МАШИНОСТРОЕНИЕ

ФОРМУЮЩИЙ ИНСТРУМЕНТ

Формующий инструмент - основной автономный рабочий орган оформления изде­лий оборудования, перерабатывающего пла­стические массы и резиновые смеси. Его про­ектируют отдельно под определенное изделие, но обязательно с учетом конструктивных и технологических параметров оборудования. В зависимости от метода переработки пластмасс и резиновых смесей различают следующий формующий инструмент: формы для прямого и литьевого прессования, формы для литья под давлением и экструзионные головки.

Конструктивные особенности фор­мующего инструмента. Формы для прямого прессования предназначены для изготовления изделий практически из всех видов реактопла- стов, резиновых смесей, сравнительно редко - из термопластов массой от нескольких грамм до 5... 10 кг простой и сложной конфигурации, с металлической арматурой, мало - и крупнога­баритные, плоские и объемные.

Форма для прямого прессования состоит из следующих групп деталей (рис. 7.6.1):

Формообразующих деталей, включавших пуансон 7 и составную матрицу //, 13. Часть полости матрицы /2, расположенная непосред­ственно над формуемым изделием, называется загрузочной камерой;

Системы выталкивания, включающей вы­талкивающие шпильки /7, а также верхний 18 И нижний 19 фланцы с толкателем 23. пере­дающие шпилькам движение от плунжера вы­талкивающего гидроцилиндра пресса. Толка­тель 23 соединен с плунжером резьбовым хво­стовиком;

Системы обогрева, состоящей из цилинд­рических стержневых электронагревателей, вставляемых в отверстия 2, 14, выполненные в деталях 5 и 15, непосредственно контакти­рующих с матрицей и пуансоном (отверстия выполнены также в обоймах 10 матрицы и б пуансона, в плоскость разреза не попали);

Направляющей системы, обеспечивающей взаимную центровку пуансона и матрицы не­посредственно перед входом их в контакт при смыкании формы. Как правило, эта система состоит из четырех комплектов направляющих колонок 26 и втулок 27;

Системы опорных и крепежных деталей. В нее входят верхняя 8 и нижняя 9 опорные планки. Первая из них укреплена на полуформе пуансона, а вторая - на полуформе матрицы. При смыкании формы планки входят в контакт, фиксируя тем самым глубину захода пуансона в полость матрицы. Крепеж формы осуществ­ляется на подвижной 1 и неподвижной 22 пли­тах пресса с помощью обойм б пуансона и 10 матрицы, опорных плит 5, 15, 20 и брусьев /б. Обоймы имеют проушины 24 для крепежа по -

Рис. 7.6.1. Форма для прямого прессования

Луформ к плитам пресса болтами 25 с квадрат­ной головкой, которая заводится в Т-образный паз 3 плиты пресса. Форма теплоизолируется от плит пресса прокладками 4 и 2/, выполняе­мыми. как правило, из асбеста.

Формы для прямого прессования класси­фицируют: по характеру связи с плитами маши­ны - съемные, стационарные, полустационар­ные; по количеству оформляющих полостей - одно-, многогнездные; по количеству поверх­ностей разъема - с одной поверхностью, двумя и т. д.; по виду загрузочной камеры - с общей и индивидуальной камерой; по способу извлече­ния изделий - сталкиванием (выталкивателем
или съемной плитой), сжатым воздухом, зна­ками и т. д. Кроме того, формы подразделяют на формы открытого типа (не имеют загрузоч­ной камеры, для изделий неглубоких и с боль­шой площадью прессования), закрытого (за­грузочная камера является продолжением формующей) и полузакрытого (площадь попе­речного сечения загрузочной камеры больше площади поперечного сечения формующей полости).

Разновидностью форм для прямого прес­сования являются формы для литьевого прес­сования (для изделий сложной конфигурации, с арматурой), в которых предварительно подог­ретый материал загружается не непосредствен­но в полость формы, а в специальную камеру, откуда под давлением плунжера перетекает через литниковую систему в оформляющую полость предварительно сомкнутой формы [2].

