Проектирование формующей оснастки

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Тема

«Проектирование формующей оснастки»

Введение

Целью данного курсового проекта является разработка конструкции литьевой формы для литья под давлением изделия из термопласта. Исходными данными для проектирования является предыдущая работа по конструированию потребительского изделия из термопласта: трехмерная модель и чертежи изделия, подобранный материал изделия, расчет усадки изделия, и, следовательно, рассчитанные размеры формообразующих полостей, и анализ проливаемости изделия, выполненный в программе Moldflow Plastics Insight 5.1. Из этого анализа можно получить важные сведения для выбора литьевой машины, определения её производительности и дальнейшего конструирования формующей оснастки.

Основными этапами проектирования является выбор термопластавтомата и определение гнездности литьевой формы, как правило, эти расчеты связаны. И основным критерием целесообразности выбора количества гнезд является экономический. Дальнейшими этапами являются выбор типа литниковой системы, уровня автоматизации литьевой формы, расчет и конструирование всех систем формы.

Аналитический обзор

Формы для литья под давлением изделий из полимерных материалов относятся к самым распространенным сейчас и к весьма перспективным в будущем. В этих формах можно получать изделия практически из всех термопластов, из многих марок порошковых и гранулированных реактопластов, а также резиновых смесей. Современные технологии позволяют осуществлять многокомпонентное литьё, где один из компонентов может быть как другим термопластом, так и термопластичным эластомером, водой или газом.

Основными системами литьевых форм являются системы формообразующих деталей, система съёма изделий, литниковая система, система охлаждения формы, система крепления формы и система центрирования формы.

По типу литниковой системы формы делятся на холодно- и горячеканальные. Горячеканальные системы - это системы с обогреваемыми незастывающими литниками, основным их достоинством является отсутствие литника, что влечет экономию материала, либо экономию на его вторичной переработке. Также применение горячеканальной системы сокращает время цикла. Существенным недостатком горячеканальной системы является её относительная дороговизна.

Холодноканальная же система имеет своими недостатками как наличие литника и увеличенное время цикла, но основным достоинством её является меньшая стоимость формы и её большая простота.

Формы могут иметь достаточно разнообразную систему съема и выталкивания изделий. Наиболее распространенными решениями являются системы игольчатых, либо трубчатых толкателей и плит съёма. Они применяются в зависимости от конфигурации изделия, количества гнезд в форме, структуры литниковой системы. В случае если изделие имеет внутренние поднутрения, то может применяться несколько конструктивных вариантов. Таким вариантами могут быть: сдергивание изделий с поднутрений, складывающиеся знаки или пуансоны, либо свинчивание изделий, либо вывинчивание знаков. Каждый из этих методов имеет свои ограничения, сдергивание возможно только при небольших поднутрениях на мягких полимерах (типа полиолефинах), а свинчивание возможно только при наличии резьбы.

Изделие имеет внутреннюю резьбу, для снятия его с резьбы необходимо использование свинчивание. Вращение резьбовых знаков или пуансонов может осуществляться с помощью механического, электрического, либо гидравлического привода. Сторонний, электрический, либо гидравлический, привод для свинчивания наиболее удобен, так как скорости вращения и углы поворота не зависят от положения полуформ. Кроме того, применение таких приводов необходимо при различны, сложных расположениях осей вращения относительно оси литьевой машины.

При соосности оси свинчивания и оси машины целесообразно применять механическое свинчивание за счет раздвижения полуформ. Оно может осуществляться несколькими способами: за счет упоров и гидровыталкивателей на подвижной полуформе, и за счет зубчатых реек и ходовых винтов, закрепленных неподвижно в неподвижной полуформе.

В данной литьевой форме используем именно такую конструкцию: с неподвижным ходовым винтов, закрепленным в полуформе, и подвижной гайкой, с надетым на неё зубчатым колесом, входящим в зацепление с зубчатым венцом пуансона. Конструкции систем охлаждения матрицы и пуансона бывают различными: охлаждения плит пуансона и матрицы прямыми, либо спиральными каналами, либо использование полых пуансонов с разделительными перегородками и турболизаторами.

