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

Рис. 3.9. К расчету деформативности и прочности гнезда формы (цельные конструкции матрицы и пуансона):

о — схема гнезда и размеры; б — эпюра напряжений; 1 — матрица; 2 — пуансон

лов, их размерами; давлением впрыска расплава, обеспечиваемого машиной; другими факторами. Величина максимального давления литья в форме должна предварительно рассчитываться или устанавли­ ваться (см. реологические расчеты, с. 000).

Давление в форме не равномерно. Градиент давления зависит от конфигурации полости. От характера затекания расплава в полость зависит прочность и равнопрочность изделия; равномерность усадоч­ ной деформации, т.е. точность размеров; анизотропия свойств, опреде­ ляемая ориентацией макромолекул. Поэтому полость формы должна конструироваться с учетом особенностей этого процесса, а не путем простого негативного копирования конфигурации изделия (т.е. обя­ зателен анализ технологичности изделия - см. с. 174).

Рассмотрим кратко методику проведения расчетов деформатив­ ности и прочности оформляющих деталей на примере цельных матри­ цы и пуансона, образующих цилиндрическое гнездо (рис. 3.9). Расплав заполняет полость формы и в ней развивается давление Р, действую­ щее на матрицу (внутренний размер rUy наружный - #м) и пуансон (наружный размер #п, внутренний - гп). В результате действия этого давления формующая поверхность матрицы (иначе - ее размер г^д будет деформироваться на величину Дгм; по аналогии - деформация пуансона (иначе - его размер Rn) на величину Айп. Тогда максималь­ ное изменение номинальной толщины стенки.изделия (б = rM - i?„) будет:

6тах = 6 + Дгм + Дйп.

Но сумма Дгм + ДДП < 26S (S - усадка, мм/мин). Для определения величин Дгм и Д#п обратимся к эпюре напряжений, возникающих в

150

матрице и пуансоне (рис. 3.9, б) под действием давления литья Р. Если оценить на основании применения теоремы Лямэ тангенциальные напряжения на поверхности пуансона и матрицы, то получим

0ta = P{R2n + ,2)/(я2 _ ,2). 0fM = p{R2u + £ ) / ( J £ . ф . Тангенциальные деформации будут равны:

efn = A/?n/Rn = l/£(otn -vP); etM = A''M/rM = l/ £ (Of M - vP) .

Решая совместно приведенные уравнения, получаем значения ДКП и Агм (в мм):

ДКП =fin[(R2+ 4 ) / ( R 2 _ г2} _ v ] ( P / £ ) .

A r ^ - r ^ l A f i V C ^ - ^ + vlCP/B).

Если пуансон не имеет внутренней полости (ее делают, например, как канал для охлаждающей воды), то зависимость для ДКП упроща­ ется

ДКП = ЯП(1-*)(Р/Е).

Толщина стенки матрицы характеризуется отношениемfcM= ru/RM, a пуансона - fcn = гп/#п- Эти отношения можно определить через соот­ ветствующие тангенциальные деформации Е, Р и v:

fcn = [(А - 1)/U + l)]l/2; fcM = [(В - 1)/(В + 1)]1/2;

Приведенные выше зависимости, анализ эпюр напряжений позволя­ ет провести проверочные расчеты размеров матрицы и пуансона на прочность (см. разд. 2.2.3).

При проектировании оформляющих деталей проверочный расчет на прочность и деформативность следует проводшь для цельных и составных (круглых и прямоугольных) обойм матриц.

3.5. Литниковые системы

3.5.1. Назначение и классификация

Основное назначение литниковой системы - транспортирование расплава от сопла машины-автомата к форме за возможно более короткое время (т.е. возможно более коротким путем) с минимальны­ ми потерями расплавом энергии и создание благоприятных условий для интенсивного и качественного заполнения расплавом оформляю­ щей полости. Простота или сложность конкретных конструкторских решений зависит от большого числа факторов, учет которых требует, как правило, рассмотрения многих компромиссных вариантов. Среди

151

этих факторов главные - тип материала, особенности изделия, про­ грамма выпуска изделия.

