dựng, gia công thành phẩm khung cửa PVC, tấm trần, vách ngăn. Công nghệ chế biến cao su nhựa: Là công nghệ ép sử dụng phổ biến trong các ngành chế biến cao su và các công nghệ ép phun sử dụng cùng lúc hai loại nguyên liệu nhựa và cao su Latex hoặc nhựa phối kết với cao su thiên nhiên với dạng compound. Là ngành kinh tế kỹ thuật nhựa có sức thu hút lớn chiếm vị trí thứ 3 trong 8 ngành kinh tế kỹ thuật nhựa. Công nghiệp gia công giày, dép nhựa cũng gắn liền với công nghệ này. Các công nghệ khác như: Composite, Melamine, Công nghệ EVA, PU, EPS và các công nghệ phụ. Thực trạng công nghệ nhựa hiện nay vừa thoát khỏi giai đoạn phát triển tự nhiên, từng bước đi vào quỹ đạo có quy hoạch, có định hướng, đặc biệt quá trình hội nhập đã thúc đẩy ngành nhựa phát triển mạnh hơn, nhanh hơn. Tuy đạt nhiều thành công trong 6 năm gần đây, nhưng ngành nhựa Việt Nam vẫn trong tình trạng lệ thuộc nguồn nguyên liệu nhập khẩu của nước ngoài. Công nghiệp chế tạo khuôn mẫu cũng rất yếu, chỉ sản xuất được những bộ khuôn chất lượng trung bình và không yêu cầu độ chính xác cao. Trong cơ cấu sản phẩm, hàng tiêu dùng chiếm đến 63%, còn lại khoảng 20% là bao bì, 8% sản phẩm dùng làm vật liệu xây dựng. Sản phẩm nhựa kỹ thuật dùng cho các ngành điện, điện tử, xe gắn máy,... chỉ có 4%. Điều đó cho thấy, trình độ công nghệ của ngành nhựa Việt Nam vẫn còn ở mức thấp. Mục tiêu của Việt Nam trong 10 năm tới là hiện đại hóa công nghệ, thiết bị và tăng dần tỷ trọng sản phẩm nhựa kỹ thuật để thay thế hàng nhập khẩu. Đặc biệt là sản xuất phụ tùng cho các ngành công nghiệp ô tô, xe gắn máy, điện tử và điện lạnh... Các công ty nhựa Việt Nam đang có xu hướng chuyển sang nhập khẩu thiết bị của các nước Châu Âu, chẳng hạn như của Cincinati, Milacron, Arburg, Krauss Maffei, Reifenhauser... Đồng thời nhiều doanh nghiệp cũng tỏ ra quan tâm và sử dụng các loại nguyên liệu nhựa kỹ thuật của Atochem, Hoesch, Dupont, Mitsui, Sumitomo, Hn Hwa, Idemitsu... Tuy thiếu vốn, nhưng các công ty hàng năm vẫn dành ra trên 70 triệu USD để mua sắm thiết bị khuôn mẫu và xây dựng nhà xưởng. Nguyên vật liệu của ngành nhựa phải nhập gần như 100%. Hiện nay Việt Nam nhập khoảng 40 loại nguyên vật liệu chính và hàng trăm loại hóa chất và nguyên vật liệu phụ trợ. Trong khi các nước khu vực xung quanh ta đã sản xuất được nguyên vật liệu nhựa. Thái Lan đã sản xuất hầu hết các loại nguyên vật liệu nhựa thông dụng như PELD, PEHD, PP, PS, PVC. Riêng PVC có hai nhà sản xuất với tổng công suất 300.000tấn/năm. Singapore tổng công suất trên 550.000 tấn/năm. Malaysia với tổng công suất PVC và PS là 76.000 tấn/năm. Việt Nam phải nhập hầu hết nguyên vật liệu dùng cho sản xuất sản phẩm nhựa là do ngành sản xuất nguyên vật liệu nhựa gặp nhiều khó khăn về nguồn nguyên liệu đầu vào, giá cả một số loại nguyên liệu còn cao hơn nguyên liệu nhập như (PVC của MitsuiVina). Ngoài ra chủng loại nguyên liệu sản xuất trong nước còn hạn chế. Các nhà máy chỉ tập trung vào sản xuất các chủng loại được tiêu thụ nhiều. Chẳng hạn như Mitsui Vina chỉ tập trung sản xuất PVC huyền phù có chỉ số Polyme là K66. Chính vì vậy, kể cả khi giá nguyên liệu sản xuất trong nước thấp hơn giá nhập khẩu thì các doanh nghiệp ngành nhựa Việt Nam vẫn phải nhập khẩu nhiều loại nguyên liệu của nước ngoài. Do hiện nay ngành nhựa Việt Nam phụ thuộc hoàn toàn vào nguyên liệu nước ngoài nên bất cứ sự biến động nào trên thị trường thế giới cũng ảnh hưởng trực tiếp đến ngành nhựa. Vì vậy ngành nhựa không thể phát triển một cách ổn định lâu dài nếu không có một chiến lược phát triển nguyên liệu, để chủ động về nguyên liệu. Mặt khác việc nhập nguyên liệu sẽ làm tăng giá thành sản phẩm, hạn chế khả năng cạnh tranh trên thị trường, làm giảm tốc độ phát triển. Nhu cầu sử dụng nguyên liệu trong ngành nhựa năm 2006 PS PP PE PVC Loại khác 10% 30% 30% 20% 10% Nguồn: Tổng công ty nhựa Việt Nam Trong vài năm tới, khi ngành công nghiêp hóa dầu của Việt Nam ra đời, sẽ mở ra nhiều cơ hội phát triển hơn cho ngành nhựa đặc biệt là ngành công nghiệp nguyên liệu. Thị trường trong nước cũng như thị trường thế giới đang mở ra nhiều cơ hội phát triển cho ngành nhựa do nhu cầu về sản phẩm nhựa ngày càng tăng. Ch−¬ng 2. NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ SẢN PHẨM 2.1. Nghiên cứu điều kiện làm việc của vỏ bình ắc qui 2.1.1. Đặc điểm kết cấu và điều kiện làm việc Ắc quy kiềm sắt-niken là loại ắc quy kiềm lamen, có chất hoạt động cực dương là Hyđrôxit niken 2Ni(OH)2 và chất hoạt động cực âm là bột sắt, dùng Hyđrôxit Natri làm dung dịch điện giải, giữa các cực dương và cực âm có các lá cách. Vỏ ngoài làm bằng sắt hoặc bằng nhựa, nắp trên có lỗ rót dung dịch và các trụ cực âm và cực dương. Lỗ rót dung dịch thường có van thải khí, khi rót dung dịch thì mở van thải khí ra còn khi nạp, phóng điện không nhất thiết phải mở ra mà vẫn thải được khí sinh ra trong bình ắc quy, đồng thời đề phòng các bụi bẩn và tạp chất xâm nhập vào bên trong. Mặt khác, nó có thể đảm bảo cho ắc quy khi bị nghiêng 300 vẫn không chảy dung dịch ra ngoài. Ắc quy kiềm sắt niken được dùng làm nguồn điện 1 chiều cho các tàu điện hoặc chiếu sáng cho các mỏ hầm lò có nhiệt độ môi trường từ - 200C đến +500C. Đối với trường hợp dùng cho đầu tàu điện mỏ người ta dùng khoảng 100 bình được xếp xít vào nhau trên thùng chứa bình ắc quy của đầu tàu điện, các bình được mắc nối tiếp với nhau tạo thành nguồn điện làm quay động cơ điện kéo cả đoàn xe goòng chuyển động. 2.1.2. Các tính năng điện chủ yếu của ắc quy • Điện áp danh định của ắc quy là 1,2V, điện áp danh định của tổ hợp ắc quy là tích số của 1,2V với số ắc quy được đấu nối tiếp. • Dung lượng của ắc quy đều không nhỏ hơn dung lượng định mức. • Tuổi thọ: chu kỳ phóng nạp của ắc quy không nhỏ hơn 900 lần. • Kỳ hạn bảo tồn: ắc quy đảm bảo sau 3 năm tồn trữ các tính năng điện vẫn đạt yêu cầu như khi xuất xưởng. Ắc quy chưa qua một lần sử dụng nào, nếu tồn trữ quá 3 năm chỉ cần không bị rỉ mục, không chập mạch thì nói chung sau 3 đến 5 chu kỳ nạp phóng điện mà dung dịch ở nhiệt độ bình thường đạt được yêu cầu thì vẫn có thể sử dụng. • Ắc quy có thể chịu được nạp quá và phóng quá, nó có thể được sử dụng ở chế độ phóng điện một giờ, nhưng không được sử dụng liên tục lâu dài. • Ắc quy có thể sử dụng trong điều kiện nhiệt độ đến -200C nhưng dung lượng của nó giảm thấp hơn so với nhiệt độ bình thường. • Tổn thất tự phóng điện của ắc quy tương đối lớn. Vì vậy, không nên dùng làm nguồn điện dự phòng. 2.2. Phân tích lựa chọn kết cấu và vật liệu chế tạo sản phẩm 2.2.1. Kết cấu vỏ bình bằng kim loại Trong quá trình thực hiện đề tài nghiên cứu, nhóm đề tài đã tiếp cận, tìm hiểu loại vỏ bình ắc quy bằng kim loại dung lượng 300A (SN300) và loại 350A (SN350) do Công ty Cổ phần Cơ khí Ôtô Uông Bí chế tạo. Về kết cấu vỏ bình gồm 3 phần là: Thân bình; nắp bình và nút bình + Đặc điểm kết cấu của thân bình: Thân bình là chi tiết vỏ mỏng dạng hình hộp chữ nhật có chiều dài 180mm; rộng 175mm và cao 395mm, chiều dày thân là 2mm, dưới đáy thân có gân tăng cứng. + Đặc điểm kết cấu của nắp bình: Nắp bình ắc quy là chi tiết dạng hình hộp chữ nhật có chiều dài 180mm; rộng 175mm và cao 25mm, chiều dày nắp là 2mm. Trên mặt của nắp có 05 lỗ trong đó: 01 lỗ trung tâm có ren để vặn nút; 04 lỗ để lắp các cực âm và dương, các lỗ này có rãnh tròn chạy suốt chu vi lỗ khi lắp cực song người ta đổ thiếc vào các rãnh này để làm kín khe hở và giữ chắc cọc cực. + Đặc điểm cấu tạo nút: Nút có dạng chi tiết tròn xoay, có ren ngoài để vặn với nắp. Nút có lỗ thủng đảm bảo thông hơi cho bình ắc quy khi làm việc. Bản vẽ của vỏ bình ắc quy SN300 bằng kim loại được trình bày trong tập bản vẽ. Khi thay đổi vỏ kim loại bằng vỏ nhựa, về cơ bản vẫn tuân thủ hình dáng kết cấu của vỏ bình kim loại, nhóm đề tài chỉ phân tích lựa chọn vật liệu để đảm bảo tính ăn mòn hoá học, và trên cơ sở vật liệu đã chọn đề tài đã tính toán chiều dầy của vỏ bằng nhựa để đảm bảo độ bền cơ học. 2.2.2. Các cơ sở để lựa chọn chế tạo vỏ bình ắc quy bằng nhựa Qua phân tích, tìm hiểu và thu thập các thông tin phản hồi của người sử dụng nhóm đề tài rút ra nhận xét vỏ bình ắc quy bằng kim loại có nhiều nhược điểm trong đó có hai nhược điểm chính đó là: - Vỏ bằng kim loại dễ dẫn điện gây nên chập mạch, gây nguy hiểm cho người thợ lò. - Vỏ bằng kim loại nên dễ bị ăn mòn điện hoá, làm giảm tuổi thọ của bình. - Các loại đầu tàu điện ắc quy