литература / Konstruirovanie_plastmassovykh_izdeliy_dlya_litya_pod_davleniem

необходимо иметь хороню выраженные линии разъема и места расположения впуск­ ных литников.

Из жесткого гипса, который используют в меньшей степени, обычно получают про­ стые модели — с закругленными краями, без поднутрений. Одноразовый растворимый в воде гипс позволяет получить прототипы сложной геометрической формы. Гипс имеет относительно короткое время затвердевания, но до достижения максимальной прочно­ сти при толщине стенок 2-4 дюйма (51-102 мм) необходимо до 72 ч [38]. Перед исполь­ зованием оснастка из гипса должна быть абсолютно сухой.

Наиболее популярным материалом для литьевой формы остается силикон. Он отлично воспроизводит структуру поверхности, имеет сравнительно большой срок службы (может выдерживать до 25 циклов литья), стоек к химическому воздей­ ствию, эластичен (допускает поднутрения ограниченных размеров), имеет малую усадку, а также устойчив при транспортировке. «Быструю» форму можно получить и из других материалов, однако тогда потребуются специальные дополнительные механизмы для извлечения изделий. Современное оборудование для изготовления литьевых форм, позволяет быстро и качественно их изготавливать [37]. Смешение силикона с отвсрдителем производится автоматически под вакуумом.

Форма может быть изготовлена разными способами:

Если прототип геометрически относительно не сложен и может быть сделан цели­ ком, то на мастер-модели все имеющиеся отверстия заклеивают липкой лентой, ко­ торую, кроме того, наклеивают на торец стенки прототипа по линии будущего разъе­ ма формы. Затем закрепляют литники и выпоры. При необходимости поверхность прототипа покрывают разделительной смазкой или специальными лаками для созда­ ния требуемой текстуры. Подготовленный таким образом прототип подвешивают в опалубке и полностью заливают силиконом с отвсрдителем (рис. 5.18), а опалубку целиком помещают в установку для дополнительной дегазации. Отверждение на воз­ духе производится при комнатной температуре в течение 24 ч. Далее блок силикона с прототипом извлекают из опалубки, разрезают по волнистой линии острым ножом на 2 части до цветной ленты, которая далее служит линией разъема. Прототип и выпо­ ры извлекают.

Если прототип достаточно сложен конструктивно, имеет большие габариты, то может потребоваться отливка двух полуформ: матрицу и пуансон отливают отдельно и последовательно (рис. 5.19).

Перед началом изготовления формы изготавливают опалубку — из дерева, метал­ ла, пластмассы или пенопласта, и она должна быть по всем габаритным размерам на несколько сантиметров больше прототипа. Линия разъема полуформ может быть сде­ лана с помощью подмодельной плиты или формовочной глины. Подмодельная плита и глина также служат опорой для прототипа в процессе изготовления формы. После отверждения силикона опалубку с литьевой формой переворачивают и подмодельную плиту (глину) удаляют. После очистки прототип покрывают разделительной смазкой, и заливают вторую полуформу. Вентиляционные и литниковые каналы от­ ливают напрямую или изготавливают механически после отверждения формы. Лит­ никовая система должна иметь такую конфигурацию, чтобы она способствовала воз­ душной вентиляции в момент заполнения литьевой формы [1].

344 КОНСТРУИРОВАНИЕ ПЛАСТМАССОВЫХ ИЗДЕЛИЙ ДЛЯ ЛИТЬЯ ПОД ДАВЛЕНИЕМ

Рис. 5.18. Последовательность действий при изготовлении силиконовой формы

Поскольку силикон относится к вязким материалам, небольшие отверстия изго­ тавливают с помощью оформляющих вставок и знаков. Они обычно выточены из металла или отлиты из пластмассы и крепятся к верхней полуформе (рис. 5.20 и 5.21). Вставки увеличивают срок службы литьевой формы, упрочняя тонкие зоны изделия, и способствуют извлечению изделия с глубокими поднутрениями.

Прототипы и даже малые партии изделий отливают из эпоксидных смол, термо­ реактивных сложных полиэфиров или полиуретанов в силиконовых формах. Перед заполнением литьевой формы пластмассы с низкой вязкостью тщательно смешивают и подвергают вакуумной деаэрации. Современные установки позволяют осуществ­ лять смешение и литье под вакуумом.

