TỔNG QUAN
Tính cấp thiết
Rác thải nhựa đang trở thành một vấn đề nghiêm trọng trên hành tinh của chúng ta, khi mà lượng rác thải này ngày càng gia tăng Nhựa, với tính bền, dễ sử dụng và giá thành rẻ, đã trở thành một phần không thể thiếu trong cuộc sống hàng ngày, từ các thiết bị y tế đến các bộ phận máy bay Tuy nhiên, các sản phẩm nhựa dùng một lần như chai nhựa, túi nhựa và ống hút lại đang gây ra tác động tiêu cực, đặc biệt tại các bãi rác và đại dương Những sản phẩm này thường bị bỏ sót trong quá trình tái chế và có thể trôi ra biển qua hệ thống thoát nước, góp phần làm ô nhiễm môi trường.
Mỗi năm, khoảng 12,7 triệu tấn chất thải nhựa được thải ra biển, gây ra tình trạng ô nhiễm nghiêm trọng Rác thải nhựa hiện đang trôi nổi khắp các đại dương, đặc biệt là tại Thái Bình Dương, Đại Tây Dương và Ấn Độ Dương.
Loại nhựa được sử dụng để sản xuất túi nhựa và can sữa khác biệt với nhựa dùng cho nắp chai và ống hút, những loại rác thải nhựa phổ biến đang hiện diện trong đại dương Theo thời gian, các mảnh nhựa lớn sẽ phân hủy thành những mảnh vụn nhỏ cứng, gây nguy hiểm cho các loài động vật biển khi chúng có thể nhầm lẫn và nuốt phải.
Ống hút nhựa mất đến 200 năm để phân hủy, nhưng chúng sẽ không bao giờ tan rã hoàn toàn vì nhựa không thể phân hủy Những vật dụng nhỏ bé này có thể gây hại nghiêm trọng cho các loài chim biển, rùa và sinh vật biển khác, do chúng dễ dàng bị nhầm lẫn và nuốt phải, dẫn đến nguy cơ nghẹt thở và tử vong.
Việt Nam đang trong giai đoạn phát triển mạnh mẽ với nhịp sống nhanh hơn, dẫn đến nhu cầu gia tăng về sản phẩm nhựa sử dụng một lần như ly, tô, dĩa và hộp Mặc dù những sản phẩm này mang lại sự tiện lợi trong cuộc sống hối hả, nhưng chúng cũng tạo ra một lượng chất thải rắn đáng kể, gây ra những vấn đề môi trường nghiêm trọng.
Vì thế việc giải quyết và cắt giảm lượng rác thải nhựa ra ngoài môi trường là vô cùng cấp thiết.
1.1.2 Lý do lựa chọn đề tài Để góp phần giải quyết vấn đề ô nhiễm rác thải nhựa hiện nay, ngoài việc nâng cao ý thức của con người thì việc cắt giảm và thay thế đồ dùng nhựa bằng những vật liệu hữu cơ thân thiện với môi trường hơn là rất cần thiết Ở đề tài lần này, nhóm đi sâu vào đối tượng là những vật dụng hàng ngày đang rất phổ biến ở Việt Nam, đó là chén, dĩa hay hộp bằng nhựa sử dụng cho thức ăn Mục đích là có thể tạo ra những sản phẩm tương tự nhưng bằng loại vật liệu khác không gây ô nhiễm kể cả khi chúng được thải ra ngoài môi trường.
Tổng quan về tình hình nghiên cứu của đề tài
- Sản phẩm dĩa, khay đựng thức ăn từ mo cau:
Ngày 9-7, tại TP Quy Nhơn (Bình Định) đã diễn ra "Hội nghị kết nối cung cầu hàng hóa giữa tỉnh Bình Định với các tỉnh Vĩnh Long - Hậu Giang - Tây Ninh năm 2020".
Tại hội nghị, những người tham gia tỏ ra thích thú, lạ lẫm với sản phẩm khay, dĩa,muỗng, chén, bằng được sản xuất bằng mo cau.
Hình 1 1:Sản phẩm khay, dĩa, thìa từ mo cau của Việt Nam
Sản phẩm có thể dùng nhiều lần nếu đựng thức ăn khô, thậm chí đựng cả thức ăn nước nhưng sau đó phải rửa sạch, phơi khô.
- Sản phẩm từ cám bột mì của công ty Biotrem, Ba Lan
Hình 1 2:Sản phẩm dĩa, thìa từ bột mì
Jerzy Wysocki, một kỹ sư đam mê, đã nghiên cứu và thử nghiệm để tận dụng cám bột mì Ông dành nhiều thời gian và tâm huyết trong việc tìm kiếm công thức hoàn hảo, từ việc trộn bột cám đến điều chỉnh độ ẩm, áp suất và nhiệt độ, nhằm sản xuất thành công những chiếc đĩa đầu tiên từ bột mì.
Hiện tại, Startup Biotrem không chỉ sản xuất bát, đĩa và cốc uống cà phê mà còn cung cấp các sản phẩm tùy chỉnh theo yêu cầu của khách hàng, bao gồm thìa, nĩa, dao và khay đựng đồ ăn dùng một lần.
Startup Biotrem cam kết cung cấp sản phẩm không chỉ đẹp mắt mà còn bền vững và ổn định, hoàn toàn không chứa hóa chất độc hại, giúp người dùng an tâm khi sử dụng tại nhà, trong các chuyến picnic hay tại nhà hàng Đặc biệt, sản phẩm được làm từ 100% cám bột mì, cho phép người tiêu dùng có thể ăn được chúng.
Còn nếu thải ra ngoài môi trường, những chiếc bát, đĩa làm từ cám bột mì sẽ tự phân hủy sau 3 tuần.
- Sản phẩm từ lá cây:
Leaf Republic – một nhóm kỹ sư từ Đức đã tìm ra cách sản xuất những chiếc đĩa chỉ từ lá 100%.
Những chiếc đĩa này là giải pháp thay thế hoàn hảo cho đĩa nhựa dùng một lần, với khả năng chống nước vượt trội Đĩa được cấu tạo từ hai lớp: một lớp lá tự nhiên và một lớp giấy từ lá, mang lại độ bền và an toàn cho sức khỏe Giá thành của mỗi chiếc đĩa khoảng 50 cent, tương đương 11.000 đồng.
