Как делать литьевые формы



Georg Menges Walter Michaeli Paul Mohren


How to Make Injection Molds

Third Edition










HANSER
Hanser Publishers, Munich
Hauser Gardner Publication, Inc., Cincinnati

Георг Менгес
Вальтер Микаэли Пауль Морен


Как делать литьевые формы

Перевод с английского 3-го издания под редакцией В. Г. Дувидзона и Э. Л. Калинчева








Санкт-Петербург

2007

УДК 678.06
ББК 30.2-2Англ
М50

М50 Менгес Г., Микаэли В., Морен П.
      Как делать литьевые формы / Пер. с англ, под ред. В. Г. Дувидзона, Э. Л. Калин-лева. — СПб.: Профессия, 2007. — 640 стр., ил.

ISBN 978-5-93913-124-7
ISBN 3-446-21256-6 (Carl Hanser Verlag)
ISBN 1-56990-282-8 (Hanser Gardner Publications)

      Экономический успех в индустрии переработки пластмасс зависит от качества, точности и надежности формующего инструмента — литьевых форм. Следовательно, неправильное конструктивное решение, ошибка в расчетах и просчеты при изготовлении формы могут привести к плачевным результатам.
      Предлагаемый отечественным специалистам справочник содержит обобщенные и систематизированные данные по конструированию технологической оснастки. В нем представлены все аспекты успешного производства литьевых форм как с практической, так и теоретической точек зрения.
      Издание рассчитано на инжерно-технических работников, занятых в области проектирования, изготовления и эксплуатации литьевых форм. Книга будет полезна студентам вузов при изучении вопросов проектирования форм.

УДК 678.06
ББК 30.2-2Англ







All right reserved. Carl Hanser Verlag, Munich/FRG.
Authorized translation from the original English language edition published by Carl Hanser Verlag, Muhich/FRG


Все права защищены.
Никакая часть данной книги не может быть воспроизведена в какой бы то ни было форме без письменного разрешения владельцев авторских прав.


ISBN 978-5-93913-124-7
ISBN 3-446-21256-6 (CarlHanser Verlag)
ISBN 1-56990-282-8 (Hanser Gardner Publications)

© Carl Hanser Verlag, Munich, 2001
© Изд-во «Профессия», 2007

Содержание

Предисловие к третьему изданию..............................................16
1.    Материалы для деталей литьевых форм...................................17
1.1.  Стали.................................................................18
      1.1.1. Общие сведения.................................................18
      1.1.2. Цементуемые стали..............................................22
      1.1.3. Азотированные стали.............................................23 >
      1.1.4. Стали сквозной закалки.........................................26
      1.1.5. Термообработанные стали в состоянии поставки...................26
      1.1.6. Мартенситные стали.............................................27
      1.1.7. Твердые сплавы для литьевых форм...............................27
      1.1.8. Коррозионностойкие стали.......................................28
      1.1.9. Рафинированные стали...........................................29
1.2.  Стальное литье........................................................30
1.3.  Цветные металлы.......................................................30
      1.3.1. Медные сплавы...................................................30 ₕ
            1.3.1.1. Сплавы бериллий-медь....................................30 >
      1.3.2. Цинк и его сплавы..............................................33
      1.3.3. Сплавы алюминия................................................34
      1.3.4. Сплавы висмут-олово............................................37
1.4.  Материалы для электролитического осаждения............................37
1.5.  Обработка поверхности сталей для литьевых форм........................38
      1.5.1. Общие сведения..................................................38 ’
      1.5.2. Термообработка сталей..........................................40
      1.5.3. Термохимические методы обработки...............................40
            1.5.3.1. Науглероживание........................................40
            1.5.3.2. Азотирование...........................................40
            1.5.3.3. Борирование............................................41
      1.5.4. Электрохимическая обработка....................................42
            1.5.4.1. Хромирование...........................................42
            1.5.4.2. Никелирование...........................................42 >
            1.5.4.З. Процесс NYE-CARD (никель-фосфор-силикатные покрытия)...42
            1.5.4.4. Твердосплавные покрытия................................42
      1.5.5. Покрытие при пониженном давлении...............................43
            1.5.5.1. Процесс химического осаждения из газовой фазы..........43
            1.5.5.2. Процесс физического осаждения из газовой фазы..........44
1.6.  Лазерная обработка поверхности........................................45
      1.6.1. Лазерное упрочнение и переплавка...............................46
      1.6.2. Термохимические методы.........................................46
1.7.  Упрочнение электронным лучом..........................................47
1.8.  Технология Lamcoat....................................................47

