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

Рис. 2 . 8 . Схема к расчету числе гнезд в пресс-фор­ мах для литьевого прессования

пресс-форма, и усилия прессования

гпр:п=^н/^пр=^н/^Ро/). гДе Ре- давление прессования (примерно равно: для фено­ пластов-30-40 МПа, для волокнита- 40-50 МПа, аминопластов-25-30 МПа, текстолита и стеклопластиков40- 70 МПа); /-площадь прессования, м2; к-ко­ эффициент, учитывающий неизбежные по- ,тери давления на трение в уплотнительных и других устройствах и равный 1,2.

Площадь прессования определяется по-разному для разных типов загрузочных камер и формующих гнезд (открытых, по­ лузакрытых и закрытых-см. разд. 2.2.2); это площадь проекции изделия на плос­ кость, перпендикулярную направлению прессования, для открытых и закрытых

пресс-форм или . площадь проекции загрузочной камеры в полу­ закрытых пресс-формах, которая обычно на 20 - 40% больше пло­ щади проекции изделия. Учет коэффициента к фактически приво­ дит к более точной оценке эффективного усилия F3, развиваемого прессом: F3 = FH - F^, - Gnp, где F^, - потери на трение в уплотнительных и других устройствах; Gnp - масса подвижных деталей пресса.

Величину удельного давления прессования ро для конкретной пресс-формы и пресса можно проверить по экспериментально установ­ ленному манометрическому давлению рм в гидроцилиндре пресса: Ро = (Рм':пр/плж)//з.к> гДе ^пр- коэффициент полезного действия пресса (fcnp < 1);ЛшЖ - площадь поперечного сечения плунжера пресса; /з.к ~ площадь горизонтальной проекции загрузочной камеры пресс-формы.

По установленному числу гнезд можно вычислить эффективное усилие выталкивания изделия FBbIJ-3= "Радг/б> гДе Рада - адгезионная прочность связи отвержденного реактопласта с металлической стен­ кой пресс-формы (около 0,1-0,4 МПа для фенопластов); /б - боковая поверхность полости (матрицы).

Расчет гнездности пресс-форм для литьевого прессования. В

пресс-форме для литьевого прессования усилие, действующее на материал в загрузочной камере, площадь проекции которой на гори­ зонтальную плоскость равна / (рис. 2.8), стремится сомкнуть форму. Усилие, действующее на площадь проекции полости (изделия) /j "и площадь проекции литниковой системы /г, стремится разомкнуть форму. Если давление на материал в литьевой камере и в формующей

80

полости равны, то условие неразмыкания формы будет следующим: f>nfi+fb или n^iS-Blh.

При конструировании пресс-формы для литьевого прессования известны параметры FH, ро, /i (при выбранном рабочем положении изделия в формующей полости). Поэтому рассчитывая гнездность таких пресс-форм, сначала принимают /г = 0, полученное значение п округляют в меньшую сторону, затем конструируют литниковую систему и проверяют приведенное выше соотношение для л; если оно (соотношение) не выполняется, то увеличивают площадь /.

Оценка гнездности пресс-форм по экономико-технологическим параметрам. Для этого сравнивают фактический фонд рабочего време­ ни (например, за месяц) и технологически обусловленное время выполнения задания по выпуску конкретной детали в проектируемой пресс-форме, а именно: п =(т1бгксЛ)/С. Здесь т1 - время выдержки изделия в пресс-форме в расчете на 1 мм толщины изделия, мин; б - половина наибольшей толщины прессуемого изделия, мм; z - месяч­ ное задание по выпуску изделий, шт.; С - месячный фонд рабочего времени, мин; к№ - коэффициент, зависящий от типа конструкции пресс-формы (съемная или стационарная) и наличия арматуры в изделии: съемная, полустационарная - 1,3 (без арматуры); 1,8 (до 3 единиц арматуры); 2,5 (более 3 единиц арматур); стационарная - 1,1 (без арматуры); 1,2 (до 3 единиц арматуры); 1,5 (более 3 единиц арматур).