- Sản phẩm từ mo cau
Công ty Bio World của Ấn Độ đã phát triển mẫu sản phẩm dĩa ăn làm từ mo cau với rất nhiều mẫu mã đa dạng
Hình 1 4:Sản phẩm chén, dĩa khay từ mo cau của người Ấn Độ
Mục tiêu đề tài
Đề tài được thực hiện bởi 2 mục tiêu chính:
Nhóm nghiên cứu đã tìm tòi và thử nghiệm các loại vật liệu mới, bao gồm vật liệu tự nhiên và vật liệu tái chế, nhằm tạo ra những sản phẩm thân thiện với môi trường và có thời gian phân hủy ngắn Qua quá trình này, nhóm đã lựa chọn được loại vật liệu phù hợp để ép tạo hình những cái dĩa ăn, đáp ứng đầy đủ yêu cầu sử dụng hàng ngày.
Thiết kế và chế tạo máy tự động có khả năng thay thế con người trong quá trình ép vật liệu thành dĩa, giúp nâng cao hiệu suất và giảm thiểu sai sót trong sản xuất.
Phạm vi đề tài
Nhóm nghiên cứu đã thử nghiệm các loại vật liệu tự nhiên như lá cây, vỏ mía và mo cau để sản xuất dĩa ăn Đồng thời, nhóm cũng khảo sát các vật liệu có khả năng tái chế như giấy, bìa cứng và bìa carton nhằm tạo ra sản phẩm thân thiện với môi trường.
Về sản phẩm máy tự động, nhóm thiết kế, chế tạo và chạy thử nghiệm mô hình máy cỡ nhỏ với năng suất 80 cái/giờ.
Phương pháp nghiên cứu
- Tìm tòi, tổng hợp tài liệu, đặc tính của các loại vật liệu có sẵn ngoài tự nhiên cũng như vật liệu tái chế.
- Thử nghiệm các mẫu thử để đưa ra vật liệu thích hợp.
- Nghiên cứu, tham khảo kiến thức từ trường học, internet, sách báo để thiết kế và chế tạo máy tự động.
- Thiết kế, mô phỏng máy tự động trên phần mềm Solidworks.
- Chạy code điều khiển bằng phần mềm Arduino.
- Vận hành thử, kiểm nghiệm, đánh giá và cải tiến.
Nội dung tổng quan
Báo cáo này được chia thành 5 chương, bắt đầu với việc trình bày tính cấp thiết và lý do lựa chọn đề tài, cùng với tình hình nghiên cứu liên quan trong và ngoài nước, mục tiêu, phạm vi và phương pháp nghiên cứu Chương hai cung cấp cơ sở lý thuyết về vật liệu và thiết kế cơ khí của máy Chương ba chi tiết hóa các tính toán và thiết kế máy, bao gồm cả cơ khí và điều khiển Chương bốn tổng hợp kết quả thực nghiệm và đánh giá tổng quát về vận hành máy Cuối cùng, chương năm đưa ra kết luận, kiến nghị và định hướng cải tiến trong tương lai.
CƠ SỞ LÝ THUYẾT
Yêu cầu đặt ra đối với sản phẩm dĩa ăn
- Thân thiện với môi trường.
- Nguyên liệu đầu vào rẻ, dễ tìm kiếm hoặc là vật liệu tái chế.
- Sản phẩm tạo ra là sản phẩm dùng 1 lần, có khả năng sử dụng cho cả thức ăn khô và nước, cả nóng và lạnh.
- Sản phẩm có độ bền nhất định và có thời gian bảo quản lên đến 20 ngày.
Định hình kết cấu sản phẩm
Qua quá trình tham khảo, tìm hiểu các dự án đã có, nhóm đã định hình được kết cấu sơ bộ của sản phẩm dĩa ăn lần này.
- Gồm 2 lớp vậy liệu chính: lớp định hình và lớp bề mặt có tác dụng chống thấm.
Lớp định hình là vật liệu tái chế dạng tấm, có độ cứng và tính bền dẻo tương đối Vật liệu này có khả năng định hình lại sau khi bị biến dạng và duy trì hình dạng sau các tác động vật lý, thường được sử dụng làm lớp đế cho các sản phẩm.
Lớp bề mặt là vật liệu quan trọng trong dự án, không chỉ giúp chống thấm cho dĩa mà còn đảm bảo an toàn vệ sinh thực phẩm và nâng cao tính thẩm mỹ của sản phẩm.
- Kết dính bằng vật liệu được phép dùng trong thực phẩm.
Lựa chọn vật liệu
Bước đầu nghiên cứu, nhóm đã tìm và thử nghiệm với nhiều mẫu thử vật liệu và các sự kết hợp khác nhau, một vài ví dụ là:
- Bã mía, bã đậu, vỏ chuối, vỏ ngô kết dính bằng keo PVA.
- Lá chuối, bìa carton, bột năng.
Sau nhiều lần thử nghiệm và tích lũy kinh nghiệm, nhóm đã quyết định chọn lá chuối, bìa carton và bột năng làm nguyên liệu cho sản phẩm.
Phân tích ưu điểm của nhóm vật liệu lá chuối so với các loại vật liệu khác
Một số công ty tại Việt Nam đã nghiên cứu và sản xuất thành công dĩa ăn từ mo cau Tuy nhiên, mo cau là loại vật liệu hiếm, với số lượng khai thác hạn chế, dẫn đến giá thành sản phẩm cao hơn so với các loại vật liệu khác.
Vỏ ngô, vỏ chuối, bã mía và bã đậu là những nguyên liệu đòi hỏi quy trình sơ chế phức tạp và tỉ mỉ Chúng thường cần được xay nát và trộn với chất kết dính trước khi định hình vào khuôn tấm Việc đảm bảo tính kết dính và độ bền của sản phẩm từ những vật liệu này là một thách thức lớn.