Формы для литья под давлением позво­ляют получать изделия от простейших до осо­бо сложных и высокоточных практически из всех термопластов, а также из многих марок реактопластов и резиновых смесей.

Форма для литья под давлением, пред - ставленая на рис. 7.6.2, включает пуансон //, матрицу 15 и плиты крепления - неподвижную 14 и подвижную 1 с фланцами 16 для точного центрирования формы относительно оси ин­жекционного цилиндра 18. В обойме 13 уста­новлена литниковая втулка 17 с центральным литниковым каналом. Матрицы 15 установле­ны в обойме /3, прикрепленной к плите 14. Пуансоны // установлены в подвижной обой­ме 2/ и крепятся с помощью промежуточной плиты 27.

В пространстве между стойками 10. пли­той 27 и плитой крепления 1 расположена пли­та 4 выталкивателей. В ней установлены вы­талкиватели 7 для извлечения отливки 12, цен­тральный выталкиватель 19 с направляющей 20 Для удаления центрального литника, а также возвратные толкатели 23. Для центрирования системы выталкивания служат направляющие колонки 8 и втулки 9. В выталкивающую сис­тему входят также плита 3, в исходном поло­жении опирающаяся на упор 2, хвостовик 6 и пружина 5, осуществляющая наряду с возврат­ными толкателями 23 обратный ход системы.

Для центрирования пуансона относитель­но матрицы служат направляющие колонки 25, соединенные болтами с втулками 24. и направ­
ляющие втулки 26. После заполнения гнезда формы отливка затвердевает, так как темпера­тура внутренних поверхностей гнезда ниже температуры расплава, вследствие их охлажде­ния жидкостью, циркулирующей в каналах охлаждения 22. При размыкании формы хво­стовик 6 наталкивается на упор машины и ос­танавливает систему выталкивания, происхо­дит сброс изделия вместе с литниковой систе­мой.

Формы для литья под давлением класси­фицируют: по связи с машиной - стационар­ные и полустационарные; по направлению разъема - с горизонтальным, комбинирован­ным разъемом; по числу оформляющих гнезд - одногнездные и многогнездные; по способу удаления изделий - со стержневыми выталки­вателями, с плитой съема, с автоматическим вывинчиванием деталей; по степени автомати­зации - полуавтоматические и автоматические. В первом случае извлечение деталей произво­дится вручную, а все остальные операции - автоматические.

Экструзионные головки. Головка оформляет подготовляемый экструдером рас­плав полимера в непрерывное изделие - профиль, который весьма близок к окончатель­ному. Фиксация размеров и конфигурации изделия осуществляется в процессе его охлаж­дения в калибрующем устройстве.

Наиболее употребляемые экструзионные головки представлены в табл. 7.6.1.

1 - гайка мундштука; 2 - винты для центровки мундштука относительно дорна 5: 3 - матрица (мундштук); 4 - обойма мундштука: 6 - фланец дорнодержателя; " - винты крепления дорно - держателя; 8 - дорнодержатель; 9 - рассекатель; 10 - корпус головки: 11- решетка; 12 - пере­ходная втулка; 13 - цилиндр экструдера

Угловая головка для пленки

1 - дорн; 2 - корпус головки с мундштуком (матрицей); 3 - регулировочное кольцо; 4 - пе­реходник; 5 - цилиндр экструдера; 6 - канал для воздуха

Профильная головка *

1 - мундштук; 2 - обойма: 3 - гайка мундштука; 4 - винт крепления; 5 - корпус головки: 6 - ре­шетка (сетка); 7 - переходная втулка; 8 - ци­линдр экструдера

Продолжение табл. 7.6.1

Плоскощелевая головка для листов, пленки

1 - болты для регулирования высоты формую­щем щели; 2 - болт дросселя; 3 - коллектор; 4, 5 - соответственно верхняя и нижняя часть головки; 6 - призма регулирования (дроссель); 7 - неподвижная губка; 8 - верхняя подвижная губка

