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

Агрегатное состояние	Процесс превращения	Формующий инструмент
перерабатываемого материала	материала
	Формующая зона — замкнутая
Вяэкотекучее (расплав)	Отверждение расплава реакто- Пресс-форма, заливочная
	пласта	форма
	Затвердевание расплава	Форма для литья под давле-
	термопласта	кием
Высокоэластическое	Затвердевание, застекловыва-	Формы для термоформования
	ние	объемных изделий
Твердое	Уплотнение в монолитное	Таблет-формы
	твердое состояние
	Формующая зона — открытая
Вяэкотекучее (расплав)	Охлаждение до высокоэлас-	Экструзионная головка
Высокоэластическое	тического состояния
	Затвердевание	Калибрующая головка
Твердое	Ориентация, кристаллизация	Протяжки формующие

Все эти типы формующего инструмента рассматриваются в отдель­ ных главах учебника, причем подробнее описываются те, которые наиболее перспективны и в настоящее время распространены. С учетом учебных, общеознакомительных целей книги ряд сведений, особенно некоторые методики расчетов, приведены в относительно адаптированных, модельных вариантах, но применение их на практи­ ке дает верные результаты.

Отбор материалов в учебник по инженерной прикладной дисцип­ лине достаточно сложен. Авторы использовали наряду с опытом кафедр МИХМа и ЛТИ им. Ленсовета, где они работают, также и опыт отечественных предприятий, отдельные опубликованные иностран­ ными фирмами, зарубежными и отечественными специалистами разработки, полезную конструкторскую информацию. Как принято для учебников, к каждой главе дается краткий рекомендуемый библиографический список. Читатели, и в первую очередь студенты, аспиранты, молодые конструкторы могут присылать свои замечания и предложения по книге, которые будут приняты авторами с благодар­ ностью и учтены в дальнейшей работе над учебником.

ГЛАВА 1

МЕТОДИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ ФОРМУЮЩИХ ИНСТРУМЕНТОВ

1.1.Методология системного анализа

1.1.1.Общие положения

Проектирование новых или модернизация существующих конструк­ ций формующих инструментов-сложный и многогранный творчес­ кий процесс. Его цель-достижение минимальных затрат труда, мате­ риалов, энергии, средств и при этом обеспечение максимальной ра­ зумной эффективности при эксплуатации созданной конструкции.

Формующие инструменты-основные рабочие органы машин, пере­ рабатывающих пластические массы в изделия, причем эти органы автономны, их проектируют отдельно от технологической машины, но обязательно ориентируясь на ее технические параметры и предельные возможности. Именно в рабочих органах проходят последовательно все стадии формования изделий, завершаясь образованием требуемого их качества.

Процесс создания формующих инструментов для изготовления изделий из пластмасс состоит из этапов прогнозирования, проектиро­ вания (или разработки конструкторской документации), подготовки производства и его освоения. Рассмотрим подробное содержание этих этапов.

'Щ Инженерное прогнозированиеэто обработка информации, отража­ ющей потенциальные возможности развития техники (для начинаю­ щих конструкторов реален сбор патентных и производственных данных, их анализ и использование на уровне аналогий). Как состав­ ная часть в прогнозирование входят вопросы экономики. В технике для прогнозирования используют методы экстраполяции, эксперт­ ных оценок, моделирования. В зависимости от цели прогнозирования выбирают конкретный объект прогнозирования конструкции формую­ щего инструмента (в целом или отдельных узлов, деталей), период упреждения и точность прогнозирования. Перевод упреждения (пери­ од, на который ведут прогнозирование) зависит от требуемой точности (чем он больше, тем точность прогнозирования меньше и тем полнее должны быть исходные данные). Прогнозирование конструкций включает рассмотрение функционального назначения, основные тех­ нические и экономические параметры, возможные компоновочные решения, новые материалы и заготовки, новые технологические процессы, формы и методы организации и управления производст­ вом и т. д.

11

Разработка конструкторской документации должна проводиться в соответствии с единой системой конструкторской документации (ЕСКД,ГОСТ 2.103-68). Формующий инструмент проектируют на осно­ вании технического задания (по ГОСТ 15.001-73); выполняют сбороч­ ные чертежи, соответствующие стадии технического проекта, и рабо­ чую документацию.