Рис. 5.19. Этапы получения двух силиконовых полуформ с использованием подмодельной плиты (слева); получение двух полу­ форм с использованием формовочной глины (справа)

346 КОНСТРУИРОВАНИЕ ПЛАСТМАССОВЫХ ИЗДЕЛИИ ДЛЯ ЛИТЬЯ ПОД ДАВЛЕНИЕ'

Рис. 5.20. Оформляющие вставки для образования отверстий. Альтернативный способ не лучения отверстий — последующая механическая обработка

Рис. 5.21. Изделие, отлитое из полиуретана (слева) и силиконовая литьевая форма (справа), в которой установлены алюминиевые оформляющие вставки

Все инструменты и емкости для смешения должны быть тщательно очищены и вы­ терты насухо, поскольку влага и загрязнения негативно влияют на процесс отвержде­ ния [36]. Предварительный нагрев материала может временно снизить его вязкость, что важно для заполнения тонкостенных участков, но это сокращает срок службы заливочной установки. Отверждение прототипа происходит в термошкафу, благода­ ря чему возможно получить плотную структуру материала без утяжин [1]. Если от­ верждение протекает при комнатной температуре, процесс может занять до 24 ч, в за­ висимости от типа и марки полимерного материала.

Наибольшее распространение для изготовления изделий литьем в силиконовые формы получили полиуретаны. Прочность некоторых марок близка к прочности АБС-пластика (при несколько пониженной термостойкости).

Огнестойкие марки полиуретанов имеют уровень защиты от УФ-облучения — 94 V-0 для образцов толщиной 1/4 дюйма (5,4 мм); существуют также прозрачные марки [1, 36, 39J. Красители либо смешивают с полимером, либо изделие окрашивают уже после отливки. Полиуретаны обладают малой усадкой, но при получении точных размеров готового изделия могут возникнуть трудности. В таких случаях следует измерять размеры прототипов и первый пригодный использовать в качестве новой модели.

Рис. 5.22. Прототип крышки (справа), изготовленный из прозрачного полиуретана литьем

всиликоновую форму (слева).

5.1.6.Формы для изготовления прототипов

В практике производства находит применение термин «опытная форма». Конст­ руктор изделий под опытной формой понимает так называемую «быструю» (rapid) форму, не предназначенную для серийного производства, а используемую для изго­ товления прототипа или малой партии готовых изделий. Конструктор формы под опытной формой может понимать модель, которая была изготовлена для получения ответа на вопрос: правильно ли спроектирована литьевая форма. Стандарты SPI клас­ сифицирует литьевые формы и оформляющие вставки в них в соответствии с их качеством и сроком службы. Классификация опытных форм основана на тех же стан­ дартах [40].

Бюджет изготовления опытной литьевой формы включает стоимость изготовле­ ния 3/)-моделсй и, если необходимо, ее модификаций. Цикл изготовления прототи­ па в форме иногда может быть больше, чем время отливки серийного изделия. Это объясняется и меньшей «мощностью» системы охлаждения такой формы, и ее руч­ ной установкой.

Прототипы и готовые изделия, которые получены в опытной форме, могут требо­ вать некоторой дополнительной обработки или изменения конфигурации и коррек­ тировки размеров и поверхности.

Рис. 5.23. Самый продуктивный путь разработки изделий (а) включает прототипирование хотя путь (Ь) изначально выглядит более прямым, он не дает возможности ЕЬ" явить возможные проблемы до начала серийного производства изделия. Вели вероятность, что этот путь станет более дорогим и на него придется потрат'.гг• больше времени

Опытная форма чаще всего является одногнездной с одним впускным литник: \ Но чем крупнее прототип, тем больше для пего такая форма не подходит. У таких а | тотипов, как, например, автомобильный бампер, могут возникнуть проблемы с вилг мыми линиями спая (рис. 5.24). В таком случае очень важно выдержать при изготовлю нии прототипов производственные технологические параметры и геометрическ» соотношения возможно более близкими к реальным. Опытная форма должна быт сконструирована с учетом числа, типа и расположения впускных литников и конф; гурации системы охлаждения [3,5]. Кроме того, может быть более выгодно сконстг;. ировать для прототипов форму из эластичных полимеров. Определенное число вер ятных литниковых систем может быть встроено в опытную форму заранее, есл считается, что расположение литников может создать определенные проблем: (см. рис. 5.27) [3,5].

