Как делать литьевые формы

Georg Menges Walter Michaeli Paul Mohren


How to Make Injection Molds

Third Edition










HANSER
Hanser Publishers, Munich
Hauser Gardner Publication, Inc., Cincinnati

Георг Менгес
Вальтер Микаэли Пауль Морен


Как делать литьевые формы

Перевод с английского 3-го издания под редакцией В. Г. Дувидзона и Э. Л. Калинчева








Санкт-Петербург

2007

УДК 678.06
ББК 30.2-2Англ
М50

М50 Менгес Г., Микаэли В., Морен П.
      Как делать литьевые формы / Пер. с англ, под ред. В. Г. Дувидзона, Э. Л. Калин-лева. — СПб.: Профессия, 2007. — 640 стр., ил.

ISBN 978-5-93913-124-7
ISBN 3-446-21256-6 (Carl Hanser Verlag)
ISBN 1-56990-282-8 (Hanser Gardner Publications)

      Экономический успех в индустрии переработки пластмасс зависит от качества, точности и надежности формующего инструмента — литьевых форм. Следовательно, неправильное конструктивное решение, ошибка в расчетах и просчеты при изготовлении формы могут привести к плачевным результатам.
      Предлагаемый отечественным специалистам справочник содержит обобщенные и систематизированные данные по конструированию технологической оснастки. В нем представлены все аспекты успешного производства литьевых форм как с практической, так и теоретической точек зрения.
      Издание рассчитано на инжерно-технических работников, занятых в области проектирования, изготовления и эксплуатации литьевых форм. Книга будет полезна студентам вузов при изучении вопросов проектирования форм.

УДК 678.06
ББК 30.2-2Англ







All right reserved. Carl Hanser Verlag, Munich/FRG.
Authorized translation from the original English language edition published by Carl Hanser Verlag, Muhich/FRG


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


ISBN 978-5-93913-124-7
ISBN 3-446-21256-6 (CarlHanser Verlag)
ISBN 1-56990-282-8 (Hanser Gardner Publications)

© Carl Hanser Verlag, Munich, 2001
© Изд-во «Профессия», 2007

Содержание

Предисловие к третьему изданию..............................................16
1.    Материалы для деталей литьевых форм...................................17
1.1.  Стали.................................................................18
      1.1.1. Общие сведения.................................................18
      1.1.2. Цементуемые стали..............................................22
      1.1.3. Азотированные стали.............................................23 >
      1.1.4. Стали сквозной закалки.........................................26
      1.1.5. Термообработанные стали в состоянии поставки...................26
      1.1.6. Мартенситные стали.............................................27
      1.1.7. Твердые сплавы для литьевых форм...............................27
      1.1.8. Коррозионностойкие стали.......................................28
      1.1.9. Рафинированные стали...........................................29
1.2.  Стальное литье........................................................30
1.3.  Цветные металлы.......................................................30
      1.3.1. Медные сплавы...................................................30 ₕ
            1.3.1.1. Сплавы бериллий-медь....................................30 >
      1.3.2. Цинк и его сплавы..............................................33
      1.3.3. Сплавы алюминия................................................34
      1.3.4. Сплавы висмут-олово............................................37
1.4.  Материалы для электролитического осаждения............................37
1.5.  Обработка поверхности сталей для литьевых форм........................38
      1.5.1. Общие сведения..................................................38 ’
      1.5.2. Термообработка сталей..........................................40
      1.5.3. Термохимические методы обработки...............................40
            1.5.3.1. Науглероживание........................................40
            1.5.3.2. Азотирование...........................................40
            1.5.3.3. Борирование............................................41
      1.5.4. Электрохимическая обработка....................................42
            1.5.4.1. Хромирование...........................................42
            1.5.4.2. Никелирование...........................................42 >
            1.5.4.З. Процесс NYE-CARD (никель-фосфор-силикатные покрытия)...42
            1.5.4.4. Твердосплавные покрытия................................42
      1.5.5. Покрытие при пониженном давлении...............................43
            1.5.5.1. Процесс химического осаждения из газовой фазы..........43
            1.5.5.2. Процесс физического осаждения из газовой фазы..........44
1.6.  Лазерная обработка поверхности........................................45
      1.6.1. Лазерное упрочнение и переплавка...............................46
      1.6.2. Термохимические методы.........................................46
1.7.  Упрочнение электронным лучом..........................................47
1.8.  Технология Lamcoat....................................................47

