Basov N.I. i dr. Raschet i konstruirovanie formiruyushchego instrumenta dlya izgotovleniya izdelij (1991

В случае модернизации конструкции формы (с целью повышения качества изделия или увеличения количества выпускаемых изделий; снижения трудоемкости, себестоимости производства, затрат энергии, экономии материалов и т.д.) используют также чертежи существующей формы. Необходимые сведения о технологических свойствах материа­ лов устанавливают по соответствующим стандартам и справочникам.

Общая последовательность проектирования форм, включая обосно­ вание выбора типа всей конструкции и отдельных функциональных систем ее, наиболее оптимально может быть реализована при исполь­ зовании САПР. В настоящее время получают распространение различ­ ные варианты таких САПР форм для литья под давлением опирающие­ ся на банки данных об оборудовании, материалах, стандартах на типовые нормализованные детали форм, чертежи изделий и форм-ана­ логов. На рис. 3.4 показана возможная типовая схема применения САПР для проектирования формующего инструмента.

3.3. Взаимосвязь формы с литьевой машиной

3.3.1. Инжекционные, объемные и основные геометрические соотношения

Анализ основных технических характеристик литьевой машины приведен в работе [1].

Показателем достаточно точного соответствия формы и машины является полное заполнение внутренней полости формы расплавом на стадии впрыска. Это достигается при условии, что инжекционной характеристике (ИХ) машины, т.е. зависимости объемной скорости впрыска (расхода) Q от давления впрыска Р, соответствует характе­ ристика сопротивления течения расплава в литьевой форме (ХСФ). На графике (рис. 3.5) приведены указанные характеристики. Поскольку Q и Р изменяются во время стадии заполнения полости формы, ИХ и ХСФ также непостоянны. Их определяют экспериментально или рассчиты­ вают. При этом для оценки ХСФ используют формулу Р = AQVn+ + Д/(1 + CQll2), где А, В, С - коэффициенты, зависящие от конструкции и размеров литниковой системы, оформляющей полости, количества и места расположения впускных каналов, свойств формуемого термо­ пласта и температуры его переработки под давлением; л - показатель текучести расплава термопласта.

Положение ХСФ на рис. 3.5 можно пояснить: при больших Q сопро­ тивление течению расплава в форме становится значительным; при малых Q расплав в формующей полости уже в стадии заполнения ее начинает интенсивно охлаждаться, что также увеличивает сопротив­ ление течению в незастывших зонах и литниковых каналах. При некотором промежуточном значении ^требуется минимальное значе­ ние Р = Pmin для заполнения оформляющей полости без недолива.

По мере износа литьевой машины ее ИХ сильно изменяется. Бели отсутствует возможность экспериментально определить ИХ, можно пользоваться линейной аппроксимацией: Q(P) = Qp-P/P^^x, где Р^^ -

140

максимальное давление впрыска: развиваемое узлом инжекции машины; Qp - реальная объемная скорость впрыска. Для новых машин Qp определяется по паспортным данным, для находящихся в эксплу­ атации - рассчитывается по формуле

Ор = VtBnpjB»

где VQ — объем пластифицированной дозы (желательно, чтобы он был возможно ближе к максимальному объему впрыска машины); твпр-в - время впрыска в воздух.

Достижение соответствия ИХ и ХСФ в каждом конкретном случае связано с конструированием и расчетом литниковой системы. Далее, важно обеспечить соотношение объемов, при котором объем впрыска машины У,, должен превышать объем отливки VQ, получаемой в данной форме: Ув » V0fc; к = 1,3.

Объем отливки включает в себя также и объем массы в литниковой системе. Коэффициент к превышения Ув над VQ учитывает тот факт, что расплав, впрыскиваемый в форму, уменьшается в объеме вследст­ вие охлаждения.

Взаимосвязь по геометрическим параметрам необходима в связи с тем, что в конструкциях машин предусмотрена возможность установки форм различной высоты h в направлении смыкания плит (.см. рис. 3.2): расстояние между плитами в сомкнутом состоянии Я регулируется в диапазоне отЯпцПдо Ящ^. Очевидно, что форма может быть установ­ лена на машину, если соблюдается условие

#min <h< Нтйх.

Минимально необходимый ход разъема полуформ 5, достаточный для того, чтобы изделие было вытолкнуто из нее и свободно упало в образовавшийся между полуформами разъем, не должен превышать максимального хода подвижной плиты машины S:

гдеftи - высота изделия; I — длина литника в направлении смыкания формы; е — запас по ходу разъема (достаточный, чтобы изделие выпало из разъема, не зависнув при этом на полуформах).

