«МОСКВА ХИМИЯ 1991 ББК 6П7.55 Б275 УДК 678.057 Рецензент: зав. кафедрой „Полимерное машиностроение Тамбовского института химического машиностроения к.т.н. А.С. Клинков Басов Н.И., Брагинский В.А., Казанков Ю.В. Б275 ...»

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 ББК 6П7.55 Б275 УДК 678.057 Рецензент:

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

Б275 Расчет и конструирование формующего инструмента для из­ готовления изделий из полимерных материалов: Учебник для вузов. - М.: Химия, 1991. - 352 е.: ил.

ISBN 5-7245-0665- Даны сведения об устройстве, изготовлении и эксплуатации формующего инстру­ мента для производства изделий из полимерных материалов. Приведенные конст­ руктивно-технологические расчеты инструмента и правила его конструирования ос­ нованы на современных представлениях о процессах, протекающих в формующем инструменте, и о влиянии его конструкции на качество получаемых изделий.

Для студентов высших учебных завед#ний, обучающихся по специальности „Ма­ шины и оборудование по переработке пластмасс и эластомеров" „2804070100-036.,, „ те„„«„ Б 36-91 ББК6П7. 050(01)-3б ISBN 5- 7245- 0665- 3 © Н.И. Басов, В.А. Брагинский, Ю.З. Казанков, 1991г.

ОГЛАВЛЕНИЕ

Введение Глава

МЕТОДИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ ФОРМУЮЩИХ ИНСТРУМЕНТОВ.. И

1.1. Методология системного анализа И 1.1.1. Общие положения И 1.1.2. Конструирование деталей 1.1.3. Проектирование формующего инструмента 1' 1.2. Пластмассовое изделие как информационная база для проектирования форму­ ющего инструмента 1.2.1. Общие положения 1.2.2. Технологичность изделий (общая и поэлементная) 1.2.3. Влияние конструкции изделия на образование остаточных напряжений... 1.2.4. Точность и взаимозаменяемость изделий Глава

ФОРМЫ ДЛЯ ПРЕССОВАНИЯ

2.1. Назначение, устройство и принцип действия форм для прессования 2.2. Исходные данные для проектирования 2.3. Взаимодействие формы с прессом 2.4. Система оформляющих деталей пресс-форм 2.4.1. Основные конструктивные особенности 2.4.2. Оформляющие гнезда и загрузочные камеры (конструктивные типы и расчет) 2.4.3. Расчеты оформляющих деталей на прочность и жесткость 2.4.4. Расчет исполнительных размеров оформляющих деталей 2.5. Литниковые системы пресс-форм литьевого прессования. Конструктивные особенности и расчет 2.6. Система обогрева пресс-форм 2.6.1. Назначение, классификация, основные конструктивные особенности... 2.6.2. Тепловой расчет пресс-форм 2.7. Системы удаления изделий из полости пресс-формы, перемещения и центриро­ вания деталей. Установка пресс-форм, 2.7.1. Система удаления изделий 2.7.2. Система перемещения деталей 2.7.3. Система центрирования 2.7.4. Установка и закрепление пресс-форм 2.8. Материалы и технологические процессы изготовления формообразующих деталей пресс-форм (ФОД) 2.8.1. Стали 2.8.2. Цветные сплавы и другие материалы 2.8.3. Технологические процессы изготовления и сборки ФОД 2.9. Приемка, эксплуатация, ремонт и ресурс пресс-форм 2.9.1. Приемка Глава

ФОРМЫ ДЛЯ ЛИТЬЯ ПОД ДАВЛЕНИЕМ

3.1. Назначение, устройство и принцип действия литьевых форм 3.3.1. Инжекционные, объемные и основные геометрические соотношения.... 3.7.1. Назначение, классификация и конструктивные особенности 3.7.2. Расчет перемещений выталкивающей системы и усилий выталкивания Глава

ЭКСТРУЗИОННЫЙ ИНСТРУМЕНТ

4.1. Общее устройство экструзионных головок и калибрующих устройств 4.3. Факторы, определяющие конструктивное оформление головок Глава

ФОРМЫ ДЛЯ РАЗДУВНОГО ФОРМОВАНИЯ

Глава

ИНСТРУМЕНТ ДЛЯ ПНЕВМОВАКУУМНОГО ФОРМОВАНИЯ

6.1. Технологические разновидности формующего инструмента 6.2. Факторы, определяющие выбор конструкции формы 6.2.2. Требуемые серийность изделия и производительность 6.3.2. Расположение гнезд и расстояния между ними

ВВЕДЕНИЕ

Многообразие изделий из пластмасс чрезвычайно велико, только, в нашей стране их ассортимент включает в себя более миллиона наиме­ нований; их потребители- практически все отрасли народного хозяй­ ства 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 потреб­ ность в квалифицированных специалистах- конструкторах изделий и формующего инструмента для их изготовления.

Чтобы составить представление об основных направлениях дея­ тельности таких специалистов в условиях промышленного производ­ ства и о роли знаний в области конструирования формующего инстру­ мента, рассмотрим основные этапы создания и выпуска пластмассо­ вого изделия.

Первый этап-проектирование изделия. Проектируя то или иное изделие, отдельный узел машины, прибора, агрегата (например, меха­ низм привода суппорта металлообрабатывающего центра, аппарат „искусственная почка", панель прибора управления автомобиля, кофемолку и др.), конструктор по комплексу предъявляемых экс­ плуатационных требований назначает и указывает в чертежах наибо­ лее 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 производст­ венных 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, специфи­ кой технологии изготовления и эксплуатации формующего инструмен­ та, получив рабочий чертеж изделия, в первую очередь должен опре­ делить, 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, сконструи­ ровать 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, изгото­ вит ли его сам заказчик или предприятие, принимающее заказ на вы­ пуск изделия, в собственном инструментальном цехе (если оба вариан­ та 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-явля­ ется 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 исправ­ ления ошибок в конструкции и нового исполнения инструмента.

Ошибки, допускаемые при конструировании формы, могут но­ сить различный характер. Во-первых, те или иные элементы конструк­ ции формующего инструмента могут быть спроектированы без учета особенностей процессов, протекающих во время формования полиме­ ра, и специфики его технологических свойств. Во-вторых, конструк­ ция какой-либо детали инструмента может оказаться трудно осущест­ вимой (или ее вообще нельзя изготовить на имеющемся оборудова­ нии). 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 инструмен­ та при работе его на перерабатывающей машине, а затем- его промыш­ ленная 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 поддер­ жание оборудования в рабочем состоянии. Каждый из этих специалис­ тов 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 тем­ пературу литья. Однако в результате применения этих приемов де­ фект не был устранен. Хотя технологические приемы практически исчерпаны, ответственность по устранению дефекта по-прежнему лежит на технологе, он должен установить истинную причину дефек­ та (недостаток формующего инструмента, оборудования или другие причины). Квалифицированно выполнить это, например обязать меха­ ника цеха устранить возможную, по его мнению, причину (проверить крепление и затяжку колонн узла смыкания форм у машины), техно­ лог 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, предполо­ жив, что со временем возник прогиб плит литьевой формы из-за недостаточной их толщины) и предложить конструктору формы за­ няться 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 ос­ новным направлениям производственной деятельности.

Несколько слов о характере труда конструктора формующего инструмента. Он должен быть достаточно интенсивным (сроки проек­ тирования 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. Про­ дукция конструктора должна быть совершенной „с первого предъяв­ ления", здесь не может быть промежуточных стадий, как при созда­ нии машин (опытный, опытно-промышленный образец и др.). Начинаю­ щие конструкторы, проработавшие в течение 2 - 3 лет в данной облас­ ти, приобретают уникальную и постоянно актуальную профессию.

Конструктор должен искать и реализовывать в чертежах оптималь­ ные 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 (обес­ печения рациональной материалоемкости формующего инструмента, учета опасных напряжений в наиболее нагруженных элементах);

взаимозаменяемости и точности (обоснованного выбора долговечных посадок и оптимальных квалитетов размеров, в первую очередьразмеров сопрягаемых элементов, степеней точности, допускаемых отклонений от правильной геометрической формы, классов шерохо­ ватости поверхностей, номинальных исполнительных размеров фор­ мующей полости); надежности и долговечности работы (кратковремен­ ной-в течение каждого технологического цикла, длительной-пла­ нируемой на весь период выполнения программы выпуска изделий);

безопасной эксплуатации; патентной экспертизы и чистоты. Необхо­ димая глубина решения этих проблем определяется уровнем требо­ ваний, предъявляемых к качеству изделий, и объемом их производ­ ства.

В изделии сосредоточены результаты усилий конструкторов, мате­ риаловедов, технологов, механиков, метрологов, организаторов производства. Практически всегда поиск решений и их реализация помимо комплексного подхода требуют принятия разумных компро­ миссов, что характерно для любых инженерных задач. В современных условиях, экономно затрачивая время, рассмЪтрение 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. Раз­ витие, расширение сфер использования и стандартизация прикладных программ САПР является ближайшей задачей конструкторов формую­ щего инструмента- наряду с дальнейшей унификацией деталей, узлов и конструкции в целом.

Прогресс „формостроения" зависит и от совершенствования и специализации инструментальных производств. В этой области глав­ ными являются следующие направления: снижение трудоемкости конструирования и изготовления формующего инструмента; повы­ шение стойкости, работоспособности и производительности его; совер­ шенствование конструкций формующего инструмента с целью авто­ матизации 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 числен­ ности рабочих.

Конструктор формующего инструмента обычно специализируется на определенных объектах, например на формах для литья под дав­ лением, 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 квалифи­ кация, 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:

перерабатываемого материала материала Вяэкотекучее (расплав) Отверждение расплава реакто- Пресс-форма, заливочная Высокоэластическое Затвердевание, застекловыва- Формы для термоформования Вяэкотекучее (расплав) Охлаждение до высокоэлас- Экструзионная головка Твердое Все эти типы формующего инструмента рассматриваются в отдель­ ных главах учебника, причем подробнее описываются те, которые наиболее перспективны и в настоящее время распространены. С учетом учебных, общеознакомительных целей книги ряд сведений, особенно некоторые методики расчетов, приведены в относительно адаптированных, модельных вариантах, но применение их на практи­ ке дает верные результаты.

