Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Состояние вопроса и задачи исследования 11
1.1 Обзор технологий изготовления формообразующих деталей пресс форм 11
1.1.1 Материалы, используемые для формообразующих деталей пресс-форм 16
1.1.2 Оборудование и инструменты для изготовления формообразующих деталей пресс-форм 1.2 Конструкция пресс-формы 24
1.3 Характеристика современных металлополимерных материалов, обладающих высокой прочностью и теплостойкостью 30
1.4 Методы получения изделий из металлополимерных материалов 34
1.4.1 Свойства металлополимерных материалов 34
1.4.2 Механическая обработка металлополимерных материалов 35
Выводы по главе 1 37
Глава 2. Научное обоснование и модель обработки металлополимерных материалов 39
2.1 Модель технологического процесса получения формообразующих поверхностей пресс-формы с использованием металлополимерной композиции 39
2.1.1 Характеристики формообразующей детали 39
2.1.2 Определение возможности получения металлополимерной формообразующей с использованием металлополимера 42
2.2 Технологический процесс изготовления формообразующей 47
2.2.1 Технология получения формообразующей пресс-формы с использованием металлополимерной композиции 51
2.2.2 Обработка комбинированной металл-металлополимерной плоской поверхности смыкания детали пресс-формы 56
2.3 Модель механической обработки поверхности металлополимерной формообразующей 61
2.3.1 Оптимизация процесса абразивной обработки поверхности смыкания формообразующей 66
2.3.2 Модель процесса переноса тепла при шлифовании металлополимерной формообразующей 68
2.4 Расчет термостатирования комбинированной металл-металлополимерной пресс-формы 77
Выводы по главе 2 88
Глава 3. Экспериментальные исследования по изготовлению металлополимерной формообразующей 90
3.1 Оборудование, образцы, инструмент 90
3.2 Оценка влияния плотности материала на качество поверхностного слоя и теплопроводность металлополимерной композиции 94
3.3 Экспериментальное исследование по определению теплопроводности металлополимерной композиции 100
3.4 Экспериментальное исследование по определению температуры поверхности при шлифовании металлополимерной поверхности 107
3.5 Экспериментальное исследование по определению параметров шлифования поверхности смыкания 110
Выводы по главе 3 121
Глава 4. Совершенствование технологии изготовления металлополимерной формообразующей поверхности пресс-формы 123
4.1 Технология изготовления металлополимерных формообразующих пресс-форм 123
4.2 Оптимизация параметров обработки металлополимерной поверхности по критерию минимальной себестоимости 128
4.3 Расчет точности изготовления металлических обойм для изделия «звездочка» 135
4.4 Определение примерных конструкций обойм для металлополимерных формообразующих 142
4.5 Экономическая оценка эффективности внедрения металлополимерных формообразующих 148
Выводы по главе 4 154
Заключение 156
Список литературы 157
Приложения 171
Приложение А. Акт внедрения результатов работы в ОАО «Белгородский завод РИТМ» (г. Белгород) 171
Приложение Б. Документы на объекты интеллектуальной собственности, полученные автором в результате диссертационного исследования 172
- Конструкция пресс-формы
- Модель процесса переноса тепла при шлифовании металлополимерной формообразующей
- Экспериментальное исследование по определению теплопроводности металлополимерной композиции
- Определение примерных конструкций обойм для металлополимерных формообразующих
Введение к работе
Актуальность темы исследования. В производстве пластиковых
изделий основным видом оснастки является пресс-форма. В пресс-формах
получают изделия методом литья под давлением из полиэтилена,
полипропилена и других термопластов, а также из резины, диеновых соединений и других реактопластов. Эти изделия нашли самое широкое распространение как в промышленности, так и в быту. Нефте- и газоперерабатывающие компании производят сотни тысяч тонн различных полимеров.
Производство изделий из пластмасс всегда являлось массовым. Это
обусловливалось высокой стоимостью оснастки для автоматического
оборудования, которое используется при получении изделий из полимеров.
Производство некоторых видов изделий достигает десятков миллионов в год.
Смена номенклатуры изделий приводит к замене оснастки, стоимость которой
отражается в стоимости изделий. По этой причине производители сложных
технических устройств при смене модели продолжают использовать
полимерные изделия из предыдущих моделей. При выпуске небольших партий
машин или оборудования небольшие предприятия вынуждены использовать
изделия из металла, прибегать к механической обработке, в то же время деталь
из полипропилена или полиамида, получаемая методом литья, обладает
меньшей массой, лучшими эргономическими характеристиками, требует
меньших временных затрат на своё изготовление. Таким образом,
производство изделий небольшими партиями в мелкосерийном производстве
приводит их к значительному удорожанию. Чаще всего выпускаются партии
изделий от 10 тыс. шт. Выпуск меньших партий является не рентабельным.
