литература / Konstruirovanie_plastmassovykh_izdeliy_dlya_litya_pod_davleniem
.pdfОСОБЕННОСТИ ЛИТЬЯ ПОД ДАВЛЕНИЕМ ИЗДЕЛИЙ ИЗ ПЛАСТМАСС (краткий очерк) |
113 |
а уравнения (2.17) и (2.19) — время, за которое средняя температура отливки станет равной заданной температуре выталкивания отливки из формы.
Теплофизические свойства материала отливки оказывают определенное влия ние на все тепловые процессы и связанные с ними технологические параметры, в том числе на времена охлаждения отливки в форме. Для расчета времени охлаждения необходимо знание температуропроводности материала. К сожалению, все свойства материалов, связанные с температуропроводностью, а именно: теплопроводность, плотность и удельная теплоемкость являются функциями и температуры, и давления (то есть существенно изменяются в процессе литья под давлением). Это особенно ярко проявляется у таких частично кристаллических термопластов, как ПА и ПП, которые при охлаждении претерпевают значительные фазовые изменения. Если из вестны средние значения температуропроводности материала, то можно приблизи тельно оценить времена охлаждения. Эффективные значения температуропроводно сти (см. рис. 2.80) для нснаполненных частично кристаллических термопластов, могут использоваться при расчете времен охлаждения отливки в форме [75].
Наконец, следует заметить, что в уравнениях (2.16) и (2.19) толщина плоской отливки и радиус цилиндрической отливки имеют показатель степени, равный 2. От толщины отливки зависит ее масса, то есть необходимое для литья под давлением количество материала (такая зависимоть линейна), но влияние толщины на величи ну времени цикла более сложно: даже небольшое уменьшение толщины изделия мо жет привести к существенному уменьшению времени цикла литья. С другой стороны, если конструктор увеличил толщину стенки, например, в два раза, то, теоретически, время охлаждения отливки до температуры ее выталкивания должно увеличиться в четыре раза. На практике оно возрастет на несколько меньшую величину, так как более толстые изделия обычно значительно быстрее, еще до затвердевания центра отливки, приобретают жесткость, необходимую для безопасного выталкивания из формы. Важно, чтобы при выборе номинальной толщины отливки конструктор при нимал во внимание указанное выше.
2.6. Выталкивание1 изделия из формы
2.6.1. Общие положения
Последня стадия процесса литья под давлением — выталкивание изделия из фор мы. Идеально, если извлечение отлитого изделия происходит без его повреждения или деформации. Конструктор литьевой формы песет, как правило, основную ответ ственность за выбор системы выталкивания, которая наилучшим образом соответ ствовала бы геометрическим особенностям конкретного изделия, при этом он должен представлять все трудности, которые могут возникнуть при выталкивании и предупреж дать их появление. Изделие из термопластов должно быть сконструировано с учетом
1Выталкивание — это общее понятие; буквально выталкивание относится к удалению изделия из матрицы (гнезда, формующей полости); с пуансона изделие сталкивается. Возможно применение технологически «обезличенных» терминов — извлечение (для знаков, вставок), объем, свинчива ние (резьбовых изделий), удаление и др. — Прим. науч. ред.
8 Зак. 593
114 КОНСТРУИРОВАНИЕ ПЛАСТМАССОВЫХ ИЗДЕЛИИ ДЛЯ ЛИТЬЯ ПОД ДАВЛЕНИЕМ
этого, для чего необходим тесный контакт и взаимные консультации конструкторов изделия и литьевых форм уже на ранних этапах разработки изделия. Конструктор литьевой формы может дать консультацию по специфическим проблемам выталки вания изделия и желательных, в связи с ними, изменениях конструкции. К факто рам, которые влияют на простоту выталкивания изделий и, соответственно, сто имость формы, относятся:
•углы уклона или конусность;
•качество обработки формообразующих поверхностей формы;
•требования к внешнему виду изделия;
•наличие поднутрений или отверстий в изделии;
•выталкивание — из стационарной или подвижной полуформы;
•характер расположения изделия — в матрице или на пуансоне;
•расположение плоскости (плоскостей) разъема формы.
