Nghiên cứu ảnh hưởng đường hàn đến độ bền tay thắng xe máy được phun ép từ vật liệu Composite

NGHIÊN CỨU ẢNH HƢỞNG ĐƢỜNG HÀN ĐẾN ĐỘ BỀN TAY THẮNG

XE MÁY ĐƢỢC PHUN ÉP TỪ VẬT LIỆU COMPOSITE

Phạm Sơn Minh¹, Đỗ Thành Trung¹, Lƣơng Nguyễn Quốc Điền¹, Nguyễn Trƣờng

Giang ², Trần Anh Sơn²

¹Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Tp.HCM

²Trường Đại học ách hoa Tp

TÓM TẮT: Ép phun là một công nghệ phổ biến được sử dụng để sản xuất ra các sản

phẩm nhựa. Đối với sản phẩm hai cổng bơm hay sản phẩm tạo lỗ, nó sẽ tạo ra đường hàn

trên sản phẩm nơi giao nhau của hai dòng chảy. Trong quá trình phun ép nhựa, nhiệt độ

khuôn vùng hình thành đường hàn, áp suất phun, áp suất giữ và thời gian giữ đều ảnh

hưởng đến độ bền của đường hàn. Trong nghiên cứu này, chúng ta sẽ khảo sát độ bền của

đường hàn thông qua chi tiết tay thắng xe máy được phun ép từ vật liệu composite với

ảnh hưởng của bốn thông số trên. Kết quả nghiên cho thấy rằng khi tăng thời gian giữ, áp

suất giữ và nhiệt độ khuôn vùng xuất hiện đường hàn tỷ lệ thuận với độ bền đường hàn.

Áp suất phun sẽ có tỷ lệ nghịch so với độ bền đường hàn.

Từ khóa: Khuôn phun ép nhựa, gia nhiệt cục bộ, độ bền đường hàn.

đa dạng về chủng loại và mẫu mã. Từ dụng

cụ học tập như: bút, thước hay đồ chơi trẻ

em…cho đến các sản phẩm to và phức tạp

như: bàn, gế, cửa, pallet, tủ nội thất, chi tiết

dùng trong oto, vỏ xe máy, vỏ điện

thoại…với hình dạng và màu sắc rất phong

phú đang dạng.

1. GIỚI THIỆU

Hiện nay vật liệu là một vấn đề cần được

quan tâm. Hầu hết các máy móc công

nghiệp đều được cấu thành từ các chi tiết

với các loại vật liệu khác nhau. Trọng

lượng của máy củng tăng lên theo số lượng

chi tiết và vật liệu làm ra chúng. Vấn đề

giảm trọng lượng máy củng đang được

quan tâm. Muốn giảm trọng lượng thì chi

tiết phải nhỏ hơn hay thay đổi vật liệu có

khối lượng nhẹ hơn. Từ sắt thép chuyển

sang nhôm, hợp kim nhôm và chuyển sang

nhựa. Với các tính chất như: độ dẻo dai,

nhẹ, có thể tái chế, không có những phản

ứng hóa học với không khí trong điều kiện

bình thường,…vật liệu nhựa đã thay thế

hầu hết các loại vật liệu khác như: sắt,

đồng thau,…Do đó, nhu cầu sử dụng vật

liệu nhựa trong tương lai sẽ còn rất lớn.

Trên thị trường hiện nay sản phẩm nhựa rất

Nhằm đáp ứng nhu cầu ngày càng cao của

các sản phẩm nhựa, công nghệ khuôn mẫu

nói chung và công nghệ phun ép nhựa nói

riêng đã có những bước phát triển đáng kể

nhằm tạo ra các sản phẩm nhựa có kết cấu

phức tạp và kích thước ngày càng nhỏ hơn

[1-4]. Trong các dạng sản phẩm nhựa, sản

phẩm có dạng hình trụ, tròn hay sản phẩm

có hai cổng bơm với yêu cầu khắc khe về

độ bền tại đường hàn, kích thước và tính

thẩm mỹ.

103

Trong các nghiên cứu trước đây, công nghệ

gia nhiệt cảm ứng điện – từ kết hợp với

làm nguội bằng nước được dùng để tạo ra

sự biến thiên nhanh nhiệt độ khuôn [5].