Отбор материалов в учебник по инженерной прикладной дисцип­ лине достаточно сложен. Авторы использовали наряду с опытом кафедр МИХМа и ЛТИ им. Ленсовета, где они работают, также и опыт отечественных предприятий, отдельные опубликованные иностран­ ными фирмами, зарубежными и отечественными специалистами разработки, полезную конструкторскую информацию. Как принято для учебников, к каждой главе дается краткий рекомендуемый библиографический список. Читатели, и в первую очередь студенты, аспиранты, молодые конструкторы могут присылать свои замечания и предложения по книге, которые будут приняты авторами с благодар­ ностью и учтены в дальнейшей работе над учебником.

ГЛАВА

МЕТОДИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ

ФОРМУЮЩИХ ИНСТРУМЕНТОВ

1.1. Методология системного анализа 1.1.1. Общие положения Проектирование новых или модернизация существующих конструк­ ций формующих инструментов-сложный и многогранный творчес­ кий процесс. Его цель-достижение минимальных затрат труда, мате­ риалов, энергии, средств и при этом обеспечение максимальной ра­ зумной эффективности при эксплуатации созданной конструкции.

Формующие инструменты-основные рабочие органы машин, пере­ рабатывающих 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, проектиро­ вания (или разработки конструкторской документации), подготовки производства и его освоения. Рассмотрим подробное содержание этих этапов.

'Щ Инженерное прогнозирование- это обработка информации, отража­ ющей потенциальные возможности развития техники (для начинаю­ щих конструкторов реален сбор патентных и производственных данных, их анализ и использование на уровне аналогий). Как состав­ ная часть в прогнозирование входят вопросы экономики. В технике для прогнозирования используют методы экстраполяции, эксперт­ ных оценок, моделирования. В зависимости от цели прогнозирования выбирают конкретный объект прогнозирования конструкции формую­ щего инструмента (в целом или отдельных узлов, деталей), период упреждения и точность прогнозирования. Перевод упреждения (пери­ од, 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 тех­ нические и экономические параметры, возможные компоновочные решения, новые материалы и заготовки, новые технологические процессы, формы и методы организации и управления производст­ вом и т. д.

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

Разработка конструкторской документации-это результат проек­ тирования, в процессе которого осуществляют анализ и синтез; абст­ рагируются 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 производ­ ства (ЕСТПП) и Единой системы технологической документации (ЕСТД).

При этом решают следующие основные задачи: отработка конструкции на технологичность, разработка типовых и специальных технологи­ ческих 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, произ­ водственных мощностей и других технико-экономических параметров.

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

Производственная технологичность конструкции проявляется в сокращении времени и средств на конструкторскую и технологичес­ кую подготовку производства нового изделия, процессы изготовле­ ния изделий, организацию и управление процессом производства.

Технологичной называют такую конструкцию, которая полностью отвечает предъявленным требованиям к изделию и может быть изго­ товлена с применением наиболее экономичных (при принятом типе и масштабе производства) технологических процессов.

Эксплуатационная технологичность конструкции изделия проявля­ ется 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 изго­ товления 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, диа­ метров отверстий, радиусов и т. д.); возможность применения унифидарованных технологических процессов сборки, контроля, испытаний, технического обслуживания.

Задачами отработки на технологичность конструкции сборочных единиц (какими являются формующие инструменты) являются: обес­ печение технологичности компоновки сборочной единицы; выбор правильных и рациональных установочных баз; рациональное члене­ ние 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, обес­ печивающих возможность их использования также в качестве техно­ логических баз); обеспечение однотипности форм обрабатываемых поверхностей; построение рациональных размерных цепей, дающих требуемую точность функциональных параметров; обеспечение четкой принадлежности конструкции детали к определенной классификаци­ онной группе, на представителя которой составляется типовой тех­ нологический 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 техно­ логичности конструкции: по трудоемкости-изготовления (в том числе-по видам работ), подготовки к функционированию, техничес­ кого обслуживания, ремонта; по себестоимости-технической, подго­ товки к функционированию, профилактического обслуживания, ремонта; по унификации и взаимозаменяемости- унификации в целом и отдельных конструктивных элементов, стандартизации, коэффици­ ента повторяемости, коэффициента взаимозаменяемости; по расходу материала-масса общая, коэффициенты использования и применяе­ мости; по обработке-коэффициент точности обработки; коэффициент качества поверхности; по составу конструкции-коэффициент сборности, коэффициент перспективности использования и др.

•Наконец, последний этап-освоение производства - проводится в соответствии с ГОСТ 15.001-73, где предусмотрены правила не только разработки, но и постановки продукции на производство, а также виды испытаний конструкций серийного и массового производства.

Формующий инструмент, установленный на технологическом оборудовании (машине) при любом технологическом процессе изгоI Рис. 1.1. Структура системы.машина (М) - форма (Ф) - изделие (И)" с подсистемой.форма (Ф) — термостат (Т)*. Пояснения в тексте товления пластмассового изделия, является частью, элементом систе­ мы. Упрощенно вся эта система представлена на рис. 1.1.

Системой называют совокупность (множество) любым способом выделенных объектов (реальных или воображаемых), если заданы связи между объектами; каждый из элементов внутри системы счи­ тается неделимым; с окружающей средой они взаимодействуют как целое; в разные моменты времени между объектами системы можно провести однозначное соответствие; совокупность объектов образует целостное единство. Такое определение наиболее распространено.

Между составляющими системы могут быть отношения и связи, что не тождественно. Наличие отношений не означает, что изменение одной части системы определяет какие-либо изменения другой части. Нали­ чие связей указанные изменения предполагают обязательными. Связи между частями, объектами системы делят на две категории: внутрен­ ние, при которых взаимодействие происходит между частями систе­ мы; внешние, при которых взаимодействие происходит с окружающей средой.

Понятие „связь" имеет первостепенное значение, так как оно определяет и собственно систему, и содержание системного анализа.

Установлены три группы связей: взаимодействия (они выявляются целями, которые преследует каждый из объектов системы); строения или структурные; функционирования (они обеспечивают действие системы; их разновидности-связи развития, отражающие процесс смены состояний, и связи управления).

Системный анализ при создании конструкции (в частности, формую­ щего инструмента) - это методология решения сложных технических задач, основанная на концепции системы (или иначе-построение системы для решения сложных задач, что взаимосвязано). Важней­ шей составной частью системного анализа является разработка струк­ туры рассматриваемой системы объекта.

Обратимся к рис. 1.1, на котором дан пример структуры системы „машина (М)- форм? (Ф) -изделие (И)". В систему входят (х,) и выходят Oj) материальные, энергетические и информационные потоки (xj - материал, х% ~ энергия, *з ~ информация о параметрах процесса, реализуемых в машине; у\ - качество, yi - количество, у$ - информа­ ция о параметрах качества изделий). Внутри системы между ее эле­ ментами существуют связи, реализуемые также материальными, энергетическими и информационными потоками (например, в форму входит расплав Xj и информация о нем, т. е. о температуре и давлении расплава Xj; между формой и изделием происходит теплообмен, т. е.

процесс передачи энергии х{ и информация о нем xj).

Теплообмен формы с окружающей средой регулируют с помощью термостата (Т), который совместно с формой (Ф) образует подсистему (т. е. включает элементы, не подвергающиеся дальнейшему разделе­ нию). В этой подсистеме также циркулируют материальные, энерге­ тические и информационные потоки, существуют связи. Внешние связи: х4 ~ теплоноситель; х$ - информация о состоянии (температуре, скорости) и количестве теплоносителя; xg-тепловой поток, завися­ щий от теплообмена с окружающей средой и особенностей геометрии изделия; х7 - информация о геометрии изделия и величине его теплоотдающей поверхности. Внутренние связи: х^ - поток теплоносителя (хладоагента или и теплоносителя, и хладоагента), поступающего в форму; х\ - информация о температуре теплоносителя хщ у%- поток отработанного теплоносителя и ^-информация о его состоянии.

Выходом из рассматриваемой подсистемы является у\ - потери тепла термостатом (и соответствующая информация об этом); щ-потери тепла изделием, находящимся в форме, и информация о состоянии изделия х'ч. Энергетические потери при переработке от технологичес­ кой машины- у\.

Другие связи на схеме не приведены и вообще их выделение, равно как и число элементов в подсистеме (системе), а также количество подсистем, зависит от постановки цели и задач системного анализа, намеченных путей решения.

Оценка состояния системы, приведение ее к определенной цели могут быть наиболее точно осуществлены, если известна количест­ венная характеристика ее элементов, объектов. Для этого требуется введение определенного критерия.

Процесс формообразования изделия в рабочем органе, в замкнутой или открытой полости формующего инструмента, подвержен наруше­ ниям, а для инструмента дискретного действия- обязательным, технологически обусловленным нарушениям термического равнове­ сия. Поэтому одинаковые технологические условия формования изделия могут продолжаться лишь с определенной вероятностью РФ, что и описывается вероятностной матрицей вида Числа, приведенные в матрице справа, могут быть установлены экспериментально; они поясняют, что вероятность продолжения нормальной работы Р^ составляет 99%, а вероятность нарушения Р\2~ 1%. В то же время, если нарушение произойдет, то вероятность его устранения к следующему циклу Р^} составит 46%, а вероятность продолжения нарушения Fj^- 54%.

Система, в которой происходят нарушения, называется ремонтируе­ мой. Для быстрого ввода системы в состояние нормальной работы необходимо, чтобы все ее элементы были слабжены средствами сбора, регулирования и даже управления соответствующими технологичес­ кими параметрами. Применительно к такому элементу системы, как форма (Ф), это означает оснащение ее датчиками температуры, давле­ ния или вязкости расплава; осуществление быстрой, малоинерционной „обратной связи" между формой (Ф) и машиной (М), лучше всего реализуемой с помощью ЭВМ. Такие формы еще мало распространены, но тенденции их широкого появления очевидны (см. гл. 3).

