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

як-

Рис. 3.32. Конструкция канального охлаждения формы для плоских изделий: 1 — неподвижная полуформа; 2 — подвижная полуформа; 3 — ниппели

Гг-^Гг""-1"1 '~:~zzz~=z~"y'

С~-=.-_~^-=Г=.

I' и " = ^ '

-tt-

Рис. 3 . 33 . Варианты расположения каналов охлаждения в формах для плоских изделий:

а— с центральным литником; б — точечные впуски в многогнездную форму; в — с боковым щелевым впуском (заложен змеевик); г — с боковым точечным впуском

180

ности, этого достигают, пропуская хладоагент через: просверленные в матрицах или обоймах матриц каналы (каналы сквозные, с заглушками, глухие); трубчатые змеевики, уложенные в теле матриц; винтовые или кольцевые каналы в матрицах или обоймах матриц и т.д. (рис. 3.34).

В пуансонах, формующих внутренние поверхности изделия, выпол­ няют охлаждающие каналы или полости - в зависимости -от размеров пуансонов. Каналы просверливают и в обоймах пуансонов (в многогнездных формах) или дополнительных плитах. Полости фрезеруют. На рис. 3.35 показан пример конструирования каналов охлаждения в составном пуансоне. Каналы охлаждения пуансонов в многогнездных формах, как правило, соединяются последовательно или параллельно (см. рис. 3.36). Охлаждение длинных и тонких пуансонов требует особых конструкторских решений. Применяют так называемое „паль­ цевое" охлаждение, причем теплоотдающие поверхности отверстий „пальцев" делают развитами, например шлицевыми, в отверстия вставляют плоские перегородки или трубки (рис. 3.37), а также витые перегородки или поперечные ребра в достаточно широких пуансонах (рис. 3.38), что способствует турбулизации потока хладоагента и интенсификации теплообмена. Оценка поверхности теплообмена при таком сложном ее характере и явно нестационарном типе теплообмена с достаточной степенью точности практически невозможна, и здесь главное - опыт конструктора.

Работоспособность системы охлаждения определяется тем, на­ сколько равномерна и стабильна температура оформляющих поверх-

181

£ . <г

Рис. 3.36. Схемы соединения каналов охлаждения в пуансонах многогнездных форм:

а— последовательное; 6 — параллельное

Рис. 3.37. „Пальцевое" охлаждение длинных и тонких пуансонов (слева — перегородка в отверс­ тии, справа - трубка):

1 — перегородка; 2 — прокладки; 3 — пуансон; 4 — трубка

Рис. 3.38. Схема конструкции охлаждения сбор­ ного пуансона, способствующая турбулизации потока хладоагента:

1 — витая поверхность; 2 — ребро

Вода

182

ностей. Для изделий из пластмасс, к которым предъявляются высокие требования качества, важно обеспечивать разность температур на поверхности каждой (подвижной и неподвижной) полуформы в преде­ лах 1-2°С. Для изделий неответственного назначения допускается разность температур даже в пределах 10 °С. Чаще всего достаточно создать разность температур не более 5 "С.

Интенсивность охлаждения и его равномерность зависят от распо­ ложения каналов охлаждения относительно гнезда формы, от попе­ речного сечения каналов и расстояния между ними и от них до оформ­ ляющей поверхности. Трудности с расположением каналов возникают в связи с тем, что они должны огибать такие детали формы, как вы­ талкиватели, направляющие колонки и т.п. По опыту конструирова­ ния и изготовления форм диаметры охлаждающих каналов принимают равными 8-10 мм, в самых узких местах они должны быть не менее 6 мм, а сечение - не менее 2530 мм2. Наибольшая величина сечения канала не должна превышать 280-300 мм2. При больших сечениях резко увеличивается потребность в охлаждающей жидкости.

Длина каналов должна быть минимальной с тем, чтобы разница температуры хладоагента на входе и выходе из канала не превышала 2-3 "С.

