Nghiên cứu ảnh hưởng của thông số phun ép đến độ bền mỏi uốn của đường hàn trong quy trình khuôn ép nhựa

TẠP CHÍ KHOA HỌC GIÁO DỤC KỸ THUẬT

NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA THÔNG SỐ PHUN ÉP ĐẾN ĐỘ BỀN MỎI UỐN CỦA

ĐƯỜNG HÀN TRONG QUY TRÌNH KHUÔN ÉP NHỰA

EFFECT OF MOLD PARAMETERS ON FLEXURAL FATIGUE OF WELD LINE IN PROCESS

MOLD PLASTIC

PGS, TS. Lê Hiếu Giang, TS. Phạm Sơn Minh, KS. Nguyễn Trọng Nghĩa

Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP.HCM

TÓM TẮC

Trong bài báo này, độ bền mỏi uốn của đường hàn trong quy trình khuôn ép nhựa đã được

nghiên cứu với sự thay đổi các thông số ép sau: nhiệt độ nhựa, áp suất phun. Các mẫu thử mỏi được

thiết kế theo tiêu chuẩn ASTM D7774-12 và được phun ép với lòng khuôn có 2 cổng vào nhựa và

đường hàn sẽ suất hiện tại vị trí giữa của thanh thử mỏi. Kết quả nghiên cứu cho thấy với cùng điều

kiện thí nghiệm: Tần số thí nghiệm 7 Hz, độ võng uốn 2 mm, tải trọng 30 N. Trường hợp thay đổi

nhiệt độ nhựa từ 210 - 250 ^oC ta thấy độ bền mỏi của nhựa tăng khi nhiệt độ tăng từ 210 - 240 ^oC

nhưng khi nhiệt độ nhựa lớn hơn 240 ^oC thì độ bền mỏi của nhựa giảm. Trường hợp thay đổi áp

suất phun từ 38 - 46 kg/cm²cho thấy áp suất phun tăng độ bền của nhựa tăng khi áp suất phun lớn

hơn 42 kg/cm²thì độ bền của nhựa giảm xuống.

Từ khóa: khuôn phun ép nhựa, độ bền đường hàn, độ bền mỏi uốn.

ABSTRACT

In this paper, the weld line flexural fatigue of injection molding part was researched with the

change mold parameters: Melt temperature, injection pressure. the testing samples was designed by

the ASTM D7774-12 standard and molded with the two gates, so, the weld line will appeared at the

center of the testing sample. The results show that the same experimental conditions: Test frequency

7 Hz, midpoint deflection 2 mm, load 30 N. In case of plastic temperature change from 210 - 250 ^oC,

the flexural fatigue of the plastic increases as the temperature increases from 210 - 240 ^oC but when

the plastic temperature is greater than 240 ^oC fatigue of plastic decreased. In case of injection

pressure change from 38 – 46 kg/cm²result injection pressure increase the fatigue of plastic

increase when injection pressure greater than 42 kg/cm²fatigue of plastic decreased.

Keywords: Injection molding, weld line strength, flexural fatigue properties.

trong các cơ cấu máy móc đặt biệt là các đồ

dùng trong sinh hoạt hằng ngày đó là các loại

nhựa và các loại composite tất cả điều là sản

phẩm của công nghệ ép phun. Điều này đồng

nghĩa với việc sản phẩm nhựa mà phần lớn tạo

ra bằng công nghệ phun ép đã trở thành một

phần không thể thiếu trong cuộc sống của chúng

ta. Khi sự phát triển của công nghệ ép phun càng

cao thì yêu cầu của thị trường về chất lượng sản

phẩm ngày càng tốt hơn, đặc biệt phải kể đến là

độ bền mỏi của sản tuy không phá hủy sản phẩm

ngay lúc sử dụng nhưng quyết định đến thời

gian sử dụng của sản phẩm như đối với một số

chi tiết như bửng xe máy khi đã sử dụng lâu với

sự vận hành của xe gây ra rung động và hình

thành nên quá trình mỏi suất hiện vết nứt và dần

dần phá hủy chi tiết.

1. ĐẶT VẤN ĐỀ.

Cùng với sự phát triển nhanh chóng của khoa

học kỹ thuật đã cho phép tạo ra các sản phẩm

nhựa có kết cấu và hình dáng phức tạp hơn.

