IX Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2017

Литьё под давлением – технологический процесс переработки полимеров, в ходе которого используемый материал переводится в вязко-текучее состояние и затем впрыскивается под давлением в пресс-форму, где и происходит окончательно оформление изделия. Методом литья под давлением производят штучные изделия, масса которых может варьироваться от долей грамма до нескольких десятком килограмм. Данный метод является одним из самых распространенных способов переработки большинства промышленных термопластов. Помимо этого методом литья под давлением позволяет производить армированные, полые, многоцветные изделия.

Основным оборудованием процесса является термопластавтомат (ТПА), на который в дальнейшем устанавливается пресс-форма. Типичная схема ТПА приведена на рис. 1:

Рис. 1. Типичная схема ТПА

1. Узел смыкания; 2. Пресс-форма; 3. Блок ЧПУ; 4. Узел пластикации; 5. Загрузочный бункер; 6. Двигатель; 7. Гидравлическая система.

Гранулы полимера засыпаются в загрузочный бункер машины. Затем материал с помощью шнека с винтовой нарезкой транспортируется в узел пластикации, где подготавливается и накапливается гомогенизированные расплав для дальнейшей подачи в сомкнутую пресс-форму. Из-за быстрого впрыска расплавом полимерного материала под давлением осуществляется заполнением пресс-формы, в результате чего образуется изделие. По завершению процесса затвердевания форма размыкается, и изделие автоматически с помощью толкателей удаляется из неё.

Исходя из описания процесса, можно заключить, что пресс-форма является одной из ключевых деталей процесса. Конструкция пресс-формы представляет собой форму, которая повторяет очертания готового изделия, откуда следует, что конструкции пресс-форм весьма разнообразны: они отличаются числом оформляющих гнезд (одногнездные или многогнездные), расположением плоскости разъема, способом охлаждения или нагрева материала, способом извлечения готового изделия (автоматический или полуавтоматический) и рядом других признаков.

Не смотря на это, у всех типов пресс-форм есть значительное число однотипных по конструкции и назначению деталей – для упрощения проектирования, изготовления и эксплуатации однотипные детали были нормализованы и стандартизованы. К таким деталям прежде всего относятся детали конструктивного назначения: плиты, направляющие колонки и втулки, элементы литниковой системы и т.д. Однако наряду с унифицированными пресс-формами на крупномасштабных производствах создают не имеющие аналогов формы. Конструкция таких пресс-форм достаточно сложна, а трудоёмкость изготовления высока.

В данной работе проектируется пресс-форма для изготовления изделия «Шайба» (Прил. 1).

ОБОСНОВАНИЕ КОНСТРУКЦИИ ФОРМЫ

Расположение изделия в форме

Положение изделия в форме определяет всю дальнейшую конструкцию проектируемой пресс-формы (степень автоматизации, тип выталкивающей системы, габариты формы и т.д.). При расположении детали в форме были соблюдены следующие основные требования, предъявляемые к проектируемым пресс-формам:

• необходимо ориентировать изделие с учётом его последующего выталкивания из формы;

• проекция в плане изделий должна располагаться симметрично оси разъёма ТПА, [1];

Помимо этого, расположение изделия параллельно плоскости разъёма формы позволило обеспечить наименьшую высоту формующей полости, что значительно сократило ход выталкивающей системы и в дальнейшем уменьшит время производственного цикла при производстве.

Для оформления отверстий и выступов в полости формы были применены специальные оформляющие знаки, располагающие как в неподвижной части (матрице), так и подвижной части (пуансоне) формы. Эскиз расположения детали в форме представлен на рис. 2:

Рис. 2. Расположение изделия в форме

Расположение гнёзд и литниковых каналов в форме

Гнёзда в проектируемой пресс-форме стоит располагать таким образом, чтобы подводящие каналы обеспечивали идентичные условия заполнения гнезда расплавом полимера. В связи с данным условием была выбрана следующая схема расположения гнёзд (n = 8) и литниковых каналов:

Рис. 3. Расположение гнёзд и литниковых каналов в форме

Проектирование литниковой системы

Наиболее перспективные (автоматические) и высокопроизводительные формы позволяют повысить норму обслуживания и повысить качество изделий. Условно все автоматические пресс-формы можно разделить на два типа:

• пресс-формы с отрезными впускными литниками (литники туннельного типа;

• пресс-формы с отрывными литниками, [1].

При проектировании данной пресс-формы были использованы туннельные литники, так как те обеспечивают автоматическую работу формы и более разнообразны по конструкции. В данном случае впускной туннельный канал прилегает к середине изделия для равномерного заполнения полости формы расплавом полимера. Отделение литниковой системы от изделия осуществляется за счёт среза впускного канала кромкой, расположенной в пуансоне форме, во время извлечения из формы. Подвод литниковой системы к изделию также был изображён на рис. 1.