Почти все из перечисленных факторов связаны с конкретной конфигурацией из делия. Однако даже для изделий, имеющих ровную поверхность и относительно про стую геометрию, система выталкивания может оказаться дорогой (относительно сто имости всей литьевой формы), если изделие не сконструировано заранее с учетом его будущего выталкивания.
2.6.2. Углы уклона
Углы уклона поверхностей формующей полости
Углы уклона (или конусность) поверхностей обычно назначаются для облегчения выталкивания практически любой отливки, когда ее протяженность в направлении выталкивания из формы достаточно большая. Наиболее распространенным вариан том схемы конструкции формы является расположение матрицы в стационарной по луформе, а пуансона— в подвижной полуформе. В большинстве случаев при размы кании формы изделие остается на пуансоне:
1) благодаря усадке материала изделия возникает значительное контактное дав ление на пуансон, а также силы трения между изделием и поверхностью пуансона;
2) из-за неравномерного охлаждения изделия по толщине возникают усадочные напряжения, которые стремятся «оторвать» изделие от стенок матрицы.
Следует заметить, что в конкретных формах поверхность контакта изделия и мат рицы может быть больше, чем изделия и пуансона, однако в первом случае возникаю щее давление, как правило, будет меньшим из-за усадки изделия, направленной «от стенок». Углы уклона принимают равными от долей до нескольких градусов. Их следует назначать с учетом глубины формующей полости, усадки и жесткости матери ала изделия, качества (шероховатости) поверхности формообразующих деталей ли тьевой формы, смазки на поверхности. С помощью углов уклона поверхностей, а так же знаков, установленных в матрице и в формующихся поднутрених, как правило, облегчается их (знаков) удаление до полного выталкивания изделия.
В принципе, изделия могут изготавливаться и без углов уклона (с «нулевым ук лоном»), но тогда приходится применять, например, формы с раздвижными полу матрицами, чтобы при их размыкании отделить изделие от матрицы.
ОСОБЕННОСТИ ЛИТЬЯ ПОД ДАВЛЕНИЕМ ИЗДЕЛИЙ ИЗ ПЛАСТМАСС (краткий очерк) |
115 |
Рис. 2.81. Углы уклона боковых поверхностей матрицы облегчают выталкивание изделия из формующей полости после размыкания формы, а углы уклона пуансона способ ствуют облегченному «сталкиванию» изделия с пуансона
Рис. 2.82. Изделия могут изготавливаться без уклонов поверхностей (при «нулевом укло не»), на соответствующих формообразующих поверхностях, но в таких случаях приходится применять, например, формы с раздвижными полуматрицами, чтобы при размыкании отделить изделие от матрицы
Разъемная матрица позволяет размыкать форму с меньшим усилием, благодаря
чему снижается вероятность «залипания» изделия в матрице, а также повреждения и образования задиров поверхностей формы из-за трения. С помощью разъемных форм, узлы которых могут свободно перемещаться на достаточно большое расстоя ние, улучшается возможность получать текстурированные поверхности, отверстия и поднутрения. Однако разъемные формы значительно дороже «обычных»: из-за до полнительных плоскостей разъема в них может образовываться больше облоя, замет ного на поверхностях изделия.
116 КОНСТРУИРОВАНИЕ ПЛАСТМАССОВЫХ ИЗДЕЛИЙ ДЛЯ ЛИТЬЯ ПОД ДАВЛЕНИЕМ
Углы уклона пуансона
После размыкания формы и до окончательного выталкивания изделия оно долж но быть отделено от пуансона. Изделия из термопластов имеют тенденцию плотно усаживаться на пуансоне, и необходимы значительные усилия, чтобы их «столкнуть». Эти усилия требуются приложить в начальный момент отделения изделия от поверх ности пуансона. Величина усилия «сталкивания» зависит от таких факторов, как усадка материала и его модуль упругости, коэффициент трения пары металл-термо пласт, шероховатость поверхности пуансона и угол уклона поверхностей. Как уже
Рис. 2.83. После размыкания формы изделие должно быть отделено от пуансона. Усилие, необ ходимое для сталкивания его с пуансона, зависит от комплексного влияния факто ров: усадки материала, состояния и особенностей боковых поверхностей, в т. ч. нали чия канавок-поднутрений; количества «запертого» воздуха в формующей полости
ОСОБЕННОСТИ ЛИТЬЯ ПОД ДАВЛЕНИЕМ ИЗДЕЛИЙ ИЗ ПЛАСТМАСС (краткий очерк) |
117 |
отмечалось, изделия «с нулевыми углами уклона» выталкивать (сталкивать) доста точно трудно, для этого необходио прилагать значительные усилия до тех пор, пока не прекратится контакт изделия с пуансоном. Углы уклона от 1/4° до 2° обычно назнача ются для пуансонов, исходя из тех же соображений, что и для полостей. Большие углы уклона облегчают выталкивание, но существенно влияют на форму (конусообразность) изделия; позволяют снизить величину начального усилия (усилия отры ва) и поэтому упрощают общую конструкцию системы выталкивания, что, в свою очередь, может повлиять на выбор более экономичного варианта системы охлажде ния и всего процесса литья под давлением.