Содержание


2.    Технология изготовления литьевых форм...................................48
2.1.  Изготовление форм и формообразующих вставок литьем......................49
      2.1.1. Методы литья и литейные сплавы..................................49
      2.1.2. Литье в песчаную форму..........................................50
      2.1.3. Технология точного литья .......................................52
2.2.  Технологии ускоренной подготовки производства..........................54
      2.2.1. Уровень развития технологий.....................................54
      2.2.2. Прямой метод получения технологической оснастки.................57
            2.2.2.1. Прямое получение металлической литьевой формы...........57
      2.2.3. Непрямые методы быстрого получения оснастки (технологические цепочки)..............................................63
            2.2.3.1. Цепочки с использованием позитивных моделей.............63
            2.2.3.2. Цепочки с использованием негативных моделей.............67
      2.2.4. Перспективы.....................................................70
2.3.  Выдавливание...........................................................72
2.4.  Механическая обработка и другие виды обработки с удалением материала...74
      2.4.1. Методы механообработки..........................................74
      2.4.2. Чистовая (окончательная) обработка поверхности..................75
            2.4.2.1. Шлифование и полирование
(ручное или механизированное).............................76
            2.4.2.2. Вибрационное шлифование.................................77
            2.4.2.3. Пескоструйная обработка (шлифование)....................77
            2.4.2.4. Внутренняя притирка.....................................77
            2.4.2.5. Электрохимическое полирование...........................79
            2.4.2.6. Электроискровая полировка...............................79
2.5.  Методы электроискровой обработки.......................................80
      2.5.1. Электроэрозионная обработка (ЭЭО)...............................80
      2.5.2. Электроискровое резание плавающим проволочным электродом........84
2.6.  Электрохимическая обработка (ЭХО)......................................85
2.7.  Электрохимическое удаление материала — травление.......................85
2.8.  Состояние поверхности после электроэрозионного
      или химического воздействий — внешний вид..............................88
2.9.  Лазерное гравирование..................................................89
      2.9.1. Быстрое прототипирование с помощью LASERCAV.....................90
2.10. Литье под давлением с выплавляемым пуансоном...........................91
      2.10.1. Литьевые формы для работы с выплавляемыми пуансонами...........94
            2.10.1.1. Литниковая система и впуск.............................97
            2.10.1.2. Термические аспекты конструирования формы..............98
            2.10.1.3. Сдвиг пуансона.........................................98
            2.10.1.4. Вентилирование.........................................99
      2.10.2. Литьевые формы для изготовления выплавляемых пуансонов....... 100
            2.10.2.1. Материал для пуансона................................ 101
            2.10.2.2. Конструкция литьевой формы........................... 101
            2.10.2.3. Литниковая система................................... 103
            2.10.2.4. Тепловой режим в формах для литья пуансонов.......... 103
            2.10.2.5. Извлечение выплавляемых пуансонов из формы........... 104

Содержание 7

3.    Определение стоимости изготовления литьевых форм.....................105
3.1.  Общая схема......................................................... 105
3.2.  Методика определения стоимости формы................................ 105
3.3.  Группа затрат I: формообразующие детали............................. 111
      3.3.1. Расчет трудоемкости изготовления формующей полости........... 111
      3.3.2. Расчет коэффициента времени механической обработки........... 111
      3.3.3. Зависимость времени обработки от глубины формующей полости.... 112
      3.3.4. Расход времени на обработку поверхности полости............... 113
      3.3.5. Расчет времени для обработки линии разъема.................... 113
      3.3.6. Поправка на качество поверхности.............................. ИЗ
      3.3.7. Время механообработки для фиксации пуансонов................. 114
      3.3.8. Поправка на допуски.......................................... 114
      3.3.9. Учет степени сложности и разнородности....................... 115
      3.3.10. Поправка на количество формующих полостей................... 115
     3.3.11. Расчет времени изготовления электродов для электроэрозионной обработки...................................... 116
3.4.  Группа затрат II: пакет плит........................................ 116
3.5.  Группа затрат III: основные узлы и детали........................... 116
      3.5.1. Литниковая система........................................... 118
      3.5.2. Система разводящих литниковых каналов........................ 119
      3.5.3. Горячеканальные системы...................................... 119
      3.5.4. Система термостатирования.................................... 120
      3.5.5. Система выталкивания......................................... 120
3.6.  Группа затрат IV: специальные узлы и детали......................... 120
3.7.  Другие методы расчета затрат........................................ 122
      3.7.1. Определение затрат по подобию................................ 122
      3.7.2. Принцип иерархического поиска по подобию..................... 124
4.    Литье под давлением..................................................125
4.1   Последовательность технологических операций ......................... 125
      4.1.1. Литье под давлением термопластов............................. 127
      4.1.2. Литье под давлением «сшитых» полимеров....................... 127
            4.1.2.1. Литье под давлением эластомеров...................... 128
            4.1.2.2. Литье под давлением реактопластов.................... 128
4.2.  Основные термины.................................................... 129
4.3.  Классификация литьевых форм......................................... 129
4.4.  Функции литьевых форм............................................... 129
      4.4.1. Критерии классификации литьевых форм......................... 131
      4.4.2. Основной порядок действий при конструировании формы.......... 133
      4.4.3. Определение размера формы.................................... 133
            4.4.3.1. Максимальное количество формующих полостей........... 137
            4.4.3.2. Усилие смыкания...................................... 141
            4.4.3.3. Максимальная площадь смыкания........................ 142
            4.4.3.4. Необходимый ход открытия............................. 142

