1. Khuôn đúc chèn là gì?
Chi tiết chèn là một vật thể được nhúng vào trong nhựa, chẳng hạn như kim loại, thủy tinh, gỗ, sợi, giấy, cao su hoặc một bộ phận nhựa đúc sẵn. Kim loại là vật liệu chèn phổ biến nhất. Ép khuôn chèn là một quy trình trong đó chi tiết chèn được cố định ở vị trí thích hợp bên trong khuôn ép phun. Sau đó, nhựa được bơm vào khuôn. Sau khi khuôn mở ra, nhựa đã nguội và đông cứng sẽ bao bọc chi tiết chèn, tạo ra một bộ phận có các đặc điểm như ren hoặc điện cực.
Trong kỹ thuật đúc chèn, các chi tiết chèn có thể được đặt vào khuôn theo hai cách:
1) Đặt thủ công
Điều này làm tăng đáng kể thời gian chu kỳ ép phun và phù hợp với các lô sản xuất nhỏ hoặc các sản phẩm có cấu trúc phức tạp;
2) Đặt vị trí tự động
Điều này tốt hơn cho sản xuất hàng loạt, giúp giảm thiểu sai sót của con người, nâng cao hiệu quả, rút ngắn thời gian chu kỳ và tăng độ tin cậy của sản phẩm.
2. Ưu điểm và nhược điểm của phương pháp ép khuôn chèn 2.1 Ưu điểm của phương pháp ép khuôn chèn
1) Việc kết hợp khả năng tạo hình và độ đàn hồi của nhựa với độ cứng, độ bền và khả năng chịu nhiệt của kim loại giúp sản xuất các sản phẩm kim loại-nhựa tích hợp, phức tạp và chắc chắn, đồng thời giảm kích thước và trọng lượng sản phẩm.
2) Việc kết hợp khả năng cách điện của nhựa với khả năng dẫn điện của kim loại cho phép các bộ phận đúc đáp ứng các yêu cầu chức năng cơ bản của sản phẩm điện. Nó cũng có thể đáp ứng các yêu cầu đặc biệt như dẫn điện, khả năng chống mài mòn và khả năng cố định.
3) Việc thêm các chi tiết kim loại vào nhựa có thể làm tăng độ bền của chi tiết nhựa.
4) Kỹ thuật ép khuôn chèn mang lại sự linh hoạt hơn trong thiết kế và tạo ra những khả năng mới để kết hợp nhựa, kim loại và các thành phần khác.
5) Nó có thể loại bỏ các quy trình phụ như ép nhiệt, hàn và tán đinh, từ đó giảm thời gian và chi phí lắp ráp.
6) Các vật liệu chèn không chỉ giới hạn ở kim loại; chúng cũng có thể bao gồm vải, giấy, dây điện, nhựa, thủy tinh, gỗ, cuộn dây, linh kiện điện và các bộ phận nhựa đúc.
7) Đối với các chi tiết đúc cứng và các chi tiết cong mềm trên tấm gioăng cao su, việc đúc các chi tiết lại với nhau thành một sản phẩm tích hợp có thể loại bỏ công đoạn phức tạp là sắp xếp các vòng đệm và giúp việc lắp ráp tự động sau đó dễ dàng hơn.
8) Do nhựa nóng chảy liên kết với các chi tiết kim loại, khe hở xung quanh các chi tiết kim loại có thể được thiết kế nhỏ hơn so với các phương pháp ép lắp, giúp cải thiện độ tin cậy của sản phẩm và tăng khả năng sản phẩm vượt qua các bài kiểm tra rung động.
9) Với vật liệu nhựa phù hợp và điều kiện đúc khuôn thích hợp, ngay cả những bộ phận dễ bị biến dạng hoặc hư hỏng, chẳng hạn như thủy tinh, cuộn dây và các linh kiện điện, cũng có thể được niêm phong và cố định trong nhựa.
10) Với thiết kế khuôn phù hợp, một chi tiết chèn có thể được bao bọc hoàn toàn trong nhựa.
11) Bằng cách kết hợp máy ép phun thẳng đứng với robot và thiết bị sắp xếp chi tiết chèn, hầu hết các thao tác ép phun chi tiết chèn có thể được tự động hóa.