Значительную часть стоимости пресс-формы составляет стоимость
формообразующей, так как эти детали обеспечивают точность и качество поверхности полученных в пресс-форме изделий. Стоимость материала формообразующей высока, так как используются легированные стали с дорогостоящими элементами. Механическая обработка формообразующих требует значительных временных и энергетических затрат. Формообразующие детали подвергаются не только механической обработке, но и другим видам, например, электроэрозионным или дуговому напылению металла, что требует использования специального дорогостоящего оборудования, которое не всегда имеется у производителя. Следовательно, смена номенклатуры выпускаемых изделий из пластика и выпуск небольших партий изделий менее 10 тыс. шт. в современных условиях затруднены.
Разработка технологии изготовления металл-металлополимерных
(комбинированных) формообразующих деталей пресс-форм, позволяющая снизить временные и энергетические затраты на их получение, является
важной и актуальной задачей для всех отраслей промышленности, выпускающих пластиковые изделия в мелкосерийном производстве.
Использование металлополимерного материала в качестве материала формообразующей поверхности обусловлено тем, что из-за наличия у него свойств текучести в неотвержденном состоянии, позволяет применить способ получения формообразующей поверхности методом отпечатка мастер-модели в нём. Такой метод получения формообразующих экономически значительно превосходит механическую обработку со снятием припуска. Наличие же у металлополимерного материала в отвержденном состоянии необходимых для литья изделий из пластиков свойств температуростойкости, твердости и износостойкости позволяет использовать такой материал в качестве материала формообразующей поверхности пресс-форм.
Так как в результате применения технологии получается
комбинированная металл-металлополимерная деталь пресс-формы, которую
на заключительных операциях необходимо подвергнуть абразивной
обработке, возникает необходимость исследования оптимальных режимов обработки для детали, имеющей разные физико-механические свойства по телу.
Степень разработанности темы исследования. Проблемам,
связанным с изготовлением пресс-форм для литья изделий из пластмасс, посвящены труды А.П. Пантелеева, Ю.М. Швецова, И.А. Горячева, Г. Гастрова, М. Бихлера, И.И. Горюнова, Г. Менгеса, Т.А. Освальда и др.
Вопросами, касающимися критериев качества получаемых
поверхностей изделий при абразивной обработке, занимались в своих работах В.Ф. Безъязычный, Н.К. Беззубенко, С.А. Дитиненко, С.П. Корчак, В.И. Курдюков.
Однако в настоящее время остаются востребованными исследования в области разработки технологий получения пресс-форм для мелкосерийного производства, которые позволят получить качественное пластиковое изделие при низкой себестоимости формующей оснастки и как следствие низкой себестоимости получаемого в ней изделия.
Цель работы - снижение себестоимости изготовления металл-
металлополимерных пресс-форм за счет повышения эффективности
технологического процесса их изготовления, обеспечивающего требуемую
газовую шероховатость и газовую пористость поверхностного слоя
металлополимерной формообразующей, полученную в процессе
вакуумирования, и снижения себестоимости изготовления путем назначения
оптимальной продольной подачи и глубины резания при плоском шлифовании
комбинированной поверхности смыкания.
Для достижения цели были поставлены и решены следующие задачи:
-установлено предельное значение величины вакуума при отверждении металлополимерной композиции, обеспечивающее требуемую газовую шероховатость поверхностного слоя и газовую пористость рабочей части металлополимерной формообразующей пресс-формы;
-разработана методика назначения глубины резания и продольной подачи при плоском шлифовании металл-металлополимера периферией круга, обеспечивающих требуемую шероховатость поверхности смыкания пресс-формы при достижении минимальной технологической себестоимости операции;
-разработана методика назначения допусков на размер от плоскости смыкания до металлополимерной формообразующей поверхности в зависимости от величины усадки материала изделия, обеспечивающих требуемую размерную точность получаемых в пресс-форме пластиковых изделий;
-разработаны номограммы для назначения глубины резания и продольной подачи при плоском шлифовании металлополимера периферией круга, обеспечивающие требуемую шероховатость поверхности пресс-формы;
-получены и испытаны на стойкость формообразующие детали пресс-форм из металлополимерной композиции в металлической обойме;
-определена область эффективного использования металл -металлополимерных формообразующих деталей пресс-форм.
Объектом исследования является металл-металлополимерная формообразующая деталь пресс-формы, технология её получения и область ее эффективного использования.
Предметом исследования является технология изготовления комбинированной металл-металлополимерной формообразующей детали пресс-формы.
