Конструирование пластмассовых изделий для литья под давлением

 Robert A. Malloy





                Plastic Part Design for Injection Molding




 An Introduction

 With 427 Illustrations









 HANSER
 Hanser Publishers, Munich

  Hanser/Gardner Publications, Inc., Cincinnati

РОБЕРТА. МЭЛЛОИ





                КОНСТРУИРОВАНИЕ ПЛАСТМАССОВЫХ ИЗДЕЛИЙ ДЛЯ ЛИТЬЯ ПОД ДАВЛЕНИЕМ




Перевод с англ. код редакцией канд. техн. наук,доц. В. А. Брагинского, д-ра техн, наук, проф. Е. С. Цобкалло, д-ра техн, наук, проф. Г. В. Комарова










Санкт-Петербург

2008

УДК 676.06
ББК34.42Англ
М97


    М97 Мэллой RA.

           Констру ир об а ние пл а стма особ ых из дел ий для л итья п о,луга вл ением /пер. сангл.яз. под ред В.А. Брагинского, Е.С. Цобкалло, Г.В. Комарова — СПб.: Профессия, 2008. — 512 стр., ил.

       ISBN 978-5-93913-081-3
       ISBN 3-446-15956-8 (Munich)
       ISBN 1-56990-129-5 York)


           Книга является введением в конструирование изделий и посвящена основным вопросам и проблемам, возникающим в процессе проектирования и разработки. Цель издания— помочь конструктору в усовершенствовании функциональных эл агентов изделий, повысить их надежность и технологичность , улучшить в нешний в ид ув ел ичить р ента бел ь ность в сего пр оизв одств а в ц ел ом. Ра осмотр ены вопр осы в ы бор а матер иа л ов, особенности пр оцесса л и-тья п од дав л ением, быстр ого пр ототип ир ов а ния, эксп ер имента л ь ного а нал и-за напряжений и сборки изделий.
           Книга адресована конструкторам, инженерам и технологам, занимающимся переработкой пластмасс.

                                                                УДК 676.06
                                                                ББК34.42Англ


All ri^ht reserved. Carl Hanser \^г1аД, Munich/FRG.
           Authorised translation from the original English lan£ua£e edition published by
Carl Hanser \^г1аД, Muhich/FRG

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


ISBN 978-5-93913-081-3                        © Carl Han&r №rlag, Munich, 1994
ISBN 3-446-15956-8 (Muni ch)                  © Брагинский Б.А., гл. 1,2,5, 2005
ISBN 1-56990-129-5 York)                      © Цобкалло E.C., гл. 3, 4, 2005
                                              © Комаров Г.В.i гл. 6, 2005
                                              © Изд-во 4Профессия», 2006

                Содержание




   Обращение к читателю ................................................ 9
   Предисловие.......................................................... 10
   1. Введение.......................................................... 11
      1.1. Термопластичные материалы (термопласты) .....................11
      1.2. Термореакгнвные материалы (реактопласты).....................13
      1.3. Соотношение структуры и свойств..............................14
      1.4. Дсбавки для полимерных материалов............................18
      1.5. Основные характеристики полимерных материалов................18
      1.6. Литература ..................................................23
   2. Особенности литья под давлением изделий иэ пластмасс (краткий очерк) ... 24
      2.1. Общие положения..............................................24
      2.2. Заполнение формующей полости ................................25
          2.2.1. Факторы, связанные с литниковой системой...............25
          2.2.2. Ориентация расплава при заполнении ф ормующей полости..32
          2.2.3. Потери давления на стадии заполнения формующей полости.40
          2.2.4. Конструктивные способы регулирования (ускорения, ограничения) течения расплава в формующей полости..........................55
      2.3. Линии спая...................................................65
          2.3.1. Общие положения .......................................65
          2.3.2. Типы линий спая .......................................70
          2.3.3. Учет особенностей термопластов при конструировании изделий со спаями.....................................................73
          2.3.4. Возможности улучшения эксплуатационных характеристик спая и внешнего вида поверхности изделия в области линий спая......76
      2.4. Упадка и корсбление изделий, изготовленных литьем под давлением.85
          2.4.1. Общие положения .......................................85
          2.4.2. Влияние толщины н разноголщннностн.....................86
          2.4.3. Диаграмма состояния пластмассы: давление-сбъем-температура (PVT-диаграмма) ..............................................90
          2.4.4. Линейная усадка отливки в форме........................94
          2.4.5. Анизотропная усадка н деформация/коробленне изделий....98
      2.5. Охлаждение и затвердевание..................................109
      2.6. Выталкивание изделия из формы ..............................113
          2.6.1. Общие положения ......................................113
          2.6.2. Углы уклона...........................................114
          2.6.3. Влияние качества поверхностей матрицы и пуансона......120