Lá sen và lá súng đã được nhóm thử nghiệm, tuy lá sen có kích thước lớn nhưng phần gân lá nhiều, cần phải xử lý kỹ để có tấm lá hoàn hảo Khi xử lý, lá sen trở nên mềm hơn và dễ héo, dẫn đến việc lá trở nên giòn và dễ rách, gây khó khăn trong việc đảm bảo yêu cầu ép dĩa.
Lá chuối đã được người dân Việt Nam sử dụng từ lâu để gói thức ăn và bánh, nhờ vào những đặc tính vượt trội như bề mặt trơn nhẵn, độ dẻo dai và bền bỉ, đặc biệt sau khi được phơi khô hoặc lược chín Tất cả những nhược điểm trong việc bảo quản thực phẩm đều được lá chuối xử lý một cách hiệu quả.
Lá chuối là nguyên liệu phổ biến và dễ dàng tìm thấy trong tự nhiên, với khả năng thu hoạch dồi dào hơn so với mo cau, do đó giá thành sản phẩm cũng rẻ hơn Ngoài ra, lá chuối còn có giá trị sử dụng, thẩm mỹ và văn hóa cao đối với người Việt Nam.
Lý thuyết vật liệu
Lá chuối từ lâu đã trở thành một phần quen thuộc trong đời sống con người, đặc biệt tại các vùng quê Chúng không chỉ được sử dụng để gói bánh và thực phẩm mà còn có tác dụng phòng bệnh cho cá Sự sáng tạo của con người trong việc tận dụng lá chuối đã mang lại nhiều lợi ích thiết thực.
Vậy lá chuối đựng thức ăn có tốt không?
Câu trả lời là lá chuối thực sự rất tốt, không chỉ một mà có rất nhiều mặt tốt.
Lá chuối không chỉ giúp món ăn trở nên ngon hơn mà còn mang đến vị ngọt tự nhiên Lớp sáp trên lá chuối có hương vị tinh tế, khi thức ăn nóng được đặt lên, lớp sáp này tan chảy và hòa quyện vào món ăn, làm tăng thêm hương vị và sự hấp dẫn cho thực phẩm.
- Sạch sẽ hơn: Lá chuối không cần làm sạch quá lâu, chỉ cần rửa nó với nước sạch là chúng ta có thể sử dụng được.
Lá chuối hoàn toàn an toàn cho sức khỏe vì bạn chỉ cần rửa chúng bằng nước sạch mà không cần sử dụng xà phòng, giúp loại bỏ nỗi lo về hóa chất bám trên bề mặt lá.
- Thân thiện hơn với môi trường: Lá chuối có thể dễ dàng phân hủy trong tự nhiên trong thời gian ngắn.
Lá chuối không chỉ là một vật dụng truyền thống mà còn mang lại lợi ích sức khỏe đáng kể Theo Indiatimes, lá chuối chứa polyphenols - một loại hợp chất chống oxy hóa tự nhiên giúp chống lại các gốc tự do và ngăn ngừa bệnh tật Khi thực phẩm được đặt trên lá chuối, chúng sẽ hấp thụ polyphenols, từ đó cung cấp cho chúng ta những chất dinh dưỡng lành mạnh.
Giấy bìa carton là sản phẩm giấy tái chế trải qua nhiều vòng đời khác nhau, bao gồm ít nhất hai lớp: một lớp sóng và một lớp lót Loại giấy này có khả năng chịu lực tốt và thường được sử dụng trong ngành bao bì.
Sản phẩm gồm 9 lớp, bao gồm 4 lớp sóng và 5 lớp lót, được chế tạo từ sợi gỗ có tính chất sợi Các sợi gỗ được liên kết chặt chẽ nhờ lực hydro, tạo thành một khối vững bền và dẻo dai.
Carton nổi bật với độ cứng, bền, nhẹ và dẻo dai, giúp định hình sản phẩm hiệu quả khi bị dập lại Hơn nữa, bìa carton thân thiện với môi trường nhờ vào khả năng phân hủy nhanh và tái chế tốt.
Bìa carton là vật liệu phổ biến trong cuộc sống hàng ngày, xuất hiện dưới dạng vỏ thùng bia, thùng mì và thùng chứa hàng Nếu được sử dụng đúng cách, bìa carton có thể tái sử dụng nhiều lần, góp phần bảo vệ môi trường.
Bột năng (hay còn gọi là bột sắn, bột đao, bột lọc) là loại bột tinh khiết được chiết xuất 100% từ củ khoai mì (củ sắn – Cassava roots).
Bột năng là loại bột trắng tinh khiết, mịn, nổi bật với độ dẻo, độ nhớt cao và tính kết dính tốt khi hồ hóa Bột năng chất lượng cao thường có ít tạp chất, độ mịn hoàn hảo, không mùi chua, độ ẩm dưới 13%, độ trắng trên 92% và đạt độ trong suốt tốt khi hồ hóa, đồng thời không chứa hóa chất độc hại trong quá trình chiết xuất.
Bột năng rất phổ biến trong cuộc sống hằng ngày của người dân Việt Nam và có thể tìm mua được ở bất kỳ nơi nào với giá rất rẻ.
Quy trình công nghệ của sản phẩm
Lá chuối tươi được hái, rửa sạch và để khô cho đến khi hơi mềm Sau đó, cắt lá thành những miếng gần vuông với kích thước phù hợp với đĩa.
Bìa carton được lau sạch, khô ráo và cũng cắt tấm vuông với kích thước chuẩn trước.
- Chuẩn bị chất kết dính:
Bột năng khuấy đều với nước lạnh hoặc nước ấm theo 1 tỉ lệ thích hợp và được khuấy liên tục để bột không bị lắng cứng xuống đáy.
Xếp theo thứ tự: Bìa carton, quét 1 lớp mỏng hỗn hợp bột năng lên bề mặt, xếp lá chuối lên trên.
- Ép gia nhiệt: Đưa vật liệu đã xếp vào khuôn, ép xuống, gia nhiệt và chờ 1 lúc, mở khuôn.