Угловая кабельная головка

/ - дорн; 2 - корпус головки с мундштуком; 3 - изолируемый провод; 4 - переходник; 5 - ци­линдр экструдера

Экструзионный формующий инструмент классифицируют: по направлению выхода по­тока расплава - прямоточный и угловой; по назначению - трубный, профильный, кабель­ный, для производства листов, рукавных пле­нок, раздувных изделий; по конфигурации по­перечного сечения, формующего канал, - плоскощелевой, с кольцевым поперечным се­чением, с сечением сложных контуров; по типу термостатирования корпуса головки - с жид­ким и газообразным теплоносителем, с элек­трообогревом; по максимальному давлению - до 4 МПа (стержни диаметром более 5 мм. толстостенные трубы, листы, профили); до 10 МПа (стержни диаметром 3...5 мм, трубы и профили с толщиной стенки до 1 мм); до 10 МПа (пленки, волокна и др.).

Основы конструирования формующего инструмента для прессования. Проектирова­ние форм для прямого прессования [22] начи­нается с определения ее гнездности. Проекти­ровать многогнездную форму нецелесообразно при числе поверхностей разъема более двух, для изделий, имеющих арматуру, резьбовые знаки, боковые вкладыши и сложную конфигу­рацию. При отсутствии перечисленных огра­ничений гнездность определяют по зависимо­сти

" = Г»/^Р=Гн/{кр0/). (7.6.1)

Где FH, Fnp - соответственно номинальная

Сила пресса и сила прессования; р0 - давление прессования, определяемое типом прессуемого материала; к= 1,2 - коэффициент, учитываю­щий потери давления на трение в уплотнитель - ных устройствах пресса; /- площадь прессова­ния.

Система оформляющих деталей форм со­стоит из пуансона и матрицы, формующих и резьбовых знаков и др.

Матрицы являются наиболее ответствен­ными деталями, сочетающими два элемента - собственно матрицу и загрузочную камеру. Конструктивно они могут быть выполнены как одно целое или составными. С точки зрения изготовления целесообразно делать матрицу составной (рис. 7.6.3, а). Наружные очертания матрицы обычно делают цилиндрической или прямоугольной формы. Сопряжение пуансона

(рис. 7.6.3, б) с загрузочной камерой или с мат­рицей зависит от размера и конфигурации по­перечного сечения пуансона, при этом мини­мальное значение зазора равно 0,02...0,03 мм на сторону.

Формующие знаки, образующие в изде­лии гладкие отверстия, квадратные и шести­гранные «окна» (рис. 7.6.3, в), могут быть не­подвижными и подвижными (знаки выталкива­телей).

Резьбовые знаки (рис. 7.6.3, г) в нижней части формы имеют цилиндрический стержень, который входит в соответствующее отверстие в матрице, а в верхней части большей частью - буртик, удерживающий их в определенном положении относительно пуансона.

Объем загрузочной камеры должен быть достаточным для того, чтобы вместить необхо­димое количество пресс-материала, оставляя свободным пространство высотой 8... 10 мм для направления пуансона.

Расчетные зависимости для определения высоты загрузочной камеры Н применительно к схемам элементов приведены в табл. 7.6.2.

7.6.2. Зависимости для определения высоты загрузочной камеры

Высота загрузочной камеры. Я, мм

G, р - соответствен­но масса и плот­ность пресс - материала; V - объ­ем гнезда ниже плоскости начально­го положения пуан­сона; п - число гнезд; /зк - площадь сечения загрузочной камеры; FT - пло­щадь проекции на плоскость разъема пресс-формы таб­летки, помещенной в загрузочную каме - РУ

Расчеты деталей форм, подверженных действию внутреннего давления, которое раз­вивается при прессовании в оформляющей полости, выполняются на прочность и жест­кость. Объектами расчета обычно являются матрицы и обоймы (внутреннее давление), пуансоны (наружное давление), плиты и опор­ные планки (сила прессования), выталкиватели (сила выталкивания), крепежные болты (сила обратного хода) [2].