КОНСТРУИРОВАНИЕ ПЛАСТМАССОВЫХ ИЗДЕЛИИ ДЛЯ ЛИТЬЯ ПОД ДАВЛЕНИЕМ

          2.6.4. Факторы, относящиеся к внешнему виду изделия..............125
          2.6.5. Поднутрения и отверстия...................................126
          2.6.6. Предварительная оценка усилия выталкивания изделия .......133
      2.7. Некоторые специальные технологии литья под давлением изделий из термопластов......................................................136
          2.7.1. Литье под давлением с газом...............................136
          2.7.2. Литье под давлением термопластов со вспениванием .........145
          2.7.3. Много компонентное литье под давлением....................152
          2.7.4. Литьевое прессование (компрессионное литье) ..............155
      2.8. Литература......................................................157
    3. Конструирование и выбор материала...................................161
      3.1. Общие положения.................................................161
      3.2. Процесс конструирования изделия из пластмассы...................165
      3.3. Стандартные тесты для проверки свойств полимерных материалов.....174
      3.4. Механические свойства полимерных материалов.....................175
          3.4.1. Общие положения ..........................................175
          3.4.2. Кратковременные зависимости напряжения от деформации......176
          3.4.3. Механические свойства, зависящие от времени. Ползучесть...185
          3.4.4. Механические свойства, зависящие от времени. Релаксация напряжений.......................................................197
      3.5. Ударная прочность полимерных материалов.........................200
      3.6. Усталостные свойства............................................204
      3.7. Температурные свойства полимерных материалов....................205
          3.7.1. Термомеханические свойства материалов.....................205
          3.7.2. Деформационная термостойкость под нагрузкой н температура размягчения по методу Вика..........................................209
          3.7.3. Коэффициент линейного теплового расширения (КЛТР).........210
          3.7.4. Старение при повышенных температурах......................211
          3.7.5. Горючесть ................................................212
      3.8. Свойства текучести расплава.....................................213
      3.9. Источники информации о свойствах пластмасс......................215
      3.10. Оценка материалов с использованием готовых отлитых образцов....219
      3.11. Стандартные обозначения пластмасс .............................220
      3.12. Литература.....................................................222
    4. Структурное проектирование..........................................223
      4.1. Общие положения.................................................223
      4.2. Методология проектирования......................................223
          4.2.1. Проектирование с использованием предшествующего опыта ....224
          4.2.2. Проектирование с помощью экспериментального подхода.......224
          4.2.3. Проектирование с использованием аналитического подхода....225
      4.3. Задачи количественной оценки при проектировании.................229
          4.3.1. Упрощение геометрической формы изделия....................229
          4.3.2. Концентрация напряжений...................................230
          4.3.3. Тип опоры.................................................234
          4.3.4. Условия приложения нагрузки...............................236
          4.3.5. Свойства полимерных материалов............................240
          4.3.6. Коэффициент запаса прочности..............................247
      4.4. Балки ..........................................................252
          4.4.1. Общие положения ..........................................252
          4.4.2. Свойства плоской фигуры (поперечного сечения балок).......254
          4.4.3. Использование усиливающих ребер для увеличения жесткости...261
          4.4.4. Осевой момент инерции неоднородных матерналов/струкгур....268