Các bộ phận chính của máy:
- Khung ép: Thực hiện quá trình ép định hình vật liệu thành sản phẩm dĩa ăn
Cơ cấu truyền động đóng vai trò quan trọng trong việc di chuyển vật liệu và thu hồi sản phẩm, đảm bảo quá trình chuẩn bị vật liệu được thực hiện hiệu quả để đưa vào khung ép Đồng thời, nó cũng giúp lấy dĩa ăn đã ép xong ra khỏi khung và chuyển vào thùng sản phẩm một cách nhanh chóng và chính xác.
Cơ cấu quét chất kết dính bao gồm ba bộ phận chính: bộ phận chứa và khuấy hỗn hợp chất kết dính, bộ phận điều tiết lưu lượng và cơ chế quét chất kết dính lên bề mặt vật liệu.
Hình 3 1:Tổng quan về kết cấu máy
Tính toán, thiết kế kết cấu khung ép
(1): Khuôn trên (2): Khuôn dưới (3): Xylanh
(4): Thanh dẫn hướng (5): Các tấm cố định khuôn
Hình 3 2:Kết cấu bộ phận khuôn ép
Phương án Sử dụng máy búa
Sử dụng máy ép trục vít ma sát (Friction screw press)
Sử dụng máy ép trục khuỷu (Crank press)
Sử dụng máy ép thủy lực, khí nén Ưu điểm
Máy có công suất lớn, ép được tốc độ nhanh, thường
Máy có công suất lớn, hoạt động ổn định
Lực ép của máy lớn và hoạt động ổn định
Lực ép tốt,kinh phí để chế tạo thấp, trong rèn kim loại cao tự động hóa
Giá thành máy rất cao, khối lượng lớn
Giá thành cao, khó chế tạo
Giá thành cao, kết cấu phức tạp, khó chế tạo
Tốc độ ép không cao
Bảng 3 1:So sánh các loại máy ép
Sau khi nghiên cứu các loại máy dập, nhóm đã quyết định chọn phương án dập sử dụng nguồn lực khí nén, nhằm cân bằng giữa điều kiện kinh tế và khả năng kỹ thuật, đồng thời đáp ứng yêu cầu của đề tài.
Chọn xy lanh khí nén.
Dựa vào kích thước của khuôn dập (chiều cao của khuôn) và khoảng cách cần thiết giữa 2 khuôn.
Hình 3 3:Kết cấu khung ép và khoảng cách làm việc giữa 2 khuôn
Ta cần chọn xy lanh có hành trình lớn hơn 190mm.
Tải trọng cần thiết để đáp ứng: F = 800 (N) = 80 (kg) Áp suất khí nén của máy nén khí là P = 8 bar = 8.10^5 bar.
Từ những thông số đã có ta tính được đường kính xy lanh:
Theo tiêu chuẩn ta chọn: Đường kính xy lanh: D = 63 (mm) = 6.3 (cm)
Hành trình xy lanh: L= 200 (mm)
Tính lại lực của xy lanh đã chọn: F = P*A
Trong đó, A là diện tích của piston (m 2 )
Xy lanh khí nén được lựa chọn cần đảm bảo lực đẩy lớn hơn hoặc bằng 2 lần tải trọng yêu cầu Điều này cho thấy xy lanh đã đáp ứng đầy đủ các tiêu chí đề ra.
Các thông số liên quan tới quá trình dập :
- Tốc độ dập , lực dập.
- Góc đàn hồi của vật liệu khi dập.
- Bán kính góc lượn miệng khuôn trên và khuôn dưới khuôn dập vuốt.
- Khe hở giữa khuôn trên và khuôn dưới.
Tính kích thước của phôi.
Yêu cầu: Tính được kích thước cần thiết của phôi để sản phẩm tạo ra có kích thước như thiết kế.
Chi tiết hình trụ tròn xoay có vành:
Hình 3 5:Hình dạng sản phẩm
D: đường kính phôi (mm) d1= 100 : đường kính đáy sản phẩm (mm) d2= 130 : đường kính mặt sản phẩm (mm) d3= 150 : đường kính vành sản phẩm (mm) l = 23.6 : chiều dài cạnh nghiêng sản phẩm (mm)
Trong quá trình dập, sự biến dạng không đồng đều dẫn đến việc tạo ra các chi tiết cao không đồng nhất, thường hình thành múi Do đó, cần phải cắt mép để đạt được kích thước chính xác, vì vậy khi tính toán phôi, cần cộng thêm lượng dư cho việc cắt mép.
Trị số lượng dư chung quanh với đường kính tương đương của vành d3/d2
Sản phẩm nghiên cứu có dạng tròn xoay với vành rộng có đường kính d3 = 150 mm Lượng dư cắt mép chi tiết được xác định theo tỷ lệ đường kính d3/d2 = 1,15, dẫn đến việc chọn lượng dư cắt mép là 4,3 mm.
Do đó, chọn đường kính phôi D = 200 mm, do đó phôi có kích thước 200x200(mm).
Hệ số dập chi tiết có vành rộng
Hệ số dập của chi tiết tròn xoay dập vuốt không biến mỏng thành được xác định là tỉ số giữa đường kính sau và trước lần dập.
Vì sản phẩm có độ sâu không lớn, chỉ cần thực hiện dập một lần Hệ số dập vuốt được tính theo công thức m = (3.2), trong đó m là hệ số dập và d là đường kính chi tiết sau khi dập, tính bằng mm.
Hệ số dập vuốt phản ánh khả năng thu nhỏ đường kính của sản phẩm trước và sau khi dập Hệ số càng nhỏ đồng nghĩa với việc sự chênh lệch giữa đường kính trước và sau khi dập càng lớn, cho thấy quá trình đạt được kích thước yêu cầu của sản phẩm diễn ra nhanh chóng hơn.
Hệ số dập càng nhỏ sẽ giúp giảm số lượng bộ khuôn, tiết kiệm thời gian máy và giảm chi phí sản xuất Tuy nhiên, nếu hệ số dập vuốt quá nhỏ, mức độ biến dạng sẽ tăng lên, có thể vượt quá giới hạn bền của vật liệu và dẫn đến phế phẩm Do đó, việc xác định chính xác hệ số dập là rất quan trọng trong thiết kế quy trình công nghệ dập.