Технико-экономическая оптимизация гнездности пресс-форм. С

экономической точки зрения оптимальная гнездность должна обеспе­ чивать наименьшую себестоимость изготовления пластмассовых изделий. Общая стоимость планируемой программы изделий склады­ вается из стоимости материала для изготовления изделий (Ci), элек­ троэнергии (Сг), оснастки (Сз), оборудования (СД масла и вспомога­ тельных материалов для работы оборудования (Cs), производственных площадей (Cg), заработной платы обслуживающего персонала (С7), амортизационных и прочих расходов (Се).

Себестоимость прессованных изделий помимо постоянных затрат на материал и амортизацию оборудования зависит от двух переменных величин: заработной платы прессовщика (с увеличением гнездности падает) и себестоимости пресс-формы (с увеличением гнездности возрастает). Учитывая отмеченные выше положения, была получена

зависимость для попг = [(СпрП) /(К^Сф)]1'2, где Спр - себестоимость прессования с накладными расходами; Сф - себестоимость одного

гнезда пресс-формы; П - программа выпуска изделий; Ki - коэффици­ ент, учитывающий снижение себестоимости прессования с увеличени­ ем числа гнезд (Ki = 0,6); К2 - коэффициент, учитывающий себестои­ мость пресс-формы с увеличением числа гнезд (К2 = 0,75). По аналогии с технико-экономической оптимизацией гнездности пресс-форм посту­ пают и при расчете гнездности других типов формующего инструмента, например форм для литья под давлением (см. разд. 3.3.2, где приведе­ на и некоторая дополнительная информация, полезная также для

пресс-форм).

Я1

2.4. Система оформляющих деталей пресс-форм

2.4.1. Основные конструктивные особенности

Оформляющие детали не нормализуются, но есть ряд проверенных опытом правил и требований, предъявляемых к их конструкции.

Матрицы, в которых образуется, как правило, формующая по­ лость - наиболее ответственные детали пресс-формы. В большинстве пресс-форм матрицы является сочетанием двух элементов - собствен­ но матрицы и загрузочной камеры. Конструкционно они могут быть выполнены как одно целое или составными, причем в последнем случае загрузочная камера и матрица являются неразъемной конст­ рукцией; изготовление цельной матрицы не всегда технологически оправдано и для облегчения обработки иногда приходится делать матрицу составной; наружные очертания матрицы обычно имеют цилиндрическую или прямоугольную форму; придавать матрицам другую форму нецелесообразно, так как это увеличит трудоемкость их изготовления; на рис. 2.9 приведены эскизы типичных составных матриц.

Пуансоны применяют для передачи давления на пресс-массу. При прямом прессовании они оформляют наружные и внутренние поверх­ ности детали (рис. 2.10).

Пуансоны, как и матрицы, могут выполняться сборными. Особое внимание должно уделяться фиксации пуансона - шпонками, штиф­ тами, винтами.

Правильное сопряжение пуансона с загрузочной камерой или с матрицей достигается при надлежащем зазоре между ними: величина его зависит от диаметра или сечения пуансона, но его минимальное значение равно 0,02- 0,03 мм на сторону; этому требованию отвечают посадки на рис. 2.10.

Для уменьшения трения верхняя часть загрузочной камеры делает­ ся с уклоном 15-20° на сторону; высота уклона равна половине высоты загрузочной камеры.