СОДЕРЖАНИЕ

7

          4.4.5. Пример расчета балки.......................................270
      4.5. Плиты (пластины).................................................285
          4.5.1. Общие положения ...........................................285
          4.5.2. Задачи, возникающие в пластинах............................286
          4.5.3. Пластины неравномерной толщины ............................296
      4.6. Оболочки. Сосуды давления........................................297
          4.6.1. Общие положения ...........................................297
          4.6.2. Тонкостенные сосуды, работающие под давлением..............299
          4.6.3. Толстостенные сосуды, работающие под давлением.............302
      4.7. Кручение ........................................................302
          4.7.1. Общие положения ...........................................302
          4.7.2. Кручение круглых стержней..................................303
          4.7.3. Деформация при кручении некруглых стержней.................307
      4.8. Колонны (гибкие стержни) ........................................309
      4.9. Динамические нагрузки............................................311
          4.9.1. Общие положения ...........................................311
          4.9.2. Усталостнее нагружение.....................................311
          4.9.3. Ударная нагрузка...........................................317
      4.10. Литература......................................................320
5. Прототипирование: изготовление и использование прототипов пластмассовых изделий.................................................................322
      5.1. Прототипирование.................................................322
          5.1.1. Технологии прототипирования................................322
          5.1.2. Изготовление прототипов механической обработкой ...........324
          5.1.3. Некоторые технологии быстрого прототипирования.............330
                5.1.3.1. Прототипирование методом фотополимеризации.........331
                5.1.3.2. Лазерное спекание порошковых материалов............336
                5.1.3.3. Послойное наложение расплавленной полимерной нити..338
                5.1.3.4. Прототипирование склеиванием (ламинированием) слоев ... 339
          5.1.4. Имитация поверхности готового литьевого изделия на прототипе .... 339
                5.1.4.1. Цвет и качество поверхности готового литьевого изделия .... 339
                5.1.4.2. Технологии имитации поверхности готового литьевого изделия на прототипе.........................................341
          5.1.5. Литье под низким давлением ................................342
          5.1.6. Формы для изготовления прототипов..........................347
                5.1.6.1. Опытные формы из эпоксидной смолы..................351
                5.1.6.2. Корпусно-металлические формы ......................352
                5.1.6.3. Опытные литьевые формы, полученные механической сб работкой..................................................354
                5.1.6.4. Опыт изготовления прототипов пластмассовых изделий в оснастке для литья металлических сплавов...................355
          5.1.7. Прототипы из вспененных пластмасс..........................356
                5.1.7.1. Точные копии изделий...............................356
                5.1.7.2. Прототипирование ..................................356
          5.1.8. Координатно-измерительные машины ..........................358
                5.1.8.1. Контактные системы измерения.......................358
                5.1.8.2. Бесконтактные системы измерения....................358
      5.2. Использование прототипов для экспериментального анализа напряжений в изделиях............................................................359
          5.2.1. Общие положения ...........................................359
          5.2.2. Метод хрупких (лаковых) покрытий...........................360
          5.2.3. Датчики деформации (тензодатчики) .........................361

КОНСТРУИРОВАНИЕ ПЛАСТМАССОВЫХ ИЗДЕЛИИ ДЛЯ ЛИТЬЯ ПОД ДАВЛЕНИЕМ

          5.2.4. Испытания с помощью химических растворителей ...............366
          5.2.5. Фотоупрутие испытания.......................................S67
          5.2.6. Оптические методы измерения напряжения .....................370
      5.S. Литература........................................................370
   6. Сборка изделий, изготовленных литьем под давлением.....................373
      6.1. Общие положения...................................................373
      6.2. Сборка с помощью прессового соединения............................S76
          6.2.1. Общие положения ............................................S76
          6.2.2. Параметры, связанные с выбором материала....................S78
          6.2.3. Прсектированне прессовых соединений.........................380
      6.S. Сборочные узлы с замковыми соединениями...........................В84
          6.3.1. Общие положения ............................................В84
          6.3.2. Типы замковых соединений....................................В85
          6.3.3. Крючки, отлитые под давлением...............................S94
          6.3.4. Проектирование замковых соединений..........................S98
      6.4. Механические крепежные элементы...................................404
          6.4.1. Общие положения ............................................404
          6.4.2. Винты.......................................................405
                6.4.2.1. Машинные винты и гайки..............................406
                6.4.2.2. Создающие резьбу винты .............................410
                6.4.2.3. Сборка с использованием вставок.....................432
      6.5. Сварка деталей из термопластов....................................446
          6.5.1. Общие положения ............................................446
          6.5.2. Ультразвуковая сварка ......................................447
          6.5.3. Вибрационная сварка трением.................................466
          6.5.4. Ротационная сварка..........................................469
          6.5.5. Электромагнитная (индукционная) сварка......................472
          6.5.6. Резисторная сварка .........................................474
          6.5.7. Сварка нагретым инструментом ...............................474
          6.5.8. Сварка нагретым газом.......................................477
          6.5.9. Экструзионная сварка........................................479
      6.6. Клеевые соединения................................................480
          6.6.1. Общие положения ............................................480
          6.6.2. Теория клеевых соединений...................................48S
          6.6.3. Выбор клея..................................................492
      6.7. Соединение с помощью растворителей ...............................495
      6.8. Литература........................................................496
   Алфавитно-предметный указатель............................................499