Trong quá trình dập vuốt chi tiết dạng tròn xoay có vành, mức độ biến dạng phụ thuộc vào tỉ số כ ⺄⺄mà còn phụ thuộc vào tỉ số h
Từ đó ta có trị số của hai tỉ số trên: כ ⺄⺄= ⺄⺄ כ ⺄⺄= 1
(3.3) h = Ͳ⺄ h⺄ = 1,15 h Chiều dày tương đối của phôi כ ⺄⺄
Bảng 3 3:Hệ số dập vuốt đối với chi tiết tròn xoay có vành rộng
Theo bảng hệ số dập vuốt trên ta được m = 0,53 Nhưng vì vật liệu dập là vật liệu mềm nên m = 0,53 – 0,53.(10 ÷ 20%) = 0,424 ÷ 0,477
Do đó, chọn hệ số dập vuốt là m = 0,45
Tốc độ biến dạng xảy ra từ từ khi hệ số dập vuốt nhỏ Tốc độ dập thích hợp được tính theo công thức: v = 33,3.(1 + כ )
Lực dập vuốt thực tế bao gồm nhiều thành phần, như lực ép chặn phôi, lực biến dạng vật liệu và lực thắng ma sát giữa vật liệu với khuôn Trong quá trình dập, lực không phải là hằng số mà thay đổi theo mức độ biến dạng và hành trình của khuôn trên, dẫn đến việc tính toán lực trở nên phức tạp Do đó, các công thức tính lực dập thường dựa trên những phương pháp gần đúng, được xây dựng từ giá trị trung bình hoặc kinh nghiệm thực tế.
Tính toán lực gần đúng đối với dập vuốt chi tiết tròn xoay có vành không có biến dạng mỏng thành:
(3.6) Trong đó: d = 150 mm: đường kính chi tiết sau khi dập (mm)
= 10 N/mm 2 : giới hạn bền của vật liệu (N/mm 2 )
S = 2 mm: chiều dày của vật liệu (mm) kv: hệ số để dập chi tiết có vành phụ thuộc vào hệ số dập vuốt
Tra bảng hệ số kv để tính lực dập vuốt chi tiết có vành ta được kv = 1
Suy ra, lực dập vuốt: P = 3,14.150.10.2 = 9420 N
Bảng 3 4:Hệ số kv để tính lực dập vuốt chi tiết hình trụ có vành rộng
Tính góc đàn hồi khi uốn:
Trong quá trình dập, không phải toàn bộ phôi ở phần uốn chịu biến dạng dẻo; một phần cũng chịu biến dạng đàn hồi Do đó, khi không còn bị tác động của khuôn, hình dạng của vật uốn sẽ không hoàn toàn giống với hình dạng của khuôn trên và khuôn dưới, dẫn đến hiện tượng đàn hồi sau khi uốn.
Tính đàn hồi của vật liệu được thể hiện qua góc đàn hồi β khi uốn với bán kính nhỏ (r < 10S) Đối với trường hợp uốn với bán kính lớn (r > 10S), cần xem xét sự thay đổi của bán kính cong để đánh giá chính xác tính đàn hồi.
Phương pháp tính góc đàn hồi:
Hình 3 6:Sự đàn hồi sau khi uốn Bán kính trong khi dập: ri1= כ כ॑
Vì vậy, góc cần của khuôn dưới là: 127.65 o
Cơ tính yêu cầu của khuôn trên và khuôn dưới bao gồm: sự chống mòn, sự chịu nén, chịu va chạm, tính bền dẻo và độ bền mỏi tốt.
SKD11 (12÷13%Cr) là vật liệu có khả năng chống mòn vượt trội, thường được sử dụng trong sản xuất khuôn nguội Với độ thấm tôi tốt và ứng suất tôi thấp, SKD11 lý tưởng cho các ứng dụng như khuôn gia công nguội, lưỡi cưa và trục cán hình, cũng như các chi tiết cần chịu mài mòn cao.
SKD11 cải tiến Đạt độ cứng ≥ 58 HRC khi đi ram không khí áp suất cao Độ bền dẻo tăng cao
Với 0,95%C và đạt độ cứng ≥60 HRC do đó SKS3 được dùng để gia công khuôn nguội vuốt lỗ sâu, bàn ren, các chi tiết chịu mài mòn cao…
Thép dụng cụ tốc độ cao
Thép hợp kim với thành phần 0,86÷0,94%C và 3,8÷4,5%Cr sở hữu độ dẻo dai cao cùng khả năng cắt tuyệt vời nhờ vào sự cân bằng trong thành phần hợp kim Loại thép này thường được sử dụng để chế tạo các loại dao cụ cơ khí.
Bảng 3 5:Tính chất của một số mác thép dụng cụ (theo tiêu chuẩn nhật)
Vật liệu SKD11 SKD11 cải tiến SKS3 SKH51
Bảng 3 6:Thành phần hóa học và đặc tính kỹ thuật của một số thép dụng cụ
Lưu ý: Dữ liệu này là các giá trị điển hình nhưng không phải là các giá trị đảm bảo.
Sản phẩm được thiết kế để đựng đồ ăn, do đó cần đảm bảo sạch sẽ, hợp vệ sinh và không bị rỉ sét Nhóm đã quyết định sử dụng thép hợp kim SKD11 cho sản phẩm Sau khi gia công bằng máy phay CNC, khuôn sẽ được xi mạ điện để ngăn ngừa rỉ sét, đảm bảo vệ sinh cho sản phẩm.
Bán kính góc lượn miệng khuôn trên và khuôn dưới khuôn dập vuốt
Bán kính góc lượn của khuôn trên và khuôn dưới trong quá trình dập vuốt có ảnh hưởng đáng kể đến các chi tiết và yếu tố của quá trình này Khi bán kính góc lượn lớn, trở lực biến dạng giảm, giúp giảm lực dập vuốt, nhưng cũng dễ gây ra nếp nhăn ở thành và mép sản phẩm Vì vậy, việc lựa chọn bán kính góc lượn cần phải nằm trong giới hạn cho phép, tùy thuộc vào độ dày và loại vật liệu.
