Проектирование формующего инструмента Тексты лекций

1. Основные методы формования изделий из полимерных материалов

Прессование является одним из наиболее распространенных методов переработки пластических масс. Материал в виде по­рошка, гранул или таблеток загружается в пресс-форму и подвергается воздействию тепла и давления. Область примене­ния метода — изготовление штучных изделий из композицион­ных полимерных материалов: реактопластов и резиновых сме­сей.

Экструзия представляет собой процесс формования изде­лия продавливанием материала через формующий канал (про­филирующий инструмент). Метод экструзии предназначен для получения различных изделий погонажного типа: труб, листов, пленки, профильных полос.

Литье под давлением включает в себя следующие основные технологические операции: подогрев материала (пластикацию), впрыск — заполнение формы, выдержка под давлением и вы­держка на охлаждение (отверждение — в случае литья реак­топластов и резиновых смесей). Литьем под давлением изготав­ливаются штучные изделия сложной формы из термопластов, реактопластов и резиновых смесей.

Раздувное формование служит для изготовления полых (объемных) изделий в виде бочек, бутылей, туб. Метод вклю­чает в себя следующие технологические операции: получение трубчатой заготовки, раздув заготовки сжатым воздухом в замкнутой форме, оформление изделия путем охлаждения или нагревания. Этим методом перерабатываются термопластич­ные материалы и резиновые смеси.

Пневмо- и вакуумформованием изготавливают изделия из листовых и пленочных термопластов. Сущность метода заклю­чается в формовании полого изделия из предварительно нагре­той заготовки в форме при создании избыточного давления или вакуума. Предельные размеры изделий при этом ограничива­ются только размерами листовых заготовок и габаритами формы.

Ротационное и центробежное формование служит для полу­чения объемных изделий и труб из порошкообразных полимер­ных материалов и пластизолей во вращающейся нагретой фор­ме. Под действием центробежных сил материал прижимается к оформляющей полости формы, образуя тонкое покрытие, которое плавится под действием нагрева. Формоустойчивость из­делий из термопластов достигается путем последующего охлаж­дения формы.

1.1 Краткие сведения о материалах

Различают два основных класса полимерных материалов - реактопласты и термопласты.

Термопласты, как правило, состоят из одного компонента.

Основные представители класса термопластов – полиэтилен низкого и высокого давления, полипропилен.

Реактопласты — композиционные пресс-материалы, состоящие из смолы поликонденсационного типа, наполнителя, красителя (для новолаков) и т.д. Наиболее распространенными пресс-материалами являются фенопласты, аминопласты (табл. IV. 1), а также композиции на основе полиэфирных и эпоксидных смол.

Получение изделий из реактопластов основано на горячем формовании изделий, заключающемся в пластической деформации материала при одновременном действии на него тепла и давления с последующей фиксацией формы изделия

Формование осуществляется в пресс-формах, конфигурация полости которых соответствует конфигурации изделия. Пресс-формы устанавливаются на гидравлических прессах или литьевых машинах, назначение которых — создание необходимого сжимающего усилия (давления прессования или литья). Помещенный в пресс-форму предварительно подогретый или холодный материал разогревается до температуры прессования и, подвергаясь под давлением прессования деформации одномерного течения, заполняет полость формы и одновременно уплотняется. Фиксация формы изделия происходит в результате отверждения

Формование реактопластов осуществляется тремя основными способами: прессованием — прямым (компрессионным) или литьевым (трансферным) и литьем под давлением.

При компрессионном прессовании материал загружается в открытую полость формы.

При литьевом прессовании предварительно размягченный (пластицированный) материал продавливается из загрузочной камеры через литниковые каналы в замкнутую полость пресс-формы. Литьевое прессование более производительно, чем комп­рессионное, позволяет получать детали с тонкой и сложной ар­матурой и с повышенной стабильностью размеров, но требует более высоких давлений прессования.

При формовании литьем под давлением материал размягча­ется до вязкотекучего состояния и затем перемещается в обо­греваемую литьевую форму, где затвердевает, приобретая кон­фигурацию внутренней полости формы. Метод является наибо­лее производительным и прогрессивным.