Song song với quá trình phát triển này các

khuyết tật của sản phẩm nhựa cũng sẽ xuất hiện

ngày càng nhiều. Hiện nay các khuyết tật phổ

biến do hình dạng của sản phẩm có thể kể đến

như: đường hàn (weld line), rổ khí (air trap),

cong vênh (warpage) do co rút không đồng đều,

…Trong nhóm khuyết tật này, khuyết tật vể

đường hàn được hình thành do quá trình tiết

xúc, giao nhau giữa hai dòng nhựa lỏng hình 1.

Vì đặt điểm này, đường hàn hầu như xuất hiện

trên tất cả các sản phẩm nhựa và tính thẩm mỹ

của sản phẩm không những bị ảnh hưởng xấu,

mà độ bền của sản phẩm cũng sẽ giảm đáng kể.

Trong công nghệ ép phun, các thông số phun

ép giữ vai trò rất quan trọng đến chất lượng của

sản phẩm ép ra. Để có thể đánh giá được ảnh

hưởng của các thông số phun ép đến độ bền mỏi

của vật liệu và tăng hiệu quả cho quá trình phun

ép thì cần phải có một công trình nghiên cứu cụ

thể ảnh hưởng của các thông số phun ép tới độ

bền mỏi của vật liệu nhựa.

Hiện tượng một đường hàn không đồng màu

(thường có màu trắng bạc) với sản phẩm được

hình thành trên thành sản phẩm. Hiện tượng này

tiềm ẩn khả năng sản phẩm bị phá vỡ rất cao

ngay tại vị trí xuất hiện đường kết nối trong quá

trình sử dụng.

Hình 1: Quá tình hình thành đường hàn trên

sản phẩm nhựa.

Những sản phẩm của công nghệ phun ép

ngày càng phổ biến hiện nay các loại vật liệu

nhẹ dần dần thay thế các vật liệu truyền thống

Các thông số quan trọng trong quá trình phun

ép ảnh hưởng đến độ bền của đường hàn trên

sản phẩm nhựa:

tô, hàng không vũ trụ, y tế, và các ngành công

nghiệp hàng đầu khác. Phương pháp kiểm tra

mới và tiêu chuẩn kỹ thuật mới đang được phát

triển để giải quyết nhanh chóng sự gia tăng

trong nhu cầu công nghiệp và khoa học. Mặt

khác, mỏi kim loại và các khía cạnh khác của

nó, việc kiểm tra kỹ thuật của nó và các chi tiết

khoa học đã được thực hành và tài liệu hóa đáng

kể trên chặng đường vài thập kỷ qua Các loại

nhựa khác nhau đều bị ảnh hưởng khác nhau bởi

các thông số kiểm tra độ bền mỏi hơn các vật

liệu khác hay phổ biến hơn là kim loại, và thực

tế này đòi cách tiếp cận cụ thể. Trong nhiều

trường hợp, khác với các kim loại, trong thử

nghiệm độ bền mỏi của nhựa đã cho ta thấy sự

nhạy cảm hơn với nhiều thông số bao gồm các

thông số hình học, chế độ tải, lực hoặc biên độ

lực, hoặc tỷ lệ biến dạng, R-ratio, tần số, độ ẩm

và nhiệt độ. Ảnh hưởng của rất nhiều những

thông số, như tỷ lệ biến dạng, tần suất và nhiệt

độ hoàn toàn khác biệt so với Kim loại.

Nhiệt độ chảy: khả năng của vật liệu để hàn

gắn vùng hàn được xác định bởi khả năng của

các phân tử để thiết lập lại mức độ phân tử liên

kết với nhau đó là đặc tính của vật liệu khối. Đối

với vị trí mà nhiệt độ tăng lên thì khả năng chảy

của vật liệu cũng tăng lên. Hệ số khuếch tán

tăng lên cùng với sự gia tăng nhiệt độ và khoảng

cách của sự khuếch tán của các phân tử tăng làm

cho khả năng liên kết tốt hơn. Do đó độ bền của

vật liệu cũng được cải thiện.