Разработка конструкторской документации-это результат проек­ тирования, в процессе которого осуществляют анализ и синтез; абст­ рагируются от некоторых несущественных свойств исследуемой конструкции, сосредоточиваясь только на главных функциональных свойствах; используют метод аналогий и выдвигают альтернативы.

Подготовка производства к выпуску вновь спроектированного формующего инструмента проводится в соответствии с требованиями стандартов Единой системы технологической подготовки производ­ ства (ЕСТПП) и Единой системы технологической документации (ЕСТД). При этом решают следующие основные задачи: отработка конструкции на технологичность, разработка типовых и специальных технологи­ ческих процессов изготовления, контроль, сборка конструкции (в целом, отдельных функциональных узлов, деталей); установление технических норм времени на изготовление конструкции, норм расхода материалов и т. д.; расчет потребного оборудования, произ­ водственных мощностей и других технико-экономических параметров.

В ЕСТПП ГОСТ 14.20173 предусматривает общие правила отработки конструкции изделия на технологичность. Различают два вида техно­ логичности конструкции: производственную и эксплуатационную (ГОСТ 188-73 „Технологичность конструкций. Термины и опре­ деления").

Производственная технологичность конструкции проявляется в сокращении времени и средств на конструкторскую и технологичес­ кую подготовку производства нового изделия, процессы изготовле­ ния изделий, организацию и управление процессом производства. Технологичной называют такую конструкцию, которая полностью отвечает предъявленным требованиям к изделию и может быть изго­ товлена с применением наиболее экономичных (при принятом типе и масштабе производства) технологических процессов.

Эксплуатационная технологичность конструкции изделия проявля­ ется в сокращении затрат (средств и времени) на подготовку изделия и функционированию, на техническое обслуживание и ремонт изделия.

Главные факторы, определяющие технологичность конструкции: вид изделия (деталь, сборочная единица, комплекс, комплект); объем выпуска; тип производства.

Главные задачи на технологичность: снижение трудоемкости изго­ товления изделия; стандартизация и унификация составных частей изделия, являющихся сборочными единицами (блоки, узлы) или деталями; унификация элементов конструкции (посадок, квалитетов размеров, шероховатости поверхности, резьб, модулей зубьев, диа­ метров отверстий, радиусов и т. д.); возможность применения унифи-

12

дарованных технологических процессов сборки, контроля, испытаний, технического обслуживания.

Задачами отработки на технологичность конструкции сборочных единиц (какими являются формующие инструменты) являются: обес­ печение технологичности компоновки сборочной единицы; выбор правильных и рациональных установочных баз; рациональное члене­ ние сборочной единицы на составные части; обеспечение условий регулировки и применения производительных процессов сборки, контроля и испытания.

Задачами отработки на технологичность конструкции отдельных деталей являются: рациональный выбор конструкционных баз, обес­ печивающих возможность их использования также в качестве техно­ логических баз); обеспечение однотипности форм обрабатываемых поверхностей; построение рациональных размерных цепей, дающих требуемую точность функциональных параметров; обеспечение четкой принадлежности конструкции детали к определенной классификаци­ онной группе, на представителя которой составляется типовой тех­ нологический процесс (ЕСТД, ГОСТ 3.1409-74 „Правила оформления документов на изготовление деталей из пластмасс").

На стадии разработки технологического задания на проектирование устанавливают базовые показатели технологичности конструкции. Эти показатели могут быть частными или комплексными, относительными или абсолютными.

Отработка конструкций на технологичность-это доведение их до соответствия определенной системе требований, обеспечивающих минимальные сроки и стоимость подготовки производства изделий, расход материала и трудоемкость при высоких эксплуатационных качествах изделия. Отработка должна производиться независимо от намечаемой серийности производства изделий.

ГОСТ 14.202-73 устанавливает правила выбора показателей техно­ логичности конструкции: по трудоемкости-изготовления (в том числе-по видам работ), подготовки к функционированию, техничес­ кого обслуживания, ремонта; по себестоимости-технической, подго­ товки к функционированию, профилактического обслуживания, ремонта; по унификации и взаимозаменяемостиунификации в целом и отдельных конструктивных элементов, стандартизации, коэффици­ ента повторяемости, коэффициента взаимозаменяемости; по расходу материала-масса общая, коэффициенты использования и применяе­ мости; по обработке-коэффициент точности обработки; коэффициент качества поверхности; по составу конструкции-коэффициент сборности, коэффициент перспективности использования и др.