Систему „машина (М)- форма (Ф)- изделие (И)", как и любую техни­ ческую систему, характеризуют надежность (см. гл. 2), точность и ста­ бильность. Точность характеризует систему в некоторый фиксирован­ ный момент (период) времени с точки зрения соответствия полей рассеяния значений показателей качества изделийу\ заданным полям допусков этих показателей (их величинам и расположению). Стабиль­ ность характеризует систему с точки зрения возможности сохранения показателей качества изделий в заданных пределах в течение задан­ ного планового периода времени.

1.1.2. Конструирование деталей Принимая деталь как систему (рис. 1.2), функциональные части ее рас­ сматривают как подсистемы, а поверхности детали как элементы. В зависимости от типа и сложности детали число структурных состав­ ляющих может быть различным, а для формообразующих деталей формующих инструментов- и большим.

Пользуясь методологией системного анализа, зная общую цель, стоящую перед конструкцией, можно определить направления опти­ мального конструирования детали. При этом происходят два процес­ са-расчетный и графический (параллельно, последовательно, чере­ дуясь). Системный анализ (по опыту применения) позволяет сущест­ венно уменьшить количество изменений, вносимых в период подго­ товки и освоения производства деталей, связанных с несовершенст­ вом существующих расчетных методик и широким использованием при конструировании метода аналогий.

К конструкции детали предъявляют требования эксплуатации и тре­ бования производства, которые могут быть противоречивыми, незави­ симыми друг от друга. Требования эксплуатации и производства рас­ сматривают как подсистемы, между которыми имеются связи. Требо­ вания эксплуатации имеют постоянный характер, а производстваДеталь Рис. 1.2. Структура конструкции детали как системы переменный, зависящий от объема выпуска деталей. В итоге это приводит к необходимости постановки многовариантных задач и, следовательно, обоснованию компромиссного („оптимального") решения, но с учетом технико-экономических критериев, принятых не только для конструируемой детали, а для объекта (например, фор­ мующего инструмента) в целом.

1.1.3. Проектирование формующего инструмента, Формующий инструмент (сборочная единица)-это совокупность кон­ струкций малых сборочных единиц и деталей, находящихся в опре­ деленной взаимосвязи, обеспечивающей требуемое функционирова­ ние. Пользуясь методологией системного анализа, представляют конструкцию формующего инструмента как иерархическую систему, состоящую из структурных единиц разного уровня (на рис. 1.3. пока­ зано пять уровней). Каждая малая сборочная единица может состоять из некоторого числа деталей, причем одна и та же деталь может вхо­ дить в разные сборочные единицы (это либо отражает уровень унифи­ кации деталей, либо их повторяемость, либо многофункциональность).

В свою очередь, отдельные части (функциональные или структурные) детали (см. рис. 1.2) могут входить в конструкцию разных наимено­ ваний деталей; на нижней ступени иерархической структуры- эле­ менты системы, поверхности детали (форма, точность размеров, шеро­ ховатость).

Итак, формующий инструмент следует рассматривать только как систему (в то же время - это как показано выше, элемент технологи­ ческой системы М- Ф- И); малую сборочную единицу- в зависимости от постановки задачи системного анализа- как систему и подсистему;

деталь- как систему, подсистему и элемент; функциональную и струкФорма Рис. 1.3. Иерархическая структура конструкции формующего инструмента как системы турную часть детали-как подсистему и элемент; поверхность дета­ ли- только как элемент.

Системные модели формующих инструментов, так же как и отдель­ ных деталей, должны отвечать требованиям эксплуатации и производ­ ства (рассматриваемым как подсистемы) с учетом существующих между ними взаимосвязей и противоречий. Отдельные положения системного анализа использованы в последующих главах.

1.2. Пластмассовое изделие как информационная база для проектирования формующего инструмента 1.2.1. Общие положения Проектирование формующего инструмента выполняют с учетом осо­ бенностей технологических свойств материала изделия. Высокое и стабильное качество изделий при относительно низкой себестоимости, частая смена номенклатуры изделий достигаются при комплексном подходе к проблемам конструирования и изготовления изделия, формующего инструмента. Первым шагом при решении этих проблем является выбор материала изделия. Ответственность за этот шаг несет конструктор изделия, подписывающий соответствующий чертеж.

Иногда окончательному решению предшествует экспертная оценка, составление опросного листа с анализом условий эксплуатации изде­ лия и программы его выпуска. Системный подход к проблеме приме­ нения пластмасс, выбору их для конкретного изделия- см. работу [2], а к конструированию самого изделия- см. разд. 1.1.2.

Наиболее важным для выбора материала является температурный интервал эксплуатации. Он должен быть внутри интервала температур морозостойкости и теплостойкости- при отсутствии внешних нагру­ зок; в противном случае рассчитывают (для опасных точек) напряже­ ния в изделии ор, сопоставляя их с допускаемыми напряжениями о д, причем запас прочности К=од/ор- должен быть не менее 2 - 3. При длительном действии внешней нагрузки необходимо также учитывать закономерности релаксации напряжений. При выборе допускаемых напряжений о д для пластмасс, в первую очередь конструкционных, необходимо учитывать изменения прочности материала в зависи­ мости от скорости нагружения и разгрузки, колебаний температуры, длительности нагружения, влияния влаги и агрессивности среды;

неоднородность материалов (причем многие из них отличаются непо­ стоянством механических характеристик для различных видов де­ формаций).

Неучет этих факторов может вызвать значительные изменения раз­ меров и формы пластмассовых изделий под нагрузкой, превосходящие предельно допустимые, рассчитанные из условий функциональной взаимозаменяемости. При этом вполне вероятна потеря изделием конструктивной определенности'.

Конструктивная определенность деталей машин и приборов (из практики машиностроения) сохраняется, если изменения размеров происходят в пределах от 0,5-1% (квалитеты 10-12) до 3-4% (квалитеты 12-14). Допускаемые напряжения для реактопластов в 1,2-1,5, а для термопластов-почти в 2 раза меньше, чем соответст­ вующие им пределы прочности. Для кратковременных ударных нагрузок рекомендуется снижать допускаемые напряжения на 20- 30% для термопластов и на 50-60%-для реактопластов. Эти рекоменда­ ции по снижению действующих напряжений по сравнению с предель­ ными не универсальны.

В более ответственных случаях исходные допускаемые напряжения необходимо корректировать для каждого отдельного случая проек­ тирования пластмассового изделия. С этой целью может быть приме­ нен дифференциальный метод: предварительный выбор корректирую­ щих коэффициентов для расчета изделий из пластмасс учитывает многие факторы, влияющие на прочность в предположении, что* они не зависят друг от друга.

Недостатком дифференциального метода является отсутствие количественной оценки разброса разрушающих нагрузок вследствие статистической природы прочности материала.

подкласс (конструктивная характеристика отдельных элементов) Рис. 1.4. Структура конструкторского кода изделия Учитывая статистическую природу прочности материала и вероят­ ностное распределение нагрузки [можно построить графики плотнос­ тей вероятности распределения Р(х) по напряжениям о] определяют запас статистической прочности п = 0ъ1°т&х>гпе ° ь - предел прочности материала; о т ах - максимальное действующее напряжение.

Конструктивная определенность (КО) как комплексный показатель качества изделий, в свою очередь, может быть представлена системно, состоящей из нескольких единичных показателей: внешнего вида, массы и отклонений массы от номинала, точности размеров, формы;

шероховатости поверхности; уровня остаточных напряжений; проч­ ностных параметров и т. д. Каждый единичный показатель относится к показателю первого порядка - если отклонения его значений за допустимые пределы сразу же устраняют конструктивную определен­ ность данного изделия (см. выше-допускаемые изменения размеров изделия в сравнении с величинами допусков по различным квалитетам).

Показатели качества определяются технологическим состоянием изделия (т. е. той фазой технологического процесса, в которой эти показатели не только достигаются, но и сохраняются неизменными).

Общие условия соблюдения требований, предъявляемых к качеству пластмассовых изделий - см. стр. 16.; в ГОСТ 24105- 80 даны определе­ ния дефектов внешнего вида.

После выбора материала и показателей качества изделий возмож­ но реализовать следующий шаг, особо актуальный в современном производстве при наличии в отрасли (или вообще в народном хозяй­ стве, без четко выраженной отраслевой принадлежности) автомати­ зированного банка данных по пластмассовым изделиям и автомати­ зированной информационно-поисковой системы (АИПС); этот шагклассификация (конструкторская и технологическая) и кодирование изделий.

Конструкторский код изделия строится по принципу иерархической системы: его структура показана на рис. 1.4.

Технологический код изделия строится на основе фасетной ^истемы классификации, позволяющей производить многоаспектный поиск информации по любому набору признаков, что необходимо для выяв­ ления аналогов; в этом коде имеется постоянная часть (габариты изделия, тип, материал, способ формования) и переменная часть (площадь формования, марка материала, квалитет размеров, сте­ пень сложности изделия и его толщина, вид дополнительной обработ­ ки, масса).

Оба кода указывают в паспорте изделия; на их основе в дальнейшем составляется код формующего инструмента, другие коды, используе­ мые для обращения в АИПС, из банка данных которого можно подоб­ рать аналог-конструкцию универсального блока, стационарной формы, формовкладыша (см. гл. 2, 3).

1.2.2. Технологичность изделий (общая и поэлементная) Оценка общей технологичности пластмассового изделия проводится аналогично изложенному в разд. 1.1.1. Однако при проектировании изделий из пластмасс, формуемых в металлических формах, следует учитывать дополнительно следующие основные рекомендации.

Конфигурация изделия должна быть такой, чтобы оно легко оформ­ лялось и извлекалось из формы; было простым в изготовлении и удобным в эксплуатации (иногда целесообразно изготовление вместо сложного двух или более простых изделий с последующей сборкой их в узел). К упрощению изделия всегда следует стремиться по техноло­ гическим, эксплуатационным и экономическим соображениям: чем оно проще, тем дешевле форма, выше производительность труда, точность и качество изделия и ниже их себестоимость. С другой сто­ роны, некоторое усложнение конфигурации, например благодаря введению ребер жесткости, обеспечивает большую прочность изделия при минимальной массе; при больших плоских поверхностях изделий ребра жесткости позволяют избежать их коробления.

