литература / Konstruirovanie_plastmassovykh_izdeliy_dlya_litya_pod_davleniem
.pdfОСОБЕННОСТИ ЛИТЬЯ ПОД ДАВЛЕНИЕМ ИЗДЕЛИЙ ИЗ ПЛАСТМАСС (краткий очерк) |
123 |
текстурированные поверхности, как, например «деревянныеузоры», требуют назначения больших углов уклона. Обычно текстурирование выполняется на наружных поверхностях изделия (то есть текстурированная поверхность изделия прилегает к такой же поверх ности формующей полости).
Изделия с текстурированной внутренней поверхностью, формуемые на пуансоне, значительно труднее столкнуть, так как, усаживаясь на пуансоне, они плотно его об хватывают по всей текстурированной иоверхности; фактическая поверхность кон такта изделия с пуансоном оказывается большей равновеликой гладкой поверхности и необходимо назначить большие углы уклона для облегчения сталкивания [82].
Дополнительные факторы
Силы трения между изделием из пластмассы и формующей поверхностью в про цессе выталкивания (то есть силы, связанные со сдвигом изделия из формующей полости или отделением от пуансона) могут быть уменьшены за счет использова ния: 1) смазки или 2) за счет применения покрытий или 3) специальной обработки поверхности полости.
Смазки и вещества, облегчающие выталкивание изделий
Применение смазки или специальных покрытий на трущихся поверхностях умень шают силы трения в паре изделие-деталь формы при выталкивании изделия. [83, 84]. Смазывающие вещества удобно классифицировать по назначению: преимуще ственно внутренние или преимущественно наружные.
Преимущественно внутренние смазывающие вещества и являются, собственно, до бавками, которые обладают хорошей совместимостью с материалом и которые умень шают вязкость расплава. Преимущественно внешние смазывающие вещества отлича ются очень низкой растворимостью в термопласте при литье под давлением, создавая смазывающий слой между изделием и деталями формы. Преимущественно наружные смазки используются для уменьшения усилия выталкивания изделий, особенно когда перерабатываются такие хрупкие термопласты, как ПС. Преимущественно наружные смазки — хорошая альтернатива аэрозолям, которые применяются для облегчении раз мыкания формы и использование которых сопряжено с возникновением определен ных трудностей при декорировании и сборке изделий. В качестве наружных смазыва ющих веществ обычно используются так называемые металлические мыла.
Покрытия рабочих формообразующих поверхностей формы
Эффективным технологическим направлением для уменьшения усилий вытал кивания изделий является применение плакирования или других специальных тех нологий обработки рабочих поверхностей, в результате чего создаются покрытия, работающие как «сухие» смазки [85-94]. Некоторые из таких технологий поверх ностной обработки дополнительно повышают твердость поверхности, сопротивляе мость истиранию, устойчивость к переносу материала изделия на поверхность пуансо на или матрицы, улучшают коррозионную стойкость. «Сухие» смазки позволяют отказаться от аэрозолей, облегчающих размыкание формы, а также от необходимо сти удаления, очистки их следов перед такими операциями с готовыми изделиями, как нанесение рисунков, склеивание или сварка. Никелирование или хромирова ние поверхности (электроосаждение никеля или хрома) существенно улучшают
124 КОНСТРУИРОВАНИЕ ПЛАСТМАССОВЫХ ИЗДЕЛИИ ДЛЯ ЛИТЬЯ ПОД ДАВЛЕНИЕМ
износостойкость и коррозионностойкость (в зависимости от типа термопласта), одна ко их влияние на величину усилия выталкивания изделия пока еще достаточно хорошо не изучено.