Конструкция изделия определяет конструкцию системы охлаждения пуансона: применение полого пуансона с неподвижной вставкой для подачи охлаждающей воды. Матрица охлаждается спиральным каналом, проточенным на её поверхности.

1. Расчет времени цикла литья

Оценка времени цикла литья изделия осуществляется на основе теоретических формул. Наиболее протяженным этапом литья является охлаждение изделия. Будем рассматривать изделие, как тонкую пластину, охлаждающуюся с обеих сторон. Ниже приведен фрагмент программы для среды MathCad 11:

Толщина изделия, м:

Коэффициент температуропроводности ПА, м2/с:

Температура расплава, 0С:

Температура формы, 0С:

Конечная температура сердцевины изделия, 0С:

Время охлаждения, с:

По рекомендуемым данным, с небольшим запасом, рассчитаем время цикла изделия, с:

Таким образом, приблизительное время литья изделия составит 9,1 с. Такой результат хорошо согласуется с результатом, полученным с помощью программного пакета Moldflow Plastics Insight 5.1. Следующим этапом расчета является расчет гнёздности изделия и одновременный выбор литьевой машины.

2. Выбор литьевой машины и расчет гнездности

Критериями выбора литьевой машины являются:

§ Объём впрыска

§ Пластикационная производительность узла впрыска машины

§ Усилие смыкания машины

§ Максимальная высота формы, которую можно установить в машину

§ Расстояние между колоннами машины

Для изготовления изделий будем использовать машины немецкого концерна Arburg. Они являются недорогими в своём диапазоне качества. С учетом того, что форма будет элементы свинчивания, понадобится большой ход раскрытия формы, будем использовать литьевые машины Arburg серии S. Машины этой серии полностью гидравлические, а усилия смыкания могут развивать от 125 кН до 5000 кН. Изделие габаритное, с вывинчиванием, поэтому ориентировочно примем гнездность машины - 1. Давление впрыска для полиамида, по рекомендации, примем 95 МПа. Произведем расчет в среде MathCad 11:

Давление впрыска, Па:

Гнездность

Площадь проекции изделия на плоскость разъема формы, м2:

Коэффициент, учитывающий влияние литника:

Необходимое усилие смыкания формы, Н:

Нашим требованиям удовлетворяет литьевая машина Arburg Allrounder 720 S, (3200-1300 по европейской классификации)

Максимальное усилие смыкания - 3200 кН, что удовлетворяет требованиям. Проверим машину по следующему критерию - максимальному объему отливки.

Плотность пластика, кг/м3:

Коэффициент, учитывающий массу литника:

Объём изделия, м3:

Расчетный объем отливки, м3:

Масса отливки, кг:

Максимальная масса отливки, получаемой на машине с диаметром шнека 55 мм и отношением L/D - 22, составляет 507 г.

Коэффициент использования машины составляет 32%, такое небольшое значение объясняется конструктивными требованиями на расстояние между колоннами машины.

Это будет обосновано в конструкции самой формы.

Последним критерием подбора формы является пластикационная производительность инжекционного узла машины.

Заходность шнека:

Диаметр шнека, м:

Геометрическая степень сжатия:

Шаг винтовой линии, м:

Глубина нарезки шнека, м:

Ширина гребня витка, м:

Угол подъема винтовой линии, рад:

Длина зоны дозирования шнека, м:

Коэффициент возможного эксентриситетета шнека относительно цилиндра:

Геометрические коэффициенты, учитывающие расход полимера в вынужденном, обратном потоке и потоке утечки

Скорость вращения шнека, об/с:

Реактивное давление, Па:

Скорость сдвига в винтовом канале червяка, с-1:

Эффективная вязкость при данной скорости сдвига, Пас:

Скорость сдвига в зазоре между червяком и стенкой цилиндра, с-1:

Эффективная вязкость при данной скорости сдвига, Пас:

Пластикационная производительность, г/с:

Требуемая пластикационная производительность:

Таким образом, данная литьевая машина удовлетворяет всем требованиям с необходимым запасом. Требования к размеру формы будут выполнены в процессе конструирования формы.