Общая технологичность конфигурации изделия и поэлементная технологичность (отдельных типовых конструктивных элементов) изделия в дополнение к отмеченным в разд. 1.1.1 целям направлена на обеспечение: рациональных условий заполнения расплавом фор­ мующей полости, повышение прочности и уменьшение остаточных напряжений в изделиях (или рациональное управление ими), повыше­ ние точности размеров и степени точности отклонений от правильной геометрической формы поверхностей изделий и положения их осей;

уменьшение или полное устранение необходимости механической обработки и зачистки после формования изделия. Вклад общей кон­ фигурации и отдельных типовых конструктивных элементов изделий в решение перечисленных задач различен (что будет уточнено в этом разделе дальше) и переменен в зависимости от производственных возможностей, программы выпуска, других технико-экономических факторов.

Общая конфигурация изделия-это главное-не должна препятст­ вовать течению расплава при заполнении формующей полости. Поэто­ му и надо всегда стремиться к возможно большему упрощению формы, ее наружных и внутренних поверхностей.

На выбор формы изделий прежде всего влияет текучесть, или вязкость, пластмассы. Особенно это влияние проявляется у малотеРис. 1.5. Влившие формы изделия и условий его эксплуатации иа выбор вариантов ори­ ентации массы при заполнении формующего гнезда. Пояснения в тексте кучих термореактивных пресс-материалов. Изделия из этих пластмасс должны быть невысокие, без тонких стенок, ребер и сквозной арма­ туры. Конфигурация изделия должна обеспечить наиболее короткий путь потоку массы. Это главным образом требуется при литье под давлением любых изделий, особенно разнотолщинных. Условия течения массы влияют на характер и величину внутренних напряже­ ний, усадку и ориентацию материала, анизотропию прочностных и точностных характеристик изделий (рис. 1.5). Если изделие при экс­ плуатации испытывает сжимающие нагрузки, то его следует изготав­ ливать по варианту „а", если изгибающие- то по варианту „г"; важно при этом правильно учитывать места образования „спаев" (места встречи потоков расплава).

При конструировании изделий, изготавливаемых штамповкой, следует стремиться к созданию таких геометрических форм, при которых возможности образования трещин, ореолов и расслоений были бы минимальными. Наиболее технологичными формами плоских изделий из пластмасс являются круглая, овальная или любая другая, но с плавными очертаниями.

Форма изделия должна обеспечивать возможность применения неразъемных матриц и пуансонов; разъемные элементы резко повыша­ ют стоимость и увеличивают трудоемкость процесса изготовления.

Форма сопрягаемых изделий важна для точной подгонки их. На­ пример, на рис. 1.6 показаны варианты-контуры под углом, в виде приливных поясков, обеспечивающие определенность и качество сопряжений двух изделий.

Форма изделия имеет принципиально важное значение для выбора плоскости разъема формующего инструмента, которая должна быть расположена так, чтобы не было затруднений для извлечения изделий после их формования. От положения плоскости разъема зависит точность элементов изделий (см. разд. 1.2.4).

Рис. 1.6. Варианты формы сопрягаемых изделий:

с — контуры под углом; б — приливные по­ яски Рассмотрим достаточно кратко технологичность типовых кон­ структивных элементов изде­ лий, т.е. таких, которые имеются у всех изделий (стенка, дно, тор­ цы, опорные поверхности, радиу­ сы, у большинства (уклоны поверхностей, ребра жесткос­ ти, отверстия и углубления) или у изделий с особыми функциональными признаками (резьбовых, армированных и т. д.). Подробнее об этом см. [3].

Толщина стенок и дна изделий из пластмасс оказывает существен­ ное влияние на возникновение напряжений в изделии, на точность изготовления и время выдержки при формовании, т. е. на эксплуата­ ционные и технико-экономические показатели. Разнотолщинность изделий вызывает неравномерную усадку, являющуюся причиной образования вздутий, трещин и коробления. Значительная толщина стенки вызывает большую по величине усадку, также приводящую к короблению. Все это объясняется главным образом неравномерностью протекания процессов формования пластмассы в форме и охлаждения изделий после их извлечения из формы. Отсюда одно из главных условий наивысшей технологичности конструкции изделия- оно должно быть равнотолщинным. Реально это возможно нечасто, но конструктор изделия обязан всегда стремиться к достижению наи­ меньшей разностенности; имеются проверенные опытом рекоменда­ ции допустимой разносторонности- 1:2 для изделий из термопластов и 1:3 для изделий из реактопластов, но они являются весьма ориенти­ ровочными.

Толщину стенок назначают, как правило, в зависимости от габарит­ ных размеров, необходимой механической прочности изделия и текучести данной пластмассы. Минимальную толщину стенок можно выбирать в зависимости от высоты прессованного изделия или от длины пути потока расплава термопласта в форме (рис. 1.7).

Для издепий из пластмасс рекомендуют также следующие эмпири­ ческие формулы-для реактопластов и для термопластов соответ­ ственно:

Jbta-a/Ura-lOj+l/lgtO.lo) и s min =0,8(3^-2,1) где s m m - наименьшая допускаемая толщина стенки, мм; h—предполагаемая высота стенки, мм; LKK—текучесть пресс-материала по Рашигу, мм; о—ударная вязкость пласт­ массы в Н-см/см.

Формула для реактопластов дает удовлетворительные результаты при следующих параметрах: высота стенки до 160-200 мм, величина текучести по Рашигу от 50 до 200 мм, ударная вязкость пресс-мате­ риала от 25 до 1000 Н- см/см2.

Наиболее часто равнотолщинность нарушается в узлах-местах переходов от стенки к дну изделия, при пересечении стенок ^друг с дру­ гом или ребрами жесткости, ребер жесткости между собой- даже при одинаковых толщинах соединяющихся или пересекающихся элемен­ тов. Это объясняется увеличением массы материала в узлах, из-за чего увеличивается вероятность появления дефектов: усадочных утяжек, микро- и макротрещин и т. д. На рис. 1.8 показаны возможные вариан­ ты сопряжения стенок одинаковых толщин. К анализу этих вариантов применен графический метод определения увеличения массы в узлах.

Необходимо устранять подобные узлы, для чего выполняют, напри­ мер, скругления углов стенки и дна из одного центра- для внутрен­ ней и наружной поверхностей; в местах пересечения ребер предусмат­ ривают кольцевую перемычку и т. д.

На тонкостенных изделиях небольшая разнотолщинность, соизме­ римая с точностью изготовления формы, часто отрицательно не прояв­ ляется, и отмеченное выше относится к изделиям относительно толсто­ стенным, на которых дефекты становятся заметными.

Слишком тонкие стенки вызывают значительные трудности при изготовлении изделий. Опыт показывает, что возможно получить в серийном производстве изделий из пресс-порошков с диаметральными размерами до 50 мм и высотой до 10 мм толщины стенок до 0,5 мм;

такие же и меньшие (до 0,3 мм)-при пресс-литье малогабаритных изделий из волокнистых пресс-материалов типа АГ-4 и литье под Рис. 1.8. Варианты сопряжения стенок одинаковой толщины (например, 5 = 4 мм). Уве­ личение массы материала в „узлах" сопряжения (%) составляет 75 (а), 125 (б), 224 (в), 270 (г) Р и с. 1.9. Варианты „облегчения" торцев изделий:

а — неверно; б, в — достижение равностенности; г — повышение жесткости за счет применения ребра давлением изделий из полиамидов. Для изделий из масс холодного прессования минимальная толщина стенок должна составлять 4 - 6 мм.

Вопрос назначения оптимальных толщин стенок связан не только с конструкционной целесообразностью, но и с технологическими воз­ можностями. Необходимо предусматривать опасности незаполнения расплавом узких щелей в полости формы, например при литье под давлением располагать впускные каналы для расплава в соответствую­ щих тонкостенных участках и учитывать повышение вязкости распла­ ва за счет его саморазогрева (см. гл. 3); с другой стороны, и утолщен­ ные участки требуется лучше подпитывать для компенсации дефицита массы, возникающего при охлаждении расплава, усадке его.

Торцы изделий не должны быть чрезмерно утолщенными, чтобы облегчить формование и извлечение изделия, упростить конструкцию формы. Особенно важным является правильное оформление тех торцев изделия, по которым происходит выталкивание его из формы.

При выталкивании может происходить изгиб или поломка дна изде­ лий, особенно тонкостенных. Поэтому следует упрочнять изделия в точках выталкивания.

Торцы конструируют в виде буртиков разнообразных конструкций, выполненных, как правило, по периметру изделия и предохраняющих края его от поломок, уменьшающих коробление; при этом толщина буртиков должна быть в пределах допустимой разнотолщинности (см. выше). На рис. 1.9 показаны типичные примеры решений по облег­ чению торцев и одновременно повышению их прочности и жесткости за счет применения ребер.

Опорные поверхности служат для монтажа изделий из пластмасс.

Эти поверхности должны быть такими, чтобы препятствовать коробле­ нию после извлечения изделия из формы и в процессе ее эксплуата­ ции, выдерживать необходимые нагрузки и т. д. Сплошные опорные поверхности, не обеспечивающие устойчивости изделия, заменяют выступами, буртиками, ножками, бобышками (особенно у изделий, имеющих значительную протяженность или площадь). Эти конструк­ тивные элементы должны выступать над поверхностью не более чем на 0,3- 0,5 мм. Лучше всего применять трехточечные опоры. Крепежные проушины и выступы должны быть достаточно прочными и жесткими, Jfc.

По чертежу гоо чтобы выдержать усилие, прикладываемое к изделию при сборке. Как правило, крепежные проушины укрепляют ребрами жесткости.

Нерациональные конструкции опорных поверхностей являются одной из причин возникновения погрешностей формы пластмассовых изделий, величины которых зависят от конфигурации и габаритов изделия, а также от температурных и временных параметров процесса изготовления и способа извлечения изделий из формы.

