Басов - Расчет и конструирование формующего инструмента

сплавов и сталей при любых сколь угодно больших реальных серийностях обнаружить не удается.

Дерево, применяется при производстве малых серий изделий и для изготовления единичных (например, опытных) образцов. Так как формообразующие детали подвергаются нагреву со стороны формуемо­ го листа, то во избежание выделения смолы на формообразующую поверхность применяют только лиственные породы дерева. При изго­ товлении форм необходимо учитывать, что древесина дает разную усадку вдоль и поперек волокон. На практике это затрудняет получе­ ние изделий с размерами, требующими большой точности. Во избежа­ ние коробления и растрескивания форм их делают не из монолитного куска, а из блоков, выполненных послойным склеиванием относи­ тельно тонких плит или брусков с послойно-перекрестным расположе­ нием волокон. Для улучшения износа деревянные формы часто покры­ вают эпоксидными смолами с последующими шлифовкой и поли­ ровкой.

Большой недостаток дереваего низкая теплопроводность. Дли­ тельная непрерывная (без выстоев) работа формы невозможна из-за ее нагрева и очень большого возрастания времени охлаждения изделия. Необходимо один раз за 5 - 7 циклов формования обдувать деревян­ ную форму с помощью вентилятора или воздушного пистолета, кото­ рыми, как правило, оснащаются универсальные пневмовакуумные машины.

Гипсовые формы изготавливают отливкой по моделям из глины, гипса, пластилина, дерева, металла или по оригиналу изде­ лия. Возможно упрочнение поверхности гипсовых форм, как это отмечено в приведенных на с. 339 данных, однако при этом гипс у поверхности теряет ценное в данном случае свойство-пористость. Благодаря пористости значительная часть воздуха, отсасываемого из пространства между формуемым листом и формообразующей поверх­ ностью, может удаляться непосредственно через тело формы, а не через вентиляционные отверстия, число которых может быть значи­ тельно сокращено. Необходимо также иметь в виду, что деревянные формообразующие детали предпочтительнее гипсовых, если они имеют отдельные относительно тонкие элементы. Из-за малой прочности гипса при изгибе эти элементы, как правило, недолговечны.

Вентиляционные каналы в теле гипсовых форм выполняются в процессе их отливки введением в нужных местах в залитый уже в опоку (но еще не отвердевший) раствор тонких штырей с нанесенным на них разделительным слоем.

Второй по значимости фактор, определяющий выбор материала' формы,-это планируемая интенсивность работы ее, оцениваемая долей времени контакта охлаждающегося изделия с формообразующей поверхностью в общем времени цикла работы формы. Очевидно, что чем выше интенсивность работы формы, тем более интенсивным должен быть отвод от формы тепла, поступающего в нее от охлаждае­ мого изделия. Интенсивность же работы определяется, во-первых,

340

габаритами изделия и используемым для формования оборудованием (конкретнеереализованной на нем степенью механизации и автома­ тизации вспомогательных операций), во-вторых, требуемой произво­ дительностью по данному изделия.

Крупногабаритные изделия (например, внутреннюю облицовку двери холодильника) обычно изготавливают на универсальных маши­ нах, причем после формования и охлаждения изделия форма имеет достаточно длительный выстой, в течение которого выполняют снятие изделия из зажимной рамы, зарядку в нее и нагрев нового листа. За время этого выстоя даже деревянные и гипсовые формы успевают охлаждаться естественным путем; во время нагрева листа возможен также обдув их воздухом.

В многопозиционных машинах подобного типа операции формова­ ния и охлаждения изделия совмещены с операцией нагрева листовой заготовки, предназначенной для формования в последующем цикле. Время выстоя формы в этом случае намного меньше, чем в предыду­ щем, и отвод тепла от нее должен быть более интенсивным. Формы из дерева (или гипса) вследствие невозможности (или неэффективности) выполнения встроенной системы водяного охлаждения в этом случае не успевают достаточно охладиться за время цикла. Приходится вводить дополнительные паузы между сериями из 5-7 циклов для обдува их воздухом. Если же требуемая производительность такова, что эти паузы недопустимы, то необходимо выполнять формообразую­ щие детали из металла или металлополимерных композиций. Тепло­ проводность металлов такова, что формы из них успевают охлаждать­ ся в этом случае естественным образом, однако металлополимерные формы должны оснащаться заформовываемой в них системой водя­ ного охлаждения.

При формовании мелких изделий из тонких рулонов материалов на автоматизированных линиях доля выстоя форм в общем цикле их работы может быть очень малой. Формы могут работать в этом режиме, только если они выполнены из металла и оснащены системой водяного охлаждения. При эксплуатации их без системы охлаждения необхо­ димо увеличивать время выстоя, что снижает производительность линии. Этот вариант возможен, если фактическая производительность линии оказывается не ниже требуемой.

6.3.2. Расположение гнезд и расстояния между ними

При, конструировании многогнездных форм с целью минимизации отходов листа, образующихся после вырубки из него отформованных изделий, необходимо стремиться к максимально плотному располо­ жению гнезд. Достигаемые попутно минимальные материалоемкость и габариты формы являются в данном случае (в отличие от прессовых и литьевых форм) менее значимыми факторами.