Такие специальные способы обработки поверхностей деталей формующей по лости, как плазменное напыление паров нитрида титана (TiN), позволяет умень шить усилия выталкивания изделий из частично кристаллических термопластов (ПФ, ПА) и аморфных термопластов (различных стиролов и акрилов) [86, 93]. Аналогично отмеченному влияют покрытия из дисульфида молибдена, дисульфи да вольфрама [90] и аморфного карбида бора [91]. К другому распространенному покрытию, обычно используемому для уменьшения усилия выталкивания, относит ся ПТФЭ (тефлон) [88]. Это покрытие состоит из частиц ПТФЭ диаметром прибли зительно от 1 до 3 мкм, которые находятся во взвешенном состоянии в электролити ческом растворе никеля. Частицы ПТФЭ осаждаются или удерживаются в никелевой «матрице», когда она формируется на поверхности матрицы или пуансона формы, как показано на рис. 2.92.
ПТФЭ формирует тонкий слой, представляющий сухую пленку, которая сни жает коэффициент трения поверхности матрицы или пуансона и снижает усилие выталкивания изделия для большого числа термопластов, включая ударопрочный ПС,ПКиПП[92].
Рис. 2.92. Никелевое прокрытие с равномерно распределенными частицами ПТФЭ (тефлона) может значительно уменьшить усилие, необходимое для выталкивания изделия
Домен (физ.) — небольшая область в веществе, отличающаяся физическими свойствами от смежных областей. (Современный словарь иностранных слов. М.: Русский язык, 1992.) — При меч. науч. ред.
ОСОБЕННОСТИ ЛИТЬЯ ПОД ДАВЛЕНИЕМ ИЗДЕЛИЙ ИЗ ПЛАСТМАСС (краткий очерк) |
125 |
Рис. 2.93. Никелевое порошковое покрытие с равномерно распределенными частицами ПТФЭ (тефлона) эффективно снижает усилие выталкивания изделия
2.6.4. Факторы, относящиеся к внешнему виду изделия
В системах выталкивания изделий из формы применяют толкатели (выталкива тели) — цилиндрические, плоские, трубчатые и т. д., которые оставляют следы на поверхности изделия. Обычно ответственность за это лежит на конструкторе литьевой формы, который должен согласовать наиболее подходящий вариант конкретной конфигурации изделия и его расположение в формующей полости. Поэтому он должен указывать места, на которые можно воздействовать тем или иным элементом системы выталкивания, чтобы не повредить или не ухудшить внешний вид изделия. В некото рых случаях, например, при изготовлении линз (рис. 2.94), видимые дефекты вообще не допустимы.
Рис. 2.94. Толкатели, втулки, наклонные колонки и другие детали, соприкасающиеся при выталкивании изделия с его поверхностью, оставляют на ней следы и поэтому должны быть расположены только в наименее заметных местах
126 КОНСТРУИРОВАНИЕ ПЛАСТМАССОВЫХ ИЗДЕЛИИ-ДЛЯ ЛИТЬЯ ПОД ДАВЛЕНИЕМ
При литье под давлением неглубоких изделий применяют толкатели, действую щие непосредственно на литники, то есть под литники (например, если центральный литник достаточно длинный или достаточно прочный). Чтобы улучшить условия вы талкивания изделия, применяют технологические приливы, как показано на рис. 2.94.
Конструкторские решения относительно выталкивающей системы тесно связаны с выбором расположения плоскостей разъема формы, расположением мест впуска и каналов охлаждения изделия в каждой из полуформ. Рассмотрим снова изделие, которое показано на рис. 2.5. Это изделие может быть верхней половиной корпуса бытового прибора или кассового аппарата. В случае одногпездной литьевой формы самое простое — применить центральный литник, «стандартное» расположение мат рицы/пуансона (то есть матрица связана с неподвижной плитой, а пуансон — с под вижной или дополнительной толкающей плитой термопластавтомата).
