книги из ГПНТБ / Степнов И.Е. Конструирование форм для стеклянных изделий

11. Сопряжение между собой отдельных деталей пресс-форм вы полняют следующим образом:

матрицы с кольцом по посадке скольжения второго класса точ­ ности ОСТ 1022 или класса точности 2-а по ОСТ НКМ 1026;

кольца с пуансоном и выталкивателя с матрицей согласно дан­ ным о зазорах, указанным в табл. 6.

Т а б л и ц а 6

Ориентировочные значения величины зазора (на две стороны) между кольцом и пуансоном

Примерно такие же величины зазора следует брать между мат­ рицей и поддоном. Требуемую посадку рекомендуется производить:

пуансона с кольцом за счет размера отверстия в кольце (по си­ стеме вала),

поддона в корпусе матрицы за счет размеров по диаметру под­ дона (по системе отверстия).

12.При отсутствии указаний в чертежах зазоры в раскрывных матрицах по плоскостям стыков должны быть в пределах 0,05^- -=-0,1 мм. Для обеспечения плотного прилегания частей матриц по этим плоскостям во время работы в них делают выборки глубиной от 0,5 до 2 мм таким образом, чтобы прилегание происходило лишь по узкой полоске шириной от 8 до 20 мм.

13.Шпильки в отверстиях шарниров раскрывных матриц подго­ няют с таким расчетом, чтобы их сопряжение было в среднем шар­ нире по плотной посадке, а в крайних — по посадке скольжения второго класса точности.

14.Эксцентриковый запорный ключ подгоняют по отверстиям шарниров из расчета обеспечения гарантированного зазора по диа­ метрам от 0,1 до 0,3 мм на каждые 10 мм диаметра ключа.

15.Для комплекта форм, состоящего из двух и более матриц и колец, соответствующие размеры по высоте соприкасающихся ча­ стей и диаметры матриц под упоры не должны отличаться более чем на 0,1 мм.

16.Непараллельность контактирующих торцов на матрицах, кольцах и пуансонах не должна превышать 0,05 мм для размера до 100 мм и 0,1 мм — для размера свыше 100 мм. Контакт торцов мат­ рицы и кольца должен быть плотным.

17.Эксцентричность деталей по сопрягающимся поверхностям рабочих поверхностей матрицы относительно обработанного пояска под центрирующие упоры, расточки под кольцо в матрице с ее ра­

120

бочей поверхностью, отверстия в кольце относительно выступа для центровки с матрицей и прочих соприкасающихся поверхностей дол­ жны быть в пределах допусков на отклонения отверстий по вто­ рому классу точности.

18.Перекосы и смещения по формующим поверхностям сопря­ гаемых частей раскрывных матриц должны быть не более поло­ вины допуска третьего класса точности по ОСТ 1013.

19.Овальность по стеклоформующим и сопрягающимся поверх­ ностям должна быть не более половины допуска на отклонения со­

ответствующего размера.

20. Наименьший зазор между стеклоформующими стенками мат­ рицы и пуансона в крайнем сомкнутом положении этих деталей должен обеспечивать получение изделия с наименьшей толщиной стенок, допустимой по чертежу.

21.По цилиндрическим участкам формующих поверхностей пу­ ансонов, колец и неразъемных матриц должны быть прессовые уклоны, равные 2±0,5°, если нет специального указания в чертеже.

22.На все основные детали пресс-форм наносят: номер чертежа изделия (или артикул), инвентарный номер формы и через тире

номер ее в комплекте, дату изготовления.

23. Знаки маркировки должны быть хорошо видны. Установление рациональной формы формующей полости и за­

зора h между стеклоформующими поверхностями матрицы и пуан­ сона связано с характером течения стекломассы.

Рассмотрение реологической стороны процесса прессования не­ обходимо для обеспечения равномерного заполнения стекломассой формующей полости пресс-формы. Такая необходимость обычно возникает при прессовании изделий сложной несимметричной формы. Учет всех факторов, сопутствующих течению стекломассы в формующей полости, представляет весьма сложную задачу. Если рассматривать течение стекломассы в процессе прессования как стационарное одномерное изотермическое течение через кольцевую щель с внешним радиусом г2 и внутренним ги то расход стекло­ массы через произвольно выбранное поперечное сечение можно вы­

Из приведенной формулы следует, что при постоянном перепаде давления расход стекломассы через кольцевой зазор будет зави­ сеть от коэффициента динамической вязкости т] и толщины стенки (зазора).

