Раздел 4. Проектирование форм

Тема 4.1. Выбор типа и конструкции пресс-формы:

Определение основных эксплуатационных характеристик проектируемой пресс-формы: плоскости разъема формы, характера эксплуатации, системы выталкивания, количества гнезд, конструкции загрузочной камеры, системы охлаждение и нагрева, литниковой системы

Определение типа формы, необходимой для изготовления любого изделия, является основной и наиболее сложной задачей в процессе ее конструирования. От конструкции формы зависит качество прессуемых деталей и их себестоимость. Правильно сконструированная форма должна предусматривать простую и дешевую технологию изготовления, быть износоустойчивой и удобной в эксплуатации.

Выбор типа и конструкции формы следует начинать с определения способа изделия.

Выбор способа получения изделия

Выбирают из следующих способов получения изделия.

1. Прямое прессование

2. Литьевое прессование

3. Литье под давлением

Выбор конструкции формы

При выборе конструкции формы следует руководствоваться двумя основными условиями – простотой и надежностью в работе. Конструктивная разработка пресс-форм начинается с определения следующих основных эксплуатационных характеристик проектируемой формы:

1. Положения изделия относительно направления разъема формы;

2. Направления и количества необходимых плоскостей разъема;

3. Характера эксплуатации (стационарная или съемная);

4. Механизма для удаления стержней или вставок (если это необходимо);

5. Количества гнезд;

6. Конструкции загрузочной камеры (для пресс-форм прямого и литьевого прессования);

7. Способа выталкивания и съема изделия.

При определении положения в форме необходимо учитывать следующее. Изделие должно быть расположено так, чтобы имеющиеся в нем отверстия или углубления были по возможности перпендикулярны к плоскости разъема формы. Кроме того, оно должно иметь наименьшую площадь прессования, а арматура занимать наиболее устойчивое положение относительно основного потока пластического материала.

Количество и направление плоскостей разъема зависят в основном от формы изделия и положения, в котором его прессуют. При конструировании съемной формы надо стремиться к уменьшению числа плоскостей разъема, так как это способствует уменьшению ее износа, а следовательно, увеличению срока службы. Кроме того, это улучшает внешний вид изделия.

Выбор между съемной и стационарной конструкциями пресс-форм следует производить руководствуясь их эксплуатационными возможностями и экономическим фактором, а также способом получения изделия.

Съемным формам отдают предпочтение в тех случаях, когда необходимо отпрессовать небольшую партию мелких изделий или когда отсутствует специальное оборудование, допускающее установку стационарных форм. Кроме того, съемные пресс-формы значительно дешевле. Вследствие небольшого допускаемого веса съемных пресс-форм применять их для изготовления крупных изделий не рекомендуется. Применяют съемные пресс-формы, как правило, для получения изделий из термореактивных пластических материалов.

Стационарные пресс-формы обладают рядом преимуществ перед съемными. Применение их значительно облегчает труд рабочего прессовщика и способствует повышению производительности труда. При конструировании стационарных пресс-форм следует стремиться к максимальной механизации процесса освобождения изделия. Механизмы, используемые при этом, должны быть просты в эксплуатации и работать с незначительной смазкой. Последнее требовании обусловлено тем, что они работаю при высоких температурах. Для этой цели применяют клиновые, шарнирные, винтовые, эксцентриковые и другие механизмы.

Количество гнезд в пресс-формах определяют исходя из мощности применяемого оборудования и необходимо количества изделий.

При выборе конструкции загрузочной камеры, которая может быть двух видов – индивидуальная (на каждое изделие) и общая (на несколько одновременно прессуемых изделий), руководствуются формой и материалом изделия. Не следует проектировать общую загрузочную камеру для изделий сложной конфигурации, так как это сопряжено с трудностями экономичного их размещения на выбранной площади прессования.

Структура пресс-материала оказывает также влияние на выбор вида загрузочной камеры. Так, для пресс-материала с длинноволокнистым наполнителем нежелательно применение пресс-формы с общей загрузочной камерой.

Способ выталкивания определяется главным образом формой изделий. Выталкиватели в оформляющей полости формы размещают так, чтобы выталкивание изделия проходило равномерно; при неравномерном выталкивании может произойти его коробление, перекос или даже поломка.