Nghiên cứu này cho thấy phương pháp gia

nhiệt cảm ứng có thể nhanh chóng tăng

nhiệt độ bề mặt khuôn có thể được nâng

lên ở khoảng 22,5°C/s và làm nguội xuống

ở 4,3°C/s trong phạm vi nhiệt độ từ 110°C

đến 200°C. Quá trình mô phỏng trong

nghiên cứu này cũng cho thấy sóng điện từ

có thể thâm nhập vào phần đáy của các kết

cấu khuôn, tạo ra hiệu ứng gia nhiệt tại bề

mặt của các kết cấu này.

Trong bài báo này, khuôn phun ép thay

thắng với tiêu chuẩn TCVN 7236:2003 sẽ

được sử dụng cho quá trình nghiên cứu ảnh

hưởng của các thông số phun ép đến độ

bền của chúng. Kích thước của tay thắng

được sử dụng thử độ bền được trình bài ở

Hình 1.

Để đảm bảo độ bền của sản phẩm tại các vị

trí đường hàn thì nên cần chú trọng các yếu

tố sau trong quá trình phun ép: đặc tính của

vật liệu nhựa, thông số phun ép, kết cấu

khuôn và nhiệt độ khuôn tại vùng hình

thành đường hàn. Trong đó thông số phun

ép và nhiệt độ khuôn tại vùng hình thành

đường hàn giữ vai trò quan trọng, đồng

thời tùy vào mỗi loại vật liệu mà độ bền

đường hàn củng khác nhau [6-8].

Hình 1: Kích thước mẫu thử bền.

Tấm khuôn dùng cho thí nghiệm sẽ được

gia công với 2 lòng khuôn, hình dạng tấm

được trình bày như Hình 2.

Qua các nghiên cứu trước đây, làm thế nào

để tăng độ bền của đường hàn là một trong

những đề tài được các nhà khoa học quan

tâm. Vì vậy nhầm nghiên cứu kỹ hơn vấn

đề này, bài báo này sẽ tiến hành thí nghiện

kiểm chứng các yếu tố ảnh hưởng đến độ

bền đường hàn đối với tay thắng xe máy

được phun ép từ vật liệu composite. Và

làm tiền đề cho việc sản xuất và sử dụng

đại trà tay thắng xe máy bằng vật liệu

composite.

Hình 2: Kết cấu lòng khuôn.

Trong nghiên cứu này, lòng khuôn được

thiết kế với một cổng bơm và đã được mô

phỏng và tính toán về vị trí xuất hiện

đường hàn. Tại vị trí xuất hiện đường hàn,

khối insert sẽ được gia nhiệt nhầm làm

tăng độ bền vị trí xuất hiện đường hàn.

Kích thước của khối insert được thể hiện ở

Hình 3.

2. MÔ TẢ THÍ NGHIỆM.

104

Thời gian sấy hạt nhựa là 4 – 4.5h, sau khi

hoàn tất quá trình sấy hạt nhựa quá trình

phun ép bắt đầu diễn ra. Các thông số phun

ép bao gồm nhiệt độ khuôn, nhiệt độ dòng

chảy, áp suất phun, thời gian phun, tốc độ

phun, áp suất giữ, thời gian giữ và thời

gian chu kỳ... Các thông số thay đổi là áp

suất phun (Injection Pressure), thời gian

giữ (Packing Time), áp suất giữ (Packing

Pressure) và nhiệt độ tại vùng insert cần

được gia nhiệt (Heating). Các giá trị này

được liệt kê trong Bảng 2. Sau khi các

tham số này được thay đổi, các tham số

còn lại sẽ được cố định ở mức trung bình.

Áp suất phun sẽ dao động trong khoảng 12

– 24Mpa và khoản tăng là 2Mpa. Thời gian

phun sẽ dao động trong khoảng 0.5 – 2.5s

và khoản tăng là 0.5s. Áp suất giữ sẽ dao

động trong khoản 16 – 20Mpa và khoản

tăng là 2Mpa. Nhiệt độ vùng insert sẽ dao

động trong khoản 10 – 90°C và khoảng

tăng là 20°C.

Hình 3: Kích thước khối insert.