В формах для реактопластов применяется система электрического обогрева, оммического и индукционного [2].

Целью теплового расчета форм является определение мощности нагревательных эле­ментов в момент разогрева формы и в стацио­нарном режиме работы.

Основы конструирования формующего инструмента для литья под давлением. При производстве изделий литьем под давлением объем впрыска Ув должен превышать объем отливки V0 с учетом объема литниковой сис­темы:

Ув >кУ0, (7.6.2)

Коэффициент превышения к - 1.3 учиты­вает тот факт, что расплав, впрыскиваемый в форму, уменьшается в объеме вследствие ох­лаждения.

Расчет гнездности литьевых форм [2] проводят на основе технико-экономической оценки (табл. 7.6.3).

Из рассчитываемых значений riy^ , гід, Пр^ принимают наименьшее Так как при уве­личении числа гнезд себестоимость отливки сначала снижается, а затем возрастает, необхо­димо определить оптимальное число гнезд [2]:

1/2

Сця

0,45Cd

Где Сц - себестоимость одного цикла литья под давлением изделия; П - годовая программа выпуска изделия; Сф - себестоимость одного гнезда формы.

Конструкции таких деталей, как матрицы и пуансоны, системы направления и крепежа в формах для прессования и литья под давлени­ем принципиальных отличий не имеют. Основ­ное их различие может состоять в наличии литниковой системы.

Конструкция литниковых систем варьи­руется в зависимости от гнездности формы, числа впусков в одно гнездо, расположения литниковых каналов, конфигурации каналов и др. На рис. 7.6.4 показана структура элементов литниковой системы с входящим в нее основ­ным (одногнездная форма), разводящим и впу­скным каналами.

В многогнездных формах находят приме­нение прямолинейное, радиальное, радиальное с разветвляющими разводящими каналами расположение литниковых каналов различного поперечного сечения [2].

Прямолинейное расположение позволяет разместить большее число гнезд при относи­тельно малой массе литников и удобно распо­ложить охлаждаемые каналы. Радиальное рас­положение позволяет одновременно заполнять все гнезда, но расположение охлаждающих каналов конструктивно неудобное.

Оптимальным является круглое сечение канала, с минимальными потерями теплоты и на трение, но такое сечение необходимо делать в двух полуформах, поэтому чаще используют более технологические поперечные сечения (рис. 7.6.5).

Отношение площади поверхности разво­дящего канала к его объему Крк должно быть наименьшим, а отношение этой площади к периметру поперечного сечения /7рК наи­большим. Одновременно при Прк —> min и /рК —> max возможно обеспечение рацио­нальной экономии материала, идущего на раз­водящие литники. При этом

/рк — /пр /^рк '

Где /Пр- наибольшая площадь поперечного сечения той части канала, которая предшеству­ет рассчитываемой; ЯрК - число разводящих

Каналов [2].

Впускные каналы, являющиеся продол­жением разводящих, непосредственно примы­кающих к полости формы. Прогрессивным является использование точечных и туннель­ных впускных каналов, позволяющих облег­чить отделение литника в момент размыкания формы, автоматизировать работу и практиче­ски полностью ликвидировать литниковые отходы [2, 22, 26].

В отличие от форм для прессования в системах термостатирования литьевых форм наибольшее распространение нашли водоцир - кулирующие охлаждающие системы, которые могут представлять собой каналы (круглого, прямоугольного сечений), полости (круглого, прямоугольного, конического сечений) и их комбинации и располагаться параллельно, пе­ресекаться и г. д в зависимости от конфигура - # ции и особенностей констру кции изделия [2, 26].

Основы конструирования экструзион - ного формующего инструмента. Фактическая производительность экструдера, снабженного конкретной экструзионной головкой, опреде­ляется рабочими характеристиками дозирую­щей зоны червяка экструдера и его головки в виде зависимости производительности Q от перепада давлений Ар. Для экструзионной головки эта зависимость имеет следующий вид:

Q = KAp/IЦф, (7.6.3)

Где к - коэффициент, зависящий от геометрии каналов головки; |1эф - эффективная динамиче­ская вязкость расплава в этих каналах, опреде­ляемая в зависимости от скорости сдвига у материала в них.

