Басов - Расчет и конструирование формующего инструмента

заливки материал формы оказывается пористым, и при выполнении сверленых каналов охлаждающая вода может через поры просачи­ ваться к формообразующей поверхности. Последнее часто приводит к браку поверхности изделия.

Метод формования из высоконаполненных композиций по исполь­ зуемой оснастке принципиально близок к рассмотренному способу литья, однако модель, подмодельная плита и опока (см. рис. 5.4) могут изготавливаться в данном случае не только из стали, причем их охлаждения не требуется. В качестве модели может использоваться непосредственно оригинал полого изделия, для производства которо­ го изготавливается форма; изделие при этом разрезается на две поло­ вины по линии, соответствующей линии пересечения поверхности разъема полуформ с их оформляющей поверхностью. Каждая из этих половин используется для формовки соответствующей полуматрицы. Перед закреплением на подмодельной плите полость половины изде­ лия заполняется каким-либо твердеющим материалом (например, гипсом) для придания ей надлежащей жесткости. Материалами модели могут также быть твердые породы дерева, гипс, отверждаемые на холоду полимерные композиции, цветные металлы.

В отличие от способа отливки из сплавов цветных металлов здесь требуется предварительная обработка поверхностей модели, плиты и опоки. Первая цель обработки - предотвращение адгезии к ним формовочной массы. Вторая цель - обеспечение требуемого качества формообразующей поверхности и поверхности смыкания формуемой полуматрицы.

Если модель изготовлена из пористого относительно мягкого материала (гипса, дерева),материала,не способного обеспечить требуе­ мую чистоту поверхности, то выполняется поверхностная пропитка (покрытие) твердеющей полимерной композицией или лаком, имею­ щими в отвержденном состоянии твердость, достаточную для получе­ ния при последующей шлифовке и полировке необходимой чистоты. В любом случае модель в сборе с плитой и опока покрываются раздели­ тельным антиадгезионным слоем. Этот слой может быть образован, например, напылением раствора восковой композиции в скипидаре, поливинилового спирта в воде и др. с последующей сушкой раствори­ теля.

Заливочные композиции, как правило, составляются на основе полиэфирных и эпоксидных смол. Комплекс свойств, которыми должна обладать заливочная композиция, таков: способность к обра­ зованию глянцевой беспористой поверхности без микро- и макроне­ ровностей (необходимость этого требования очевидна); хорошая текучесть, необходимая для точного воспроизведения деталей рель­ ефа поверхности модели; практически нулевая или, по возможности, минимальная усадка при отверждении, что нужно для достижения возможно более точного размерного соответствия модели и получен­ ного с нее слепка в виде оформляющей полости полуматрицы; способ­ ность противостоять напряжениям сжатия, практически не превыша-

310

ющим давления раздувающего воздуха; хорошая теплопроводность, обеспечивающая высокую интенсивность охлаждения формуемого в полуматрицах изделия.

Ни одна из указанных выше смол не обладает всеми этими свойст­ вами в равной мере (можно лишь отметить, что обе они имеют доста­ точную прочность и недопустимо малую теплопроводность). Так, полиэфирные смолы обеспечивают нужный глянец поверхности и имеют значительно большую текучесть, т.е. способны хорошо воспро­ изводить фактуру и качество поверхности модели; однако они имеют большую усадку, которая, если полуматрицу целиком отливать из этой смолы, может привести не только к существенному несоответст­ вию размеров модели и полости в полуматрице, но и к значительным макроискажениям геометрии как полости, так и поверхности смыка­ ния (например, появлению общей ее неплоскостности, усадочных вмятин). Эпоксидные же смолы, не обладая в должной мере первыми двумя свойствами, имеют практически нулевую усадку.

В связи с отмеченным здесь соотношением свойств обоих типов смол при формовании полуматриц предпочтительно использовать не одну из них, а обе вместе. Из полиэфирных смол формуют лицевой слой малой толщины (1-5 мм в зависимости от габаритов формы), образующий поверхности полости и плоскости смыкания, а из эпок­ сидных смол - основное тело полуматрицы. Последовательность технологических операций при формовке в этом случае следующая. На поверхности модели и плиты наносят последовательно несколько слоев полиэфирной композиции (проводя отверждение каждого предыдущего перед нанесением последующего). Для лучшего сцепле­ ния с основным телом полуматрицы последний слой покрывают пропитанным полиэфирной же смолой стекловолокном в виде ровни­ цы или отдельных часто уложенных стекложгутов. После отверждения последнего слоя с этим покрытием в опоку заливают эпоксидную композицию.

