Разработка и конструирование литьевых форм

David 0. Kazmer





                Injection Mold Design Engineering










HANSER
Hanser Publishers, Munich • Hanser Gardner Publications, Cincinnati

Давид О. Казмер



            Разработка и конструирование литьевых форм


Перевод с английского под редакцией
В. Г. Дувидзона

Санкт-Петербург
2011

  ЦЕНТР
  ОбРАЗОЕАТЕЛЬнЫХ ПРОГРАМА*
ПРОФЕССИЯ

УДК 678.057.745.5
ББК 35.710 Англ
К14


К. 14 Давил О. Казмср. Разработка и конструирование литьевых форм/ пер. с англ, под. рсд. В. Г. Дувидзона — СПб.: ЦОП «Профессия». 2011. — 464 с. ил., габл.
      ISBN 978-5-91884-016-0
      ISBN 978-1-56990-417-6 (англ.)

      Книга представляет собой наиболее полное современное руководство по проектированию и анализу конструкций литьевых форм. Автором собран уникальный материал, который будет интересен нс только начинающим, но и ведущим специалистам. Главной особенностью этого издания, по сравнению с аналогичными руководствами, является подробный анализ конструкций и изучение взаимосвязей между проектированием, технологией и экономикой процессов — как изготовления литьевых форм, так и литья деталей из полимерных материалов. Материал в книге построен таким образом, что читатель самостоятельно разберется во всех тонкостях и этапах проектирования литьевых форм, а также получит многочисленные практические советы и рекомендации.


УДК 678.057.745.5
ББК 35.710 Англ






All right reserved. Cari Hanser Vfcrtag. Munich/FRG Authorized translation from the original English edition published by Carl Manser Vcrlag. Munich/FRG


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

Информация, содержащаяся в данной книге, получена из источников, рассматриваемых издательством как надежные. Тем нс менее, имея в виду возможные человеческие или технические ошибки.
издательство не может гарантировать абсолютную точность и полноту приводимых сведений и не несет ответственности за возможные ошибки, связанные с использованием книга.

Центр образовательных программ «Профессия* благодарит компанию Taiwan Mold Tool за предоставление фотоматериалов для оформления обложки издания.




ISBN 978-1-56990-417-6 (англ.)
ISBN 978-5-91884-016-0

       © Carl Hanscr Vcrlag. Munich/FRG. 2009
       © ЦОП «Профессия», 2011
                                    © Перевод, оформление: ЦОП «Профессия», 2011

Оглавление


Предисловие к русскому изданию...............................................II
Сведения об авторе............................................................
Предисловие...................................................................
Перечень условных обозначений.................................................
1. Введение...................................................................
    1.1. Краткий обзор процесса литья под давлением...........................
    1.2. Функции форм.........................................................
    1.3. Конструкции литьевых форм............................................
        1.3.1. Внешний вид формы..............................................
        1.3.2. Выталкивание отливки из формы..................................
        1.3.3. Двухплитная форма в разрезе....................................
    1.4. Другие общие типы форм...............................................
        1.4.1. Форма с тремя плитами, многогнездная форма.....................
        1.4.2. Горячеканальная форма..........................................
        1.4.3. Сравнение......................................................
    1.5. Процесс разработки формы.............................................
    1.6. Анализ главы.........................................................
2. Разработка конструкции деталей из полимерных материалов....................
    2.1. Процесс разработки детали из полимерных материалов...................
        2.1.1. Описание изделия...............................................
        2.1.2. Конструирование изделия........................................
        2.1.3. Коммерческие вопросы и планирование производства...............
        2.1.4. Увеличение масштаба и запуск производства......................
        2.1.5. Роль конструкции литьевой формы................................
    2.2. Требования к конструкции.............................................
        2.2.1. Информация для конструирования по заданию заказчика............
        2.2.2. Данные о выпуске продукции.....................................
        2.2.3. Эксплуатационные требования к окончательному изделию...........
        2.2.4. Методология конструирования изделия............................
        2.2.5. Свойства полимерного материала.................................
    2.3. Конструкция литьевой детали из полимерного материала ................
        2.3.1. Однородность толщины стенки детали из полимерного материала....
        2.3.2. Конструирование ребер жесткости................................
        2.3.3. Конструирование бобышек........................................
        2.3.4. Конструирование углов..........................................
        2.3.5. Окончательная обработка поверхности и текстура.................
        2.3.6. Технологические уклоны.........................................
        2.3.7. Поднутрения....................................................
    2.4. Анализ главы.........................................................
3. Опенка стоимости литьевой формы............................................
    3.1. Процесс расчета стоимости литьевой формы.............................
    3.2. Источники затрат на производство деталей из ПМ ......................
        3.2.1. Влияние объема производства....................................
        3.2.2. Анализ безубыточности..........................................
    3.3. Оценка стоимости формы...............................................
        3.3.1. Оценка стоимости формующих гнезд...............................
        3.3.2. Оценка стоимости основания формы...............................
        3.3.3. Доработка формы................................................
    3.4. Оценка стоимости детали из ПМ........................................
         3.4.1. Стоимость литьевой формы, перенесенная на стоимость одной детали изПМ ...............................................................80