Nhiệt độ của khuôn: cũng giống như nhiệt độ

chảy khi nhiệt độ khuôn cao trong thời gian đủ

để các phân tử liên kết với nhau. Nhiệt độ khuôn

cao còn giúp cho dòng nhựa không nguội quá

nhanh điều này rất ảnh hưởng tới cấu trúc bề

mặt tại khu vực đường hàn.

Áp lực phun: áp lực phun được cho là ảnh

hưởng đến chất lượng mối hàn, nhưng tầm quan

trọng của nó không đáng kể như của nhiệt độ.

Việc khảo sát thí nghiệm mỏi của nhựa kỹ

thuật và chất dẻo là một vấn đề mới của nghiên

cứu so với vật liệu Kim loại. Nhiều phương

pháp kiểm tra được thiết lập cho vật liệu Kim

loại và nó được áp dụng vào việc kiểm tra mỏi

của nhựa. Nó rất khác biệt so với các loại vật

liệu khác đặc biệt là kim loại, do sự khác biệt về

cấu trúc vật liệu, sự gần gũi của nhiệt độ thử

nghiệm và điểm nóng chảy, nhiệt độ tăng kết

hợp với thí nghiệm, phát triển các vết nứt, và sự

khác biệt lớn giữa độ bền kéo và độ bền nén

mạnh. Một số yếu tố như khả năng phản ứng với

Tốc độ điền đầy của các hóc khuôn: khi dòng

nhựa nóng chảy bắt đầu và nó được làm mát

ngay sau khi nó xâm nhập vào lòng khuôn. Điều

đó làm cho các phần tử khó liên kết với nhau

hơn khi nhiệt độ khuôn giảm xuống. Nên việc

điền đầy nhựa vào các hốc khuôn càng nhanh

càng tốt vì nó sẽ giảm thiểu việc làm mát trước

khi hình thành đường hàn.

Độ bền mỏi của nhựa đã xem là một sự quan

tâm ngày càng tăng trong vài năm qua trong ô

nhiệt độ ngay cả nhiệt độ phòng thí nghiệm.

biến dạng không đàn hồi lớn và chu kỳ dẻo là

một trong những yếu tố được xem xét để kiểm

tra độ bền mỏi của nhựa, hai cơ chế chính đã

được quan sát thấy trong phá hủy do mỏi của

nhiều loại nhựa, phụ thuộc vào độ lớn của lực

và tần số tác dụng của lực, nhiệt phá hủy mỏi có

liên quan đến nhiệt độ làm mền và cơ cấu bị phá

hủy mỏi là do sự bắt đầu từ vết nứt và lang rộng

ra dẫn đến phá hủy dưới tác dụng của lực theo

chu kỳ.

Một nghiên cứu khác của shivanand

sankaran, P. K. Mallick tác giả thay đổi nhiệt độ

nhựa, áp suất phun, áp suất định hình, tốc độ

phun. Kết quả nhiệt độ nhựa và áp suất phun ảnh

hưởng tới độ bền mỏi của mẫu nhiều hơn so với

tốc độ phun và áp suất định hình.

Đề tài của nhóm tác giả Watcharapong

Chookaew, Chitchat Dokrak, Nuchanat Na-

Ranong, Somjate Patcharaphun tác giả thay đổi

nhiệt độ khuôn và áp suất định hình. Kết quả

cho thấy khi tăng nhiệt độ khuôn và áp suất

định hình độ bền mỏi của mẫu tăng nhưng khi

nhiệt độ khuôn tăng từ 150 – 160 ^OC và áp suất

định hình tăng từ 45 – 60 Mpa thì độ bền mỏi

của mẫu không thay đổi đáng kể.

Các nghiên cứu thí nghiệm mỏi của nhựa bao

gồm nhiều bước tiến hành:

Đầu tiên, điều kiện thí nghiệm thích hợp phải

được duy trì cho tất cả các bài kiểm tra để so

sánh kết quả.

Một nghiên cứu khác được thực hiện bởi

S.E. Kultural, I.B Eryurek tác giả thay đổi

nòng độ CaCO₃trong nhựa PP. Kết quả khi

tăng nòng độ chất phụ gia CaCO₃thì độ bền

mỏi của nhựa giảm.