2. ФОРМЫ ДЛЯ ПРЕССОВАНИЯ

2.1. Назначение, устройство и принцип действия форм для прессования

В формах для прессования (пресс-формах) получают изделия массой от нескольких граммов до 5- 10 килограммов, простой и сложной конфи­гурации, с металлической арматурой, мало- и крупногабаритные, плоские и объемные, т.е. очень разнообразные.

Пресс-формы должны обеспечить: перевод массы в вязкотекучее состояние; деформирование массы и придание ей требуемой конфигу­рации (соответствующей полости, образующейся в замкнутой форме); фиксацию этой конфигурации, т.е. изделия; извлечение, удаление отпрессованного изделия из рабочей зоны.

Конструкции пресс-форм также весьма разнообразны, они отражают особенности и требования, предъявляемые к изделиям, но при этом каждая пресс-форма должна выполнить свое назначение надежно и максимально долго (сообразуясь с программой выпуска конкретного изделия), производительно (т.е. при минимально возможном техноло­гическом цикле прессования конкретного изделия, при максимальном прессосъеме - количестве пресс-материала, перерабатываемого в течение месяца, года и отнесенное к 10 кН эффективного усилия пресса, на котором установлена данная пресс-форма), качественно (с такими разбросами прочностных, точностных и других параметров качества у всей партии отпрессованных изделий, которые были бы в пределах заданных соответствующих допусков).

В пресс-формах изготавливают изделия практически из всех видов реактопластов, резиновых смесей, сравнительно редко - из термо-пластов.В последнем случае для фиксации конфигурации и затвердева­ния изделия формы охлаждают. Во всех других случаях пресс-формы только нагревают, и деформирование массы, отверждение расплава реактопласта (или вулканизация резиновой смеси) в полости формы происходит под воздействием высокой температуры, причем к тепло­вым потокам от внешних источников тепла добавляется небольшое количество теплоты экзотермических химических реакций, происхо­дящих в термореактивных полимерных материалах при их превраще­ниях. Отверждение, создание твердой, жесткой, неплавкой, необрати­мой структуры материала во всем объеме изделия окончательно фиксирует его конфигурацию, позволяет извлекать изделие без повреждений.

Наиболее распространены и чаще всего вновь проектируются пресс-формы для изделий из реактопластов - порошкообразных и волокнистых. Глубина, или степень протекания реакции (степень отверждения) прямо определяет комплекс технологических свойств расплава (его эффективную вязкость, удельный объем), а также выходные характе­ристики отвержденного изделия, причем эти характеристики при фиксированных температуре, давлении, интенсивности деформирова­ния расплава являются однозначной функцией степени отверждения. Следовательно, конструкция пресс-формы должна обеспечить по возможности одинаковую степень отверждения материала в объеме изделия, тогда будут минимальными градиенты напряжений (терми­ческих, усадочных), неоднородность, разброс качественных парамет­ров. Для этого требуется создать и эффективно поддерживать доста­точно однородное температурное поле в формующей полости на стадиях ее заполнения и уплотнения; во всем объеме изделия - во время стадии выдержки на отверждение (в пресс-формах перерабаты­вают реактопласты при температурах от 130 до 180- 190 *С - в основ­ном в зависимости от химических особенностей полимерных связую­щих)

Давление, которое передается на прессуемый материал, затрачива­ется на уплотнение дозы его в полости формы или в специальной загрузочной камере (а если эта доза - таблетка, то и на ее раздавлива­ние); на преодоление сопротивления растеканию расплава по полости формы или в загрузочной камере и полости формы; на обеспечение необходимой степени уплотнения расплава в целиком заполненной полости, из которой удалены летучие, пары влаги. На стадии выдерж­ки на отверждение давление должно быть максимально возможным. В зависимости от вида пресс-материала, метода прессования, темпера­турных параметров давление прессования реактопластов в пресс-фор­мах может быть от 15 до 200 МПа; в пресс-формах прямого прессования пресс-порошков - 15- 50 МПа; то же длч»волокнитов - 40- 70 МПа; в пресс-формах для литьевого прессования - 150- 200 МПа, поскольку в значительной мере давление затрачивается на преодоление сопротив­ления течению расплава в литниковых каналах.

Временные параметры процесса прессования, которые должны быть обеспечены нормальной работой пресс-формы, назначают на основа­нии: технологических свойств пресс-материала (удельная теплоем-кость, коэффициент температуропроводности, плотность); температур размягчения, предварительного нагрева, расплава, интенсивного его отверждения, стенки пресс-формы; конфигурации й толщины стенки прессуемого изделия.