mà các đơn vị nhập của nước ngoài về đều đã sử dụng vỏ bình bằng nhựa. - Hiện nay ngành công nghệ chế tạo máy của Việt Nam đã có những bước phát triển vượt bậc với việc đưa các máy móc thiết bị hiện đại điều khiển số vào sản xuất nên có khả năng gia công các khuôn mẫu có độ phức tạp cao, phục vụ ngành nhựa. - Ngành công nghiệp nhựa của nước ta cũng đã có những bước phát triển, việc nhập khẩu các loại hạt nhựa chất lượng cao đảm bảo cho việc sản xuất ra các chi tiết, phụ tùng bằng nhựa phục vụ cho công nghiệp đã khá phổ biến. - Các máy ép nhựa của nước ta cũng đã đa dạng và có khả năng về kỹ thuật, công nghệ cũng khá lớn, điều này cho phép sản xuất ra các chi tiết bằng nhựa có kích thước hình học lớn. 2.3. Chọn loại nhựa để chế tạo sản phẩm Trong quá trình nghiên cứu về vật liệu để chế tạo sản phẩm nhóm đề tài đã tiến hành tìm hiểu các tài liệu về nhựa nhiệt dẻo. Qua quá trình tìm hiểu tài liệu kỹ thuật cũng như thực tế, nhóm đề tài nhận thấy hiện nay các nhà sản xuất ắc quy thường dùng hai loại nhựa nhiệt dẻo chính để chế tạo vỏ bình đó là PE và PP. Các tính chất chung và ứng dụng của PE và PP được trình bày trong bảng Bảng 2-1. Các tính chất lý, hoá của PE và PP được trình bày trong Bảng 2 – 2. Bảng 2 – 1: Các tính chất chung và ứng dụng của PE và PP TT Nhựa Tính chất Ứng dụng 1 PE (P ol ye th yl en e) - Nhẹ, mềm, dẻo, biến dạng tốt - Cách điện rất tốt. - Rất ít hấp thụ nước. - Khi tỷ trọng PE tăng thì độ bền hoá chất tăng. - Nhiệt độ gia công thấp dễ nhuộm màu. - Vỏ bọc cáp điện. - Bạt phủ ngoài trời. - Ống nước ống dẫn khí. - Két bia, két nước ngọt, thùng chứa các loại trong gia đình. - Bình đựng xăng, dầu, bình ắc quy… 2 PP (P ol yp ro py le ne ) - Nhẹ, độ cứng vững và độ bền cơ học cao. - Tương đối giòn ở nhiệt độ thấp. - Kém bền thời tiết. - Tính cách điện tốt. - Các loại bao bì trong y tế, dân dụng và công nghiệp. - Một số chi tiết bên trong máy móc gia đình như máy giặt, máy hút bụi. - Thảm thể thao, lưới thể thao, cỏ nhân tạo. - Cánh quạt gió, vỏ hộp phụ tùng. - Đồ chơi trẻ em, đồ dùng văn phòng... Từ các tìm hểu về lý thuyết cũng như qua tiến hành phân tích thành phần hoá học của nhựa làm vỏ bình theo mẫu của Trung Quốc. Đề tài đã lựa chọn loại vật liệu chế tạo vỏ bình là loại nhựa nhiệt dẻo PE Bảng 2 – 2: Tính chất của PE và PP Tính chất PE PP Tỷ trọng(g/cm2). 0,955 0.91 Ứng suất tại điểm duỗi (MPa) 20 - 30 30 - 35 Biến dạng tại điểm duỗi (%). 12 14 Độ kết tinh (%). 80 - 90 50 - 70 Độ cứng bề mặt (N/mm2). 50 65 - 80 Mô đun đàn hồi (MPa). 1000 1400 Nhiệt độ nóng chảy (oC). 130 - 135 165 - 170 Hệ số dãn nở nhiệt (10-6/K). 150 170 Giới hạn nhiệt độ sử dụng: • Ngắn hạn • Dài hạn 105 80 140 100 Điện trở khối (Ω.cm). > 1017 1017 Điện áp đánh thủng (KV/mm). 30 - 40 35 - 40 Độ hấp thụ nước (%). < 0.05 < 0.1 2.4. Dùng phần mềm ANSYS9.0 tính toán kết cấu của vỏ bình 2.4.1. Tổng quan về phần mềm ANSYS9.0. Phân tích bằng phần tử hữu hạn (Finite Element Analysis, FEA) là một phương pháp số dùng để mô phỏng các điều kiện tải trọng trên một hệ vật lý và xác định ứng xử của hệ. Việc phân tích bằng phương pháp này có các ưu điểm như sau: - Giảm số lượng mẫu thí nghiệm vì mô phỏng trên máy tính cho phép giả lập các kịch bản “nếu ... thì ...” một cách nhanh chóng và thuận tiện. - Mô phỏng những thiết kế khó (hoặc không thể) thực hiện với mẫu thực. - Tiết kiệm chi phí, tiết kiệm thời gian, tạo ra các thiết kế có chất lượng tốt hơn và tin cậy hơn. Phần mềm ANSYS, do công ty phần mềm ANSYS (Hoa kỳ) phát triển là một gói phần mềm hoàn chỉnh dựa trên phân tích phần tử hữu hạn (Finite Element Analysis, FEA), để mô phỏng ứng xử của một hệ vật lý khi chịu tác động của các loại tải trọng khác nhau. Phần mềm ANSYS được sử dụng rộng rãi trên toàn thế giới để giải quyết các bài toán thiết kế, mô phỏng tối ưu kết cấu và các quá trình truyền nhiệt, dòng chảy, điện, tĩnh điện, điện từ... và tương tác giữa các môi trường hay các hệ vật lý. Chính vì thế nên phần mềm ANSYS đã trở thành một công cụ mô phỏng rất hữu hiệu trong các lĩnh vực công nghiệp như công nghiệp vũ trụ hàng không, công nghiệp ôtô, y sinh, xây dựng và cầu đường... Sau đây ta xét một số modul chính của ANSYS. 1. Phân tích kết cấu: Phân tích kết cấu được sử dụng để xác định trường chuyển vị, biến dạng, ứng suất, và các phản lực. Phân tích tĩnh: - Sử dụng trong trường hợp tải tĩnh. - Ứng xử phi tuyến ví dụ như độ võng lớn, biến dạng lớn, bài toán tiếp xúc chảy dẻo, siêu đàn hồi từ biến... Phân tích động lực học: - Bao gồm hiệu ứng khối lượng và giảm chấn. - Phân tích modul: xác định tần số riêng và dạng dao động riêng. - Phân tích điều hoà: xác định ứng xử của kết cấu khi tải trọng có dạng hình sin với biên độ và tần số xác định. - Phân tích động lực học tức thời: xác định ứng suất của kết cấu khi tải trọng thay đổi theo thời gian và có thể bao gồm cả ứng sử phi tuyến. Một số khả năng khác trong phân tích kết cấu: - Phân tích phổ. - Phân tích dao động ngẫu nhiên. - Phân tích sự mất ổn định. 2. Động lực học biến dạng lớn: - Dùng để mô phỏng biến dạng rất lớn khi lực quán tính đóng vai trò quyết định - Dùng để mô phỏng các bài toán va chạm. 3. Phân tích nhiệt - Phân tích nhiệt được dùng để xác định trường phân bố nhiệt độ trong một vật thể. Các đại lượng đáng quan tâm khác bao gồm: lượng nhiệt mất đi hoặc tăng thêm, dòng nhiệt. 4. Phân tích điện từ - Phân tích điện từ được sử dụng để tính toán từ trường trong các thiết bị điện từ. - Phân tích điện từ tĩnh và tần số thấp: + Mô phỏng các thiết bị sử dụng nguồn điện một chiều, nguồn xoay chiều tần số thấp, Ví dụ: thiết bị khởi động từ, các động cơ, máy biến thế. + Các thông số đáng quan tâm bao gồm: mật độ thông lượng từ, cường độ từ trường, lực và mô men từ, trở kháng, độ từ cảm... + Phân tích điện từ tần số cao. + Phân tích tĩnh điện. 5. Tính toán động lực học dòng chảy - Để xác định phân bố lưu lượng và nhiệt độ trong một dòng chảy. - Các đại lượng đáng quan tâm là vận tốc, áp suất, nhiệt độ và các hệ số màng. - Phân tích chất lỏng trong bể chứa. 6. Phân tích tương tác giữa các trường vật lý - Xem xét sự tương tác của hai hay nhiều trường khác nhau. Vì trên thực tế các trường đều phụ thuộc lẫn nhau, nên không thể giải quyết chúng một cách tách biệt. Bởi vậy, cần có một chương trình giải quyết đồng thời cả hai hiện tượng bằng cách kết hợp chúng. - Ví dụ: Phân tích nhiệt - ứng suất. Trong phạm vi đồ án này nhóm đề tài chỉ dùng phân tích kết cấu, để lựa chọn kết cấu hợp lý của bình ắc quy khi thay từ vỏ bình kim loại bằng vỏ bình nhựa nhiệt dẻo. 2.4.2. Phân tích ứng suất và biến dạng vỏ bình ắc quy bằng kim loại. Khi làm việc chủ yếu là thân bình chịu tác dụng của các lực như: lực thuỷ tĩnh, lực quán tính... còn nắp bình chịu lực không đáng kể. Chính vì vậy, đề tài đi sâu phân tích kết cấu của thân bình, đồng thời lựa chọn vật liệu nhựa nhiệt dẻo chế tạo nó sao cho với bình ắc quy đã thay đổi kết cấu và bằng nhựa thì khả năng làm việc của nó tương đương vỏ bình ắc quy bằng kim loại. 2.4.2.1. Tính toán lực tác động vào thân bình trong quá trình làm việc Như trên đã nói, khi làm việc, thân bình chịu tác dụng của rất nhiều lực như: lực thuỷ tĩnh do dung dịch trong bình gây ra; lực quán tính; tải trọng va đập... Tuy nhiên để đơn giản đề tài chỉ quan tâm tính toán lực thuỷ tĩnh, ảnh hưởng của các lực khác được sử lý bằng các hệ số trong quá trình tính toán bằng phần mềm ANSYS. Biểu đồ 2.1 thể hiện sự phân bố lực trong bình. Các thông số của bình ắc quy SN300 • Chiều cao lớn nhất của bình: 450mm • Chiều rộng đáy bình: 175mm • Chiều dài đáy bình: 180mm • Chiều cao vỏ bình: 395mm Theo yêu cầu kỹ thuật của ắc quy kiềm sắt-niken SN300 thì khoảng cách giữa mặt trên tấm cực và miệng rót dung dịch: 60mm. Như vậy, với quy định mức điện dịch cao hơn mặt trên tấm cực 15-30mm thì khoảng cách từ miệng rót dung dịch đến mặt phẳng mức điện dịch như sau: • lớn nhất hmax=45mm. • nhỏ nhất hmin=20mm. Như vậy chiều cao mức điện dịch lớn nhất trong bình so với đáy là: h = 395-20 = 375mm. Dung dịch điện dịch dùng cho bình là NaOH có tỷ trọng bằng 1,18(g/cm3). Từ đó, ta tính được lực thuỷ tĩnh tác dụng lên đáy là: P= γ*h. Trong đó: P: Áp suất thuỷ tĩnh tại mặt đáy bình. γ: Khối lượng riêng của dung dịch điện dịch γ=1,18 (g/cm3)=1,18.10-5(N/mm3). h: Chiều cao lớn nhất của mức điện dịch so với đáy h = 375mm.