литература / Konstruirovanie_plastmassovykh_izdeliy_dlya_litya_pod_davleniem

164 КОНСТРУИРОВАНИЕ ПЛАСТМАССОВЫХ ИЗДЕЛИЙ ДЛЯ ЛИТЬЯ ПОД ДАВЛЕНИЕМ

Это совершенно невозможно при использовании подхода последовательной техно­ логической подготовки производства, где проблемы производства не принимаются во внимание до изготовления прототипа.

Другим преимуществом параллельного проектирования является возможность одновременной работы конструкторов и технологов. Существует большое количе­ ство работы по планированию и инженерной подготовке, которую можно выполнить одновременно. Благодаря технологии параллельной разработки, можно, например, заранее начать заказ стали и других компонентов, необходимых для изготовления формующего инструмента. В результате необходимое оборудование и материалы бу­ дут в наличии в тот момент, когда они понадобятся. На рис. 3.3 показано, что можно организовать несколько параллельных и взаимосвязанных производственных пото­ ков [1]. Следовательно, достигается существенная экономия времени по сравнению с последовательным проектированием.

Параллельный подход к разработке изделия

Рис. 3.4. Параллельное проектирование изделия сокращает время разработки, повышает его качество и минимизирует проблемы с эксплуатационными характеристиками

Параллельное проектирование изделия начинается с определения руководителя и подбора членов команды, которые регулярно общаются друг с другом в процессе разработки. Усовершенствованный обмен информацией и параллельные конструк­ торские потоки ускоряют процесс разработки и повышают общее качество изделия.

3.2.Процесс конструирования изделия из пластмассы

Процесс конструирования изделий из пластмассы лучше всего осуществлять по методу параллельного проектирования, но тем не менее этот процесс делится на логи­ чески связанные последовательные этапы. Для наглядности рассмотрим основные этапы проектирования изделий:

Этап 1: Определение конечных требований к изделию. Этап 2: Создание предварительного эскиза.

Этап 3: Предварительный подбор материала.

Этап 4: Конструирование изделия в соответствии со свойствами материала. Этап 5: Окончательный выбор материалов.

Этап 6: Изменение конструкции с учетом требований производства. Этап 7: Прототипирование.

Этап 8: Конструирование и изготовление формующего инструмента. Этап 9: Производство.

Большая часть работ, связанных с проектированием и разработкой изделий на каждом из этих этапов происходит параллельно, но для удобства мы будем рассмат­ ривать каждый из них отдельно.

Этап 1 — Определение конечных требований к изделию

Разработка изделия начинается с тщательного определения технических характе­ ристик и требований, предъявляемых потребителем. Поскольку это первый этап раз­ работки, он является самым важным, так как конструкторы и инженеры будут разра­ батывать изделие на основе именно этих технических характеристик. Если заданы не все технические характеристики или они заданы неверно, изделие не будет соответ­ ствовать условиям эксплуатации. Технические характеристики — это фундамент конструкторских разработок. Очень важно, чтобы требования потребителя к изде­ лию были бы описаны количественно, а не качественно. Такие определения, как «прочный» или «прозрачный», могут быть истолкованы слишком свободно. Намного лучше сказать, что изделие должно выдерживать удар при падении на бетонный пол с высоты одного метра при температуре окружающего воздуха -20 °С, а его прозрач­ ность должна сохраняться на уровне более 88 % в течение 5 лет, чем просто указать, что изделие должно быть прочным и прозрачным. К сожалению, не всегда удается заранее определить и количественно выразить все требования к изделию, особенно, если существует возможность неправильной его эксплуатации. Когда пластмассовая деталь изготавливается для замены уже существующей, например, металлической, можно использовать опыт, накопленный при ее использовании, но это невозможно при разработке совершенно нового продукта. Обычно следует учитывать механиче­ ские воздействия, условия окружающей среды, требования к размерам, соответствие стандартам и запросы рынка.