С целью увеличения теплопроводности тела полимерной полумат­ рицы применяют композиции на основе указанных смол с большой степенью наполнения их высокотеплопроводным материалом. Наи­ лучшим с этой точки зрения материалом является металл (сталь, латунь, бронза, медь). Он может использоваться в виде отходов от обработки резанием (мелкая стружка, опилки). Однако в такой форме для наполнения композиции облицовочного слоя металл неприемлем. Требуемое качество поверхности этого слоя может быть получено только при введении тонкодисперсного наполнителя. В связи с этим для облицовочного слоя используют полиэфирные смолы, наполнен­ ные порошковыми графитом или металлом. Стоимость такой компози­ ции велика, однако расход небольшой.

Так же, как и при отливке из металлов, в тело полуматрицы может заформовываться змеевик системы охлаждения. Как отмечалось, прочность этих композиций обеспечивает восприятие распределенных нагрузок от давления раздувающего воздуха, однако она явно недо-

311

статочна при локальных нагрузках, которые могут возникать в местах крепления к полуматрице других деталей (например, пресс-кантов и др.)- По этой причине непосредственно в полимерном теле формы не могут выполняться крепежные резьбы; они выполняются в специаль­ ных металлических вставках, которые заформовываются в тело полуматриц. Таким же образом могут заформовываться направляю­ щие колонки и втулки (рис. 5.5).

Направляющая втулка 5 (рис. 5.5, а) крепится к подмодельной плите 1 с помощью винта 7, шайбы 6 и центрирующего элемента 8 (о необхо­ димости его сказано ниже) перед формованием лицевого слоя 3 и основного тела матрицы 4. Винт 7 обеспечивает надежный прижим торцов втулки 5 к поверхности подмодельной плиты и шайбы 6, что предотвращает проникновение связующего облицовочного слоя в полость втулки. Наружная поверхность втулки 5 имеет оребрение (или накатку) для надежного сцепления ее с материалом основного тела полуматрицы.

Способ крепления направляющей колонки 9 на плите / перед заливкой композиций ясен из рис. 5.5, б. Заформовываемая в полу­ матрицу часть колонки имеет аналогичное втулке 5 оребрение. Между буртом колонки и подмодельной плитой 1 вводится проставка 10, которая после отверждения полуматрицы и освобождения ее от опоки с подмодельной плитой снимается с колонки 9. Образование этой проставкой заглубление на поверхности смыкания полуматрицы предотвращает контакт торца втулки 5 и бурта колонки 9 при смыка­ нии полуформ в процессе их работы; тем самым обеспечивается на­ дежный контакт полуформ по всей их поверхности смыкания.

Технология заформовки в тело полуматриц направляющих колонок и втулок должна обеспечивать строгую их соосность в обеих полуфор­ мах при смыкании последних (как правило, полуформы оснащаются четырьмя комплектами втулок и колонок). В представленном на

Рис. 5 . 5 . Направляющие втулка (в) и колонка (б), эаформованные в тело полуматрицы:

1, 1' — подмодельные плиты для двух сопрягаемых полуматриц; 2 — модель; 3 — облицовочный слой полуматрицы; 4 — тело полуматрицы; 5 — направляющая втулка; 6 — шайба; 7 — винт; 8 — центрирующий элемент; 9 — направляющая колонка; 10 — проставка; 11 — шайба; 12 — винт 312

рис. 5.5 варианте эта соосность достигается тем, что крепежные отверс­ тия приняты равными по диаметру в обеих подмодельных плитах 1 и Г, что позволяет выполнить их одновременно в обеих плитах в сборе. Такой прием полностью исключает погрешность взаимного расположения этих отверстий. При заформовке же кол*, юк и втулок в сопрягаемые полуматрицы они центрируются по эиш отверстиям: колонка 9 центруется непосредственно установкой в это отверстие плиты 1, а втулка 5 - центрующим элементом 8, вводи­ мым в соответствующее отверстие плиты 1.