2.2 Nhược điểm của phương pháp ép khuôn chèn
1) Việc chèn thêm chi tiết thường làm cho cấu trúc khuôn phức tạp hơn, kéo dài chu kỳ đúc, tăng chi phí sản xuất và gây khó khăn hơn cho việc tự động hóa.
2) Do hệ số giãn nở nhiệt của chi tiết chèn và nhựa khác nhau, ứng suất dư có thể phát sinh trong sản phẩm hoàn thiện và gây nứt. Vấn đề này đặc biệt dễ nhận thấy khi đúc các chi tiết chèn đai ốc.
3) Sự khác biệt về hệ số giãn nở nhiệt giữa phần chèn và nhựa cũng có thể khiến sản phẩm bị cong vênh hoặc biến dạng.
4) Các chi tiết chèn, đặc biệt là các chi tiết chèn dạng đai ốc, thường cần được làm nóng trước hoặc sấy khô để giảm ứng suất dư.
5) Các chi tiết chèn phải được cố định chắc chắn trong khuôn; nếu không, tác động của vật liệu nóng chảy có thể khiến chúng bị xê dịch hoặc biến dạng.
6) Nếu xảy ra lỗi trong quá trình ép khuôn chèn – ví dụ như ép khuôn không hoàn chỉnh, thiếu chi tiết chèn hoặc vị trí chèn không chính xác – toàn bộ sản phẩm có thể phải bị loại bỏ, dẫn đến tổn thất đáng kể.
7) Phương pháp đúc chèn làm cho việc tái chế và xử lý sản phẩm trở nên khó khăn hơn.
3. Ứng dụng của phương pháp ép khuôn chèn
Kỹ thuật ép khuôn chèn được sử dụng rộng rãi trong các ngành công nghiệp như ô tô, y tế, điện tử và sản xuất đầu nối.
4. Nguyên tắc thiết kế cho khuôn đúc chèn
Khi thiết kế cho phương pháp ép khuôn chèn, các đặc điểm của quy trình phải được xem xét đầy đủ và thiết kế cần tuân theo các nguyên tắc Thiết kế cho Sản xuất (DFM).
Các hướng dẫn bao gồm:
1) Lựa chọn vật liệu chèn. Đồng, nhôm, thép, các bộ phận nhựa cứng khác nhau, gốm sứ, thủy tinh và nhựa đều có thể được sử dụng làm vật liệu chèn. Đồng thau thường được sử dụng vì nó có khả năng chống ăn mòn, dễ gia công và giá cả phải chăng.
2) Hình dạng chèn. Sử dụng hình tròn hoặc hình đối xứng trục bất cứ khi nào có thể. Tránh các góc nhọn và góc sắc để thúc đẩy sự co ngót đồng đều và ngăn ngừa ứng suất cục bộ hoặc sự tập trung ứng suất.
3) Áp dụng các nguyên tắc DFM cho chính chi tiết chèn. Chi tiết chèn kim loại được sản xuất bằng phương pháp gia công hoặc dập khuôn, do đó hình dạng của chúng phải phù hợp với quy trình sản xuất.
▲ Thiết kế DFM của chính chi tiết chèn
4) Để thuận tiện cho việc đặt và định vị trong khuôn, phần chi tiết chèn nhô ra (phần nằm trong khuôn) nên có hình trụ, vì các lỗ tròn dễ gia công hơn trong khuôn.
▲ Thiết kế phần nhô ra của chi tiết chèn
5) Các chi tiết chèn cần có các gờ niêm phong hoặc các đặc điểm tương tự để ngăn nhựa thừa trong quá trình ép phun.
▲ Thiết kế phần vai của miếng đệm
6) Để ngăn lớp nhựa bên dưới miếng lót bị mỏng quá mức và xuất hiện các vết lõm lượn sóng ảnh hưởng đến vẻ ngoài và độ bền, khoảng cách tối thiểu T từ đáy miếng lót đến thành nhựa phải là T > D/6.
▲ Khoảng cách giữa phần chèn và bề mặt đáy
Nếu khoảng cách quá nhỏ, có thể sử dụng thiết kế như hình bên dưới.