Литниковая система существенно влияет на работоспособность формы; именно из-за неточностей, неполадок в этой системе вероятнее всего получаются недоливы, раскрываются или „дышат" сомкнутые формы, приводя к образованию облоя на изделии, возникают значи­ тельные или многочисленные области „холодных" спаев потоков массы, заполняющей полость формы, появляются затруднения со своевременным отводом воздуха из литниковых каналов и полости формы по мере их заполнения расплавом (а это приводит к растворе­ нию газа в расплаве, к, созданию в полости противодавления, способ­ ствующего недоливам; расположение газоотводящих каналов непос­ редственно зависит от особенностей литниковой системы). От конст­ рукции литниковой системы зависят: производительность процесса (возможно прямо влиять на время впрыска расплава), качество изде­ лия (возможно влиять на ориентацию материала, однородность темпе­ ратуры расплава, заполняющего полость и т.д.), экономия материала (можно сокращать или полностью ликвидировать отходы в виде затвердевших литников).

Классификация литниковых систем выделяет системы с затверде­ вающими, незатвердевающими и частично затвердевающими (точнее - затвердевающими только на отдельных участках, вблизи полости фор­ мы) литниками. Соответственно этому формы для литья под давлени­ ем и литниковые системы получили название холодноканальных, горячеканальных и комбинированных. Конструкции литниковых систем варьируются в зависимости от гнездности формы, числа впусков в од­ но гнездо, расположения литниковых каналов (в плане и относительно плоскости размыкания формы), конфигурации каналов и т.д. Все это позволяет классифицировать литниковые системы по соответствую­ щим признакам. Выделим основные.

1. Структура элементов литниковой системы. Как видно из рис. 3.10, литниковая система состоит из трех элементов: основного литниково­ го канала, по которому расплав из материального цилиндра поступает в форму; разводящего канала, ответвляющегося от основного в сторо­ ну оформляющего гнезда; впускного канала, по которому расплав

152

Прямолинейное расположение позволяет разместить большое число гнезд при относительно малой массе литников, удобно расположить охлаждающие каналы. Заполнение гнезд происходит неравномерно, ближние к литнику изделия охлаждаются раньше и изделия получа­ ются разного качества (по точностным и прочностным параметрам). Радиальное расположение позволяет одновременно заполнить все гнезда, но конструктивно такое расположение охлаждающих каналов неудобно. При необходимости увеличивать число гнезд разводящие каналы удлиняются и увеличивается сечение основного литника, а это приводит к увеличению сопротивления течению массы и падению давления в оформляющей полости. Это в значительной степени устра­ няется при радиально-разветвляющемся расположении.

В каждом конкретном случае можно рационально расположить разводящие и впускные каналы, т.е. так, чтобы заливка всех гнезд происходила одновременно. Принципиально любой тип расположения впускных каналов может быть реализован и в холодно-, и в горячеканальных литниковых системах, но в первых - большие возмож­ ности для разнообразия.

3. Сбалансированность системы. По этому признаку литниковые системы делятся на сбалансированные и несбалансированные. Послед­ ние требуют специальной корректировки размеров поперечных сече­ ний и протяженности разводящих и впускных каналов для обеспече­ ния одновременности заполнения всех гнезд формы расплавом. Это особо важно при соответствующих требованиях к качеству изделий для прямолинейного, параллельного и рядного расположения гнезд в многогнездных формах, а также при литье под давлением в одной многогнездной форме разных изделий, несколько различающихся по массе и размерам (в этом случае по существу должны решаться одно­ временно задачи распределения масс и синхронности заполнения гнезд).

3.5.2. Холодноканалъные литниковые системы

Центральный литниковый канал. Он является либо частью литниковой pa3bcib..w«uioii ."чсмь., .шоо единственным ее элементом. В послед­ нем случае ei о обычно используют для одногнездных форм и распо­ лагают в центре изделия (если оно симметрично), при переработке высоковязких и термочувствительных термопластов, при изготовле­ нии тонкостенных изделий. Центральный литник оформляется в центральной литниковой втулке. Эти втулки стандартизованы (ГОСТ 2207776), но часто применяют и специальные конструкции. Конструкция и примеры установки стандартной литниковой втулки представлены на рис. 3.12.

Угол у вершины конусного отверстия литниковой втулки равен 3 ° (в практике допускается 2- 4").

Центральный литник на выходе закругляют (R = 1 - 3 мм). Литни­ ковую втулку по высоте можно делать на 0,2 мм меньше толщины плиты, в которой ohd j отановлена, чтобы компенсировать возможную

154

деформацию при прижиме сопла к литниковой втулке. Для нормаль­ ного касания этих деталей при смыкании формы радиус сферы втулки надо делать на 0,5- 1,0 мм больше, чем радиус сферы сопла машины. Отверстие литниковой втулки полируют до зеркального блеска. При переработке материалов, расплавы которых вызывают коррозию металлов, на внутреннюю поверхность втулки дополнительно наносят твердое хромовое покрытие.