Содержание


2.    Технология изготовления литьевых форм...................................48
2.1.  Изготовление форм и формообразующих вставок литьем......................49
      2.1.1. Методы литья и литейные сплавы..................................49
      2.1.2. Литье в песчаную форму..........................................50
      2.1.3. Технология точного литья .......................................52
2.2.  Технологии ускоренной подготовки производства..........................54
      2.2.1. Уровень развития технологий.....................................54
      2.2.2. Прямой метод получения технологической оснастки.................57
            2.2.2.1. Прямое получение металлической литьевой формы...........57
      2.2.3. Непрямые методы быстрого получения оснастки (технологические цепочки)..............................................63
            2.2.3.1. Цепочки с использованием позитивных моделей.............63
            2.2.3.2. Цепочки с использованием негативных моделей.............67
      2.2.4. Перспективы.....................................................70
2.3.  Выдавливание...........................................................72
2.4.  Механическая обработка и другие виды обработки с удалением материала...74
      2.4.1. Методы механообработки..........................................74
      2.4.2. Чистовая (окончательная) обработка поверхности..................75
            2.4.2.1. Шлифование и полирование
(ручное или механизированное).............................76
            2.4.2.2. Вибрационное шлифование.................................77
            2.4.2.3. Пескоструйная обработка (шлифование)....................77
            2.4.2.4. Внутренняя притирка.....................................77
            2.4.2.5. Электрохимическое полирование...........................79
            2.4.2.6. Электроискровая полировка...............................79
2.5.  Методы электроискровой обработки.......................................80
      2.5.1. Электроэрозионная обработка (ЭЭО)...............................80
      2.5.2. Электроискровое резание плавающим проволочным электродом........84
2.6.  Электрохимическая обработка (ЭХО)......................................85
2.7.  Электрохимическое удаление материала — травление.......................85
2.8.  Состояние поверхности после электроэрозионного
      или химического воздействий — внешний вид..............................88
2.9.  Лазерное гравирование..................................................89
      2.9.1. Быстрое прототипирование с помощью LASERCAV.....................90
2.10. Литье под давлением с выплавляемым пуансоном...........................91
      2.10.1. Литьевые формы для работы с выплавляемыми пуансонами...........94
            2.10.1.1. Литниковая система и впуск.............................97
            2.10.1.2. Термические аспекты конструирования формы..............98
            2.10.1.3. Сдвиг пуансона.........................................98
            2.10.1.4. Вентилирование.........................................99
      2.10.2. Литьевые формы для изготовления выплавляемых пуансонов....... 100
            2.10.2.1. Материал для пуансона................................ 101
            2.10.2.2. Конструкция литьевой формы........................... 101
            2.10.2.3. Литниковая система................................... 103
            2.10.2.4. Тепловой режим в формах для литья пуансонов.......... 103
            2.10.2.5. Извлечение выплавляемых пуансонов из формы........... 104

Содержание 7

3.    Определение стоимости изготовления литьевых форм.....................105
3.1.  Общая схема......................................................... 105
3.2.  Методика определения стоимости формы................................ 105
3.3.  Группа затрат I: формообразующие детали............................. 111
      3.3.1. Расчет трудоемкости изготовления формующей полости........... 111
      3.3.2. Расчет коэффициента времени механической обработки........... 111
      3.3.3. Зависимость времени обработки от глубины формующей полости.... 112
      3.3.4. Расход времени на обработку поверхности полости............... 113
      3.3.5. Расчет времени для обработки линии разъема.................... 113
      3.3.6. Поправка на качество поверхности.............................. ИЗ
      3.3.7. Время механообработки для фиксации пуансонов................. 114
      3.3.8. Поправка на допуски.......................................... 114
      3.3.9. Учет степени сложности и разнородности....................... 115
      3.3.10. Поправка на количество формующих полостей................... 115
     3.3.11. Расчет времени изготовления электродов для электроэрозионной обработки...................................... 116
3.4.  Группа затрат II: пакет плит........................................ 116
3.5.  Группа затрат III: основные узлы и детали........................... 116
      3.5.1. Литниковая система........................................... 118
      3.5.2. Система разводящих литниковых каналов........................ 119
      3.5.3. Горячеканальные системы...................................... 119
      3.5.4. Система термостатирования.................................... 120
      3.5.5. Система выталкивания......................................... 120
3.6.  Группа затрат IV: специальные узлы и детали......................... 120
3.7.  Другие методы расчета затрат........................................ 122
      3.7.1. Определение затрат по подобию................................ 122
      3.7.2. Принцип иерархического поиска по подобию..................... 124
4.    Литье под давлением..................................................125
4.1   Последовательность технологических операций ......................... 125
      4.1.1. Литье под давлением термопластов............................. 127
      4.1.2. Литье под давлением «сшитых» полимеров....................... 127
            4.1.2.1. Литье под давлением эластомеров...................... 128
            4.1.2.2. Литье под давлением реактопластов.................... 128
4.2.  Основные термины.................................................... 129
4.3.  Классификация литьевых форм......................................... 129
4.4.  Функции литьевых форм............................................... 129
      4.4.1. Критерии классификации литьевых форм......................... 131
      4.4.2. Основной порядок действий при конструировании формы.......... 133
      4.4.3. Определение размера формы.................................... 133
            4.4.3.1. Максимальное количество формующих полостей........... 137
            4.4.3.2. Усилие смыкания...................................... 141
            4.4.3.3. Максимальная площадь смыкания........................ 142
            4.4.3.4. Необходимый ход открытия............................. 142

Содержание

      4.4.4. Отношение длины потока к толщине стенки...................... 142
      4.4.5. Расчет количества формующих полостей......................... 144
            4.4.5.1. Алгоритм определения технически и экономически оптимального количества формующих полостей.................... 148
            4.4.5.2. Затраты на испытания, наладку и эксплуатацию......... 157
4.5.  Размещение формующих полостей....................................... 159
      4.5.1. Общие требования............................................. 159
      4.5.2. Возможные решения............................................ 160
      4.5.3. Равновесие сил в литьевой форме во время впрыска............. 160
      4.5.4. Количество линий разъема..................................... 161