▲ Duy trì độ dày thành đồng đều
7) Khe hở giữa chi tiết chèn và thành bên của sản phẩm không được quá nhỏ để khuôn vẫn giữ được độ bền cần thiết.
▲ Khe hở giữa phần chèn và thành bên
8) Khi đặt một chi tiết chèn vào một phần nhô ra, nó phải kéo dài đến đáy của phần nhô ra (trong khi vẫn duy trì độ dày tối thiểu của đáy) để đảm bảo liên kết chắc chắn và đủ độ bền cho thân nhựa. Làm tròn đầu của chi tiết chèn.
▲ Chèn vào sếp
9) Các chi tiết hình trụ nhỏ có thể được cố định vào thân nhựa bằng cách sử dụng rãnh trung tâm hoặc các đường khía hình kim cương trên bề mặt. Các rãnh khía nên sâu 1–2 mm.
▲ Cố định các chi tiết hình trụ nhỏ
10) Các tấm chèn hình dạng lá hoặc tấm mỏng có thể được cố định bằng các lỗ hoặc cửa sổ. Đối với các tấm chèn mỏng (dày dưới 0.5 mm), nên sử dụng các rãnh hoặc uốn cong.
▲ Cố định các tấm hoặc lá chèn hình dạng tấm
11) Các chi tiết chèn hình que có thể được cố định bằng cách làm phẳng, khoét rãnh, uốn cong hoặc tách đầu, hoặc bằng cách làm phẳng phần giữa của một thanh tròn.
▲ Cố định các chi tiết chèn hình que (đầu biến dạng)
▲ Cố định các chi tiết chèn hình ống (phần giữa bị biến dạng)
12) Đối với các miếng chèn hình ống được dập khuôn, có thể tạo ra một phần lồi lên trong quá trình dập khuôn để cải thiện khả năng giữ chặt.
▲ Cố định các chi tiết chèn hình ống dập khuôn (phần giữa bị biến dạng)
13) Trong các đầu nối, việc đảm bảo các đầu nối được neo chắc chắn vào nhựa là một yếu tố quan trọng đối với các kỹ sư thiết kế sản phẩm. Các phương pháp phổ biến để cải thiện đáng kể khả năng giữ chặt đầu nối bao gồm:
- Đục lỗ trên đầu nối được gắn trong nhựa.
- Tạo cho nhà ga một hình dạng bất thường
- Uốn cong đầu cuối
- Thêm độ nhám bề mặt hoặc các chi tiết nổi/lõm vào đầu cuối
- Tăng độ dày thành nhựa
▲ Đầu nối có lỗ, hình dạng không đều và uốn cong
5. Nguyên tắc thiết kế cho các chi tiết chèn đai ốc
Các loại đai ốc chèn là một trong những loại chèn phổ biến nhất. Đai ốc chèn và phần nhô ra bằng nhựa tương ứng phải được thiết kế chính xác; nếu không, có thể xảy ra các vấn đề về chất lượng như lực kéo ra không đủ hoặc phần nhô ra bị nứt.
5.1 Ba phương pháp lắp đặt đai ốc
Có ba phương pháp để gắn đai ốc vào các bộ phận bằng nhựa:
1) Đai ốc ép nhiệt
Phương pháp hàn nhiệt là phương pháp lắp đặt phổ biến nhất và thường được thực hiện bằng máy hàn nhiệt hoặc mỏ hàn cầm tay.
2) Đai ốc đúc khuôn
Phương pháp này đòi hỏi kiểm soát rất chặt chẽ đường kính lỗ trên phần nhô ra bằng nhựa, thông thường trong phạm vi 0.05 mm. Đai ốc được giữ cố định bằng một chốt định hình và được đặt trong khuôn ép phun, do đó đường kính lỗ phải được kiểm soát theo kích thước của chốt trên máy ép phun.
3) Chèn siêu âm
Sự rung động siêu âm tạo ra ma sát giữa đai ốc và phôi, làm tăng nhiệt độ tại vị trí tiếp xúc. Khi nhiệt độ đạt đến nhiệt độ hóa mềm của phôi, đai ốc sẽ được nhúng vào phần nhựa. Sau khi ngừng rung động, phôi nguội đi và đông cứng dưới áp lực. Mỗi phương pháp đều có ưu điểm và nhược điểm; bài viết này tập trung vào đai ốc đúc khuôn.