Исходя из конструкции детали производится выбор типа и конструкции пресс-формы. Например, если планируется выпуск многоцветного или многокомпонентного изделия, то имеется два варианта – или проектирование двух или более пресс-форм, в одной из которых отливается часть детали, в остальных соответственно другая и т.д. до окончательно готового изделия, или заказ многокомпонентной пресс-формы, в которой за один цикл отливается окончательно готовое изделие. Первый вариант - это наиболее простой, но малопроизводительный способ, зато для изготовления не требуется ничего, кроме стандартного ТПА. Второй – наиболее производительный вариант, но для его осуществления требуется ТПА с двумя и более инжекционными узлами, в некоторых случаях не обойтись без робота-манипулятора. Да и конструкция пресс-формы усложняется во много раз.

Качество заполнения каждой оформляющей полости пресс-формы расплавом полимера во многом зависит от вентиляционной системы, предназначенной для свободного выхода из них воздуха и летучих продуктов, выделяющихся из расплава. В некоторых случаях роль вентиляционных каналов выполняют зазоры между деталями формообразующих полостей пресс-формы.

Конструкция пресс-формы должна быть такой, чтобы изделие извлекалось из нее легко и без деформации, но при этом количество разъемов пресс-формы стараются уменьшить, чтобы повысить точность литья изделия. Однако в зависимости от сложности конструкции корпусной детали во многих случаях приходится делать несколько разъемов. В этом случае возрастает важность точности изготовления и подгонки всех компонентов пресс-формы.

Далее, исходя из объема производства, т.е. количества изделий, которое необходимо произвести в единицу времени, необходимо определить «гнездность» пресс-формы. Выбор «гнездности» пресс формы, т.е. количества изделий производимых ТПА за один цикл, является одним из важных параметров, который определяет стоимость изделия. Это связано с тем, что, с одной стороны, чем больше в пресс-форме гнезд, тем больше изделий можно будет получить за один цикл изготовления, что способствует сокращению времени изготовления партии и обеспечению снижения доли использования машинного времени в цене изделия. Однако, с другой стороны, чем больше количество гнезд в пресс-форме, тем, больше ее габариты, следовательно, тем выше ее цена, а также продолжительнее цикл литья изделия. Кроме того, крупногабаритная форма может использоваться исключительно на соответствующей модели и типоразмере ТПА, что в свою очередь вносит существенное увеличение в стоимость минуты машинного времени, закладываемую в цену изделия. Поэтому соотношение гнездности пресс-формы и модели ТПА должно быть оптимальным для каждого конкретного изделия.

Для пресс-форм, которые планируется устанавливать на уже существующий ТПА колонного типа расчет гнездности связан с учетом габаритов и сложности конструкции изделия, объема впрыска, усилия смыкания, пластикационной производительности, геометрических размеров плит и расстояния между колоннами в свету.

Существенным моментом выбора конструкции пресс-формы является определение горяче- или холодноканальной будет ее литниковая система, а в последнем случае будет ли система с отрезными, точечными или отрывными литниками.

Горячеканальные системы (ГКС) в пресс-формах уже давно являются нормой в переработке пластмасс за рубежом. Основным преимуществом применения ГКС является сокращение затрат на получение готовой продукции, выражающееся в возможности подвода впускного литника практически к любой части изделия, сокращении общего времени цикла литья изделия благодаря отсутствию необходимости остужать литник (литниковую систему), обеспечении безлитникового формования и связанного с ним отсутствия отходов и затрат по их переработке, что в совокупности уменьшает себестоимость изделия.

ГКС подразделяются на ГКС с внутренним (Cool-One) и ГКС с наружным (Hot-One) обогревом, иногда применяют смешанную конструкцию.

Система Cool-One состоит из стандартных элементов, которые нагревают полимер изнутри при помощи распределительных теплоэлектронагревателей (ТЭНов), которые располагаются по центру разводящих литниковых каналов, а расплав полимера двигается вокруг него. Это создает кольцевой поток в изолированном слое затвердевшего пластика.

Во время первоначального запуска формы такая конструкция литниковой системы позволяет создать естественный изолирующий барьер из затвердевшего полимера, который образуется у наружной стенки разводящих литниковых каналов, что обеспечивает значительную экономию электроэнергии. Система Cool-One является самоуплотняющейся. Если изолирующий слой нарушается, этот участок автоматически заполняется порцией «свежего» расплава, который вновь создает необходимое уплотнение. Поэтому система Cool-One может эксплуатироваться месяцами и даже годами без дополнительной регулировки.

Система Hot-One состоит из стального блока, называемого коллектором, внутри которого находятся распределительные каналы. Система эффективно нагревает расплав снаружи при помощи змеевиковых или залитых в горячеканальных втулках нагревателей, а также патронных или трубчатых нагревателей, располагаемых в коллекторе.

