Gia công khuôn là một quy trình kỹ thuật để chế tạo các khuôn được sử dụng trong các quá trình sản xuất như đúc, ép nhựa, dập,… Khuôn là một bộ phận quan trọng trong quá trình sản xuất, quyết định hình dạng, kích thước và chất lượng của sản phẩm cuối cùng.

1. Tổng quan gia công khuôn

1.1 Khái niệm

Gia công khuôn là quá trình tạo ra các bề mặt, hình dạng và đặc tính mong muốn trên bề mặt khuôn bằng các phương pháp gia công cơ khí, gia công kim loại bằng tia lửa điện, gia công kim loại bằng laser,…

1.2 Khuôn mẫu là gì? 

Khuôn mẫu chính là trung tâm của công nghệ ép phun, nó được gia công tạo hình dựa trên hình dạng sản phẩm mong muốn. Sản phẩm ép phun được định hình dạng nhờ cấu tạo và hình dạng của lòng khuôn (còn được gọi là lõi khuôn hay cuốc khuôn).

Khuôn mẫu gồm có 2 bộ phận chính là khuôn đực và khuôn cái. Người ta chia khuôn thành 2 phần đó là: phần cố định khuôn và phần di động khuôn.

1.3 Gia công khuôn mẫu CNC là gì?

Gia công khuôn mẫu CNC là phương pháp gia công cơ khí bằng máy móc ứng dụng công nghệ hiện đại CNC. Với công nghệ này sản phẩm tạo ra đạt độ chính xác cao với tốc độ làm việc rất nhanh chóng.

Trong gia công khuôn mẫu CNC, máy móc sẽ tạo ra chi tiết bằng việc loại bỏ vật liệu khỏi 1 khối rắn dựa trên mô hình CAD. CNC sẽ cho ra đời các bộ phận có dung sai rất chặt chẽ và tính chất vật liệu hoàn hảo và độ lặp lại cao, góp phần tối ưu chi phí khi sản xuất.

1.4 Vai trò của gia công khuôn

Gia công khuôn có vai trò quan trọng trong quá trình sản xuất, cụ thể là:

• Xác định hình dáng, kích thước và chất lượng của sản phẩm cuối cùng: Khuôn là một bộ phận quan trọng quyết định hình dáng, kích thước và chất lượng của sản phẩm cuối cùng. Chính vì vậy, gia công khuôn cần được thực hiện chính xác và tỉ mỉ để đảm bảo sản phẩm cuối cùng đạt chất lượng cao.
• Tăng năng suất sản xuất: Khuôn được sử dụng trong quá trình sản xuất hàng loạt, giúp tăng năng suất sản xuất và giảm chi phí sản xuất.
• Tiết kiệm nguyên vật liệu: Khuôn được sử dụng nhiều lần, giúp tiết kiệm nguyên vật liệu và giảm chi phí sản xuất.

1.5 Phân loại khuôn gia công

Khuôn gia công được phân loại dựa trên nhiều tiêu chí khác nhau, bao gồm:

• Theo phương pháp sản xuất: Khuôn gia công được chia thành hai loại chính là khuôn đúc và khuôn ép.
• Theo loại sản phẩm: Khuôn gia công được chia thành nhiều loại khác nhau, phù hợp với từng loại sản phẩm cụ thể. Ví dụ: khuôn ép nhựa, khuôn dập, khuôn đúc,…
• Theo số lượng lần sử dụng: Khuôn gia công được chia thành khuôn sử dụng một lần và khuôn sử dụng nhiều lần.

1.6 Các loại khuôn gia công

Các loại khuôn mẫu được sử dụng phổ biến hiện nay phải kể đến:

• Khuôn đúc cát

Khuôn đúc cát là công cụ dùng để tạo hình các vật thể từ chất lỏng thành dạng khối bằng việc rót vật liệu nóng chảy vào khuôn. Phương pháp này được sử dụng nhiều trong lĩnh vực chế tạo máy móc và phương tiện vận tải. Các sản phẩm gồm thân động cơ, bộ phận phân phối, bánh xe, ống xả, thậm chí là tượng nhỏ, được làm từ các loại kim loại thép, đồng, nhôm.