Bán kính góc lượn khuôn dưới được tính theo công thức:
Rc : Bán kính góc lượn của khuôn dưới
Rch : Bán kính góc lượn của khuôn trên
D: đường kính phôi (mm) d3: đường kính ngoài của sản phẩm (mm)
Hình 3 7:Bán kính góc lượn khuôn trên và khuôn dưới
Thiết kế khung máy
- Thiết kế, lựa chọn kết cấu khung
- Chọn vật liệu làm khung máy
- Tính toán độ bền khung
3.2.1 Thiết kế, lựa chọn kết cấu khung
Sau khi nghiên cứu và tham khảo nhiều kiểu kết cấu khung cho dập và ép, nhóm đã quyết định lựa chọn và thiết kế khung có kết cấu dạng hộp.
Hình 3 13:Kết cấu khung máy
Các phương án đề xuất về việc chọn kiểu thép:
Sử dụng thép dạng đặc, dạng tấm Sau đó dùng các mối ghép như hàn, bulong – đai ốc để ghép lại tạo thành khung
Sử dụng thép hộp (vuông) và sau đó liên kết bằng mối ghép hàn để tạo thành khung chịu lực
Sử dụng gang đúc thành khối khung chịu lực Ưu điểm
Khung máy chắc chắn,bền, chịu được lực lớn, dễ lắp ghép và có độ chính xác cao
Tiết kiệm chi phí, linh hoạt trong việc cắt ghép, điều chỉnh, khối lượng nhẹ nhưng chịu được tải trọng lớn( so với khối lượng của chính thanh thép)
Chắc chắn, bền vững, khử được rung động khi sản xuất, chính xác
Giá thành hoàn thiện khung tương đối cao, khung có khối lượng nặng, cồng kềnh
Khó khăn trong việc hàn để ghép khung, độ chính xác không cao, khả năng chịu lực không được quá lớn
Bảng 3 10:So sánh các loại vật liệu thiết kế khung Sau khi xem xét để cân bằng giữa khả năng kinh tế và điều kiện kỹ thuật thì:
- Đối với việc sản xuất thực nghiệm thì nhóm sẽ chọn phương án 2: sử dụng thép hộp.
- Đối với sản xuất thực tế thì nhóm sẽ chọn phương án 1: sử dụng thép đặc và các tấm thép.
- Phương án sử dụng 3 chi phí quá lớn, mặt khác yêu cầu kỹ thuật của máy cũng không cần thiết phải sử dụng.
Kết luận: Chọn thép hộp.
3.2.2 Tính toán, kiểm nghiệm độ bền khung
Khung máy được chế tạo từ thép hộp, thiết kế theo mô hình sơ bộ Các thanh thép được kết nối với nhau bằng phương pháp hàn Tổng khối lượng của xy lanh, khuôn và tấm đỡ là 35kg, trong khi lực ép của xy lanh đạt 2480N, tương đương với 248kg.
Do đó tổng tải trọng tác dụng lên thành phần các thanh thép đỡ là 283kg.
- Đối với 2 thanh thép đỡ khuôn dưới:
Tải trọng đầu vào là 283kg, được phân bố đều lên tấm đỡ dưới Tấm đỡ được hỗ trợ bởi hai thanh thép, do đó tải trọng được coi là lực phân bố đều trên toàn bộ chiều dài các thanh Các thanh này chịu uốn phẳng thuần túy, và ứng suất uốn xuất hiện trên thanh được xác định theo công thức tương ứng.
Chúng ta sẽ xác định ứng suất lớn nhất và lựa chọn kích thước thép hộp phù hợp, đảm bảo rằng ứng suất giới hạn của thép được chọn lớn hơn ứng suất lớn nhất phát sinh.
Bước 1: phá vỡ liên kết, tìm phản lực liên kết và trọng tâm mặt cắt ngang
Bước 2: tìm Mxmax, Jx, ykmax, ynmax
Bước 3: tìm max k , max n và chọn thép
Phân tích lực tác dụng lên thanh thép, ta có:
Hình 3 14:Biểu đồ nội lực của 2 thanh thép đỡ khuôn dưới
Gọi Ra và Rb là phản lực liên kết tại hai đầu của thanh, với tải trọng 283kg được phân bổ đều cho hai thanh chịu lực trên khung, mỗi thanh sẽ chịu tải trọng 141,5kg.
Theo như mô hình tính, ta có
Tiếp theo ta sẽ xác định trọng tâm của mặt cắt ngang:
Hình 3 15:Mặt cắt ngang của thép hộp
Vì mặt cắt ngang là tiết diện hình vuông cạnh “c” mm nên ta dễ dàng xác định được trọng tâm mặt cắt nằm ngay tâm của mặt cắt là c/2.
Khi có Ra và Rb, từ đó ta vẽ được biểu đồ Qy, Mx như hình trên và tính được Mmaxt,375a (N.mm).
Tính momen quán tính Jx: gọi Jx-ngoai, Jx-trong lần lượt là momen quán tính của tiết diện ngoài (vuông C.C) và tiết diện trong (vuông (C-2t).(C-2t)).
Jx= Jx-ngoai– Jx-trong
Mặt cắt ngang cho thấy sự phân bố lực, trong đó các điểm dưới thanh chịu lực kéo và các điểm trên thanh chịu lực nén Lực kéo lớn nhất xảy ra tại Ymax = c/2 mm, trong khi lực nén lớn nhất xảy ra tại Ymin = -c/2 mm.
