Basov N.I. i dr. Raschet i konstruirovanie formiruyushchego instrumenta dlya izgotovleniya izdelij (1991

Рис. 2.18. Литниковая система многогнездаой пресс-формы:

1 - основной литник; 2 — загрузочная камера; 3 - впускной литник; 4 — разводящий литник; вентиляционный канал; 6 — выталкиватель

рис. 2.18 приведен один из вариантов конструкции литниковой систе­ мы (там же указаны основные элементы системы).

Для расчета поперечного сечения впускного литника можно вос­ пользоваться формулой

/в.л = 'с »и'п л>

где к — коэффициент, зависящий от типа наполнителя пресс-материала (для порошков — 0,6; для волокита - 1); V„ - объем прессуемого изделия (без объема арматуры и полос­ тей); пп - число впускных литников, питающих формующую полость.

Площадь наименьшего поперечного сечения основного или разводя­ щего каналов должна быть больше или равна площади поперечного сечения впускного канала (или суммы площадей поперечных сечений впускных каналов в многогнездных пресс-формах).Впускные литники следует подводить к наиболее утолщенным элементам формуемого изделия, избегая лобового удара потока пресс-массы в знаки или

100

Рис. 2.19. Литниковая система одвогнеэднои пресс-формы с вертикальной плоскостью разъема:

1 — основной литник; 2 — изделие; 3 — накладная загрузочная камера

арматуру, расположенные вблизи места впуска. Длина литниковых каналов по возможности должна быть минимальной. Длину впускного канала 1\ (см. рис. 2.18) обычно принимают не более 8 мм.

Учитывая возможность преждевременного отверждения пресс-мас­ сы, расстояние от нижней плоскости загрузочной камеры до оформляющего гнезда, например расстояние (Н + J + /i), не должно превы­ шать 60-80 мм. Диаметр отверстия основного канала й определяется после установления площади сечения впускных каналов.

При наличии в формующем гнезде большого количества знаков или арматуры, затрудняющих течение пресс-массы, рассчитанную ранее площадь поперечного сечения впускного канала следует увеличить.

В пресс-формах с вертикальной плоскостью разъема разводящие и впускные каналы, как правило, отсутствуют, а формующая полость заполняется только через основной канал (см. рис. 2.19).

Однако оптимальные размеры литниковой системы, обеспечиваю­ щие высокое качество прессуемых деталей, возможно устанавливать лишь на основании учета реологических свойств пластмасс. Предвари­ тельно необходимо установить или выбрать реологические характе­ ристики реактопластов, кривые течения.

На рис. 2.20 приведены результаты таких исследований. При этом пресс-материалы с длинными волокнистыми наполнителями (такие, как АГ-4, ДСВ-2Р-2М) имеют большую вязкость ц и большой показатель степени (соответствующие кривые располагаются в верхней части графика и под большим углом). Полученный обобщенный реологичес­ кий .график можно положить в основу расчета литниковых каналов пресс-форм. Обычно используют для расчетов уравнение степенного закона в виде y=min. Найденные экспериментально методом двух капилляров значения т равны: для фенопластов с порошкообразным органическим наполнителем 20-22; для фенопластов с минеральным наполнителем 16-18; для пресс-материалов волокнистых 24-26. Когда на входе данного участка литниковой системы сечение или направле-

101

f,1/c

Рис. 2.20. Обобщенный реологический график кривых течения при пресс-литье порошко­ образных (J) и волокнистых (2) пресс-материалов (т - напряжение сдвига,, у — скорость сдвига); числа у кривых — значения вязкости в Па-с

ние скорости резко не меняется, величину т можно принять равной нулю.

Для расчета сложную литниковую систему разбивают на участки постоянной геометрической конфигурации, например цилиндричес­ кий, конический, щелевой и т.д., а затем находят объемный секунд­ ный расход расплава для каждого участка. Зная скорость движения поршня пресса в момент прессования и радиус литьевого потока Лш, объемный секундный расход можно рассчитывать по уравнению

Q=vni?2i/n,

где v — скорость движения подвижной плиты пресса в момент прессования; п — чис*о литников данной постоянной геометрической конфигурации.