Система Hot-One является т.н. системой полного цикла: большие объемы материала направляются непосредственно в коллектор и далее в обогреваемые литниковые втулки с одной или несколькими точками впрыска.

Эта система позволяет изготавливать изделия в широком диапазоне размеров; особенно она подходит для очень чувствительных к сдвигу при течении расплава наполненных материалов, а также эффективна при частой смене цвета пластмасс.

Система Cool-One оптимальна для переработки ПЭ, ПП, а система Hot-One - для переработки конструкционных пластмасс АБС, ПА, ПК и т.д.

Установка ГКС в пресс-формы связана с большими затратами: покупка самой ГКС, приборов контроля температуры, дорогостоящих запасных нагревательных элементов и других узлов, возрастают расходы на электроэнергию. Кроме того, для обеспечения бесперебойной работы пресс-формы с ГКС необходимо ее регулярное и квалифицированное техническое обслуживание.

В особых случаях в изготавливаемых пресс-формах практически невозможно обойтись без ГКС. Это, в первую очередь, связано либо с необходимостью выпуска тонкостенных изделий из пластмассы, так как такая система облегчает впрыск пластмассы в пресс-форму, либо с проблемой производства массовых тиражей изделий из пластмассы.

ГКС особенно эффективны при литье тонкостенных изделий, применении многоэтажных пресс-форм, при использовании многогнездных пресс-форм для литья малогабаритных изделий, при изготовлении крупногабаритных деталей сложной геометрической формы (типа бампер) с несколькими точками впрыска или в случае отливки в одной пресс-форме двух и более деталей, различных по объѐму.

Холодноканальные системы (ХКС) в пресс-формах существенно (а в случае многогнездных – в несколько раз) дешевле ГКС. ХКС более надежны, проще в эксплуатации и дешевле в обслуживании, чем ГКС. Однако, имеется единственный недостаток – наличие литника после каждого цикла литья. При этом его масса резко возрастает с увеличением количества гнезд в пресс-форме, а при производстве множества мелких деталей в одной пресс-форме, масса литника может даже превысить массу собственно готовых деталей. Кроме того, наличие массивного литника увеличивает время цикла литья, а также приводит к необходимости использовать ТПА с большим номинальным объемом впрыска.

ХКС обычно состоит из центрального литника, разводящих и впускных литников. Расположение и конфигурация впускных и разводящих литников должны обеспечивать наиболее короткий путь течения расплава, чтобы минимизировать потери тепла и давления при впрыске и обеспечивать одновременное и равномерное заполнение расплавом каждого гнезда пресс-формы. Для получения качественных изделий в многоместной пресс-форме ХКС должна быть предельно сбалансирована. Даже равной длины пути полимерного материала от сопла ТПА до формообразующих полостей каждого гнезда часто бывает недостаточно, и приходится применять специальные регуляторы потока полимера в разводящих литниках.

В этих случаях очень важен предварительный Mold-Flow анализ отливки, в котором ясно видны все особенности распределения потоков расплава в зависимости от конфигурации и параметров литниковой системы. Программные продукты способны на основании данных о материале, его наполнителях и геометрии литниковых каналов рассчитать время охлаждения изделия, обозначить места спаев, а также определить опасные застойные зоны или зоны возможного недолива материалом, распределения волокон по объему изделия, что в особенности важно для материалов, наполненных, например, стекловолокном. С помощью электронного анализа можно также избежать зон неравномерного распределения наполнителя при заливке пресс-формы, обеспечить качество поверхности будущего готового изделия и избежать слабых с точки зрения физико-механических характеристик частей отливаемой детали.

Среди наиболее распространенных ХКС применяются:

· пальчиковый центральный литник для литья толстостенных отливок и переработки высоковязких нетермостабильных расплавов;

· зонтичный, или шатровый литник для исключения спайных швов. Удаление такого литника сопряжено с дополнительной механообработкой;

· точечный впускной литник;

· щелевой литник для изготовления плоских отливок с минимальным внутренним напряжением и короблением. Ширина щелевого литника, равная ширине отливки, выравнивает фронт потока;

· дисковый литник для цилиндрических изделий, впускной литник которых находится с внутренней стороны. Такой литник снижает вероятность деформации в отливках из полимеров с армирующими волокнистыми наполнителями;

· туннельный литник для бокового впуска с очень малым поперечным сечением и, следовательно, отсутствием пятен на отливке.