Проектирование выталкивающей системы

Выбор того или иного типа выталкивающей системы определяется формой изделия, используемым материалом, конструктивными особенностями формы (автоматическая или неавтоматическая) и требованиями, предъявляемыми к поверхности изделия [1]. При конструировании пресс-формы была выбрана выталкивающая система, представлена на рис. 4:

Рис. 4. Выталкивающая система формы

Выталкиватели литниковой системы короче выталкивателей изделия и не доходят до плиты выталкивателей на расстояние h = 8,0 мм. Система из 6 стержневых выталкивателей снимаем изделие с пуансона, разделяя его от литниковой системы, которая удерживается зацепами на подвижной части формы. После выборки зазора h центральный выталкиватель сбрасывает литник. Система выталкивателей автоматически приводится в исходное положение с помощью пружин, одна из которых установлена на центральном выталкивателе, а вторая – на хвостовике формы.

РАСЧЕТ ЭЛЕМЕНТОВ КОНСТРУКЦИИ ФОРМЫ

Расчет литниковой системы

• Центральный канал

Центральный канал должен иметь достаточно большое сечение, возрастающее с увеличением вязкости расплава и толщины стенки изделия для сохранения жидкотекучести расплава в литниковой системе и обеспечения подпитки материала, заполнившего оформляющую полость.

Для расчета сначала необходимо найти массу 8 изделий:

Согласно ГОСТ 22077-76, исходя из общей массы изделий, выбираем втулку 0602-0453 [2] со значениями α = 5°, .

Диаметр центральной литниковой втулки со стороны сопла литьевой машины (d₁) определяем по номограмме:

Рис. 5. Номограмма для определения диаметра d₁

• Разводящие каналы

Разводящие каналы являются частью литниковой системы, соединяющей оформляющие полости формы с центральным литником.

Во время проектирования литниковой системы формы было принято решение использовать сегментную форму сечения разводящего канала, так как она обеспечивает хорошее течение расплава и допускает лишь небольшие потери теплоты. Форма сечения сегментного разводящего канала представлена на рис. 6:

Рис. 6. Сегментная площадь сечения разводящего канала

Исходя из количества гнёзд в форме (n = 8) и длине разводящего канала (зависит от конфигурации литниковой системы в форме; принимаем L_р = 45 мм), принимаем следующие размеры канала [2]:

• Впускные каналы

Из-за конфигурации отливаемой детали и автоматизации работы пресс-формы было решено использовать туннельные литники. Согласно рекомендованным размерам туннельных литников [1], были выбраны следующие размеры (принимаем, что средняя толщина изделия = 1,0 мм):

Рис. 7. Рекомендованные размеры туннельных впускных литников

Расчет выталкивающей системы

Выталкивающая система должна обеспечить полное, без разрушения и деформации, извлечение из формы, то есть выталкиватели должны иметь возможность перемещаться на определенное расстояние и оказывать на изделие усилие, не превышающее предел прочности полимера [1].

Ход выталкивателей рассчитывается по формуле:

где – высота изделия, мм.

Тогда,

Для литьевых форм усилие, препятствующее извлечению изделия из формы, связано с усадкой материала и зависит от самого изделия. При литье изделий в виде прямоугольных крышке усилие, возникающее при извлечении изделия, будет равно:

где – остаточное давление в пресс-форме (принимаем

– проекция боковой поверхности изделия в направлении его извлечения, м²; м²;

– коэффициент трения полимера при температуре изделия после извлечения из формы (для полиамида ПА 6 при [5]).

Получаем:

Чтобы не произошло разрушения изделия, диаметр толкателя должен быть равен:

где – допускаемое напряжение текучести полимера при (для

полиамида ПА 6 при [5]).

Тогда диаметр толкателя должен быть равен:

Выбираем толкатели в соответствии с ОСТ 64-1-303-77 при

Выталкивающие напряжения на поверхности изделия равны:

где – площадь торца толкателя, м²;

– количество толкателей на изделие.

Получаем:

Согласно условию прочности:

где – прочность материала при сжатии (для полиамида ПА 6 МПа, [5]);

– коэффициент запаса прочности (принимаем

Тогда:

Следовательно, деформации на изделии при его извлечении из формы наблюдаться не будут.

Расчет центрирующих элементов формы

К центрирующим элементам относят фланцы крепежных плит, направляющие колонки и втулки, а также направляющие планки, устанавливаемые по линии разъёма формы.

В проектируемой пресс форме было решено центрировать плиты толкателей направляющими колонками (4 шт.), а саму форму – направляющими планками (8 шт.). Ориентировочно диаметр колонок можно определить по эмпирической формуле:

где – соответственно длина и ширина плиты толкателей, мм.

Тогда:

В соответствии с ГОСТ 17385-72 выбираем колонну с

ВЫБОР ЛИТЬЕВОЙ МАШИНЫ

Термопластавтомат выбирают, исходя из необходимого объёма впрыска, который рассчитывается по следующей формуле:

где – объём изделия, см³;

– гнёздность формы;

– объём литниковой системы, см³.