Отклонения от правильной геометрической формы плоских поверх­ ностей - непрямолинейность, неплоскостность - находятся в прямой зависимости от величины стрелы прогиба изделия. Значения макси­ мально допустимых величин стрелы прогиба (в мм) в зависимости от наибольшего размера изделий из пластмасс определяются по следую­ щей эмпирической формуле:

где I max —наибольший размер, измеренный на данной плоскости—диаметр, любая сторона, диагональ, мм; к — коэффициент, равный 0,01 для реактопластов и 0,016 для термопластов.

На рис. 1.10 приведены примеры формуемых изделий, показываю­ щие важность рационального конструирования опорных поверхностей и торцев. Изделие в виде бруса (рис. 1.10, а)1 с трапецеидальным поперечным сечением коробится, обращаясь выпуклостью к ббльшему основанию трапеции, поскольку с этой стороны оно медленнее охлаж­ дается; изделие Т-образной конфигурации (рис. 1.10,6) коробится, „опуская" полочку, поскольку внутренняя часть его охлаждается медленнее наружной; изделия с подковообразными сечениями (рис. 1.10, в) деформируется в сторону „разгибания подковы" также благодаря более интенсивному охлаждению наружной стороны;

изделия коробчатой формы (рис. 1.10, г) имеют тенденцию к прогибу стенок вовнутрь - это характерно и для термопластичных изделий, получаемых литьем под давлением.

Радиусы закруглений на наружных и внутренних поверхностях изделий из пластмасс позволяют облегчить течение массы в форме, упростить ее изготовление и уменьшить износ, упростить извлечение изделий после формования, улучшить внешний вид. Благодаря закруглениям устраняются или заметно снижаются напряжения, уменьшаются величина и колебание усадки изделия, повышается точность.

Особенно важны закругления на поверхности изделий из термо­ пластов, так как при их изготовлении напор массы достаточно велик и плавные переходы между поверхностями необходимы для обеспече­ ния максимального и быстрого заполнения формы.

Радиусы закруглений не предусматриваются, как правило, только у поверхностей, находящихся в плоскости разъема форм (при прессова­ нии), так как закругления „или фаски величиной 0,2-0,3 мм на этих поверхностях образуются после снятия облоя механическим путем.

Выбор величин радиусов закруглений зависит от глубины детали (рис. 1.11), а также толщины стенки и материала изделия.

Оформление радиусов закруглений имеет свою специфику при изготовлении изделий из слоистых пластмасс. Для сохранения моно­ литного материала при штамповке форма изделия должны быть круглой, иначе говоря, острые, прямые и тупые углы необходимо как снаружи, так и в отверстиях выполнять закругленными при опреде­ ленных минимальных значениях радиусов закруглений. Радиусы закруглений здесь уменьшают последующее после штамповки пружи­ нение материала (при вырубке изделия без нагрева) или пружинение и усадку материала (при вырубке изделия с нагревом), повышая точ­ ность изготовления изделий.

Технологические уклоны поверхностей изделий из пластмасс облегчают выталкивание их из формы после окончания цикла изго­ товления. Технологические уклоны могут иметь одновременно и конструктивное значение. Уклоны не назначаются: если конфигура­ ция изделия сама способствует* простому извлечению ее (например, конусный стакан); если внутренняя полость изделия имеет сложную форму, способствующую тому, что изделие при раскрытии формы останется на пуансоне, а формовать это изделие в матрице нежелательно из-за следов выталкивателей; если высота буртов или углублений не превышает 1 - 5 мм; если изделия тонкостенные и имефН-о.гв, Рис. 1.12. Пластмассовые изделия без уклонов:

а — стакан; б — колпачок; е — заглушка ют высоту 10-15 мм. Иногда предусматривается обратный конус. На рис. 1.12 приведены примеры оформления изделий без уклонов.

Технологические уклоны необходимо назначать на вертикальные поверхности, параллельные направлению усилия замыкания формы, а также на те поверхности изделий, которые параллельны направлению перемещения составных частей сложных форм.

Величина технологического уклона оказывает существенное влия­ ние на размерную точность соответствующих элементов изделий (рис. 1.13).

Величина одностороннего уклона определяется в зависимости от высоты Н пластмассового изделия и угла уклока а. При а ^ Г погреш­ ность от уклона должна располагаться в заданном поле допуска размера, на точность которого влияет уклон (как и другие погрешнос­ ти геометрической формы, если они не оговариваются особо). При Рис. 1.13. Влияние технологического уклоь. на точность размера изделия:

а — плоскость разъема формы 1—J; б — плоское, разъема формы 11— ( > Г поверхности изделия рассматриваются как конические или плоские сходящиеся.

Рекомендуемые для различных поверхностей изделий из пластмасс значения углов уклона а:

Внутренние поверхности и отверстия глубиной более l,5d (d — диа­ При назначении угла уклона необходимо учитывать также способ выталкивания пластмассового изделия, шероховатость поверхности формующих деталей, состав перерабатываемой пластмассы. Мини­ мально допустимые значения технологических уклонов для изделий из полистиролов, этролов, полиамидов составляют 30 и 45', а для деталей из полиэтилена 45' и Г (соответственно на внутренних и наружных поверхностях). На практике часто уклон задают на черте­ же двумя размерами.

Если матрицы форм изготавливают выдавливанием, то технологи­ ческие уклоны наружных поверхностей пластмассовых изделий оказываются увеличенными (так как при малых уклонах, указанных выше, выдавить внутреннюю полость матрицы трудно).

Ребра жесткости конструируют для общего увеличения прочности, жесткости изделий, локального усиления особо нагруженных во время эксплуатации частей, выступающих элементов, а также из технологических соображений - для более равномерного распределе­ ния по всему объему изделия внутренних напряжений, усадки. Ребра жесткости позволяют уменьшить поперечные сечения отдельных элементов изделий. В зависимости от назначения ребра жесткости подразделяют на усиливающие, разводящие (рассредоточивающие), обеспечивающие равностенность, конструктивные, технологичес­ кие. На плоских поверхностях изделий из пластмасс они во многих случаях способствуют обеспечению требуемой прочности, предохра­ нению от коробления. Предпочтительно конструировать тонкостенные изделия, но с ребрами жесткости. Сами ребра должны иметь равномер­ ную толщину, конусность в направлении замыкания формы и закруг­ ленные внутренние и наружные края.

Наиболее часто на практике встречается форма ребра жесткости в виде усеченного конуса с закругленной вершиной и плавным перехо­ дом от стенки ребра к изделию. Если выталкивание изделий из формы осуществляется по ребру жесткости (для чего особенно часто исполь­ зуют ребра по внутренней поверхности), то следует иметь в точках выталкивания местные небольшие утолщения с плоской вершиной.

Высота ребер определяется их числом и конструкцией изделия: у плоских изделий она обычно равна удвоенной ширине его у основа­ ния. Высота внутренних ребер должна быть не менее чем на 0,5 мм меньше общей высоты изделия. Это делается для упрощения после­ дующей механическбй обработки поверхности, а также для того, Р и с. 1.14. Рекомендуемые соотношения размеров элементов ребер жесткости изделий из пластмасс При конструировании изделий с ребрами жесткости следует либо вообще избегать замкнутых контуров, либо стремиться к тому, чтобы периметр замкнутых контуров ребер жесткости был по возможности минимальным, так как пластмасса, находящаяся внутри контура, не имеет возможности свободно усаживаться, что приводит (особенно при малой толщине стенок) к появлению трещин.

Рекомендуемые соотношения размеров элементов ребер жесткости приведены на рис. 1.14. Ребра следует располагать на прямых участках диагонально или диаметрально так, чтобы они работали при эксплуа­ тации изделия на сжатие, а не на растяжение. Для увеличения жест­ кости крышек, днищ крупногабаритных изделий, боковых стенок, если допустимо конструктивно, применяют мелкие ребра (высотой 0,5- 1,0 их ширины)- нервюры.

Отверстия и углубления в пластмассовых изделиях, их расположе­ ние и число влияют на величину усадки и точность размеров; в изде­ лиях из пластмасс можно получить отверстия любой конфигурации.

Однако следует принимать во внимание трудоемкость изготовления соответствующих знаков форм, исходя из чего предпочтительнее более простые конфигурации отверстий; они же легче поддаются точному измерению. Любой тип отверстия может быть сквозным и глухим, ступенчатым. Возможная конфигурация и соотношение размеров сквозных отверстий приведены на рис. 1.15.

Отверстия в изделиях из пластмасс могут быть выполнены пол­ ностью во время формования, частично в форме с последующим сверлением, сверлением после формования.

Соотношения расстояний между отверстиями (величина перемыч­ ки) и расстояний от края отверстия до края изделия должны быть такими, чтобы исключить возможность поломки, растрескивания.

Наиболее целесообразно отверстия располагать в направлении приложения усилия замыкания формы. Однако иногда они необхо­ димы в плоскостях, перпендикулярных направлению приложения усилия формования.

Наибольшую длину глухих отверстий, расположенных в направлеРис. 1-15. Возможная конфигурация и соотношения размеров сквозных отверстий в изде­ лиях из пластмасс нии, перпендикулярном направлению формования, можно определить по формуле диаметр круглого отверстия, размер стороны квадрата или размер наименьшей стороны прямоугольного отверстия). Практически все отверстия по технологическим причинам следует изготавливать с Р и с. 1.16. Номограмма для определения максимально допустимых длины !и высоты h отверстий — сквозных (/) и глухих (Я) технологическими уклонами, направление которых соответствует направлению формы.

Углубления, пазы и подобные специфические конструктивные элементы различного назначения, позволяют выравнивать толщины стенок и дна, массу изделия. Иногда возникает конструктивная, функциональная необходимость выполнять их как поднутрения, т. е.

располагать оси углублений, пазов, выемок материала под углом к основному направлению формования изделия. Это всегда связано с усложнением конструкции формующего инструмента (применяют разъемные вставки, знаки, требующие закреплениям т. д.).