Предварительное рассмотрение факторов, связанных со строением и с возможным нагружением

Виды нагрузки, их уровень, длительность пребывания в нагруженном состоянии, частота механических воздействий и т. п. следует зафиксировать в технических

требованиях. Необходимо учесть, что изделие может подвергаться нагрузке в про­ цессе сборки, транспортировки, во время хранения и в процессе эксплуатации. Раз­ работка упаковки для защиты изделия в процессе транспортировки и хранения обычно происходит параллельно с конструированием самого изделия. Конструкто­ ры изделий должны предусмотреть различные случаи — от средних значений на­ грузок до самых неблагоприятных условий. Возможно, к наиболее трудным реше­ ниям относятся те, которые должны соблюсти баланс между надежностью в случае наиболее неблагоприятного сценария и статистически средними нагрузками, при­ чем с учетом последствий и потерь в случае аварий. Изделия, сконструированные с полной гарантией, что они не выйдут из строя в случае их неправильного исполь­ зования, по всей вероятности, будут очень дорогими; хотя те, которые разработаны без учета ошибок при эксплуатации, могут потребовать высоких затрат на обслужи­ вание. Конструктор должен уделить значительную часть своего внимания надежно­ сти, особенно, когда выход изделия из строя может угрожать здоровью и жизни человека.

Предварительный учет факторов, связанных с воздействиями окружающей среды

Поскольку пластмасса очень чувствительна к условиям окружающей среды, важ­ но определить все те условия, в которых будет находиться изделие в процессе эксплу­ атации: диапазон температур, относительную влажность, химическую агрессивность окружающей среды. Следует учитывать и те условия окружающей среды, которые присутствуют в процессе сборки и хранения. Высокие температуры при эксплуата­ ции изделия могут стать причиной возникновения проблем, связанных с ползуче­ стью и окислением, а низкие температуры могут привести к снижению противоудар­ ных свойств. Все требования к используемым реактивам (даже к очистителям бытового назначения и т. п.) должны быть четко определены вместе с возможным воздействием ультрафиолетового облучения (например, при использовании вне по­ мещений). Проблема состоит в том, чтобы точно определить границы наиболее веро­ ятных ошибок при эксплуатации.

Требования к размерам

Соблюдение размеров деталей из пластмасс имеет особенно большое значение, когда они используются в качестве компонентов при сборке изделия. Критические размеры, качество обработки поверхности, плоскостность и аналогичные им пара­ метры должны быть указаны вместе с реальными значениями допусков.

Следует учитывать, что стоимость изготовления оснастки и затраты на производ­ ство изделия во многом зависят от требований к допускам па размеры.

Соответствие техническим условиям/стандартам

Изделия из пластмассы могут использоваться в устройствах, параметры которых строго регулируются. За качеством в этом случае следят специальные организации, которые могут быть созданы как торгово-промышленными ассоциациями, так и го­ сударством. Стандартами определяются совершенно разные параметры готового изде­ лия: от свойств материала (марка, горючесть и т. п.) до размеров (фитинги, фиксаторы и т. п.) и эксплутационных характеристик (например, способность ослаблять элект­ ромагнитное излучение). Прототипы изделий часто проходят испытания в соответ­ ствующей организации по стандартизации.

Существуют также требования, которые формируются потребностями рынка, а также возможностями производства. Все они должны быть сформулированы на начальном этапе разработки изделия. Должны быть указаны и такие параметры, как предполагаемое количество производимых изделий, срок службы (срок замены) и максимальная стоимость изделия. Получив всю информацию, команда разработчи­ ков изделия должна создать конструкцию, которая бы обладала наилучшим соотноше­ нием цена/качество. К другим требованиям, которые диктует рынок, относятся эстети­ ческие: цвет, размер или форма. Они также должны быть четко определены, причем желательно в количественной форме. Для этой цели может быть полезным изготовле­ ние промежуточных моделей (нефункциональных прототипов) в качестве средства для обмена информацией между разработчиками, так как очень трудно количественно сформулировать требования к эстетическим параметрам изделия.