Время стадий заполнения" полости пресс-формы и уплотнения в ней расплава аналитически оценить трудно (много переменных факто­ров - материальных, технологических и конструктивных); в большин­стве случаев оно составляет 3 - 5 с.

Время выдержки под давлением, в течение которого расплав продолжает нагреваться от стенок пресс-формы до температуры интен­сивного отверждения массы, упрощенно оценивается произведением „условного" времени отверждения одного миллиметра толщины изделия на половину всей толщины (если осуществляется двухсто­ронняя передача тепла от стенок к.материалу). Это „условное" время определяют экспериментально, его можно корректировать по резуль­татам пластометрических испытаний материалов.

Выбор метода прессования реактопластов и, следовательно, типа пресс-формы, зависит в равной степени от прессуемого материала, конструкции изделия. Последнее влияет на степень сложности конст­рукции пресс-формы, на характер и число плоскостей ее разъема (плоскостей, по которым пресс-форма раскрывается для удаления из полости отпрессованного изделия).

Сложность изделия, использование в конструкции металлической арматуры, наличие поднутрений также влияет на характер расположе­ния и число плоскостей разъема формы. Например, изделия, показан­ные на рис. 2.1, а, изготавливаются в сравнительно простой пресс-фор­ме прямого прессования с одной горизонтальной плоскостью разъема; на рис. 2.1, б - требуют для своего изготовления обязательно две плоскости разъема - горизонтальную и вертикальную и, естественно, это вызывает усложнение пресс-формы (используются клиновые обоймы-щеки или другие приспособления); на рис. 2.1, в - относитель­но сложны, но малогабаритны, имеют сплошную проходную металли­ческую арматуру, их изготавливают пресс-литьем.

На рис. 2.2 показана типичная пресс-форма для прямого (компрес­сионного) прессования одного простого плоского изделия. В прессова­нии участвуют: пуансон 6, матрица 5, контактные выталкиватели 22. Все остальные детали обеспечивают работу пресс-формы, установленной на прессе постоянно, стационарно, на все время выполнения заданной планом программы изделий.

Деталями 2, 4, 7- 9 верхняя и нижняя полуформы закрепляются к плитам пресса. Детали 1, 11, 13, 14 и 19 скрепляют отдельные узлы или детали друг с другом, а 16, 17, 23 и 27 - центрируют подвижные части пресс-формы. В деталях 3 и 10 осуществляется монтаж нагревательных элементов, в15к18 - монтаж основных формующих деталей 5, 6, 22. Деталь 20 предохраняет нагревательные элементы от повреждения. Детали 21 создают пространство для размещения блока выталкивате­лей. Детали 12 обеспечивают контакт двух полуформ при их смыкании (это своеобразный компенсатор размерной цепи, определяющей вза­имное положение основных формующих деталей по вертикали). Детали 24-26 обеспечивают монтаж блока выталкивателей, деталь 28 соединяет блок выталкивателей с нижним выталкивающим гидроци линдром пресса. Наименования перечисленных деталей указаны в подписи под рис. 2.2.

В раскрытом состоянии верхняя полуформа поднята, выталкивате­ли 22 находятся в крайнем нижнем состоянии. Полость пресс-формы загружают дозе." пресс-материала, а затем верхнюю полуформу смы­кают с нижней. После цикла прессования верхнюю полуформу подни­мают, пуансон 6 выходит из полости, а изделие остается в ней. Затем через хвостовик 28 поднимают блок выталкивателей до упора плиты 25 с плитой обогрева 3; при этом выталкиватели поднимают изделие, и его удаляют из рабочей зоны (здесь - специальным приспособлением, вилкой). Далее нижний плунжер с хвостовиком опускается, переме­щая блок выталкивателей в его исходное положение.