• Khuôn đúc áp lực

Đúc áp lực là phương pháp tạo ra sản phẩm bằng cách rót kim loại nóng vào khuôn và đông đặc dưới tác dụng của áp lực cao.

Phương pháp khuôn đúc áp lực chủ yếu áp dụng để sản xuất các chi tiết phức tạp như van dẫn khí, kèn đồng, bộ phận động cơ, các sản phẩm chính xác. Nguyên liệu thường sử dụng gồm kẽm, chì, nhôm, đồng.

• Khuôn rèn dập

Khuôn rèn dập là quá trình tạo hình sản phẩm bằng cách dập vật liệu trong khuôn. Phương pháp này tạo ra các sản phẩm như trục khuỷu, khớp nối, tay biên,… Nó được ứng dụng rộng rãi trong lĩnh vực sản xuất máy bay, ô tô, thiết bị xây dựng, sản phẩm gia đình, máy nông nghiệp, sản phẩm điện tử,…

• Khuôn dập định hình

Khuôn dập định hình là loại khuôn tạo ra sản phẩm bằng cách dập tấm kim loại vào khuôn. Chúng được sử dụng nhiều trong công nghiệp, sản xuất chi tiết kim loại trong máy bay, ô tô, đồ gia đình, thiết bị điện, điện tử, sản phẩm tiêu dùng, sản phẩm y tế, thiết bị quân sự, khung và cánh cửa, vành xe thép, ca cốc, khay nhôm,…

2. Các phương pháp gia công khuôn mẫu CNC

Các phương pháp gia công khuôn mẫu CNC hiện nay đang được sử dụng phổ biến gồm:

Phương pháp gia công khuôn

Sử dụng phay CNC để hoàn thiện bề mặt đã gia công trên nhựa hoặc kim loại cấp kỹ thuật hoặc tạo các hình dạng 3D phức tạp. Phương pháp phay CNC sử dụng các trung tâm gia công khuôn mẫu CNC có độ chính xác cao với công cụ thay đổi nhanh chóng.

Trong gia công phay CNC, chi tiết được gắn trên bàn máy và vật liệu được loại bỏ bằng công cụ cắt chuyển động quay. Phần dao cắt có thể di chuyển theo đường thẳng, lên xuống, ngang dọc, đường tròn hoặc di chuyển trong không gian 3D làm đa dạng khả năng gia công.

2.2 Tiện CNC

Tiện CNC là quá trình sản xuất, trong đó các thành phần hoặc thanh vật liệu được giữ trong mâm cặp và quay. Một công cụ cắt loại bỏ vật liệu để tạo ra hình dạng như mong muốn. Công cụ cắt được điều khiển bởi máy tính, cho phép thực hiện các quy trình chính xác và có thể lặp lại.

Máy tiện CNC gia công khuôn mẫu theo các mặt trụ tròn xoay. Ứng dụng gia công ren ngoài, ren trong, cắt bậc, cắt mặt, tiện trong, tiện ngoài,…

2.3 Cắt dây tia lửa điện

Cắt dây tia lửa điện là phương pháp gia công có độ chính xác cao để cắt các vật liệu dẫn điện. Các máy gia công tia lửa điện được dùng để gia công khuôn mẫu và sản phẩm cơ khí cần độ chính xác cao, hình dạng khó và độ cứng cao mà khi gia công bằng những công cụ thông thường không hiệu quả hoặc không thể đáp ứng được. Máy cắt dây có thể gia công nhiều dạng bề mặt khác nhau với độ chính xác cao gần như tuyệt đối.