На рис. 6.5 и 6.6 показаны элементы конструкции многогнездных форм для позитивного и негативного формования. При позитивном

341

Рис. 6.5. Многогнездная форма для позитивного вакуум-формования:

1— пуансоны; 2 — плита пуансонов; 3,4 — вентиляционные каналы; 5—11— дренажные каналы; 12 — элементы охлаждающей плиты

формовании формуемый лист втягивается в пространство между пуансонами I (см. рис. 6.5), причем вследствие значительной разности расстояния между гнездами в различных точках по их периметру (сравнить, например, расстояния „о" и „в" в виде Б) степень вытяжки той части листа, которая формует боковины изделия, также сущест­ венно неоднородна: максимальное значение степени вытяжки имеет место в окрестности размера „а", минимальное- в окрестности раз­ мера „в". Это приводит к значительной поперечной разнотолщинности боковин изделия и часто к образованию складок на листе, а следо­ вательно, на изделии. Уменьшение разности расстояния „а" и „в" возможно только путем увеличения расстояния между гнездами. Практикой установлено, что отмеченные дефекты практически исче-

342

рулонных листовых материалов. Рама расположена непосредственно над формой и имеет возможность вертикального перемещения. В исходном состоянии два зажимных элемента рамы 1 и 2 находятся в разведенном состоянии, и в пространство между ними поступает очередная порция разогретого листа 3. Верхний элемент 2, опускаясь, вместе с элементом 1 зажимает лист по его периметру. Далее они опускаются совместно, при этом лист входит в контакт с вершинами пуансонов, а соосные с ними вытяжные кольца 4 вытягивают лист до тех пор, пока своими рабочими торцами не прижмут лист к плите пуансонов (поз. 2 на рис. 6.5); это положение колец с листом показано на рис. 6.5 тонкими линиями. Входя в контакт с листом уже на на­ чальных стадиях его вытяжки, холодные кольца образуют у него по месту контакта кольцевые пояски охлажденного и, следовательно, малодеформативного материала. Эти пояски препятствуют вытяжке тех участков листа, которые охвачены штриховой линией на виде Б рис. 6.5. В результате однородной осесимметричной вытяжке подвер­ гается только та часть листа, которая формует изделие.

При использовании подобных вытяжных устройств минимально возможное расстояние между гнездами, как видно из рис. 6.5, опре­ деляется лишь возможностью размещения вытяжных элементов между пуансонами при прижатии листов к плите пуансонов.

При прямоугольных в плане пуансонах в качестве вытяжных элементов могут быть использованы перекрестно натянутые на раму ряды струн; конструкция элемента подобной рамы показана на рис. 6.8.

Рис. 6.7. Зажимная рама с элементами для предварительной механической вытяжки листа:

1,2 — нижний и верхний зажимные элементы соответственно; 5 — лист термопласта; 4 — вытяжное кольцо; 5 — рабочий торец вытяжного кольца; 5 — рабочий торец вытяжного кольца; 6 — крепеж колец к верхнему зажимному элементу

Рис. 6.8. Зажимная рама с элементами струнного типа для предварительной механичес­ кой вытяжки листа:

1,2 — верхний и нижний зажимные элементы соответственно; 3 — гма термопласта; 4 — струна; 5 — натяжной винт струны

344

При негативном формовании могут возникнуть подобные же дефек­ ты изделий. И в этом случае области листа, которые не должны участ­ вовать в формовании изделия (подобные тем, которые отмечены штрихами на рис. 6.5), исключаются из процесса вытяжки, однако это достигается без каких-либо дополнительных устройств. По периметру каждой формующей полости 1 матрицы (см. рис. 6.6) выполнены разделительные канты 2, имеющие незначительное превышение в=2 + 5мм над неформующей поверхностью матрицы 10. При отсутст­ вии кантов в процессе вытяжки листа в оформляющую полость I может затягиваться часть листа, контактировавшая перед этим с неформующей поверхностью 10. Эта переохлажденная часть листа плохо формуется в полости и может образовывать на изделии склад­ ки. Канты препятствуют затяжке в полость за счет перегиба листа на них. Перегиб листа на кантах и надежное прижатие его к неформую­ щей поверхности матрицы обеспечиваются откачкой воздуха не только из оформляющих полостей 1 (через отверстия 7), но и из про­ странства между листом и неформующей поверхностью (через отверс­ тия 3). Таким образом, при негативном формовании минимальное расстояние между гнездами определяется возможностью размещения между ними разделительных кантов 2 и вакуумных отверстий 3 по параметру каждого гнезда.

6.3.3. Вентиляционные каналы

При проектировании формы приходится решать четыре основных вопроса: о выборе типа каналов (цилиндрические отверстия или щели), мест расположения каналов, размера каналов и их числа.