Содержание

      4.4.4. Отношение длины потока к толщине стенки...................... 142
      4.4.5. Расчет количества формующих полостей......................... 144
            4.4.5.1. Алгоритм определения технически и экономически оптимального количества формующих полостей.................... 148
            4.4.5.2. Затраты на испытания, наладку и эксплуатацию......... 157
4.5.  Размещение формующих полостей....................................... 159
      4.5.1. Общие требования............................................. 159
      4.5.2. Возможные решения............................................ 160
      4.5.3. Равновесие сил в литьевой форме во время впрыска............. 160
      4.5.4. Количество линий разъема..................................... 161

5.    Конструирование литниковых систем....................................163
5.1.  Описание литниковой системы......................................... 163
5.2.  Концепция и определения различных типов литниковых каналов.......... 164
      5.2.1. Стандартные литниковые системы............................... 164
      5.2.2. Горячеканальные литниковые системы........................... 164
      5.2.3. Холодные каналы.............................................. 164
5.3.  Требования, предъявляемые к литниковой системе...................... 165
5.4.  Классификация литниковых систем..................................... 165
5.5.  Центральный литник.................................................. 169
5.6.  Конструкция разводящих литниковых каналов........................... 171
5.7.  Конструкция впускных литниковых каналов ............................ 176
      5.7.1. Место впуска................................................. 179
5.8.  Разводящие каналы и впускные литники для реактопластов.............. 182
      5.8.1. Эластомеры................................................... 182
      5.8.2. Реактопласты................................................. 183
      5.8.3. Влияние расположения места впускапри переработке эластомеров.. 184
      5.8.4. Литниковые каналы для высоконаполненных материалов........... 184
5.9.  Качественное (структура потока) и количественное моделирование процесса заполнения формы. (Имитационные модели)................................... 186
      5.9.1. Введение..................................................... 186
      5.9.2. Структура потока и ее значение............................... 186
      5.9.3. Использование структуры потока для подготовки к моделированию процесса заполнения................................................. 187
      5.9.4. Теоретические основы метода структуры потока................. 189
      5.9.5. Порядок построения диаграммы структуры потока................ 190
            5.9.5.1. Изображение фронтов потока........................... 190
            5.9.5.2. Радиус-вектор для выявления теневых участков......... 191
            5.9.5.3. Области с разной толщиной............................ 193
            5.9.5.4. Структура потока на ребрах........................... 197
            5.9.5.5. Структура потока изделий типа «коробка».............. 198
            5.9.5.6. Анализ критической области........................... 199
            5.9.5.7. Заключение............................................200
      5.9.6. Количественный анализ заполнения..............................200
      5.9.7. Аналитическое проектирование литниковых каналов...............201
            5.9.7.1. Реологические принципы [5.32].........................201