Ри с . 2.9. Эскизы составных матриц:

а— конструкция, выполненная заодно с индивидуальной загрузочной камерой; б — составная конструкция с формующими вставками (чаще — при прямом прессовании волокнистых пресс-мате­ риалов); в — составная „галетного* типа с накладкой загрузочной камерой; 1 — вставная формующая

матриц*; 2 — обойма- 3 — загрузочная камера

82

Ри с. 2.10. Эскизы пуансонов:

а— цельного; б — составного; I — пуансон; 2 — обойма пуансона (пуансонодержатель); 3 — матри­ ца с загрузочной камерой

Поскольку с увеличением площади проекции загрузочных камер в значительной степени увеличивается и необходимое усилие прессова­ ния: размеры камер в пресс-формах полузакрытого типа не должны превышать более чём на 10-12 мм размеры формующей полости, а полезная площадь прессования не должна быть меньше 6065% всей площади загрузочной камеры.

Формующие знаки (рис. 2.11) образуют в прессуемом изделии глад­ кие отверстия, „окна" - квадратные, шестигранные и т.д. Они могут быть неподвижными и подвижными, в последнем случае - это зна­ ки-выталкиватели (рис. 2.11, г).

Вставки (вкладыши) образуют различные углубления и отверстия асимметричной конфигурации.

Как при неподвижном, так и при подвижном соединениях формую­ щих знаков и вкладышей высота посадочной части отверстия детали, в которой производится установка знаков, должна быть меньше, чем

Ри с . 2.11. Конструкции формующих знаков:

а—в — неподвижных (о — Ф1 < 4 мм, б — <|>j > 4 мм,в — знак проходит только через одну деталь пресс-формы); г — подвижных; 1 — знак; 2 — матрица; 3 — знакодержатель; 4 — плита нижняя; 5 —

пяита верхняя; 6 — пуансон; 1 — плита обогрева; * — плита выталкивателей; 9 — прокладка; 10 — плита хвостовика

общая высота. В неподвижные соединения это делается с целью облег­ чения изготовления и доводки после термообработки гладких круг­ лых и фасонных отверстий в матрице и пуансоне. В подвижных соеди­ нениях, помимо того, меньшая высота посадочной части необходима для уменьшения площади трения сопрягаемых элементов.

Независимо от конфигурации рабочей части формующего знака, хвостовик или стержень, утолщенная часть или буртик для крепления делаются круглой формы, что облегчает их изготовление.

В подвижных формующих знаках диаметр утолщенной части, вставляемой в держатель, должен быть на 0,5-1 мм больше, чем диаметр рабочей части. Посадка в сопряжении знак - держатель в стационарных пресс-формах, имеющих постоянную связь матрицы с формующими знаками, делается подвижной, что компенсирует воз­ можную неточность расположения отверстий в матрице и держателе.

Некоторые затруднения представляет формование отверстий раз­ личных сечений, расположенных перпендикулярно направлению прессования. В съемных пресс-формах выдвижение или вывертывание формующих знаков для такого рода отверстий осуществляется вруч­ ную. В стационарных пресс-формах перемещение знаков механизиро­ вано (см. разд. 2.7.2).

Резьбовые формующие знаки либо непосредственно оформляют резьбу (внутреннюю или наружную) в изделиях, либо с их помощью запрессовывается в изделия металлическая арматура (знак после извлечения изделия свинчивается). Резьбовые знаки-стержни (для внутренней резьбы) и знаки-кольца (для наружной резьбы) могут быть верхними и нижними. Кольца, как правило, устанавливаются в ниж­ ней части пресс-формы (см. рис. 2.12).

При установке в нижней части пресс-формы резьбовые знаки имеют цилиндрический стержень, который входит в соответствующее отверс­ тие в матрице. В зависимости от конструкции пресс-формы эти знаки

Р и с . 2.12. Конструкции резьбовых знаков:

а — стержень, устанавливаемый в нижней части пресс-формы (1 — знак, 2 — матрица); б — стержень, устанавливаемый в верхней части пресс-формы для формования резьбы до 6 мм; в — то же для формования резьбы свыше 6 мм (I — пуансон, 2 — знак, 3 — пружинное кольцо); г — резьбовое кольцо (1 — матрица, 2 — кольцо, 3/~ изделие, 4 — выталкиватель)

84

могут иметь специальный буртик для фиксации и удержания в рабо­ чем положении. Иногда они торцом могут опираться на нижнюю плиту пресс-формы. Верхние резьбовые знаки большей частью делаются с буртиком, удерживающим их в определенном положении относитель­ но плоскости пуансона и перекрывающим отверстие под хвостовик, что предотвращает затекание пресс-материала в посадочное отверстие.