Оглавление

        3.4.2. Стоимость материала для производства одной детали............81
        3.4.3. Стоимость процесса литья для получения одной детали..........82
        3.4    4. Издержки брака, переносимые на стоимость одной детали.....86
    3.5. Анализ главы.......................................................87
4.  Компоновка литьевой формы...............................................88
    4.1. Конструкция плоскости разъема......................................88
        4.1.!. Определение направления раскрытия формы......................88
        4.1.2. Определение линии разъема....................................91
        4.1.3. Плоскость разъема............................................92
        4.1.4. Элементы запирания формы.....................................94
    4.2. Создание вставок матрицы и пуансона................................95
        4.2.1. Толщина вставки..............................................95
        4.2.2. Длина и ширина вставок ФОД...................................96
        4.2.3. Корректировка и подгонка.....................................97
    4.3. Выбор пакета плит..................................................98
        4.3.1. Расположение формующих гнезд.................................99
        4.3.2. Определение размеров пакета плит формы......................101
        4.3.3. Привязка к литьевой машине (совместимость с литьевой машиной) .... 102
        4.3.4. Поставщики пакетов плит форм................................104
    4.4. Выбор материала для пакета плит формы.............................105
        4.4.1. Взаимосвязь прочности и теплопередачи материала.............106
        4.4.2. Взаимосвязь твердости и обрабатываемости материала..........107
        4.4.3. Зависимость расходов на эксплуатацию литьевой формы от расходов на се изготовление.................................................108
        4.4.4. Обзор материалов.............................................ПО
    4.5. Анализ главы......................................................111
5.  Анализ и расчет заполнения расплавом ПМ формующей полости..............113
    5.1. Обзор..............................................................ИЗ
    5.2. Задачи заполнения формующей полости...............................114
        5.2.1. Завершенность заполнения формующей полости..................114
        5.2.2. Предотвращение неравномерного заполнения или чрезмерного уплотнения.........................................................115
        5.2.3. Управление течением расплава полимера.......................116
    5.3. Вязкое течение....................................................116
        5.3.1. Напряжение сдвига, скорость сдвига и вязкость...............116
        5.3.2. Перепад давления............................................117
        5.3.3. Реологическое поведение.....................................119
        5.3.4. Ньютоновская модель.........................................121
        5.3.5. Степенная модель............................................122
    5.4. Проверка достоверности............................................124
    5.5. Анализы и расчеты заполнения расплавом формующей полости..........127
        5.5.1. Оценка условий процесса переработки.........................127
        5.5.2. Оценка давления впрыска и минимальной толщины стенки детали..130
        5.5.3. Оценка усилия смыкания......................................133
        5.5.4. Оценка заполнения образцов..................................136
        5.5.5. Конструирование элементов направления        потока.........139
    5.6. Анализ главы......................................................142
6.  Конструкция литниковой системы.........................................144
    6.1. Обзор.............................................................144
    6.2. Задачи конструирования литниковой системы.........................144
        6.2.1. Передача расплава полимера от литьевой машины в формующую полость............................................................144
        6.2.2. Определение приемлемого значения перепада давления..........145
        6.2.3. Минимальное потребление материала...........................146