Резьба в изделиях из пластмасс получается, как правило, непосред­ ственно в процессе формования. При изготовлении резьбы необходимо считаться с усадкой материала и спецификой изготовления формую­ щих знаков и колец. Прессованием или литьем под давлением могут быть получены резьбы на внутренней и наружной поверхностях диаметром 2,8-3 мм и более и с шагом не менее 0,7 мм. Профиль резьбы может быть любым, но предпочтительнее метрическая резьба по ГОСТ 11709-81 (если по условиям эксплуатации для образования резьбового соединения не требуется иной резьбы- круглой, крепеж­ ной, трапецеидальной)-см. разд. 1.2.4 и гл. 2 (табл. 2.7). Указанный стандарт регламентирует нормы взаимозаменяемости резьбовых пластмассовых изделий.

Резьбовыми кольцами (или матрицами) оформляются резьбы на наружной поверхности изделия. В зависимости от конструкции изде­ лия матрицы или кольца могут быть цельными или разборными, состоящими из двух или более секторов. Разборные кольца рекомен­ дуются как обязательные при формовании наружной резьбы на изде­ лиях из хрупких пластмасс, например из полистирола. Использование такой разборной оснастки полностью Исключает повреждения поверх­ ности резьбы при вывинчивании деталей из формы. Однако при этом требуется зачистка облоя по плоскостям разъема, ухудшающая ка­ чество поверхности.

Если в резьбовом соединении используется болт (винт) металличес­ кий, то пластмассовую гайку целесообразно выполнять с запрессован­ ной металлической резьбовой арматурой (втулкой), поскольку при многократном свинчивании пластмассовая резьба относительно быстро разрушается.

Соотношения диаметров и длин рабочей части резьбовых знаков (т. е. глубина формования) могут быть приняты такими же, как для гладких стержней, оформляющих отверстия. Обычно в большинстве случаев не требуется глубоких резьбовых отверстий, и глубина фор­ мования назначается равной 1,5-2 диаметрам резьбового знака.

Перемычку между резьбовыми отверстиями и расстояние от отверстий до краев детали следует увеличивать примерно в 1,5 раза по сравне­ нию с гладкими отверстиями.

Примеры оформления резьб на деталях из пластмасс приведены на рис. 1.17. Если резьба на поверхности изделия имеется в двух или более различных местах, она должна иметь одинаковый шаг. Заходная часть резьбы выполняется так, чтобы на длине (0,5-Н,0)р (р-шаг) не было нарезки, что облегчает свинчивание в начальный момент. На другом конце резьбы также может быть предусмотрен участок без нарезки, если это не мешает извлечению изделия из формы.

Резьбовые поверхности изделий из слоистых пластмасс обычно нарезают метчиками, что позволяет получать как сквозные, так и глухие отверстия. В последнем случае необходимо предусмотреть возможность для выхода стружки. Известны и широко распространены способы нарезания резьбы самонарезающими гайками в предваритель­ но отформованных отверстиях.

Резьба в изделиях из пластмасс должна конструироваться (выби­ раться) на основании расчетов. В резьбовом соединении, как известно, возникает осевая сила, создающая растягивающие осевые напряжения в стенках изделия и сжимающие напряжения на поверхности резьбы.

При большом числе витков резьбы сжимающие напряжения уменьша­ ются, а растягивающие-увеличиваются, и возрастает опасность разрушения изделия от их действия.

Р и с. 1.17. Оформление резьб на поверхностях изделий из пластмасс:

й — одно- и многозаходная резьба; б — резьба одинакового шага на двух последовательно расположеных участках; в, с, д — неправильные; е, ж, з — правильные конструкции резьбовых изделий Из условия равнопрочности стенки изделия на растяжение (ор) и резьбы на смятие (о ш ) рассчитывают число витков резьбы:

где h — высота резьбы; 6 — толщина стенки изделия, определенная по впадинам резьбы.

Из условия равнопрочности на растяжение и изгиб стенки резьбо­ вого изделия рассчитывают число витков резьбы:

причем всегда П2>щ.

Из условия равнопрочности в осевом и тангенциальном направле­ ниях число витков определяют по формуле n3=c//(2ptga), где й- диа­ метр резьбы; a - угол наклона боковой поверхности витка резьбы (для упорных и круглых резьб a=90° и п = 0).

При максимальной осевой нагрузке вследствие деформации резьбы образуется радиальный зазор:

Если ^3=h, то происходит выдергивание болта или гайки (при условии, что пластмасса достаточно эластична и не разрушается при напряжении ор).

Вместо резьбы в соединениях типа „пластмасса- пластмасса" в последние годы применяют различные замковые конструкции, исполь­ зуя эластичные свойства материалов. На рис. 1.18 показан пример такой конструкции. Здесь важно точно определить размеры уступа и канавки. При разъеме соединяемых изделий осевое усилие должно отогнуть конец изделия с уступом и вывести его без повреждения из канавки^ для этого угол должен быть в пределах 30- 40°, а высота Рис. 1.18. Вариант конструкции замкового соединения двух изделий /=(0,2-г 0,3)6; размеры а и h целесообразно принимать равными для обеих соединений изделий: di < dx; р = 15+20° - обозначения см. на рис.

рис. 1.18.

Конструкции пластмассовых изделий с металлической или другой арматурой- это неразъемные соединения, образующиеся непосредст­ венно в процессе формования-за счет усадки материала, разности коэффициентов теплового линейного расширения пластмассы и метал­ ла (или другого материала) арматуры.

Необходимость применения арматуры появляется в следующих случаях: когда без нее нельзя' повысить прочность или жесткость отдельных участков изделия; для повышения точности и определен­ ности сопряжения изделия с другими, особенно металлическими; для повышения стойкости к износу из-за истирания или заедания пласт­ массы; для создания более плотного резьбового соединения и крепле­ ния других изделий болтами или заклепками.

Арматура бывает трех видов: втулочная, стержневая, листовая (плоская), причем для любого из этих видов-сквозная и глубокая (т. е. выходящая из изделия).

Известны способы образования сборно-разборной конструкции, когда арматура устанавливается в заранее'- изготовленное изделие сразу после извлечения его из формы. И в этом случае соединение происходит за счет усадки материала, который плотно охватывает арматуру.

Наконец, может быть осуществлено неподвижное или разъемное соединение пластмассового изделия с арматурой после охлаждения изделия. При этом неподвижное соединение создается, как правило, с помощью клея, развальцовкой и т. д.

Конструкции изделий с запрессованной арматурой обеспечивают относительно высокую прочность крепления арматуры в пластмассе (при правильно выбранной форме и конструкции арматуры) и высокую точность координации арматуры. Однако такие конструкции облада­ ют и рядом существенных конструктивных ограничений: возможно появление значительных трещин в материале изделия из-за различ­ ных коэффициентов линейного расширения пластмассы и металличес­ кой арматуры; повышается вероятность выхода из строя изделий с запрессованной арматурой во время эксплуатации, особенно в усло­ виях резкой перемены температур и в тропических условиях из-за наличия микротрещин в пластмассе вокруг арматуры; увеличивается продолжительность загрузки горячей формы, особенно при больших партиях изделий и малых размерах запрессованной арматуры, удли­ няется цикл изготовления таких изделий; возрастает процент брака из-за арматуры (происходит затекание массы на арматуру при формо­ вании); увеличивается процент вероятного брака готовых изделий с арматурой из-за повреждения арматуры при эксплуатации (срыв резьбы, повреждение слоя гальванического покрытия и т. д.); возни­ кают дополнительные источники неравномерного охлаждения изде­ лия после формообразования и, как следствие, внутренние напряже­ ния, приводящие к образованию трещин; значительно увеличивается стоимость и сложность изготовления форм для изделий с металличес­ кой арматурой; затрудняется осуществление автоматизации процесса изготовления изделий.

Изготовление армированных изделий путем последующей сборки частично устраняет отмеченные недостатки.

Там, где арматура является токопроводящей, ее необходимо рас­ полагать так, чтобы увеличить путь электрического разряда, макси­ мально удаляя контакты друг от друга или вводя дополнительные ребра и пазы.

При запрессовке арматуры во время формования требуются спе­ циальные гнезда для установки арматуры. Фиксирование арматуры должно осуществляться достаточно прочно, чтобы она могла противо­ стоять давлению течения массы материала и так, чтобы не происхо­ дило затекания массы в гнезда. Кроме того, необходимо, чтобы она удобно устанавливалась в гнезда и был достаточным слой пластмассы вокруг опрессовываемой части арматуры. Материал следует выбирать с учетом свойств контактируемой пластмассы. Например, недопустимо сочетание никелированной и посеребренной арматуры с пресс-мате­ риалами, содержащими сернистые соединения.

Металлическая арматура существенно влияет на точность изготов­ ления изделий из пластмасс, так как она затрудняет, сдерживает процесс усадки после извлечения ее из формы, что в равной мере относится как к гладким элементам изделия, так и к межосевым размерам. От рационального расположения арматуры во многом зависит правильная геометрическая форма изделий. Арматуру не следует располагать близко к поверхности, внутренней стенке и краю изделия, а также только с одной стороны изделия во избежание образования трещин, вздутий, коробления и других дефектов.

Минимальные толщины слоя пластмассы вокруг металлической арматуры (от 0,5 до 5 мм) выбирают с учетом размера спрессовывае­ мой арматуры и физико-механических свойств пластмасс таким образом, чтобы предотвратить появление трещин от усадочных напря­ жений. Для образования тонких слоев пластмассы на металлических деталях должны применяться материалы, обладающие возможно меньшей усадкой и наиболее низким коэффициентом линейного расширения. Во избежание вспучивания пластмассы над арматурой расстояние Ь от ее края по поверхности детали должно быть не менее 1,5-2 мм. Эта рекомендация пригодна для аоматуры с наружным диаметром до 5 мм. Если диаметр арматуры d оказывается больше 5 мм, то расстояние увеличивается в соответствии с увеличением отношения d/b. Чтобы предотвратить осевое смещение штифтовой или втулочной арматуры (даже при условии, что на арматуре имеется накатка или насечка), следует предусматривать в изделии технологи­ ческое отверстие под опорный знак, расположенное на одной оси с арматурой.