Thứ hai, lựa chọn một phương pháp thử hợp

lý về các chuyển vị, lực và ứng suất.

Thứ ba, sự ảnh hưởng của các thông số quan

trọng tác dụng đến khả năng mỏi của nhựa nên

được đánh giá. Nó có thể bao gồm sự tập trung

ứng suất, tần số, nhiệt độ môi trường xung

quanh, và các thông số trong quá trình chế tạo…

2. PHƯƠNG PHÁP THÍ NGHIỆM.

Trong nghiên cứu này, nhựa ABS 750SW sẽ

được sử dụng trong quá trình phun ép mẫu thí

nghiệm. Kích thước mẫu thử mỏi được thiết kế

theo tiêu chuẩn ASTM 638 và trình bài như

hình 2.

Trong nghiên cứu của Keun Park, Dong-Hwi

Sohn and Kwang-Hwan Cho tác giả thay đổi

nhiệt độ khuôn 100⁰C, 110⁰C và 120⁰C. Kết quả

cho thấy chiều sâu và bề rộng của đường hàn

giảm khi tăng nhiệt độ khuôn.

Nghiên cứu của Yuanxin Zhou, P.K.Mallick

tác giả thay đổi nhiệt độ nhựa và áp suất phun.

Kết quả cho thấy khi áp suất phun tăng độ bền

kéo và độ bền mỏi của mẫu tăng.

2Sbd²

3L

P 

Trong đó:

P: tải trọng N.

S: giới hạn bền uốn Mpa.

L: khoảng cách gối đỡ mm.

b: chiều rộng của mẫu thử mm.

d: chiều dày của dầm mm.

Độ võng khi thử mẫu.

Hình 2: Mẫu thí nghiệm.

Trong nghiên cứu này, nhằm quan sát độ bền

của đường hàn trong quá trình phun ép, lòng

khuôn của mẫu thử mỏi sẽ được điền đầy bởi 2

cổng vào nhựa (gate). Mẫu có kích thước như

sau: bề dày 3.2 mm, bề rộng 12.7 mm, bề dài

127 mm. các thông số phun ép được điều chỉnh

như sau:

2

rL

D 

6d

.

Trong đó:

D: độ võng mm.

r: biến dạng mm/mm.

Nhiệt độ nhựa: 210, 220, 230, 240, 250 ⁰C.

Áp suất phun: 38, 40, 42, 44, 46 kg/cm².

Áp suất định hình: 42 kg/cm².

Thời gian phun: 4 giây

L: khoảng cách gối đỡ mm.

d: chiều dày dầm mm.

Tần số khi thí nghiệm từ 1 – 25 Hz.

Thí nghiệm mỏi uốn 3 điểm với đồ gá và

máy thí nghiệm như hình 3, hình 4.

Thời gian định hình: 3 giây

Nhiệt độ khuôn: 35 ^oC

Thời gian làm nguội: 20 giây

Tốc độ phun: 30%

Mẫu thử mỏi được thử trên máy thí nghiệm

mỏi được thiết kế dựa theo tiêu chuẩn ASTM

D7774-12 các thông số đầu vào của thí nghiệm

được tính toán theo các công thức sau:

Tải trọng tác dụng lên mẫu:

Hình 3: Đồ gá mẫu thí nghiệm mỏi uốn 3

điểm.

Bước 3: lắp mẫu thí nghiệm vào máy tiến

hành chạy 3000 chu kỳ đầu tiên hình 5.

Hình 6: Lắp mẫu thí nghiệm lên máy.

Hình 4: Máy thí nghiệm mỏi uốn.

Các bước thực hiện thí nghiệm:

Bước 1: xác định chu kỳ mỏi của mẫu thí

nghiệm.

Bước 4: tháo mẫu thí nghiệm kiểm tra lại

tải trọng của mẫu thí nghiệm.

Bước 5: tiếp tục lắp mẫu thí nghiệm vào

máy và chạy 100 chu kỳ tiếp theo.

Bước 2: lắp mẫu thí nghiệm vào thiết bị

đo tải trọng để xác định tải trọng ban đầu

của mẫu thí nghiệm như hình 2.4.

Bước 6: kiểm tra tải trọng tác dụng lên

mẫu thí nghiệm.

