Басов - Формующий инструмент для изготовления изделий из полимерных материалов (1991)

К И. Басов В,А, Брагинский Ю.В.Казанков

Расчет и конструирование формующего инструмента для изготовления изделий из полимерных материалов

Допущено Государственным комитетом СССР по народному образованию в качестве учебника для студентов высших учебных заведений, обучающихся по специальности „Машины и аппараты химических производств и предприятий строительных материалов"

МОСКВА «ХИМИЯ»

1991

Рецензент: зав. кафедрой „Полимерное машиностроение" Тамбовского института химического машиностроения к.т.н. А.С. Клинков Басов Н.И., Брагинский В.А., Казанков Ю.В.

Расчет и конструирование формующего инструмента для изготовления изделий из полимерных материалов: Учебник для вузов. - М.: Химия, 1991. - 352 е.: ил.

Даны сведения об устройстве, изготовлении и эксплуатации формующего инструмента для производства изделий из полимерных материалов. Приведенные конструктивно-технологические расчеты инструмента и правила его конструирования основаны на современных представлениях о процессах, протекающих в формующем инструменте, и о влиянии его конструкции на качество получаемых изделий.

Для студентов высших учебных заведений, обучающихся по специальности „Машины и оборудование по переработке пластмасс и эластомеров"

© Н.И. Басов, В.А. Брагинский,

Ю.З. Казанков, 1991г.

ОГЛАВЛЕНИЕ

Введение

Глава 1

МЕТОДИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ ФОРМУЮЩИХ ИНСТРУМЕНТОВ

1.1. Методология системного анализа 11

1.1.1. Общие положения 11

1.1.2. Конструирование деталей 16

1.1.3. Проектирование формующего инструмента 1'

1.2. Пластмассовое изделие как информационная база для проектирования формующего инструмента 18

1.2.1. Общие положения

1.2.2. Технологичность изделий (общая и поэлементная) 21

1.2.3. Влияние конструкции изделия на образование остаточных напряжений... 41

1.2.4. Точность и взаимозаменяемость изделий 45

Глава 2

ФОРМЫ ДЛЯ ПРЕССОВАНИЯ 65

2.1. Назначение, устройство и принцип действия форм для прессования 65

2.2. Исходные данные для проектирования 77

2.3. Взаимодействие формы с прессом 78

2.4. Система оформляющих деталей пресс-форм 82

2.4.1. Основные конструктивные особенности 82

2.4.2. Оформляющие гнезда и загрузочные камеры (конструктивные типы и расчет) 85

2.4.3. Расчеты оформляющих деталей на прочность и жесткость 87

2.4.4. Расчет исполнительных размеров оформляющих деталей 91

2.5. Литниковые системы пресс-форм литьевого прессования. Конструктивные особенности и расчет 99

2.6. Система обогрева пресс-форм 103

2.6.1. Назначение, классификация, основные конструктивные особенности .. . 103

2.6.2. Тепловой расчет пресс-форм 106

2.7. Системы удаления изделий из полости пресс-формы, перемещения и центрирования деталей. Установка пресс-форм , 112

2.7.1. Система удаления изделий 112

2.7.2. Система перемещения деталей 115

2.7.3. Система центрирования 117

2.7.4. Установка и закрепление пресс-форм 117

2.8. Материалы и технологические процессы изготовления формообразующих деталей пресс-форм (ФОД) 118