Располагать металлическую арматуру перпендикулярно направле­ нию приложения усилия не рекомендуется, однако там, где такая арматура необходима, следует предусматривать возможность уста­ новки опорных знаков в форме.

Поперечное сечение металлической арматуры (включая и отверс­ тие в арматуре) должно быть меньше сечения пластмассы. Арматуру следует закреплять в форме, как правило, в одной половине, по возможности в нижней ее части. Варианты закрепления арматуры в пластмассовых деталях приведены на рис. 1.19. Для надежного удер­ жания и предотвращения проворачивания арматуры вокруг оси или вырыва ее из изделия применяются буксы, штифты, втулки, накатка наружной поверхности запрессовываемой части арматуры и кольце­ вые канавки. Накатка может быть прямой и сетчатой (кре,ст-накрест).

При накатке необходимо подрезать посадочный буртик или не дово­ дить ее на 1,5-2 мм до торца, так как края арматуры во время обра­ ботки несколько приподнимаются.

Высота накатки, рифлений или насечки может быть рассчитана из условия, что наиболее опасными являются контактные напряжения (допустимые значения этих напряжений для пластмасс-3-8 МПа).

Следует напомнить, что арматуру удерживает сила трения между соприкасающимися поверхностями, возникающая как следствие температурных напряжений; стремление снизить эти напряжения приводит к ослаблению связи арматуры с пластмассой, которую и усиливают неровностями поверхности соприкосновения.

Для предотвращения затекания массы на арматуру и в гнезда круглые гладкие буксы и втулки могут иметь сквозные отверстия, которые, даже если в них попадает пластмасса, легко зачищаются.

Используются также специальные резьбовые буксы.

Штампованная листовая арматура малоустойчива по отношению к давлению массы в форме, поэтому желательно так ее располагать, чтобы поток расплавленной массы на своем пути встречал ребро арматуры.

Рис. 1.19. Варианты закрепления арматуры в пластмассовых деталях:

а — круглой; б — проволочной; е — лепестковой Точность изготовления арматуры должна соответствовать ее конст­ рукции и условиям фиксации в форме. Наибольшие требования по точности предъявляются к штампованной листовой и сквозной арма­ туре. В первом случае это объясняется тем, что под плоскую арматуру необходимо изготовить в форме соответствующие пазы и окна, во втором случае-тем, что точность изготовления размеров изделий из пластмасс по высоте непосредственно зависит от точности изготовле­ ния открытой арматуры, т. е. выходящей на поверхность изделия.

Если арматура будет иметь большую, чем предусмотрено, высоту, она расплющится, меньшую- она будет заливаться пластмассой. Рекомен­ дуется эти размеры арматуры выполнять по квалитетам ГГЭ-^10.

В случае необходимости запрессовка крупных металлических вставок (например, в деталях электрических машин) при небольшой толщине слоя пластмассы вокруг опрессовываемой арматуры (от 35 до 50% от диаметра арматуры) целесообразно применять метод соедине­ ния арматуры с изделием сразу после извлечения его из формы. Этим исключаются трудности, связанные с закреплением или фиксацией громоздкой арматуры в форме и т. д. При конструировании таких изделий размеры отверстий под запрессовку арматуры следует назна­ чать с учетом усадки пластмассы, размеров вставок и необходимого натяга. Первоначально натяг создается за счет усадки пластмассы при остывании изделия со вставленной в него арматурой. Кроме этого натяга для мелких металлических вставок требуется дополнительный- около 0,025- 0,050 мм, а для крупных- примерно 50% от величи­ ны усадки.

Пластмассовые изделия с металлической арматурой необходимо рассчитывать на прочность, определяя растягивающие и сжимающие напряжения в стенке изделия (это можно выполнять с учетом или без учета релаксации напряжений в пластмассе; расчетные формулы учитывают также тип арматуры- втулочный или стержневой).

Накатка и рифление (а также надписи)-осуществляются в процессе формования и на наружных поверхностях изделий из пластмасс. Часто накатка и рифление применяются в декоративных целях. На поверх­ ности изделий накатки, рифления и надписи необходимо располагать так, чтобы извлечение изделий из форм не требовало применения разъемных частей (знаков, вставок).

Рассмотрим некоторые особенности конструирования изделий из слоистых пластмасс.

Конструкции изделий из слоистых пластмасс отличаются анизотро­ пией механических и других свойств. Следовательно, при эксплуата­ ции они должны нагружаться главным образом в направлении их максимальной прочности. Прочность некоторых слоистых пластмасс сравнима с прочностью конструкционных сталей, но модуль упругости их значительно ниже. Это необходимо учитывать в первую очередь при конструировании изделий, от которых требуется достаточная жесткость.

Следует также учитывать, что гибкие конструкции из слоистых пластмасс могут терять свою устойчивость значительно раньше, чем будет исчерпана прочность материала. Поэтому при проектировании конструктивных элементов, работающих на изгиб, особо важно преду­ смотреть, чтобы направление приложения нагрузки соответствовало тому направлению, в котором модуль упругости материала имеет максимальное значение.

Концентрация напряжений в элементах конструкций из слоистых пластиков опасна, так как резерв пластичности этих материалов, как правило, очень мал и обнаруживается при растяжении в направлении, близком к 45° относительно осей упругой симметрии, в других же направлениях такого резерва практически не существует.

Опасность влияния концентрации напряжений на прочность изде­ лий из слоистых пластиков усиливается неизбежными дефектами структуры материала.

Значительное увеличение концентрации напряжений в элементах конструкций может возникнуть при резком увеличении числа слоев армирующих материалов; этого можно избежать путем постепенного уменьшения длины этих слоев. Указанный прием часто используют в клеевых соединениях, при армировании углов, создании водонепро­ ницаемых соединений- примеры см. на рис. 1.20.

Постановка размеров на чертеже пластмассового изделия является важным этапом проектирования, создания технологичного изделия.

Характерные примеры правильной простановки размеров приведены Р и с. 1.20. Примеры конструирования изделий из слоистых пластмасс:

а — соединение перпендикулярных друг другу стенок; б — образование угла; в — формование не­ разъемного (слева) и разъемного (справа) соединений частей изделия Р и с. 1.21. Примеры правильной простановки размеров на чертежах пластмассовых дета­ лей. Пояснения в тексте на рис. 1.21. Например, для случая механической обработки изделия, когда к точности расположения его отверстий относительно оси симметрии не предъявляют особых требований, целесообразно назна­ чать размеры / и А с максимально возможными широкими допусками (рис. 1.21, а).

При формовании симметричного изделия, особенно в том случае, когда контур его оформляют в матрице, а отверстия- знаками пуан­ сона, размер / обычно не проставляют, так как его трудно технологи­ чески обеспечить и проконтролировать (рис. 1.21, б).

В тех случаях, когда одни размеры изделия оформляют пуансоном, & другие матрицей, целесообразно отступить от принципа единства баз и наносить размеры с разных сторон. Это полностью соответствует правилам простановки размеров на чертежах деталей формы. Коле­ бания толщины облоя so6J1 при формовании искажают только один размер Я высоты изделия (рис. 1.21, в). Этот размер рекомендуется контролировать на всех изделиях.

При конструировании изделий типа кожухов, получаемых прессо­ ванием, можно не указывать толщину стенки. Это не относится к тем размерам, которые оформляются одной частью формы, например ребрам жесткости (рис. 1.21,г). Однако нанесение размера толщины стенки 5 допустимо при конструировании полых изделий сложной конфигурации, когда координирование всех переходов контура по внутренним и наружным размерам может привести к большим коле­ баниям толщины стенки (рис. 1.21, д).

Габаритный размер изделия не должен включать в себя размеры местных выступов, бобышек, ребер и т. п. Допускается также отсут­ ствие на чертеже габаритного размера, если его простановка не тре­ буется по конструкционным соображениям.

На чертеже изделия с арматурой не следует повторять размеров, заданных на чертежах арматуры.

1.2.3. Влияние конструкции изделия на образование остаточных напряжений В зависимости от требований эксплуатации уровень качества изделия может реально выражаться различными параметрами-точностью размеров, чистотой поверхности, внешним видом, прочностными показателями и т. д. Однако практически все эти параметры определя­ ются напряженным состоянием материала изделия после его изготов­ ления и изменениями в процессе хранения и испытаний. Таким обра­ зом, напряженное состояние материала объективно отражает общий уровень качества изделия. Это состояние характеризуется собственны­ ми напряжениями, называемыми также внутренними, или остаточны­ ми. Они возникают в тех случаях, когда в поперечном и продольном сечениях тела появляются неравномерные деформации или изменения объема и формы. Собственные напряжения взаимно уравновешивают­ ся-общая равнодействующая и результирующий момент в каждой данной точке имеют нулевые значения.

По характеру происхождения собственные напряжения могут быть подразделены на временные, исчезающие после удаления вызвавшей их причины (например, термические напряжения из-за неравенства температуры в различных частях изделия, исчезающие после вырав­ нивания температур), и остаточные, остающиеся в теле изделия посуде удаления вызвавших их причин.

Для изделий из пластмасс характерными являются остаточные напряжения первого рода, т. е. такие, которые уравновешиваются в областях, имеющих размеры одного порядка с размерами тела изде­ лия. Эти напряжения вызываются неравномерным распределением массы; неоднородными силовыми и температурными полями во время образования изделия.

Принципиально любой процесс формования пластмассового изделия приводит к образованию остаточных напряжений. Остаточные напря­ жения в пластмассовых изделиях классифицируются по видам: ориентационные, термические, диффузионные, напряжения армирования.

Опыт показывает, что остаточные напряжения в ряде случаев играют и положительную роль. Действительно, если остаточные напря­ жения совпадают по направлению с внешней нагрузкой, их величина должна быть вычтена из величины допустимого напряжения. Если же остаточные напряжения направлены противоположно внешней нагруз­ ке, то величина допустимых напряжений не изменяется, а при снятии остаточных напряжений надежность конструкции будет повышаться.