Trong những năm gần đây, nghiên cứu về

ứng dụng vật liệu nhựa vào các ngành ô tô,

điện tử, robot… ngày càng nhiều. Ta thấy

rằng vật liệu polyamide được ưu chuộn

nhất, và cụ thể là nylon 6/ nylon66. Vật

liệu được sử dụng trong nghiên cứu này là

polyamide với 30% sợi thủy tinh (PA6 +

30%GF). Các thông tin về vật liệu PA6 +

30%GF. được sử dụng và các chỉ số

khuyến cáo có thể được xem trong Bảng 1.

Bảng 1: Vật liệu PA6 + 30%GF và các chỉ

số khuyến nghị.

Tên vật liệu

Tên viết tắt

Chất bổ sung

Polyamides (nylons)

PA6

Sợi thủy tinh (GF)

30%

Tỉ lệ chất bổ

sung

Nhiệt độ khuôn

60 - 120 °C

Nhiệt độ nóng

chảy

240–280 °C

Áp suất giữ

7.5 Mpa

9Mpa

Áp suất phun

105

Bảng 2: Thông số phun ép được sử dụng

trong thí nghiệm.

3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN

Việc tiếp theo là thử bền với sản phẩm vừa

được phun ép với các thông số trên. Thiết

bị thử độ bền đường hàn của tay thắng

được mô tả như Hình 4. Quy trình kiểm tra

độ bền tay thắng được thực hiện theo tiêu

chuẩn TCVN 7236:2003.

STT Áp suất Áp suất

Thời

gian giữ

(s)

Nhiệt

độ

phun

giữ

(Mpa)

(°C)

1

2

16

18

20

22

24

3

16

4

5

1.5

6

12

14

16

18

20

16

7

8

50

9

10

11

12

13

14

15

16

17

18

19

20

0.5

1.0

1.5

2.0

2.5

Hình 4: Mô hình thử nghiệm bền tay thắng.

20

Sau khi thực hiện quá trình phun ép với

bốn chỉ số thay đổi theo Bảng 2. Ta tiến

hành kiểm nghiệm độ bền của sản phẩm,

với 20 trường hợp và mỗi trường hợp gồm

5 mẫu. Sau khi kiểm nghiệm độ bên ta lấy

giá trị trung bình của 5 mẫu cho từng

trường hợp. Độ bền của tay thắng ở vị trí

đường hàn được thể hiện ở các biểu đồ sau.

10

30

50

70

90

1.6

106

Hình 5: Biểu đồ lực khi thay đổi áp xuất

phun.

Hình 7: Biểu đồ lực khi thay đổi thời gian

giữ.

Hình 6: Biểu đồ lực khi thay đổi áp xuất

giữ.

Hình 8: Biểu đồ lực khi thay đổi nhiệt độ

vùng insert.

Dựa vào biểu đồ ở Hình 5 ta thấy rằng khi

tăng áp suất phun thì độ bền của tay thắng

ở vị trí đường hàn sẽ giảm. Áp suất phun

tăng thì độ bền của tay thắng sẽ tăng đến

điểm cực đại. Độ bền đường hàn tay thắng

sẽ giảm khi áp suất phun vượt quá điểm

cực đại. Trong khoản khảo sát của áp suất

phun, ta thấy ở áp suất phun 16Mpa thì độ

107

bền của đường hàn đạt giá trị cao nhất ở

85.6Mpa. Theo lý thuyết khi tăng áp suất

phun thì độ bền tay thắng sẽ tăng theo.

Nhưng thực tế khi tăng áp suất phun qua

điểm cực đại thì độ bền lại giảm.

4. KẾT LUẬN

Thông qua nghiên cứu này, đã khảo sát 4

loại thông số ảnh hưởng đến độ bền đường

hàng của tay thắng xe máy được chế tạo

bằng vật liệu composite. Thông qua thí

nghiệm ta rút ra được một số kết luận sau:

Dựa vào biểu đồ hình 6, 7, 8 ta thấy rằng

khi tăng áp suất giữ, thời gian giữ và nhiệt

độ vùng cần gia nhiệt của insert thì độ bền

đường hàn của tay thắng sẽ tăng đáng kể.