2.4 Gia công bằng tia Laser

Gia công bằng Laser là quá trình xử lý nhiệt và tia Laser được dùng làm nóng chảy vật liệu. Máy cắt tia Laser là loại máy cắt bằng tia sáng hoạt động theo chế độ xung.

Phương pháp gia công bằng tia Laser bao gồm 2 loại: Cắt Laser CO2 và cắt Laser Fiber.

Ngoài ra, gia công khuôn mẫu CNC còn sử dụng các phương pháp gia công plasma, gia công khí,… sử dụng nhiệt để cắt phôi qua các máy công cụ CNC. Tùy nhu cầu sử dụng và định hướng phát triển kinh doanh, doanh nghiệp có thể lựa chọn phương pháp gia công khuôn mẫu CNC tùy theo tính năng, chất lượng và giá cả phù hợp.

3. Đặc điểm nổi bật của máy CNC

Máy CNC hay còn gọi máy công cụ CNC, máy gia công CNC, là loại máy công nghệ cao được điều khiển và vận hành tự động hóa trên phần mềm máy tính. Máy hoạt động để gia công các sản phẩm giống nguyên mẫu trên bản vẽ kỹ thuật 2D hoặc 3D.

3.1 Ưu điểm của máy CNC

Máy CNC sở hữu những ưu điểm nổi bật sau đây:

• Tạo ra khuôn mẫu có độ chính xác cao, độ lặp lại tốt.
• Tự động hóa, không cần điều khiển bằng tay.
• Kích thước và hình dạng sản phẩm chính xác, mức dung sai nhỏ.
• Gia công nhanh chóng.
• Khuôn mẫu thành phẩm đảm bảo tính chất vật lý và sự đồng nhất trong những môi trường khác nhau.
• Tối ưu chi phí nhân công.

3.2 Nhược điểm của máy CNC

Mặc dù sở hữu nhiều ưu điểm nhưng máy CNC vẫn tồn tại một vài nhược điểm sau:

• Bản chất của phương pháp gia công khuôn mẫu CNC là loại bỏ vật liệu trên phôi, 1 số khối hình tốn nhiều chi phí hoặc không thể sản xuất.
• Chi phí khởi đầu của gia công CNC cao do đầu tư về máy móc.
• Cấu tạo của khuôn mẫu phức tạp, đòi hỏi nhiều chi tiết và yêu cầu độ chính xác lên đến 5 micron. Do đó, việc gia công khuôn mẫu CNC là giải pháp tối ưu vừa đảm bảo chất lượng vừa mang lại hiệu quả kinh tế.

4. Các nguyên vật liệu gia công khuôn

Có nhiều nguyên vật liệu gia công khuôn khác nhau, bao gồm:

• Thép: Là nguyên vật liệu gia công khuôn phổ biến nhất, được sử dụng để gia công các loại khuôn có yêu cầu cao về độ bền và độ cứng. Thép gia công khuôn thường được làm từ các loại thép hợp kim có độ cứng cao, độ bền cao và khả năng chống ăn mòn tốt.
• Kim loại màu: Là nguyên vật liệu gia công khuôn nhẹ hơn thép, được sử dụng để gia công các loại khuôn có yêu cầu về độ nhẹ và độ cứng. Kim loại màu gia công khuôn thường được làm từ các loại hợp kim nhôm, hợp kim đồng,…
• Nhựa: Là nguyên vật liệu gia công khuôn có trọng lượng nhẹ, dễ gia công và giá thành rẻ. Nhựa gia công khuôn thường được làm từ các loại nhựa nhiệt dẻo như nhựa ABS, nhựa polypropylene,…
• Gốm: Là nguyên vật liệu gia công khuôn có độ cứng cao, độ bền cao và khả năng chịu nhiệt tốt. Gốm gia công khuôn thường được làm từ các loại gốm sứ chịu nhiệt.