На рис. 2.3 приведена типичная конструкция пресс-формы для литьевого прессования. Изделие формуется в полости между матрицей 1, пуансоном 8 и выталкивателем 2 со знаком, оформляющим цент­ральное отверстие в изделии. Смыкание верхней полуформы с нижней осуществляется с помощью верхнего гидроцилиндра через верхнюю траверсу пресса. До смыкания дозу материала загружают в загрузоч­ную камеру 7, а после смыкания плунжер 6, соединенный с нижним гидроцилиндром, передавливает расплав по литниковым каналам в формующие полости - их шесть (см. рис. 2.3, слева от оси). По оконча­нии технологического цикла и раскрытия пресс-формы хвостовик 5 своей утолщенной частью поднимает блок выталкивателей (плиты 3, 4 и выталкиватели 2), изделия готовы к удалению из рабочей зоны с помощью вилок.

Одно из основных направлений совершенствования конструкции пресс-форм, рационального их использования, повышения уровня нормализации и стандартизации - это разработка универсальных блоков, в которых заменяют только формующие детали, соединенные в пакете, оставляя все остальные детали без изменения (конечно, в пределах технических возможностей прессов, на которые эти блоки -пресс-формы устанавливают).

На рис. 2.4 приведена типичная конструкция универсального блока для прямого прессования. Он состоит из верхней и нижней частей, закрепляемых стационарно соответственно на верхней и нижней плитах гидравлического пресса. Центрирование частей осуществляют с помощью направляющих колонок 1. Для крепления сменных пакетов на верхней и нижней частях блока имеются быстродействующие прихваты 2 и 3. соответствующие части сменных пакетов зажимаются с помощью клиньев, перемещаемых за счет вращения специальных винтов.

Пакеты устанавливают на две опорные плиты 4, являющиеся одно­временно и нижними плитами обогрева блока. Выталкивающая систе­ма закрепляется в блоке прихватами 5, зажимаемыми раздвижными клиньями 6.

Движение выталкивающей системы блока происходит по колонкам 7, которые одновременно служат опорой для плит 4. Пакет, устанавли­ваемый на блок, состоит из плиты пуансона 8, обоймы матрицы 9, плиты обогрева 10, плиты толкателей 11, соединительных и направля­ющих деталей.

После установки и закрепления на блоке сменного пакета вся система работает как индивидуальная непереналаживаемая оснастка. Такой принцип конструирования дает преимущества не только в малосерийных, опытных производствах, но и там, где изготавливают большие партии изделий, поскольку один блок может заменить нес­колько стационарных форм, а пакет устанавливают на все время прессования плановой партии изделий. Существующие конструкции блоков для прямого и литьевого прессования изделий из пресс-по­рошков нормализованы; также нормализованы и заготовки - пакеты формообразующих деталей для этих блоков Нормализация конструкций базируется на обоснованном конструктивно-технологическом группировании пласт­массовых изделий, учитывающем их массу, габариты, степень слож­ности (наличие отверстий, арматуры, поднутрений и т.д.).

Из рис. 2.2- 2.4 видно, что пресс-формы состоят из двух половин и представляют собой в целом как бы „слоеные" конструкции, в центре которых расположены замкнутые (в рабочем положении) загрузочные камеры и формующие полости, с обеих сторон „прикрытые" плитами с нагревательными элементами; затем - „слой" деталей разного назна­чения - опорных плит, брусьев, монтажных и крепежных элементов и снизу, как правило, - выталкиватели, связанные хвостовиком с выталкивающим гидроцилиндром пресса; наконец, „слой" теплоизо­лирующих плит. В пресс-формах для пресс-литья появляется особая группа деталей, образующая литниковые каналы, связывающие загрузочные камеры с формующими полостями. Конструкции услож­няются, если изделие требует оформления резьбы: поднутрений снаружи или изнутри, если пресс-форма должна быть многополостной, многогнездной и т.д. Все подобные усложнения должны быть выпол­нены в центральной, рабочей зоце, так как они связаны с конкретными изменениями объема, конфигурации, поверхности изделия.

Таким образом, можно выделить следующие функциональные системы пресс-форм: система оформляющих пластмассовое изделие деталей; система термостатирования, точнее - обогрева; литниковая система (в пресс-формах для литьевого прессования); система удале­ния, выталкивания изделий из пресс-формы; система центрирования отдельных деталей и полуформ; перемещения подвижных знаков относительно неподвижно закрепленных полуформ; размещения, установки и закрепления полуформ; система связи с сопряженными манипуляторами - роботами загрузки материала, извлечения и удаления отпрессованного изделия. Поясним на рис. 2.5 расположение и конструктивные особенности функциональных систем пресс-формы.