Предпочтительнее, чтобы изделие оставалось в подвижной полуформе: тогда си стема размыкания формы может быть использована для «запуска» системы выталки вания. Однако если к наружной поверхности изделия предъявляются повышенные требования, то расположить центральный литник с ее стороны недопустимо. Как аль тернативный вариант можно расположить место впуска со стороны пуансона, а следы от выталкивателя должны быть скрыты. Такая схема обычно не применяется, посколь ку она является более дорогой. Конструктор должен учитывать, что есть другие воз можности или альтернативные варианты извлечения изделия со стороны стационар ной полуформы. Например, стандартный набор матрицы и пуансона может быть сконструирован с расположением центрального литника в матрице, если след от него будет «спрятан» под наклейкой или логотипом.
2.6.5. Поднутрения и отверстия
Идеально, если для выталкивания изделий из литьевой формы не требуются ка кие-либо специальные «нестандартные» узлы. Надо стараться, по-возможности, избе гать применения механизмов для бокового смещения и перемещения деталей, напри мер, толкателей, расположенных под углом, складывающихся пуансонов, механизмов вывинчивания знаков и т. п. Усложненные узлы литьевых форм могут существенно повышать стоимость производства, требуют более внимательного технического об служивания, влияют па схему расположения каналов охлаждения и, в конечном сче те, приводят к увеличению времени цикла литья под давлением. Если нельзя совсем отказаться от бокового смещения и перемещения деталей, то пользоваться этим при емом следует очень осторожно и ограничивать его при любой возможности. Особая необходимость в «нестандартных» узлах возникает, когда в изделии требуется формо вать элементы, расположенные в направлении, перпендикулярном направлению смы кания формы. Когда бокового перемещения формующих деталей формы не избежать, предпочтительнее обеспечить его в направлении, перпендикулярном направлению раз мыканию формы. По-возможности, следует избегать перемещений под углом, не рав ным 90 град. На рис. 2.95 показано отверстие на боковой стенке изделия. Для извлече ния небольшого знака, формующего это отверстие, необходимо его (знака) боковое смещение, и, следовательно, усложнение конструкции и увеличение стоимости изде лия. Но если при конструировании изделия учесть направление его выталкивания,
ОСОБЕННОСТИ ЛИТЬЯ ПОД ДАВЛЕНИЕМ ИЗДЕЛИЙ ИЗ ПЛАСТМАСС (краткий очерк) |
127 |
Рис. 2.95. Каждый раз пало стараться конструировать такие отверстия или выступы заще лок, чтобы их можно было свободно выталкивать. Например, замена отверстия в боковой стенке изделия прорезью не требует дополнительных затрат, связанных с необходимостью бокового смещения формующих знаков формы
тогда отверстие, например, может быть заменено иа прорезь (рис. 2.95), и не потребу ются более сложные решения для смещения знака при выталкивании изделия.
На рис. 2.95 показано, что поднутрений, образованных выступами защелок, можно i вбежать, если они формовались с помо) цыо отсекателя, а не наклонной колон ки (см. дета ли в разделе 6.3.3). Вариант с отсекателем лучше использовать, когда в основании выступа имеется прорезь, допустимая с учетом требований к качеству внешнего вида.
В другом примере изделия (рис. 2.96) с прорезями или окнами на боковых стен ках формуются с помощью отсекателей, а не за счет боковых перемещений. Однако подобные решения можно применять только для изделий, конструкции которых до пускают большие углы уклона боковых стенок, что позволяет реализовать доста точно простую схему смыкания-размыкания литьевой формы.