5.2 Hình dạng bên ngoài của đai ốc chèn
Hình dạng bên ngoài của đai ốc chèn được thiết kế đặc biệt để tạo ra sự liên kết cơ học chắc chắn với vật liệu nhựa. Các đặc điểm chính thường bao gồm các đường khía hình kim cương hoặc thẳng để tối đa hóa khả năng chống xoắn và chống kéo ra. Các rãnh dọc hoặc các đường cắt dưới thường được thêm vào để ngăn ngừa sự xoay. Một rãnh dẫn hướng vát cạnh ở phía dưới cho phép đặt dễ dàng và chính xác vào khuôn hoặc lỗ đã được đúc sẵn. Ngoài ra, một mặt bích hoặc vòng đệm phía trên giới hạn độ sâu chèn và cung cấp hỗ trợ theo trục. Một số thiết kế có vòng đệm kín để ngăn nhựa nóng chảy tràn vào các ren. Cùng nhau, các đặc điểm hình học này đảm bảo một kết nối có độ tin cậy cao và bền bỉ.
5.3 Ví dụ về thông số kỹ thuật của đai ốc chèn
5.4 Thiết kế núm nhựa và lựa chọn đai ốc
1) Kích thước cơ bản của đai ốc và núm nhựa
- Kích thước d là phần đáy của đai ốc, còn được gọi là phần dẫn hướng/định vị. Trước khi lắp đặt, nó khớp với phần C của phần nhô ra bằng nhựa. Do đó, kích thước d ở đáy đai ốc phải nhỏ hơn đường kính lỗ trong C của phần nhô ra bằng nhựa để dễ dàng định vị.
- Kích thước D là đường kính ngoài của đai ốc và tương ứng với đường kính lỗ trong C của phần nhựa nhô ra. Đối với đai ốc điện thoại di động, đường kính lỗ nhựa thường nhỏ hơn đường kính ngoài của đai ốc khoảng 0.25–0.3 mm.
- Kích thước L là chiều dài của đai ốc và tương ứng với độ sâu lỗ Y trong phần nhựa nhô ra. Lỗ nhựa thường được thiết kế sâu hơn chiều dài đai ốc từ 0.5–1.0 mm để chừa chỗ cho phần nhựa thừa.
- W là độ dày thành nhựa xung quanh lỗ. Độ dày thành của một núm nhựa thường ít nhất là 0.8–1.0 mm. Các đai ốc lớn hơn yêu cầu thành dày hơn. Xem bảng thông số bên dưới.
| Sợi chỉ | Đường kính ngoài D | Chiều dài L | Lỗ gắn nhựa | Độ dày thành nhựa W | |
| Đường kính C | Độ sâu Y | ||||
| M1.2 * 0.25 | 2.3 | 2.0 | 2.0 | 3.0 | 0.8 |
| 2.5 | 3.5 | ||||
| 3.0 | 4.0 | ||||
| 3.5 | 4.5 | ||||
| M1.2 * 0.25 | 2.5 | 2.0 | 2.2 | 3.0 | 0.8 |
| 2.5 | 3.5 | ||||
| 3.0 | 4.0 | ||||
| 3.5 | 4.5 | ||||
| M1.4 * 0.3 | 2.3 | 1.8 | 2.0 | 2.8 | 0.8 |
| 2.0 | 3.0 | ||||
| 2.5 | 3.5 | ||||
| 3.0 | 4.0 | ||||
| M1.4 * 0.3 | 2.35 | 2.0 | 2.1 | 3.0 | 0.8 |
| 2.5 | 3.5 | ||||
| 3.0 | 4.0 | ||||
| 4.0 | 5.0 | ||||
| M1.4 * 0.3 | 2.5 | 2.0 | 2.2 | 3.0 | 0.8 |
| 2.5 | 3.5 | ||||
| 3.0 | 4.0 | ||||
| 3.5 | 4.5 | ||||
| M1.4 * 0.3 | 2.7 | 2.0 | 2.3 | 3.0 | 0.8 |
| 2.5 | 3.5 | ||||
| 3.0 | 4.0 | ||||
| 3.5 | 4.5 | ||||