Оглавление

7

        6.2.4. Регулирование скорости потока................................147
   6.3. Типы литниковых систем..............................................148
        6.3.1. Форма с двумя плитами.......................................148
        6.3.2. Литьевая форма с тремя плитами..............................151
        6.3.3. Формы с горячеканальной системой.............................156
   6.4. Анализ литниковой системы...........................................159
        6.4.1. Определение типа литниковой системы.........................160
        6.4.2. Определение схемы расположения литниковой системы...........161
        6.4.3. Оценка величины падения давления............................166
        6.4.4. Вычисление объема литниковой системы........................168
        6.4.5. Оптимизация значений диаметров литниковых каналов...........169
        6.4.6. Балансировка значений скоростей потоков.....................173
        6.4.7. Опенка времени охлаждения литниковой системы.................177
        6.4.8. Оценка времени пребывания расплава в горячеканальной системе.178
   6.5. Практические вопросы и проблемы....................................180
        6.5.1. Поперечное сечение литниковых каналов.......................180
        6.5.2. Зацепы......................................................183
        6.5.3. Запорные механизмы разводящих литников.......................185
        6.5.4. Стандартные размеры разводящих литников.....................186
        6.5.5. Конструкции с «гарантированным запасом стали»...............187
   6.6. Анализ главы.......................................................188
7.  Конструкция впускного литника..........................................191
   7.1. Цели конструирования впускных литников.............................191
        7.1.1. Соединение разводящего литника с формующей полостью.........191
        7.1.2. Обеспечение автоматического отделения отлитой детали от литниковой системы..............................................191
        7.1.3. Обеспечение аккуратного отделения детали от литниковой системы .... 192
        7.1.4. Предупреждение возникновения больших значений скорости сдвига и падения давления.................................................192
        7.1.5. Значения времени выдержки под давлением.....................193
   7.2. Конструкции впускных литников......................................194
        7.2.1. Центральный впускной литник.................................194
        7.2.2. Точечный отрывной впускной литник...........................195
        7.2.3. Боковые открытые впускные литники...........................196
        7.2.4. Боковой накладной впускной литник...........................197
        7.2.5. Веерный впускной литник.....................................198
        7.2.6. Плсночный/дисковый впускной литник..........................199
        7.2.7. Туннельныс/подводные впускные литники.......................200
        7.2.8. Тепловые впускные литники...................................203
        7.2.9. Запорный впускной литник ...................................206
   7.3. Процесс конструирования впускного литника..........................207
        7.3.1. Определение типа впускного литника..........................207
        7.3.2. Расчет величин скорости сдвига..............................208
        7.3.3. Расчет величины падения давления............................210
        7.3.4. Расчет времени затвердевания впускного литника..............212
        7.3.5. Корректировка размеров......................................215
   7.4. Анализ главы.......................................................216
8.  Вентиляция.............................................................217
   8.1. Задачи конструирования вентиляционной системы......................217
        8.1.1. Удаление сжатого воздуха....................................217
        8.1.2. Содержание расплава пластмассы..............................217
        8.1.3. Минимизация обслуживания....................................218
   8.2. Анализ вентиля ци и................................................218
        8.2.1. Оценка объема и скорости перемещения воздуха................218