Содержание

9

            5.9.7.2. Определение свойств испытывающего сдвиг вязкого потока с помощью капиллярного вискозиметра...........................208
            5.9.7.3. Вязкость при растяжении..............................210
            5.9.7.4. Простые уравнения для расчета потерь давления
                   в литниковых каналах...................................211
5.10. Особые явления, связанные с многоточечным впуском...................214
5.11. Конструкция литниковых каналов для сшивающихся составов.............215
      5.11.1. Эластомеры..................................................215
            5.11.1.1. Расчет процесса заполнения..........................215
            5.11.1.2. Влияние параметров процесса на окна переработки.....216
            5.11.1.3. Примеры и критика модели окон переработки...........218
      5.11.2. Реактопласты................................................220
            5.11.2.1. Поведение расплава при литье реактопластов .........220
6.    Конструирование впускных литниковых каналов.........................223
6.1.  Центральный литник..................................................223
6.2.  Литник, подводимый к краю изделия, или веерный литник...............224
6.3.  Дисковый литник.....................................................226
6.4.  Кольцевой литник....................................................227
6.5.  Туннельный («подводный») литник.....................................229
6.6.  Точечный отрывной литник в трехплитной литьевой форме...............231
6.7.  Обратный центральный литник с отрывным точечным впуском.............233
6.8.  Безлитниковое литье.................................................235
6.9.  Литьевые формы с изолированными каналами............................236
6.10. Литниковые системы с контролем температуры — горячие каналы.........240
      6.10.1. Горячеканальные системы ....................................240
            6.10.1.1. Достоинства и недостатки горячеканальных систем.....241
            6.10.1.2. Новые возможности и применение горячих каналов......242
            6.10.1.3. Конструкция горячеканальной системы, ее деталей и узлов.244
            6.10.1.4. Сопла для горячеканальных форм......................252
            6.10.1.5. Данные, относящиеся к проектированию горячих коллекторов ... 256
            6.10.1.6. Нагрев горячеканальных систем.......................259
      6.10.2. Холодноканальные литниковые системы.........................263
            6.10.2.1. Системы холодных каналов для литья под давлением эластомеров.....................................263
            6.10.2.2. Литьевые формы с холодноканальной системой для переработки реактопластов.................................269
6.11. Специальные литьевые формы..........................................271
      6.11.1. Двухэтажные формы...........................................271
      6.11.2. Литьевые формы для многокомпонентного литья.................274
            6.11.2.1. Формы для комбинированного литья....................274
            6.11.2.2. Литьевые формы для сэндвич-литья....................278
            6.11.2.3. Литьевые формы сдвоенного литья.....................278
7.    Вентилирование формы................................................279
7.1.  Пассивное вентилирование............................................279
7.2.  Активное вентилирование.............................................285
7.3.  Вентилирование литьевых форм с противодавлением газа................287

Содержание

8.    Система теплообмена..................................................290
8.1.  Время охлаждения.....................................................291
8.2.  Температуропроводность некоторых полимеров...........................293
      8.2.1. Температуропроводность эластомеров............................294
      8.2.2. Температуропроводность реактопластов..........................294
8.3.  Расчет времени охлаждения для термопластов...........................296
      8.3.1. Приближенная оценка...........................................296
      8.3.2. Определение времени охлаждения по номограммам.................296
      8.3.3. Время охлаждения при несимметричной температуре стенок........298
      8.3.4. Время охлаждения деталей различной формы......................299
8.4.  Тепловой поток и мощность теплообмена................................302
      8.4.1. Тепловой поток................................................302
            8.4.1.1. Термопласты...........................................302
            8.4.1.2. Термореактивные материалы [8.16]......................306
8.5.  Аналитический расчет системы теплообмена на основе расхода тепла (общая схема).............................................................313
      8.5.1. Аналитический тепловой расчет.................................313
            8.5.1.1. Расчет времени охлаждения.............................316
            8.5.1.2. Баланс тепловых потоков...............................316
            8.5.1.3. Расход охлаждающей жидкости...........................317
            8.5.1.4. Температура канала охлаждения.........................319
            8.5.1.5. Расположение каналов охлаждения.......................321
            8.5.1.6. Конструкция охлаждающего контура......................328
8.6.  Расчеты при термическом проектировании форм..........................329
      8.6.1. Двухмерные расчеты............................................329
      8.6.2. Трехмерные методы.............................................330
      8.6.3. Упрощенная оценка теплового потока в критических точках изделия.331
      8.6.4. Практическая коррекция охлаждения угловой зоны ...............332
8.7.  Практическое конструирование систем охлаждения.......................332
      8.7.1. Системы теплообмена для пуансонов и цилиндрических изделий......332
      8.7.2. Системы охлаждения для плоских изделий........................337
      8.7.3. Герметизация системы охлаждения...............................341
      8.7.4. Динамическое охлаждение литьевой формы........................342
      8.7.5. Предупреждение деформации углов отливаемых изделий вследствие неравномерности теплового потока.........................344
            8.7.5.1. Холодный пуансон и теплая матрица.....................344
            8.7.5.2. Коррекция формы угловых секций........................345
            8.7.5.3. Локальное изменение потока тепла......................345
8.8.  Расчет режима нагрева литьевых форм для термореактивных материалов...346
8.9.  Теплообмен в формах для термореактивных материалов...................346
      8.9.1. Тепловой баланс...............................................346
      8.9.2. Распределение температуры.....................................350
8.10. Практическое конструирование термоэлектрических нагревателей форм для реактопластов.........................................................351