5.    Конструирование литниковых систем....................................163
5.1.  Описание литниковой системы......................................... 163
5.2.  Концепция и определения различных типов литниковых каналов.......... 164
      5.2.1. Стандартные литниковые системы............................... 164
      5.2.2. Горячеканальные литниковые системы........................... 164
      5.2.3. Холодные каналы.............................................. 164
5.3.  Требования, предъявляемые к литниковой системе...................... 165
5.4.  Классификация литниковых систем..................................... 165
5.5.  Центральный литник.................................................. 169
5.6.  Конструкция разводящих литниковых каналов........................... 171
5.7.  Конструкция впускных литниковых каналов ............................ 176
      5.7.1. Место впуска................................................. 179
5.8.  Разводящие каналы и впускные литники для реактопластов.............. 182
      5.8.1. Эластомеры................................................... 182
      5.8.2. Реактопласты................................................. 183
      5.8.3. Влияние расположения места впускапри переработке эластомеров.. 184
      5.8.4. Литниковые каналы для высоконаполненных материалов........... 184
5.9.  Качественное (структура потока) и количественное моделирование процесса заполнения формы. (Имитационные модели)................................... 186
      5.9.1. Введение..................................................... 186
      5.9.2. Структура потока и ее значение............................... 186
      5.9.3. Использование структуры потока для подготовки к моделированию процесса заполнения................................................. 187
      5.9.4. Теоретические основы метода структуры потока................. 189
      5.9.5. Порядок построения диаграммы структуры потока................ 190
            5.9.5.1. Изображение фронтов потока........................... 190
            5.9.5.2. Радиус-вектор для выявления теневых участков......... 191
            5.9.5.3. Области с разной толщиной............................ 193
            5.9.5.4. Структура потока на ребрах........................... 197
            5.9.5.5. Структура потока изделий типа «коробка».............. 198
            5.9.5.6. Анализ критической области........................... 199
            5.9.5.7. Заключение............................................200
      5.9.6. Количественный анализ заполнения..............................200
      5.9.7. Аналитическое проектирование литниковых каналов...............201
            5.9.7.1. Реологические принципы [5.32].........................201

Содержание

9

            5.9.7.2. Определение свойств испытывающего сдвиг вязкого потока с помощью капиллярного вискозиметра...........................208
            5.9.7.3. Вязкость при растяжении..............................210
            5.9.7.4. Простые уравнения для расчета потерь давления
                   в литниковых каналах...................................211
5.10. Особые явления, связанные с многоточечным впуском...................214
5.11. Конструкция литниковых каналов для сшивающихся составов.............215
      5.11.1. Эластомеры..................................................215
            5.11.1.1. Расчет процесса заполнения..........................215
            5.11.1.2. Влияние параметров процесса на окна переработки.....216
            5.11.1.3. Примеры и критика модели окон переработки...........218
      5.11.2. Реактопласты................................................220
            5.11.2.1. Поведение расплава при литье реактопластов .........220
6.    Конструирование впускных литниковых каналов.........................223
6.1.  Центральный литник..................................................223
6.2.  Литник, подводимый к краю изделия, или веерный литник...............224
6.3.  Дисковый литник.....................................................226
6.4.  Кольцевой литник....................................................227
6.5.  Туннельный («подводный») литник.....................................229
6.6.  Точечный отрывной литник в трехплитной литьевой форме...............231
6.7.  Обратный центральный литник с отрывным точечным впуском.............233
6.8.  Безлитниковое литье.................................................235
6.9.  Литьевые формы с изолированными каналами............................236
6.10. Литниковые системы с контролем температуры — горячие каналы.........240
      6.10.1. Горячеканальные системы ....................................240
            6.10.1.1. Достоинства и недостатки горячеканальных систем.....241
            6.10.1.2. Новые возможности и применение горячих каналов......242
            6.10.1.3. Конструкция горячеканальной системы, ее деталей и узлов.244
            6.10.1.4. Сопла для горячеканальных форм......................252
            6.10.1.5. Данные, относящиеся к проектированию горячих коллекторов ... 256
            6.10.1.6. Нагрев горячеканальных систем.......................259
      6.10.2. Холодноканальные литниковые системы.........................263
            6.10.2.1. Системы холодных каналов для литья под давлением эластомеров.....................................263
            6.10.2.2. Литьевые формы с холодноканальной системой для переработки реактопластов.................................269
6.11. Специальные литьевые формы..........................................271
      6.11.1. Двухэтажные формы...........................................271
      6.11.2. Литьевые формы для многокомпонентного литья.................274
            6.11.2.1. Формы для комбинированного литья....................274
            6.11.2.2. Литьевые формы для сэндвич-литья....................278
            6.11.2.3. Литьевые формы сдвоенного литья.....................278
7.    Вентилирование формы................................................279
7.1.  Пассивное вентилирование............................................279
7.2.  Активное вентилирование.............................................285
7.3.  Вентилирование литьевых форм с противодавлением газа................287