Определим производительность литьевой машины:

3. Кинематический расчет системы съёма изделия

3.1 Расчет винтовой пары

Кинематический расчет заключается в определении геометрических параметров зубчатого зацепления, его габаритов, определения геометрических размеров винта и гайки, исходя из условия отсутствия самоторможения и необходимой длины ходового винта. Ниже представлен расчет виттовой пары из условия отсутствия самоторможения, т.е. возможности обратимого движения, в среде MathCad 11. Геометрическими параметрами винта (диаметры, угол подъёма винтовой линии) задаемся заранее для дальнейшей проверки на прочность.

Шаг резьбы винта, мм:

Внешний диаметр винта, мм:

Внутренний диаметр винта, мм:

Средний диаметр винта, мм:

Угол подъема винтовой линии винта, рад:

Коэффициент трения стали о сталь:

Угол наклона профиля витка винта, рад:

Приведенный угол трения, рад:

Основным требованием обратимости движения в паре «винт-гайка» является условие ц<ш. В данном случае это условие выполняется.

После этого, установим соотношение линейных относительных скоростей движения подвижной полуформы и изделия на ней при свинчивании. Примем передаточное отношение зубчатой передачи равное единице. Тогда, соотношение определяется только соотношением шагов резьб.

Шаг резьбы на изделии, мм

Отсюда, передаточное отношение всей системы будет составлять

Это означает, что подвижная полуформа движется в абсолютном движении в 3,75 раза быстрее, чем изделие при свинчивании в относительном.

3.2 Расчет зубчатого зацепления

В предыдущем расчете задано передаточное отношение зубчатой передачи. Из конструктивных соображений определим межосевое расстояние. По этим данным однозначно определиться делительный диаметр зубчатых венцов, в случае, если венцы нарезаны без смещения.

Определим геометрические размеры передачи, в объеме курсового проекта не рассчитывая передачу на долговечность. Ниже приведен расчет в среде MathCad 11.

Делительный диаметр, мм:

Передаточное отношение:

Межосевое расстояние, мм:

Ширина зубчатого венца, мм

Максимальный модуль зацепления, мм:

Примем модуль, равный, мм:

Минимальный угол наклона, град:

Суммарное число зубьев передачи:

Окончательный угол наклона, град:

Число зубьев шестерни и пуансона:

Диаметр выступов, мм:

Диаметр впадин, мм:

4. Расчет усилия выталкивания изделия

Для расчета системы съёма необходимо знать усилие свинчивания изделия с пуансона. Расчетная схема основывается на том, что из-за усадки материал изделия теряет сцепление с внутренней и боковой поверхностью резьбы. Поэтому плотный контакт достигается только по внешнему диаметру резьбы.

Произведем расчет момента свинчивания изделия:

Длина свинчивания, м:

Средний диаметр резьбы, м:

Модуль упругости пластика, Па:

Линейная усадка полимера, %:

Средняя толщина изделия в месте резьбы, м:

Удельное давление, Па:

Ширина витка, м:

Ширина впадины, м:

Боковой угол профиля резьбы, град:

Вспомогательный угол, град:

Коэффициент трения пластика о сталь:

Шаг резьбы, м:

Начальный момент, необходимый для скручивания изделия, Нм:

Полученное значение момента свинчивания изделия необходимо для дальнейшего расчета системы съёма изделия по критериям работоспособности. В пояснительной записке приведен расчет ходового винта на прочность.

5. Расчет системы охлаждения

Произведем тепловой расчет литьевой формы. Итогом расчета будет получение значения массового расхода воды, необходимого для поддержания температурного режима формы, и размеры каналов охлаждения в пуансоне и матрице.

Расчет проведем в среде MatnCad 11:

Теплоемкость полимера ПА, Дж/кг К

Количество тепла, поступающего за один цикл с расплавом полимера, Дж

Температура внешней поверхности формы, 0С

Температура воздуха в цеху, 0С

Боковая поверхность формы, м2

Коэффициент теплоотдачи, Вт/мК

Количество тепла, отдаваемое формой за счет конвекции , Дж:

Теплота теряемая за счет излучения, Дж

Теплоту, которую необходимо отвести хлад.агентом за один цикл, Дж

Теплоемкость воды, Дж/кг К

Допустимая разность температур для охлаждающей воды, град

Масса охлаждающей воды, необходимая для отвода тепла за цикл литья, кг

Расход через пуансон и матрицу, кг

Плотность воды, кг/м3

Скорость течения воды в канале, м/с

Площадь каналов охлаждения, м2

6. Прочностные расчеты

6.1 Расчет ходового винта на кручение

Определим коэффициент полезного действия винтовой пары по формуле

Где ш - угол подъема винтовой линии,

ц - приведенный угол трения.