Выталкивать изделия с поднутрениями после размыкания литьевой форм ы возмож но, только используя разъемные матрицы, различные варианты боковых перемещений
Рис. 2.96. Отверстие в боковой стенке формуется с помощью отсекателей, а выталкивание изделия из формы происходит после ее размыкания по плоскости разъема матри цы/формы
128 КОНСТРУИРОВАНИЕ ПЛАСТМАССОВЫХ ИЗДЕЛИИ ДЛЯ ЛИТЬЯ ПОД ДАВЛЕНИЕМ
знаков, специальные конструкции пуансонов и матриц, с элементами «отсекания». Одна ко в особых случаях можно выталкивать изделия с поднутрениями непосредственно из матрицы или сталкивая с пуансона, если поднутрения неглубокие. Допустимая глубина поднутрения зависит от конструкции изделия и свойств материала при темпе ратуре выталкивания изделия. Например, процесс сталкивания с пуансона полиэти леновой пробки с резьбой возможен, если изделие достаточно эластично, а резьба сконструирована с углами, которые позволяют осуществить постепенное извлечение изделия и минимизировать его повреждение при сдвиге с резьбового знака. В про цессе выталкивания или сталкивания с пуансона пробка (еще полностью не остыв шая) деформируется, но затем восстанавливает свою форму и размеры, и будет про должать усаживаться. Точность размеров на изделия с поднутрениями, которые сталкиваются с пуансонов, трудно заранее предсказать, так как велик риск влияния процессов, связанных с появлением остаточной деформации материала. Изделия из материалов типа термопластичных эластомеров, могут отливаться под давлением с большим количеством поднутрений (если это требуется), однако конструирование эффективной системы их автоматического выталкивания может оказаться очень тру доемким. В этих случаях изделия могут быть отделены от пуансона вручную. С дру гой стороны, допустимая глубина поднутрений в изделиях из жестких аморфных термопластов, например, ПС, очень небольшая. В некоторых случаях поднутрения специально добавляются для того, чтобы изделие при размыкании формы оставалось на пуансоне (то есть не застревало в матрице), как показано на рис. 2.97.
Рис. 2.97. В ситуациях , при которых трудно выталкивать изделия из формующей полости,
например, когда боковые стенки изделия тскстурировапы, па пуансоне выполня ют специальные технологические задержки — поднутрения, которые гарантируют извлечение изделия из матрицы при размыкании формы
Изделия с поднутрениями могут быть изготовлены с достаточно «жесткими» до пусками, но только если применяются специальные механизмы или детали форм, обеспечивающие перемещение соответствующих формообразующих элементов.
Можно не считаться с ограничениями, связанными с размерами и формой поднут рения, показаниями пластичности материала. Для извлечения таких изделий приме няются механизмы свинчивания, наборы извлекаемых вставок, наклонные колонки (раздел 6.3.3) и складывающиеся пз^ансоны. Механизмы для свинчивания необходимы для удаления резьбовых знаков, например, при изготовлении пластмассовых пробок.
2СОБЕННОСТИ ЛИТЬЯ ПОД ДАВЛЕНИЕМ ИЗДЕЛИЙ ИЗ ПЛАСТМАСС (краткий очерк) |
129 |
Извлекаемые вставки применяют для изделий со сложной геометрической формой или при литье под давлением небольшого количества изделий (прототипов). К из влекаемым вставкам относят и детали-компоненты матриц/пуансонов, которые ус танавливают в форме до ее смыкания и удаляют вместе с изделием из формы. Встав ки извлекаются оператором из отливки вне литьевой формы. Для повторения цикла литья под давлением используют второй сменный набор вставок, которые могут быть использованы для изготовления изделий очень сложной геометрии. Из-за больших трудозатрат этот процесс на практике используется лишь в мелкосерийном произ водстве или при изготовлении прототипов, но с его помощью относительно просто можно создать литьевую форму для изготовления изделий очень сложной геометри ческой формы.
Литье под давлением с использованием вставок из низкоплавких металлических сплавов
В последние годы были разработаны технологические процессы, которые позво ляют отливать под давлением очень сложные изделия из различных термопластов. 11зделия с большими и сложными поднутрениями можно изготовить, применяя встав ки (знаки) из низкоплавких металлических сплавов. Литье под давлением с плавкими вставками применяют для изготовления сложных изделий — клапанов, насосов, тен нисных ракеток и воздушных впускных коллекторов автомобилей [93-98]. Реализа ция такой модификации процесса литья под давлением требует значительных капита ловложений, но они окупаются благодаря тому, что сложные изделия изготовляют за один впрыск, и, таким образом, устраняется необходимость получать несколько дета лей, требующих выполнения затратных операций при последующей сборке.