Ориентационные остаточные напряжения в значительной степени зависят от конструкции изделия, количества и расположения мест впуска расплава в форму или общего направления движения мате­ риала. Рис. 1.5 хорошо иллюстрирует это положение. Первой причиной возникновения ориентационных напряжений является течение ма­ териала по одному или двум направлениям (одно- или двумерное течение). При этом в направлении потока за счет трения расплава о стенки металлической формы, а также от внутреннего трения между слоями возникает разность скоростей потока по сечению. Напряжения сдвига вызывают деформацию макромолекул и их ориентацию, кото­ рая фиксируется при застывании расплава.

Если происходит двумерное течение, поток расплава расширяется перпендикулярно направлению его движения. Пример такого тече­ ния- заполнение формы диска от литника, расположенного по центру.

Фронт потока в любой момент заполнения формы представляет собой дугу с центром у литника. Расширение расплава происходит неравно­ мерно по сечению. После смачивания стейки формы расплав около нее начинает охлаждаться и застывать, в то время как новые порции расплава будут передвигаться по застывшему слою и одновременно расширяться. Это приводит к возникновению сдвиговых напряжений в направлении, перпендикулярном основному направлению течения потока. Возникает двухосная ориентация материала в теле изделия, причем доминирующей оказывается продольная ориентация. Следо­ вательно, второй причиной, обусловливающей остаточный характер ориентационных напряжений, является быстрое охлаждение (при литье под давлением, экструзии) и затвердевание материала после формования.

Наиболее отчетливо возникновение ориентационных напряжений проявляется при литье под давлением термопластов типа полистиро­ ла, полиметилметакрилата и т. п. Было установлено, что у поверхнос­ ти исследуемых образцов ориентация молекулярных структур выра­ жена наиболее ярко, затем она снижается по направлению к центру поперечного сечения. В центре всегда наблюдается незначительная ориентация, материал здесь может быть признан изотропным. Это объясняется протеканием при медленном застывании расплава релак­ сационных явлений, обусловленных броуновским движением частиц материала. Подобная ориентация наблюдается и в тех конструкциях, которые обеспечивают расплаву достаточно короткий путь течения.

При более длинном пути потока ориентационные явления существен­ но усложняются.

Наибольшее напряжение сдвига наблюдается у стенки формы.

Выделяющееся при этом тепло отводится через стенку формы. Только на определенном расстоянии от стенки тепло уже полностью не отво­ дится, вязкость расплава понижается, и в этой области ориентация материала проявляется меньше.

Величина ориентационных напряжений зависит от двух обстоя­ тельств. Первое-это уже рассмотренные напряжения от „заморажи­ вания" ориентированных -молекул с образованием неравновесного объема. Второе- напряжения,, связанные с изменением конформаций молекул и вызывающие деформацию только части объема материала.

При любом виде течения расплава существуют молекулярные перемещения. Происходит изменение положения молекул (как целой структурной единицы) из-за изменения вязкости вещества, что приво­ дит к созданию термодинамически неравновесной структуры, так как при этом вдоль линии течения будет повернуто больше молекул, чем в случае равновесного распределения энергии теплового движения по объему вещества; при резком охлаждении неравновесное состояние фиксируется по всему сечению изделия. Кроме того, происходит растягивание единичных молекул с увеличением расстояния между их концами, что приводит к уменьшению гибкости молекулярных цепей. Такое термодинамическое состояние также „замораживается".

Переход объема полимера в равновесное-состояние определяется температурными условиями. При нагревании отформованного изделия в интервале между температурами стеклования и текучести материала для каждого значения температуры за определенный промежуток времени нагревания объем (деформация) восстанавливается на опре­ деленную величину. Это чисто релаксационный процесс и его скорость (время релаксации) представляется экспоненциальной функцией температуры нагревания: Т=АеаА{ где Г- температура нагревания изделия; А и а - постоянные, зависящие от материала и условий формования; Д /- усадка после нагревания при температуре Т.

Параметр А с физической точки зрения является температурой отпуска ориентационных остаточных напряжений. Количественной мерой напряжений при условии полной релаксации является вели­ чина А /, зная которую, можно определить остаточные напряжения по кривой растяжения данного материала.

Термические остаточные напряжения возникают в теле изделия из-за того, что изменение объема массы (или линейных размеров) в связи с изменением температуры не могут происходить свободно.

Охлаждение пластмассового изделия в процессе формования (литье под давлением) или после извлечения из формы (прессование) сопро­ вождается термоударом. Значительное различие в величинах коэффи­ циентов линейного термического расширения материала формы и изделия приводит к существенным объемным изменениям. Образо­ вание твердой наружной оболочки раньше, чем полностью затверде­ ет вся масса по сечению изделия, в свою очередь, препятствует тому, чтобы изменения объема протекали свободно, без затруднений. В результате, как правило, внутренняя часть изделия оказывается растянутой, а наружная-сжатой. Сжимающие напряжения у поверх­ ности вызывают коробление изделия, образование утяжин и т. п.

Растягивающие термические напряжения приводят к возникновению усадочных раковин, пустот.

Диффузионные остаточные напряжения возникают при поглощении или потере влаги полимерным материалом. Они обусловливаются разностью коэффициентов линейного термического расширения соседних слоев материала, в которых концентрации жидкости различ­ ны вдоль какой-либо линейной координаты. Поскольку одновременно следует считаться с явлением миграции влаги внутри тела изделия, можно ожидать возникновения дополнительных остаточных напряже­ ний при миграции жидкостей в течение всего периода до насыщения, а для замкнутых систем-и после насыщения. Для количественного определения диффузионных остаточных напряжений необходимо знать функцию распределения концентрации жидкости по линейной координате, а также коэффициенты диффузии материала.

Диффузия влаги в изделиях из пресс-порошков описывается функ­ цией распределения на границе „полимерный материал-жидкость (пары)" при всесторонней диффузии:

При делении допуска на две части необходимо учитывать техноло­ гические особенности изготавливаемых изделий.

Назначенные конструктором допуски ТСб(в) и ТС6(А), называемые поэтому конструктивными- Тк(в) и Тк(д), должны ограничивать все погрешности, которые могут быть у изделий, поступающих на сборку где Дт—суммарная технологическая погрешность, возникающая в процессе изготовления изделий из пластмасс; Дук—погрешность за счет технологических уклонов, которая определяется из соотношения AyK=2Htgo (см. рис. 1.13); Дх— погрешность, возникающая при хранении изделий до их сборки и начала эксплуатации; Дкон—погрешность, возни­ кающая при контроле размеров (метрологические погрешности).

Задача выбора конструкторских допусков, обеспечивающих взаимо­ заменяемость изделий, относится к проблеме применения изделий из пластмасс; на основании метода прецедентов (однотипные варианты) или аналогий (подобные варианты), после проведения необходимых функциональных расчетов, этот выбор окончательно проводят по * Поля допусков, не рекомендуемые для посадок.

** Поля допусков, не предусмотренные ГОСТ 25347—82.

Примечание. В квалитетах 13—18 (включительно) предусмотрены только поля типа h/H и js*/JS*.

ГОСТ 25349-88 (СТ СЭВ 179-87) „Основные нормы взаимозамен—мос­ ти. Единая система допусков и посадок. Поля допусков деталей из пластмасс". Стандарт устанавливает поля допусков и предельных отклонений для гладких сопрягаемых и несопрягаемых элементов изделий с номинальными размерами от 1 до 3150 мм; этот стандарт базируется на основополагающих стандартах единой системы допус­ ков и посадок (ГОСТ 25347-82, 25346-82), частично их дополняя;

указанные в нем поля допусков относятся к размерам изделий при температуре 20 "С и относительной влажности окружающего воздуха 50%. В табл. 1.1 приведены поля допусков „валов" и „отверстий" изделий из пластмасс (в диапазоне размеров до 500 мм), которые должны назначаться по ГОСТ 25349- 88- в зависимости от требований эксплуатационной точности, в табл. 1.2-классификация эксплуата­ ционных и сборочных требований к размерам изделий из пластмасс.

Подробнее о назначении конструкторских допусков см. [4].

Для сопрягаемых размеров в гладких цилиндрических сопряже­ ниях поля допусков располагают в соответствии со знаками откло­ нений, установленных для выбранной посадки.

Для несопрягаемых размеров поля допусков должны располагаться „в тело" или симметрично (в последнем случае они равны половине величины допуска и проставляются со знаками ±).

Взаимозаменяемость специальных соединений изделий из пласт­ масс (шпоночных, шлицевых) и передач (зубчатых, червячных) обес­ печивают путем использования действующих общих норм [4], выбирая из них подходящие-с учетом свойств пластмасс. Например, из-за теплового расширения пластмассового элемента шпоночного соеди­ нения оно может оказаться неподвижным даже при применении посадки, гарантирующей наиболее подвижное соединение по втулке в металлических шпоночных соединениях.

пластмасс для номинальных размеров до 500 мм по ГОСТ 25349— отклонения kl0**/N10* - xlO**/X10** yl0**/Y10** zl0**/Z10** zal0**/ZA10** zbl0**/ZB10** zclO**/ZC10** Т а б л и ц а 1.2. Классификация эксплуатационных и сборочных требований Типы размеров Характерные Требования,предъяв­ Примеры Сопрягаемые Определенная по­ Высокие (IT8+10) Сопряжения типа назначения показатели Сопрягаемые Определенная Невысокие в зависи­ Посадочные места не­ неответственного посадка мости от конкретных которых крышек и Эксплуатационные требования и взаимозаменяемость зубчатых передач обеспечиваются степенями точности и нормами гарантирован­ ного бокового зазора между неработающими профилями зубьев.

Степени точности изготовления зубчатой передачи назначаются в зависимости от режима ее работы с учетом технологических возмож­ ностей изготовления передачи с заданной степенью точности. Вели­ чины бокового зазора характеризуют вид сопряжений зубьев передачи и назначаются независимо от степени точности ее изготовления с тем, чтобы обеспечить нормальные условия сборки и работы передачи.

Учитывая возможные области применения пластмассовых зубчатых передач, можно рекомендовать нормы точности, соответствующие 8-10 степеням.