Объём изделия равен:

Объём литниковой системы равен:

где – объём центрального литника, см³;

– объём разводящего литника, см³;

Тогда:

Соответственно,

Номинальный объём впрыска ТПА равен:

где – коэффициент использования машины (для полиамида ПА 6 принимаем

Исходя из рассчитанного объёма впрыска формы, выбираем ТПА JW-60SES серии в модификации А со следующими параметрами:

Таблица 1

Технические характеристики JW-60SES

Параметры ТПА	JW-60SES
Параметры узла впрыска
Соотноешени L/D	20
Диаметр шнека, мм	14
Максимальный объём впрыска, см3	120
Вес отливки, г	106
Емкость пластификации, кг/ч	33
Скорость впрыска, см3/с	94
Давление впрыска (макс), кг/ см3	2624
Скорость вращения шнека, об/мин	0-224
Крутящий момент шнека кН/м	55
Ход узла впрыска, мм	275
Усилие прижима сопла, т	4
Параметры узла смыкания
Усилие смыкания, кН	350
Ход подвижной плиты (макс), мм	270
Высота пресс-формы (мин/макс), мм	100-340
Расстояние между плитами, мм	370-590
Размер плит, мм	470х470
Ход толкателей, мм	75

Проверочный расчет усилия смыкания формы производится по формулам:

где – усилие смыкания формы, кН;

– давление литья, МПа; для полиамида ПА 6

– проекция изделия на плоскость разъёма формы, м²;

– гнёздность формы;

– проекция литниковой системы на плоскость разъёма формы, м²;

– коэффициент использования оборудования (принимаем );

– номинальное усилие смыкание формы, кН; .

Тогда:

Следовательно, данное условие соблюдается.

где – масса впрыска, г;

– время охлаждения изделия, с;

– номинальная пластикационная производительность, кг/ч;

Для изделий, конфигурация которых близка к кольцу, время охлаждения изделия рассчитывается по формуле [7]:

где - ширина и толщина изделия, м;

– коэффициент температуропроводности материала, находится при средней температуре ; для полиамида ПА 6 принимаем м²/с;

– соответственно температура расплава после впрыска, средняя температура изделия по толщине стенки после извлечения из формы и

температура охлаждающей поверхности формы, .

Тогда:

Следовательно, должно соблюдаться следующее условие:

Данное условие также соблюдается.

Схема крепления пресс-формы на плите выбранного термопластавтомата приведена ниже:

Рис. 8. Схема крепления пресс-формы на плиты ТПА

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В результате проделанной работы была сконструирована восьмигнездная литьевая пресс-форма для изготовления детали «Шайба» из полиамида ПА 6.

Для данной пресс-формы:

• была выбрана и рассчитана литниковая система с применением сегментных разводящих и туннельных впускных литников, обеспечивающая одновременное заполнение формы расплавом полимера, а также автоматизированный режим работы машины;

• была сконструирована и рассчитана выталкивающая система, с помощью которой из подвижной части плиты выталкиваются готовое изделие (уже отделенное от литниковой системы) и литниковая система;

• во избежание перекосов подвижной и неподвижной плит во время смыкания были рассчитаны и подобраны центрирующие элементы формы;

• был выбран термопластавтомат JW-60SES (А), обладающий необходимыми для проведения процесса технологическими параметрами.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Панов Ю.Т, Уткин А.В. Проектирование литьевых и прессовых форм: Метод. указания к выполнению курсовой работы по курсу «Расчет и конструирование изделий и форм». Владимир: Изд-во Владим. гос. ун-та. – 1998. – 28с.;

2. Пантелеев А.П., Шевцов Ю.М., Горячев И.А.. Справочник по проектированию оснастки для переработки пластмасс. Москва: Изд-во «Машиностроение». – 1986. – 398с.;

3. Бортников В.Г. Производство изделий из пластических масс: Учебное пособие для вузов в трех томах. Том 3. Проектирование и расчет технологической оснастки. Казань: Изд-во «Дом печати». – 2004. – 311с.;

4. Мирзоев Р.Г., Кугушев И.Д., Брагинсий В.А. и др. Основы конструирования и расчет деталей из пластмасс и технологической оснастки для их изготовления. Учебное пособие для студентов вузов. Ленинград: Изд-во «Машиностроение». – 1972. – 416с.;

5. Энциклопедия полимеров. Т. 1,2,3. Москва: Изд-во «Советская энциклопедия», 1977;

6. Панов Ю.Т., В.Ю. Чухланов, А.В. Синявин. Альбом пресс-форм: Учебное пособие. Владимир: Изд-во Владим. гос. ун-та. – 2005. – 115с.;

7. Бортников В.Г. Производство изделий из пластических масс: Учебное пособие для вузов в трех томах. Том 2. Технология переработки пластических масс. Казань: Изд-во «Дом печати». – 2002. – 399 с.

ПРИЛОЖЕНИЯ

ПРИЛОЖЕНИЕ 1. Эскиз детали

ПРИЛОЖЕНИЕ 2. Литьевая форма на деталь Шайба. Сборочный чертёж

ПРИЛОЖЕНИЕ 3. Спецификация

Код для цитирования: Скопировать