Конструктивно вентиляционные каналы могут быть выполнены в виде цилиндрических отверстий 7 (см. рис. 6.6) и щелей малой ширины 3,4 (см. рис. 6.5), по конфигурации повторяющих очертания изделия и выполненных в местах стыка отдельных элементов его поверхности с, целью уменьшения заметности оставляемых на изделии следов. Выполнение каналов в виде щелей предпочтительно, поскольку при той же суммарной площади поперечного сечения они имеют примерно на 30% меньше гидравлическое сопротивление эвакуируемому из формы воздуху.

Располагаются каналы (как и в раздувных формах) во избежание образования замкнутых полостей, откуда воздух не может быть удален, в тех местах оформляющей полости, которые входят в контакт с формуемым листом в последнюю очередь: в местах углов будущего изделия и переходов его поверхности (отверстия 7 на рис. 6.6 и 3 на рис. 6.5). В ряде случаев требуются дополнительные каналы на боль­ ших плоских поверхностях изделия (например, отверстие 4 на рис. 6.5), где также может оставаться трудно эвакуируемый воздух.

Характерный размер отверстий каналов на формующей поверхности должен быть таким, чтобы не оставлять на Формуемом изделии замет­ ных следов. Величина прогиба листа толщиной б (рис. 6.9) при вдавли-

346

вании его в вентиляционное отверстие диаметром d под воздействием разности давлений р под листом и над ним может быть рассчитана по формуле

y=(3/16)[pdV(£63)](5+v)(l-v), (6.5*

полученной из хорошо известного решения задачи о напряженнодеформированном состоянии тонкой круглой пластины при равномер­ но распределенной нагрузке. В этой формуле Е- модуль упругости при растяжении, v - коэффициент Пуансона.

Рис. 6.9. Схема прогиба листа в вентиляционном отверстии. Поясне­ ния в тексте

Величина у собственно и определяет степень заметности следа на изделии. Таким образом, формально задавшись допустимой величи­ ной у, для листа известной толщины из данного материала по (6.5) можно рассчитать максимально допустимый диаметр вентиляционного отверстия. Однако при этом возникают неопределенности следующего плана. Во-первых, какую величину у считать допустимой (это чаще всего субъективный фактор особенностей зрительного восприятия). Во-вторых, модель упругости Е сильно зависит от температуры, и даже если эта зависимость известна, сложно достаточно точно предсказать значение температуры листа в процессе утяжки его в отверстие при учете того, что он одновременно с утяжкой интенсивно охлаждается из-за контакта с формой. В связи с этим формула (6.5) может быть использована лишь для корректной экстраполяции каких-либо из­ вестных из практики достоверных данных на конкретный случай, не полностью идентичный по условиям, в которых эти данные получены (например, известен диаметр отверстия d для данного изделия из листа толщиной б и необходимо определить d\ для этого же изделия при толщине 6j). Пример практических рекомендаций по выбору d приведен в табл. 6.1.

Необходимо отметить, что ширину вентиляционных щелей следует принимать на 20-ЗОЙ меньшей, чем указанные здесь диаметры отверстий.

Время деформирования листа, определяющее степень его охлажде­ ния в процессе формования и, следовательно, влияющее на разнотолщинность будущего изделия, зависит от общего гидравлического сопротивления вакуумной магистрали, соединяющей ресивер машины с полностью между формуемым листом и формой, поэтому общее чисто каналов в первом приближении должно выбираться таким,

346

Т а б л и ца 6.1. Значения диаметра вентиляционных отверстий d, м>'

чтобы их суммарное гидравлическое сопротивление не превышало значительно собственное сопротивление магистрали машины. В таком случае в рабочей (наиболее узкой) части каналов развивается среднерасходовая скорость воздуха, близкая по величине скорости звука в нем v3 = 335 м/с. Имея в виду этот режим истечения воздуха и задава­ ясь временем формования г, можно рассчитать необходимое число отверстий п из очевидного соотношения

где V— объем отводимого воздуха; a - коэффициент запаса, учитывающий тот факт, что в процессе формования облегающий формующую поверхность лист может перекрыть (заку­ порить) значительную часть отверстий и на финишной стадии формования произойдет крайне нежелательное снижение скорости" деформирования листа, если общее число отверстий л не будет принято со значительным запасом; значение а целесообразно принимать равным 8 — 10-

Ниже приводятся ориентировочные значения числа цилиндричес­ ких отверстий л в зависимости от объема отводимого воздуха V:

При любых конфигурации и размерах вентиляционных отверстий необходимо выполнять их с минимально возможной длиной с целью минимизации их гидравлического сопротивления. Длина их принима­ ется, как правило, не более (10 -5- 15) d.

Отдельные потоки воздуха от каждого вентиляционного канала объединяются и отводятся из формы системой дренажных каналов. Проходные сечения дренажных каналов принимаются такими, чтобы их гидравлическое сопротивление было ничтожно малым по сравне­ нию с сопротивлением вентиляционных каналов. На рис. 6.5 система дренажных каналов включает в себя полость 5, радиальные отверстия 6 и центральное отверстие 7. От вентиляционной щели 3 воздух отво­ дится кольцевыми и тремя радиальными 9 каналами, из которых воздух поступает в камеру 10 и далее в радиальные 11 и центральное 7 отверстия. Возможный вариант системы дренажных каналов в многог-

347