литература / Konstruirovanie_plastmassovykh_izdeliy_dlya_litya_pod_davleniem

354КОНСТРУИРОВАНИЕ ПЛАСТМАССОВЫХ ИЗДЕЛИЙ ДЛЯ ЛИТЬЯ ПОД ДАВЛЕНИЕМ

5.Затем металлический корпус формы покрывают эпоксидной композицией; как только эта операция завершена, трубки охлаждающих каналов устанавливают на место, подсоединяя к раме с помощью фиксирующих фитингов; каналы системы охлаждения должны огибать корпус.

6.После монтажа системы охлаждения, разогретая до высокой температуры эпоксидная смола смешивается с алюминиевой стружкой, иголками или по­ рошком, и этой смесью заполняют корпус. Для полного удаления воздуха на форму рекомендуется воздействовать вибрацией, а затем охлаждать холод­ ной водой.

7.После того как эпоксидная смола полностью затвердела, форму раскрывают или переворачивают (если форма состоит из двух полуформ) и снимают подмодельную плиту.

8.Технологические операции с 1 по 7 повторяют для изготовления второй полу­ формы.

9.Затем полуформы разделяют, модель извлекают, а поверхность формы очища­ ют теплой водой, чтобы убрать остатки разделительного состава. Готовая фор­ ма может быть отполирована или покрыта металлом для улучшения функцио­ нальных свойств поверхности.

Часто применяемый альтернативный вариант изготовления корпуса — гальвано­ пластика, конкретно-электролитическое осаждение никеля. Такой корпус может выдерживать более высокие температуры и давления, чем металлические корпусы, по­ лученные методом напыления; для того чтобы его изготовить, мастер-модель из проводя­ щего материала (или с соответствующим покрытием) помещают в ванну с электроли­ тическим раствором, где никель осаждается, пока не будет достигнута соответствующая толщина 0,050 до 0,15 дюймов (от 1,27 до 3,18 мм). Эта технология достаточно дли­ тельная, но хорошо подходит для изготовления матриц сложной формы [33]. Материа­ лом для формы в этих случаях служит металлический порошок, эпоксидные смолы с наполнителями, алюминий, легкоплавкие сплавы цинка, алюминия и меди.

5.1.6.3. Опытные литьевые формы, полученные механической обработкой

Опытные литьевые формы небольших, средних и больших габаритов изготавлива­ ют традиционными технологиями механической обработки, шлифованием или элект­ роимпульсной обработкой. Опытные формы изготавливают из алюминия, латуни, а также незакалегпюй или предварительно упрочненной стали. Сталь марки Р-20 часто используют для высокопроизводительного формующего инструмента, в котором тре­ буется исполнение очень жестких допусков. Алюминий считается наиболее приемле­ мым материалом — его нетрудно обрабатывать, он обладает повышенной теплопровод­ ностью, но следует учитывать, что алюминиевые сплавы, но сравнению со стальными сплавами, не обладают достаточной жесткостью и имеют низкие пределы текучести. Преимущества алюминия проявляются, когда необходимо изготавливать формы сред­ него и большого размеров, где требуется большой объем механической обработки.

Традиционно для алюминиевых литьевых форм применяют сплав 7075-7ТЗ (для самолетостроения). Фирма Alcoa представляет алюминиевый сплав QC-1, который

имеет большую твердость и прочность, чем сплав 7075.Сплав широко используется для изготовления литьевых форм, и в настоящее время его можно приобрести в виде толстолистового проката толщиной до 150 мм. Когда для опытной литьевой формы используют алюминий, то в местах, которые подвергаются абразивному воздей­ ствию, где возникают напряжения при изгибе или напряжения сжатия, обычно ис­ пользуются стальные оформляющие вставки. В таких формах возможно изготовить от тысяч и до десятков тысяч изделий. Срок службы форм из незакаленного металла (то есть количество циклов литья) зависит от большого числа влияющих факторов, к которым относятся: материал, конструкция изделия, конструкция оснастки, усло­ вия процесса переработки пластмасс и последующего технического обслуживания.

Опытные литьевые формы, изготовленные механической обработкой, требуют относительно больших капиталовложений; их можно изготавливать на обычных станках с ЧПУ с соблюдением очень жестких допусков [45]. Подобные формы позво­ ляют получить реальные результаты при оценке — по прототипу — технических ха­ рактеристик изделия, но при условии, что форма охлаждается вентилируется и за­ полняется аналогично (эквивалентно) серийному производству (см. рис. 5.25 и 5.26). Опытные литьевые формы, изготовленные из незакаленного металла, могут быть значительно более универсальными, например, они позволяют использовать «вариант­ ную» литниковую систему (рис. 5.27). Конструкции литьевых форм со сменными офор­ мляющими вставками удобны при изготовлении вариантов прототипов и т. д. [46].