При этом расход стекломассы пропорционален кубу величины зазора.

Предположив, что в конечных точках формующей полости не­ симметричной формы удельные давления везде равны р, получим

121

следующее выражение для корректировки величины зазора h:

h2— hi Lj 9 Li

где hi и h2— соответственно величины зазоров полости формы при

ееполупериметрах Ьх и L2.

Вкруглых симметричных формующих полостях пресс-форм рав­ номерность заполнения ее стекломассой достигается минимальными погрешностями по эксцентричности кольцевых поперечных сечений. Более подробно вопросы обеспечения заданной формы и размеров

стеклянных изделий, качества сопряжений и другие рассмотрены

всоответствующих параграфах.

2.Определение оптимальных толщин стенок деталей пресс-форм

Установление оптимальных значений толщин стенок деталей пресс-форм — один из самых важных и сложных вопросов, возни­ кающих при проектировании пресс-форм.

Впроизводственной практике толщины стенок выбираются кон­ структором ориентировочно, на основе опыта по конструктированию пресс-форм для аналогичных изделий и доводке опытных пресс-форм при отработке технологического процесса.

Вбольшинстве случаев конструктор не имеет исходных техно­ логических данных по режиму прессования — величине и скорости

нарастания давления, времени прессования и выдержки изделия в пресс-форме под давлением и без давления.

Практикой установлено, что при слишком тонких стенках прессформы происходит ее перегрев, наблюдается прилипание стекло­ массы к рабочим поверхностям, изделие плохо выдается из формы, наблюдаются сколы выступающих его граней, деформация и обра­ зование на поверхности изделия окалины.

В этом случае возникает необходимость в усиленном охлажде­ нии деталей пресс-форм. Из-за трудности равномерного охлажде­ ния бывают случаи переохлаждения отдельных участков прессформ. Темп прессования при этом приходится замедлять, качество изделий ухудшается.

При завышенных толщинах стенок увеличивается расход ме­ талла на изготовление, утяжеляется пресс-форма, увеличивается время прогрева формы и расход тепла на нагрев, снижается стой­ кость пресс-формы из-за возрастания температурных напряжений.

Чрезмерное увеличение толщины стенок пресс-форм не приво­ дит также и к повышению производительности, так как глубина проникания тепла практически ограничена, а следовательно, увеличенйе толщины стенок на величину, большую, чем глубина прони­ кания тепла, не вызывает заметного изменения скорости охлажде­ ния прессуемого изделия. В некоторых случаях теплопередача даже уменьшается. Отсюда очевидно, что чрезмерное увеличение толщин

122

стенок ухудшает "эксплуатационные качества пресс-форм, увеличи­ вает затраты на их изготовление.

Оптимальной будет величина стенок, обеспечивающая заданный темп работы и тепловой режим при высоком качестве изделий, максимальной стойкости, надежности и экономичности прессформы.

Таким образом, определение оптимальной толщины стенок тре­ бует выполнения тепловых расчетов, расчетов на прочность, жест­ кость и выносливость.

Толщина стенки формы / іф является функцией большого количе­ ства факторов: свойств стекломассы в интервале температур прес­ сования т)с, ас, Ьс, ßc, размеров формы Ьф, теплофизических и меха­ нических свойств материала деталей пресс-форм йф, Ь ф , Е , щ , <тф, Рф, температурных tc, /ф, силовых Р и временных т режимов прес­ сования.

С учетом переменности физико-механических свойств стано­ вится очевидной сложность решения рассматриваемого вопроса.

Определение толщин стенок по теплофизическим параметрам.

Из рассмотрения условий взаимодействия стекломассы со стенками формы представляется возможным изыскать способы определения толщин стенок пресс-форм с учетом следующих факторов:

глубины проникания тепла; температуропроводности контактирующих тел или скорости рас­

пространения тепловых волн; тепловой активности стекломассы и материала пресс-форм;

теплоемкостей стекломассы и материалов пресс-форм.

Из условий глубины проникания тепла взаимосвязь толщины стенок матриц, пуансонов и колец с глубиной проникания тепла мо­ жет быть выражена следующей формулой:

Ьф = К8а, - (VI. 1)

где К — коэффициент, учитывающий интенсивность теплового по­ тока, жесткость конструкции, усилие прессования, конфи­ гурацию формы и пр.;

ба — глубина проникания тепла за время контакта с матрицей, пуансоном или кольцом.