Если нет гарантии, что изделие будет падать в строго фиксирован­ ном первоначальном положении, то, предусматривая возможность поворота изделия во время падения на 90°, величину е следует при­ нимать, пользуясь следующим очевидным из рис. 3.2 соотношением: е > L - (/^ + /), где I - максимальный вертикальный размер изделия.

Если же изделие падает Преимущественно в первоначальном поло­ жении, то величину е принимают равной 2-10 см (большие значения е принимают для изделий больших габаритов).

Во избежание раскрытия ффрмы во время впрыска в нее расплава и выдержки под давлением усилие FT, стремящееся разомкнуть форму и возникающее вследствие развития в оформляющей полости давления расплава Ро (см. рис. 3.2), не должно превышать усилия запирания FM, развиваемого механизмом смыкания: FM > F r Это условие автомати-

141

чески выполняется, если максимально допустимая площадь отливки /м, которая может быть получена на конкретной машине, меньше фактической площади отливки /0. Значения /м приводятся среди технических характеристик большинства машин-автоматов.

Если характеристика машины не содержит величины /м, то рассчи­ тывают величину FT = 0,8р/о. Значение /о определяется как пяощадь проекции отливки (включая литниковую систему) на плоскость разъема I-I (см. рис. 3.2), причем ось центрального литникового канала 8 формы должна совпадать с общей осью OOj механизмов смыкания и впрыска. Это достигается центровкой полуформ на плитах посредством центровочных буртов с диаметром Сф, входящих по подвижной посадке в центральные отверстия плит с диаметром DM. Опорные поверхности плит имеют Т-образные пазы или резьбовые отверстия для крепежа полуформ. Эти отверстия расположены по одной или нескольким окружностям с диаметром d,- (на рис. 3.2 это d\ и djj. Очевидно, диаметры окружностей крепежных отверстий у формы *7ф и плит cf,- должны быть равны. Таким образом, эти условия сопря­ жения конструкций формы и плит машины имеют следующий *ид:

3.3.2. Расчет гнездности формы

Расчет гнездности формы для литья под давлением проводят в двух направлениях: с учетом ограничений, налагаемых возможностями литьевой машины-автомата и технологической специфики перераба­ тываемых термопластов (технические оценки); с целью оптимизации экономических параметров производства, повышения его рентабель­ ности (технико-экономические оценки).

Технические оценки для выбора числа гнезд проектируемой формы выполняют по формулам, приведенным в табл. 3.1. Можно отметить, что в практике проектирования редко встречается полное соответст­ вие паспортных технических характеристик машин фактическим значениям, реализуемым в конкретной форме, для конкретного изделия. Из рассчитанных значений Пув, лд, пр для конструирования, разработки чертежей принимают, естественно, наименьшее:

nn=min[nVB,nA,nFJ.

В качестве ориентира правильности выбора числа гнезд и согласо­ ванности факторов, по которым проводится техническая оценка, может служить выполнение соотношения 0,2nv < пд < 0,8лу (коэф­ фициенты 0,2 и 0,8 определяют степень использования объема впрыска машины).

Принятое значение п„ не должно быть больше:

1) числа п/, зависящие от площади рабочей поверхности плит /пл литьевой машины-автомата, т.е. п„ *£ л/ = 0,5/пл//и;

2) числа лд, зависящие от линейных размеров В (ширины или высо­ ты) рабочей части плиты машины и определяющего габаритного размера изделия £и, т.е. пп < ng = 1,3В/!,, (при двух направлениях разъема частей

142

Таблица 3.1. Технические оценки гиездности форм для литья под давлением

	термопластов
Фактор, по кото­	Обозначе-	Формулы для расчета*
рому проводится	гнезд	уточненная	упрощенная
оценка
Объем впрыска Vg-	"*в	P i V < W	W
Пластификационная произво­	пА	ATj(pV1k1)	Al(zVx)
дительность машины-автома­
та Л		W W H W	FuJ^ufJ
Усилие замыкания формы Fu	n J ?

* Vj — объем одного изделия; (cj — коэффициент объема литниковой системы в расчете на Vj (для затвердевающих литников); 3 i — коэффициент использования машины (0,75 для аморфных; 0,65 - для кристаллизующихся термопластов); Тц - общее время технологического цикла; р — плотность термопласта; г — быстроходность машины; FMH — номинальное усилие смыкания формы, развиваемое механизмом смыкания машины; pj — давление формования (для полистирола — около 32 МПа); /и — площадь проекции изделия на плоскость разъема формы (без учета отверстий в изделии); &2 ~ коэффициент учета площади литников в плане (fcj = 1,1); ^3 ~ коэффициент исполь­ зования максимального усилия смыкания (к^ = 1,25 + 1,11).