•Наконец, последний этап-освоение производства - проводится в соответствии с ГОСТ 15.001-73, где предусмотрены правила не только разработки, но и постановки продукции на производство, а также виды испытаний конструкций серийного и массового производства.

Формующий инструмент, установленный на технологическом оборудовании (машине) при любом технологическом процессе изго-

13

,. ,.

JUL I

x'i

мФ

и,,

Рис. 1.1. Структура системы .машина (М) - форма (Ф) - изделие (И)" с подсистемой

.форма (Ф) — термостат (Т)*. Пояснения в тексте

товления пластмассового изделия, является частью, элементом систе­ мы. Упрощенно вся эта система представлена на рис. 1.1.

Системой называют совокупность (множество) любым способом выделенных объектов (реальных или воображаемых), если заданы связи между объектами; каждый из элементов внутри системы счи­ тается неделимым; с окружающей средой они взаимодействуют как целое; в разные моменты времени между объектами системы можно провести однозначное соответствие; совокупность объектов образует целостное единство. Такое определение наиболее распространено.

Между составляющими системы могут быть отношения и связи, что не тождественно. Наличие отношений не означает, что изменение одной части системы определяет какие-либо изменения другой части. Нали­ чие связей указанные изменения предполагают обязательными. Связи между частями, объектами системы делят на две категории: внутрен­ ние, при которых взаимодействие происходит между частями систе­ мы; внешние, при которых взаимодействие происходит с окружающей средой.

Понятие „связь" имеет первостепенное значение, так как оно определяет и собственно систему, и содержание системного анализа. Установлены три группы связей: взаимодействия (они выявляются целями, которые преследует каждый из объектов системы); строения или структурные; функционирования (они обеспечивают действие системы; их разновидности-связи развития, отражающие процесс смены состояний, и связи управления).

Системный анализ при создании конструкции (в частности, формую­ щего инструмента) - это методология решения сложных технических задач, основанная на концепции системы (или иначе-построение системы для решения сложных задач, что взаимосвязано). Важней­ шей составной частью системного анализа является разработка струк­ туры рассматриваемой системы объекта.

14

Обратимся к рис. 1.1, на котором дан пример структуры системы „машина (М)- форм? (Ф) -изделие (И)". В систему входят (х,) и выходят Oj) материальные, энергетические и информационные потоки (xj - материал, х% ~ энергия, *з ~ информация о параметрах процесса, реализуемых в машине; у\ - качество, yi - количество, у$ - информа­ ция о параметрах качества изделий). Внутри системы между ее эле­ ментами существуют связи, реализуемые также материальными, энергетическими и информационными потоками (например, в форму входит расплав Xj и информация о нем, т. е. о температуре и давлении расплава Xj; между формой и изделием происходит теплообмен, т. е. процесс передачи энергии х{ и информация о нем xj).

Теплообмен формы с окружающей средой регулируют с помощью термостата (Т), который совместно с формой (Ф) образует подсистему (т. е. включает элементы, не подвергающиеся дальнейшему разделе­ нию). В этой подсистеме также циркулируют материальные, энерге­ тические и информационные потоки, существуют связи. Внешние связи: х4 ~ теплоноситель; х$ - информация о состоянии (температуре, скорости) и количестве теплоносителя; xg-тепловой поток, завися­ щий от теплообмена с окружающей средой и особенностей геометрии изделия; х7 - информация о геометрии изделия и величине его теплоотдающей поверхности. Внутренние связи: х^ - поток теплоносителя (хладоагента или и теплоносителя, и хладоагента), поступающего в форму; х\ - информация о температуре теплоносителя хщ у%- поток отработанного теплоносителя и ^-информация о его состоянии. Выходом из рассматриваемой подсистемы является у\ - потери тепла термостатом (и соответствующая информация об этом); щ-потери тепла изделием, находящимся в форме, и информация о состоянии изделия х'ч. Энергетические потери при переработке от технологичес­ кой машины- у\.

Другие связи на схеме не приведены и вообще их выделение, равно как и число элементов в подсистеме (системе), а также количество подсистем, зависит от постановки цели и задач системного анализа, намеченных путей решения.

Оценка состояния системы, приведение ее к определенной цели могут быть наиболее точно осуществлены, если известна количест­ венная характеристика ее элементов, объектов. Для этого требуется введение определенного критерия.