Основные положения, выносимые на защиту:
-математическая модель назначения глубины резания и продольной подачи при плоском шлифовании металлополимера периферией круга для обеспечения требуемой шероховатости поверхности;
-методика назначения допусков на размер от плоскости смыкания до металлополимерной формообразующей поверхности с учетом усадки материала изделия, обеспечивающая размерную точность получаемых в пресс-форме изделий;
-методика назначения оптимальных режимов шлифования поверхности смыкания металл-металлополимерной формообразующей обеспечивающая требуемую шероховатость поверхности смыкания пресс-формы при достижении минимальной технологической себестоимости операции.
Научная новизна заключается в:
-взаимосвязи величин продольной подачи и глубины резания при плоском шлифовании периферией круга и шероховатости поверхности металл -металлополимерных пресс-форм;
-зависимости допуска на размер от плоскости смыкания до формообразующей поверхности пресс-формы с точностью получаемого изделия и величиной усадки материала;
-взаимосвязи бальной оценки дефектов - газовой шероховатости и газовой пористости в поверхностных слоях металлополимерной детали и величины применяемого вакуума при отверждении металлополимера.
Теоретическая значимость работы заключается в разработке метода изготовления металл-металлополимерных формообразующих деталей пресс-форм, обеспечивающего требуемые показатели качества изготавливаемых изделий из пластика на основе выявленных связей продольной подачи и глубины резания при плоском шлифовании с шероховатостью металлополимерной поверхности, а также величины применяемого вакуума при отверждении металлополимера и бальной оценки дефектов поверхностного слоя металлополимерной детали.
Практическая ценность заключается в:
-практических рекомендациях по назначению глубины резания и продольной подачи при плоском шлифовании металлополимера периферией круга, обеспечивающих требуемую шероховатость и минимальную технологическую себестоимость операции;
-методике назначения допуска на размер от плоскости смыкания до металлополимерной формообразующей поверхности с учетом усадки материала изделия, обеспечивающего размерную точность получаемых в пресс-форме изделий;
-разработанной технологии изготовления металл-металлополимерных формообразующих деталей пресс-форм с использованием способа вакуумирования металлополимерной части непосредственно в металлической обойме формообразующей;
-назначении вакуума 93 Па при отверждении металлополимера, обеспечивающего отсутствие газовой шероховатости поверхностного слоя металлополимерной детали и газовую пористость соответствующую 1 баллу.
Соответствие диссертации паспорту научной специальности Работа соответствует формуле специальности 05.02.08 Технология машиностроения (область исследования п.1, п.2, п.7).
Методы исследований. При выполнении исследований и решении поставленных задач автором были использованы основные положения технологии машиностроения, физики твёрдого тела, элементов математической статистики, методов математического и компьютерного моделирования. Экспериментальные исследования выполнены с применением
сертифицированного оборудования. Компьютерное моделирование
выполнялось в работе с использованием следующих программных продуктов: система автоматизированного проектирования T-FlexCAD, Компас 3D CAD, Elcut Student 6.1, Mold Flow Plastic Insight V.3, систем математического моделирования MathCad, Scilab 5.5.2.
Степень достоверности и апробация результатов работы.
Достоверность и обоснованность научных результатов, выводов и
рекомендаций, приведенных в диссертационной работе, обусловлена применением общепринятых положений теории резания материалов, основ технологии машиностроения, использованием известных методов получения формообразующих поверхностей пресс-форм, а также экспериментальной апробацией полученных результатов в производственных и лабораторных условиях.
Основные положения диссертационной работы доложены и обсуждены на конкурсе-выставке научно-технических и исследовательских проектов студентов и молодых ученых «Оригинальная идея» (г. Губкин, 2015); Международной научно-технической конференции молодых ученых БГТУ (Белгород, 2015); IV Международной научно-практической конференции СибАК «Технические науки - от теории к практике» (Новосибирск, 2016).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 21 труд: семь работ в ведущих рецензируемых научных журналах и изданиях, входящих в перечень ВАК; четыре работы в изданиях, входящих в наукометрические базы данных Scopus; семь работ в сборниках международных научно-технических конференций; получено два патента на полезную модель и один патент на изобретение.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, общих выводов, списка литературы из 128 наименований и 2 приложений. Диссертация содержит 66 иллюстраций, 30 таблиц и 9 страниц приложений, общий объем работы составляет 179 страниц.
Конструкция пресс-формы
Несмотря на то, что для производства конкретного изделия из пластмассы необходима своя оснастка (исключая формы со сменными формообразующими вставками), практически все формы для литья под давлением и прямого прессования имеют схожую конструкцию и собираются из одних и тех же составляющих [123], имеющих различные типоразмеры.