Hình 3 16:Biều đồ phân bố lực trên mặt cắt -Bước 3: thay vào công thức ta tính được ⒘ như sau: σ max k = M x max J כy k max x c כ aכ c/ c t (N/mm 2 ) (3.37) σ max n = M x max J כy n max x c כ aכ c/ c t (N/mm 2 ) (3.38)
Theo như thị trường, ta có một số sự lựa chọn:
Bảng 3 11:Quy chuẩn trọng lượng ống thép vuông – chữ nhật (Đơn vị tính: kg/cây
Ta chọn thép vuông cạnh 30mm x 30mm và chiều dày là 1,7mm Đối với 2 thanh có chiều dài 0.43mC0mm, ta có:
So sánh với bảng quy chuẩn cơ tính chất lượng thép:
Giới hạn chảy Yeild Point (N/ 2 )
Strength (N/ 2 ) Độ giãn dài Elongation (%)
Steel bars for concrete reinforcement
25Mn2Si 392 min 590 min 14 min
Bảng 3 12:Quy chuẩn cơ tính chất lượng thép Qua bảng ta thấy giới hạn chảy của loại thép ta chọn CT34 là
= h⺄ = = Ͳ⒘Ͳ⺄Ͳ lớn hơn ứng suất sinh ra nên khung chịu lực đảm bảo điều kiện bền với kích cỡ thép chọn là 30x30x1,7.Tương tự, đối với 2 thanh đỡ dưới dài 1,39m:
Hình 3 17:Biểu đồ nội lực thanh thép 1,39m Ra6.92N
= = כ o = ⒘ כ h9⺄ h⺄ h⺄ h⺄ כ ⒘t = t⒘Vẫn đảm bảo điều kiện chịu lực của thép hộp 30x30x1.7
Cơ cấu truyền động để di chuyển vật liệu và lấy sản phẩm
3.3.1 Lựa chọn cơ cấu truyền động để di chuyển vật liệu Để thực hiện công đoạn di chuyển vật liệu và lấy sản phẩm, nhóm đã lựa chọn cơ cấu truyền động đai.
Hình 3 18:Mô phỏng cơ cấu kéo đai
Truyền động đai là phương pháp truyền động sử dụng dây kéo để truyền mômen xoắn và tốc độ giữa hai trục, cho phép khoảng cách lớn hơn so với bộ truyền bánh răng Với cấu tạo từ nhựa, cao su hoặc vải dệt, truyền động đai có những đặc điểm khác biệt rõ rệt so với các hệ thống truyền động khác như bánh răng hoặc xích.
- Việc truyền lực có tính đàn hồi
- Chạy êm và ít ổn, chịu sốc
- Khoảng cách trục có thể lớn
- Không cẩn thiết bôi trơn
- Phí tổn bảo dưỡng ít
- Bị trượt qua sự giãn nở của dây đai
- Qua đó không có tỷ lệ truyền chính xác
- Nhiệt độ ứng dụng bị giới hạn
- Thêm tải trọng lên ổ trục do lực căng cần thiết của dây đai
Tất cả các dây đai phải được căng để có thể thực hiện việc truyền momen xoắn. Điều này được thực hiện bằng cách:
- Lắp ráp với lực căng ban đầu hoặc một con lăn căng đai ở khoảng cách trục nhất định.
- Đẩy hoặc quay động cơ khi khoảng cách trục bù có thể được tăng lên.
Nhóm sử dụng dây đai GT2 kết hợp ăn khớp với pulli 2mm 20 răng để thực hiện truyền động.
Hình 3 19:Dây đai GT2 bề rộng 6mm
3.3.3 Chọn động cơ cho cơ cấu truyền đai Động cơ bước (stepping motor ). Ưu điểm :
- Khi dùng động cơ bước không cần mạch phản hồi cho cả vi điều khiển vị trí và vận tốc
Động cơ bước rất phù hợp với các thiết bị điều khiển số, nhờ khả năng điều khiển số trực tiếp, chúng trở thành lựa chọn phổ biến trong các thiết bị cơ điện tử hiện đại.
- Thường được sử dụng trong các hệ thống máy CNC.
- Phạm vi ứng dụng là ở vùng công suất nhỏ và trung bình.
- Hiệu suất động cơ bước thấp hơn các loại động cơ khác. Động cơ một chiều (DC motor). Ưu điểm :
- Momen xoắn lớn, giá thành rẻ Nhược điểm:
- Đáp ứng chậm trong khi mạch điều khiển lại phức tạp.
- Phải có mạch phản hồi thì mới nâng cao độ chính xác. Động cơ SERVO: Ưu điểm:
- Có 2 loại AC và DC.
- Tốc độ đáp ứng nhanh, độ chính xác cao.
- Driver phức tạp, giá thành cao.
Kết luận: Ta chọn động cơ bước 56x56x64 24V DC làm động cơ dẫn động các trục tọa độ với các thống số: - Điện áp làm việc: 24V.
3.3.4 Giới thiệu động cơ bước
Động cơ bước là một loại động cơ điện đặc biệt, khác biệt với các động cơ điện thông thường Chúng hoạt động dựa trên nguyên lý động cơ đồng bộ, có khả năng chuyển đổi các tín hiệu điều khiển thành các xung điện rời rạc Nhờ đó, động cơ bước có thể tạo ra các chuyển động góc quay chính xác và giữ roto ở các vị trí cần thiết.
Động cơ bước có cấu tạo đặc biệt, kết hợp giữa động cơ một chiều không tiếp xúc và động cơ đồng bộ giảm sóc công suất nhỏ, tạo ra khả năng điều khiển chính xác và hiệu suất cao.
Động cơ bước hoạt động theo cơ chế quay từng bước, mang lại độ chính xác cao trong điều khiển Chúng sử dụng các bộ chuyển mạch điện từ để truyền tín hiệu điều khiển vào stato theo thứ tự và tần số nhất định Tổng số góc quay của roto tương ứng với tần số chuyển mạch, đảm bảo hiệu suất hoạt động tối ưu.
Động cơ bước là một cơ cấu chấp hành hiệu quả trong điều khiển chuyển động kỹ thuật số, cho phép thực hiện chính xác các lệnh số Với khả năng điều khiển chính xác, động cơ bước được ứng dụng rộng rãi trong ngành Tự động hóa và các thiết bị yêu cầu độ chính xác cao.
Động cơ bước được ứng dụng rộng rãi trong công nghệ máy tính, như điều khiển robot, các trục máy CNC, tiêu cự trong hệ quang học, và các cơ cấu lái trong máy bay Ngoài ra, nó còn được sử dụng trong các thiết bị như ổ đĩa cứng, ổ đĩa mềm và máy in.
3.3.5 Lựa chọn cơ cấu hút vật liệu và lấy sản phẩm Để thực hiện công đoạn giữ vật liệu vận chuyển từ các khay chứa đặt lên khay để sắp xếp các lớp vật liệu trước khi đưa vào khuôn ép và giữ sản phẩm từ khuôn ép ra khay đựng sản phẩm, nhóm đã lựa chọn cơ cấu hút chân không kết hợp truyền động thanh răng bánh răng.