⇒ P = 1,18.10-5x375 = 0,004425(N/mm2). P = 44,25x10-4(N/mm2) BiÓu ®å 2.1: Ph©n bè lùc trong b×nh ¾c quy 2.4.2.2. Dùng ANSYS phân tích tính toán Từ việc phân tích các lực có thể tác dụng vào bình. Bây giờ, ta áp dụng phần mền ANSYS để phân tích ứng suất và biến dạng tại các vị trí khác nhau của vỏ bình. Trình tự các bước như sau: 1. Chuẩn bị (Preprocessor). 2. Xử lý ban đầu (Processor). 3. Giải (Solve). 4. Xử lý kết quả (Postprocessor). 1. Quá trình chuẩn bị (Preprocessor) a. Lựa chọn kiểu phân tích. Ở trên ta đã biết trong phần mềm ANSYS có rất nhiều kiểu phân tích như phân tích dòng chảy, phân tích kết cấu, điện từ... Trong bước này ta chọn kiểu phân tích kết cấu bằng cách vào hộp thoại preferences (Main menu>Preferences) để lựa chọn kiểu phân tích kết cấu (Structural). Đồng thời, loại bỏ các kiểu phân tích khác không dùng đến trong phân tích kết cấu. Điều này sẽ giúp ta loại bỏ các thuộc tính không dùng đến trong phân tích kết cấu Hình 2-1: Chọn kiểu phân tích kết cấu b. Lựa chọn kiểu mô hình hoá. Có các kiểu mô hình hoá như sau: ™ Đối xứng trục: Được dùng khi tải trọng, vật liệu và điều kiện biên là đối xứng trục. Kiểu mô hình này là đơn giản nhất. ™ Đối xứng quay: Khi tải trọng, vật liệu và điều kiện biên là đối xứng nhưng thuận lợi hơn là đối xứng trục vì đưa ra thêm một số kết quả thông qua áp đặt điều kiện biên. ™ Mô hình 3D: Đây không phải là một lựa chọn hiệu quả so với mô hình đối xứng trục và mô hình đối xứng quay. Tuy nhiên, nếu kết quả mô hình hoá bị ảnh hưởng nhiều bởi điều kiện biên đối xứng (mà thực tế không đúng) thì có thể đây là sự lựa chọn duy nhất. Đối với chi tiết thân bình ắc quy ta dùng mô hình 3 chiều đầy đủ. c. Lựa chọn kiểu phần tử. Chọn kiểu phần tử là một bước quan trọng, nó xác định những đặc tính như sau: 9 Bậc tự do (Degree of Freedom): Ví dụ: một kiểu phần tử nhiệt có một bậc tự do: TEMP (nhiệt độ), trong khi đó, một kiểu phần tử kết cấu có thể có 6 bậc tự do: UX, UY,UZ, ROTX, ROTY, ROTZ (ba thành phần chuyển vị dài theo ba trục và ba thành phần chuyển vị gúc quanh ba trục). 9 Dạng phần tử: Hình lục diện, hình tứ diện, hình tứ giác, hình tam giác… 9 Không gian: 2D (chỉ trong mặt phẳng X-Y) hoặc 3D. 9 Dạng giả thiết của trường chuyển vị: Bậc nhất hoặc bậc hai. ANSYS có một thư viện gồm hơn 150 kiểu phần tử để người dụng lựa chọn. Các phần tử thông dụng bao gồm: 9 Các phần tử một chiều (line element): Bao gồm. ƒ Các phần tử dầm (beam): Dùng để mô hình hoá kết cấu bu lông, kết cấu dạng ống, thép hình hoặc bất kỳ một kết cấu dài mảnh nào mà ta chỉ quan tâm đến ứng suất màng và ứng suất uốn. ƒ Các phần tử thanh (spar): Dùng để mô hình hoá lò xo, hệ dàn thanh. ƒ Các phần tử lò xo (spring): Dùng để mô hình hoá lò xo, kết cấu ghép bu lông. 9 Phần tử vỏ (shell): Dùng để tạo mô hình những bản mỏng hoặc những mặt cong. 9 Các phần tử khối 2D (2D solid): Dùng để tạo mô hình mặt cắt ngang của những đối tượng khối 3D. 9 Phần tử khối 3D: ƒ Dựng cho những kết cấu mà do mô hình hình học, vật liệu, tải, hoặc do yêu cầu kết quả chi tiết không thể mô hình hoá bằng những phần tử đơn giản hơn. Cũng được dùng khi mô hình hình học được nhập từ các hệ CAD 3D, mà nếu chuyển sang mô hình 2D hoặc vỏ thì sẽ mất nhiều thời gian và công sức. 9 Bậc của phần tử: Bậc của phần tử là bậc đa thức của hàm dạng (hàm nội suy) của phần tử. Đối với chi tiết là thân bình ắc quy thì ta dựng phần tử SOLID95, thông số hình học của phần tử này như sau: Hình 2-2: Kiểu phần tử khối 3D SOLID95 Để định nghĩa một kiểu phần tử ta làm như sau: ¾ Main menu>Preprocessor>Element type>Add/Edit/Delete. • [Add] để thêm phần tử mới. • Chọn kiểu phần tử cần thiết (SOLID 95) rồi bấm OK. • [Optional] để xác định các tuỳ chọn của phần tử. ¾ Hoặc dùng lệnh ET: ET,1,SOLID95. (trong đó “1” là số thứ tự của phần tử). Lưu ý: • Nếu ta chỉ định kiểu phân tích ngay từ đầu (Main menu > Preprocessor), ANSYS sẽ chỉ hiện thị những kiểu phần tử hợp lệ cho kiểu phân tích đó. • Nó định nghĩa sớm kiểu phần tử trong quá trình xử lý ban đầu và các lựa chọn trong GUI không phù hợp với kiểu phần tử kết cấu sẽ bị loại bớt hoặc hoàn toàn không hiển thị. Hình 2-3: Cách lựa chọn kiểu phần tử SOLID95. 2. Quá trình xử lý ban đầu a.Tạo mô hình hình học. Một mô hình hình học thông thường được định nghĩa bởi các thể tích, các diện tích, các đường và các điểm. ™ Thể tích (volume): Được giới hạn bởi các diện tích. Chúng mô tả các đối tượng khối 3D. ™ Diện tích (area): Được giới hạn bởi các đường. Chúng mô tả các mặt của đối tượng khối hoặc là các tấm mỏng. ™ Đường (line): Được giới hạn bởi các điểm. Chúng mô tả các cạnh của đối tượng. ™ Điểm (point): Được định vị trong không gian 3D. Chúng mô tả đỉnh của đối tượng. ANSYS có một thư viện các công cụ phong phú giúp ta tạo mô hình trực tiếp trong môi trường ANSYS. Ngoài ra, ANSYS còn có thể kết nối với bản vẽ của chi tiết có định dạng *.iges…, nhược điểm của việc định dạng file có định dạng IGES vào ANSYS là phải chuyển đổi hai lần: CAD → IGES → ANSYS, nên trong nhiều trường hợp mô hình không được chuyển đổi hoàn toàn. Các sản phẩm kết nối của ANSYS giúp khắc phục vấn đề này bằng cách đọc trực tiếp file bản vẽ chi tiết “gốc” của các phần mềm CAD: • Kết nối với Pro/ENGINEER.; Kết nối với UNIGRAPHICS; Kết nối với SAP; Kết nối với CATIA. Ở đây ta kết nối ANSYS với CATIA bằng cách đọc file *.model hoặc *.dvl được tạo bởi CATIA. Quá trình nhập mô hình hình học của chi tiết được tạo ra trong phần mềm CATIA vào môi trường ANSYS được thực hiện như sau: Utility Menu>File>Import>Catia. Hình 2-4. Nhập mô hình 3D từ phần mềm CATIA vào môi trường ANSYS. b. Khai báo các thuộc tính vật liệu Mỗi phân tích đòi hỏi phải nhập vào một vài thuộc tính của vật liệu: Mô đun đàn hồi Ex, hệ số poatson cho các phần tử kết cấu. Có hai cách để khai báo thuộc tính của vật liệu: 9 Thư viện vật liệu: 9 Các thuộc tính riêng biệt: b.1. Sử dụng thư viện vật liệu: • Phương thức này cho phép chúng ta chọn một tập tính chất đã được định nghĩa trước cho vật liệu. • ANSYS cung cấp các tính chất cơ học và nhiệt (tuyến tính) dặc trưng cho một số vật liệu thông dụng, nhưng ta có thể tạo thư viện vật liệu riêng cho mình. • Để chọn vật liệu từ thư viện ta làm như sau: ™ Xác định đường dẫn tới thư viện. o Preprocessor>Material props>Material Library>Library Path: Nhập vào vị trí bản vẽ của chi tiết. Hình 2 – 5: Cách chọn vật liệu o Hoặc sử dụng lệnh: MPLIB. ™ Sau đó nhập vào một vật liệu từ thư viện: o Preprocessor>Material props>Material Library>Import Library: ƒ Chọn hệ đơn vị: Việc này chỉ có tác dụng lọc bớt danh sách các tệp trong hộp thoại tiếp theo. ANSYS không phân biệt cũng như không chuyển đổi đơn vị. ƒ Lựa chọn tệp vật liệu mong muốn. o Hoặc sử dụng lệnh: MPREAD cùng với tuỳ chọn LIB. b2. Xác định trực tiếp các thông số vật liệu: Thay vì chọn tên vật liệu, phương thức này xác định trực tiếp các thông số vật liệu cần thiết thông qua Material Model GUI. Các lệnh tiến hành: ¾ Preprocessor>Material Props>Material Models. • Nhấp đúp lên đặc tính thích hợp đó được định nghĩa. • Sau đó nhập giá trị từng thông số một. ¾ Hoặc sử dụng lệnh MP. 3. Tạo mô hình phần tử hữu hạn. Quá trình chia lưới được sử dụng để điền đầy mô hình hình học bằng nút và bằng phần tử tức là tạo mô hình FEA (Finite Element analysis). Để giải quyết bài toán phần tử hữu hạn ta cần có nút và phần tử chứ không chỉ là mô hình hình học. Mô hình hình học không tham gia vào lời giải phần tử hữu hạn. Nguyên tắc cơ bản của FEA là khi số phần tử (mật độ lưới) tăng lên thì lời giải FEA càng tiến gần đến lời giải chính xác. Tuy nhiên, khi số phần tử tăng lên thì thời gian tính toán và nhu cầu về tài nguyên máy tính cũng tăng lên một cách khủng khiếp. Nếu cần giá trị chính xác của ứng suất: 9 Sẽ cần một lưới chia mịn, không bỏ qua các chi tiết hình học tại các vị trí quan trọng của kết cấu. 9 Cần chứng minh được sự hội tụ của ứng suất. 9 Đơn giản hoá mô hình tại bất cứ vị trí nào cũng có thể dẫn đến sai số đáng kể. Nếu chỉ quan tâm đến chuyển vị hoặc ứng suất danh định: 9 Một lưới chia tương đối thưa là đủ. 9 Các chi tiết hình học nhỏ có thể bỏ qua. ANSYS cung cấp nhiều công cụ để điều khiển mật độ lưới, nằm ở hai mức: Tổng thể và cục bộ: ™ Điều khiển tổng thể. • Kích thước thông minh. • Kích thước phần tử tổng thể. • Kích thước mặc định. ™ Điều khiển địa phương. • Kích thước điểm. • Kích thước đường. • Kích thước diện tích. Kích thước phần tử tổng thể: • Cho phép ấn định kích thước cạnh phần tử lớn nhất cho toàn bộ mô hình (hoặc số khoảng chia trên mỗi đường) bằng cách: 9 ESIZE,SIZE. 9 Hoặc Preprocessor>Mesh Tool>Size Controls-Global. Hoặc>Preprocessor>Meshing-Size Cntrls>Global-Size. Hình 2 - 6: Lựa chọn thông số lưới Kích thước thông minh (SmartSizing): - Xác định kích thước phần tử bằng cách ấn định các khoảng chia trên tất cả các đường có tính đến độ cong, vị trí lân cận lỗ, các đặc tính khác và bậc của phần tử. - Chức năng kích thước thông minh để tắt theo mặc định. Tuy nhiên, nó có thể dùng trong chia lưới tự do. Nó không có tác dụng trong chia lưới quy tắc. • Để sử dụng kích thước thông minh ta làm như sau: 9 Bật hộp thoại MeshTool (Preprocessor>MeshTool), bật chức năng Smartsizing, đặt kích thước cần thiết. o Hoặc dùng lệnh SMRT,Level. o Độ lớn của kích thước từ mức 1 (rất mịn) đến mức 10 (rất thô), mặc định là 6. Đối với vật thể này ta chọn là 6. 