Так же, как и при отливке из цветных сплавов, в тело полуматриц из наполненных эпоксидных композиций могут заформовываться змеевики системы охлаждения. При изготовлении крупных полумат­ риц (размером более 400 мм) в тело полуматриц заформовывается также армирующий сварной проволочный каркас, повышающий их общую прочность.

Метод гальванопластики сочетает в себе преимущество двух выше рассмотренных методов. Так, этим методом могут быть изготовлены полностью металлические формы, что обеспечивает интенсивный отвод тепла от формуемого изделия. Вместе с тем для их изготовления не требуется стальной модели изделия, как это имеет место при отливке из цветных сплавов. Модель может быть выполнена точнр так же, как и при формовке из полимерных композиций; дополни­ тельные требования к материалу модели заключаются в том, что он должен быть стойким к водным растворам кислот, щелочей и обезжи­ ривающих веществ. Эти свойства могут быть достигнуты соответству­ ющей поверхностной обработкой моделей из указанных выше матери­ алов. Для моделей . могут быть использованы также полиэфирные, эпоксидные и акриловые отверждаемые на холоду смолы.

Существо метода заключается в получении путем электрохимичес­ кого осаждения металла на модель и подмодельную плиту тонкой „корки" (слепка), поверхность которой в дальнейшем образует фор­ мующую полость и плоскость смыкания полуформы. Полученный таким образом слепок вставляется затем в опоку, образуя ее дно, и в опоку заливается какой-либо из указанных выше сплавов (возможна заливка и олигомерных отверждающихся наполненных композиций).

Получение гальванопластического слепка включает в себя следую­ щие стадии: изготовление модели и подмодельной плиты, их взаимное крепление и укрепление на них тоководов; нанесение на собранную таким образом конструкцию токопроводного слоя; электрохимичес­ кое наращивание рабочего слоя (из одного или нескольких металлов), обеспечивающего требуемые эксплуатационные свойства поверхности формующей полости; электрохимическое наращивание конструкцион­ ного слоя, обеспечивающего требуемую жесткость слепка при после­ дующей его обработке; механическая обработка краев слепка (сов­ местно с моделью и подмодельной плитой или в снятом с них состоя­ нии) до размеров, соответствующих условиям монтажа его в опоку.

На рис. 5.6 показана модель 1 в сборе с подмодельной плитой 2 (обе выполнены из неметаллического нетокопроводного материала) и

313

1 — модель; 2 — подмодельная плита; 3 — токовод; 4 — элемент крепления токовода к катоду гальванической вант:; 5 — элементы подвода потенциала

Рис. 5.7. Раздувной ниппель, охлаждаемый водой

I

токовод 3 (выполненный из толстой медной или алюминиевой прово­ локи и укрепленный на подмодельной плите). Модель имеет припуск а по контуру для последующей механической обработки совместно с полученным слепком.

На смонтированную таким образом конструкцию наносится токопроводный слой, требования к которому таковы: минимально воз­ можная толщина, не вносящая существенной погрешни в соответствие размеров модели и получаемого с нее слепка; большая электропровод­ ность; монолитность (беспористость), глянцевость поверхности; хоро­ ший контакт с элементами 5 подвода электрического потенциала от то­ ковода к токопроводному покрытию поверхностей модели и подмо­ дельной плиты.

Этим требованиям удовлетворяют покрытия, -полученные хими­ ческим меднением и серебрением. Толщина этих покрытий составляет 0,1-0,2 мк. Перед нанесением токопроводного слоя поверхности обезжириваются и активируются погружением в водный раствор СиС1г + НС1, что обеспечивает требуемую адгезию наносимого слояж поверхности.

Наилучшими эксплуатационными свойствами (твердость и износо­ стойкость) обладает рабочий слой слепка, образованный одновремен­ ным электрохимическим осаждением никеля и кобальта в соотноше­ нии 3:2. Покрытая токопроводным слоем модель погружается в галь­ ваническую ванну с растворами NiSC"4 и C0SO4 с присадками и укреп­ ляется на катоде. Анодами, погруженными в ванну, служат пластины Ni и Со.