Резьбовые знаки с цанговым креплением, весьма эффективные в эксплуатации, могут быть использованы непосредственно для формо­ вания резьбы или для запрессовки в изделия резьбовой арматуры с диаметром резьбы от 1,7 до 30-36 мм. Несмотря на необходимость дополнительного изготовления цанг, этот тип крепления упрощает производство резьбовых знаков, а также обеспечивает более длитель­ ную эксплуатацию пресс-формы.

2.4.2. Оформляющие гнезда и загрузочные камеры (конструктивные типы и расчет)

По конструктивному типу оформляющие гнезда пресс-формы разде­ ляют (рис. 2.13) на открытые (в которых полость - гнездо является одновременно и загрузочной камерой); закрытые, или поршневые (в которых полость - гнездо как бы продолжает загрузочную камеру; в плане их размеры совпадают); полузакрытые, или с перетеканием (у которых имеется специальная отжимная кромка, рант на стыке пуан­ сона и матрицы). Классификация пресс-форм по конструктивному типу оформляющих гнезд приведена в табл. 2.2.

Тип гнезда определяет характер направления облоя на поверхности изделия. Предпочтение следует отдавать вертикально направляемому облоюего легче обрабатывать. Для удаления газов из оформляющего гнезда предусматривают специальные каналы; их образуют, снимая лыски (не менее трех) на боковой поверхности пуансона,' если послед­ ний представляет собой тело вращения, или за счет разности радиусов закруглений обоймы и пуансона.

Конфигурация и размеры оформляющих полостей зависят от прес­ суемых изделий, а конфигурация и размеры загрузочных камер в плане - еще и от гнездности пресс-форм.

O*(0,^0,S) ВЦЩ+0,6)

Р и с . 2.13. Конструктивные типы оформляющих гнезд пресс-форм:

а — открытые; б — закрытые (поршневые); в — полузакрытые (с перетеканием); i — пуансон; 2 — матрица

Объем загрузочной камеры должен быть достаточным для того, чтобы вместить необходимое количество пресс-материала, оставляя свободным пространство высотой 8-10 мм для направления пуансона. Высота загрузочной камеры Я зависит от конструктивного типа офор­ мляющего гнезда; числа формующих полостей (для полузакрытых пресс-форм с общей загрузочной камерой); плотности пресс-материала и состояния его при загрузке (нетаблетированный, таблетированный); объема формующей полости, участвующей в размещении пресс-мате­ риала (нетаблетированного, таблетированного); коэффициента запол­ нения камеры (для таблеток).

Расчетные формулы для определения высоты загрузочной камеры Н применительно к схемам, приведенным на рис. 2.14, даны в табл. 2.3.

Объем загрузочной камеры для пресс-форм литьевого прессования можно ориентировочно рассчитывать по формуле варианта о (табл. 2.3), но принимать G, равной суммарной массе изделия и литни­ ков.

Применяемые при пресс-литье накладные (универсальные) камеры должны обеспечивать плотное смыкание пресс-формы и не допускать вытекания пресс-материала из-под камеры или в местах соединения

Т а б ли ца 2.2. Классификация пресс-форм по конструктивному типу оформляющих гнезд