5.1.6.4.Опыт изготовления прототипов пластмассовых изделий

воснастке для литья металлических сплавов1

Существующую оснастку для литья металлических сплавов в некоторых случаях можно использовать для изготовления прототипов, и даже для производства неболь­ шой серии пластмассовых изделий [48,49].

Рекомендации автора не безусловны; они ориентируют па использование упрощенных кустарных приемов и не убедительны с точки зрения преимуществ в скорости подготовки производства прототипов и изделий. — Примеч. науч. ред.

356 КОНСТРУИРОВАНИЕ ПЛАСТМАССОВЫХ ИЗДЕЛИЙ ДЛЯ ЛИТЬЯ ПОД ДАВЛЕНИЕМ

Такая оснастка может быть установлена в типовом термопластавтомате, но практи­ чески всегда она больше по габаритам, чем литьевые формы для изделий из термопла­ стов. Кроме дополнительного пространства для ее установки, как правило необходима определенная ее переделка, так как изделия, отлитые из металла, обычно имеют более толстые стенки и острые углы по сравнению с пластмассовыми. Может также потребо­ ваться дополнительная обработка поверхности матрицы и пуансона. Оснастка для ли­ тья металлических сплавов обычно конструируется с большим количеством вентиля­ ционных каналов, что способствует быстрому заполнению формы, поэтому для литья пластмасс количество и глубина вентиляционных каналов может быть уменьшена, чтобы избежать образования избыточного облоя вдоль линии разъема формы.

Размеры пластмассовых изделий, изготовленных в оснастке для литья металли­ ческих сплавов, могут отличаться от размеров тех металлических деталей, которые в ней отливались ранее: усадки цинка и алюминия в литьевых формах значительно меньше, чем усадка у частично кристаллизующихся термопластов, например, усадка полиамида ПА 6.6 может достигать 2,5%, и если допуски размеров пластмассовых из­ делий назначаются очень жесткими, то потребуется механическая обработка изделия. Использование оснасток для литья металлических сплавов в целях изготовления про­ тотипов пластмассовых изделий позволяет сократить время подготовки производства.

5.1.7. Прототипы из вспененных пластмасс

Необходимость в изготовлении прототипов при подготовке производства изде­ лий из вспененных термопластов, возможно, даже выше, чем для изделий из других термопластов. Данные о различных свойствах этих анизотропных и неоднородных материалов очень ограничены [2].

5.1.7.1. Точные копии изделий

Прототипы из вспененных полимерных материалов могут выполнять функции мастер-моделей для последующего литья под давлением. Обычно они изготавлива­ ются из блочных или листовых заготовок. Однако в этом случае конструкция и по­ верхность прототипа не очень точно передает особенности изделия. Выпуклые поверх­ ности получают за счет нагрева листов [2]. Прототипы, изготовляемые вручную, могут быть получены сразу по форме и размерам изделия, но возможности их применения для анализа технологического процесса довольно ограничены, а стоимость относи­ тельно высока. С помощью таких прототипов можно определить зоны высоких на­ пряжений и прогибов, чтобы знать, в каких местах надо разместить ребра жесткости, а в каких увеличить толщину стенок. Точные прототипы (из вспененных материалов) изделий сложной геометрической формы могут быть сделаны с помощью известных технологий прототипирования или получены литьем под низким давлением.

5.1.7.2.Прототипирование

Изготовить прототипы или малые серии изделий можно практически из люботт вспенивающегося термопласта. Для этого используются самые различные формы — от очень «мягких» одноразовых до длительно работающих металлических, любо!

степени сложности. «Мягкие» формы дешевле, и их можно быстрее получить, но они имеют короткий срок службы. Очень важно, чтобы формы имели хорошую вентиля­ цию. Следует быть особенно внимательными при установке формы, поскольку даже очень небольшие усилия смыкания могут привести к ее повреждению.

Литье под низким давлением со вспениванием в гипсовых литьевых формах

Использование гипсовых форм, возможно, является одним из самых дешевых способов для литья при низком давлении со вспениванием. Но срок службы подоб­ ного формующего инструмента может ограничиваться одним циклом или изготовле­ нием (в одногнездной форме) одного изделия. Поскольку предоставляется «только один шанс» получить изделие, пластмассе дают возможность образовывать облой для снятия избыточного внутреннего давления и точного определения момента окон­ чания заполнения литьевой формы.

Литье со вспениванием в оснастке для литья металлических сплавов

В тех случаях, когда предоставляется такая возможность, существующую оснаст­ ку необходимо определенным образом переделывать (см. раздел 5.1.6.4). Для относи­ тельно плоских изделий на линию разъема формы может быть установлена проклад­ ка, позволяющая изготовить изделие большей толщины; боковые стенки и ребра останутся при этом тонкими. В этом случае необходима высокая скорость заполне­ ния формы.