В тех случаях, когда прототипирование проводится не в целях отработки техно логии и качества изделий, а для маркетинговых исследований, прототипы могут быт

5.1.6.1. Опытные формы из эпоксидной смолы

Для изготовления форм с ограниченным ероком службы, которые из-за этого должны быть недорогими, могут быть использованы эпоксидные смолы с наполните­ лями или армирующими добавками [4,8,38]. В качестве наполнителей используется алюминиевая, чугунная или стальная стружки (порошки). Такие наполнители влия­ ют па повышение сопротивления сжатию, увеличивают удельную теплопроводность, уменьшают усадку и коэффициент линейного теплового расширения (КЛТР).

Малая усадка эпоксидной смолы обусловлена ее химической структурой. По­ скольку отверждение смолы происходит при комнатной температуре, то в качестве

материалов для изготовления прототипов могут применяться пластмассы, дерево или даже воск (для низкотемпературных экзотермических систем) [38]. Технология включает в себя операцию заливки жидкой пластмассы, которая обволакивает хоро­ шо смазанную мастер-модель, закрепленную на раме. Рама дол лена обеспечивать нуж­ ное усилие смыкания и быть достаточно жесткой, чтобы не допустить изгиба опорь: из-за давления в формующей полости. Иногда может потребоваться дополнительная ручная обработка прототипа или заполнение герметиком неровностей поверхности. Форма может быть изменена, откорректирована — или механической обработкой, или добавлением в необходимых местах пластмассы. Формы из эпоксидной смоль: используют в технологиях литья под низким давлением, но срок их службы весьма ограничен. Правильно распололсенные металлические вставки (литниковые втулки, толкатели и т. д.) могут значительно увеличить срок службы эпоксидных форм.

5.1.6.2. Корпусно-металлические формы

Корпусно-металлическая форма, изготовленная из эпоксидной смолы с напол­ нителями или армирующими добавками (из металла или керамики или из сплавов с низкой температурой плавления), считается формой средней производительности. Формы такого типа имеют более длительный срок службы, чем отлитые только из эпоксидной смолы, и позволяют получать более сложные прототипы и изделия (до 1000 штук, если в качестве материала для корпуса формы используются цинко­ вые или алюминиевые сплавы) [42,43].

При изготовлении корпусно-металлических форм используют мастер-модели, которые могут выдерживать повышенные температуры в течение относительно короткого времени. В мастер-модели можно предусмотреть специальные каналы для водяного охлаждения.

Набор материалов, которые используются для изготовления корпусно-металли­ ческих форм достаточно широк — от сплавов висмута (с низкой температурой плав­ ления) до твердого никеля. Корпус изготавливают окунанием, напылением, гальвакопластикой или осаждением паров [4,38,42-44]. Простейшим способом изготовления матрицы является погружение мастер-модели в ванну с расплавленным сплавом и выдержка там при температуре, которая немного выше температуры плавления. К со­ жалению, детали форм из легкоплавких материалов не всегда имеют длительные срок службы. Корпусно-металлические формы с более длительным сроком службы могут быть получены осаждением никеля из паровой фазы [43,44], при этом карбонил никеля смешивается с транспортирующим газом и подается в герметичную камеру, где находится мастер-модель. Когда эта смесь вступает в контакт с нагретой поверх­ ностью мастер-модели, карбонилникеля распадается, и осажденный чистый никель покрывает мастер-модель (чистота никеля составляет 99,9 %). Мастер-модель изго­ тавливают из алюминия механической обработкой и равномерно нагревают прибли­ зительно до температуры 175 "С.

Скорость роста слоя покрытия составляет 0,010-0,050 дюйма (0,25-1,25 мм/ч). Толщина осажденного слоя может быть менее 0,001 дюйма (0,025 мм) и достигать максимального значения 1000 дюймов (25 мм). Этот процесс может быть использован при изготовлении форм разного размера. После того как никелевый корпус сформировался