Этап 2 — Создание предварительного эскиза

Как только сформулированы требования к изделию, команда разработчиков из­ делия может начинать работать с конструкторами изделий по разработке эскизов, отражающих начальную концепцию изделия. Обычно эти эскизы представляют со­ бой трехмерные виртуальные изображения (3D), получаемые с помощью CAD-ciic- тем. Части изделия, которым следует уделить особое внимание, помечены, и имеют отдельные увеличенные изображения. На этом этапе проектирования следует опре­ делить, какие параметры и размеры изделия будут оставаться неизменными, а какие можно изменять. К фиксированным параметрам относятся те, которые нельзя изме­ нить с точки зрения конструктора (например, размеры, которые определяются стан­ дартами, и т. п.), а к переменным относятся те, которые не были определены на началь­ ных этапах конструирования. В качестве примера рассмотрим насадки для садовых шлангов (рис. 3.5).

Задачей конструктора является изготовление насадки целиком из пластмассы. Если десяти конструкторам задать одинаковые характеристики изделия и попросить

Рис. 3.5. Пластмасса очень часто используется для замены какоголибо материала. Из­ делие в центре по своей форме очень близко к металли­ ческому, которое по­ казано слева от него, а насадка из пласт­ массы (справа) бы­ ла разработана при очень незначитель­ ном влиянии кон­ струкции из металла

168 КОНСТРУИРОВАНИЕ ПЛАСТМАССОВЫХ ИЗДЕЛИЙ ДЛЯ ЛИТЬЯ ПОД ДАВЛЕНИЕМ

их независимо друг от друга сконструировать насадки, то, вероятно, будут представ­ лены 10 различных конструкций. Однако некоторые элементы у каждой из них будут одинаковыми. Например, внутренние размеры в области, где находится резьба для крепления садового шланга, будут одинаковыми у всех вариантов, поскольку они определяются стандартами. Но другие параметры, к которым относятся общая форма изделия или способ регулировки подачи воды, могут отличаться. Один из вариантов насадки из пластмассы, который показан на рис. 3.5, по виду очень похож на металли­ ческий образец (слева). Вероятно конструктор этого изделия из пластмассы нахо­ дился под влиянием от существующей металлической насадки. С другой стороны, следующее изделие, представленное на рис. 3.5, выполняет ту же основную функцию, но в ней заложены другие принципы управления струей воды. Это изделие имеет совершенно иной внешний вид.

На практике для замены изделия из металла лучше ориентироваться только на технические характеристики изделия, а не копировать существующий аналог. Как только конструктор увидел и оценил функциональные возможности металлического изделия, ему будет сложно избежать искушения просто скопировать существующую конструкцию. Слишком большое внимание к уже существующей конструкции огра­ ничивает творческий и инновационный потенциал разработчика. Кроме того, если перед началом проектирования изучаются конкурентоспособные изделия, возникает опасность нарушения патентов.

Этап 3 — Предварительный подбор материала

Как только были определены требования, предъявляемые к изделию потребите­ лями, конструкторы могут начать поиск марок пластмасс, пригодных для производ­ ства. Выбор материала осуществляется путем сравнения свойств подбираемых мате­ риалов с комплексом свойств конечного изделия. Поскольку существуют буквально тысячи промышленных марок материалов, найти подходящий вариант для конкрет­ ного изделия вполне возможно. На начальном этапе рекомендуется выбрать не­ сколько потенциально пригодных вариантов (возможно от 3 до 6 марок/составов материалов).

Из-за того, что число доступных марок материалов огромно, процесс подбора ма­ териала может затянуться. При отборе рекомендуется начинать процесс выбора мате­ риалов с тех его свойств, которые не могут быть улучшены за счет конструирования. К таким свойствам относятся: КТР, прозрачность, химическая стойкость и темпера­ тура размягчения. Например, ПЭВП не может быть использован для производства прозрачных упаковок, поскольку он полупрозрачен или вообще светонепроницаем, а ПК не может использоваться для изготовления бензиновых канистр из-за его неус­ тойчивости к гидрокарбонатам.

Использование для отбора материалов перечисленных выше характеристик позво­ ляет относительно легко устранить целые группы материалов, и значительно сократить число потенциально возможных. Процесс выбора материалов можно ускорить, если для изделия не исключается возможность нанесения покрытия на поверхность. По­ крытия используются для повышения химической стойкости, износостойкости, устойчивости к ультрафиолетовому облучению и улучшения внешнего вида изде­ лия. При использовании покрытия становится возможным применять материал.