Литье со вспениванием в литьевых формах из эпоксидной композиции

Формы из эпоксидной композиции (смола с наполнителем или армирующими добавками) могут быть использованы для изготовления любых изделий в количе­ стве от 25 до 100 штук, в зависимости от сложности. Эпоксидные смолы с наполните­ лями или армирующими добавками имеют меньшую литьевую усадку, повышенную жесткость и теплопроводность, а также низкий КЛТР. Если требуется изготовить несколько изделий, каналы системы охлаждения должны быть отлиты вместе с фор­ мой. Срок службы мягкой эпоксидной формы зависит от величины внутреннего дав­ ления и температуры, а также износа поверхности линии разъема.

Вместо эпоксидных форм для изготовления малого количества изделий могут быть использованы формы из силикона.

Литье со вспениванием в корпусно-металлических литьевых формах

Формы из эпоксидных композиций с более продолжительным сроком эксплуата­ ции могут быть изготовлены напылением металла или гальванопластикой (см. раз­ дел 5.1.6.2). Тонкие металлические корпуса, которые формируются вокруг мастермодели, заполняют эпоксидной композицией. Корпусно-металлическая форма с относительно большим сроком службы может быть изготовлена по цене в несколь­ ко раз меньшей, чем литьевые формы, изготовленные механической обработкой.

Литье со впениванием в литьевых формах, изготовленных из литого металла или металлических пластин

Литьевые формы из сплавов алюминия, цинка или даже беррилия-меди (для малогабаритных изделий) способны выдержать более 1000 производственных циклов.

358 КОНСТРУИРОВАНИЕ ПЛАСТМАССОВЫХ ИЗДЕЛИЙ ДЛЯ ЛИТЬЯ ПОД ДАВЛЕНИЕМ

Таблица 5.7. Условное сравнение стоимости изготовления литьевых форм для прототи-

* Для оценки используется индекс, максимальное значение которого принято равным 100.

5.1.8. Координатно-измерительные машины

Точные измерения пластмассовых изделий и их прототипов могут быть осуще­ ствлены с помощью координатно-измерительных машин. Они позволяют произво­ дить измерения размеров и отклонений от правильной геометрической формы в не­ сколько раз быстрее, чем обычные средства измерения [50], особенно при оценке качества изделий высокоточных квалитетов.

5.1.8.1. Контактные системы измерения

Координатно-измерительная машина состоит из манипулятора с сенсорным дат­ чиком, который устанавливается вертикально на верхнюю стойку или кренится го­ ризонтально к вертикальной направляющей штанге. Трехмерное перемещение осуще­ ствляется за счет перемещения датчика в плоскости х~у и перемещение стойки или штанги вдоль оси 2. В определенных случаях датчик может вращаться. Изделие уста­ навливается на прочный стол из гранитного блока, который сохраняет высокую ста­ бильность размеров; далее датчик, привод которого осуществляется от двигателей, сканирует поверхность изделия (автоматически или вручную). Когда датчик касает­ ся изделия, то определяются координаты #-Z/-ZTO4KH касания. Затем датчик переме­ щается к следующей точке измерения и т. д. Эти данные интерполируются для опре­ деления расстояний между точками, и на их основе определяются размеры изделия. Координатно-измерительные машины необходимы для определения разницы между реальными и заданными размерами прототипов изделия.

5.1.8.2. Бесконтактные системы измерения

На коордииатио-измерительных машинах производят измерения с точностью до 0,0001 дюйма (0,0025 мм), но полученные результаты зависят от уровня влажно­ сти окружающей среды, вибрации и температуры. Для компенсации подобных вли­ яний используют гранитные столы, керамические компоненты машин и элементы управления параметрами окружающей среды. К новым метрологическим техно­ логиям относится бесконтактное измерение с помощью лазеров и видеокамер. Одна из измерительных систем использует метод лазерной триангуляции для фиксации поло­ жения точки, а аналоговые измерительные преобразователи линейных перемещений

определяют положение оси датчика [50J. Другие системы состоят из фиксирован­ ных столов и вращающихся видеокамер. В процессе вращения камер цифровой ла­ зерный измеритель производит порядка 250 000 трехмерных измерений в течение нескольких минут. Результаты этих измерений можно увидеть на экране компьютера и загрузить в память станка с ЧПУ [8]. Хотя бесконтактные технологии обладают целым рядом преимуществ, они чувствительны к качеству поверхности изделия ее способности отражать свет, особенно если необходимо проводить измерения внут­ ренних размеров. Перспективные метрологические технологии, к которым относятся методы магнитно-резопасной визуализации, дают возможность осуществлять изме­ рение размеров изделия и одновременно обнаруживать дефекты в материале.