Оглавление

        8.2.2. Определение количества вентиляционных каналов и их расположения.................................................219
        8.2.3. Определение размеров вентиляционных каналов................222
   8.3. Конструкция вентиляционных каналов................................225
        8.3.1. Вентиляционные каналы на плоскости разъема.................225
        8.3.2. Вентиляционные каналы вокруг толкателей....................227
        8.3.3. Вентиляционные каналы в мертвых зонах......................228
   8.4. Анализ главы......................................................230
9. Конструкция системы охлаждения.........................................232
   9.1. Задачи конструирования системы охлаждения.........................232
        9.1.1. Максимизация величины теплового потока (интенсификация теплопередачи)....................................232
        9.1.2. Поддержание равномерной температуры стенки полости ФОД формы .. .232
        9.1.3. Минимизация стоимости формы................................233
        9.1.4. Минимизация объема и сложности системы охлаждения..........234
        9.1.5. Минимизация величины напряжений и коррозии.................234
        9.1.6. Облегчение эксплуатации формы..............................234
   9.2. Процесс конструирования системы охлаждения........................235
        9.2.1. Расчет необходимого времени охлаждения.....................235
        9.2.2. Оценка необходимой скорости передачи тепла.................241
        9.2.3. Оценка расхода охлаждающего агента.........................242
        9.2.4. Оценка диаметра каналов охлаждения.........................243
        9.2.5. Выбор глубины расположения каналов охлаждения..............246
        9.2.6. Выбор шага расположения каналов охлаждения.................248
        9.2.7. Направления расположения каналов охлаждения................251
   9.3. Конструкции систем охлаждения.....................................254
        9.3.1. Сетки каналов охлаждения...................................254
        9.3.2. Вставки охлаждения.........................................257
        9.3.3. Согласованное охлаждение...................................258
        9.3.4. Вставки из материала с высокой теплопроводностью...........259
        9.3.5. Охлаждение тонких пуансонов................................260
        9.3.6. Односторонний тепловой поток...............................265
   9.4. Анализ главы......................................................268
10. Усадка и коробление...................................................270
   10.1. Процесс анализа усадки...........................................272
        10.1.1. Оценка параметров процесса переработки....................272
        10.1.2. Модельное поведение при уплотнении........................273
        10.1.3. Оценка объемной усадки....................................275
        10.1.4. Оценка изотропной линейной усадки.........................278
        10.1.5. Оценка анизотропной усадки................................279
        10.1.6. Оценка диапазона значений усадки..........................281
        10.1.7. Предоставление окончательных рекомендаций относительно величины усадки...................................................282
   10.2. Анализ усадки и проверка достоверности...........................284
        10.2.1. Численное моделирование................................  .284
        10.2.2. Конструкция формы по принципу «гарантированного запаса стали»... .287
        10.2.3. Зависимость от процесса переработки.......................288
        10.2.4. Частично-кристаллические полимеры.........................289
        10.2.5. Влияние наполнителей......................................290
   10.3. Коробление........................................................290
        10.3.1. Источники коробления......................................291
        10.3.2. Методы предотвращения коробления..........................295
   10.4. Анализ главы......................................................296

Оглавление

9

11. Конструкция системы выталкивания.........................................298
    11.1. Задачи конструирования системы выталкивания........................299
         11.1.1. Обеспечение раскрытия формы.................................301
         11.1.2. Передача усилия выталкивания к отливке......................301
         11.1.3. Минимизация деформации отливок..............................301
         11.1.4. Быстрота и надежность приведения в действие.................302
         11.1.5. Минимизация воздействия системы охлаждения..................302
         11.1.6. Минимизация воздействия на поверхности отливаемых деталей ..303
         11.1.7. Минимизация сложности и стоимости...........................303
    11.2. Процесс конструирования системы выталкивания.......................304
         11.2.1. Определение поверхностей разъема формы......................304
         11.2.2. Оценка усилий выталкивания..................................304
         11.2.3. Определение площади и периметра поверхности выталкивания.....309
         11.2.4. Определение типа, количества и размера толкателей...........311
         11.2.5. Расположение толкателей.....................................313
        11.2.6. Детальное рассмотрение толкателей и связанных с ними компонентов...................................................316
    11.3. Анализ и конструирование системы выталкивания......................318
         11.3.1. Цилиндрические толкатели....................................318
         11.3.2. Плоские толкатели...........................................321
         11.3.3. Трубчатые толкатели.........................................323
         11.3.4. Плиты съема.................................................324
         11.3.5. Упругая деформация вокруг поднутрений.......................326
         11.3.6. Боковые знаки...............................................328
         11.3.7. Ползушки....................................................333
         11.3.8. Механизмы предварительного возврата системы выталкивания....336
         11.3.9. Современные системы выталкивания............................338
    11.4. Анализ главы.......................................................338
12. Общая структура формы....................................................340
    12.1. Задачи конструирования структуры литьевой формы....................340
         12.1.1. Минимизация напряжений......................................341
         12.1.2. Минимизация деформации формы................................345
         12.1.3. Минимизация размера формы...................................346
    12.2. Анализ и конструирование плит......................................347
         12.2.1. Сжатие плиты................................................347
         12.2.2. Изгиб плиты.................................................350
         12.2.3. Опорные колонки.............................................354
         12.2.4. Сдвиговые напряжения, действующие на боковые стороны плиты формы.........................................................359
         12.2.5. Центраторы..................................................360
         12.2.6. Концентрация напряжений.....................................363
    12.3. Анализ и конструирование пуансонов.................................367
         12.3.1. Осевое сжатие...............................................368
         12.3.2. Сжимающие окружные напряжения...............................369
         12.3.3. Деформация пуансона.........................................371
    12.4. Соединительные элементы............................................374
         12.4.1. Посадки.....................................................374
         12.4.2. Винты с внутренним шестигранником...........................378
         12.4.3. Штифты......................................................381
    12.5. Анализ главы.......................................................383
13. Технологии литья.........................................................385
    13.1. Введение...........................................................385
    13.2. Формы для совместного литья под давлением..........................385
         13.2.1. Процесс совместного литья под давлением.....................387