По величине Q находят градиенты скоростей сдвига по участкам (подробнее - см. реологический расчет литниковых систем форм для литья под давлением в гл. 3).

В тех случаях, когда общее расчетное давление больше допустимого (90-100 МПа), производят пересчет длины литникового канала, задавшись определенным давлением или перепадом давления на отдельных участках литниковой системы.

Реологический расчет литниковых систем основывается на ряде существенных допущений. Основное из них - отсутствие пристенного скольжения. Однако из практики известно, что скорости пристенного скольжения при переработке реактопластов достаточно велики. Расход материала через канал определяется с точностью до 5-6% только скоростью пристенного скольжения (объемное течение по существу отсутствует). Таким образом, расчетные формулы (см. гл. 3) дают для литниковых систем пресс-форм только приближенные ре­ зультаты. В то же время использование их в расчете литниковых систем при литье под давлением термопластов или в гидродинамичес­ ких расчетах экструзионного формующего оборудования позволяет получить достаточно точные результаты.

Обычно расчет литниковой системы заканчивают определением размеров (площади поперечного сечения /в кан) вентиляционных

102

Ри с . 2.21. Пресс-форм» с индукционным обогревом:

а— общая схема установки индукторов; б — аскиа плиты обогрева с пааом; 1 — пуансон; 2 — обой­ ма пуансона; 3 - обойма матрицы; 4 - матрица; 5 - стойка; * - колодка клеммная; 1 - кожух; 8 -

вывод индуктора;9—обмотка индуктора; 10—пи под обмотку индуктора; 11 — крышка

Конструктивные особенности систем электрического обогрева определяются типом источников. Электронагревательные элементы сопротивления располагают в каналах плит. Количество элементов (и каналов) зависит от размеров плит-заготовок и требуемой суммарной мощности электронагревателей. При равных размерах плит-заготовок (они стандартизованы по ГОСТ 15861-70) суммарная мощность элек­ тронагревателей в нижней плите обогрева больше, чем в верхней, при равном количестве каналов; единичная мощность электронагревате­ лей, устанавливаемых в центральных каналах плит на 0,1-0,15 кВт меньше, чем у периферийных. Расположение электронагревателей (и каналов) может быть неравномерным (из-за выталкивателей, знаков и т.д.), они могут отстоять на разные расстояния друг от друга и от краев плит, но важно, чтобы создаваемое ими температурное поле в объеме изделия было максимально возможно равномерным. Суммарная мощность электронагревателей должна быть несколько больше расчет­ ной (но не более, чем в 1,3 раза). Пространство между стенками канала и трубчатым элементом заполняют изоляцией. В плитах обогрева выполняют отверстия под термоэлектрические преобразователи, которые располагают равномерно между ТЭНами, а также отверстия глубиной до 100 мм и диаметром 10,5 мм для установки термометров визуального наблюдения. Плиты обогревов с расположением каналов для электронагревателей показаны на рис. 2.2,2.4,2.11.

Конструктивные особенности систем электрического индукционно­ го обогрева показаны на рис. 2.21. Известно, что преимущества индук­ ционного обогрева - в малых потерях тепла за счет существенного уменьшения при этом излучения и конвекции тепла. Индукторы нагревают обоймы пуансона и матрицы. При пропускании переменного тока через индуктор вокруг него возникает магнитное поле, напря-

104

Полный расчет индуктора должен включать определение парамет­ ров активного сопротивления первичной и вторичной цепей, толщины катушки, индуктивного сопротивления первичной и вторичной цепей, величины полного сопротивления и коэффициента мощности, допус­ тимой силы тока в индукторной обмотке.

Индукционные нагреватели значительно долговечнее электронагре­ вательных элементов, они позволяют создать более равномерное температурное поле, уменьшить время разогрева пресс-форм, но они сложнее в изготовлении, монтаже и заменах.