9 Sau đó nên chia lưới tất cả các thể tích (hoặc tất cả các diện tích) trong một lần, hơn là từng thực thể một. Hình 2 - 7: Chọn lưới thông minh • Những ví dụ về sự khác nhau của mức kích thước (Size level) trong chia lưới thông minh được minh hoạ như trong hình vẽ. Hình 2 - 8: Lựa chọn mật độ lưới Size Level=10 (Thô) Hình 2 – 9: Lưạ chọn mật độ Size level=6 (mặc định). Hình 2 – 10: Lựa chọn mật độ lưới Size level = 1(mịn) Kích thước phần tử tổng thể có thể được sử dụng riêng hoặc kết hợp với chức năng kích thước thông minh : • Chỉ sử dụng ESIZE (tắt chức năng kích thước thông minh) sẽ có kết quả là một kích thước phần tử đồng nhất trong toàn bộ thể tích (hoặc diện tích) được chia lưới. • Khi bật chức năng kích thước thông minh, ESIZE hoạt động như một “người hướng dẫn”, nhưng kích thước ấn định có thể bị thay đổi để phù hợp với độ cong của đường hoặc các vị trí lân cận các đặc tính của mô hình. Đối với vật thể này ta chia lưới sử dụng kích thước thông minh với SmartSize = 6. Bước cuối cùng trong quá trình chia lưới đó là tạo lưới, cách làm như sau: ¾ ấn nút Mesh trong MeshTool. ¾ ấn PickAll trên hộp thoại lựa chọn để chia lưới tất cả các thực thể. Hình 2 – 11: Cách tạo lưới. Kết quả của quả trình tạo lưới như sau: Hình 2 – 12: Kết quả quá trình tạo lưới (Size level=10) 4. Quá trình giải 4.1. Xác định các tải đặt lên mô hình. Có 5 loại tải. 9 Những áp đặt trên bậc tự do(Degree Of Freedom DOF): áp đặt giá trị cho các DOF, ví dụ chuyển vị trong phân tích ứng suất, hoặc nhiệt độ trong phân tích nhiệt. 9 Tải tập chung (Concentrated Load): Tải đặt vào điểm, ví dụ như lực hoặc tiêu thụ dòng nhiệt… 9 Tải bề mặt (Surface Load): Tải phân bố trên toàn bộ bề mặt, ví dụ như áp suất hoặc đối lưu. 9 Tải vật thể (Body Load): Tải thể tích hoặc tải trường. 9 Tải quán tính (Inertial Load): Tải khối lượng kết cấu hoặc tải quán tính, ví dụ như trọng lực hay vận tốc quay. Có thể đặt tải trên mô hình hình học hay trực tiếp trên mô hình FEA (các nút và các phần tử). 9 Đặt tải trên mô hình hình học dễ hơn và phải chọn ít thực thể hơn. 9 Hơn nữa, tải đặt trên mô hình hình học không phụ thuộc vào lưới (mesh). Do đó, không cần đặt lại tải khi thay đổi mesh. 9 Dù cho cách đặt tải như thế nào, thì FEA cũng cần có tải trên mô hình phần tử hữu hạn. Vì thế, tải đặt trên mô hình hình học sẽ tự động chuyển đổi đến các nút và phần tử trong quá trình giải. Hình 2 – 13: Đặt lực lên thân ắc quy 4.2.Giải (Solvers). 9 Chức năng của Solvers là để giải hệ phương trình tuyến thể hiện các bậc tự do của kết cấu. 9 Thời gian giải có thể kéo dài từ vài dây đến nhiều giờ phụ thuộc chủ yếu vào kích thước mô hình và tốc độ của máy tính. 9 Một phép phân tích tuyến tính tĩnh với một bước tải chỉ yêu cầu một lời giải như vậy, nhưng một phép phân tích phi tuyến hoặc tức thời có thể yêu cầu mười, một trăm hoặc thậm chí hàng nghìn lời giải. Do đó, phương pháp mà chúng ta chọn để giải là rất quan trọng. 9 Các phương pháp có hiệu lực trong ANSYS có thể được phân loại thành 3 dạng như sau: ¾ Các phương pháp khử trực tiếp. • Prontal. • Sparse (mặc đinh). ¾ Các phương pháp lặp. • PCG (Pre-conditioned Conjuagate Gradien). • ICCG (Incomplete Cholesky Conjuagate Gradien). • JCG (Jacobi Conjuagate Gredien). ¾ Các phương pháp thực hiện song song. • AMG ( Algebraic Multgrid). • DDS (Distributed Domain Solver). • Đối với bài toán này ta chọn phương pháp giải PCG (Pre- conditioned Conjuagate Gradien). Để chọn phương pháp giải ta làm như sau: • Main Menu>Solution>Analyis Type-Sol’n Control, sau đó chọn Tab Sol’n Options. • Hoặc dùng lệnh: EQSLV. Hình 2 – 14: Lựa chọn phương pháp giải. 5. Quá trình xử lý kết quả • Xử lý kết quả là bước cuối cùng trong quá trình FEA. • Bắt buộc phải có để hiển thị các kết quả tương ứng với các giả thiết trong quá trình tạo và giải mô hình. • Thường từ các kết quả thu được ta sẽ phải đưa ra các quyết định về thiết kế nên ta phải khai thác kết quả một cách cẩn thận và đồng thời phải kiểm định lại kết quả. • Khai thác kết quả của một phân tích ứng suất thường bao gồm: 9 Trường chuyển vị. 9 Trường ứng suất. 9 Các phản lực. a.Trường chuyển vị. • Nhanh chóng chỉ ra xem tải áp đặt có đúng hướng không. • Hiển thị các cột chú giải cho chuyển vị lớn nhất. • Cũng có khả năng mô phỏng động trường chuyển vị. • Để hiển thị trường chuyển vị ta làm như sau: 9 MainMenu>General Postproc>Plot Results>Deformed Shape. 9 Hoặc dựng lệnh PLDISP. Hình 2 – 15: Lựa chọn phương pháp giải • Để mô phỏng động ta làm như sau: 9 Utility Menu>PlotCtrls>Animate>Deformed Shape. 9 Hoặc dựng lệnh ANDISP. • Để mô phỏng động ta làm như sau: 9 Utility Menu>PlotCtrls>Animate>Deformed Shape. 9 Hoặc dùng lệnh ANDISP. Hình 2-16: Kết quả phân tích biến dạng Nhìn vào kết quả phân tích ta thấy được chỗ biến dạng lớn nhất của chi tiết khi làm việc là 0.181328(mm). b.Trường ứng suất. • Đối với mô hình 3D ANSYS có các dạng ứng suất sau: 9 Các ứng suất thành phần: SX, SY, SZ, SXY, SXZ, SYZ (mặc định trong hệ toạ độ đề các). 9 Các ứng suất chính: S1, S2, S3 (ứng suất chính), SEQV (ứng suất tương đương theo Von Mises), SINT (cường độ ứng suất). • Các đường đồng mức cho phép định vị nhanh nhất các “các điểm nóng” hoặc vùng nguy hiểm. 9 Lời giải nút (Nodal Solution): Các ứng suất được tính trung bình tại các nút, hiển thị bằng các đường đồng mức trơn và liên tục. 9 Lời giải phần tử (Element Solution): Không tính trung bình. Do đó, các đường đồng mức sẽ không liên tục. • Để hiển thị đường đồng mức ứng suất ta làm như sau: 9 General Postproc>Plot Result>Nodal Solution… hoặc lệnh PLNSOL. 9 General Postproc>Plot Result>Element Solution… hoặc lệnh PLESOL. Nhìn vào kết quả phân tích dưới đây ta thấy được chỗ có ứng suất lớn nhất là 17.074(N/mm2). Hình 2 – 17: Kết quả phân tích ứng suất • Để mô phỏng động ta làm như sau: 9 Utility Menu>PlotCtrls>Animate>Deformed Result. 9 Hoặc dùng lệnh ANCNTR. 2.4.3. Dùng ANSYS tính toán vỏ bình bằng vật liệu phi kim loại Đối với vật liệu chọn làm vỏ bình là nhựa dẻo PE và các phân tích lực tương tự như đối với vỏ bình kim loại. Trình tự tính cũng tương tự như trên ta thu được kết quả như sau: 1. Kết quả phân tích lưới. Hình 2 – 18: Kết quả phân tích lưới 2. Trường chuyển vị. Hình 2 – 19:. Kết quả phân tích biến dạng Nhìn vào kết quả phân tích ta thấy biến dạng lớn nhất là 3,34(mm). 3. Trường ứng suất. Hình 2 – 20:. Kết quả phân tích trường áp suất. Nhìn vào kết quả phân tích ta thấy ứng suất lớn nhất là 17,177 N/mm2. Từ các kết quả phân tích như trên ta đưa ra kết cấu hợp lý của thân bình ắc quy bằng nhựa PE (xem phần bản vẽ), kết quả này tương đối phù hợp với mẫu vỏ bình ắc quy của Trung Quốc và được thể hiện trong phần bản vẽ thiết kế vỏ bình ắc quy. Ch−¬ng 3. TÍNH TOÁN THIẾT KẾ KHUÔN 3.1. Tìm hiểu khuôn ép nhựa 3.1.1. Cấu tạo chung của khuôn ép phun. Khuôn là dụng cụ để định hình một sản phẩm nhựa, kích thước và kết cấu của khuôn phụ thuộc vào kích thước, hình dáng sản phẩm. Số lượng sản phẩm yêu cầu cũng là một yếu tố rất quan trọng để xem xét bởi vì yêu cầu sản xuất loạt nhỏ không cần đến loại khuôn nhiều lòng khuôn hoặc loại khuôn có kết cấu cao cấp. Khuôn là một cụm gồm nhiều chi tiết lắp với nhau, ở đó nhựa được phun vào, được làm nguội, rồi đẩy sản phẩm ra. Sản phẩm được tạo hình giữa hai phần của khuôn. Khoảng trống giữa hai phần của khuôn được điền đầy bởi nhựa và nó sẽ mang hình dạng của sản phẩm. Một phần là lõm vào sẽ xác định hình dạng ngoài của sản phẩm được gọi là lòng khuôn, phần xác định hình dạng bên trong của sản phẩm được gọi là lõi. Phần tiếp xúc giữa lòng và lõi khuôn được gọi là đường phân khuôn. Kho¶ng trèng gi÷a lßng khu«n vµ lâi §uêng ph©n khu«n Lßng khu«n Lâi khu«n Hình 3 - 1: Các bộ phận cơ bản của khuôn. Ngoài lõi và lòng khuôn còn có các bộ phận khác và chức năng của chúng được chỉ ra ở hình sau: Hình 3 – 2: Cấu tạo một bộ khuôn ép nhựa thông dụng Trong đó: 1 Tấm kẹp phía trước 10 Chốt dẫn hướng 2 Tấm khuôn trước 11 Bạc dẫn hướng 3 Tấm khuôn sau 12 Bạc mở rộng 4 Tấm kẹp phía sau 13 Bộ định vị 5 Tấm đỡ 14 Chốt hồi về 6 Khối đỡ 15 Chốt đẩy 7 Tấm giữ 16 Bạc dẫn hướng chốt 8 Tấm đẩy 17 Chốt đỡ 9 Vũng định vị 18 Bạc cuống phun Chức năng của các bộ phận khác nhau của khuôn: 1) Tấm kẹp phía trước: Kẹp phần cố định của khuôn vào máy ép phun. 2) Tấm khuôn phía trước: Là phần cố định của khuôn tạo nên phần trong và phần ngoài của sản phẩm. 3) Tấm khuôn phía sau: Là phần chuyển động của khuôn tạo nên phần trong và phần ngoài của sản phẩm. 4) Tấm kẹp phía sau: Kẹp phần chuyển động của khuôn vào máy ép phun. 5) Tấm đỡ: Giữ cho mảnh ghép của khuôn không bị rơi ra ngoài. 