формы в двух плоскостях); пп < Щ = 0,65B/Ij, (при трех направлениях разъемачастей формы в двух плоскостях); п„ < 4 (при трех направлениях разъема частей формы в трех плоскостях); п„ < 2 (при четырех направ­ лениях разъема частей формы в трех плоскостях); л„ = 1 (при более чем четырех направлениях разъема частей формы в трех плоскостях).

Технико-экономические оценки при выборе оптимального числа гнезд форм для литья под давлением достаточно сложны, потому что многофакторны. Понятно, что сейчас, например, полная автоматизация работы формы достигается с меньшими затратами для одногнездной формы, которая в сравнении с многогнездными более проста по конст­ рукции, надежна и экономична в эксплуатации, позволяет повысить качество отливок. При проектировании одногнездных форм в дватри раза сокращаются сроки разработок; это приводит к ускорению про­ цессов освоения новой продукции.

При увеличении числа гнезд себестоимость отливки сначала до определенного предела снижается, а затем возрастает. Необходимо путем сопоставления общих затрат, т.е. суммы затрат на изготовление заданной партии изделий и формы, выбрать оптимальное число гнезд - такое, при котором затраты будут наименьшими.

Первоначально возможно оценить оптимальное число гнезд п0П1< пп по следующей формуле:

Лопт = [СцП/(0,45Сф)]1/2.

Подробный технико-экономический анализ может быть проведен по

формуле	j
«опт -	{(ГЦП Т3 I l О М С ф Ф 0 ( * о + £ нТэ)]}1 / 2 -

143

Если известна (или можно рассчитать) стоимость См в одного часа машинного времени, то можно применять формулу

»опт = {(См.в.+ хч)[ТцП/(3600Сф)]}1/2.

В формулах для расчета л0П1 принято: Сц - себестоимость одного цикла литья под давлением изделия; Сф - себестоимость одного гнезда формы; П - годовая программа выпуска изделия (значения Сц и Сф вычисляют или принимают по нормативам); т.8 - время действия заказа для выполнения программы выпуска q изделий; О,- - величина расхода по r'-й статье (/ = 1,..., q); / - номенклатура статей расходов, постоянных во времени; Ф0 - оборотное число форм; к0 - число обо­ ротных комплектов форм, используемых в период действия заказа; Ен - нормативный коэффициент эффективности капиталовло­ жений; \ - часовая тарифная зарплата рабочего, обслуживающего форму.

Приведенные формулы корректируются в зависимости от серий­ ности изделий. В величине Сф иногда учитывают себестоимость изго­ товления и ремонта одного гнезда формы, что особенно важно «цля крупносерийного производства.

Производство изделий в форме для литья под давлением будет рентабельным, если стоимость изготовления форм с числом гнезд "опт ^ пп будет такого же порядка, как сумма зарплаты рабочего и всех амортизационных расходов за время эксплуатации формы.

3.4. Система оформляющих деталей

3.4.1. Назначение и классификация

Система состоит из деталей, образующих оформляющую полость; ее назначение - обеспечение формования изделия заданного качества при оптимальном технологическом цикле.

Оформляющие детали (матрицы, пуансоны, знаки, плиты и т.д.) конструктивно многообразны, так как их контуры и размеры негатив­ но повторяют геометрические особенности изделия.

Оформляющие детали (ФОД - формообразующие детали) разделяют по ряду признаков: характеру поверхностей формования - гладкие, резьбовые, с поднутрениями; состоянию поверхностей формования - зеркальные, матовые, шагреневые; сложности - цельные, вставные, составные; точности формуемых элементов изделия - нормальные (квалитеты IT 12-13), прецизионные (квалитеты IT9-11); способу перемещения подвижных формующих элементов (см. с. 193); геомет­ рической форме изделий - круглые, прямоугольные, кольцевые, трубчатые, корпусные и т.д.; технологии изготовления - механообра­ ботка, давление (холодное, полугорячее, горячее выдавливание), лазерная и электроискровая обработка, гальванопластика и т.д. Оформляющие детали помимо формующих поверхностей имеют поверхности, участвующие: в сопряжениях с другими деталями

144

(посадочные, центрирующие); в контакте с ними (опорные, уплотняю­ щие); попадающие в плоскость разъема формы (т.е. циклически ох­ лаждающиеся - нагревающиеся).