Ngoài ra, còn có một số nguyên vật liệu gia công khuôn khác như:

• Silicat: Là nguyên vật liệu gia công khuôn có độ cứng cao, độ bền cao và khả năng chống ăn mòn tốt.
• Carbide: Là nguyên vật liệu gia công khuôn có độ cứng cao, độ bền cao và khả năng chịu nhiệt tốt.
• Kim cương: Là nguyên vật liệu gia công khuôn có độ cứng cao nhất, được sử dụng để gia công các loại khuôn có yêu cầu về độ chính xác cao.

Việc lựa chọn nguyên vật liệu gia công khuôn phụ thuộc vào nhiều yếu tố, bao gồm:

• Yêu cầu về độ bền và độ cứng của khuôn: Các loại khuôn có yêu cầu cao về độ bền và độ cứng thường được làm từ thép hợp kim.
• Yêu cầu về độ nhẹ của khuôn: Các loại khuôn có yêu cầu về độ nhẹ thường được làm từ kim loại màu.
• Yêu cầu về khả năng chịu nhiệt của khuôn: Các loại khuôn có yêu cầu về khả năng chịu nhiệt thường được làm từ gốm sứ chịu nhiệt.
• Yêu cầu về độ chính xác của khuôn: Các loại khuôn có yêu cầu về độ chính xác cao thường được làm từ kim cương.

Việc lựa chọn nguyên vật liệu gia công khuôn đúng đắn sẽ giúp đảm bảo khuôn đạt chất lượng cao và đáp ứng được các yêu cầu kỹ thuật.

5. Các công cụ, máy móc gia công khuôn

Có nhiều công cụ, máy móc gia công khuôn khác nhau, bao gồm:

• Máy phay: Là công cụ, máy móc gia công khuôn phổ biến nhất, được sử dụng để gia công các bề mặt phẳng, rãnh,…
• Máy tiện: Là công cụ, máy móc gia công khuôn được sử dụng để gia công các bề mặt tròn, trụ,…
• Máy mài: Là công cụ, máy móc gia công khuôn được sử dụng để gia công các bề mặt chính xác, nhẵn bóng.
• Máy cắt laser: Là công cụ, máy móc gia công khuôn được sử dụng để cắt, khắc các chi tiết khuôn.
• Máy cắt plasma: Là công cụ, máy móc gia công khuôn được sử dụng để cắt, khắc các chi tiết khuôn.

Công cụ gia công khuôn

6. Quy trình gia công khuôn mẫu CNC

Việc gia công khuôn mẫu CNC cần trải qua quy trình với nhiều bước sau đây:

6.1 CAD

Thiết kế sản phẩm:

Sản phẩm thiết kế có thể là tự thiết kế hoặc do khách hàng đưa đến, CAD được dùng để thực hiện các công việc sau:

• Thiết kế biên dạng và hình dáng hình học của sản phẩm bằng các mô phỏng 3D.
• Phân tích kỹ thuật sản phẩm, chi tiết (điều kiện góc bo, góc thoát khuôn, bề dày,…)
• Xuất bản vẽ kỹ thuật.

Thiết kế khuôn:

• Công việc và các số liệu đặt hàng: Thiết kế từng phần, số lượng và vật liệu sản phẩm.
• Số liệu về máy phun nhựa: Áp lực phun, lực kẹp, dung tích nhựa và kích thước các tấm gá.
• Loại khuôn.
• Độ co rút: Xác định tính chất vật liệu và độ dày thành.
• Vật liệu khuôn: Loại vật liệu của từng chi tiết và độ cứng.
• Lòng khuôn và phần lồi (khuôn âm – dương): Liền khối hoặc lắp ghép.
• Bố trí các lòng khuôn: Số lòng khuôn, sự bố trí và vị trí.
• Tiết diện của kênh dẫn: Tròn, bán nguyệt, hình thang và kênh dẫn nhựa nóng.
• Hệ thống miệng phun: Màng, vòng, đường phun, định vị miệng phun, chốt tàu ngầm,…
• Hệ thống tháo khuôn: Chốt đẩy, vòng đẩy, tấm đẩy.
• Dẫn hướng và định tấm: Định vị bằng côn, chốt vòng định vị, trụ dẫn.
• Thiết kế, bố trí hệ thống thoát khí.
• Xuất bản vẽ hoặc file thiết kế.