Оснастка для переработки как термопластов, так и реактопластов представляет собой набор плит и различных компонентов [17, 18]: формообразующие детали; направляющие и центрирующие элементы; литниковые системы; различные вставки, называемые также знаками, которые определяют конфигурацию отливаемой детали; выталкиватели; клиновые механизмы; крепежные элементы.
Плиты и формующие элементы. В набор плит входят крепежные плиты, формообразующие плиты — обоймы матриц и пуансонов, несущие, или опорные плиты (части формы, составляющие собой ее каркас), плиты охлаждения, плита толкателей, плита съема, плита хвостовика.
Крепежные плиты должны иметь отверстия или пазы для монтажа их на плитах оборудования с помощью крепежных болтов; монтаж может осуществляться также с помощью прижимных планок. Крепежные плиты также должны быть снабжены центрирующими кольцами, диаметр которых соответствует отверстиям в плитах оборудования.
Пуансоны и матрицы по своей конфигурации очень разнообразны, что обусловлено конструктивными особенностями пресс-форм и конструкцией изделия. Иногда в целях удобства используют пресс-формы со сменными знаками, матрицей и пуансонами, за счет чего можно с помощью одной формы получать большое количество изделий, изменяя лишь одну формующую поверхность.
Литниковые системы. Литниковые системы литьевой формы предназначены для доставки полимерного расплава из материального цилиндра в формообразующую полость. Они бывают холодноканальными и горячеканальными [124].
Холодноканальная литниковая система состоит из центрального литника, разводящих каналов и впускных литников. Такая система составляет единое целое с отливкой. Это не очень выгодно как по трудоемкости (обязательна операция по отрезанию литников), так и по расходу материала, так как при производстве малогабаритных изделий или нескольких изделий в одной форме, масса литниковой системы в ряде случаев может оказаться больше, чем суммарная масса самих изделий. При этом также увеличивается и продолжительность цикла литья.
Среди наиболее распространенных литниковых систем в холодноканальных пресс-формах применяются:
- пальчиковый центральный литник для литья толстостенных отливок и переработки высоковязких нетермостабильных расплавов;
- зонтичный, или шатровый литник для исключения спайных швов.
Удаление такого литника сопряжено с дополнительной механообработкой;
- точечный впускной литник;
- щелевой литник для изготовления плоских отливок с минимальным внутренним напряжением и короблением.
Ширина щелевого литника, равная ширине отливки, выравнивает фронт потока;
- дисковый литник для цилиндрических изделий, впускной литник которых находится с внутренней стороны. Такой литник снижает вероятность деформации в отливках из полимеров с армирующими волокнистыми наполнителями;
- туннельный литник для бокового впуска с очень малым поперечным сечением и, следовательно, отсутствием пятен на отливке. Проблемой применения такого литника может быть преждевременное затвердевание материала.
Горячеканальная система обеспечивает транспортировку расплава полимера, его распределение (в случае многогнездных пресс-форм) и подвод непосредственно в формообразующую полость пресс-формы. Нагрев и поддержание необходимой температуры расплава внутри формы осуществляется с помощью специальных электрических нагревателей. Для контроля и регулирования температуры нагревателей применяются специальные контроллеры (регуляторы) температур.
Горячеканальная вставка может состоять для одноместных форм из одного обогреваемого сопла (инжектора), а для многоместных — иметь сложную конструкцию, состоящую из нескольких сопел и разводящего коллектора. Коллектор составляет своеобразный скелет горячеканальной матрицы и заканчивается подводящими мундштуками (соплами). Мундштуки могут быть снабжены пружинными уплотнениями для предварительного натяга сопел к коллектору.
Полугорячеканальная конструкция пресс-формы применяется при изготовлении многогнездной оснастки, когда изделия и разводящая литниковая система имеют небольшие размеры. В этом случае горячеканальная вставка заканчивается холодноканальным накопителем с впускными литниками. Для контроля температуры применяется однозонный регулятор температуры.
Направляющие и центрирующие системы. Система направляющих и центрирующих элементов пресс-формы состоит из колонок и направляющих втулок, ползунов и разного рода зацепов. Она предназначена для правильного и четкого смыкания полуформ и получения отливки с правильной геометрией и без облоя. В ряде случаев роль направляющих колонок играют толкающие стержни или хвостовики.
Центрирование полуформ в момент смыкания и формования обеспечивается направляющими колонками и втулками. Наиболее распространенной формой является центрирующая пара «колонка - втулка».
Плиты формы при замыкании и размыкании перемещаются по направляющим колонкам, которые к тому же центрируют пуансон и матрицу. Поэтому они должны быть достаточно жесткими и прочными, чтобы взаимное смещение частей формы не превышало допустимую величину.