2.8.1. Стали 118

2.8.2. Цветные сплавы и другие материалы 121

2.8.3. Технологические процессы изготовления и сборки ФОД 122

2.9. Приемка, эксплуатация, ремонт и ресурс пресс-форм 125

2.9.1. Приемка 125

2.9.2. Эксплуатация 126

2.9.3. Ремонт 127

2.9.4. Ресурс 128

Глава 3

ФОРМЫ ДЛЯ ЛИТЬЯ ПОД ДАВЛЕНИЕМ 129

3.1. Назначение, устройство и принцип действия литьевых форм 129

3.2. Исходные данные для проектирования 138

3.3. Взаимосвязь формы с литьевой машиной 140

3.3.1. Инжекционные, объемные и основные геометрические соотношения ... . 140

3.3.2. Расчет гнездности формы 142

3.4. Система оформляющих деталей 144

3.4.1. Назначение и классификация 144

3.4.2. Конструктивные особенности и расчетные схемы 145

3.5. Литниковые системы 151

3.5.1. Назначение и классификация 151

3.5.2. Холодноканальные литниковые системы 154

3.5.3. Горячеканальные литниковые системы 165

3.5.4. Гидравлический расчет литниковой системы и формы 174

3.6. Системы термостатирования 178

3.6.1. Назначение и классификация 178

3.6.2. Конструктивные особенности систем охлаждения 179

3.6.3. Расчет системы охлаждения 184

3.7. Системы выталкивания 187

3.7.1. Назначение, классификация и конструктивные особенности 187

3.7.2. Расчет перемещений выталкивающей системы и усилий выталкивания изделий 191

3.8. Системы перемещения и центрирования 193

Глава 4

ЭКСТРУЗИОННЫЙ ИНСТРУМЕНТ 199

4.1. Общее устройство экструзионных головок и калибрующих устройств 199

4.2. Классификация экструзионного инструмента 202

4.3. Факторы, определяющие конструктивное оформление головок 207

4.4. Гидравлический расчет головок 220

4.5. Плоскощелевые головки 227

4.5.1. Конструктивные варианты головок 227

4.5.2. Методы выравнивания потока 229

4.5.3. Расчет размеров каналов головок 232

4.5.4. Устройства для выравнивания потока 243

4.6. Кольцевые головки 248

4.6.1. Трубные головки 248

4.6.2. Раздувные головки 252

4.6.3. Головки для изготовления рукавной пленки 264

4.6.4. Кабельные головки 272

4.7. Головки для изделий сложного профиля 276

4.8. Прочностной и тепловой расчет головок 287

4.9. Калибрующий инструмент 288

4.10. Фильтры 297

Глава 5

ФОРМЫ ДЛЯ РАЗДУВНОГО ФОРМОВАНИЯ 302

5.1. Общее устройство и классификация форм 302

5.2. Формообразующие детали 308

5.3. Пресс-канты 316

5.4. Система охлаждения 321

5.5. Система вентиляции оформляющих полостей 325

Глава 6

ИНСТРУМЕНТ ДЛЯ ПНЕВМОВАКУУМНОГО ФОРМОВАНИЯ 328

6.1. Технологические разновидности формующего инструмента 328

6.2. Факторы, определяющие выбор конструкции формы 331

6.2.1. Требования к конфигурации изделия 331

6.2.2. Требуемые серийность изделия и производительность 335

6.3. Формообразующие детали 339

6.3.1. Материал и технология изготовления 339

6.3.2. Расположение гнезд и расстояния между ними 341

6.3.3. Вентиляционные каналы 345

6.4. Система охлаждения 348

Рекомендательный библиографический список 349

ВВЕДЕНИЕ

Многообразие изделий из пластмасс чрезвычайно велико, только, в нашей стране их ассортимент включает в себя более миллиона наименований; их потребители- практически все отрасли народного хозяйства и каждый человек в отдельности. В последние десятилетия переработка пластмасс в изделия интенсивно развивается не только в химической промышленности, но и в других отраслях. В связи с этим уже возникла и еще очень долго будет сохраняться большая потребность в квалифицированных специалистах- конструкторах изделий и формующего инструмента для их изготовления.

Чтобы составить представление об основных направлениях деятельности таких специалистов в условиях промышленного производства и о роли знаний в области конструирования формующего инструмента, рассмотрим основные этапы создания и выпуска пластмассового изделия.