Содержание

8.    Система теплообмена..................................................290
8.1.  Время охлаждения.....................................................291
8.2.  Температуропроводность некоторых полимеров...........................293
      8.2.1. Температуропроводность эластомеров............................294
      8.2.2. Температуропроводность реактопластов..........................294
8.3.  Расчет времени охлаждения для термопластов...........................296
      8.3.1. Приближенная оценка...........................................296
      8.3.2. Определение времени охлаждения по номограммам.................296
      8.3.3. Время охлаждения при несимметричной температуре стенок........298
      8.3.4. Время охлаждения деталей различной формы......................299
8.4.  Тепловой поток и мощность теплообмена................................302
      8.4.1. Тепловой поток................................................302
            8.4.1.1. Термопласты...........................................302
            8.4.1.2. Термореактивные материалы [8.16]......................306
8.5.  Аналитический расчет системы теплообмена на основе расхода тепла (общая схема).............................................................313
      8.5.1. Аналитический тепловой расчет.................................313
            8.5.1.1. Расчет времени охлаждения.............................316
            8.5.1.2. Баланс тепловых потоков...............................316
            8.5.1.3. Расход охлаждающей жидкости...........................317
            8.5.1.4. Температура канала охлаждения.........................319
            8.5.1.5. Расположение каналов охлаждения.......................321
            8.5.1.6. Конструкция охлаждающего контура......................328
8.6.  Расчеты при термическом проектировании форм..........................329
      8.6.1. Двухмерные расчеты............................................329
      8.6.2. Трехмерные методы.............................................330
      8.6.3. Упрощенная оценка теплового потока в критических точках изделия.331
      8.6.4. Практическая коррекция охлаждения угловой зоны ...............332
8.7.  Практическое конструирование систем охлаждения.......................332
      8.7.1. Системы теплообмена для пуансонов и цилиндрических изделий......332
      8.7.2. Системы охлаждения для плоских изделий........................337
      8.7.3. Герметизация системы охлаждения...............................341
      8.7.4. Динамическое охлаждение литьевой формы........................342
      8.7.5. Предупреждение деформации углов отливаемых изделий вследствие неравномерности теплового потока.........................344
            8.7.5.1. Холодный пуансон и теплая матрица.....................344
            8.7.5.2. Коррекция формы угловых секций........................345
            8.7.5.3. Локальное изменение потока тепла......................345
8.8.  Расчет режима нагрева литьевых форм для термореактивных материалов...346
8.9.  Теплообмен в формах для термореактивных материалов...................346
      8.9.1. Тепловой баланс...............................................346
      8.9.2. Распределение температуры.....................................350
8.10. Практическое конструирование термоэлектрических нагревателей форм для реактопластов.........................................................351

Содержание

11

9.    Усадка.............................................................353
9.1.  Введение...........................................................353
9.2.  Определение усадки.................................................353
9.3.  Допустимые отклонения..............................................355
9.4.  Причины усадки.....................................................356
9.5.  Причины анизотропной усадки........................................362
9.6.  Причины деформации.................................................364
9.7.  Технологический процесс и усадка...................................365
9.8.  Вспомогательные средства определения величины усадки...............368
10.   Проектирование конструкции литьевой формы..........................369
10.1. Деформация форм....................................................369
10.2. Анализ и оценка нагрузок и деформаций..............................369
      10.2.1. Определение действующих сил................................370
10.3. Основания для описания деформаций..................................371
      10.3.1. Простые вычисления для оценки формирования зазора..........371
      10.3.2. Оценка формирования зазора и предотвращение облоя..........373
10.4. Наложение деформаций узлов и деталей формы.........................374
      10.4.1. Соединенные пружины в качестве эквивалентных элементов.....375
            10.4.1.1. Параллельное соединение элементов..................376
            10.4.1.2. Последовательное соединение элементов..............376
10.5. Расчет толщины стенок формующей полости и их деформации............377
      10.5.1. Варианты нагрузок и соответствующие деформации.............377
      10.5.2. Вычисление размеров цилиндрической матрицы.................378
      10.5.3. Расчет размеров матрицы некруглого сечения.................380
      10.5.4. Расчет размеров плит формы.................................381
10.6. Методика расчета стенок матрицы с учетом внутреннего давления......382
10.7. Деформация полуматриц и ползунов под внутренним давлением..........383
      10.7.1. Литьевые формы с раздвижными полуматрицами.................383
10.8. Подготовка к расчету деформации....................................388
      10.8.1. Геометрические упрощения [10.15]...........................392
      10.8.2. Примеры выбора граничных условий...........................393
10.9. Примеры расчетов...................................................395
10.10. Прочие нагрузки...................................................402
      10.10.1. Оценка добавочных нагрузок................................403
11.   Сдвиг пуансонов....................................................404
11.1. Оценка наибольшего сдвига пуансона.................................404
11.2. Сдвиг цилиндрического пуансона при боковом точечном впуске в основании (жесткое крепление)......................................................405
11.3. Сдвиг цилиндрического пуансона в форме с дисковыми впускными
      литниковыми каналами (жесткое крепление)...........................407
      11.3.1. Фундаментальное исследование сдвига........................408
      11.3.2. Результаты вычислений......................................408

Содержание

11.4. Сдвиг пуансона при различных типах впускных литниковых каналов (жесткое крепление).......................................................411
11.5. Сдвиг рабочих деталей формы..........................................413
      11.5.1. Расчет деформации металлических вставок на примере цилиндрического валка [11.3]........................................413
            11.5.1.1. Определение линии смещения для деталей
                   различной конфигурации..................................414
11.6. Примеры конструкций крепления пуансона и регулирования глубины
      формующей полости....................................................416