2.6.2. Тепловой расчет пресс-форм

Целью теплового расчета пресс-форм является определение установоч­ ной мощности системы обогрева, которая необходима для обеспечения работоспособности системы как в пусковом (начальном), так и в стационарном (устойчивом) режимах работы пресс-формы. Таким образом, в тепловом расчете пресс-форм должны быть выделены два этапа: 1) определение мощности нагревательных элементов для разог­ рева пресс-формы в течение заданного времени в пусковом режиме работы W\; 2) определение мощности нагревательных элементов в стационарном режиме работы К^.

Для большинства пресс-форм Wi> W2, но расчет величины К'г обязателен, поскольку, например, конструкции пресс-форм с сильно развитой поверхностью при малой общей массе формующих элементов (например, для плоских тонкостенных изделий) имеют значительные потери тепла в окружающую среду при размыкании пресс-формы в стационарном режиме ее работы, так что Щ> W\. Оценить соотноше­ ние W\ и W2 для конкретной проектируемой формы, не проводя соот­ ветствующих расчетов, возможно лишь при большом опыте конструи­ рования и эксплуатации их. После расчетов принимают значение мощности (для реализации ее в пресс-форме), соответствующее макси­ мальному значению из Wj, W2.

Расчет У\. При заданном времени разогрева (обычно его принимают равным 3045 мин - в зависимости от габаритов пресс-формы)

»Vi = Qnp/V3+ Qi?oa,3.

где Qnp — тепло для разогрева пресс-формы до температуры прессования (без учета потерь), кДж; 0Pnot — потери тепла за время разогрева, кВт; т — время разогрева, ч.

Значение Qnp (в кДж) равно

Qnp =cGnp(Tnp-20),

QrP0ai3=Q6n+Qcn,

106

где Ogn — потери тепла боковыми поверхностями пресс-формы, кВт; Qta — потери тепла в стол пресса поверхностями контакта с прессом, кВт.

Потери тепла боковыми поверхностями Q6n: а) без теплоизоляции (?бп, = otg/^r,, - 20)/2, кВт; б) с теплоизоляцией Q6n - а£/б(Ги - 20)/2, кВт,

где о g, «g — коэффициенты теплоотдачи боковых поверхностей соответственно пресс-фор­ мы и изоляции; /g — площадь боковых поверхностей пресс-формы, м2; Тс и Ги — темпера­ туры соответственно поверхностей пресс-формы и теплоизоляции, °С. Обычно а6 * а^ = = 1,5-10—2 кДжДмЧтрад); Ги = 80* 85 °С.

Потери теплоты в стол пресса (?с#п:

Qcn, =/к(^пр/бпр)(Го - Гп)>

где/к — площадь контакта пресс-формы с прессом, м2; Х.пр — коэффициент теплопровод­ ности прокладки,кДж/(м-ч-град);6 п р - толщина прокладки, м; Tj = (Гс - 20)/2 - средняя температура поверхностей контакта пресс-формы за период разогрева, град; Гс — темпера­ тура стенок пресс-формы, град; Гп * 28+ 30 "С — средняя температура поверхностей контак­ та пресса, град.

Возможно, не проводя расчета, а зная площадь поверхности прессформы, разность температур стенки и окружающей среды и условный коэффициент теплоотдачи (коэффициент использования тепла прессформой, оценивается экспериментально), по номограмме (рис. 2.22) определить расход энергии на нагрев пресс-формы в кВт. Для опреде­ ления полезного расхода тепла необходимо установить часовую

Рис. 2.22. Номограмма для определения мощности нагревательных элементов

107

выработку продукции, увеличение температуры материала изделия в пресс-форме и теплоемкость изделия.

ПользуясьПномограммой, также нетрудно определить и мощность каждого нагревательного элемента, если это электронагревательные элементы. Для этого необходимо общую поверхность пресс-формы разбить на составляющие, проводя границы по плоскостям геометри­ ческих мест точек минимальных температур между соседними нагре­ вателями.