Знаки. Знаки оформляют отверстия (в том числе резьбовые) или пазы. Стержневые перемещающиеся знаки, ход которых осуществляется перпендикулярно движению пуансона, называются сердечниками.
Детали, оформляющие боковые отверстия, поднутрения на наружных и внутренних поверхностях отливок (раздвижные полуматрицы, составные пуансоны, знаки), перемещаются с помощью механического (наклонные пальцы, пружины, клинья), гидравлического, пневматического или электрического приводов. Их перемещение связано с соблюдением заданной точности движения, возвращением в исходное состояние.
Система охлаждения. Важным элементом конструкции пресс-формы является система охлаждения, представляющая собой множество прямых, кольцевых или спиральных каналов сложной конфигурации, пронизывающих плиты и рабочие части пресс-формы. Жидкость, пропускаемая через эти каналы, обеспечивает быстрое и равномерное охлаждение детали в формующей полости. В качестве жидкости обычно применяют подготовленную термостатированную воду, реже - раствор гликоля. Охлаждающая жидкость может иметь разную температуру в разных контурах охлаждения формы.
Система охлаждения формы должна обеспечивать равномерность распределения отвода тепла из материала изделия в металл пресс-формы, иначе могут возникать значительные различия в усадке, которые приведут к нарушению узких допусков на изделие или к его короблению. У пресс-формы со стержнями и боковыми толкателями, а также у пластмассовых изделий с разной толщиной стенок рекомендуется создавать несколько контуров охлаждения. Вместе с тем, чтобы изолировать матрицу или пуансон со сложными температурными режимами от холодных опорных плит ТПА, необходимы прочные на сжатие теплоизоляционные плиты.
Выталкивающая система. Извлечение изделия и отделение литников обеспечиваются выталкивающей системой пресс-формы, состоящей из плиты толкателей, плиты хвостовика, деталей, образующих «камеру» для размещения выталкивателей, множества отдельных толкателей, а также деталей сброса и возврата системы в исходное положение.
Выталкивающие устройства чрезвычайно разнообразны как по конструкции, так и по принципу действия. Толкатели бывают различной формы: стержневые, плоские прямоугольные, трубчатые, кольцевые, «грибковые», пружинные, но самые распространенные - цилиндрические.
В большинстве случаев по методу извлечения изделия различают две разновидности пресс-форм: с толкающей плитой и со стержневыми выталкивателями. Для стержневых выталкивателей необходимо, чтобы длина направляющего отверстия была достаточной для устранения возможности перекосов и проникновения расплава за выталкиватель, но в то же время не была слишком большой, так как большая длина направляющего отверстия может привести к значительным потерям энергии на трение и к заклиниванию выталкивателя. Стержневые выталкиватели, действующие на торцы боковых стенок изделия, называют торцевыми. Их располагают на таком расстоянии от внутренней поверхности, чтобы выталкиватель не задевал за боковую поверхность пуансона. По возможности рекомендуется применять выталкивание в съемные знаки, оформляющие внутреннюю резьбу или несущие металлическую арматуру.
Модель процесса переноса тепла при шлифовании металлополимерной формообразующей
В предыдущем разделе приведены выражения для расчета мощности теплового излучения на поверхности обработки, по условию (2.15) требуются значения температуры, поэтому воспользуемся моделированием процесса теплопереноса с помощью программы конечно-элементного анализа.
Составим схему обработки металлополимера и металлополимерной композиции (рисунок 2.15) по рекомендациям [106]
В обеих схемах, представленных на рисунке 2.15, выполняется обработка образца с размером l, h и в. В расчетах принимаем – в = В, так как это позволит снизить диапазоны расчета, что в свою очередь не влияет на температуру в зоне в/2. В обоих случаях длина радиусного участка, на схеме – длина обработки, определяемая радиусом (Dкр/2) круга и глубиной резания t.
На схеме б геометрическая модель состоит из двух участков: 1 – участок из металлополимера, 2 – участок из металла. Причем, по условиям изготовления металлополимерной формообразующей, длина этого участка должна быть как можно меньше, так как это позволит снизить тепловое сопротивление металлополимерной части формообразующей, тем самым, увеличив отвод тепла от отливки.
Таким образом, источником тепла является радиусная поверхность, за начальную температуру принимаем температуру окружающей среды - 25С. Диаметр круга 450 мм, высота круга 40 мм, материал 25А, глубина резания варьируется от 0,01 до 0,1 мм, скорость перемещения стола от 9 до 24 м/мин (0,015 до 0,4 м/с).
В таблице 2.4 приведены значения мощности тепловыделения для каждого значения режима резания [92, 111] в соответствии с постоянными значениями коэффициентов, приведенных выше, для различных материалов с разным пределом прочности.