По температуропроводности контактирующих материалов зави­ симость между толщинами стенок стеклянного изделия и прессформы при условии равенства критериев гомохронности Фурье можно выразить формулой

По тепловой активности контактирующих материалов для опре­ деления толщин стенок формы можно применить следующую фор­ мулу

123

Для облегчения расчетов целесообразно исключить из расчет­ ной формулы время т, подставив вместо него значения, определен­

где hc и Лф — полные толщины стенок, мм.

Зависимость между толщинами стенок по величине изменения теплосодержания за цикл прессования определится из условия теп­

Д ж / (кг -° С).

При расчете принято, что температура по толщине стенки фор­ мы изменяется по линейному закону и за период контакта рас­ пространяется на полную ее толщину.

Для упрощения расчетов воспользуемся приближенным опре­ делением температурной кривой, принимая ее за параболу /г-го

Для всех марок стекол теплофизические свойства изменяются незначительно. В связи с этим можно считать, что по тепловому режиму толщину стенок можно определять по формуле (VI.6), уточняя в каждом случае значения температур.

124

График зависимости толщин стенок пресс-форм от времени их контакта со стекломассой, определенной по некоторым из приведен­ ных выше формул, представлен на рис. 57. Для сопоставления теоретических формул проведен анализ толщин стенок матриц пресс-форм, применяемых стекольными заводами.

Определенной закономерности между временем контакта и тол­ щиной стенок матриц пресс-форм, находящихся в эксплуатации на стекольных заводах, не имеется. В большинстве случаев толщины стенок берутся значительно большими, чем это требуется для на­ дежной, высокопроизводительной и долговечной работы прессформы.

Кривые 1 и 2 (см. рис. 57) построены на основании вычислений по формуле (VI.2) при значениях коэффициентов температуро­ проводности чугуна, соответственно Дф= 1,3-10-5м2/с и а'ф =1,1м2/с, кривая 3 — по формуле (ѴІ.З), при значениях коэффициентов акку­ муляции тепла для чугуна

__\_

Ьч= 13,4-ІО3 Вт/(м2-с 2 -°С), для стекла — __і_

Аппроксимирующая прямая 5 получена из результатов анализа пресс-форм различных заводов.

Кривая 6 — возможный вариант аппроксимации толщин стенок матриц некоторых заводов.

Все рассмотренные кривые при т ^ ІО с расположены в зоне за­ висимостей между временем контакта и толщиной стенок в пресс­

125

формах, применяемых на стекольных заводах, что свидетельст­ вует о их пригодности.

С учетом требований к жесткости конструкции за исходную аппроксимирующую прямую 5 для чугуна СЧ 21-40 может быть принята формула

Лф = 30 + 0,3т. (VI.7)

График зависимости толщин стенок матриц пресс-форм от тол­ щины стенок изделий показан на рис. 58.

Прямая 1 является аппроксимирующей для толщин стенок чу­ гунных матриц, применяемых на многих стекольных заводах. Она может быть выражена формулой

Прямая 5 построена по формуле (VI.2) при значениях коэффи­ циентов температуропроводности: для чугуна ач= 1 ,Ы 0 -5 м2/с и для стекла БС-8-17 ас= 0,6- ІО-6 м2/с.

Зависимость, представленная прямой 1, может быть рекомендо­ вана при определении толщин стенок раскрывных матриц из чу­ гуна СЧ 21-40. Кривой 6 отмечены предельные значения толщин стенок матриц чугунных пресс-форм.

Кривая 4 может быть использована как оптимальная зависи­ мость между толщинами стенок в случае прессования стекол типа хрусталь, полухрусталь и простое бесцветное. Прямая 5, вы­ раженная формулой /іф= 4,3/гс, не может дать точного результата вследствие того, что не учитывает фактическую аккумуляцию тепла деталями формы.

Приведенные зависимости позволяют ввести некоторые законо­ мерности при определении толщин стенок матриц пресс-форм с уче­ том основных факторов для широкого диапазона изменения тол­

• На рис. 59 представлены кривые зависимости безразмерного отношения толщин стенок матриц к толщинам стенок изделий от толщин стенок последних, полученные на основании анализа пресс-форм ряда стекольных заводов. Из кривых рисунка видно, что по мере увеличения толщин стенок стеклянных изделий без­ размерное отношение толщин Л убывает по гиперболическому закону. Для большинства пресс-форм эта зависимость вписы­ вается в зону, представленную формулами

Д= 50: he;

126

Д= 30 : hc (см. кривые / и 2 на рис. 59). Аппроксимирующую кривую 3 можно выразить формулой

в пресс-формах для тонкостенных стеклянных изделий. При этом существенной разницы в значениях при ручном и машинном изго­ товлении изделий не обнаруживается.