Если для выталкивания конкретного изделия требуются небольшие усилия, то это дает возможность извлечь изделие, даже если оно «мягкое»: нет опасности его деформации, можно равномерно распределить по поверхности изделия прилагаемое уси лие. Ei це более важно, чтобы углы уклона приводили к уменьшению величины контактной поверхности изделия с пуансоном, после первоначального отрыва и в результате — к быст рому уменьшению усилий выталкивания. Уменьшение контактного давления одно временно способствует проникновению воздуха, обдувающего пуансон, а это позво ляет компенсировать влияние «вакуумных» эффектов в зоне контакта, которые не только затрудняют выталкивание изделия, но и могут повредить его. Для сталкива ния изделий очень больших размеров и толщины применяют специальные воздуш ные клапаны или вентиляционные шпильки, чтобы с их помощью устранить вакуум, и, после первоначального отрыва, струей воздуха отделить изделие от пуансона. В большинстве случаев углы уклонов пуансонов и матрицы параллельны; это рацио нально, поскольку при этом изделия получаются равнотолщинными.
Установлено, что чем угол уклона больше, тем усилия, необходимые для вытал кивания изделия, меньше. На рис. 2.84 приведены результаты экспериментов по оценке влияния угла уклона на усилие сталкивания отливок из термопластов — ПЭВП
Рис. 2.84. Экспериментальные результаты определения величины усилия сталкивания из делия с пуансона. Эти усилия уменьшаются с увеличением угла уклона. Наличие угла уклона уменьшает риск образования задиров и абразивного повреждения по верхности пуансона
118КОНСТРУИРОВАНИЕ ПЛАСТМАССОВЫХ ИЗДЕЛИЙ ДЛЯ ЛИТЬЯ ПОД ДАВЛЕНИЕМ
иАБС-пластика. В обоих случаях, повышение угла уклона на одну и ту же величину приводит к значительному уменьшению усилий, затрачиваемых на выталкивания. Причем для отливок из АБС-пластика усилия всегда выше, чем для ПЭВП, что свя зано, видимо, с различиями в усадках материалов.
Углы уклона оказывают существенное влияние на форму изделия. Это может при вести к разногласиям между конструктором изделия и конструктором литьевой фор мы. Ребра, бобышки, поднутрения должны иметь углы уклона; усиливающие ребра имеют уклоны с двух сторон. Положительный эффект, возникающий при этом, отно сится к уменьшению усилия выталкивания, но само ребро в формующей полости труднее наполнить расплавом, а конструктивно оно оказывается менее упрочненным. Практически при выборе углов уклона ребер конструктор вынужден решать комп ромиссную задачу — облегчить усилия выталкивания изделия без существенной потери его прочностных свойств. Поскольку усилия выталкивания для ребристых поверхно стей с углами уклона оказываются меньшими, уменьшается и площадь поверхности, на которую воздействует каждый толкатель. При этом, однако, сохраняется опас ность хрупкого разрушения толкателя, а маленькая площадь контакта с ребром будет приводить к такому увеличению локальных усилий сжатия, что толкатели могут даже проникать в тело ребра. Толкатели с прямоугольным и поперечным сечением («лез вия») обеспечивают наилучшее выталкивание изделий с ребрами, но они относи тельно дороги в сравнении с общей стоимостью литьевой формы.