Выполним аналогичные расчёты для металлополимера на основе данных по прочности, взятых из таблицы 1.5. Данные расчётов приведены в таблице 2.5.
Для выполнения конечно-элементных расчётов требуется определить расчётное время цикла нагрева-охлаждения. Для чего воспользуемся выражением (2.8), данные по расчётам сведём в таблицу 2.6.
Моделирование нагрева выполним с использованием ELCUT 6.1. и рекомендаций [64], для чего:
1. Составим геометрическую модель толщиной 40 мм в соответствии с глубиной резания из таблицы 2.4 и таблицы 2.5.
2. Назначим свойства материалов: металлополимера – плотность 1850 кг/м3; теплоёмкость 7,5 Дж/кгК [53]; теплопроводность 0,3 Вт/Км (определение теплопроводности металлополимера производилось экспериментальным методом, описанном в гл. 3.2.); Сталь 40Х13 – плотность 7850 кг/м3; теплоёмкость 400 Дж/кгК; теплопроводность 385 Вт/Км.
3. Назначим начальные условия на границах – температура 298 К.
4. Назначим нагрев в месте снятия припуска.
5. Выполним расчет. Максимальное значение температуры (К) занесём в соответствующую таблицу 2.4.
Геометрическая модель с назначенной величиной нагрева для металлополимера при глубине резания 0,1 мм представлена на рисунке 2.16.
Результаты расчета изменения температуры металлополимера при заданной мощности тепловыделения и времени цикла соответствующим глубине резания 0,1 мм и скорости резания 0,015 м/с представлены на рисунке 2.17.
Исследования комбинированного образца: металл–металлополимер, показали, что от металла - металлополимер прогревается незначительно, даже при большой глубине и высокой продольной подачи стола, что объясняется высокой теплопроводностью металла, по сравнению с металлополимером, и более высокой плотностью. Таким образом, результаты по комбинированному образцу не представляют интереса для исследований, и из системы (2.15) можно исключить выражение – 2, как не оказывающее влияние в качестве ограничения
Проведено исследование с использованием конечно-элементного анализа только для металлополимерного образца, данные по результатам которого помещены в таблицу 2.6.
Критическая температура для выбранного металлополимерного материала, при которой материал теряет свои физико-механические свойства, составляет 220С [41] (tкрит рисунок 2.19). Анализ полученных данных показывает, что даже при максимальных значениях глубины резания и скорости перемещения стола в области эксперимента, температура нагрева металлополимера не превышает критических значений. Эти данные позволяют исключить из системы (2.15) выражение – 3.
Экспериментальное исследование по определению теплопроводности металлополимерной композиции
Теоретические выводы гл. 2 позволяют сделать вывод о применяемости металлополимерной композиции в качестве материала формообразующей поверхности пресс-формы. Однако при литье термопластов, технологическая оснастка испытывает значительное тепловое воздействие. Процесс литья термопластичных полимеров происходит при температурах расплава впрыскиваемого в полость пресс-формы от 190 до 300С, в среднем 240С, при этом температура пресс-формы колеблется в диапазоне от 15 до 100С [13], в зависимости от материала расплава. Температура охлаждения отлитого изделия в пресс-форме существенно влияет на продолжительность цикла прессования изделия. Так, в [100] приводятся данные по продолжительности цикла прессования характерного изделия, продолжительность выдержки при этом составляет 40 с. Время выдержки - это время, необходимое для завершения процесса кристаллизации термопласта в полости пресс-формы. Выбор конструкции системы охлаждения пресс-формы является важнейшим вопросом, влияющим на производительность процесса формования изделий. Материал формообразующей поверхности должен обладать хорошей теплопроводностью, чтобы обеспечить отвод тепла от поверхности формообразующей к теплоносителю системы охлаждения.
В пресс-формах с металлополимерными формообразующими необходимо проектировать систему охлаждения пресс-формы с учетом теплопроводности металлополимерной композиции [119]. Однако прямых данных о теплопроводности металлополимеров в общедоступной справочной литературе [128] и специализированной литературе производителей металлополимерных составов не обнаружено. Теплопроводность материала характеризуется коэффициентом теплопроводности, который необходимо рассчитать.
Для определения коэффициента теплопроводности, в исследовании по ГОСТ [32, 33], был проведен эксперимент по нагреву кубического образца из металлополимерной композиции, наполненной алюминием, отвержденного в вакууме. При проведении эксперимента была использована схема измерения согласно рекомендациям [71], показанная на рисунке 3.12.