6.2 CAE

CAE (Computer Aided Engineering) chính là sử dụng phần mềm máy tính để mô phỏng, thử nghiệm tính công nghệ và đặc tính sản phẩm sau khi thiết kế. CAE mang lại lợi ích cho việc gia công và sản xuất về sau. Nó cho phép người thiết kế và chế tạo khuôn rút ngắn được thời gian thiết kế và chi phí trong việc sản xuất khuôn.

Mục đích sử dụng CAE:

• Phân tích dòng chảy của nhựa lỏng (quá trình điền đẩy của nhựa vào trong lòng khuôn). Phân tích quá trình đông đặc và định hình sản phẩm trong lòng khuôn.
• Tính toán trạng thái điền đầy và tản nhiệt để biết được những khuyết tật của sản phẩm.
• Dựa vào công việc trên chúng ta có thể xác định vị trí cổng phun hợp lý. Chính vì thế, ứng dụng phân tích CAE vào quá trình này để tối ưu hóa việc thiết kế bằng các mô phỏng và tính toán.
• Sau khi tìm vị trí cổng vào nhựa (gate location), kênh dẫn, hệ thống làm nguội hoàn tất và tiếp tục thiết kế hệ thống thoát khí bằng các phần mềm CAE.
• Nhờ phân tích CAE các bước thiết kế trên, chúng ta có thể giảm tối đa hao phí khi chế tạo khuôn cũng như xác suất hư hỏng được giảm xuống nhỏ nhất nhờ vào việc phân tích và mô phỏng.
• Dựa vào các công việc trên giúp xác định được vị trí cổng phun hợp lý.

6.3 CAM

CAM chính là công nghệ sản xuất dưới sự hỗ trợ của máy tính. Quá trình sản xuất chế tạo được quản lý và điều khiển bằng hệ thống máy tính.

CAM thực hiện các nhiệm vụ sau:

• Lập quy trình chế tạo khuôn từ sản phẩm.
• Phân tích các khoản chi phí trong quá trình chế tạo.
• Lựa chọn vật liệu làm khuôn và vật liệu sản phẩm.
• Lựa chọn loại máy và các thông số cần thiết cho việc ép sản phẩm.

6.4 Gia công CNC

Gia công CNC là công đoạn dùng máy CNC, dụng cụ cắt thực hiện việc cắt gọt kim loại tạo hình khuôn mẫu theo công nghệ được lập trên CAM.

Đánh bóng và lắp ráp khuôn

• Bước 1: Vệ sinh trong và ngoài khuôn. Đặc biệt quan tâm đến giai đoạn đánh bóng lòng khuôn, nếu không được đánh bóng đúng cách có thể xảy ra lỗi trong quá trình chạy thử nghiệm.
• Bước 2: Kiểm tra và làm sạch bavia trên linh kiện trước khi lắp ráp khuôn tránh gây trầy xước trên sản phẩm tạo ra.
• Bước 3: Tập hợp đầy đủ chi tiết khuôn và bản vẽ chi tiết đó.
• Bước 4: Lắp ghép khuôn theo bản vẽ lắp ráp.
• Bước 5: Kiểm tra chất lượng của khuôn được lắp ráp hoàn chỉnh và tiến hành chạy thử.

Việc gia công CNC khuôn mẫu hoàn chỉnh từ khuôn cho đến các chi tiết khuôn thường tiêu tốn nhiều thời gian.