Приливы под толкатели, аналогичные приведенным на рис. 2.85 и 2.86, использу ют при выталкивании изделий, состоящих из секций с внутренними стенками. При ливы под толкатели обычно представляют собой сплошные круглые бобышки в реб рах. Приливы под толкатели имеют относительно большую поверхность, на которую может воздействовать толкатель. При этом приливы не оказывают существенного влияния на величину усадочных утяжин, которые образуются на поверхности, про тивоположной той, на которой находится ребро, поскольку толщина в основании конструктивного элемента равна или близка толщине самого ребра.
Рис. 2.85. Обычно конструируют изделия с приливами под толкатели выталкивающей сис темы, увеличивая, таким образом, поверхность, на которую каждый толкатель оказывает давление. Это уменьшает величину локальных усилий сжатия, созда ваемых системой выталкивания, и снижает вероятность риска образования за метных следов от толкателей на поверхности изделия
ОСОБЕННОСТИ ЛИТЬЯ ПОД ДАВЛЕНИЕМ ИЗДЕЛИЙ ИЗ ПЛАСТМАСС (краткий очерк) |
119 |
Следует избегать неопределенности при расчете ребер или других конструктив ных элементов литого иод давлением изделия; следует осторожно использовать та кие общие характеристики, как «минимум», «максимум», «номинальный» и «допус тимый». На рис. 2.86 показано ребро с номинальной толщиной стенок 0,060 дюйма и допустимым уклоном 2° [80].
Рис. 2.86. Часть изделия, для выталкивания которого используются приливы под толкатели в ытал ки в а ю щей с и сте м ы
Рис. 2.87. Толщина ребра и угол уклона должны быть точно указаны на чертеже изделия, чтобы избежать неверной интерпретации таких сомнительных характеристик, как «максимальная» или «минимальная» величина и проч.
Использование компьютерных баз данных трехмерной каркасной и твердотель ной моделей эффективно устраняет неопределенности в конструкциях такого типа.
120 КОНСТРУИРОВАНИЕ ПЛАСТМАССОВЫХ ИЗДЕЛИЙ ДЛЯ ЛИТЬЯ ПОД ДАВЛЕНИЕМ
2.6.3. Влияние качества поверхностей матрицы и пуансона
Шероховатость поверхности
Качество обработки поверхностей матрицы и пуансона значительно влияет на особенности выталкивания конкретного изделия. Марка стали, из которой изготов лены формообразующие детали литьевой формы, и тип поверхностей оказывают су щественное влияние на извлечение изделия. Шлифование матрицы или пуансона в направлении уклона (то есть параллельно направлению выталкивания изделия) бо лее предпочтительно при большой глубине матрицы, когда угол уклона невелик или вообще отстутствует. Это существенное замечание, потому что на производстве на много легче отшлифовать пуансон или матрицу в направлении, перпендикулярном направлению выталкивателя. Хотя цилиндрический пуансон (рис. 2.88) легче всего шлифовать на токарном станке, очень важно, чтобы окончательное шлифование было сделано по линии уклона поверхности, чтобы улучшить условия выталкивания. Сход ные проблемы существуют для ребер, которые, как правило (в зависимости от распо ложения) гораздо легче полировать вдоль, то есть в направлении, перпендикулярном направлению выталкивания изделия. Шлифование наклонных поверхностей (вдоль линии уклона) позволяет уменьшить усилия выталкивания изделий, даже если на этих поверхностях расположены поднутрения.
Рис. 2.88. Матрицы и пуансоны должны шлифоваться по наклонным поверхностям (вдоль линии уклона), что способствует уменьшению усилия, необходимого для вытал кивания изделия, несмотря на наличие поднутрений (на рисунке слева - кольце образные поднутрения), шлифовать которые необходимо в направлении, перпен дикулярном направлению выталкивания
Эксперименты, результаты которых приведены на рис. 2.89, показывают, что уси лия выталкивания образца из ПЭВП существенно меньше для случая применения пуансона, отшлифованного в направлении, перпендикулярном направлению вытал кивания [79]. Усилия выталкивания уменьшаются по мере возрастания температуры отливки, при которой выталкивание происходит (в том числе при ускоренном вы талкивании). Это может быть связано с влиянием усадки и модуля упругости мате риала в момент выталкивания (при соответствующей температуре) что, в свою оче редь, уменьшает контактное давление между изделием и пуансоном.