314

Несмотря на малое удельное сопротивление серебряного (или медного) токопроводного слоя из-за очень малой его толщины распре­ деление потенциала по его поверхности было бы очень неоднородным, если бы токовод контактировал со слоем только в одной точке. Ско­ рость осаждения рабочего слоя в этом случае была бы существенно меньшей в местах поверхности, наиболее удаленных от точки контак­ та. Множественные, равномерно распределенные по периметру подмодельной плиты (см. рис. 5.6) элементы 5 контакта токовода с токопроводным слоем обеспечивают однородное распределение потенциала по его поверхности и, как результат, однородную толщину рабочего слоя.

Получение плотного, качественного рабочего слоя возможно при очень малых скоростях осаждения, не превышающих Ю-2 мм/ч. Требуемая толщина рабочего слоя 0,8-1,5 мм. Процесс наращивания рабочего слоя длителен (7-10 сут), причем перерывы в процессе осаждения недопустимы. Это существенный недостаток метода.

Последующий, конструкционный слой толщиной 2- 5 мм наращива­ ют из более дешевого материала (меди) и при гораздо больших скорос­ тях осаждения.

Механическую обработку готового слепка по контуру, показанному например, на рис. 5.6, выполняют до снятия его с модели твердо­ сплавным инструментом.

Формы, изготовленные этим методом, имеют наивысшую стойкость по сравнению с формами из цветных сплавов и полимерных компози­ ций (стойкость последних минимальна).

Твердость и износостойкость никель-кобальтовых слепков таковы, что'они могут применяться также и при изготовлении литьевых и прессовых форм. Однако в этом случае основное тело формообразую­ щей детали изготавливать из цветных сплавов или полимерных композиций можно "лишь при небольшой серии формуемых изделий: стойкость форм невелика из-за ползучести или растрескивания тела детали. Лучшие результаты дает формование тела детали плазменным напылением стали на изнаночную поверхность слепка.

При раздуве через ниппель он, как правило, также является и формообразующей деталью: его наружная поверхность оформляет внутреннюю цилиндрическую поверхность горловины изделия. В простейшем случае ниппель - это цилиндрический стержень с цент­ ральным отверстием для подачи воздуха в раздуваемую заготовку (см. рис. 5.3, а). Ниппель, формуя заготовку, должен, так же как и полуформы, отводить от нее тепло. Интенсивность охлаждения заго­ товки в область ниппеля должна быть не ниже, чем в области контакта с полуформами. Это возможно тблько при введении в тело ниппеля каналов водяного охлаждения.

Воздух, подаваемый в заготовку через ниппель, остается в отфор­ мованном изделии в течении всего времени его охлаждения в форме.

Масса этого воздуха не велика, и поэтому вклад теплообмена между воздухом и изделием в охлаждение последнего практически

315

неощутим. Для увеличения этого вклада обеспечивают постоянный интенсивный обмен воздуха в полости охлаждаемого изделия. При этом через ниппель воздух должен не только подаваться, но и отво­ диться. Конструкция такого ниппеля, имеющего водяное охлаждение, показана на рис. 5.7. Конец ниппеля конический, что повышает надеж­ ность надевания на него экструдируемой заготовки в том случае, когда разность между ее внутренним диаметром и диаметром ниппеля невелика.

В месте обжима заготовки по ниппелю пресс-кантами полуформ в теле ниппеля возникают значительные напряжения, поэтому деталь ниппеля, непосредственно контактирующая с заготовкой, должна изготавливаться из конструкционных сталей и подвергаться термохи­ мической обработке.