Система оформляющих деталей включает в себя пуансон 7 и состав­ную матрицу //, 13. Часть полости матрицы, расположенной непосред­ственно над прессуемым изделием 12, называется загрузочной каме­рой (з. к.).

Система выталкивания включает в себя выталкивающие шпильки 17, а также верхний 18 и нижний 19 фланцы с толкателем 23, передаю­щие шпилькам движение от плунжера выталкивающего гидроцилинд­ра пресса. Толкатель 23 соединяется с плунжером резьбовым хвосто­виком.

Система обогрева состоит из цилиндрических стержневых электро­нагревателей, вставляемых в отверстия 2, 14, выполненные в деталях 5 и 15, непосредственно контактирующих с матрицей и пуансоном (отверстия, выполненные также в обоймах матрицы 10 и пуансона 6, в плоскость разреза не попали).

Система центрирования, обеспечивающая взаимное положение пуансона и матрицы непосредственно перед входом их в контакт при смыкании формы, состоит из четырех комплектов направляющих колонок 26 и втулок 27.

В систему размещения, установки и закрепления полуформ входят верхняя 8 и нижняя 9 опорные планки. Первая из них укреплена на верхней полуформе (пуансона), вторая - на нижней полуформе (мат­рицы). При смыкании формы планки входят в контакт, фиксируя тем самым глубину захода пуансона в полость матрицы. Назначение прочих деталей этой системы - во-первых, объединить в единое целое все указанные функциональные детали формы и придать ей конструк­тивную определенность, во-вторых, обеспечить "крепеж формы на подвижной 1 и неподвижной 22 плитах пресса. К этим деталям отно-

но разделить на две группы: 1) технологического назначения, непо­средственно соприкасающиеся с прессуемым пластическим матери­алом и участвующие в той или иной степени в формовании изделий; 2) конструктивного назначения, осуществляющие взаимную фиксацию деталей пресс-формы, обогрев, связь ее с прессом, обеспечивающие монтаж, и т.д.

К деталям технологического назначения относятся: матрицы, пуансоны; детали литниковой системы и узла загрузки пресс-материа­ла, служащие резервуаром для загружаемого пресс-материала и передающие его в формующую полость (литниковые плиты, рассе­катели, загрузочные камеры и т.д.); детали выталкивающей системы, установки и преобразования направления рабочего движения (напри­мер, из вертикального в горизонтальное) - клинья, гребенки, шибера и т.д.

В настоящее время практически все детали конструктивного назна­чения, кроме непосредственно соприкасающихся с поессуемой массой, нормализованы или стандартизованы. Каждая из деталей пресс-форм может быть одно- или многофункциональна, т.е. участвовать в работе одной или нескольких функциональных систем.

Подобное представление одной конструкции как комплекса функ­циональных систем полезно при овладении навыками проектирования на первый взгляд простых, но особо ответственных объектов, рабочих зон формования (подробнее такое представление выполнено приме­нительно к более сложным конструктивно формам для литья под дав­лением в гл. 3).

В табл. 2.1 приведена укрупненная классификация пресс-форм. Она может быть развита, если классификационные признаки дополнять особенностями функциональных систем (см. последующие разделы данной главы). Здесь поясним на примере важность последнего клас­сификационного признака.

Выбор плоскости разъема пресс-формы зависит от конфигурации изделия и требуемой точности отдельных ее размеров. На рис. 2.6 показаны горизонтальные плоскости разьема по направлению хода плунжера пресса.

Налервый взгляд, плоскостью разъема пресс-формы может быть как плоскость А-А, так и плоскость Б-Б. Однако размер „а" ограничен допуском IТ/2, и при разъеме по А-А колебания размера зависят от толщины облоя, а по Б-Б- только от усадки материала и точности изготовления матрицы.

Правильный выбор расположе­ния плоскости разъема в пресс-фор­ме исключает или уменьшает меха­ническую доработку, улучшает внешний вид изделия. Известны и п лойного прессования, в которых с пресс-формы.

внешний вид изделия. Известны и применяются пресс-формы безоб-лойного прессования, в которых облой отделяется при разъеме пресс-формы.

ФОРМЫ ДЛЯ ЛИТЬЯ ПОД ДАВЛЕНИЕМ