Cơ cấu hút chân không được thiết kế với động cơ có công suất nhỏ, khoảng 5kg, do tải áp lên motor không lớn Động cơ bước 35x35x34 được lựa chọn làm động cơ dẫn động cho cụm cơ cấu này.
Giác hút chân không được lắp đặt trên thanh răng, cho phép di chuyển theo trục dọc, giúp hút phôi và sản phẩm từ nhiều vị trí khác nhau Cơ cấu này sử dụng khí nén, với khí được cấp vào giác hút qua van điện và van hút chân không.
Hình 3 23:Van hút chân không
Van hút chân không bao gồm ba phần chính: đầu khí vào, đầu hút và đầu xả khí Đầu hút được kết nối trực tiếp với giác hút chân không, trong khi đầu vào được nối với nguồn khí, và đầu xả giữ nguyên vị trí.
Cơ cấu quét chất kết dính
3.4.1 Lựa chọn cơ cấu điều tiết bột và quét bột lên bề mặt vật liệu
- Thiết kế bồn trộn bột
Nhóm sử dụng chất kết dính là bột năng pha sẵn với nước, tạo ra hỗn hợp loãng dễ bị đóng đặc do bột lắng xuống Để giữ cho bột luôn ở trạng thái lỏng và tránh gây tắc nghẽn ống dẫn, nhóm đã thiết kế bồn trộn với một chân vịt quay liên tục, được điều khiển bằng động cơ DC để khuấy đều bột Ống dẫn bột được bố trí ở đầu ra bên cạnh đáy bồn trộn, kết nối với van nước điện từ để điều tiết bột chảy xuống vật liệu.
- Lựa chọn van nước điện từ
Van nước điện từ là thiết bị quan trọng giúp điều tiết lượng bột một cách chính xác Nó có khả năng đóng mở tức thời, hoạt động với nguồn điện 220V hoặc 24V để điều khiển quá trình này.
Nhóm đã lựa chọn van nước điện từ thường đóng 24V để điều khiển cho cơ cấu.
Hình 3 24:Van nước điện từ thường đóng 24V
Van điện từ 24V có ưu điểm vượt trội về độ bền và an toàn, ít xảy ra tình trạng quá tải Khi hoạt động liên tục, loại van này cho thấy khả năng bền bỉ hơn so với van sử dụng điện xoay chiều 220V Bên cạnh đó, van điện từ 24VDC vận hành êm ái, không gây ra tiếng ồn lớn trong quá trình hoạt động, tạo sự thoải mái cho người sử dụng.
Cấu tạo van nước điện từ
Hình 3 25:Cấu tạo van nước điện từ Cấu tạo cơ bản của van thường đóng bao gồm:
1 Thân van: Chất liệu đồng, inox, thép
2 Môi chất: Nước, dầu, khí nén, gas…
4 Vỏ ngoài cuộn hút (bảo vệ cuộn hút)
5 Cuộn hút (cuộn dây điện từ)
9 Khe hở để lưu chất đi qua
Nguyên lý làm việc của van nước điện từ
Khi cuộn hút nhận điện áp điều khiển 24v hoặc 220v, lực điện từ được tạo ra, hình thành nam châm điện Lực này sẽ nâng cửa van bằng thép, cho phép lưu chất đi qua.
Khi ngừng cung cấp điện áp Lúc này lực từ trường sẽ mất đi Lực đàn hồi của lò
3.4.2 Thiết kế cơ cấu con lăn bột
Hình 3 26:Cơ cấu con lăn bột
Con lăn quét sơn có bề mặt mịn và ngắn, giúp bột không bị đọng lại nhiều Bột được điều tiết qua van và chảy đều xuống ống dẫn, sau đó được rải lên bề mặt con lăn Khi vật liệu di chuyển tiếp xúc với con lăn, bột sẽ được quét đều lên bề mặt của nó.
THỰC NGHIỆM, ĐÁNH GIÁ
Sản phẩm dĩa ăn
Hình 4 1:Dĩa ăn thành phẩm
Dĩa ăn sau khi ép có độ dày khoảng 1mm, với lớp carton định hình mang lại độ cứng cáp cần thiết Lớp bột được gia nhiệt có độ nhớt và kết dính tốt, trong khi lớp lá trên bề mặt vẫn nguyên vẹn, giữ được màu sắc và khả năng chống thấm.
Dĩa có khả năng đựng được cả thức ăn khô hay nước, nóng hay nguội.
Để bảo quản dĩa hiệu quả, nên giữ ở nhiệt độ lạnh từ 15-20 độ C Khi để ở điều kiện nhiệt độ thường, lớp lá sẽ nhanh chóng héo và co lại, dẫn đến việc dĩa bị biến dạng.
Sản phẩm máy tự động
- Máy vận hành ổn định, tỉ lệ sản phẩm bị lỗi thấp.
- Năng suất máy hiện tại: 80 cái/giờ
Hình 4 2:Mô hình máy tổng thể
Hình 4 3:Mô hình máy tổng thể
Hình 4 4:Mô hình máy tổng thể
Hình 4 7:Cơ cấu lăn bột
Hình 4 8:Hệ thống mạch điều khiển
Hình 4 9:Mạch điều khiển nhiệt độ khuôn
Kết luận
Sản phẩm được phát triển nhằm đáp ứng nhu cầu sử dụng và thẩm mỹ, sử dụng nguyên liệu giá rẻ từ nguồn gốc tự nhiên và vật liệu tái chế, đồng thời bảo vệ môi trường Tuy nhiên, vẫn còn tồn tại những hạn chế về khả năng kết dính và bảo quản.
• Thiết kế cơ khí của máy vẫn còn nhiều thiếu sót gây ảnh hưởng tới năng suất.
Định hướng cải tiến
• Cải thiện thiết kế cơ khí, nâng cao năng suất máy.
• Tìm thêm nhiều nguồn vật liệu, đa dạng hóa hơn nữa sản phẩm.
• Nghiên cứu và khác phục nhược điểm về bảo quản của sản phẩm.