Каналы диаметром или шириной (при прямоугольных сечениях) до 12 мм должны находиться от поверхности формы на расстоянии, примерно равном диаметру или ширине канала. Наиболее благоприят­ ное расстояние между каналами охлаждения - от одного до полутора диаметров канала. Поэтому при температуре формы выше 70 "С реко­ мендуется устанавливать теплоизолирующие прокладки между формой и плитами литьевой машины.

Нарушение или ухудшение работоспособности (приводящее к увеличению фактического цикла литья по* сравнению с расчетным значением) может происходить также при недостаточно интенсивном охлаждении или плохо термически сбалансированных полуформах (не удается соблюсти одинаковой их температуры или требуемой специ­ фикой расположения отливки в форме разницы температур). Стремле­ ние к интенсификации охлаждения за счет увеличения проходного сечения каналов приводит к чрезмерному ослаблению соответствую­ щих деталей формы и разрушению их при воздействии динамических нагрузок.

Нарушение работоспособности системы охлаждения даже при рациональной ее конструкции может быть связано с разгерметизацией охлаждающих каналов и полостей из-за коррозии металла или зарас­ тания проходного сечения нерастворимыми осадками, выпадающими из воды. Попадание охлаждающей жидкости на оформляющие поверх­ ности недопустимо, так как это приводит к браку; должна быть гаран­ тирована герметичность или, по крайней мере, условия, при которых протечка не ведет к попаданию охлаждающей жидкости в рабочую зону.

183

3.6.3. Расчет системы охлаждения

Задачи расчета системы охлаждения определяются следующим обра­ зом: устанавливают количество тепла, отдаваемое расплавом форме; находят расход хладоагента (чаще всего - воды), задаваясь допусти­ мой разностью температур его на входе и выходе из системы охлажде­ ния (или - наоборот); определяют скорость движения хладоагента, исходя из задаваемых, выбранных диаметров охлаждающих каналов или размеров полостей; определяют коэффициент теплоотдачи от формы к хладоагенту, критерии, характеризующие процесс теплооб­ мена; рассчитывают площадь теплоотдающей поверхности, длину и количество каналов или поперечное сечение полостей, расстояние между каналами. При необходимости корректировки размера выбран­ ного диаметра каналов или размеров полости решение задач в указан­ ной выше последовательности повторяется.

Рассмотрим методику расчета системы охлаждения.

Количество тепла (?м> поступающего в единицу времени в форму от охлаждающихся в ней изделий, равно:

0M =mc(rp -rK )/r№

где m — масса отливки, кг; с — теплоемкость термопласта, кДж/(кг-град); Гц — время цикла формования изделия, с; Гр — температура поступающего в форму расплава, К; Гк — температура, до которой охлаждаются изделия в форме, К.

Время Гц приближенно можно рассчитывать по следующей формуле:

Тц * 1,3тохл; тохл = _ i W A2 Jln[(4/n2)(rK- Гф)/(Гр - Щ

где 6 - половина толщины стенки изделий, м; а - температуропроводность, м2/с; Тф - температура формы, К; то хл — время охлаждения изделия в форме.

Массовый расход охлаждающей воды G, кг/с, необходимый для отвода тепла Qu,поступающего в форму с материалом, равен:

С=Ом/[св(Гв.к-Тв.„)],

гДе св ~ теплоемкость воды, кДж/(кг-К); ТВщЛ, Тв-К - температура воды на входе и выходе из формы соответственно, К.

Приведенные ниже расчетные формулы ориентированы на каналь­ ную конструкцию системы охлаждения. Скорость течения воды в каналах формы vB равна:

vB = 4G/(pBm/2),

где Рв — плотность воды, кг/м3.