12.   Извлечение отлитых изделий...........................................418
12.1. Обзор систем выталкивания............................................418
12.2. Конструкция систем выталкивания — усилия выталкивания и открытия [12.4]... 420
      12.2.1. Общие сведения...............................................420
      12.2.2. Методы расчета усилий выталкивания...........................424
            12.2.2.1. Статические коэффициенты трения для определения усилий выталкивания и открытия.......................................424
            12.2.2.2. Метод оценки усилий для извлечения (съема) цилиндрических втулок.........................................425
            12.2.2.3. Прямоугольные втулки.................................430
            12.2.2.4. Конические втулки....................................430
            12.2.2.5. Обобщение ряда основных случаев......................431
      12.2.3. Усилия выталкивания для сложных изделий на примере крыльчатки.431
     12.2.4. Количественный расчет процесса выталкивания изделий (для эластомеров).....................................................436
      12.2.5 Определение усилий открытия...................................440
            12.2.5.1. Изменения состояния на PVT-диаграмме для литьевых форм различной жесткости...........................................441
            12.2.5.2. Косвенные усилия открытия............................442
            12.2.5.3. Полное усилие открытия...............................442
12.3. Типы толкателей......................................................442
      12.3.1. Конструкция и размеры цилиндрических толкателей..............442
      12.3.2. Точки контакта толкателей и других элементов системы выталкивания ... 445
      12.3.3. Системы выталкивания.........................................449
12.4. Приведение системы выталкивания в движение...........................451
      12.4.1 . Способы приведения в движение и выбор мест контакта.........451
      12.4.2 Способы приведения в движение.................................452
12.5. Специальные системы выталкивания.....................................454
      12.5.1 . Механизм двойного выталкивания..............................454
      12.5.2 Комбинированное выталкивание..................................456
      12.5.3 Литьевые формы с тремя плитами................................457
            12.5.3.1. Перемещение плиты съема тягами.......................457
            12.5.3.2. Система выталкивания с замком........................457
            12.5.3.3. Обратное выталкивание со стороны неподвижной полуформы ... 459
12.6. Возврат толкателя....................................................459
12.7. Извлечение изделий с поднутрениями...................................464

Содержание

13

      12.7.1. Извлечение изделия с поднутрениями с помощью выталкивания...464
      12.7.2. Допустимая глубина поднутрений для защелок..................465
12.8. Извлечение резьбовых изделий........................................467
      12.8.1. Извлечение изделий с внутренней резьбой.....................467
            12.8.1.1. Съем резьбовых изделий..............................467
            12.8.1.2. Складывающиеся пуансоны.............................467
            12.8.1.3. Литьевые формы со сменными пуансонами...............468
      12.8.2. Литьевая форма с механизмом для вывинчивания................469
            12.8.2.1. Полуавтоматическая литьевая форма...................470
            12.8.2.2. Полностью автоматическая литьевая форма.............470
      12.8.3. Извлечение изделий с внешней резьбой........................478
12.9. Поднутрения в нецилиндрических изделиях.............................479
      12.9.1. Внутренние поднутрения......................................479
      12.9.2. Внешние поднутрения.........................................479
            12.9.2.1. Литьевая форма с ползунами..........................481
            12.9.2.2. Литьевая форма с раздвижными полуматрицами..........487
      12.9.3. Литьевые формы с механизмом отвода пуансонов................491
13.   Центрирование и смена литьевых форм.................................493
13.1. Задачи центрирования................................................493
13.2. Регулировка осей узла пластикации...................................493
13.3. Внутренняя центровка элементов......................................494
13.4. Центрирование больших литьевых форм.................................498
13.5. Смена литьевых форм.................................................501
      13.5.1. Системы ускоренной смены форм при переработке термопластов..501
      13.5.2. Смена форм для переработки эластомеров......................508
14.   Конструирование литьевых форм с помощью компьютера и использование CAD-систем................................................510
14.1. Введение............................................................510
      14.1.1. Метод структуры потока......................................510
      14.1.2. Разработка конфигурации.....................................511
      14.1.3. Освоение сложных алгоритмов.................................512
      14.1.4. Моделирование используется недостаточно.....................512
      14.1.5. Проще и с меньшими затратами................................512
      14.1.6. Перспективы.................................................513
14.2. Применение СЛВ-систем в конструировании литьевых форм...............513
      14.2.1. Введение....................................................513
      14.2.2. Принципы CAD................................................514
            14.2.2.1. Двух-и трехмерные модели............................514
            14.2.2.2. Повышение производительности CAD с помощью ассоциативности, параметрических моделей, геометрических и функциональных характеристик................................517
            14.2.2.3. Интерфейсы и интегрированные системы CAD............519
            14.2.2.4. Организация прохождения данных и поток информации...523

