Trong ngành sản xuất, khuôn đúc là những người hùng thầm lặng mang đến hình dạng cho vô số sản phẩm. Tuy nhiên, sẽ là sai lầm lớn nếu cho rằng tất cả các loại khuôn đều giống nhau. Điều này cũng tương tự như sự khác biệt giữa các công cụ được dùng để tạo hình kim loại và những công cụ dùng để tạo hình nhựa – hai loại khuôn hoàn toàn khác biệt, được thiết kế để xử lý các đặc tính vật liệu và yêu cầu sản xuất sản phẩm riêng biệt. Việc nắm rõ những khác biệt chính giữa khuôn dập kim loại và khuôn gia công nhựa là rất quan trọng đối với kỹ sư, nhà thiết kế và nhà sản xuất.
1. Thách thức cốt lõi: Đặc tính vật liệu
Đá đính kim loại: Những loại này phải đối mặt với vấn đề biến dạng nhựa trong trạng thái rắn. Giữa các thành phần của die được đặt tấm kim loại hoặc cuộn (ví dụ: thép, nhôm, đồng). Việc sử dụng áp lực lớn (tăng lượng) buộc kim loại phải chịu đựng vĩnh viễn, nó uốn cong, kéo dài, cắt, hoặc kéo vào một hình dạng có thể mà không bị tan chảy. Sự nhấn mạnh này là vượt qua sức mạnh của kim loại và xử lý mùa xuân trở lại (hành động của kim loại tự cho phép một chút khi cố gắng duy trì hình dạng ban đầu của nó).
Khuôn ép nhựa: Những khuôn này làm việc với vật liệu ở trạng thái nóng chảy hoặc mềm hoàn toàn. Các hạt nhựa được nung chảy cho đến khi chúng có thể chảy như chất lỏng nhớt. Hỗn hợp nóng chảy này sau đó được tiêm hoặc ép vào buồng khuôn bằng áp lực. Nhựa sau đó đóng rắn trong khuôn và có được hình dạng cuối cùng. Điều này là do những khó khăn trong việc kiểm soát động lực học dòng chảy, đảm bảo lấp đầy hoàn toàn buồng khuôn, kiểm soát quá trình làm nguội theo cách hạn chế tối đa các khuyết tật (như lõm co hoặc cong vênh) và đảm bảo việc đẩy chi tiết đã đông cứng ra khỏi khuôn được dễ dàng.
2. Ưu tiên trong Thiết kế và Xây dựng Khuôn
Khuôn dập kim loại:
●Độ bền & Khả năng chống mài mòn: Là yếu tố hàng đầu. Các khuôn phải chịu được những va đập lớn và thường xuyên, tình trạng kẹt và mài mòn do tiếp xúc kim loại chuyển động gây ra. Thép dụng cụ (như D2, A2) hoặc thậm chí cacbua thường được sử dụng, và thường được tôi đến độ cứng Rockwell C rất cao.
●Khe hở chính xác: Hoạt động cắt xảy ra với khoảng cách rất nhỏ giữa chày và cối nhằm tránh tạo ra ba via quá mức và/hoặc gây hư hại cho các công cụ đang sử dụng.
●Áp dụng áp lực: Thiết kế nhằm truyền tải lực lớn một cách hiệu quả nhờ vào các thành phần cấu trúc chắc chắn (chày, cối, đế die).
●Thường gặp: Khuôn dập cắt nhiều hình dạng, đặc biệt liên quan đến các chế độ uốn hoặc cắt đơn giản, không đòi hỏi độ phức tạp cao như khuôn nhựa.
●Khuôn ép nhựa:
●Buồng và lõi phức tạp: Khuôn xác định hình dạng bên ngoài (buồng) và bên trong (lõi) phức tạp của sản phẩm nhựa được thiết kế. Mức độ phức tạp có thể rất cao.
●Hệ thống làm mát: Hệ thống kênh dẫn chất làm mát (nước hoặc dầu) bên trong là yếu tố thiết yếu. Làm mát tối ưu và đồng đều sẽ ảnh hưởng trực tiếp đến thời gian chu kỳ và chất lượng sản phẩm.
●Hệ thống cổng phun: Hệ thống sprue, runner, cổng rót là nơi nhựa nóng chảy đi qua để điền vào buồng khuôn từ đầu phun của máy. Thiết kế của chúng ảnh hưởng đến mẫu chảy, áp suất điền đầy và ngoại hình của sản phẩm.
●Hệ thống đẩy sản phẩm: Các chốt đẩy, ống lót hoặc hệ thống nâng được bố trí cẩn thận để đẩy sản phẩm đã nguội ra khỏi khuôn mà vẫn giữ nguyên vẹn sản phẩm.
●Thoát khí: Thoát khí được thực hiện thông qua các rãnh hoặc lỗ nhỏ để giải phóng không khí bị mắc kẹt khi vật liệu nóng chảy đi vào buồng khuôn nhằm tránh cháy hoặc không điền đầy đủ.