6) Khối đỡ: Dùng làm phần ngăn giữa tấm đỡ và tấm kẹp di động để cho tấm đẩy hoạt động được. 7) Tấm giữ: giữ cho chốt đẩy vào tấm đẩy 8) Tấm đẩy: Đẩy chốt đẩy đồng thời với quá trình đẩy. 9) Vòng định vị: Đảm bảo vị trí thích hợp của vòi phun với khuôn. 10) Chốt dẫn hướng: Dẫn phần chuyển động tới phần cố định của khuôn(để liên kết chính xác 2 phần của khuôn). 11) Bạc dẫn hướng: Tránh mài mòn nhiều hoặc làm hỏng tấm khuôn di động. 12) Bạc mở rộng: Dùng làm bạc kẹp để tránh mài mòn hỏng tấm kẹp di động, khối đỡ và tấm đỡ. 13) Bộ định vị: Đảm bảo cho sự phù hợp giữa phần cố định và phần chuyển động của khuôn. 14) Chốt hồi về: Làm cho chốt đẩy có thể quay trở lại khi khuôn đóng lại 15) Chốt đẩy: Dùng để đẩy sản phẩm ra khỏi khuôn khi khuôn mở. 16) Bạc dẫn hướng chốt: Tránh hao mòn và hỏng hóc chốt đỡ 17) Chốt đỡ: Dẫn hướng chuyển động và đỡ cho tấm đỡ tránh khỏi bị cong do áp lực cao. 18) Bạc cuống phun: Nối vòi phun và kênh nhựa với nhau thông qua tấm kẹp cố định và tấm khuôn cố định. 3.1.2. Các loại khuôn ép phun. Khuôn nhìn chung có thể chia làm 3 nhóm như sau: 1. Nhóm khuôn đơn giản chỉ gồm chày và cối. Trong nhóm khuôn này cấu tạo của khuôn tương đối đơn giản chỉ gồm chày và cối sản phẩm khi tháo cũng rất đơn giản kết cấu tháo sản phẩm chỉ gồm có các chốt đẩy và chốt Z để giữ kênh nhựa do đó loại này thường chỉ dùng khuôn hai tấm. Các miếng ghép lòng khuôn nếu có cũng chỉ đơn giản là đảm bảo tạo hình và giảm độ phức tạp cho gia công, nhóm này sảm phẩm chủ yếu là dạng nửa hộp hay dạng khối không có phần mặt cắt ngang. 2. Nhóm khuôn có lõi mặt bên. Khi khuôn đó được thiết kế và đường phân khuôn đã cố định, thường có một số phần của sản phẩm không tháo ra được theo hướng mở khuôn. Trong trường hợp đó cần đến các lõi mặt bên. Nhóm khuôn có lõi mặt bên bao gồm: + Các chi tiết có cắt sâu ở phía ngoài. + Các chi tiết có cắt sâu ở bên trong. 3. Nhóm khuôn có ren. Ren là một dạng cắt sâu phức tạp hơn, độ phức tạp phụ thuộc vào: - Loại ren: Ren trong hay ren ngoài. - Phương pháp: Khuôn của ren được làm trong khuôn hay được làm bởi miếng lắp ghép. - Dạng sản xuất: Bằng tay, nửa tự động, hoàn toàn tự động. Khuôn có nhiều loại và sự phân loại khuôn là rất khó khăn vì cấu tạo và nguyên lý hoạt động của khuôn còn phụ thuộc vào hình dáng sản phẩm ví dụ như tuỳ theo hình dạng của khuôn mà khuôn có thể là khuôn đơn, có thể là khuôn ghép, khuôn có chốt trượt trong khi đó một số loại khuôn còn cấu tạo không có kênh nhựa hay khuôn có nhiều khoảng sáng chính vì vậy mà 3 họ trên chủ yếu bao gồm các bộ khuôn sau: * Khuôn hai tấm. Loại khuôn này chỉ gồm 2 phần: Khuôn trước và khuôn sau. Hệ thống khuôn này có thể có 1 lòng khuôn hoặc có nhiều lòng khuôn. Hình 3 - 3: Cấu tạo khuôn 2 tấm Khuôn 2 tấm rất thông dụng trong sản xuất những sản phẩm đơn giản. Tuy nhiên, đối với những sản phẩm loại lớn không bố trí được miệng khuôn ở tâm hoặc 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 ba tấm. Hệ thống khuôn này tương tự như hệ thống khuôn hai tấm nhưng nó cần thêm hệ thống thanh đỡ. Nó tạo ra 2 chỗ mở khuôn khi khuôn mở. Một chỗ để lấy sản phẩm còn chỗ kia để lấy kênh nhựa ra. Hình 3 – 4: Cấu tạo khuôn 3 tấm Nhược điểm của hệ thống khuôn 3 tấm là khoảng cách giữa vòi phun của máy và lòng khuôn rất dài. Nó làm giảm áp lực khi phun khuôn và tạo ra nhiều phế liệu của hệ thống kênh nhựa. * Khuôn nhiều tầng Khi yêu cầu số lượng sản phẩm lớn và để giữ giá thành sản phẩm thấp, hệ thống khuôn nhiều tầng được chế tạo để tận dụng lực kẹp của máy. Hình 3 - 5 : Cấu tạo khuôn nhiều tấm 3.2. Xây dựng quy trình thiết kế, chế tạo bộ khuôn ép phun 3.2.1. Các bước thiết kế một bộ khuôn nhựa ép phun. Khi thiết kế một bộ khuôn ép phun cho sản phẩm nhựa ta có thể theo chu trình thiết kế như sau: Bước 1: Các số liệu về chi tiết (Job order data). Số lượng, bề mặt sản phẩm, dung sai, ngày giao hàng phải đảm bảo như sau: - Đảm bảo độ chính xác về kích thước, hình dáng, biến dạng của sản phẩm. - Đảm bảo độ bóng cần thiết cho cả bề mặt của lòng khuôn và lõi để đảm bảo độ bóng của sản phẩm. - Đảm bảo độ chính xác về vị trí tương quan giữa hai nửa khuôn. - Đảm bảo lấy được 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 vững khi làm việc, tất cả các bộ phận của khuôn không được biến dạng hay 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 một 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. Bước 2: Số liệu về máy phun nhựa (Moulding machine data ) Ta phải kiểm tra các thông số lực phun, lực kẹp, mũi phun, kích thước bệ khuôn tối đa và tối thiếu, khoảng mở của máy phun do nhà cung cấp đưa cho như vậy mới có thể chọn bộ khuôn phù hợp. Bước 3: Chọn loại khuôn (Type of mould) Chọn ra một loại khuôn phù hợp với sản phẩm được giao ta phải dựa theo máy ép phun đó có, phân tích các đặc điểm về chi tiết kích thước sản lượng… Bước 4: Thiết kế cơ khí và chọn mặt phân khuôn (Mechanical design) a. Các nguyên tắc thiết kế như độ dầy thành, bố trí các lỗ, cách lắp ghép phải theo các tiêu chuẩn cơ khí. + Chốt dẫn hướng : nguyên tắc đúng là chốt dẫn hướng phải dài hơn miếng ghép cao nhất để tránh hỏng hóc khi đóng khuôn đặc biệt là khi lắp ráp, phần đầu chốt dẫn hướng có thể làm nhỏ hơn 0,1mm, chốt dẫn hướng thường là 4 chốt. + Bạc dẫn hướng: có thể làm bằng đồng hoặc đồng thau hoặc đối với quá trình sản xuất hàng loạt thì dùng thép đã tôi. + Bộ định vị: đối với sản phẩm lớn nhất định phải có bộ định vị thì khuôn mới đóng mở chính xác được. + Vòng định vị: Kích thước của vòng phải lớn hơn lỗ mở của máy gia công nhựa là 0.1mm với dung sai nhỏ nhất 0.05mm b. Chọn mặt phân khuôn đơn giản nhất, tránh những mặt cong, lồi lõm. Nhìn chung khi chọn mặt phân khuôn ta cần xem xét vấn đề sau: + Chọn mặt phân khuôn sao cho dễ đẩy sản phẩm ra khỏi khuôn. + Chọn mặt phân khuôn sao cho kết cấu khuôn đơn giản nhất Bước 5: Xem xét đến độ co (Shrinkage) Bước 6: Chọn vật liệu làm khuôn (Moulding material) Bước 7: Bố trí các lòng khuôn (Arrangement of cavity) Phải bố trí số lượng lòng khuôn, vị trí các lòng khuôn sao cho hợp lý. - Lòng khuôn được bố trí sao cho dễ rót nhựa vào nhất - Số lượng lòng khuôn phụ thuộc vào năng suất và số lượng sản phẩm - Các sản phẩm loại nhỏ và số lượng lớn ta nên bố trí nhiều lòng khuôn. - Số lượng lòng khuôn còn phụ thuộc vào độ phức tạp của bề mặt sản phẩm vì nếu sản phẩm quá phức tạp mặc dù kích thước nhỏ và sản lượng lớn ta vẫn nên bố trí một lòng khuôn như vậy giá thành sản xuất sẽ giảm nhiều. Bước 8: Thiết kế hệ thống dẫn nhựa (Sprue design). Bước 9: Chọn vị trí vòi phun. Bước 10: Thiết kế hệ thống cửa phun vào lòng khuôn. Hệ thống cửa là phần nối giữa hệ thống kênh dẫn nhựa và lòng khuôn. Nó phụ thuộc vào các nhân tố sau: • Đặc tính chảy của nhiên liệu. • Nhiệt độ của dòng chất lỏng. • Nhiệt độ của khuôn. Bước 11: Thiết kế hệ thống làm mát. Để điều khiển nhiệt độ khuôn và để thời gian làm nguội ngắn, cần phải biết đặt hệ thống làm nguội chỗ nào và dùng hệ thống làm nguội nào. Điều này rất quan trọng vì thực tế là thời gian làm nguội chiếm 50%-60% toàn bộ thời gian của chu kỳ phun khuôn. Do đó, làm cho quá trình làm lạnh có hiệu quả rất quan trọng để làm giảm thời gian của cả chu kỳ. Phải điều khiển nhiệt độ lòng khuôn để có dòng nhựa chảy êm vào khuôn. Để tránh làm nguội quá nhanh, về lý