Количество тепла Qp, которое способна отвести система охлаждения от формы в единицу времени, составляет

0^=/СЛГф-Гв),

где К - коэффициент теплопередачи от изделия к охлаждающей среде, кДжДмЗ-м-К); / - площадь (для круглых каналов / = лс%) поверхности охлаждающих каналов, и2-, 1%- 184

суммарная длина каналов, м; Гв = 0,5 (Гвх + Гвн) - среднее значение температуры воды в форме, К.

Конструкция системы охлаждения удовлетворительна, работоспо­ собна, если она отводит от формы количество тепла Qjr,He меньшее, чем поступает в форму с материалом Qu, т.е. QF > QM при том, что диаметры (размеры) каналов находятся в диапазоне d,,^ < d < d,^.

Коэффициент теплопередачи К определяется тепловым сопротивле­ нием стенки формы и коэффициентом теплоотдачи от формы к воде:

K = [(6MAJ + U/«)H,

где А.м - теплопроводность металла формы, кДж/(м-с-К); бм — характерное расстояние от изделия до канала системы охлаждения, м.

При турбулентном течении жидкости в круглой трубе теплообмен определяется следующей критериальной зависимостью:

Nu = 0,021Re°>8PrO,43; Nu = adMB; Re = (v/vB)d,

где для воды при температурах, близких к комнатной, Рг и 2,4; \ в — теплопроводность воды, кДж/(м-с-К); vB - кинематическая вязкость воды, м2/с.

После необходимых подстановок получаем, что величина теплового потока QF зависит от диаметра (размера) канала охлаждения:

QF =Ad/(B+C+dl>*),

где А = itfs (Гф - Тв); В = бмДм ; С = 32(vBpBn )°.8/Хв.

Эта зависимость приведена на рис. 3.39. Кривая „о" показывает, что возможен вариант, когда даже QF** < QM, т.е. при любых d конструкция :истемы охлаждения неудовлетворительна. В варианте „б" условие

2f > QM выполнимо в диапазоне диаметров dmjn < d < dmax-

Полезно оценить, насколько отличается фактическое значение d от значения d*, соответствующего Qf**. Для этого берется производная от QF no d, приравнивается к нулю и разрешается относительно d-

Получаем: Qfах = 0,502АВ-0>44£>0,55; d* = 1,13(В/С)°>35. Общая схема алго­ ритма расчета представлена на

рис. 3.40.

Суммарная длина охлаждающих

Рис. 3.39. Зависимость теплового потока QF ОТ диаметра канала d

185

Означало J

si •

Q^'Конец )

Рис. 3.40. Схема алгоритма расчета диаметров каналов системы охлаждения

= ^к,к +1— "i5; а ф . ^-ф — коэффициент теплоотдачи, теплопроводности материала формы соответственно; Р = 2{b+h), f = bh (b — ширина просвета между каналами, ft — высота просвета).

186

3.7. Системы выталкивания

3.7.1. Назначение, классификация и конструктивные особенности

Назначение системы выталкивания-удаление без повреждения от­ ливки из формы за возможно короткое время и возврат формы в ис­ ходное положение. Удаление (извлечение из матрицы, а с пуансонасталкивание, сброс), может быть связано с отделением (отрывом) литников от изделия; оно реализуется в результате возвратно-посту­ пательного перемещения подвижной полуформы (основное движение) и, при необходимости, перемещений специальных деталей или при­ водов, кинематически связанных с подвижной полуформой (дополни­ тельные движения).

Проблемы при выталкивании -изделий связаны с выбором рацио­ нальной схемы конструкции системы. Для этого надо учитывать: характер усадки разных элементов изделия; прилипание (адгезию) поверхности изделия к форме; другие усилия, прижимающие изделие к поверхности формы. Благодаря усадке изделие, как правило, без затруднений извлекается из гнезда матрицы (усадка направлена „в тело" изделия, между ним и стенкой формы проникает воздух), но удерживается на пуансоне, знаке (на внутренней поверхности изделия возникают напряжения растяжения, так как пуансон препятствует усадке). Силы прилипания (адгезии) изделия к форме зависят от особенностей материаловпары, шероховатости поверхностей пары, величины остаточного давления в форме. Выталкиванию препятствует и разность давления - атмосферного и возникающего между изделием и,пуансоном.