Тип гнезда пресс-формы	Характеристика изделий
Открытый (пресс-формы прямого прессова-	Изделия небольшой толщины, разных раз­
нил без загрузочной камеры)	меров, простой конфигурации, невысокой
	ючности
Полузакрытый (пресс-формы прямого прес-	Изделия из порошкообразных и волокнис-
сования с загрузочной камерой и опорной	тых пластмасс малой текучести, различной
поверхностью между пуансоном и матрицей	конфигурации, повышенной точности
(наиболее распространенный тип пресс-форм)
Полузакрытый обратного типа (пресс-формы	Изделия полые с небольшой конусностью
прямого прессования, прессующие детали в	внутренних поверхностей или с арматурой,
перевернутом состоянии)	устанавливаемой в матрице, повышенной
	точности
Закрытый (пресс-формы прямого прессова-	Изделия из любых пресс-материалов (в том
ния с загрузочной камерой, являющейся	числе волокнистых) малой текучести, точ-
продолжением формующей полости)	ность изготовления высокая

Закрытый (пресс-формы прямого прессоваИзделия сложной конфигурации из слоис-

ния со встречными пуансонами)	тых и волокнистых пресс-материалов малой
	текучести; точность изготовления высокая
Пресс-форма для прямого прессования	и Изделия с поднутрениями по наружной
пресс-литья на угловых гидропрессах	поверхности

Пресс-формы для пресс-литья с загрузочной Изделия с двусторонней арматурой, разнокамерой, расположенной в нижней части стенные и т.д.

пресс-формы

86

Рис. 2.14. Схемы оформляющих гнезд и загрузочных камер:

а— открытая; б — полузакрытая одногнеэдная; в — полузакрытая многогнездная; г, д — закрытая; а —в — загрузка пресс-порошком, гид— таблетками

частей пресс-формы. Для этого площадь проекции загрузочного прост­ ранства накладной камеры /3>к должна быть на 1520% больше сум­ марной площади /я оформляющих гнезд пресс-формы:

/З.к = (1,15 +1,20) /z .

Площадь отверстия в накладной камере, через которое материал поступает в полость пресс-формы, рекомендуется принимать равной половине площади загрузочной камеры.

Таблица 2 . 3 . Расчетные формулы для определения высоты загрузочной камеры Я

Вариант оформляющего гнезда (схемы см. на рис. 2.14)

[С/(Р/3.К)] +(0,005+ 0,01)

[ С / р - Щ , . к + ( 0 , 0 0 5 + 0,01) [n(G/p-V)]//3 - K +(0,005+ 0,01)

[<V<WT)] + (0,005 + 0,01)

Условные обозначения

G — масса материала; р — плот­ ность пресс-материала; V — объем гнезда ниже плоскости I—I; л — число гнезд; /З .к — площадь сече­ ния загрузочной камеры; / 1 Д К —

[ ( G » - / „ « / ! , ] / / , + (0,005 + 0,01) площадь проекции на плоскость разъема пресс-формы таблетки, помещенной в загрузочную каме­ ру; / т — то же, но помещенной в гнездо; h, — высота таблетки, помещенной в гнездо

Высота накладной камеры определяется по приведенным выше формулам для загрузочных камер пресс-формы, но из-за конического дна берется поправка + (10 + 15) мм.

2.4.3. Расчеты оформляющих деталей на прочность и жесткость

Расчеты выполняются лишь для наиболее ответственных деталей пресс-форм, подверженных действию значительного по величине внутреннего давления, которое развивается при прессовании пласт­ масс в оформляющей полости. В табл. 2.4 приведены типовые объекты таких расчетов (кстати, характерные и для форм литья под давлени-

87

ем), там отмечен характер воспринимаемой нагрузки, возможные рассчитываемые параметры, условные расчетные схемы, изученные в курсе сопротивления материалов.

В самом общем виде методика расчетов состоит из следующих этапов.

1.Выбор расчетных режимов, а именно: наибольшее усилие прес­ сования; темп работы; оптимальные и предельные температуры дли­ тельной работы (т.е. все режимы, при которых можно ожидать появле­ ния наибольших статических и динамических напряжений в деталях).

2.Выявление распределенных или сосредоточенных нагрузок и мест их действия в пресс-форме.

