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 Lр = 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
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.;
Пантелеев А.П., Шевцов Ю.М., Горячев И.А.. Справочник по проектированию оснастки для переработки пластмасс. Москва: Изд-во «Машиностроение». – 1986. – 398с.;
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.;
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.;
Энциклопедия полимеров. Т. 1,2,3. Москва: Изд-во «Советская энциклопедия», 1977;
Панов Ю.Т., В.Ю. Чухланов, А.В. Синявин. Альбом пресс-форм: Учебное пособие. Владимир: Изд-во Владим. гос. ун-та. – 2005. – 115с.;
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