В итоге результирующее усилие, прижимающее изделие к поверх­ ности формы, должно быть преодолено силой, удаляющей изделие (полное осевое усилие, преодолевающее силы трения, вызываемые результирующим усилием, а также расходуемое на перемещение деталей выталкивающей системы). Важным является обеспечение такого усилия, при котором не возможны повреждения отливки (смятия поверхностей под выталкивателями; прогиб, растяжение или срезание стенок, перпендикулярных направлению сталкивания; задиры поверхностей; гофрирование стенок и т.д.). Здесь важнейшим фактором является температура изделия в момент начала удаления его из формы, а кроме того - величины коэффициента трения, адгезии, допускаемые напряжения материала при температуре извлечения изделия.

Система выталкивания состоит из деталей, образующих „камеру" для размещения выталкивателей, собственно выталкивателей, дета­ лей сброса и возврата системы в исходное положение.

Чрезвычайно разнообразны по конструкции и принципу действия выталкиватели и выталкивающие устройства: стержневые, плоские, трубчатые, кольцевые, „грибковые", пружинные выталкиватели; сталкивающие плиты; сталкивающие планки и полуматрицы, кассеты, съемные детали; противовакуумные устройства; пневматические

187

Р и с . 3 . 4 1 . Стержневые (о - и) и плоские (к, л) выталкиватели:

а, б — гладкие; в —ступенчатые;г — комбинированные гибкие; д — с гайкой; е, ж — с держателя­ ми; з, и —резьбовые;к — цельные; л —составные

устройства; гидравлические устройства; детали системы двойного сталкивания и др. Рассмотрим некоторые конструктивные особенности выталкивателей.

На рис. 3.41 представлены основные типы стержневых и плоских выталкивателей. Отверстие, в котором перемещается выталкиватель, выполняют по квалитету Н7, а длину отверстия принимают из расчета I=2d+5, мм (d - диаметр выталкивателя).

Для стержневых выталкивателей диаметром менее 3 мм длина отверстия / должна быть в пределах (5 * 6) d. Меньшая длина направ­ ляющего отверстия может вызвать перекосы и проникание расплава за выталкиватель, большая длина - привести к значительным потерям энергии на трение и заклиниванию выталкивателя. Комбинированный гибкий выталкиватель имеет участок с ослабленным сечением (что делает его гибким) и участок, оформляющий в отливке поднутрение. Благодаря наклону направляющей втулки при движении вперед гибкий выталкиватель отклоняется в сторону, освобождая поднутре­ ние, и выталкивает отливку.

Стержневые выталкиватели, действующие на торцы боковых стенок изделия, называют торцовыми. Их располагают на расстоянии

188

0,2- 0,5 мм от внутренней поверхности с тем, чтобы выталкиватель не задевал за боковую поверхность пуансона.

Различные типы плоских выталкивателей могут быть выполнены как цельными, так и составными. Возможно применение очень тонких плоских выталкивателей, но только с направляющими.

В ряде случаев во избежание повреждения отливки при сталкива­ нии ее с пуансоном применяют такие выталкиватели, которые воз­ действуют на всю торцовую поверхность отливки. К ним относятся трубчатые и планочные выталкиватели, плиты и кольца съема.

Трубчатые выталкиватели обычно применяют для снятия круглых изделий небольших диаметров с тонкими стенками. Кольца съема (как правило - цилиндрические) применяют для тонкостенных высоких изделий с небольшой конусностью. Их применяют в многогнездных формах, где каждое гнездо имеет собственный выталкиватель, уста­ новленный в общей плите съема. Типовая схема выталкивания дана на рис. 3.42.

доздух

189