Номограммой можно пользоваться как базой сравнения при обос­ новании выбора времени разогрева пресс-формы. Покажем методику такого выбора. Для этого представим уравнение теплового баланса пресс-формы в дифференциальном виде:

Шх = cGnpC/A Г(т) + а&АЦфт + (Хпр/6пр)/прДГ(т)<Л,

где ДГ(т) = Г(т)-Го; ^ - мощность обогрева, кВт; с — теплоемкость металла формы, кДж/К; Спр — масса пресс-формы, кг; Г(т) — текущее значение температуры формы, К; Го - температура окружающего воздуха, К; а6 — коэффициент теплоотдачи от боковой поверхности формы, кДж/(м*'С'К); /j - площадь боковой поверхности, ь^\кПр - тепло­ проводность материала теплоизолирующих прокладок между плитами пресса и формой (как правило, асбест), кДж/(м-страд); бщ, - толщина прокладок, м; / п р - площадь контактирующей поверхности прокладок, м2.

Смысл этого уравнения следующий: количество тепла, выделяемого нагревателями за дифференциально малый отрезок времени dx (левая часть уравнения), затрачивается на нагрев тела формы, вследствие чего температура его повышается на величину с?Гили с?ДГ,что одно и то же (первое слагаемое правой части), а также на теплопотери в окружающий воздух через боковую поверхность формы (второе слагаемое) и в плиты пресса (третье слагаемое).

Коэффициент теплоотдачиаб при естественной конвекции от верти­ кальной стенки является функцией критериев Грасгофа Gr и Прандтля Рг:

аб = (0,76\B/h)(Gr.Pr)0,25; Gr = [g^A Цт)]М

где для воздуха Рг * 0,7; g — ускорение силы тяжести, равное 9,81 м/с2; h — высота формы в сомкнутом состоянии, м; Хв — теплопроводность воздуха, кДж/(м'с*К); Р — температур­ ный коэффициент изменения плотности воздуха, К- 1 ; V — коэффициент кинематической вязкости воздуха, w?lz.

Разделяя переменные и выполняя интегрирование уравнения тепло­ вого баланса в пределах

т = 0: Г=Го, ДГ=0;т=т: Г= 2{т), ДГ= Д7(т),

получаем формулу для расчета текущего значения времени т, при котором достигается некоторое значение ДГ - разности между возрас­ тающей температурой формы Г и температурой окружающей ее среды

То:

Т = fciJ,

108

причем

AT

J-MAQd&T, Кг-cGtf

0 ЯДЗ) = (К/-к2ДГ-к3Д71.25)-1;

K2 - (^пр/бпр)/пр; *3 - (0,76XB/h)(0>7gPh3/v2)0,25/6.

Возможны два варианта зависимости разности температур ДГ от времени х (рис. 2.23). Если определенная приближенно по номограмме (см.рис. 2.22) мощность доказывается недостаточной, то величина ДГ, возрастая, не достигает требуемого своего значения Д Гп = Гп - Го к установленному первоначально времени разогрева формы траз1 (см. кривую "б" на рис. 2.23); Гп - требуемая температура формы. В этом случае необходима корректировка выбранного по номограмме значения мощности. Если же мощность IV выбрана по номограмме верно, т.е. несколько превышает минимально необходимую ее вели­ чину, то разность Д Г, возрастая, достигает требуемого своего значения ДГП за время траз.2> меньше того значения траз- j , которым задавались (см. кривую "а''нарис. 2.23).

AT

Рис. 2.23. Зависимость разности температур от времени разогрева пресс-формы т

Алгоритм расчетной процедуры по проверке правильности выбора значения мощности W по номограмме, а в случае необходимости и корректировки этого значения, представлен на рис. 2.24.

При выбранном по номограмме значении мощности Ь/ (см. блок 2 исходных данных) задаются последовательно возрастающими значе­ ниями ДГ (блок 6) и вычисляют соответствующие им значения т (блоки 7-9), каждый раз проверяя, не достигло ли текущее значение т заданной величины траз-1 (блок 10).

Если при этом по блоку 10 величина т еще не достигла траз j , a текущее значение разности ДГ уже несколько превысило требуемое значение ДГП (см. блок 12), что соответствует кривой "о" на рис. 2.23, то значение мощности выбрано верно, расчет окончен (блоки 13-1$). Если же по блоку 10 текущее время т превысило требуемое время

109