Наибольший диаметр литника D (на выходе из втулки) для одногнездной формы рекомендуется принимать на 1-1,5 мм больше максимальной толщины изделия. Наименьший диаметр d литника (на входе во втулку) зависит в большей степени от массы отливки, а также от типа перерабатываемого термопласта.

Длина центрального литника / принимается I *S (5 -г- 9)d. В одногнездных формах центральный литник может оказаться и вне центра отливки (особенно это характерно для сложных несимметричных изделий). Это приводит к неравномерному распределению давления впрыска, перекосу формы, образованию облоя и даже поломке меха­ низма замыкания. Во избежание этого необходимо, чтобы равнодейст­ вующая внутреннего давления в гнезде формы при впрыске и равно­ действующая усилия замыкания по возможности совпадали с осью центрального литника. В сложных формах необходимо определить положение центра тяжести и тем самым положение гнезд в форме. Положение центра тяжести для каждой оси можно получить из соот­ ношения хт = Z(/nx,)/(Z/n), где хт - расстояние от оси машины до центра тяжести отливки, мм; /п - площадь проекции поверхности разъема, мм2; xt - расстояние до центра тяжести элемента отливки, мм.

-В центральной втулке (непосредственно за литниковой втулкой - см. рис. 3.12) предусмотрено специальное гнездо с обратным кожухом для улавливания первой охлажденной порции массы и удержания центрального литника (или всей разветвленной литниковой системы) в подвижной полуформе.

Разводящие литниковые каналы. Поперечное сечение разводящих литниковых каналов определяется тем обстоятельством, что при впрыске расплава в литниковую систему наибольшей подвижностью и наибольшей скоростью обладает материал в центре потока, так как периферийные, близкие к стенкам канала зоны быстрее охлаждаются и расплав в них становится более вязким. Поэтому отношение площади поверхности разводящего канала /р-к к его объему Vp-K должно быть наименьшим, а отношение этой площади к периметру поперечного сечения Пр-К наибольшим. Одновременно с уменьшением передачи тепла от расплава к стенкам разводящего канала (при ПрК -»• min) и улучшением передачи давления1 (при/р>к -* max) возможно при прочих равных условиях и обеспечить рациональную экономию материала, идущего на разводящие литники.

На рис. 3.13 представлены несколько типов поперечного сечения разводящих каналов и значения отношений /Р.к/Пр.к. При этом /р.к ^ /пр/"р.к. где/пр - наибольшая площадь поперечного сечения той

155

Рис. 3 . 12 . Конструкция и примеры установки стандартной центральной литниковой втулки:

/ — плита крепления (заготовка по ГОСТ 22066—76); 2 — плита (заготовка по ГОСТ 20065—76); 3 — втулка центральная (по ГОСТ 22078—76); 4 — фланец (заготовка по ГОСТ 22081—76); 5 — втулка литниковая (по ГОСТ 22077-76)

Рис. 3 . 1 3 . Распространенные типы поперечного сечения разводящего литникового канала. Отношение площади сечения канала к его периметру /р.к/Пр-К равно:

А - 0,25X3; Б - 0,25 D (для о) и 0,2 D (для в); В - 0,153 0; Г - 0,166 0 (при d = 0/2), 0,1 О (при d = 0/4) и 0,0710 (при d = 0/5)

части канала, которая предшествует рассчитываемой; rip K - число разводящих каналов.

Размеры канала зависят от размеров отливки, вида формы и пере­ рабатываемого материала. Поперечное сечение литникового канала должно быть тем больше, чем крупнее отливка, а при одинаковых отливках - чем больше толщина стенок. Большое поперечное сечение

156

облегчает заполнение формы, так как сопротивление течению здесь меньше, чем в небольших каналах. Разводящие каналы могут распола­ гаться в той полуформе, где оформляется изделие, или в обеих полу­ формах.

Оптимальным является круглое сечение канала, при котором минимальны потери тепла и на трение при течении расплава по кана­ лу, но его надо делать в двух полуформах, поэтому чаще используют более технологичное параболическое сечение каналов. Для термо­ пластов повышенной вязкости используют трапецеидальные каналы со скошенными кромками.

Для деталей массой менее 200 г диаметр основного разводящего канала D (в мм) определяется по эмпирической формуле D = GWD-HIb, где I - длина канала, мм; G - масса детали, г.

Величина поперечного сечения разводящего канала зависит от его протяженности, а увеличение длины приводит к повышению потерь давления в литниках, увеличению ориентационных напряжений в изделии. При небольшой длине канала на практике редко делают сечение с наибольшим размером менее 3 мм.