На основе расчета расхода через экструзи - онную головку определяется перепад давлений.

Гидравлический расчет формующего ин­струмента состоит из следующих этапов. Экс - трузионная головка разбивается на ряд зон, характеризующихся постоянным или монотон­но изменяющимся поперечным сечением. По табл. 7.6.4 определяются значения коэффици­ентов к и у для каналов различной конфигу­рации, а для перерабатываемого материала по зависимости Щф ~Уэф определяется Щф.

После этого подсчитывается общий перепад давлений в экструзионной головке суммирова­нием перепадов давлений в ее отдельных зо­нах.

32 Q

71 D3

Круглый конический с большим диаметром на входе

3tiDV

128 L^D1 + Dd + d2^

Конический кольцевой с конической щелью

Я(Я|82-/?251)

6 La

Кольцевой

Продолжение табл. 7.6.4

Плоский щелевой

Щелевой клиновидный

BrfhI

6/.(/?] + )

Цилиндрический с произвольным поперечным сечением

/7

F*

Шм/ж

2,3 (/?. - /?2 )2 Л82 (Л-Д2)(5. -82) 52-52 ^ Примечание. Обозначения: со = lg ; F -

(ЩЪ2 - /?2S, )2 *28i ( *iS2 - *2S1 )S1S2 262522 площадь поперечного сечения канала; П - периметр поперечного сечения.

При проектировании экструзионных го­ловок необходимо иметь в виду, что общий поток расплава разбивается перемычками ре­шетки, ребрами дорнодержателя и другими преградами на отдельные потоки. Для сварива­ния необходимо достаточное давление в рас­плаве и эффективная деформация поверхно­стей контакта сливающихся потоков, что обес­печивается монотонным уменьшением площа­ди поперечного сечения подводящего и пере­ходного (предшествующих формующему) ка­налов в 3-5 раз.

С целью недопущения огрубления по­верхности экструдируемого изделия, возни­кающей в результате нерегулярности самой формы экструдата (пульсации), диапазон до­пустимых углов переходных зон лежит в пре­делах минимальных (8... 10°) и максимальных (45...60°) значений.

При повороте потока расплава в переход­ных зонах и при набегании расплава на препят­ствия, например, в виде рассекателя дорнодер­жателя и ребер в местах входа и схода расплава образуются зоны нетекущего полимера - зоны застоя. Застаивающийся в таких зонах расплав вследствие длительного температурно-времен - ного воздействия подвергается термодеструк­ции и, частично захватываясь текущим распла­вом, ухудшает качество изделий. Поэтому, как показала практика, углы наклона поверхностей каналов по отношению к основному направле­нию течения расплава в зонах как сужения, так и расширения для большинства материалов должны составлять 45...60°.

И, наконец, для получения кондиционных изделий необходимо соблюдать условия равен­ства расходов расплава во всех точках попе­речного сечения формующего канала. При невыполнении этого условия на участке с большей производительностью происходит утолщение стенок изделий и образование гофр и складок. Частично это может быть исправле­но принудительным отбором экструдируемого изделия - вытяжкой. В наибольшей мере это относится к плоскощелевым головкам для про­изводства листов и пленок. Для выравнивания в них расходов расплавов переходному и фор­мующему каналам придается такая форма, при которой течение массы дросселируется (тормо­зится) в средней части сечения и усиливается по краям щели [2, 22]. Возможно технологиче­ское выравнивание сопротивления: температу­ра стенок формующего канала на его выходе повышается по мере удаления от середины щели. Расход выравнивается вследствие уменьшения вязкости расплава на указанных участках.

Наилучшие результаты выравнивания по­тока расплава достигаются в плоскощелевых и угловых экструзионных головках для рукавной пленки, имеющих коллектор и добавочное сопротивление.