Первый этап-проектирование изделия. Проектируя то или иное изделие, отдельный узел машины, прибора, агрегата (например, механизм привода суппорта металлообрабатывающего центра, аппарат „искусственная почка", панель прибора управления автомобиля, кофемолку и др.), конструктор по комплексу предъявляемых эксплуатационных требований назначает и указывает в чертежах наиболее подходящий для изготовления этого изделия материал. При этом он может пользоваться справочной литературой, консультироваться со специалистами - материаловедами-полимерщиками. Технологические ограничения, накладываемые, например, на форму изделия (а это для пластмассовых изделий очень существенно и специфично), чаще всего на этом этапе оказываются практически неучтенными, что может быть связано в значительной мере с некомпетентностью конструктора в области переработки пластмасс.

Второй этап-размещение заказа на изготовление детали. Если организация- разработчик изделия не имеет собственных производственных мощностей по переработке пластмасс, то она ищет (в своей или смежных с ней отраслях) предприятие, на котором таковые имеются. Специалист технического отдела этого предприятия, знакомый как с оборудованием, так и с технологией переработки пластмасс, спецификой технологии изготовления и эксплуатации формующего инструмента, получив рабочий чертеж изделия, в первую очередь должен определить, возможно ли его изготовление на имеющемся в наличии оборудовании (возможна ли на нем переработка конкретного типа материала, достаточны ли мощность, габариты оборудования и др.).

При этом обсуждается вопрос о том, можно ли, в принципе, сконструировать инструмент для предложенной в чертежах конфигурации изделия (если нет, то специалист технического отдела может дать общие рекомендации о ее изменениях). Если конструкция формующего инструмента принципиально возможна, то здесь же решают, изготовит ли его сам заказчик или предприятие, принимающее заказ на выпуск изделия, в собственном инструментальном цехе (если оба варианта не реальны, то поиском изготовителя формы должен заняться заказчик изделия).

В итоге, разрешив все проблемы размещения заказа, завершают организационный этап создания изделия.

Третий этап-конструирование формующего инструмента - является самым ответственным. Если принимаемые на предыдущих этапах решения не влекут за собой каких-либо значительных материальных затрат и в связи с этим последующие корректировки и изменения этих решений практически безболезненны, то ошибки, допущенные при конструировании формующего инструмента, воплощаются в реально изготовленном инструменте и, как правило, могут быть обнаружены уже только после того, как инструмент установлен на машину и начаты его промышленные испытания. Возможные материальные потери при этом значительны, так как только стоимость изготовления формующего инструмента часто превышает 8-10 тыс. руб., кроме того резко удлиняется период запуска детали в производство из-за исправления ошибок в конструкции и нового исполнения инструмента.

Ошибки, допускаемые при конструировании формы, могут носить различный характер. Во-первых, те или иные элементы конструкции формующего инструмента могут быть спроектированы без учета особенностей процессов, протекающих во время формования полимера, и специфики его технологических свойств. Во-вторых, конструкция какой-либо детали инструмента может оказаться трудно осуществимой (или ее вообще нельзя изготовить на имеющемся оборудовании).

В-третьих, спроектированный инструмент может оказаться „несопрягаемым" с соответствующей перерабатывающей машиной (например, ход выталкивателя пресса меньше, чем требуемый ход системы выталкивания пресс-формы). Во избежание этих ошибок конструктор формующего инструмента помимо активного владения общими принципами и навыками конструирования должен иметь знания в области оборудования в технологии переработки пластмасс.

Четвертый этап-изготовление инструмента. В нем принимают участие инженеры-технологи по обработке металлов.

Пятый, заключительный этап - испытания формующего инструмента при работе его на перерабатывающей машине, а затем- его промышленная эксплуатация. В этом принимают участие технолог цеха по переработке пластмасс и механик цеха по оборудованию. Первый отвечает за контроль качества сырья и готовой продукции, наладку и контроль технологических режимов формования, а второй- за поддержание оборудования в рабочем состоянии. Каждый из этих специалистов должен обладать знаниями в области технологии переработки, оборудования и формующего инструмента.