Процесс формообразования изделия в рабочем органе, в замкнутой или открытой полости формующего инструмента, подвержен наруше­ ниям, а для инструмента дискретного действияобязательным, технологически обусловленным нарушениям термического равнове­ сия. Поэтому одинаковые технологические условия формования изделия могут продолжаться лишь с определенной вероятностью РФ, что и описывается вероятностной матрицей вида

м,	(Л\Л\	^ /0,99; 0,01\
№ =	~ь J.U	пример:РФ =
	Н ; * У	\0,46;0,54/.

15

Числа, приведенные в матрице справа, могут быть установлены экспериментально; они поясняют, что вероятность продолжения нормальной работы Р^ составляет 99%, а вероятность нарушения Р\2~ 1%. В то же время, если нарушение произойдет, то вероятность его устранения к следующему циклу Р^} составит 46%, а вероятность продолжения нарушения Fj^- 54%.

Система, в которой происходят нарушения, называется ремонтируе­ мой. Для быстрого ввода системы в состояние нормальной работы необходимо, чтобы все ее элементы были слабжены средствами сбора, регулирования и даже управления соответствующими технологичес­ кими параметрами. Применительно к такому элементу системы, как форма (Ф), это означает оснащение ее датчиками температуры, давле­ ния или вязкости расплава; осуществление быстрой, малоинерционной „обратной связи" между формой (Ф) и машиной (М), лучше всего реализуемой с помощью ЭВМ. Такие формы еще мало распространены, но тенденции их широкого появления очевидны (см. гл. 3).

Систему „машина (М)- форма (Ф)- изделие (И)", как и любую техни­ ческую систему, характеризуют надежность (см. гл. 2), точность и ста­ бильность. Точность характеризует систему в некоторый фиксирован­ ный момент (период) времени с точки зрения соответствия полей рассеяния значений показателей качества изделийу\ заданным полям допусков этих показателей (их величинам и расположению). Стабиль­ ность характеризует систему с точки зрения возможности сохранения показателей качества изделий в заданных пределах в течение задан­ ного планового периода времени.

1.1.2. Конструирование деталей

Принимая деталь как систему (рис. 1.2), функциональные части ее рас­ сматривают как подсистемы, а поверхности детали как элементы. В зависимости от типа и сложности детали число структурных состав­ ляющих может быть различным, а для формообразующих деталей формующих инструментов- и большим.

Пользуясь методологией системного анализа, зная общую цель, стоящую перед конструкцией, можно определить направления опти­ мального конструирования детали. При этом происходят два процес­ са-расчетный и графический (параллельно, последовательно, чере­ дуясь). Системный анализ (по опыту применения) позволяет сущест­ венно уменьшить количество изменений, вносимых в период подго­ товки и освоения производства деталей, связанных с несовершенст­ вом существующих расчетных методик и широким использованием при конструировании метода аналогий.

К конструкции детали предъявляют требования эксплуатации и тре­ бования производства, которые могут быть противоречивыми, незави­ симыми друг от друга. Требования эксплуатации и производства рас­ сматривают как подсистемы, между которыми имеются связи. Требо­ вания эксплуатации имеют постоянный характер, а производства-

16

Деталь

Л

	1
Часть	Часть	• •	•	Часть
детали	детали			детали
к,Л
1	I			'
Поверхность	Поверхность	• •	•	Поверхность
р,к.Л	Pi "Is			Р}«1»

Рис. 1.2. Структура конструкции детали как системы

переменный, зависящий от объема выпуска деталей. В итоге это приводит к необходимости постановки многовариантных задач и, следовательно, обоснованию компромиссного („оптимального") решения, но с учетом технико-экономических критериев, принятых не только для конструируемой детали, а для объекта (например, фор­ мующего инструмента) в целом.

1.1.3. Проектирование формующего инструмента,

Формующий инструмент (сборочная единица)-это совокупность кон­ струкций малых сборочных единиц и деталей, находящихся в опре­ деленной взаимосвязи, обеспечивающей требуемое функционирова­ ние. Пользуясь методологией системного анализа, представляют конструкцию формующего инструмента как иерархическую систему, состоящую из структурных единиц разного уровня (на рис. 1.3. пока­ зано пять уровней). Каждая малая сборочная единица может состоять из некоторого числа деталей, причем одна и та же деталь может вхо­ дить в разные сборочные единицы (это либо отражает уровень унифи­ кации деталей, либо их повторяемость, либо многофункциональность). В свою очередь, отдельные части (функциональные или структурные) детали (см. рис. 1.2) могут входить в конструкцию разных наимено­ ваний деталей; на нижней ступени иерархической структурыэле­ менты системы, поверхности детали (форма, точность размеров, шеро­ ховатость).