Оглавление

        13.2.2. Конструкция формы для совместного литья под давлением.......388
        i 3.2.3. Литье под давлением с газом/водой.........................390
   I3.3. Формы с закладными элементами.....................................392
        13.3.1. Литьевое прессование при низком давлении...................393
        13.3.2. Форма со вставкой с регулированием температуры стенки......394
        13.3.3. Литье с использованием одноразовых вставок.................396
   13.4. Формы для выдувного формования....................................398
        13.4.1. Выдувное формование........................................398
        13.4.2. Многослойное выдувное формование...........................400
   13.5. Формы для литья с многократным впрыском...........................402
        13.5.1. Литье на подложку..........................................403
        13.5.2. Многокомпонентное литье с отведением знака.................405
        13.5.3. Формы для многопозиционного литья..........................407
   13.6. Литниковые системы................................................409
        13.6.1. Изолированный разводящий литник............................409
        13.6.2. Этажные формы..............................................410
        13.6.3. Разветвленные разводящие литники...........................413
        13.6.4. Динамическое регулирование потока расплава.................414
   13.7. Регулирование температуры стенки формы............................417
        13.7.1. Пульсирующее охлаждение....................................418
        13.7.2. Нагревание за счет встроенных электронагревателей .........420
        13.7.3. Индукционный нагрев........................................422
        13.7.4. Управляемая теплопередача..................................423
   13.8. Этикетирование в форме............................................425
        13.8.1. Статически заряженная пленка...............................426
        13.8.2. Индексированная пленка.....................................427
   13.9. Системы выталкивания..............................................428
        13.9.1. Формы с разъемными формообразующими деталями...............428
        13.9.2. Разъемные знаки............................................430
        13.9.3. Выкручиваемые знаки........................................432
        13.9.4. Обратное выталкивание......................................435
   13.10. Анализ главы.....................................................436
Приложения.................................................................437
Приложение А. Свойства полимерных материалов...............................438
Приложения В. Свойства материалов для изготовления литьевых форм...........444
   Приложение ВЛ. Цветные металлы..........................................444
   Приложение В.2. Нелегированные стали....................................445
   Приложение В.З. Другие стали для изготовления форм......................446
   Приложение В А. Комментарии.............................................447
Приложение С. Свойства охлаждающих агентов.................................448
Приложения D. Статистические данные об оплате труда........................449
   Приложение D.\. Значения ставки заработной платы в США..................449
   Приложение D.2. Международные значения ставки заработной платы..........449
   Приложение D.3. Тенденции изменения международных производственных затрат... .451
Приложение Е. Преобразования единиц измерения..............................452
   Приложение ЕЛ. Преобразования единиц длины..............................452
   Приложение Е.2. Преобразование единиц массы/силы........................452
   Приложение £.3. Преобразование единиц давления..........................453
   Приложение £.4. Преобразование единиц скорости потока...................453
   Приложение £.5. Преобразование единиц вязкости..........................453
   Приложение £.6. Преобразование единиц энергии...........................453
Приложение F. Современные выводы формул....................................454
Список использованной литературы...........................................456
Предметный указатель.......................................................459