| M1.6 * 0.35 | 2.5 | 1.8 | 2.2 | 2.8 | 1.0 |
| 2.0 | 3.0 | ||||
| 2.5 | 3.5 | ||||
| 3.0 | 4.0 | ||||
| 3.5 | 4.5 | ||||
| 4.0 | 5.0 | ||||
| M1.6 * 0.35 | 2.7 | 2.0 | 2.3 | 3.0 | 1.0 |
| 2.5 | 3.5 | ||||
| 3.0 | 4.0 | ||||
| 3.5 | 4.5 | ||||
| 4.0 | 5.0 | ||||
| M1.6 * 0.35 | 3.0 | 2.0 | 2.6 | 3.0 | 1.0 |
| 2.5 | 3.5 | ||||
| 3.0 | 4.0 | ||||
| 3.5 | 4.5 | ||||
| 4.0 | 5.0 | ||||
| M1.7 * 0.35 | 3.0 | 2.0 | 2.6 | 3.0 | 1.2 |
| 2.5 | 3.5 | ||||
| 3.0 | 4.0 | ||||
| 3.5 | 4.5 | ||||
| 4.0 | 5.0 | ||||
| M1.8 * 0.35 | 3.0 | 2.0 | 2.6 | 3.0 | 1.2 |
| 2.5 | 3.5 | ||||
| 3.0 | 4.0 | ||||
| 3.5 | 4.5 | ||||
| 4.0 | 5.0 | ||||
5.5 Các vấn đề chung và giải pháp
1) Việc lựa chọn kích thước lỗ chính xác trên phần nhựa nhô ra là rất quan trọng. Nếu lỗ quá lớn, nhựa sẽ không ăn khớp tốt với đai ốc sau khi lắp đặt, dẫn đến mô-men xoắn không đủ và lực kéo ra yếu. Nếu lỗ quá nhỏ, có thể xảy ra hiện tượng bavia hoặc nứt vỡ.
2) Nếu kích thước đai ốc và kích thước nhựa chính xác nhưng vấn đề vẫn tiếp diễn, hãy xem xét cải tiến thiết kế.
Do phần gờ nhựa khá nông, việc sử dụng đai ốc có khía xiên kép có thể dẫn đến phần khía bị ngắn sau khi đã điều chỉnh kích thước đai ốc. Khi đã được lắp đặt, lượng nhựa tiếp xúc với phần khía quá ít, dẫn đến mô-men xoắn và lực kéo ra không đủ. Do đó, nhìn chung nên khuyến cáo lỗ trên gờ nhựa phải sâu ít nhất 2.5 mm và đai ốc phải dài ít nhất 2.0 mm.
Cải tiến: Nếu việc sửa đổi khuôn gặp khó khăn, hãy cân nhắc thay đổi kiểu vân đai ốc thành kiểu BS1 xiên đơn, như hình bên phải. Điều này làm tăng chiều cao bậc vân và lượng nhựa tiếp xúc với vân, từ đó cải thiện mô-men xoắn và khả năng chống kéo ra.
3) Hiện tượng gờ nổi hoặc nứt nẻ xung quanh lỗ trên phần nhựa nhô ra.
Khi sử dụng kiểu đai ốc như hình bên trái, các vùng A1 và A2 sẽ giãn nở sau khi đai ốc được nhúng vào nhựa, trong khi vùng B co lại đột ngột. Điều này khiến nhựa khó chảy ra ngoài, và có thể hình thành bavia ở hai đầu trên và dưới của đai ốc, ảnh hưởng nghiêm trọng đến hình thức bên ngoài của sản phẩm.
Cải tiến: Sử dụng phần C làm bộ phận dẫn hướng và định vị để có thể đặt đai ốc chắc chắn vào lỗ nhựa, cải thiện hiệu quả và năng suất. Phần dẫn hướng tại C cho phép một phần nhựa bị dịch chuyển khỏi khu vực A2 trong khi vẫn để lại đủ nhựa cho khu vực A1. Ngoài ra, các phần A1 và A2 có các đường khía xiên với góc 90° và độ dốc 45°. Giao điểm của chúng tạo thành một điểm nút chắc chắn chống lại mô-men xoắn chu vi, làm tăng đáng kể mô-men xoắn và khả năng chống kéo ra.