Итак, формующий инструмент следует рассматривать только как систему (в то же время - это как показано выше, элемент технологи­ ческой системы М- Ф- И); малую сборочную единицу- в зависимости от постановки задачи системного анализакак систему и подсистему; деталькак систему, подсистему и элемент; функциональную и струк-

17

Форма

Ф

Малая	Малая	Малая
сборочная	сборочная	сборочная
единица Ф7	единица Ф2	единица Ф^
?
Деталь	Деталь	Деталь

Часть	Часть	Часть
детали	детали	детали

*

Поверхность	Поверхность	Поверхность
	рг*1лА	р к И.Ф.

Рис. 1.3. Иерархическая структура конструкции формующего инструмента как системы

турную часть детали-как подсистему и элемент; поверхность дета­ литолько как элемент.

Системные модели формующих инструментов, так же как и отдель­ ных деталей, должны отвечать требованиям эксплуатации и производ­ ства (рассматриваемым как подсистемы) с учетом существующих между ними взаимосвязей и противоречий. Отдельные положения системного анализа использованы в последующих главах.

1.2. Пластмассовое изделие как информационная база для проектирования формующего инструмента

1.2.1. Общие положения

Проектирование формующего инструмента выполняют с учетом осо­ бенностей технологических свойств материала изделия. Высокое и стабильное качество изделий при относительно низкой себестоимости, частая смена номенклатуры изделий достигаются при комплексном подходе к проблемам конструирования и изготовления изделия,

18

формующего инструмента. Первым шагом при решении этих проблем является выбор материала изделия. Ответственность за этот шаг несет конструктор изделия, подписывающий соответствующий чертеж. Иногда окончательному решению предшествует экспертная оценка, составление опросного листа с анализом условий эксплуатации изде­ лия и программы его выпуска. Системный подход к проблеме приме­ нения пластмасс, выбору их для конкретного изделиясм. работу [2], а к конструированию самого изделиясм. разд. 1.1.2.

Наиболее важным для выбора материала является температурный интервал эксплуатации. Он должен быть внутри интервала температур морозостойкости и теплостойкостипри отсутствии внешних нагру­ зок; в противном случае рассчитывают (для опасных точек) напряже­ ния в изделии ор, сопоставляя их с допускаемыми напряжениями од, причем запас прочности К=од/ор- должен быть не менее 2 - 3 . При длительном действии внешней нагрузки необходимо также учитывать закономерности релаксации напряжений. При выборе допускаемых напряжений од для пластмасс, в первую очередь конструкционных, необходимо учитывать изменения прочности материала в зависи­ мости от скорости нагружения и разгрузки, колебаний температуры, длительности нагружения, влияния влаги и агрессивности среды; неоднородность материалов (причем многие из них отличаются непо­ стоянством механических характеристик для различных видов де­ формаций).

Неучет этих факторов может вызвать значительные изменения раз­ меров и формы пластмассовых изделий под нагрузкой, превосходящие предельно допустимые, рассчитанные из условий функциональной взаимозаменяемости. При этом вполне вероятна потеря изделием конструктивной определенности'.

Конструктивная определенность деталей машин и приборов (из практики машиностроения) сохраняется, если изменения размеров происходят в пределах от 0,5-1% (квалитеты 10-12) до 3-4% (квалитеты 12-14). Допускаемые напряжения для реактопластов в 1,2-1,5, а для термопластов-почти в 2 раза меньше, чем соответст­ вующие им пределы прочности. Для кратковременных ударных нагрузок рекомендуется снижать допускаемые напряжения на 2030% для термопластов и на 50-60%-для реактопластов. Эти рекоменда­ ции по снижению действующих напряжений по сравнению с предель­ ными не универсальны.

В более ответственных случаях исходные допускаемые напряжения необходимо корректировать для каждого отдельного случая проек­ тирования пластмассового изделия. С этой целью может быть приме­ нен дифференциальный метод: предварительный выбор корректирую­ щих коэффициентов для расчета изделий из пластмасс учитывает многие факторы, влияющие на прочность в предположении, что* они не зависят друг от друга.

Недостатком дифференциального метода является отсутствие количественной оценки разброса разрушающих нагрузок вследствие статистической природы прочности материала.