thuyết tốt nhất là giữ nhiệt độ khuôn cao ở cuối dòng chảy. Để điều khiển nhiệt độ trong khuôn tốt cần chú ý tới những vấn đề sau: • Những kênh làm nguội phải đặt càng gần bề mặt khuôn càng tốt, nhưng chú ý tới độ bền cơ học của khuôn • Các kênh làm nguội phải đặt gần nhau, cũng phải chú ý đến độ bền cơ học của khuôn. • Nên chia hệ thống làm nguội ra làm nhiều vòng làm nguội để tránh các kênh làm nguội quá dài dẫn đến sự chênh lệch nhiệt độ lớn. • Chú ý tới việc làm nguội phần dầy của sản phẩm. • Chú ý tới tính dẫn nhiệt của vật liệu làm khuôn. Bước 12: Thiết kế hệ thống đẩy. Bước 13: Thiết kế hệ thống dẫn hướng và định tâm. Bước 14: Thiết kế hệ thống thoát khí. Khi nhựa phun vào khuôn và làm đầy hệ thống dẫn cũng như lòng khuôn, nó đẩy không khí ra ngoài lòng khuôn qua bề mặt phân khuôn. Nhưng khi tốc độ phun cao, không khí không thể thoát ra nhanh và bị tắc lại trong lòng khuôn và gây ra phế phẩm. Để tránh điều này phải có rãnh thoát khí, rãnh thoát khí phải đặt đúng nơi mà không khí (luồng khí) bị tắc lại. Thường rãnh thoát khí được xẻ trên đường phân khuôn. Tuy nhiên để tránh cho nhựa khỏi bị đẩy ra rãnh thoát khí, người ta làm rãnh thoát khí khoảng 0,02mm ÷ 0.04mm. Bước 15. Xuất ra các tài liệu kỹ thuật cuối cùng phục vụ cho gia công bộ khuôn - Tạo bản vẽ kết cấu (bản vẽ lắp của khuôn) - Đưa ra các bản vẽ kỹ thuật các chi tiết của khuôn. - Lập quy trình công nghệ cho gia công các chi tiết trong khuôn - Gia công các chi tiết đã lập quy trình công nghệ ở trên. - Kiểm tra độ chính xác các chi tiết đã chế tạo. - Lắp các chi tiết đã chế tạo thành bộ khuôn. - Đổ nhựa sản xuất thử sản phẩm - Chỉnh sửa các sai xót nếu có. - Bề mặt lòng khuôn được bôi dầu để bảo quản chống rỉ. Bước 16: Các phần tử cho lắp ráp khuôn vào máy (Connecting elements) 3.2.2. Ứng dụng phần mềm Cimatron thiết kế hoàn chỉnh bộ khuôn 3.2.2.1. Phân tích đặc điểm công nghệ của sản phẩm Để chế tạo hoàn chỉnh một bộ vỏ bình ắc quy, cần phải thiết kế 03 bộ khuôn mẫu đó là: - Khuôn nắp bình; - Khuôn thân bình; - Khuôn nút bình. Đối với mỗi bộ khuôn lại có một đặc điểm khác nhau, tuy nhiên bộ khuôn chế tạo nắp bình là có tính phức tạp hơn cả. Vì vậy đề tài đi sâu vào phân tích bộ khuôn chế tạo nắp bình. Để làm được bộ khuôn ép ra chi tiết như nắp bình thì bộ khuôn đó phải rất phức tạp, chi phí tốn kém. Bởi vì, 4 lỗ bên cạnh làm gờ lõm vào trong (cắt sâu phía trong) và lỗ ở giữa được làm ren trong . Muốn rút được sản phẩm ra ta phải làm hệ thống lõi phụ rất phức tạp phía trong sản phẩm và hệ thống tháo ren trong. Ta xét đến yêu cầu của sự tháo ren trong để thấy tính phức tạp của bộ khuôn này Thông thường để tháo được ren ta phải dùng hệ thống truyền động sau. a.Truyền động bánh răng. b.Truyền động xích và đĩa răng. c.Thanh răng và bánh răng. d.Trục vít và bánh vít. Hình 3 - 6: Truyền động bằng bánh răng- bánh răng. Hình 3 - 7: Truyền động trục vít – bánh vít Nguồn lực dùng để tháo lõi ren trong có thể bằng tay hoặc bằng máy. Khi tháo sản phẩm ta có thể chọn các cách thiết kế như sau: a. Lõi quay cố định hướng trục. Kết cấu rất phù hợp cho phần tử có hình dạng bên ngoài cho phép đặt lòng khuôn ở cùng một nửa khuôn với ren. Khi lõi ren được quay ở vị trí cố định chiều trục sản phẩm sẽ bị đẩy ra ngoài. b. Sự tháo lõi quay. Nguyên tắc của kết cấu này để tháo lõi ren ra khỏi sản phẩm nhờ sự tháo lõi qua một tấm khuôn quay. Đầu phía sau của cán lõi được làm ren có bước bằng bước ren của sản phẩm. Một bánh răng di trượt được lắp vào cán lõi và được lắp then. Khi bánh răng di trượt thì đầu cuối có ren của cán lõi sẽ ăn vào vít ở bạc ren, do đó ren được tháo ra khỏi sản phẩm, chuyển động này phải dài hơn một chút so với độ dài của ren sản phẩm. c. Lòng khuôn quay. Hình 3 - 8: Tháo sản phẩm bằng cách quay lòng khuôn Khi điểm miệng phun không được phép ở mặt ngoài của sản phẩm thì có thể dùng lòng khuôn quay. Lõi thường lắp ở nửa khuôn phun. Kiểu của hệ thống phun nhựa có thể dùng kết cấu phun từ dưới hoặc kết cấu không có kênh nhựa. Qua phân tích ở trên ta thấy để chế tạo bộ khuôn cho nắp thì rất phức tạp. Dưới đây trình bày việc ứng dụng phần mềm Cimatron để thiết kế hoàn chỉnh các bộ khuôn. 3.2.2.2. Quy trình thiết kế các bộ khuôn vỏ bình ắc quy * Bước1: Nhập chi tiết cần thiết kế và các yêu cầu kỹ thuật. - Bản vẽ chi tiết vỏ bình ắc quy (Thân, nắp, nút) được thiết kế ngay trong môi trường Cimatron, ngoài ra Cimatron còn có thể sử lý được các bản vẽ tạo ra từ: CATIA; UG; AutoCad/DWG hay Pro/Engineer... Yêu cầu kỹ thuật của nắp và thân bình: - Sản phẩm tạo ra không được cong vênh quá mức cho phép cụ thể như sau: + Nắp bình có độ cong vênh phải ≤ 1(mm). + Thân bình có độ cong vênh phải ≤ 1(mm). - Chiều cao của thành được làm nghiêng đi 10 để đảm bảo cho việc đẩy sản phẩm được tốt hơn. - Nắp và thân bình làm bằng nhựa PE có đặc tính như sau: + Nhiệt độ gia công trong khoảng 2200C đến 3500C. + Độ co rút của nhựa PE 2%. * Bước 2: Các thông số về máy ép phun. Như đã trình bày ở trên, để chế tạo hoàn chỉnh 01 bộ vỏ bình ắc quy tàu điện cần 03 bộ khuôn, sau khi chế tạo được 03 bộ khuôn này thì việc lựa chọn máy để ép phun tạo sản phẩm nhựa cũng là vấn đề quan trọng. Máy cần đảm bảo các khả năng kỹ thuật quan trọng là: áp suất phun; khối lượng nhựa trong một lần phun; vận tốc phun; chiều dài hành trình... Để ép phun sản phẩm nắp và nút bình có kích thước và khối lượng không lớn, việc chọn máy rất đơn giản và dễ dàng bởi vì lượng máy hiện có trên thị trường có thể ép được 02 loại sản phẩm này là rất nhiều. Ở đây chỉ nêu ra các yêu cầu kỹ thuật chính đối với việc chọn máy ép phun để ép được chi tiết thân bình: + Áp suất phun tối thiểu: 350MPa + Chiều dài hành trình tối thiểu: 1300mm + Khối lượng nhựa tối thiểu cho một lần phun: 1100g Từ các yêu cầu trên ta tiến hành lựa chọn loại máy CLF400T là máy của Công ty TNHH Công nghiệp Quang Nam đầu tư, thoả mãn được các yêu cầu đặt ra Hình 3 - 9: Sơ đồ máy ép CLF 400T. STT Đặc tính kỹ thuật Đơn vị 1 Áp suất phun lớn nhất 500(MPa) 2 Khối lượng nhựa trong 1 lần phun 2500(g) 3 Lực kẹp khuôn 400(tấn) 4 Đường kính trục vít 50(mm) 5 Vận tốc phun lớn nhất 200(cc/s) 6 Công suất động cơ 30(Kw) 7 Chiều dài hành trình 1500(mm) * Bước 3: Chọn loại khuôn. Theo các phân tích trong mục 3.1 và theo yêu cầu cụ thể của chi tiết ta chọn loại khuôn 2 tấm và dùng các lõi phụ. * Bước 4: Chọn mặt phân khuôn. Chọn mặt phân khuôn cần đảm bảo cho việc bố trí khuôn được thuận lợi, đảm bảo các yêu cầu kỹ thuật của khuôn đồng thời việc lấy sản phẩm được dễ dàng. Từ các yêu cầu chung của mặt phân khuôn và chi tiết cụ thể, ta chọn mặt phân khuôn như sau (xem hình 3-10 và hình 3-11): Hình 3 - 10: Chọn bề mặt phân khuôn của nắp bình. * Bước 5: Xem xét đến độ co. Khi tính độ co của sản phẩm, giá trị độ co được dùng là giá trị đo trung bình do người cung cấp vật liệu nhựa cung cấp. Sau khi sản phẩm đã được phun khuôn, không phải ở mọi chỗ độ co đều như nhau. Do tính thích ứng của các phần tử nhựa, rất khó biết được độ co thật vì thế độ co trung bình phải tính đến trường hợp ngoại lệ đối với vật liệu nhựa tổng hợp nở ra vài giờ sau khi phun khuôn vì nó hút hơi ẩm. Trong trường hợp đó độ co ước tính phải thấp hơn 0,1% so với độ co trung bình. Do vật liệu dùng là PE có độ co ngót là 2% nên tất cả các kích thước phải được nhân lên 1,02(mm). Khi xác định độ co ta có vài chú ý như sau: Trong nhiều trường hợp không có độ nghiêng, đó là ý định của người thiết kế sản phẩm tận dụng dung sai thu được để thay cho độ nghiêng. Để xác định kích thước phần lồi trong khuôn, nhà thiết kế khuôn phải xác định kích thước với số đo lớn nhất và dung sai dương. Vì nếu nhô lên, nó có thể dễ dàng làm nhỏ hơn hoặc thấp hơn, nhưng để bổ sung vào thì sẽ khó. Để xác định kích thước cho các lỗ, phương pháp là xác định kích thước chiều dài, chiều rộng với số đo nhỏ nhất có dung sai âm để sau đó dễ dàng làm to ra. Hình 3 - 11: Chọn bề mặt phân khuôn của thân bình * Bước 6: Chọn vật liệu làm khuôn. Chọn vật liệu làm khuôn là thép C45, đây là loại thép dễ gia công, có thể tạo ra được các bề mặt phức tạp đồng thời cũng có thể nhiệt luyện đảm bảo được được độ bền của khuôn. Bước 7: Bố trí lòng khuôn. Tất cả các bộ khuôn ở đây ta đều chọn loại một lòng khuôn. Bước 8: Thiết kế hệ thống kênh dẫn nhựa. Ở đây ta không dùng kênh dẫn nhựa, nhựa được phun trực tiếp vào lòng khuôn. Bước 9: Chọn loại bạc cuống phun. Trong