Вот пример одной из возможных производственных ситуаций: при литье под давлением на изделии возник облой (материал начал частично вытекать из оформляющей полости). Первым, в соответствии со своими обязанностями, обнаружил это технолог. Пытаясь устранить дефект, он самостоятельно на термопластавтомате (если машина не снабжена ЭВМ) увеличил усилие смыкания полуформ и снизил температуру литья. Однако в результате применения этих приемов дефект не был устранен. Хотя технологические приемы практически исчерпаны, ответственность по устранению дефекта по-прежнему лежит на технологе, он должен установить истинную причину дефекта (недостаток формующего инструмента, оборудования или другие причины). Квалифицированно выполнить это, например обязать механика цеха устранить возможную, по его мнению, причину (проверить крепление и затяжку колонн узла смыкания форм у машины), технолог может в том случае, если он обладает необходимым минимумом знаний в области оборудования. В свою очередь, механик, исчерпав известные ему возможности и получив отрицательный эффект, должен составить собственное мнение о причине брака (например, предположив, что со временем возник прогиб плит литьевой формы из-за недостаточной их толщины) и предложить конструктору формы заняться его исправлением.

По мнению авторов, настоящий учебник является для будущего конструктора формующего инструмента введением в специализацию, а специалистам по переработке пластмасс он может помочь приобрести общие представления о формующем инструменте, достаточные для успешной работы по рассмотренным выше четырем возможным основным направлениям производственной деятельности.

Несколько слов о характере труда конструктора формующего инструмента. Он должен быть достаточно интенсивным (сроки проектирования инструмента очень сжаты, как правило, от 10 дней до месяца), высококвалифицированным и ответственным. Каждую „единицу" инструмента конструирует, как правило, один человек, так что ответственность за все принятые решения - персональная. Продукция конструктора должна быть совершенной „с первого предъявления", здесь не может быть промежуточных стадий, как при создании машин (опытный, опытно-промышленный образец и др.). Начинающие конструкторы, проработавшие в течение 2-3 лет в данной области, приобретают уникальную и постоянно актуальную профессию.

Конструктор должен искать и реализовывать в чертежах оптимальные варианты, а это связано с необходимостью комплексно решать в большинстве случаев проблемы: термостатирования (обеспечения однородности температурных полей в формующем инструменте и экономного расхода энергии); гидродинамики заполнения формующей полости материалом (учета скоростных факторов для обеспечения наибольшей производительности работы инструмента и ориентации материала, влияющей на качество изделий и т. д.); прочности (обеспечения рациональной материалоемкости формующего инструмента, учета опасных напряжений в наиболее нагруженных элементах); взаимозаменяемости и точности (обоснованного выбора долговечных посадок и оптимальных квалитетов размеров, в первую очередь размеров сопрягаемых элементов, степеней точности, допускаемых отклонений от правильной геометрической формы, классов шероховатости поверхностей, номинальных исполнительных размеров формующей полости); надежности и долговечности работы (кратковременной - в течение каждого технологического цикла, длительной - планируемой на весь период выполнения программы выпуска изделий); безопасной эксплуатации; патентной экспертизы и чистоты. Необходимая глубина решения этих проблем определяется уровнем требований, предъявляемых к качеству изделий, и объемом их производства.

В изделии сосредоточены результаты усилий конструкторов, материаловедов, технологов, механиков, метрологов, организаторов производства. Практически всегда поиск решений и их реализация помимо комплексного подхода требуют принятия разумных компромиссов, что характерно для любых инженерных задач. В современных условиях, экономно затрачивая время, рассмотрение вариантов проводят с помощью средств вычислительной техники. Известны разного уровня и целей САПР формующего инструмента для изделий из пластмасс, пока не слишком распространенные в отечественной промышленности. Однако САПР-непременное условие технического прогресса вообще, и в данном конкретном случае, естественно. Развитие, расширение сфер использования и стандартизация прикладных программ САПР является ближайшей задачей конструкторов формующего инструмента- наряду с дальнейшей унификацией деталей, узлов и конструкции в целом.