При определении размеров элементов оформляющих полостей необходимо учитывать усадку размеров отформованного изделия, развивающуюся во время охлаждения его в форме. Усадка, так же как и при литье под давлением, может колебаться в широком диапазоне в зависимости от конфигурации изделия и типа размера. Так, усадка диаметра горловин, формуемых на ниппелях, минимальна: усадка протекает во время контакта горловины с ниппелем, который препят­ ствует свободному ее развитию. Чем больше локальный коэффициент раздува участка заготовки, формующего тот или иной элемент изде­ лия, тем больше усадка размеров этого элемента. Диапазон возмож­ ных значений усадки (в %) для ряда материалов таков:

Полиэтилен высокой плотности	1,2—3
Полиэтилен низкой плотности	1,2—2
Полипропилен	1,2—2,2
Поливинилхлорид	0,4-0,6

5.3. Пресс-канты

В местах пресс-кантов, осуществляющих пережим заготовки, возни­ кают локальные напряжения, во много раз превосходящие по величи­ не напряжения от раздувающего воздуха в основном теле формы. Пресс-канты, таким образом, так же как и ниппель, оказываются наиболее нагруженными элементами формы, подверженными интен­ сивному износу. Они работают удовлетворительно лишь в том случае, если изготовлены из качественных инструментальных сталей и под­ вергнуты термической обработке, обеспечивающей твердость до 50-55 единиц по Роквеллу. Как уже отмечалось, формообразующие детали, как правило, изготавливают из других, менее прочных мате­ риалов. В связи с этим пресс-канты выполняются в виде самостоятель­ ных деталей, укрепляемых на полуматрицах. Они могут выполняться как в виде плит, укрепляемых внакладку на полуматрице (рис. 5.8, а), так и в виде вставок в нее (рис. 5.8, б). Выполнение варианта „а" проще, однако в этом случае сложнее сместить след на изделии от линий стыка матрицы и пресс-канта в наименее заветное место (на­ пример,'в донную часть изделия, как это сделано в варианте „б").

316

Рис. 5.8, Варианты выполнения деталей пресскантов в виде плит (а) и вставок (б):

/ — нижлий пресс-кант; 2 — полуматрица; 3 — верх­ ний пресс-кант; 4 — линия стыка между пресс-кантом и полуматрицей; 5 — отжимная кромка; 6 — карман; 7 — контур кармана

Рис. 5.9. Отрезание облоя острыми отжимными кромками:

1 — заготовка; 2 — полуматрица; 3 — пресс-кант; 4 — облой; 5 — отжимная кромка

Вместе с тем в варианте „б" краевые части отжимной кромки 5 (о ней см. ниже) оказываются неизбежно выполненными не в детали пресс-канта, а в полуматрице.

Основным рабочим органом пресс-канта является отжимная кром­ ка, отделяющая излишки заготовки от формующего изделия. При правильно выбранной ее геометрии обеспечиваются не только проч­ ность изделия в месте отделения этих излишков (облоя), но и мини­ мальная толщина перемычки (грата) между изделием и облоем.

На первый взгляд, выполнив кромки максимально острыми и обеспечив максимально возможное их сближение при смыкании полуформ, что технически вполне осуществимо (например, как на рис. 5.9), можно добиться полного отделения облоя без грата. Однако в этом случае прочность изделия в месте А пережима заготовки оказы­ вается неудовлетворительной.Причина этого недостатка становится по­ нятной при более детальном рассмотрении процесса отделения облоя.

На рис. 5.10,о показана заготовка в момент начала пережима ее пресс-кантами. В этот момент возник контакт между противополож­ ными стенками заготовки в месте А. При дальнейшем сближении пресс-кантов боковые поверхности их Q отжимают материал деформи-

317

Рис. 5.10. К образованию сварного шва при острых и широких отжимных кромках:

1 — обпой; 2 — пресс-каш; 3 — оформляющая полость; а, б, в, Q, А, С, Б, П — пояснены в тексте Ри-с. 5 . 11 . Типовая конфигурация пресс-кантов

руемой заготовки в направлении, показанном стрелками, и поверх­ ность контакта и сварки противоположных стенок заготовки развива­ ется вниз от точки А. Таким образом, к моменту полного перерезания заготовки (рис. 5.10, б) область сварки стенок заготовки С оказывается практически полностью в облое, а не в изделии, как это необходимо.