phần mềm CIMATRON có các loại bạc cuống phun tiêu chuẩn. Do đó, ta chọn loại bạc cuống phun và vòng định vị cho khuôn cho nắp và thân bình theo các tiêu chuẩn trong thư viện của Cimatron. Bước 10: Hệ thống cửa phun. Vì nhựa được phun trực tiếp vào lòng khuôn nên ta không dùng cửa phun. Bước 11: Hệ thống làm mát. Một yêu cầu trong thiết kế khuôn là phải thiết kế hệ thống làm mát, hệ thống này có tác dụng làm mát khuôn khi tiến hành ép sản phẩm, nhằm đảm bảo sản phẩm không bị cong vênh. Trong phầm mềm Cimatron có đưa ra các mẫu hệ thống làm mát đối với các loại khuôn khác nhau. Sau khi nghiên cứu thư viện Cimatron kết hợp với tìm hiểu theo kinh nghiệm của các chuyên gia làm khuôn, nhóm đề tài đã thiết kế hệ thống làm mát như sau (xem hình 2-12 và 2-13). Hình 3 - 12: Thiết kế hệ thống làm mát ở khuôn nắp bình. Hình 3 - 13: Thiết kế hệ thống làm mát khuôn thân bình * Bước 12: Thiết kế hệ thống đẩy. Hệ thống đẩy các chi tiết đã được tiêu chuẩn, ta chỉ cần lấy trong thư viện của CIMATRON. Dưới đây, là hệ thống đẩy mà đã được thiết kế trong CIMATRON cho hai bộ khuôn như sau: Hình 3 - 14: Hệ thống đẩy cho khuôn nắp bình. Hình 3 - 15: Thiết kế hệ thống đẩy cho khuôn thân bình. * Bước 13: Lựa chọn chốt dẫn hướng và bạc dẫn hướng. Hình 3 - 16: Chốt dẫn hướng và bạc định vị cho khuôn nắp bình. Hình 3 - 17: Chốt dẫn hướng và bạc dẫn hướng của khuôn thân bình. * Bước 14: Bố trí hệ thống thoát khí. Vì đây là loại khuôn có mặt phân khuôn là mặt phẳng và hầu hết các chốt đẩy đều nằm trên mặt phân khuôn nên ta có thể thực hiện lắp hở chốt đẩy với cối khuôn để tạo khoảng hở đủ cho khí thoát ra tránh bị rỗ khí cho sản phẩm mặt khác cũng phải đảm bảo cho nhựa không lọt vào khoảng trống đó. * Bước 15: Xác định các phần tử lắp ghép. Các phần tử cho lắp ráp bao gồm các bạc, các đệm lót, các loại đai ốc, bulông đều được chọn theo tiêu chuân cơ khí. * Bước 16: Xuất ra bản vẽ kỹ thuật, bản vẽ lắp của hai bộ khuôn (xem trong phần bản vẽ) 3.3. Ứng dụng phần mềm Moldflow để đánh giá các bộ khuôn. 3.3.1. Tổng quan Hiện nay với sự với sự ra đời của CAE - viết tắt của Computer Aided Engineering - cho phép những người thiết kế và chế tạo khuôn rút ngắn được thời gian thiết kế cũng như chi phí trong sản xuất khuôn. Với sự trợ giúp của CAE ,việc thử khuôn được tiến hành trên mô hình máy tính. Điều này giúp cho người thiết kế tiết kiệm được thời gian cũng như chi phí thử khuôn. Quá trình thử lại trên thực tế chủ yếu là để đánh giá lại các thông số kỹ thuật của bộ khuôn. Chúng ta có thể thấy ở hai sơ đồ dưới đây: Hình 3 - 18: Trình tự thiết kế, chế tạo khuôn cổ điển Hình 3 - 19: Trình tự thiết kế, chế tạo khuôn với sự trợ giúp của CAE Có thể thấy, trên sơ đồ cổ điển, việc thử khuôn được tiến hành sau khi chế tạo xong khuôn và quá trình thử cần phải được tiến hành trên khuôn thật. Còn ở sơ đồ có sự trợ giúp của CAE trên, việc thử khuôn được thực hiện trước khi chế tạo khuôn và việc thử chỉ tiến hành trên mô hình máy tính. Điều này giúp cho người thiết kế tiết kiệm được thời gian cũng như chi phí thử khuôn. Quá trình thử lại trên thực tế chủ yếu là để đánh giá lại các thông số kỹ thuật của bộ khuôn. Tất nhiên, có thể thấy các kết quả tính toán phụ thuộc rất nhiều vào các điều kiện đầu vào mà người sử dụng cung cấp cho máy tính. Thường thì các số liệu đầu vào đều không sát với thực tế nên các kết quả tính toán không thật chính xác 100%. Tuy nhiên, các kết quả này sẽ cho chúng ta biết một bức tranh khá tổng quan của toàn bộ các quá trình hình thành sản phẩm nhựa trong lòng khuôn và giúp chúng ta tránh được những sai sót không đáng kể khi thiết kế khuôn. Một số phần mềm CAE thông dụng dùng trong thiết kế khuôn - Modex 3D - Moldflow… Các tính chất cơ bản của một phần mềm CAE như sau: Mô phỏng và phân tích được toàn bộ quá trình phun nhựa trên máy tính. Cho phép việc thiết kế khuôn dựa trên các điều kiện về nhiệt độ, áp suất, độ co ngót, các thông số máy… Giải quyết những vướng mắc tồn tại trong quá trình thiết kế và ép phun nhựa trong thực tế. Với tính chất ưu việt trên, đã giúp đỡ rất nhiều cho các doanh nghiệp chuyên về thiết kế khuôn nhựa. Nó tìm ra các sai sót trong khi thiết kế khuôn; Giảm các chi phí thiết kế khuôn. Chính vì vậy, mà hiện nay có rất nhiều doanh nghiệp chuyên thiết kế khuôn nhựa đã lựa chọn các phần mềm CAE như một công cụ hữu hiệu để giải quyết các vấn đề hay gặp nhưng khó giải quyết trong quá trình ép phun nhựa là: - Dự đoán các lỗi về đường hàn – Weldline - Dự đoán các lỗi về rỗ khí-Airtrap - Dự đoán các lỗi về dòng chảy bất thường có khả xẩy ra - Dự đoán về thời gian làm mát. Đưa ra các giải pháp, giải quyết các vấn đề gặp phải như chỉnh lại kết cấu không hợp lý của khuôn, các giải pháp về kênh làm mát để giải quyết các vấn đề cong vênh co ngót, các vấn đề về thông sô của máy cũng như vật liệu không hợp lý… 3.3.2. Ứng dụng Moldflow Plastics Insight 3.0 kiểm tra khuôn. Phần mềm Moldflow bao gồm hai phần lớn: - Part Adviser: Dùng để định lượng vị trí phun, vị trí làm mát. - Plastics Insight: Dùng để định tính thời gian điền đầy, thời gian làm mát, áp suất phun lớn nhất của máy, vận tốc phun… Tuy nhiên, thông qua phân tích ở phần Pastics Insight, ta hoàn toàn có thể biết được vị trí vòi phun hợp lý, vị trí hệ thống làm mát hợp lý. Nên ở đây ta chỉ xét phần Plastics Insight. Các module chính trong Moldflow Plastics Insiht 3.0(MPI) gồm: 1. MPI/Flow: Dùng để phân tích quá trình điền đầy khuôn. Lý thuyết về sự điền đầy được tính toán dựa trên kết qủa của áp suất và nhiệt độ. Khi nào ta quan sát thấy kết quả phân tích của một phần nào đó của chi tiết có màu đỏ hoặc mầu vàng thì, ta phải xem cẩn thận kết quả áp suất và nhiệt độ để xác định xem tại sao nó lại thế. Sự ảnh hưởng giữa nhiệt độ và áp suất sẽ được chỉ như hình dưới đây. Temp Pressure Drop T1 = Nhiệt độ ở nơi chất lỏng không chảy đến T4 = Nhiệt độ ở đầu phun. = Áp suất lớn nhất ở đầu phun * Xét ảnh hưởng của nhiệt độ: Nhiệt độ trên hình trên sử dụng, nhiệt độ ở nơi mà chất lỏng không chảy đến (T1) và nhiệt độ ở đầu phun (T4). Các nhiệt độ khác hai nhiệt độ này được xác định từ sự khác nhau giữa T1 và T4. Sự khác nhau này được chia thành 5 phần khác nhau như trên hình vẽ. T2 là nhiệt độ ở đó là có hơn 20% là T1; T3 là hơn 40% T1. * Xét ảnh hưởng của áp suất: Tại một chỗ nào đó của sản phẩm khi áp suất tại đó lớn hơn 80% Pmax và nhiệt độ tại điểm đó nằm giữa T3 va T4 thì chất lượng điền đầy tại đó rất tốt. Khi ta phân tích sự điền đầy của một sản phẩm thì sự điền đầy sẽ biểu thị bằng màu trên chi tiết, ví dụ như sau: Các màu khác nhau trên sản phẩm được biểu thị như sau: Khi lòng khuôn không được điền đầy hết thì chúng ta phải thay đổi một trong các cách sau: • Cho lại vị trí phun. • Chọn loại nhựa khác. • Chọn các thông số khác của máy: áp suất phun, nhiệt độ phun. Tuy nhiên, để đảm bảo chất lượng được tốt thì kết cấu của khuôn cũng phải đảm bảo. Nếu tất cả đều chuyến sang màu xanh: Sự chảy dễ ràng và ta chấp nhận giả pháp. Nếu có vài màu vàng: Chất lượng điền đầy có thể không tốt lắm, lượng mầu vàng càng tăng thì càng khó điền đầy. Nếu có vài màu vàng và màu đỏ: Thì cực kỳ khó để điền đầy, chất lượng không thể chấp nhận được. Nếu có mầu trong suốt: Không thể điền đầy khuôn. * Phân tích rỗ khí: Hiện tượng rỗ khí sảy ra ở nơi có sự gặp nhau của hai hay nhiều dòng chảy. Chúng được biểu diễn bằng các quả cầu hình cầu trên bề mặt của chi tiết. * Phân tích đường hàn: A: willdefinitely fill B: may be difficult to fill or may have quality problems C: will be difficult to fill or will have quality problems D: will not fill (short shot) Đường hàn sảy ra khi hai dòng chảy gặp nhau, chúng được miêu tả bằng các đường màu đỏ trên bề mặt. 2. MPI/Packing: Dùng để tính toán thời gian đông đặc của nhựa trong lòng khuôn, xem xét áp suất cần thiết để giữ áp. Kết quả của quá trình phân tích cho ta biết các thông số sau: • Thời gian đông đặc (thời gian giữ áp). • Áp suất lớn nhất của vòi phun. • Lực kẹp khuôn lớn nhất. Các kết quả này được sử dụng để. • Tính toán thời gian của cả chu kỳ. • Lựa chọn áp suất của máy. • Tính lực kẹp khuôn cần thiết. 