Содержание

      14.2.3. Применение автоматизированного проектирования в изготовлении форм. 524
            14.2.3.1. Моделирование.........................................524
            14.2.3.2. Интеграция функций изготовления форм..................529
            14.2.3.3. Расширение функциональности в специальных приложениях .... 533
            14.2.3.4. Возможность комплексного инженерного подхода к проектированию с применением CAD..............................533
      14.2.4. Выбор и внедрение СЛВ-систем..................................535
            14.2.4.1. Этапы выбора системы..................................536
            14.2.4.2. Определение общего замысла применения САВБ
            14.2.4.3. Определение эффективности системы проверкой по контрольному образцу.........................................539
            14.2.4.4. Внедрение CAD.........................................541
15.   Обслуживание литьевых форм............................................543
15.1. Преимущества графиков обслуживания....................................545
15.2. Плановое обслуживание.................................................546
      15.2.1. Сбор данных...................................................546
      15.2.2. Анализ данных и выявление слабых мест.........................549
      15.2.3. Компьютерная поддержка........................................550
15.3. Уход за формами и их хранение.........................................551
15.4. Ремонт и реконструкция форм...........................................554
16.   Измерения в литьевых формах...........................................559
16.1. Датчики...............................................................559
16.2. Измерение температуры.................................................559
      16.2.1. Измерение температуры расплава с использованием инфракрасных датчиков............................................................  559
16.3. Измерение давления....................................................560
      16.3.1. Цель измерения давления.......................................560
      16.3.2. Датчики для измерения давления расплава.......................560
            16.3.2.1. Прямое измерение давления.............................561
            16.3.2.2. Косвенные методы измерения давления...................562
16.4. Использование датчиков................................................563
16.5. Оптимизация технологического процесса.................................563
16.6. Контроль качества.....................................................565
17.   Стандартные детали и узлы литьевых форм...............................568

18.   Регуляторы температуры (термостаты) в литьевых формах.................576
18.1. Функции, методы, классификация........................................576
18.2. Регулирование.........................................................577
      18.2.1. Методы регулирования..........................................577
      18.2.2. Необходимые условия качественного регулирования...............579
            18.2.2.1. Термостаты............................................581
            18.2.2.2. Нагревательная, охлаждающая и перекачивающая способность... 581
            18.2.2.3. Датчики температуры...................................582
            18.2.2.4. Установка датчиков температуры в форме................582

Содержание

15

            18.2.2.5. Система теплообмена в форме ........................583
            18.2.2.6. Возможности поддержания стабильной температуры......584
18.3. Выбор оборудования..................................................584
18.4. Соединительные элементы формы и оборудования — меры безопасности....585
18.5. Теплоноситель.......................................................586
18.6. Техническое обслуживание и чистка...................................587
19.   Способы устранения дефектов, возникающих в процессе литья
      под давлением.......................................................589

20.   Специальные технологии литья под давлением
      и специальные литьевые формы........................................593
20.1. Микролитье..........................................................593
      20.1.1. Технология литья и управление процессом.....................593
      20.1.2. Изготовление микроматриц....................................597
            20.1.2.1. Кремневая технология................................598
            20.1.2.2. Технология LiGA.....................................599
            20.1.2.3. Технология LiGA с использованием лазера.............600
            20.1.2.4. Лазерное резание....................................600
            20.1.2.5. Электроискровая обработка...........................602
            20.1.2.6. Микромеханическая обработка.........................602
20.2. Декорирование изделий в процессе литья под давлением ...............604
20.3. Переработка жидкого силиконового каучука............................607
      20.3.1. Вакуумирование..............................................608
      20.3.2. Впуск.......................................................609
      20.3.3. Выталкивание................................................609
      20.3.4. Контроль температуры........................................609
      20.3.5. Холодноканальная литниковая система.........................610
20.4. Компрессионное прессование..........................................611
Литература................................................................614

            Предисловие к третьему изданию



Литьевые формы — это высокоточный инструмент, постоянная и надежная работа которого имеет решающее значение для экономического успеха многих компаний, занимающихся переработкой пластмасс. Поэтому ошибки в проектировании и конструкции форм влекут за собой очень тяжелые последствия.
  Цель появления этой книги — помочь избежать подобных ошибок. Основываясь на предыдущих изданиях, она привлекает внимание как итог огромной исследовательской работы, проделанной в Институте переработки пластмасс Аахенского Технического университета с финансовой помощью общественных и частных фондов.
  Мы особенно благодарны тем, кто принимал участие в написании этой книги и тем, кто заложил основы для нее в предыдущих изданиях. Это доктор X. Бангерт, доктор П. Барт, доктор У. Хофен-Нивелыптайн, доктор О. Кречмар, доктор М. Паар, доктор Г. Петч, доктор Т. У. Шмидт, доктор X. Шнайдер, профессор Е. Шюрман и профессор С. Штитц.
  Мы в долгу у сотрудников и студентов Института, которые способствовали успеху этой книги своей работой и личным вкладом. Нашу благодарность в их адрес пусть примут мисс Г. Нелиссен, мисс И. Цекорн и мистер У. Окон; всех просто невозможно перечислить. И наконец, мы выражаем признательность издательскому дому Carl Hanser и в особенности доктору У. Гленцу и мистеру О. Иммелю за превращение рукописи в столь замечательную книгу.