Вставки изготавливают штампованием или литьем. Наружная конфигурация вставки должна точно соответствовать сложной геометрической конфигурации внут ренней полости изделия. Вставки устанавливаются в раскрытую литьевую форму. Затем форма смыкается и осуществляется литье под давлением (в стандартном вари анте). Когда форма размыкается, то изделие со вставкой выталкивается. Для выпол нения следующего цикла литья требуется установить другую вставку. После вытал кивания изделия со вставкой, последняя выплавляется вне литьевой формы. Как было отмечено, материал вставок должен представлять металлический сплав с низ кой температурой плавления. Выплавление может быть выполнено разными способами:
•вымыванием вставки горячей жидкостью (для полых вставок);
•погружением изделия и вставки в емкость с горячей жидкостью («метод пла вательного бассейна»);
•индукционным нагревом (этот метод может привести к окислению металла);
•индукционным нагревом в горячей жидкости.
Предпочтительнее использовать горячую жидкость, поскольку она позволяет бы стро расплавить вставку и снизить вероятность окисления металла.
После выплавления вставки само изделие проверяют металлическим детекто ром, чтобы убедиться в полном удалении металла. Затем выплавленный металличе ский сплав затвердевает, а потом вновь используется при изготовлении вставок для следующих циклов литья под давлением.
Металлические сплавы, из которых изготавливают вставки, должны иметь отно сительно низкие температуры плавления, чтобы изделие из термопласта не было
9 Зак. 593
130 КОНСТРУИРОВАНИЕ ПЛАСТМАССОВЫХ ИЗДЕЛИЙ ДЛЯ ЛИТЬЯ ПОД ДАВЛЕНИЕМ
повреждено или деформировано при выплавлении вставки. С другой стороны, мате риал вставок и сама их конструкция должны быть в состоянии выдерживать терми ческие и силовые нагрузки, возникающие в процессе литья под давлением. На прак тике обычно используется эвтектический сплав олово-висмут. Этот сплав обладает низкой усадкой и не вызывает трудностей при обработке. Несмотря на то что темпе ратура его плавления около 138 "С, он применяется для литья под давлением таких термопластов, как ПА, армированный стекловолокнами, при температурах перера ботки выше 290 °С.
Это возможно, если процесс литья под давлением спроектирован правильно, и температура поверхности вставки будет ниже температуры плавления материала вставки. Тонкий затвердевший слой термопласта, находящийся в контакте со вставкой, должен быть достаточен для поддержания нужного градиента температуры внутри термопласта. Одновременно происходит отвод тепла от относительно горячей поверх ности вставки по направлению к менее нагретой ее центральной зоне. Плавкий материал должен быть в состоянии выдерживать механические нагрузки, связанные с эксплуата цией литьевой формы. Конструкция литников и расположение мест впуска должно быть оптимизировано, чтобы обеспечить сбалансированное заполнение формующей полости и минимизировать вероятность механических повреждений вставки.