3.4.2. Конструктивные особенности и расчетные схемы

Рассмотрим конструктивные особенности основных оформляющих деталей - матриц (гнезд) и пуансонов (знаков). Принципиальных отличий от конструкций таких же деталей для пресс-форм (см. с. 82) в формах для литья под давлением нет; аналогично решаются и задачи сборки, соединения этих деталей в соответствующих обоймах.

При конструировании матриц и пуансонов форм важным является установление оформляющей поверхности этих деталей. Для этого требуется окончательно определить положение изделия в форме, плоскость ее размыкания; характер перемещения изделия и оформля­ ющих деталей при удалении изделия из формующей полости. Таким образом, поверхность изделия распределяется между оформляющими деталями. Поскольку места их стыка оставляют на поверхности изде­ лия следы, важно, чтобы эти стыки совпадали с естественными пере­ ходами поверхностей. На стыках должно обеспечиваться точное совпадение кромок по высоте, по плотности сопряжения, для чего недопустимы „завалы" острых кромок. Точное совпадение стыков требует их совместной доводки, обеспечения высокого качества поверхности деталей (Ra 0,016- 0,020 и выше).

Помимо распределения поверхности изделия определяют положение оси изделия относительно оси формы, что позволяет выделить в матрице, на пуансоне другие функциональные поверхности - поса­ дочные, опорные, уплотняющие и т.д. Опорные (замыкающие) поверх­ ности воспринимают усилие смыкания, удерживая полуформы в замкнутом состоянии; уплотняющие - герметизируют полость формы и т.д. Ось изделия не всегда совпадает с направлением замыкания - размыкания машины-автомата, и тогда требуется применять разъем­ ные полуматрицы.

Особенности цельных пуансонов и матриц. Такие конструкции менее надежны в эксплуатации (из-за их износа, смещения осей воз­ можно затекание расплава, облой), но более прочны, лучше противо­ стоят внешним нагрузкам. В них достаточно удобно (если позволяют размеры) размещаются выталкиватели, охлаждающие' каналы. На рис. 3.6 показаны конструкции и способы крепления цельных пуансо­ нов. Цельные матрицы применяют в одногнездных формах, чаще - для больших изделий. В многогнездных формах цельные матрицы приме­ няют с целью возможного сближения гнезд, уменьшения размеров формы (если это необходимо, исходя из имеющегося парка оборудова­ ния).

В цельных пуансонах и матрицах часто применяют вставки для образования локальных рельефных подробностей конфигурации изделия или закрепления других деталей. Пример конструкции

145

Р и с . 3 . 6 . Примеры конструкций и способов крепления цельных пуансонов форм: I — пуансон; 2 — плита пуаисонодержателя; 3 — опорная плита; 4 — кольцо; 5 — штифт

В~в

С-С

Ж

V/,

h

- * — 1 -

Р и с . 3 . 7 . Цельная матрица (Г) и со вставкой {II):

1 — матрица; 2 — вставка; 3 — след конической фрезы для образования кромки по типу a (R > г); < — след цилиндрической фрезы для образования кромки по типу b(R - г); кромка, выполненная по типу с — острая

146

эчVt

£•

Рис. 3.8. Примеры способов крепления (а) и соединения с обоймой (б) цельных матриц: 1 — матрица; 2 — обойма матриц; 3 — опорная плита; 4,5 — вставки

147

цельной матрицы со вставкой приведен на рис. 3.7, примеры способов их крепления - на рис. 3.8.

Цельные пуансоны и матрицы выполняют из крупных поковок легированных сталей, и несмотря на меньшую трудоемкость изготов­ ления и сборки по сравнению с составными конструкциями это удоро­ жает их стоимость.

Особенности составных пуансонов и матриц. Составные оформляю­ щие детали конструируют, когда необходимо изготавливать изделия с поднутрениями, высокими ребрами при относительно небольшой толщине стенок, значительным количеством пазов, отверстий, распо­ ложенных как в направлении главного движения полуформ, так и перпендикулярно ему. Разнообразие вариантов конструкции, связан­ ное с разнообразием изделий, очень велико, и общие рекомендации сводятся к следующим: элементы составных пуансонов и матриц должны быть прочными, а места их стыков - герметичными. Целесо­ образно создавать автоскрепленные конструкции, позволяющие рассматривать составную деталь как монолитную, но допускается применять и дополнительные крепления, конструктивные пазы и буртики и т.д.