Lặp lại bước 5 và bước 6 cho đến khi tải

trọng tác dụng lên mẫu thí nghiệm giảm

10% thì dừng thí nghiệm.

3. KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM.

3.1. Trường hợp thay đổi nhiệt độ nhựa.

Bảng 1. Kết quả thử mỏi của các mẫu thử

trường hợp thay đổi nhiệt độ nhựa.

Nhiệt độ

nhựa ^OC

210 220 230 240 250

3700 4200 4700 4800 3800

Chu kỳ

Bảng 1 trình bài chu kì mỏi trung bình của

5 mẫu trong trường hợp thay đổi nhiệt độ

nhựa.

Hình 5: Kiểm tra tải trọng ban đầu của mẫu.

- Độ bền mỏi của nhựa tăng khi áp suất phun

tăng từ 38 đến 42 kg/cm².

Thay đổi nhiệt độ nhựa

5200

4700

4200

3700

- Nhưng khi áp suất phun tăng từ 42 đến 46

kg/cm²thì độ bền của nhựa giảm rõ rệt.

Kết luận: áp suất phun 42 kg/cm²khi ép

nhựa ABS thì sản phẩm đạt độ bền mỏi cao

nhất.

210

220

230

240

250

Nhiệt độ nhự²a⁶⁰^oC

Hình 7: ảnh hưởng của nhiệt độ khuôn đến

độ bền mỏi uốn của đường hàn.

3. KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT

TRIỂN.

- Khi nhiệt độ nhựa tăng thì độ bền mỏi của

nhựa cũng tăng.

Sau khi quá trình ép kết thúc, các mẫu thử

theo tiêu chuẩn ASTM D7774-12 đã được tổng

hợp và tiến hành thử độ bền mỏi uốn. Các kết

quả về độ bền mỏi cho thấy khi nhiệt độ nhựa

tăng từ 210 – 240 ^OC thì độ bền mỏi của nhựa

tăng. Tuy nhiên khi nhựa độ nhựa tăng từ 240

– 250 ^OC độ bền mỏi của nhựa giảm dần. Áp

suất phun tăng từ 38 – 42 kg/cm²thì độ bền

mỏi của nhựa tăng. Nhưng khi áp suất phun

tăng từ 42 – 46 kg/cm²thì độ bền mỏi của

nhựa giảm rõ rệt.

- Tuy nhiên khi nhiệt độ nhựa tăng gần tới

gới hạn nhiệt độ cho phép của nhựa(240 –

250 ^OC) thì độ bền mỏi giảm xuống.

Kết luận: nhiệt độ nhựa ABS khi ép phun

240 ^oC thì sản phẩm ép đạt được độ bền mỏi

cao nhất.

3.1. Trường hợp thay đổi áp suất phun.

Bảng 2. Kết quả thử mỏi của các mẫu thử

trường hợp thay đổi áp suất phun.

Áp suất phun

Trong giai đoạn tiếp theo, đề tài sẽ tiếp tục

nghiên cứu ảnh hưởng của nhiệt độ khuôn đến

tính chất cơ lý của các vật liệu khác trong lĩnh

vực phun ép nhựa, đặt biệt với nhóm vật liệu

composite

Kg/cm²

38

40

42

44

46

Chu kỳ

3600 4000 4700 3200 3200

Thay đổi áp suất phun

4800

4600

4400

4200

4000

3800

3600

3400

3200

LỜI CẢM ƠN

Nhóm tác giả chân thành cảm ơn sự hỗ trợ về

thiết bị thí nghiệm trong khuôn khổ đề tài

nghiên cứu cấp trường của Trường Đại Học Sư

Phạm Kỹ Thuật Tp.Hồ Chí Minh.

38

40

42

44

46

48

Áp suất phun Kg/cm²

Hình 7: ảnh hưởng của áp suất phun đến

độ bền mỏi uốn của đường hàn.

TÀI LIỆU THAM KHẢO

[1] Phạm Minh Đăng. Nghiên cứu ảnh hưởng của thông số phun ép đến độ bền kéo của đường hàn

trong sản phẩm nhựa. ĐH SPKT TPHCM, 2015.