Đối với áp suất giữ và thời gian giữ, ta tăng

chúng sẽ tăng thêm độ nén cho vị trí đường

hàn, giúp độ bền của chúng tăng lên. Khi

áp xuất giữ và thời gian giữ lần lượt đạt

20Mpa và 2.5s thì độ bền tay thắng đạt giá

trị cao nhất lần lượt là 92.2Mpa và

89.6Mpa. Thông số cuối cùng được khảo

sát là nhiệt độ insert vùng cần gia nhiệt, gia

nhiệt sẽ giúp cho nhiệt độ nhựa được ổn

định nên dễ điền đầy sản phẩm và dòng

nhựa dễ dàng hòa lẫn vào nhau dẫn đến độ

bền đường hàn của tay thắng tăng lên.

- Trong khoảng giá trị của bốn thông số thí

nghiệm khảo sát, khi tăng áp suất giữ, thời

gian giữ và nhiệt độ khuôn vùng xuất hiện

đường hàn thì độ bền đường hàn càng tăng,

nhưng độ bền đường hàn lại giảm khi ta

tăng áp suất phun..

- Khi nhiệt độ vùng insert được làm lạnh ở

10°C độ bền đương hàn giảm rỏ rệt. Vì khi

nhiệt độ lanh sẽ hạn chế quá trình nén, điền

đầy và hòa lẫn vào nhau của 2 dòng nhựa

nơi hình thành đường hàn.

- Điều kiện phun thích hợp nhất cho tay

thắng được sản xuất từ PA6 + 30%GF

trong thí nghiệm này: Áp suất phun, áp

xuất giữ, thời gian giữ và nhiệt dụng vùng

insert hình thành đường hàn lần lượt là:

20Mpa, 20Mpa, 1,5s và 50°C. Độ bền sẽ

đạt tối ưu ở 92.2Mpa.

- Kết quả thực nghiệm nằm trong giới hạn

cho phép của tiêu chuẩn Việt Nam TCVN

7236: 2003. Đồng thời trọng lượng nhẹ gấp

2 lần nhôm (47.25gam) và nhẹ gấp 7 lần so

với thép (136.5gam) trong cùng mẫu thử

108

TÀI LIỆU THAM KHẢO

[1] T. Osswald, S. Turng and P. Gramann, Injection Molding Handbook, NXB Hanser;

Ohio – USA, 2nd Edition, (2008), 764 trang.

[2] http://www.dc.engr.scu.edu/cmdoc/fp_doc/f5co1.frm.html

[3] A. I. Isayev, T. H. Lin and K. Kon, Frozen-in birefringence and anisotropic shrinkage in

optical moldings: II. Comparison of simulations with experiments on light-guide plates

Polymer, Vol 51, 2010, pp.5623-5639.

[4] Ananthanarayanan A, Gupta SK, Bruck HA, Mechanical characterization of cold weld-

lines and meld lines in mesoscopic revolute joints for bio inspired structures.

Proceedings of the Xith International Congress and Exposition Orlando, Florida USA

June:2–5, 2010.

[5] Chen SC, Jong WR, Chang JA, Dynamic mold surface temperature control using

induction heating and its effects on the surface appearance of weld line. Journal of

Applied Polymer Science 101, 2006, 1174–1180.

[6] Chen CS, Chen TJ, Chien RD, Chen SC, Investigation on the weldline strength of thin-

wall injection molded ABS parts. International Communications in Heat and Mass

Transfer 34:448– 455. doi:10.1016/j.icheatmasstransfer.2007.01.005.

[7] Fellahi S, Fisa B, Favis BD (1995) Weldline strength in injection molded HDPE/PA6

blends: influence of interfacial modification. Journal of Applied Polymer Science 57,

1995, 1319–1332.

[8] Guilong W, Guoqun Z, Xiaoxin W, Effects of cavity surface temperature on mechanical

properties of specimens with and without a weld line in rapid heat cycle molding.

Materials and Design 46, 2013, 457–472.

[9] Hashemi S, Effect of temperature on weldline integrity of injection moulded short glass

fibre and glass bead filled ABS hybrids. Polymer Testing 29, 2010, 327–336.

[10] Kharbas H, Turng LS, Spindler R, Study of weld-line strength and microstructure of

injection molded microcellular parts. Int J Adv Manuf TechnolDepartment of

Mechanical Engineering University of Wisconsin, Madison, 2002.

109

1