                Обращение к читателю





   Международное общество инженеров по производству, переработке и применению пластмасс представляет книгу доктора Рсберта А. Мэллоя «Конструирование пластмассовых изделий для литья под давлением*. Во время работы в Массачусетском университете и в ходе многолетнего сотрудничества с подразделением литья под давлением ассоциации б¹ РЕ доктор Мэллой проявил себя высококвалифицированным специалистом. Стиль изложения и понимание сущности предмета делает эту книгу полезной для инженеров-практиков, а также для студентов старших курсов и аспирантов.
   Комитет издания технической литературы 5ИГ долгое время финансирует книги, посвященные различным проблемам полимерных материалов. Участие комитета распространяется на различные аспекты: от выбора тем для обсуждения до подбора авторов. Однако постоянной составляющей этой работы является рецензирование окончательного варианта публикаций, чтсбы гарантировать точность их технического содержания.
   Техническая компетентность характеризует все аспекты деятельности 5ИГ, а не только те, которые связаны с публикацией технической литературы, в частности, это относится к проведению научно-технических конференций и выполнению образовательных программ. Кроме того, ассоциация выпускает четыре периодических издания — Plastics Engineering, Polymer Engineering and Science, Journal of Vinyl Technology и Composites. Кроме того,
публикуются труды конференций и другие избранные материалы. Все эти публикации также подвергаются процедуре тщательного редактирования.
   Интеллектуальный ресурс, включающий 25 000 инженеров-практиков и технологов, делает 5ИГ самой большой организацией в мире, специализирующейся в области пластмасс.
   За дополнительной информацией можно обращаться по адресу: 14 Fairfield Drive, Brookfield Center, Connecticut 06805.


Исполнительный директор Юджин Де Мшаеяь

                Предисловие




   Литье под давлением относится к одному из наиболее распростражнных технологических прогрссов, которые используются для производства изделий из полиьерных ьатериаяов (пластмасс). Данный способ изготовления обладает настолько высокой гибкостью, что его можно использовать как. для получения очень небольших по размеру изделий, применяемых в электронике и медицине, до больших изделий, используемых в автомобилестроении и строительной отрасли. Рост в индустрии литья под давлением в значительной степени обеспечен появлением новых технологий литья под давленьем и новых полимерных матдзналов.
   К сожалению, конструирование изделий для литья под давлением может оказаться крайне трудной задачей из-за сложной геометрической формы изделий и трудностей, связанных с технологическим процессом литья. С большими трудностями сталкиваются даже опытные конструкторы, когда нм приходится работать с новыми марками полимерных материалов, переработка которых отличается от традиционной технологии. Очень трудно сконструировать изделие, которое удовлетворяло бы заказчика со всех точек зрения: функциональности, перерабатываемости и внешнего вида. Процесс конструирования изделий включает в себя серию допущений и компромиссов, каждый из которых должен соответствовать основным производственным требованиям. Идеально, когда литые под давлением изделия разрабатываются в ходе параллельного проектирования, основные принципы которого рассматриваются в данной книге.
   В книге описан комплексный подход к конструированию изделий из пластмасс, а также к выбору материалов. Такие проблемы общего характера, как прочность линии спая, коробление или трудности выталкивания изделий из литьевой формы обсуждаются с точки зрения потенциально возможных конструкций изделия. Кроме того, описываются фундаментальные свойства полимерных материалов, структурное проектирование и проблемы получения прототипов изделий. В последнем разделе книги рассматриваются различные методы сборки деталей в изделия.
   Книгу можно использовать в качестве иллюстрированного руководства н начального курса для конструкторов изделий из пластмасс. Автор надеется, что книга содержит полный обзор основных факторов, которые следует принимать во внимание при конструировании изделий из пластмасс, которые будут изготавливаться литьем под давлением.


   Весна 1994 г.


Р Мэллоя