Г. Менгес
В. Микаэли
П. Морен

                1. Материалы для деталей литьевых форм





Технология литья пластмасс под давлением должна соответствовать постоянно растущему спросу на недорогие и высококачественные изделия. Решить такую задачу производитель способен только при условии тщательного контроля технологического процесса, соответствии геометрии изделия особенностям полимерного материала и способа его переработки, а также точного воспроизведения размеров и качества поверхности. Литьевые формы должны надежно и стабильно работать, выдерживая в процессе эксплуатации предельные нагрузки, обеспечивая окупаемость инвестиций длительным сроком службы. Надежность и долговечность литьевой формы зависят не только от конструкции и режима обслуживания, но в первую очередь от материалов, из которых она изготовлена, их термической и механической обработки [1.1, 1.2].
  В то время как плиты литьевой формы чаще всего стальные, формообразующие детали часто бывают выполнены из других высококачественных металлических и неметаллических материалов. Детали формы, изготовленные не из стали, используют для получения формующих полостей (гнезд) сложной формы. Их часто получают методом электролитического осаждения. В последнее время роль неметаллических материалов в изготовлении литьевых форм возросла. Произошло это, с одной стороны, благодаря использованию новых технологий, а с другой — за счет увеличения практики выпуска пробных серий на прототипах форм, когда заказчики хотят получить первые промышленные партии деталей максимально быстро и дешево, а затем, по результатам испытаний, внести коррективы и сделать доработки. Изготовление таких прототипов и литьевых форм, используемых для выпуска небольших партий, обсуждается ниже.
  Литьевая форма, как правило, состоит из набора отдельных элементов (см. рис. 4.3). Специфика работы каждого из них требует соответствующего выбора материала. Формообразующие элементы (матрица и пуансон) отвечают за правильную конфигурацию изделия и текстуру поверхности. Ясно, что выбор материала и методов его обработки для изготовления формообразующих деталей требует особого внимания и определенного опыта.
  Выбор материала для матрицы и пуансона определяется несколькими факторами. В них учитываются экономические показатели, внешний вид и размер изделия и специальные свойства перерабатываемого материала (армированный или без наполнения, термоустойчивость и т. д.). Отсюда определяются такие параметры, как минимальные размеры матрицы, допустимый износ литьевой формы в условиях производства, качество отливаемого изделия в зависимости от изменений размеров и внешнего вида. К экономическим показателям относятся необходимый объем производства и, следовательно, срок службы формы, а также допустимые затраты на ее изготовление. Из этих параметров, в свою очередь, складываются требования

1. Материалы для деталей литьевых форм

к материалу, из которого изготовлена литьевая форма, к его термическим, механическим и специальным свойствам. Часто производителю приходится искать компромисс между противоречивыми требованиями.


            1.1.   Стали


        1.1.1. Общие сведения

Обычно сталь является единственным материалом, который гарантирует надежную работу формы в течение длительного срока службы. Марка стали должна быть правильно подобрана из ассортимента, предлагаемого производителями, а ее обработкой должна обеспечиваться структура, необходимая для получения желаемого внешнего вида отливаемого изделия. Здесь на первый план выходит химический состав стали. Как правило, в сплаве содержится несколько взаимодействующих между собой компонентов (табл. 1.1). Окончательный выбор состава зависит от требований, выдвигаемых изготовителями литьевой формы. От стали ожидают следующие свойства:
  • допустимость применения экономичных способов металлообработки (механообработка, электроэрозионная обработка, полирование, шлифование, травление, выдавливание);
  • отсутствие проблем при термообработке;
  • достаточные прочность и жесткость;
  • термо- и износостойкость;
  • коррозионная устойчивость.
  Желаемый профиль поверхности достигается в основном механообработкой, что требует времени и дорогостоящего оборудования, но в большинстве случаев не обеспечивает такое качество поверхности, которое позволило бы обойтись без дополнительной ручной доводки. Применение механообработки ограничено механическими свойствами материала [1.9]. Обработка сталей с пределом прочности от 600 до 800 МПа достаточно экономична [1.2]; вообще же обработке поддаются стали с пределом прочности до 1500 МПа. Поскольку прочность ниже 1200 МПа обычно недостаточна, после механической обработки сталь подвергают дополнительной обработке, чаще всего термической. Это может, например, быть закалка и отпуск.
  Определенная термообработка придает стали необходимые свойства, в особенности твердость поверхности и достаточную прочность сердцевины. Заметим, однако, что любая термообработка несет в себе определенный риск (деформация, образование трещин). Чтобы в результате термообработки форма не оказалась выведена из строя, перед окончательной стадией механической обработки металл рекомендуется подвергать отжигу для снятия внутренних напряжений. Придерживаться такой последовательности операций особенно важно, когда геометрия элементов формы отличается повышенной сложностью и объем механической обработки достаточно велик.
  Чтобы помочь производителю форм избежать подобных проблем, металлурги предлагают предварительно закаленные стали с пределом прочности между 1100 и 1400 МПа, которые допускают механическую обработку благодаря содержанию серы (от 0,06 до 0,10%). При этом очень важна равномерность концентрации серы в стали.