7. Kiểm tra chất lượng khuôn

Kiểm tra chất lượng khuôn là bước quan trọng để đảm bảo khuôn đáp ứng các yêu cầu kỹ thuật. Các phương pháp kiểm tra chất lượng khuôn bao gồm:

• Kiểm tra hình dáng kích thước: Kiểm tra xem khuôn có đạt được hình dạng và kích thước chính xác theo yêu cầu thiết kế hay không.
• Kiểm tra độ cứng: Kiểm tra độ cứng của khuôn để đảm bảo khuôn có đủ độ cứng để chịu được các lực tác dụng trong quá trình sản xuất.
• Kiểm tra độ bền: Kiểm tra độ bền của khuôn để đảm bảo khuôn có đủ độ bền để sử dụng trong thời gian dài.
• Kiểm tra độ ăn mòn: Kiểm tra khả năng chống ăn mòn của khuôn để đảm bảo khuôn có thể sử dụng trong môi trường ăn mòn.

8. Các lỗi thường gặp trong gia công khuôn

Các lỗi thường gặp trong gia công khuôn bao gồm:

• Lỗi hình dáng kích thước: Lỗi này xảy ra khi khuôn không đạt được hình dạng và kích thước chính xác theo yêu cầu thiết kế.
• Lỗi độ cứng: Lỗi này xảy ra khi khuôn không đủ độ cứng để chịu được các lực tác dụng trong quá trình sản xuất.
• Lỗi độ bền: Lỗi này xảy ra khi khuôn không đủ độ bền để sử dụng trong thời gian dài.
• Lỗi độ ăn mòn: Lỗi này xảy ra khi khuôn không có khả năng chống ăn mòn trong môi trường ăn mòn.

9. Một số lưu ý để gia công khuôn đạt chất lượng cao

• Thiết kế khuôn chính xác: Thiết kế khuôn chính xác là yếu tố quan trọng hàng đầu để đảm bảo khuôn đạt chất lượng cao.
• Chuẩn bị khuôn kỹ lưỡng: Chuẩn bị khuôn kỹ lưỡng giúp gia công khuôn chính xác và hiệu quả hơn.
• Sử dụng các công cụ, máy móc hiện đại: Sử dụng các công cụ, máy móc hiện đại giúp gia công khuôn chính xác và nhanh chóng hơn.
• Kiểm tra chất lượng khuôn nghiêm ngặt: Kiểm tra chất lượng khuôn nghiêm ngặt giúp đảm bảo khuôn đáp ứng các yêu cầu kỹ thuật.

Gia công khuôn chất lượng cao

10. Ứng dụng của gia công khuôn mẫu trong các lĩnh vực

Khuôn mẫu được sử dụng trong rất nhiều lĩnh vực nhằm tăng hiệu quả khi sản xuất hàng loạt. Một số ứng dụng của gia công khuôn mẫu trong các ngành công nghiệp hiện nay đó là:

• Ngành sản xuất ô tô: được sử dụng để tạo ra các bộ phận quan trọng và khuôn mẫu cho các linh kiện trong xe ô tô. Đây là một trong những lĩnh vực yêu cầu độ chính xác cao và độ tin cậy trong sản xuất khối lượng lớn.
• Ngành điện tử: Công nghệ này được áp dụng để sản xuất các khuôn mẫu cho vỏ bên ngoài và các linh kiện điện tử. Đây là một trong những ngành đòi hỏi sự chính xác và khả năng tái tạo cao để đáp ứng các yêu cầu thiết kế và tính năng của sản phẩm điện tử.
• Ngành y tế: sản xuất các dụng cụ y tế và các bộ phận giả, bao gồm cả các thành phần có tính chính xác cao và tính năng phức tạp. Đây là lĩnh vực đặc biệt quan trọng đối với việc đảm bảo an toàn và hiệu quả trong sản xuất thiết bị y tế.

10.1 Ứng dụng CAD vào chế tạo khuôn nhựa

10.2 Ứng dụng CAM vào chế tạo khuôn nhựa

10.3 Ứng dụng CNC trong chế tạo khuôn nhựa