В целом многостадийный процесс (литье металлической вставки, литье под дав лением изделия со вставкой, выплавление вставки из изделия) хотя и трудоемок, позволяет изготавливать уникальные изделия очень сложной геометрической фор мы. Пример такого изделия — воздушный впускной коллектор для автомобиля, по казанный на рис. 2.98 [93]. Воздушный впускной коллектор отливается из полиамида,
Рис. 2.98. Изделия очень сложной геометрической формы могут быть отлиты под давлением с использованием плавких металлических вставок: а — вставка из низкоплавкого металлического сплава готова для установки в литьевую форму; b — отлитое изде лие со вставкой как единое целое выталкивают из формы; с— пластмассовая от ливка после выплавления металлической вставки
ОСОБЕННОСТИ ЛИТЬЯ ПОД ДАВЛЕНИЕМ ИЗДЕЛИЙ ИЗ ПЛАСТМАСС (краткий очерк) |
131 |
армированного стекловолокном. По сравнению с коллектором, отлитым из алюми ния, полиамидный имеет определенные преимущества. К ним относятся:
•меньшая масса (па 30-60% легче, чем алюминиевый аналог);
•более высокое качество поверхности, что уменьшает сопротивление поступаю щего в автомобиль воздуха;
•соблюдение точных размеров изделия (без дополнительной механической об работки);
•меньшая температура воздуха в патрубке (благодаря хорошим изоляционным свойствам термопласта).
Литье под давлением сложных изделий с использованием металлических плавких вставок позволяет получить конструктивно цельные изделия. Когда к го товому изделию предъявляют более жесткие требования точности всех его конст руктивных элементов, изготавливают две или более части/детали изделия (как правило, их отливают одновременно в разных литьевых формах), а затем собира ют/соединяют различными методами, например, с помощью ультразвуковой свар ки (см. главу 6.)
Складывающие пуансоны/вставки
С помощью специальных (обязательно индивидуальных для конкретного изде лия) складывающихся пуансонов/вставок можно формовать разнообразные под нутрения как на наружных, так и особенно па внутренних поверхностях [96-101]. Складывающиеся вставки состоят из сегментов с гибкими элементами, которые сжимаются вовнутрь (при освобождении внутренних поднутрений), как только на чинают выталкивать изделие. После сжатия вставка легко выталкивается из изде лия. Как и вывинчивающиеся резьбовые знаки, складывающиеся вставки могут при меняться для формования резьбовых крышек и фитингов. Однако в отличие от вывинчивающихся знаков, складывающиеся вставки могут применяться и для фор мования кольцевых канавок, углублений и даже отверстий на боковых стенках изде лия (что устраняет необходимость использования бокового смещения внешних эле ментов оснастки). Складывающиеся вставки могут быть предварительно изготовлены различных типоразмеров [99,100]. Вставки больших размеров, диаметром от 25 до 90 мм, могут сжиматься на величину от 1,20 мм до 3,75 мм па одну сторону (допусти мая глубина поднутрения); вставки малого размера, диаметром от 13 до 24 мм, могут сжиматься на величину от 1,32 до 1,50 мм на сторону. Эти небольшие вставки имеют ограниченную область применения — когда формуется прерывистая резьба или под нутрения [101].
Место расположения линии разъема формы
В некоторых случаях необходимость в «формовании» поднутрения может быть исключена за счет простого изменения положения изделия в формующей полости. Изделие, которое показано на рис. 2.100, имеет ребра, расположенные под углом к основной стенке, с которой они составляют единое целое. При ориен тации изделия как на рис. 2.100 (слева), для выталкивания необходимо с помо щью подвижного пуансона или наклонной колонки предварительно «освободить» зону поднутрения. Если изделие расположить под углом в формующей полости,
132 КОНСТРУИРОВАНИЕ ПЛАСТМАССОВЫХ ИЗДЕЛИЙ ДЛЯ ЛИТЬЯ ПОД ДАВЛЕНИЕМ
а) |
Ь) |
с)
Рис. 2.99. Складывающиеся пуансоны (или вставки) применяют для изготовления изделий
споднутрениями на внутренних поверхностях: а — складывающийся пуансон применяется для изготовления внутренних канавок; Ъ — пуансон в «сложенном» состоянии; с — изделие с внутренней кольцевой канавкой отлито под давлением
спомощью складывающегося пуансона; d — складывающиеся пуансоны не большого размера (мини-пуансоны) (с разрешения Roehr Tool)
Рис. 2.100. В некоторых случаях изменение положения изделия в формующей полости уст раняет необходимость поднутрений и может упростить его выталкивание