[2] Lê Tiến Thành. Nghiên cứu ảnh hưởng của thông số phun ép đến độ bền kéo của sản phẩm

composite sợi thủy tinh nền polyme. ĐH SPKT TPHCM, 2016.

[3] Th.S Hoàng Tiến Dũng. Giáo trình khuôn mẫu, ĐH Công Nghiệp Hà Nội, 2008. 162 trang.

[4] TS. Phạm Sơn Minh, Th.S Trần Minh Thế Uyên. Giáo trình thiết kế và chế tạo khuôn phun ép

nhựa, NXB. ĐHQG Tp. HCM, 2014, 287 trang.

[5] TS. Nguyễn hữu lộc. thiết kế phân tích hệ thống cơ khí theo độ tin cậy. NXB khoa học và kỹ

thuật, 2005, tr. 61.

[6] Keun Park, Dong-Hwi Sohn and Kwang-Hwan Cho. Eliminating weldlines of an injection-

molded part with the aid of high-frequency induction heating. Journal of Mechanical Science and

Technology, 24, Page 149-152, 2010.

[7] Yuanxin Zhou, P.K. Mallick. Effects of Melt Temperature and Hold Pressure on the weld-line

strength of an injection molded talc-filled polypropylene. Hindawi publishing corporation journal of

composites, 2014.

[8] Pichai Jariyatammanukul, Nipat Paecheroenchai, Patcharaphol Pomkajohn and Somjate

Patcharaphun. Effect of thickness on weld line strength of injection molded thermoplastis

conposites, year 2009.

[9] Babur Ozcelik, Emel Kuram, M. Mustafa Topal. Investigation the effects of injection molding

parameters on veld line strength in plastic molding. international communications in heat and mass

transfer, 9, Page 275-281, 2012.

[10] Shivanand Sankaran, P. K. Mallick. Fatigue properties of injection molded 33% e-glass fiber

reinforced polyamide-6,6.

[11] Hashemi. Thermal effects on weld and unweld tensile properties of injection moulded short

glass fibre reinforced ABS composites. Express polymer letters vol.1, No.10, Page 688-697, 2007.

[12] Mehrdad Zoroufi. Significance of Fatigue Testing Parameters in Plastics versus Metals.

Element Materials Technology, New Berlin, Wisconsin, USA.

[13] S.E. Kultural, I.B Eryurek. Fatigue behavior of calcium carbonate filled polypropylene under

high frequency loading. Material and design, No.28, Page 816 - 823, 2007

[14] ASTM-D790-03 (2003), Standard Test Methods for Flexural Properties of Unreinforced and

Reinforced Plastics and Electrical Insulating Materials, United States.

[15] ASTM D7774-12 (2012), Standard Test Method for Flexural Fatigue Properties of Plastics,

United States.

[16] Watcharapong Chookaew, Chitchat Dokrak, Nuchanat Na-Ranong, Somjate Patcharaphun.

Effect of Weldline on Fatigue Life of Natural Rubber Parts. Energy Procedia, No.56, Page 532 -

538, 2014

[17] Weld line in molding httpwww.pitfallsinmolding.comweldlinepage.html, 10 11 2015.

Tác giả chịu trách nhiệm bài báo

Họ tên: nguyễn trọng nghĩa

Đơn vị: Học viên cao học Trường ĐHSPKT

Điện thoại: 01678.1678.97

Email: [email protected]m

BÀI BÁO KHOA HỌC

THỰC HIỆN CÔNG BỐ THEO QUY CHẾ ĐÀO TẠO THẠC SỸ

Bài báo khoa học của học viên

có xác nhận và đề xuất cho đăng của Giảng viên hướng dẫn

Bảnquyềntác phẩm đã được bảo hộ bởiLuậtxuất bảnvà LuậtSở hữu trí tuệ Việt Nam. Nghiêm

cấm mọi hình thức xuất bản, sao chụp, phát tán nội dung khi chưa có sự đồng ý của tác giả và

Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh.

ĐỂ CÓ BÀI BÁO KHOA HỌC TỐT, CẦN CHUNG TAY BẢO VỆ TÁC QUYỀN!

Thực hiện theo MTCL & KHTHMTCL Năm học 2018-2019 của Thư viện Trường Đại học

Sư phạm Kỹ thuật Tp. Hồ Chí Minh.