Очевидно, конфигурация кромок должна быть такой, чтобы обра­ зующаяся область сварки хотя бы частично отжималась в оформляю­ щую полость. Это возможно, например, при плоской конфигурации кромок, показанной на рис. 5.10, е. Однако в этом случае для отжима в сварной шов изделия достаточного количества расплава область деформации его между кромками Б должна быть большой; соответст­ венно большой должна быть и ширина кромок h. При этой величине h напряжения сжатия расплава между кромками, создаваемые усилием смыкания полуформ, невелики, и расплав истекает из области Б с малой скоростью. Процесс пережатия заготовки по этой причине длителен, и за время его протекания на рабочей поверхности Я холод­ ной отжимной кромки успевает отвердеть достаточно толстый слой материала, который не может быть отжат из области Б и образует толстый грат.

Установленные здесь, казалось бы, взаимно противоречивые требо­ вания больших контактных напряжений в области пережима заготов­ ки и вместе с тем большой площади пережима удовлетворяются при конфигурации пресс-кантов, показанной на рис. 5.11. Собственно отжимная кромка имеет ширину h, равную 0,3- 0,6 мм для относи­ тельно малых изделий (объемом до 2 л) и достигающую 4 мм для изделий емкостью более 100 л. Угол а лежит в пределах 25-45°. За отжимной кромкой расположено заглубление с глубиной е и высотой Н, называемое карманом. Размер е принимают равным 0,8-0,9 от толщины стенки б пережимаемой заготовки; высота же кармана Н

318

определяется общей конструкцией деталей пресс-кантов, однако для образования удовлетворительного сварного шва на изделии она должна быть не менее (5 •*• 6) б.

Процесс пережатия заготовки при данной конфигурации пресс-кан­ тов протекает следующим образом. На первой стадии пережатия заготовки с ней контактирует только узкая отжимная кромка и постепенно входящая в контакт наклонная поверхность. Площадь расположенной в пределах этого контакта зоны деформирования невелика, напряжения сжатия значительны, поэтому процесс пережи­ ма основной доли толщины заготовки протекает быстро, однако расплав из зоны деформирования отжимается преимущественно не в оформляющую полость (как следовало бы), а в карман (т.е. в облой).

На завершающей же стадии, когдч кромкой пережато уже 80- 9Q% тол­ щины заготовки (в зависимости от соотношения размеров е и 6), часть ее, образующая облой, входит в надежный контакт со сближающимися поверхностями кармана и начинает раздавливаться ими, причем расплав начинает не только истекать из кармана в атмосферу (на рис. 5.11 - вниз) или в еще не занятую им часть полости кармана (на рис. 5.11 - в направлении, перпендикулярном плоскости чертежа), но и в еще существующий зазор между кромками, составляющий пока (0,1 -*• 0,2) б (на рис. 5.11 - вверх).

Гидравлическое сопротивление истечению в последнем направле­ нии намного больше, чем в остальных, поэтому доля втекающего в оформляющую полость расплава, формирующего сварной шов на изде­ лии, невелика, однако оказывается вполне достаточной, так как деформированию подвергается большой объем расплава. Скорость пережатия на этой, завершающей стадии намного меньше, чем на предыдущей, так как напряжения сжатия расплава во много раз меньше. Однако суммарное время пережатия заготовки оказывается в итоге меньшим, чем в случае широких кромок по варианту на рис. 5.10, в, в результате чего получается достаточно тонкий грат.

Следует отметить, что карманы кроме основной своей функции - принятия в себя излишков формуемой заготовки и недопущения попадания их между плоскостями смыкания двух полуформ (в ре­ зультате которого они не смогли бы смыкаться полностью) - выпол­ няют еще одну, не менее важную функцию - охлаждения облоя. Если облой не охлаждать, то при съеме изделия из формы он, оставаясь в состоянии расплава и будучи соединен с изделием тонкой перемычкой грата, может прилипнуть к изделию, непоправимо испортив его. Необходимость надежного контакта облоя с поверхностями кармана для обеспечения интенсивного отвода тепла - это еще одна причина, по которой глубину кармана е (см. рис. 5.11) делают несколько мень­ шей, чем толщина заготовки б.

Размеры и конфигурация отжимных кромок и карманов в плос­ кости смыкания полуформы показаны на рис. 5.8. Их размер „а" должен быть не меньшим, чем ширина заготовки в пережатом состоя­ нии (контур заготовки, который она приобретает после смыкания полуформ перед раздувом, показан на рис. 5.8, б).