Согласно схеме, на рисунке 3.12 теплоизоляционный элемент 3 с установленным в нем металлополимерным образцом 2 размером 2020 мм был установлен над источником инфракрасного излучения 5 мощностью 75 Вт в корпус 4. Далее при помощи инфракрасного пирометра 1 были произведены измерения температуры внешней грани в течение 16 мин 30 с с шагом измерений 30 с. Расстояние D от пирометра 1 до металлополимерного образца 2 рассчитывалось из условия D:S = 12:1, где S – площадь металлополимерного образца.
Полученные значения температур представлены в таблице 3.1 и действительны для образца металлополимерной композиции, отвержденной в вакууме при давлении 93 Па [99].
Для определения коэффициента теплопроводности металлополимерного образца с алюминиевым наполнителем воспользуемся методом продольного теплового потока [39, 46]. Метод продольного теплового потока широко применяется при исследовании металлов и других твердых материалов. Согласно этому методу, на одном из торцов образца с площадью поперечного сечения S создается равномерный тепловой поток Q. Между двумя сечениями образца, расположенными на расстоянии / один от другого, измеряют разность температур At = t2- tv При отсутствии боковых тепловых потерь коэффициент теплопроводности образца, —, рассчитывается по формуле [46]:
Схема эксперимента удовлетворяет условиям определения теплопроводности методом продольного теплового потока, следовательно, можно определить этим методом теплопроводность металлополимера, наполненного алюминием.
В проведенном экспериментальном исследовании мощность теплового потока Q равнялась 75 Вт. Площадь поперечного сечения S = 400 мм2 или S = 0,0004 м2. Длина образца l = 20 мм или l = 0,02 м. Температура граней образца с течением времени указана в таблице 3.1. Зная значения переменных, вычислим коэффициент теплопроводности металлополимера, наполненного алюминием, например, в диапазоне времени между тридцатой и шестидесятой секундами нагрева
Для получения аппроксимированного значения коэффициента теплопроводности металлополимера необходимо определить коэффициенты теплопроводности испытуемого материала через каждые 30 с с момента начала эксперимента. Расчетные данные коэффициента теплопроводности сведены в таблицу 3.2.
Для аппроксимации и анализа полученных результатов на основе расчетных данных таблицы 3.2 по [15, 36] построим график изменения коэффициента теплопроводности металлополимера, наполненного алюминием, во времени, график показан на рисунке 3.13.
Из графика, представленного на рисунке 3.13 видно, что в первые 30 с коэффициент теплопроводности имеет отрицательное значение. Это связано с тем, что в тридцатисекундный промежуток времени с момента начала эксперимента тепловая энергия не успела распространиться на противоположную грань образца, а разница температур объясняется погрешностью измерения. В начальный промежуток времени показатель теплопроводности стремится к нулю. 990 с измерения необходимо исключить из расчета за отсутствием следующего показателя. Таким образом, для дальнейшего анализа будем использовать график коэффициента теплопроводности металлополимера в промежутке времени от 30 до 960 с измерения. Полученный график показан на рисунке 3.14.
Из графика на рисунке 3.14 видно, что среднее значение коэффициента теплопроводности металлополимера с наполнителем алюминий соответствует значению 3,13 Вт/мК.
Согласно теории теплопроводности твердых тел, в диэлектриках с повышением температуры коэффициент теплопроводности обычно увеличивается [46], что объясняет положительный тренд графика, показанного на рисунке 3.14.
Рассчитанный в ходе экспериментального исследования коэффициент теплопроводности позволяет произвести необходимые расчеты по нагреву металлополимера при механической обработке, а также рассчитать параметры термостатирования металлополимерной пресс-формы.
Определение примерных конструкций обойм для металлополимерных формообразующих
В гл. 4.2 изложена общая технология изготовления металлополимерных формообразующих пресс-форм. В связи с разнообразием типоразмеров и форм изделий, изготавливаемых в пресс-формах, рассматриваемая в гл. 4.2 форма обоймы не является оптимальной для всех изделий. Поэтому целесообразно сформулировать условия и предложить примерные конструкции обойм для металлополимерных формообразующих. По стандарту DIN 16750 предусматривается разделение форм на следующие: стандартные формы, формы с ползунами, формы с плитой съема, трехплитные формы, многоэтажные формы, горячеканальные формы. В настоящем разделе рассматриваются только примерные конструкции обойм для стандартных форм (двух плитных форм).
В общем случае обойма для металлополимерной формообразующей представляет собой металлическую плиту пресс-формы (матрицу или пуансон), в которой выполнена полость. В последующем в полость будет устанавливаться мастер-модель с заливкой в неё жидкого металлополимера.