Разводящие литники используются не только в многогнездных формах. Если изделие имеет сложную конфигурацию, например коль­ цо, то с целью ускорения заливки применяют несколько впусков в одногнездной форме, а это требует разводки расплава. Для таких изделий конструируют разводящий (и впускной) литник в виде коль­ цевой щели. При изготовлении длинных трубчатых изделий использу­ ют дисковые разводящие литники, а крупногабаритных плоских изделий - широкощелевые или пленочные разводящие литники. В таких литниках в середине потока материал может иметь большую скорость, чем на периферии; чтобы избежать этого, надо корректиро­ вать размеры щели.

Впускные литниковые каналы. Впускные каналы являются про­ должением разводящих; они представляют собой суженную часть канала, непосредственно примыкающую к полости формы. Канал сужается с целью повышения скорости впрыска расплава в полость, повышения его температуры, текучести. Выбор места впуска связан с необходимостью обеспечения наименьшего пути течения массы, а также с движением потока по тому направлению, которое совпадает с направлением действующих при эксплуатации изделий наибольших усилий (следует принимать во внимание и перетекание расплава по полости формы от более толстых элементов изделия к более тонким). Важнейшей задачей является правильное конструирование переход­ ного участка от разводящего к впускному литнику. Идеальное распо­ ложение впускного канала - по линии центра разводящего канала (это обеспечивает перетекание расплава в полость формы до полного затвердевания впускного литника). Такое расположение достигается только при круглом разводящем канале.Трапециевидный разводящий канал с этой точки зрения неудовлетворителен.

Переход от разводящего канала к впускному нецелесообразен, так

157

как при этом увеличиваются потери давления, а скорость течения повышается прежде, чем расплав попадает во впускной канал. Кроме того, остывающий на стенках канала материал „срывается" и попадает в оформляющую полость, что снижает качество изделия. Размеры и расположение впускных каналов определяются свойствами термо­ пласта и особенностями изделия (его толщиной, объемом и т.п.). Впускной литник должен иметь минимальные размеры, хорошо из­ влекаться из формы и легко отделяться от изделия, не оставляя на нем заметных следов. Но чрезмерное уменьшение сечения впускных каналов увеличивает потери давления и ухудшает условия заполне­ ния формы, сильный дополнительный разогрев материала может привести к его деструкции. На рис. 3.14 показаны разнообразные возможные виды впускных каналов. Чаще всего применяют впускные каналы круглого и прямоугольного сечений (в последнем случае изменением высоты регулируют выдержку под давлением, а шири­ ны - условие заполнения гнезда).

При определении размеров поперечного сечения впускного канала надо учитывать, что впрыск связан с идущими одновременно двумя процессами - заполнения полости формы и уплотнения массы. Опре­ деляющим фактором при этом является скорость сдвига у, которая должна быть тем меньше, чем уже температурный интервал перера­ ботки термопласта. Другой фактор - время, в течение которого рас­ плав должен оставаться во впуске незатвердевшим, что необходимо для уплотнения массы в полости. Предварительно размеры впускного канала рассчитывают эмпирически по соотношению

-'в.к ~- •'о'пв.к>

г я е Ла.к> К ~ плоивди поперечного сечения впускного и основного центрального (на входе) каналов соответственно; п — число впускных каналов.

Глубина впускного канала h, от которой зависит время уплотнения массы, определяется по соотношению

h = k6,

где 6 — толщина изделия; к — постоянная материала (0,6 — полиэтилен; 0,7 — поликарбо­ нат; 0,8 — полиамид; 0,9 — поливинилхлорид).

Длина впускных каналов должна быть, по возможности, малой (чем короче канал, тем меньше потери давления); ее назначают в пределах 0,5- 0,8 мм (максимально - до 1,2 мм). Предпочтительный для приме­ нения прямоугольный торцовый впуск выполняют в виде прямоу­ гольного канала в двух или в одной из оформляющих плит (симмет­ ричное и несимметричное расположение). Преимущества его - просто­ та изготовления, возможность достижения высокой точности и незави­ симого изменения размеров впуска в нужном направлении. Заметный недостаток - след на отливке.

Балансировку литниковых систем целесообразно проводить прежде всего за счет впускных каналов.

158

Втах-З/Ы)

Рис. 3.14. Виды впускных литников:

аи б — прямоугольные или круглые торцовые (а — гнездо и разводящий канал выполнены в двух плитах формы; б — гнездо и разводящий канал выполнены в одной плите формы); в — наклон­ ный; г — накладной; д — и — щелевые и кольцевые; к — веерный; л — зонтичный

159