Безразмерное отношение толщин для переходной области от стенки к дну обычно оказывается несколько меньше, чем для верх­ ней части матрицы. Значение А для дна независимо от конструкции матрицы (цельной, раскрывной, с поддоном или без поддона) при-

близительно такое же, как и для верхнего торца матрицы. Однако в действительности абсолютная толщина донной части формы не­ сколько больше, так как в большинстве случаев в донной части стеклянного изделия толщина стенок больше, чем в верхней.

Приблизительно такой же гиперболический характер имеет за­ кон изменения безразмерной толщины в зависимости от диаметра формующих поверхностей. Эта зависимость (рис. 60, кривая 1) приближенно описывается формулой

Кривая 2 построена по результатам анализа пресс-форм за­ водов.

В рассматриваемых случаях требования к толщинам стенок об­ условливались не только термическими, но и силовыми факторами, что необходимо учитывать при проектировании стеклянных изделий и пресс-форм.

Определение оптимальных толщин стенок деталей пресс-форм из условий прочности и жесткости. Анализ работы пресс-форм в условиях производства показывает, что для обеспечения их

127

надежной и долговечной работы необходимо определять оптималь­ ные значения толщин стенок из расчетов на прочность и жесткость.

Установлено, что при недостаточной жесткости пресс-форм упру­ гие деформации от воздействия усилия прессования часто являются одной из причин возникновения посечек на изделиях.

Опасность появления дефектов этого вида особенно резко воз­ растает в случае прессования тонкостенных изделий.

Этим объясняется применение на многих стекольных заводах массивных толстостенных пресс-форм.

Однако увеличение толщин стенок свыше определенной вели­ чины приводит одновременно к увеличению в них напряжений и ус­ корению возникновения сетки разгара.

Следовательно, как по тепловым параметрам, так и по прочно­ стным, толщины стенок должны иметь оптимальные значения.

Для определения оптимальных значений толщин стенок деталей форм из условий прочности воспользуемся формулой (V.20) сум­ марных напряжений для круглой пластинки, опертой по контуру.

Продифференцировав формулу и приравняв полученное выра­ жение нулю, получим

В качестве примера определим^ в функции толщины стенки на­ пряжения в плоской круглой матрице из серого чугуна СЧ 21-40

пада температур определяют отдельно, а затем алгебраически сум­

График зависимости величины напряжений от толщины стенок пресс-форм представлен на рис. 61.

Оптимальная величина стенки из условий прочности будет при минимальном значении суммарных напряжений.

В рассматриваемом случае оптимальное значение толщин сте­ нок находится в пределах 30—35 мм. При меньших значениях тол­ щин стенок суммарные напряжения резко возрастают.

При повышении толщин стенок более оптимальных значений на­ пряжения возрастают, но более плавно.

128

С изменением диаметра матрицы напряжения от внешней на­ грузки изменяются пропорционально их квадратам:

При уменьшении габаритного диаметра матрицы минимум сум­ марных напряжений сдвигается влево. Оптимальные значения тол­ щины стенок из условий прочности при одинаковом материале на­ ходят по формуле

h = K y ^ .

Для чугуна при указанных выше параметрах значение коэффи­ циента /Сч = 5,4• 10-2, а для стали 4X13 при Е — 18,45-ІО10 Па р = 0,3;

толщины стенок для прессформы из стали 4X13 из усло­ вий прочности должны быть

/гс = 0,65/гч.

матрицы при расчетных параметрах: р= 1 МПа, q = 200-103 Вт/м2-0 С приведены на рис. 62. Здесь кривая 1 выражает зависимость для серого чугуна СЧ 21-40, а кривая 2 — для стали 4X13.

Полученные значения оптимальных толщин стенок из условия минимальной величины суммарных напряжений оказываются не­ сколько меньше, чем в производственной практике, особенно при небольших диаметрах изделий.

На основании приведенных выше формул можно определить значения кривизны отдельно от действия внешней нагрузки и тем­ пературных перепадов.

Предварительные расчеты толщин целесообразно производить лишь по температурным деформациям, корректируя их в дальней­ шем с учетом внешних нагрузок.

129