Прогресс „формостроения" зависит и от совершенствования и специализации инструментальных производств. В этой области главными являются следующие направления: снижение трудоемкости конструирования и изготовления формующего инструмента; повышение стойкости, работоспособности и производительности его; совершенствование конструкций формующего инструмента с целью автоматизации управления его работой в режиме АСУ ТП переработки пластмасс, повышения качества изделий, уменьшения расхода сырья и отходов (необратимых и обратимых), т.е. уменьшения дефицита пластмасс; обеспечение роста объемов производства изделий из пластмасс и формующего инструмента без увеличения общей численности рабочих.

Конструктор формующего инструмента обычно специализируется на определенных объектах, например на формах для литья под давлением, или на экструзионных головках, пресс-формах и т. д.-в зависимости от профиля работы своего предприятия, НИИ, КБ. Но при этом у него должна быть все же достаточная универсальная квалификация, чтобы проектировать разные типы формующего инструмента, принципиальные отличия которых основаны на различии агрегатного состояния формуемого материала, характера процессов превращения материала во время формования; ниже приведены соответствующие данные:

ГЛАВА 1

МЕТОДИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ ФОРМУЮЩИХ ИНСТРУМЕНТОВ

1.1. Методология системного анализа

1.1.1. Общие положения

Проектирование новых или модернизация существующих конструкций формующих инструментов - сложный и многогранный творческий процесс. Его цель-достижение минимальных затрат труда, материалов, энергии, средств и при этом обеспечение максимальной разумной эффективности при эксплуатации созданной конструкции.

Формующие инструменты - основные рабочие органы машин, перерабатывающих пластические массы в изделия, причем эти органы автономны, их проектируют отдельно от технологической машины, но обязательно ориентируясь на ее технические параметры и предельные возможности. Именно в рабочих органах проходят последовательно все стадии формования изделий, завершаясь образованием требуемого их качества.

Процесс создания формующих инструментов для изготовления изделий из пластмасс состоит из этапов прогнозирования, проектирования (или разработки конструкторской документации), подготовки производства и его освоения. Рассмотрим подробное содержание этих этапов.

Инженерное прогнозирование- это обработка информации, отражающей потенциальные возможности развития техники (для начинающих конструкторов реален сбор патентных и производственных данных, их анализ и использование на уровне аналогий). Как составная часть в прогнозирование входят вопросы экономики. В технике для прогнозирования используют методы экстраполяции, экспертных оценок, моделирования. В зависимости от цели прогнозирования выбирают конкретный объект прогнозирования конструкции формующего инструмента (в целом или отдельных узлов, деталей), период упреждения и точность прогнозирования. Перевод упреждения (период, на который ведут прогнозирование) зависит от требуемой точности (чем он больше, тем точность прогнозирования меньше и тем полнее должны быть исходные данные). Прогнозирование конструкций включает рассмотрение функционального назначения, основные технические и экономические параметры, возможные компоновочные решения, новые материалы и заготовки, новые технологические процессы, формы и методы организации и управления производством и т. д.

Разработка конструкторской документации должна проводиться в соответствии с единой системой конструкторской документации (ЕСКД,ГОСТ 2.103-68). Формующий инструмент проектируют на основании технического задания (по ГОСТ 15.001-73); выполняют сборочные чертежи, соответствующие стадии технического проекта, и рабочую документацию.

Разработка конструкторской документации - это результат проектирования, в процессе которого осуществляют анализ и синтез; абстрагируются от некоторых несущественных свойств исследуемой конструкции, сосредоточиваясь только на главных функциональных свойствах; используют метод аналогий и выдвигают альтернативы.