Шероховатость поверхностей пуансона и матрицы также являются важными фак торами, влияющими на параметры выталкивания изделия. Степени шероховатости
ОСОБЕННОСТИ ЛИТЬЯ ПОД ДАВЛЕНИЕМ ИЗДЕЛИЙ ИЗ ПЛАСТМАСС (краткий очерк) |
121 |
Рис. 2.89. Экспериментальные результаты показали, что шлифование наклонных поверхно стей приводит к уменьшению усилия выталкиания изделия
и топография обработанных поверхностей определяются в соответствии с принятой новой классификацией. Предположительно, это может быть следствием создания, например, лучших условий вентиляции формующей полости. Поверхности изделий копируют поверхность деталей формующей полости; их шероховатость по стандарту SPI - от Л1 до Ш (см. табл. 5.2 и 5.3, стр. 340,341).
Данная классификация (включает 12 степеней ) заменяет старые стандарты SPE/SPI, имевшие обозначения от #1 до #61. Шероховатость поверхностей металлических дета лей измеряется с помощью нрофилометра, который использует щуп и «анализатор»,
Рис. 2.90. Высокое качество шлифования поверхностей облегчает выталкивание изделий из формующей полости: чем оно выше, тем меньше на поверхности изделий следов от механической обработки (своеобразных мини-поднутрсний). В других случаях, на пример, при литье под давлением изделий из «мягких» термопластов, или, напри мер, эластомеров, слегка текстурированные поверхности обработанные специально металлических деталей формы, подвергнутые дробеструйной обработке, копируясь на изделии, не будут создавать затруднений при выталкивании
Общие рекомендации но шероховатости, механически обработанных металлических поверхнос тей см. ГОСТ 2789 73; справочник «Допуски и посадки», СПб.: Политехника — 2001. Изд. 8. Т. 1-2. — Примеч. науч. ред.
122 |
|
КОНСТРУИРОВАНИЕ ПЛАСТМАССОВЫХ ИЗДЕЛИИ ДЛЯ ЛИТЬЯ ПОД ДАВЛЕНИЕМ |
определяющий разницу между пиками и углублениями обработанной поверхности. Реальная шероховатость поверхности определяется затем как средневзвешенное (средиеквадратическое) значение многочисленных измерений. В большинстве случаев бо лее гладкие поверхности деталей облегчают выталкивание изделий, что особенно за метно при литье иод давлением изделий из аморфных термопластов. В случаях, когда поверхность слегка текстурирована или была подвергнута дробеструйной обработке, усилия, затрачиваемые иа выталктвапие, возрастают. Наилучшее качество деталей формующей полости и изделия обычно достигается при литье под давлением термо пластов с пониженной вязкостью (высокая скорость течения расплава). Расплавы этих материалов в состоянии продавливаться через плоскость разъема, образуя облой. Намного труднее достигается хорошее качество поверхности у изделий из тер мопластов с более высокой вязкостью и низкой скоростью потока расплава. Более высокая вязкость материала препятствует «смачиванию» поверхности формующей полости при ее заполнении расплавом.
Если материал полностью не смачивает поверхность формующей полости, то ре альная площадь контакта между ними уменьшается, соответственно снижается и уси лие выталкивания изделия. Но это возможно только при достаточной эластичности термопласта, позволяющей изделию быстро релаксироваться после выталкивания, не оставляя следов от вершин и впадин матрицы.
Текстура поверхности
Изделия с текстурированной поверхностью требуют большего угла уклона, что бы облегчить их выталкивание. Если текстура поверхности иеуиорядочена, то в матрицах, например, назначаются увеличенные углы уклона 1-1,5° при глубине тек стуры 0,001 дюйма (0,025 мм). Это эмпирическое правило. Такие неупорядоченные
Следует избегать применения пуансонов с текстурированной поверх ностью, то есть избегать текстурировзния внутренних поверхностей изделия
Рис. 2.91. Когда текстурируются боковые поверхности формующей полости, то необходимо назначать увеличенные углы уклона, чтобы облегчить отделение изделия от мат рицы, и уменьшить риск образования задиров на поверхности. Кроме того, может оказаться необходимым «добавить» поднутрения пуансону, чтобы изделие остава лось на нем при размыкании формы