●Vật liệu: Có thể là thép công cụ tôi cứng (P20, H13, S7), hoặc thép không gỉ các loại, nhưng chất lượng bề mặt và khả năng chống ăn mòn (đặc biệt đối với một số loại nhựa) cũng là những yếu tố quan trọng.
3. Môi Trường Sản Xuất
Dập kim loại: Thường được thực hiện trên máy ép cơ hoặc máy ép thủy lực. Quá trình này thường diễn ra rất nhanh (có thể sản xuất hàng trăm chi tiết trong một phút cho các bộ phận đơn giản). Đây thường là một quá trình nguội, mặc dù cũng có một số phương pháp tạo hình đặc biệt đòi hỏi phải gia nhiệt. Ma sát và mài mòn thường được giảm thiểu bằng chất bôi trơn.
Xử lý nhựa: Đây là cách nhựa được chế tạo chủ yếu thông qua việc sử dụng máy ép phun, nhưng cũng bao gồm các phương pháp khác như thổi ph phun, đúc nén, v.v. Bản chất của quá trình này thường đòi hỏi lượng nhiệt đáng kể: làm nóng chảy nhựa sau đó làm nguội trong khuôn. Chu kỳ có thể dao động từ vài giây đến vài phút tùy thuộc vào kích thước và độ dày thành của sản phẩm. Hiệu quả làm nguội ảnh hưởng rất lớn đến thời gian chu kỳ. Các chất giải phóng khuôn có thể được sử dụng, tuy nhiên chúng không phổ biến như các chất bôi trơn trong dập kim loại.
4. Tuổi thọ & Cơ chế mài mòn
Khuôn dập kim loại: Mài mòn do ma sát - chủ yếu giữa kim loại và thép công cụ, dính ướt - trầy xước. Các vết cắt sẽ bị cùn đi theo thời gian. Ngoài ra, có thể xuất hiện nứt do mỏi vì ứng suất tuần hoàn cao. Bảo trì bao gồm mài sắc lại, thay thế các khu vực bị mài mòn hoặc lắp thêm các linh kiện thay thế. Tuổi thọ truyền thống được tính bằng hàng trăm nghìn đến hàng triệu lần đóng khuôn nếu khuôn được bảo dưỡng tốt.
Khuôn ép nhựa: Các loại mài mòn gặp phải bao gồm mài mòn do chất độn trong nhựa, ăn mòn do một số loại polymer hoặc nước làm mát, và có thể cả xói mòn do tốc độ chảy cao của nhựa nóng chảy. Một đặc tính thẩm mỹ bị ảnh hưởng là vẻ bề ngoài của sản phẩm, do độ bóng bề mặt lòng khuôn bị suy giảm. Bảo trì bao gồm đánh bóng, sửa chữa các hư hại trên bề mặt, thông tắc hệ thống làm mát hoặc lỗ thông hơi. Tuổi thọ của khuôn cũng rất cao (từ hàng trăm nghìn đến hàng triệu chu kỳ), tuy nhiên rất nhạy cảm với loại nhựa sử dụng cũng như việc bảo trì.
Tại sao sự phân biệt này lại quan trọng
Việc lựa chọn sai phương pháp thiết kế khuôn và triết lý phù hợp với vật liệu sẽ dẫn đến thất bại ngay từ đầu. Một bộ khuôn dùng để dập kim loại không có các kênh làm mát và hệ thống cổng phun mà nhựa yêu cầu. Một vết ấn (impression) bằng nhựa sẽ không chịu nổi độ rung động khi dập thép. Đó là những khác biệt cơ bản: biến dạng thể rắn và gia công nóng chảy, nhu cầu tối ưu hóa làm mát, kiểm soát khe hở cẩn thận, quản lý dòng chảy và biến dạng đàn hồi ngược, và tất cả đều cần được hiểu rõ để:
● Thiết kế dụng cụ hiệu quả và bền bỉ.
●Tối ưu hóa quy trình sản xuất.
●Lựa chọn vật liệu phù hợp cho bản thân bộ khuôn.
●Xử lý sự cố trong sản xuất một cách hiệu quả.
●Ước tính chính xác chi phí dụng cụ và chi tiết.
Mặc dù cả hai loại khuôn khác nhau này đều là những thiết bị chính xác, cần thiết trong các nỗ lực sản xuất hàng loạt, nhưng thiết kế, cấu tạo và chức năng của chúng lại tuân theo những nguyên lý vật lý hoàn toàn khác biệt, trong đó kim loại và nhựa được gia công từ dạng nguyên liệu ban đầu thành sản phẩm hoàn chỉnh. Đây là sự khác biệt cơ bản tạo ra nhiều cơ hội lớn trong ngành sản xuất.