3.Выбор условных расчетных схем, т.е. представление реальных деталей пресс-формы условными - стержнями, балками, пластинками, оболочками и т.д.

4.Определение действующих напряжений, а именно: в детали или

ееотдельном элементе - от каждого вида нагрузок при нормальной рабочей и максимальной (возможной при эксплуатации) температурах; в точках с экстремальными напряжениями.

Т а б л и ц а 2 . 4 . Типовые объекты расчета оформляющих деталей на прочность и жесткость

Деталь	Нагрузка	Возможные рассчитываемые					Условная расчетная
			параметры					схема
Матрица круглая	Внутреннее давление	Тангенциальные и ра­					Толстостенный цилиндр,
		диальные напряжения					нагруженный			равно­
		на внутренней повер­					мерно	распределенным
		хности	(по		формуле		давлением			по	вну­
		Гадолина-Лямэ),				эк­	тренней поверхности
		вивалентное			напря­
		жение	(по		четвертой
		теории прочности); до­
		пускаемая			толщина
		стенки матрицы
Матрица прямо­	Внутреннее давление	Напряжения			изгиба в		Балка	с	заделанными
угольная		середине длинной сто­					концами при			действии
		роны;		допускаемая			равномерно			распреде­
		толщина		стенки		мат­	ленной нагрузки
		рицы
Обойма матриц	Растяжение из-за де­	Напряжения			(те	же,	Скрепленный			толсто­
	формации нагружен­	что для		матрицы —			стенный цилиндр,				на­
	ных внутренним дав­	круглой или прямоу­					груженный равномерно
	лением матриц, кото­	гольной			соответ­		распределенным давле­
	рые запрессованы в	ственно), деформации					нием	по	внутренней
	обоймы	стенок матрицы, вели­					поверхности
		чина натяга			в сопря­

жении

88

	Деталь		Нагрузка		Возможные рассчитываемые					Условная расчетная
						параметры				схема
Плита	нагрева­	Усилие	прессования,		Напряжения			изгиба,		Балка, опертая на кон­
тельная нижняя		действующее		через	прогиб плиты					цах и нагруженная по­
		пуансон и прессуемый								середине
		материал на плиту до
		шыкания		опорных
		планок
Опорная планка		Усилие прессования			Напряжения сжатия по
					толщине;		по	площади
					контакта
Выталкиватели		Усилие	выталкиваю­		Расчетные		усилия		на	Консольная балка
		щих гидравлических			выталкиватели,				до­
		цилиндров.		Усилие	пустимая		величина
		обратного хода плиты			площади		поперечного
		машины,	используе­		сечения		выталкива­
		мого для выталкива­			теля
Крепежные		ния
		Усилие обратного хо-			Расчетные		усилия		на	Одноосно	растянутый
болты		ца пресса			болты,		допустимая			стержень
					величина			площади
					поперечного			сеченил
					болта
Крепежные бол­		Топеречная нагрузка,			Расчет	затяжки бол­				Одноосно	растянутый
ты (в	формах,	вызывающая		смеще­	тов,	минимальное				стержень
установленных		ние полуформ			число болтов
на горизонталь­
ных машинах)

5.Определение суммарных напряжений (основываясь на примене­ нии принципа суперпозиции) и расчетных напряжений орасч (на основе соответствующей теории прочности).

6.Определение допускаемых напряжений [о], для чего необходимо знать температурный интервал работы пресс-формы ДГ, а также физико-механические характеристики материала рассчитываемой

детали (ов, овсж, Е, ц, а в интервале ДГ). В итоге должно быть для каждой из рассчитываемых деталей: орасч *£ [о].

7. Определение термической стойкости (при необходимости, если особо значительны градиенты температур или изделие тонкостенное, с резкими переходами толщин).

8. Определение деформаций, причем в итоге должно быть, чтобы прогибы / и углы поворота <р обеспечивали условия требуемой жест­ кости деталей:

/<1Л; Фшах=[ф]-

89