Для обойм требуются те же конструкционные отверстия и поверхности, что и для металлической матрицы или пуансона. Для матрицы к таким отверстиям и поверхностям относятся: каналы охлаждения, направляющие втулки, отверстия для установки литниковой втулки, литниковые каналы, поверхность смыкания и др. После размыкания пресс-формы отлитое в ней изделие должно оставаться в пуансоне (со стороны толкателей). Как правило, для надежного удержания изделия именно в пуансоне и исключения залипания изделия в матрице при проектировании и изготовлении полости пуансона назначают меньшие литейные уклоны, увеличивают шероховатость формообразующей поверхности, её площадь или исполняют конструкционные поднутрения, благодаря которым изделие надежно удерживается в пуансоне пресс-формы.
В пуансоне, в отличии от матрицы, выполняют отверстия под толкатели и в то же время не делают отверстия под литниковую втулку и литники, в остальном конструкции матрицы и пуансона похожи.
Для уменьшения себестоимости конечного изделия предлагается изготавливать обоймы унифицированными, такими, чтобы после того как будет изготовлена партия изделий одного чертежа, можно было извлечь отработавшую металлополимерную часть из формообразующей и получить новую для других изделий, изготовив только металлополимерную рабочую часть формообразующей детали.
Так как в ранних работах [84] было выяснено, что при приготовлении металлополимерной композиции состав обогащается газообразными включениями, в обоймах для матрицы и пуансона необходимо предусмотреть выпоры для возможности выхода газа из жидкого состава.
В связи с тем, что металлополимер обладает низкой теплопроводностью, что было определено в разд. 3.2, слой металлополимера, отделяющий поверхность формообразующей и охлаждающий контур, должен быть минимален. Иначе отвод тепла от расплава при охлаждении будет затруднен.
В работе [116] доказано, что для надежной фиксации металлополимерной части пресс-формы в металлической обойме при воздействии на неё усилий выталкивания, на поверхности колодца достаточно предусмотреть поднутрение в виде прямоугольной выточки 2 мм шириной и 2 мм глубиной по всему диаметру боковой цилиндрической поверхности колодца. Расчеты показывают, что запас прочности конструкции для изделия «звездочка» (рисунок 4.6) при сопротивлении усилию выталкивания соответствует значению 6931 (рисунок 4.10)
Далее предложены примерные конструкции обойм для изготовления металлополимерных формообразующих. В частности, будут рассмотрены обоймы для одногнездных металлополимерных формообразующих для изделий различной геометрии. Схемы конструкций будут представлены в поперечном сечении и дадут общее понимание геометрии и расположения колодцев в металлической плите (матрице или пуансоне) относительно основных конструкционных отверстий и поверхностей. Длина изделия может варьироваться, но принципиальная схема конструкции обоймы от этого не изменится. В последующих примерах подразумевается, что габаритная длина изделия равняется его габаритной ширине.
На схеме рисунка 4.11 показана металлическая плита 6, выполняющая роль каркаса матрицы для металлополимерной формообразующей. Контур колодца 5 предназначен для изготовления в такой обойме формообразующих для изделий, имеющих плоскую форму с соотношением высоты изделия h (например, 10 мм) к ширине B (например, 100 мм) равным 0,1. Пространство, предназначенное для помещения в него мастер-модели, обозначено позицией 1. Жидкий металлополимер заливается в обойму через отверстия выпоров 2, через эти же отверстия происходит и удаление газообразных включений под действием вакуума. Отверстие под литниковую втулку 3 заглушается от попадания в него жидкого металлополимера. Каналы охлаждения 4 рекомендуется располагать вблизи металлополимерной формообразующей на расстоянии 5 мм. Оптимальная величина металлополимерной стенки формообразующей должна стремиться к 5 мм. В теле металлической плиты выполнено поднутрение 7, необходимое для надежной фиксации металлополимерной формообразующей в обойме. В качестве второй формообразующей может использоваться аналогичная, показанная на рисунке 4.11, но вместо отверстия под литниковую втулку 3 будут выполнены отверстия под толкатели.
В обойме (рисунок 4.11) могут быть изготовлены такие изделия, как шестерни, звездочки, шайбы для крепления утеплителя, сувенирные медали и прочие изделия, вписывающиеся в габаритные размеры колодца обоймы. Для изготовления изделий различных габаритных размеров рекомендуется иметь ряд металлических обойм с различными типоразмерами колодцев.
На рисунке 4.12 показана обойма, предназначенная для изготовления в ней формообразующих для цилиндрических изделий. Здесь 1 – металлическая плита, 2 – выпоры, 3 – литниковые каналы, 6 - металлополимерная формообразующая. Поднутрения 4 выполнены на поверхности выпоров 2, каналы охлаждения 5 расположены по периметру формообразующей поверхности. Полость 7 предназначена для формования изделия.
Обойма, показанная на рисунке 4.12, может быть применена для получения формообразующих таких изделий, как втулки, фланцы, переходники и прочие цилиндрические изделия.