5.2. Использование прототипов для экспериментального анализа напряжений

визделиях

5.2.1.Общие положения

Прототипы часто используются для прогнозирования, оценки и проверки эксплу­ атационных характеристик пластмассовых изделий, но надежные результаты можно получить только, если для прототипа используют материал, аналогичный применяе­ мому (или предполагаемому для применения) на производстве.

Прототипы дают возможность конструктору всесторонне оценить конструкцию изделия и проанализировать проблемы, обусловленные геометрией изделия; на ос­ нове экспериментальной оценки он вносит изменения в конструкцию. I la прототипах исследуют прочность материала в зоне спая и особенность ориентации макромоле­ кул. Обычной целью экспериментального исследования технологических парамет­ ров является оценка характеристик изделия в стандартных условиях эксплуатации и нагрузках, или в жестких условиях окружающей среды. При этом может понадо­ биться мониторинг эксплуатационных нагрузок и параметров окружающей среды — в качестве части общей программы оценки изделия — с помощью прототипировапия, хотя необходимые пределы эксплуатационных параметров должны быть количе­ ственно определены уже на самых ранних этапах проектирования. Важно разрабаты­ вать и поддерживать базу данных, содержащую результаты испытаний.

В этом разделе описаны некоторые основные методы, которые могут быть исполь­ зованы для оценки уровня напряжения в прототипах или готовых изделиях. Очень важно указать, что экспериментальный анализ напряжений не означает измерения напряжений, он скорее подразумевают измерения деформаций. Измеренные вели­ чины деформаций затем преобразуются в напряжения с использованием линейных или нелинейных зависимостей напряжения от деформации. Диапазон возможных конфигураций и размеров изделий и их прототипов очень широк. Соответственно, для их исследования используется большое число экспериментальных методов ана­ лиза напряжений. К ним относятся: простые экстензометрические измерения, метод

Метод хрупких (лаковых) покрытий имеет некоторые ограничения. Покрытие, которое наносится на изделие, содержит определенные химические вещества и ра­ створители, которые могут взаимодействовать с поверхностью изделия. Кроме того, слой лака должен быть максимально тонким, чтобы избежать эффектов увеличения. Метод предполагает хорошую адгезию между чувствительным к деформации покры­ тием и поверхностью изделия, на которое оно нанесено. Использование шпатлевок или грунтовок может улучшить передачу напряжений и служить барьером для хими­ ческого взаимодействия. Пользоваться шпатлевками нужно только в тех случаях, когда это абсолютно необходимо, потому что в результате происходит увеличение толщины покрытия и возникает эффект увеличения. С помощью этого метода доста­ точно сложно определить остаточные напряжения, поэтому он используется прежде всего для оценки напряжений, которые возникают в процессе сборки или эксплуата­ ции. Напряжение, которое здесь определяется, носит оценочный характер, поскольку результаты тестирования зависят от химического состава покрытия, его температуры и толщины. После использования метода хрупкого покрытия необходимо провести другие испытания, которые дадут более точную количественную оценку, например, измерение с помощью датчиков деформации [54].

5.2.3. Датчики деформации (тензодатчики)

Это наиболее широко распространенный метод испытаний. Используются датчи­ ки деформации, генерирующие пропорциональный напряжению электрический сиг­ нал. Тензодатчики очень полезны для количественного анализа поверхностной де­ формации, связанной с внешними нагрузками или снятием внутренних напряжений [51,53-55].

Сопротивление R, длина!, и площадь поперечного сечения Л электрического про­ водника связаны уравнением:

(5.2)

где р — удельное электрическое сопротивление.

Если проводник подвергается растяжению или сжатию, то его сопротивление будет изменяться в зависимости от изменения его длины и площади поперечного сечения, а пьезоэлектрическое сопротивление проводника будет зависеть от величины механического напряжения. Проводники, приклеенные к поверхности пластмассо­ вых изделий, будут преобразовывать деформацию, вызванную приложенным давле­ нием, в электрическое сопротивление (зависимость между деформацией и сопро­ тивлением линейная) [45,57].

Датчик — это очень тонкое электрическое сопротивление, чувствительное к дефор­ мации. Когда датчик прикреплен к испытательному образцу, он преобразует деформа­ цию поверхности, вызванную приложенным давлением, в изменение электрического сопротивления датчика. Чувствительные проводящие элементы изготавливают из тонких пленок толщиной меньше, чем 0,0010 дюймов (0,005 мм); более толстые ис­ пользуют для изготовления фотоэлектрических датчиков. Геометрическая форма дат­ чика такова, что длина его максимальна вдоль одной оси. Линейная тонкопленочная