При конструировании пуансонов и матриц особое значение приобре­ тает опыт, конструкторская интуиция, активное использование знаний общеинженерных дисциплин.

Расчетные схемы. Оформляющие детали форм для литья под давле­ нием в процессе их конструирования рассчитывают: во-первых, с целью определения исполнительных размеров тех элементов, поверх­ ности которых участвуют в формовании изделий (методика аналогич­ на рассмотренной в разд. 2.2.4, но с учетом усадки и колебания усадки материалов, перерабатываемых литьем под давлением - см. табл. 3.2); во-вторых, с целью обеспечения прочности отдельных элементов и детали в целом; в-третьих, с целью обеспечения точности сборки и сохранения ее при эксплуатации, обеспечения определенности поса­ док деталей в обоймы, плиты и т.д.

Расчеты (или обоснование выбора посадок, особенно с натягом) выполняют традиционно по методикам, основанным на теории допус­ ков и посадок. Такие расчеты приводят при конструировании сборных пуансонов и матриц, когда вставки или другие детали запрессовыва­ ются с натягом одна в другую. При этом особенно важно оценивать возникающие деформации тех поверхностей (элементов) пуансонов и матриц, которые непосредственно формуют изделие (значения этих деформаций не должны превышать требований, установленных качест­ венными параметрами изделий).

Расчеты прочности пуансона и матриц форм имеют целью, как это. отмечено в разд. 2.2.3, определение рациональных толщин стенок. Расчеты прочности дополняются расчетами деформаций особо нагру­ женных деталей. Основным исходным параметром, регламентирую­ щим результаты прочностных и деформационных расчетов в формах, является давление впрыска расплава в форму, под действием которо-

148

Таблица 3.2. Усадка и колебание усадки термопластов при литье под давлением

Группа матери»лов (по колебанию усадки AS, %).		Стандарт, технические
Марки	ния усадки	условия
Св. 0,1 до 0,16
Антегмит АТМ-2	1,1-1,2	ТУ 05-031-502-77
Св. 0,16 до 0,25
Сополимеры полистирола:	0,4-0.6	ГОСТ 12271-76
МС, МСК
САН-С	0,2-0.4	ТУ 6-05-041-369-76
Полиамид 610—11—106 (с тальком)	0,8-1,0	ОСТ 6-05-402-75
Поликарбонаты:
ПК-1	0,6-0,8	ТУ 6-05-1668-80
ПК-2, ПК-5, ПК-6	0,5-0,7
ПК-3	0,4-0,6
Св. 0,40 до 0,60
Полистирол:
блочный и суспензионный	0,4-0,8	ГОСТ 20282-74
оптического назначения	0,4-0,8	ТУ 6-05-1728-75
ПСМ-О, ПСМ-С
АБС-пластики	0,3-0,7	ТУ 6-05-1587-79
Полиамиды стеклонаполненные	0,2-0,6	ОСТ 6-05-408-75
Поликарбонат стеклонаполненный	0,2-0,6	ТУ 6-05-211-1080-80
Сополимер формальдегида СФД-31-4	1,8-2.2	ТУ 6-05-211-1038-76
Св. 0,60 до 1,0
Полистирол ударопрочный	0,4-1,2	ОСТ 6-05-406-75
Этрол ацетилцеллголозный	0,2-0.9	ТУ 6-05-1528-72
Св. 1,0
Полиэтилен:
низкой плотности	1,0-2.0	ГОСТ 16337-77
высокой плотности	1.0-2.5	ГОСТ 16338-77
Полипропилен	1,0-2,5	ТУ 6-05-1756-78
Полиамид-6	1,0-2,0	OCT 6-06-C9-76
Полиамид-610	0,8-2,0	ОСТ 6-05-408-75

Примечание. Указанные значения усадки установлены по ГОСТ 18616—80.

го в оформляющих деталях развиваются напряжения, приводящие к деформациям или - в аварийных ситуациях - к разрушению деталей по опасным их сечениям. Такие расчеты выполняют по известным методам сопротивления материалов. Важно только правильно пред­ ставить схему распределения сил применительно к конкретной конст­ рукции пары „пуансон - матрица" и сопряженных с нею других деталей формы.

Напомним, что полость формы для литья под давлением испытывает максимальное давление в период ее полного заполнения. Величина этого давления определяется многими факторами, подробно рассмот­ ренными в работе [1]: вязкостью расплава; толщиной и протяженностью изделия, т.е. конфигурацией полости формы; геометрическими осо­ бенностями литниковой системы, т.е. числом гнезд, впускных кана-

149