170 КОНСТРУИРОВАНИЕ ПЛАСТМАССОВЫХ ИЗДЕЛИИ ДЛЯ ЛИТЬЯ ПОД ДАВЛЕНИЕМ

Этап 5 - Окончательный выбор материала На этом этапе процесса конструирования следует определить один наиболее пред­

почтительный материал для производства изделия, оставляя оставшиеся варианты в резерве на случай возникновения неожиданных проблем, которые могут появиться на следующих стадиях разработки (например, в ходе прототипирования или произ­ водства изделия). Найти «идеально» подходящий пластмассовый материал вряд ли возможно. Каждый выбор имеет свои преимущества и недостатки. Конструктор мо­ жет выбрать материал, руководствуясь своим предыдущим опытом. Решения, приня­ тые исключительно исходя из стоимости материала и затрат на производство, не учитывают преимуществ, которые могут возникнуть при переработке или в процессе эксплуатации. Оценив материалы с учетом всех этих характеристик, конструктор должен сделать беспристрастный выбор наилучшего из них. Свойствам или характе­ ристикам, которые играют важную роль, может быть присвоен соответствующий рей­ тинг.

Рассмотрим три материала: ПП, ПЭВП и ПА 6.6, которые должны выдерживать статические нагружения и быть устойчивы к органическим растворителям.

Отдельные рейтинги, выраженные количественно и связанные с какими-либо свойствами материалов, могут быть в какой-то степени произвольными, но они все же основаны на реальных числовых данных. Эта методика предоставляет собой полуколичествепный анализ для выбора наилучшего материала (рис. 3.7).

*10 — максимальный рейтинг (наилучший), 0 — минимальный рей­ тинг (наихудший).

**Учитывается как потребление материала (с учетом объема изде­ лия), так и время, необходимое для выполнения одного цикла.

Рис. 3.7. Полуколичественнып анализ при выборе материала может привести к неточным результатам

Этап 6 — Изменение конструкции изделия для производства После выбора материала и определения начальной конструкции изделия, воз­

можно некоторое ее изменение с учетом особенностей производства.

Геометрия изделия должна быть разработана с расчетом на изготовление литьем под давлением. Конструкторы должны учитывать то воздействие, какое могут оказы­ вать различные этапы технологического процесса литья под давлением на конструк­ цию изделия.

Каждый этап литья под давлением, а именно: заполнение формы, уплотнение, выдержка под давлением, охлаждение и выталкивание «предъявляют» свои требова­ ния к конструкции (см. главу 2).

Рассмотрим изделие, которое показано па рис. 3.8. Оно было сконструировано с ребрами, предназначенными для «усиления» конструкции в процессе эксплуатации.

Рис. 3.8. Конструкция должна быть изменена из-за главных и второстепенных требований, выдвигаемых процессом производства (усадка, углы уклона, ускорители потока, и т. д.). Должно быть оценено воздействие этих изменений на эксплуатационные характеристики готового изделия

Изделие должно быть модифицировано за счет закругления углов, что улучшает течение расплава в форме (и уменьшает концентрацию напряжений). Кроме этого, изменение углов уклона облегчает извлечение изделия. Текстурная поверхность улуч­ шит внешний вид изделия, маскируя дефекты, возникающие на противополож­ ных сторонах ребер жесткости из-за усадки материала. Это только некоторые из возможных модификаций конструкции, которые необходимы с точки зрения техно­ логии производства. После того как они сделаны, должно быть оценено воздействие этих изменений на эксплуатационные характеристики конечного изделия. Измене­ ния в конструкции при изменении углов уклона ребер приводят к отклонениям изде­ лия от начальной формы, к существенным изменениям прогибов и напряжений, воз­ никающих из-за приложения внешний нагрузок в процессе эксплуатации.

Карты контроля конструкции, аналогичные той, которая приведена на рис. 3.9, могут применяться на этапах планирования или при окончательной проверке изде­ лия, чтобы гарантировать, что все аспекты производства и сборки были учтены и про­ верены.