1.1. Стали

19

Таблица 1.1. Влияние легирующих элементов на свойства стали [1.3-1.8]

               Легирующий                                                    
               л е м е нт С   Si   S   р  Cr  Ni  Мп  Co  Mo   V   w   Cu Ti 
               t Свойство                                                    
Прочность                      t  ---      Т               t   t   T      --Жесткость                          г               ;       г          --- г  
Ударная прочность              г   г   ;                  ---                
(образец с надрезом)                                                         
Удлинение                      г   г       г       ;  ---  г  ---     --- --Износостойкость           т   --- --- ---  т  ---     ---  т   T   T  --- T  
Прокаливаемость           ---  t  --- ---  т          ---  t  --- --- --- --Твердость                      t  --- ---  т      ---      t   t      --- --Обрабатываемость               г   т       г   ;      --- ---  г      --- --Свариваемость                  г   г   ;   г   ;   ;       г   г  --- --- --Пластичность                   г   г       г              --- ---     --- --Ковкость                       г   г  --- --- --- --- ---  г  ---  г  --- --Т еплостойкость/твердость      t  ---      т  --- ---      t   t   T  --- --при красном калении            г  --- ---  т               t   г   T  ---    
Чувствительность                                                             
к перегреву                                                                  
Сохранение твердости           t  ---      г  ---  T   t   t   t   T  --- --Коррозионная стойкость    ---  т   г       т   т           t   T   T      --
Более высокое содержание серы хотя и облегчает механическую обработку, создает другие проблемы, подчас более сложные. Например, стали с высоким содержанием серы не столь хорошо полируются, как стали без серы, а при их антикоррозионном хромировании и никелировании часто не удается избежать брака. При необходимости восстановления изношенных элементов формы сварка сталей с высоким содержанием серы не дает удовлетворительного результата. Фотохимическое травление для получения текстурного рисунка на поверхности детали из стали с высоким содержанием серы также не используется.
  В последние годы при обработке сталей, не содержащих серу, большое значение приобрел метод электроэрозионной обработки. Когда требуется получить ряд небольших матриц (например, для изготовления клавиш компьютерной клавиатуры), экономически эффективно использовать холодное выдавливание. Стали, подходящие для такой обработки, должны иметь хорошую пластичность после отпуска. Применяются, например, мягкие стали с содержанием углерода менее 0,2%.
  После формования им придают необходимую поверхностную прочность путем термообработки. Такое повышение прочности становится возможным благодаря науглероживанию (цементации). Стали с упрочненной поверхностью составляют важную группу материалов для изготовления матриц литьевых форм.
  Деформация и изменение размеров детали часто оказываются побочными эффектами термообработки. Изменение размеров происходит по причине термических напряжений и изменений объема ввиду фазовых переходов в стали. Такие измене

1. Материалы для деталей литьевых форм

ния неизбежны. Деформации, наоборот, вызваны либо неправильной термообработкой до, в течение или после формования, либо нетехнологичной конструкцией матрицы/пуансона (острые края и углы, большие перепады сечений и т. д.). Отклонения от точных размеров ЗП-модели при термообработке являются результатом как деформации, так и изменения размеров. Практически невозможно однозначно назвать причину. На рис. 1.1 приведена классификация факторов, приводящих к отклонениям от формы и размеров. Влияние этих факторов сводится к минимуму при использовании специальных марок и сплавов стали [1.11, 1.12].
  Следует обратить внимание на стали предварительного, мартенситного и сквозного упрочнения. Предварительно закаленные стали не требуют сколь-нибудь существенной термообработки после формования. Требуемая износостойкость таких сталей достигается за счет химических (хромирование) или диффузионных процессов (азотирование при температуре от 450 до 600 °C).
  Для мартенситных сталей, подвергающихся термообработке при относительно низкой температуре, обычные риски, связанные с термическими напряжениями и фазовыми переходами, невелики [1.13]. Термообработка сталей сквозного упрочнения такова, что их структура во всем объеме одинакова и заметных напряжений не наблюдается.
  Область применения сталей сквозного упрочнения ограничена из-за опасности растрескивания под высокими изгибающими нагрузками, особенно для крупногабаритных литьевых форм. Наилучшим образом сочетают прочность сердцевины и износостойкость поверхности стали с поверхностным упрочнением. Например, это очень важно для длинных пуансонов и т. п.
  Эксплуатационному износу наиболее эффективно противостоит высокая твердость поверхности. Наилучшие результаты по упрочнению и равномерное качество поверхности достигаются у сталей, которые не имеют поверхностных изъянов, отличаются высокой чистотой и однородностью структуры. Высокая степень чистоты стали является условием безупречной полируемости поверхности матрицы для тех форм, в которых отливаются изделия оптического назначения. Такая чистота присуща только тем сталям, которые подвергаются переплавке (рафинированию) один или несколько раз. Переплавка улучшает и механические свойства. Такие стали применяют при изготовлении высококачественных формообразующих деталей.
  Максимальной устойчивостью к истиранию отличаются стали, полученные методом порошковой металлургии (твердый сплав).
  Температура литьевой формы (обычно ниже 120 °C) и теплообмен в ней определяются свойствами перерабатываемой пластмассы и технологией литья. При переработке большинства термопластичных материалов тепловые потоки практически не оказывают никакого влияния на выбор материала для изготовления формы. Однако сейчас на рынке все шире представлены термопласты с температурой плавления до 400 °C; температура формы при их переработке выше 200 °C.
   При переработке термореактивных материалов температура формы также находится в пределах от 150 до 250 °C. В этих пределах оказываются затронуты механические свойства материала, из которого изготовлена форма. Износ и склонность к деформации возрастают, трещиностойкость и усталостная прочность уменьшается [1.14]. Все это следует помнить, выбирая для литьевой формы наиболее подходящий мате-

Рис. 1.1. Факторы влияния на размерную точность деталей при термообработке [1.12]

1.1. Стали