3. MPI/Cooling: Dùng để lựa chọn vị trí làm mát hợp lý đồng thời dùng để xác định thời gian làm mát. Màu sắc của kết quả cho ta biết sự chênh lệch nhiệt độ so với giá trị chung bình. Màu đỏ chỉ nhiệt độ tại vùng đó cao hơn nhiệt độ trung bình còn màu xanh chỉ nhiệt độ tại vùng đó thấp hơn nhiệt độ trung bình. Trong quá trình phân tích này ta cần quan tâm đến hai thông số. - Surface Temperature Variance result: cho ta kết quả chênh lệch nhiệt độ của bề mặt so với nhiệt độ trung bình. Surface Temperature Variance Result chỉ ảnh hưởng của hình dáng chi tiết. Tuy nhiên, chiều dầy cũng ảnh hưởng đến cách mà vật liệu sẽ nguội và nên kiểm tra Freeze Time Variance Result. - Freeze Time Variance Result: Giống như phân tích Surface Temperature Variance Result, điều này cho ta biết khoảng thời gian làm nguội liên quan đến thời gian làm nguội trung bình trong vật thể. Kết quả phân tích cho ta biết được sự chênh lệch thời gian cần thiết mà vật liệu được làm mát trong bất cứ vùng nào của sản phẩm từ thời gian làm mát trung bình cho toàn bộ vật thể. Vùng mà được in trong giá trị dương (màu đỏ) cần thời gian nhiều hơn để làm mát hơn so với thời gian trung bình. Và vùng mà được in với giá trị âm (màu xanh) thì sẽ nhanh nguội hơn. Tốc độ nguội phụ thuộc vào độ dầy mỏng của sản phẩm. Vùng mỏng sẽ nguội nhanh hơn vùng dầy. Kết quả của quá trình phân tích quá trình làm mát: • Vị trí làm mát phù hợp hay chưa. • Thời gian làm mát. 4. MPI/Warpage: Dùng để kiểm tra độ cong vênh. Sau đây, ta đi kiểm tra lại khả năng điền đầy của hai bộ khuôn đã thiết kế ở phần CIMATRON 3.3.2.1. Kiểm tra lại sự bố trí vị trí vòi phun của khuôn Ở đây, ta lựa chọn máy có các thông số như sau: • Áp suất vòi phun lớn nhất của máy: 300MPa. • Thời gian điền đầy khuôn 10s. • Nhiệt độ lòng khuôn:400C. • Thời gian làm nguội: 20s. 1. Kiểm tra lại sự điền đầy a. Đối với sản phẩm là nắp bình. Hình 3 - 20: Kết quả điền đầy nắp bình Nhìn vào hình 3 - 20 ta thấy với việc bố trí hai vị trí vòi phun ở trên nhựa hoàn toàn có thể điền đầy được trong lòng khuôn. Thời gian điền đầy là 3,242s. Kết luận: Đặt vòi phun tại hai vị trí như phần mềm Cimatron ở trên là hợp lý. b. Đối với sản phẩm là thân bình. Hình 3 - 21: Kết quả điền đầy thân bình. Nhìn vào hình 3 – 21 ta thấy việc bố trí vòi phun như trên là hợp lý, nhựa có thể điền đầy được trong lòng khuôn. Thời gian điền đầy là 7,646s. Kết luận: Bố trí vị trí vòi phun như đã thiết kế bằng phần mềm CIMATRON là hoàn toàn hợp lý. 2. Kết quả cong vênh Ở đây chỉ kiểm tra sự cong vênh của nắp bình. Nhìn vào kết quả phân tích ta thấy nắp bình bị cong vênh là khoảng 0,77mm. Giá trị này nhỏ hơn rất nhiều so với kích thước của nó nên ta có thể chấp nhận được. Hình 3 - 22: Kết quả cong vênh của sản phẩm là nắp bình. Ch−¬ng 4. CHẾ TẠO VÀ THỬ NGHIỆM SẢN PHẨM 4.1. Quy trình công nghệ chế tạo khuôn Như đã trình bày ở chương 3, khuôn mẫu được thiết kế ứng dụng phần mềm Cimatron. Ở đây phần mềm này có thể đảm nhiệm được từ khâu tính toán thiết kế ⇒ Xuất ra bản vẽ chế tạo sản phẩm ⇒ Xuất ra code mã NC ⇒ Kết nối với máy gia công CNC để gia công sản phẩm. Toàn bộ các chi tiết quan trọng, cơ bản của bộ khuôn đều được gia công trên máy CNC đảm bảo chính xác, đạt các yêu cầu kỹ thuật. Trong phần phụ lục 2 trình bày một số nguyên công trong quy trình công nghệ gia công trên máy CNC. 4.2. Quy trình công nghệ chế tạo vỏ bình Quy trình công nghệ chế tạo vỏ bình ắc quy đã bao hàm trong quá trình thiết kế khuôn mẫu bằng phần mềm Cimatron ví dụ như: chọn máy ép phun; chọn nhựa; đặt vị trí vòi phun; kiểm tra độ điền đầy khuôn... Như vậy sau khi đã hoàn thành chế tạo các bộ khuôn ép, nhóm đề tài đã tiến hành lắp các bộ khuôn lên các máy ép đã lựa chọn và tiến hành ép ra sản phẩm vỏ bình. 4.3. THỬ NGHIỆM SẢN PHẨM Đề tài đã tiến hành chế tạo 50 bộ sản phẩm vỏ bình ắc quy bằng nhựa PE. Sau khi chế tạo nhóm đề tài đã tiến hành các thử nghiệm về cơ, lý tính của sản phẩm có so sánh với mẫu sản phẩm của Trung Quốc. Qua phân tích, thử nghiệm cho thấy các chỉ tiêu thử nghiệm đều tương đương với các chỉ tiêu phân tích, thử nghiệm từ mẫu của Trung Quốc (các mẫu phân tích thử nghiệm được đóng kèm trong phần phụ lục 3 của báo cáo này). Sau khi tiến hành phân tích, thử nghiệm cơ lý tính của sản phẩm, nhóm đề tài đã tiến hành đưa sản phẩm đi thử nghiệm công nghiệp tại Công ty Cổ phần Cơ khí ôtô Uông Bí (các văn bản liên quan đến thử nghiệm công nghiệp được đóng trong phụ lục 3 kèm theo của báo cáo này) Ch−¬ng 5. KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 5.1. Kết luận Đề tài “Nghiên cứu thiết kế, chế tạo vỏ bình ắc quy tàu điện mỏ bằng vật liệu phi kim loại” đã được nhóm đề tài triển khai đạt kết quả trong năm 2007. Đề tài đã thực hiện các nội dung nghiên cứu đã đăng ký cơ bản theo các bước từ lựa chọn đối tượng nghiên cứu, đến tính toán thiết kế, chế tạo thử nghiệm sản phẩm với những kết quả đã đạt được như nêu trong báo cáo. Qua quá trình nghiên cứu, đề tài đưa ra một số kết luận sau: - Việc thay thế vỏ bình ắc quy kim loại bằng vỏ bình nhựa là cần thiết, đảm bảo an toàn lao động và tính kinh tế (do tăng độ bền) - Đề tài đã áp dụng công cụ phần mềm tiên tiến để thiết kế, chế tạo khuôn mẫu. Đảm bảo rút ngắn thời gian thiết kế, chế tạo, tăng tính chính xác của sản phẩm. - Các bộ khuôn mẫu đề tài đã chế tạo đảm bảo độ chính xác, độ bền có thể sử dụng để ép ra các vỏ bình bằng nhựa phục vụ cho việc thay thế vỏ bình ắc quy bằng kim loại trong thời gian trước mắt cũng như lâu dài (độ bền 10.000 sản phẩm). - Sản phẩm vỏ bình sau chế tạo đã được thử nghiệm các thông số cơ, lý tính đảm bảo tương đương với sản phẩm nhập ngoại. Đây là cơ sở để tiến hành lắp đặt thử nghiệm công nghiệp. 5.2. Kiến nghị Sản phẩm của đề tài có ý nghĩa thực tiễn, thay thế vỏ bình kim loại bằng vỏ bình nhựa nhằm đảm bảo an toàn lao động, nâng cao hiệu quả kinh tế đối với đơn vị chế tạo bình ắc quy tàu điện. Nhóm đề tài kính đề nghị - Cho phép đề tài được nghiệm thu các cấp; - Tập đoàn Công nghiệp Than – Khoáng sản Việt Nam cho phép sản phẩm của đề tài được áp dụng vào sản xuất dưới hình thức chuyển giao công nghệ giữa Viện Cơ khí Năng lượng và Mỏ - TKV với Công ty Cổ phần Cơ khí Ôtô Uông Bí. LỜI CÁM ƠN Thực hiện hợp đồng NCKH công nghệ số 39.07.RD/HĐ-KHCN với đề tài “Nghiên cứu thiết kế, chế tạo vỏ bình ắc quy tàu điện mỏ bằng vật liệu phi kim loại” ký giữa Bộ Công nghiệp (nay là Bộ Công thương) và Viện Cơ khí Năng lượng và Mỏ - TKV (ngày 25 tháng 01 năm 2007), nhóm đề tài đã tiến hành nghiên cứu thiết kế, chế tạo sản phẩm theo đúng các nội dung nghiên cứu trong đề cương. Trong quá trình triển khai đề tài, nhóm đề tài đã nhận được sự giúp đỡ cần thiết về mọi mặt của Vụ KHCN Bộ Công thương. Lãnh đạo Viện Cơ khí Năng lượng và Mỏ - TKV, cũng tạo mọi điều kiện thuận lợi cho các thành viên nhóm đề tài triển khai các bước nghiên cứu và đưa ra những định hướng xác đáng góp phần đẩy nhanh tiến độ đề tài, nâng cao chất lượng, hiệu quả công việc. Đề tài cũng nhận được sự phối hợp chặt chẽ và giúp đỡ tận tình của các cơ quan phối hợp trong việc nghiên cứu thiết kế, chế tạo và thử nghiệm sản phẩm như: Công ty Cổ phần Cơ khí Ô tô Uông Bí; Trường Đại học Bách khoa Hà Nội; Công ty TNHH Công nghiệp Quang Nam. Các đồng nghiệp trong Viện, các chuyên gia, các nhà sản xuất trong và ngoài ngành cũng có những đóng góp tích cực trong quá trình hoàn thiện đề tài. Thay mặt nhóm đề tài, tôi xin chân thành cảm ơn các Vụ, Ban, Ngành, Đơn vị chủ quản và các chuyên gia, các đồng nghiệp vì những sự hợp tác, giúp đỡ nêu trên và mong muốn tiếp tục nhận được những ý kiến xây dựng nhằm phát triển và ứng dụng kết quả của đề tài vào thực tế sản xuất. TÀI LIỆU THAM KHẢO 1. Thiết kế khuôn cho sản phẩm nhựa - TS. Vũ Hoài Ân - Viện Máy và Dụng cụ Công nghiệp, 2004. 2. Hướng dẫn sử dụng Ắc quy Kiềm sắt – Niken – Nhà máy Cơ khí Ôtô Uông Bí. 3. Công nghệ CAD/CAM/CIMATRON - GS. Bành Tiến Long và nnk - Nhà xuất bản KHKT – Hà Nội, 2002 4. Thiết kế cơ khí với AUTODESK INVENTOR.10; CIMATRON 6.0 - Quang Huy - Trường Thuỵ - Hoàng Dũng, Nhà xuất bản giao thông vận tải, 2005 5. ANSYS & Mô phỏng số trong công nghiệp bằng phần tử hữu hạn- PGS.TS.Nguy ễn Việt Hùng; PGS.TS.Nguyễn Trọng Giảng, Nhà xuất bản khoa học kỹ thuật, 2004. 6. Sổ tay Công nghệ Chế tạo máy, tập 1 + 2 + 3 - GS. Nguyễn Đắc Lộc và nnk - Nhà xuất bản KHKT, 2000. 7. Quy hoạch phát triển ngành Than Việt Nam giai đoạn 2006 - 2015 có xét triển vọng 2025 - Công ty Cổ phần Đầu tư Mỏ và Công nghiệp, 2006. 8. Mold Design Fundamentals - Core Tech System. 9. Plastics Fundamentals - Core Tech System. 10. Moldflow Plastics Insight 3.0 Hình ảnh sản phẩm đã được lắp ráp thử nghiệm