Конструкция ХКС оказывает большое влияние на процесс уплотнения расплава в изделии. При этом самыми важными факторами, влияющими на уплотнение изделия, являются толщина впускного литника (определяется диаметром вписанной в его сечение окружности), его длина, а также конструкция области перехода от разводящего литника к впускному.

Если в пресс-форме применяется комбинированная литниковая система, которая содержит как горячеканальные, так и холодноканальные литники, процесс уплотнения определяется конструкцией холодноканальной части.

Важную роль в пресс-форме играют также системы сброса готовых изделий, будь то механические, пневматические или их комбинации друг с другом. В случае особо сложных отливок выемка изделий осуществляется только вручную или при помощи робота-манипулятора.

Наиболее часто в качестве механических выталкивателей используются:

· Выталкивающие плиты

· Стержневые толкатели

· Плоские толкатели

· Трубчатые толкатели

В случае, если изделие имеет поднутрения, то для съема с них могут применяться сдергивание изделий, складывающиеся знаки или пуансоны, свинчивание изделий либо вывинчивание знаков. Каждый из этих методов имеет свои ограничения, сдергивание возможно только при небольших поднутрениях на мягких полимерах (типа полиолефинах), а свинчивание возможно только при наличии резьбы, причем вывинчивание резьбовых знаков может осуществляться как вручную после снятия отливки вместе с оформляющим резьбу знаком, так и автоматически при раскрытии пресс-формы с помощью пневмо-, электро- или механического устройства, интегрированного в конструкцию пресс-формы. В случае, если наружная резьба находится в плоскости разъема пресс-формы, для ее оформления не нужен свинчивающийся знак, она оформляется матрицей и пуансоном.

От сложности конфигурации изделия и выбора полимерного материала зависит система охлаждения пресс-формы, которая обычно состоит из множества прямых, кольцевых или спиральных каналов для охлаждающей жидкости (водопроводной или термостатированной воды, масла или раствора гликоля). Для повышения качества отливки в разных контурах охлаждения пресс-формы охлаждающая жидкость может иметь разную температуру.

Необходимо учитывать, что при быстром охлаждении в изделии из пластика возникают большие внутренние напряжения, поэтому при высоких температурах эксплуатации таких изделий возникает вторичная усадка и, как результат, коробление.

Выбор конструктивного решения системы термостатирующих каналов должен учитывать, что эффективная площадь их поверхности должна быть не менее охлаждаемой площади оформляющих поверхностей пуансона или матрицы, а расположение каналов охлаждения и направление потока хладагента от более нагретых частей пресс-формы к менее нагретым должны обеспечивать по возможности равномерное охлаждение оформляющих компонентов пресс-формы. Для увеличения эффективности охлаждения отдельных участков пресс-формы, где невозможно выполнить сквозной канал, могут применяться специальные узлы. В труднодоступных местах, где подвести жидкость не удается, для улучшения отвода тепла можно применять вкладыши из материала с высокой теплопроводностью (например, из меди).

Система направляющих и центрующих элементов формы, состоящая из комплекта направляющих втулок и колонок, разного рода зацепов, ползунов, центрирующих плит и т.п., предназначена для правильного и четкого смыкания полуформ и получения качественных изделий с правильной геометрией без грата (облоя).

В случаях, когда деталь имеет большие размеры, но маленький вес, например складные ящики, различные пластиковые рамки, CD и DVD боксы и т.д., применяются двухэтажные пресс-формы. Это высокоточные пресс-формы, используемые в массовом производстве. Двухэтажные пресс-формы представляют собой специальные конструкции, которые позволяют удваивать число формующих полостей при незначительном увеличении требуемого усилия смыкания. Оно достигается с помощью введения второй линии разъема, по которой формующие полости располагаются задней стороной встык с задней стороной формующих полостей, расположенных по первой линии разъема.

Данный способ производства пресс-форм позволяет второй группе формующих полостей не увеличивать проектную площадь, на которую воздействует давление расплава при открытии узла смыкания пресс-форм. Кроме того, при увеличении количества формующих полостей можно использовать гораздо меньшую основу пресс-формы, но в этом случае зачастую требуются специальные конструкции литьевых машин с удлиненным узлом смыкания.

Большинство двухэтажных литьевых форм заполняется с помощью ГКС. Расплав подается из сопла литьевой машины через центральный литник в коллектор ГКС, распложенный между двумя линиями разъема. Коллектор распределяет расплав по формующим полостям вдоль обеих линий разъема. При открытии формы центральный литник отделяется от сопла литьевой машины, поскольку он остается соединенным с коллектором ГКС.

Тема 4.2. Методы изготовления оснастки