Подготовка производства к выпуску вновь спроектированного формующего инструмента проводится в соответствии с требованиями стандартов Единой системы технологической подготовки производства (ЕСТПП) и Единой системы технологической документации (ЕСТД). При этом решают следующие основные задачи: отработка конструкции на технологичность, разработка типовых и специальных технологических процессов изготовления, контроль, сборка конструкции (в целом, отдельных функциональных узлов, деталей); установление технических норм времени на изготовление конструкции, норм расхода материалов и т. д.; расчет потребного оборудования, производственных мощностей и других технико-экономических параметров.

В ЕСТПП ГОСТ 14.201- 73 предусматривает общие правила отработки конструкции изделия на технологичность. Различают два вида технологичности конструкции: производственную и эксплуатационную (ГОСТ 188-73 „Технологичность конструкций. Термины и определения").

Производственная технологичность конструкции проявляется в сокращении времени и средств на конструкторскую и технологическую подготовку производства нового изделия, процессы изготовления изделий, организацию и управление процессом производства. Технологичной называют такую конструкцию, которая полностью отвечает предъявленным требованиям к изделию и может быть изготовлена с применением наиболее экономичных (при принятом типе и масштабе производства) технологических процессов.

Эксплуатационная технологичность конструкции изделия проявляется в сокращении затрат (средств и времени) на подготовку изделия и функционированию, на техническое обслуживание и ремонт изделия.

Главные факторы, определяющие технологичность конструкции: вид изделия (деталь, сборочная единица, комплекс, комплект); объем выпуска; тип производства.

Главные задачи на технологичность: снижение трудоемкости изготовления изделия; стандартизация и унификация составных частей изделия, являющихся сборочными единицами (блоки, узлы) или деталями; унификация элементов конструкции (посадок, квалитетов размеров, шероховатости поверхности, резьб, модулей зубьев, диаметров отверстий, радиусов и т. д.); возможность применения унифицированных технологических процессов сборки, контроля, испытаний, технического обслуживания.

Задачами отработки на технологичность конструкции сборочных единиц (какими являются формующие инструменты) являются: обеспечение технологичности компоновки сборочной единицы; выбор правильных и рациональных установочных баз; рациональное членение сборочной единицы на составные части; обеспечение условий регулировки и применения производительных процессов сборки, контроля и испытания.

Задачами отработки на технологичность конструкции отдельных деталей являются: рациональный выбор конструкционных баз, обеспечивающих возможность их использования также в качестве технологических баз); обеспечение однотипности форм обрабатываемых поверхностей; построение рациональных размерных цепей, дающих требуемую точность функциональных параметров; обеспечение четкой принадлежности конструкции детали к определенной классификационной группе, на представителя которой составляется типовой технологический процесс (ЕСТД, ГОСТ 3.1409-74 „Правила оформления документов на изготовление деталей из пластмасс").

На стадии разработки технологического задания на проектирование устанавливают базовые показатели технологичности конструкции. Эти показатели могут быть частными или комплексными, относительными или абсолютными.

Отработка конструкций на технологичность-это доведение их до соответствия определенной системе требований, обеспечивающих минимальные сроки и стоимость подготовки производства изделий, расход материала и трудоемкость при высоких эксплуатационных качествах изделия. Отработка должна производиться независимо от намечаемой серийности производства изделий.

ГОСТ 14.202-73 устанавливает правила выбора показателей технологичности конструкции: по трудоемкости-изготовления (в том числе - по видам работ), подготовки к функционированию, технического обслуживания, ремонта; по себестоимости - технической, подготовки к функционированию, профилактического обслуживания, ремонта; по унификации и взаимозаменяемости- унификации в целом и отдельных конструктивных элементов, стандартизации, коэффициента повторяемости, коэффициента взаимозаменяемости; по расходу материала - масса общая, коэффициенты использования и применяемости; по обработке - коэффициент точности обработки; коэффициент качества поверхности; по составу конструкции - коэффициент сборности, коэффициент перспективности использования и др.