Определим момент на винте в среде MatnCad 11:

КПД зубчатой передачи с опорами

КПД опоры скольжения

Крутящий момент на винте, Нм

Рассчитаем винт на прочность по касательным напряжениям

Окончательно, максимальные касательные напряжения в винте составляют 195 МПа. Используем сталь 40Х ГОСТ4543-71 со сквозной в масле до твердости 39 HRC. У такого материала допускаемое касательное напряжение при кручении 280МПа.

6.2 Расчет сухарей на смятие

Сухари литьевой формы работают на сжатие от сил, возникающих при запирании формы. В данной конструкции формы имеется три комплекта сухарей: сухари зубчатой передачи, сухари толкателей и сухарь системы охлаждения.

Произведем расчет всех комплектов сухарей с помощью метода конечных элементов в программном пакете CosmosWorks 2007. Все плиты изготовлены из стали.

Рассчитаем сухари зубчатой передачи. Эпюра эквивалентных напряжений рис. 1 приведена в Приложении. Эквивалентные напряжения строятся на основе четвертой (энергетической) теории прочности. Максимальное напряжение в сухарях - 29,8 МПа, Среднее напряжение по телу - 21 МПа. Предел текучести Стали 20 (после нормализации) - 250 МПа. Таким образом минимальный коэффициент запаса прочности составляет - 8,3. Средний коэффициент запаса прочности составляет - 11.

Далее приведем расчет комплекта сухарей плиты толкателей. Эпюра эквивалентных напряжений: рис. 2 Приложения. На рисунке представлена эпюра эквивалентных напряжений. Максимальное напряжение в сухарях - 49 МПа. Предел текучести Стали 20 - 250 МПа. Таким образом, коэффициент запаса прочности составляет 5,1.

Последним расчетом будет расчет на смятие сухарей уплотнения системы охлаждения пуансона. Эпюра эквивалентных напряжений представлена на рис. 3 Приложения. Максимальное напряжение - 25 МПа. Коэффициент запаса прочности при использовании Стали 20 - 10.

6.3 Расчет опорной втулки на смятие

Опорная втулка с резьбой, по которой движется плита толкателей работает на сжатее при впрыске расплава в форму. Расчет произведем к конечно-элементном пакете CosmosWorks 2007.

На рис. 4 Приложения представлена эпюра эквивалентных напряжений для втулки. Максимальное напряжение составляет 240 МПа. Предел текучести для Стали 45 с закалкой в воде до твердости HRC48 составляет 950 МПа. Таким образом, коэффициент запаса прочности составляет - 3,8.

6.4 Расчет опорных плит на смятие

Опорные плиты нагружаются сжимающими усилиями при запирании формы и при впрыске. Расчет произведем в программе CosmosWorks 2007. Эпюра эквивалентных напряжение представлена на рис. 5 Приложения. Максимальное напряжение составляет 13 МПа. Коэффициент запаса прочности составляет - 19.

6.5 Расчет направляющих колонок

Направляющие колонки подвергаются нескольким механическим воздействиям:

§ Изгибу в результате деформации при центрировании

§ Изгибу из-за веса плиты съёма

§ Переменному растяжению-сжатию при раскрытии/закрытии формы.

Вес плиты съёма является небольшим, поэтому пренебрежем этой нагрузкой. Материал колонок - Сталь 40Х после улучшения с поверхностной закалкой ТВЧ до твердости по Роквеллу 48. Определим наибольшую допустимую деформацию конца колонки. Распределение эквивалентных напряжений по поверхности колонки см. рис. 6 Приложения. Данное распределение при смещении конца колонки 0,7 мм.

6.6 Расчет рым-болта

Резьбовое соединение рассчитывается на растяжение.

Расчет выполнен в программном пакете MathCad 11:

Масса формы, кг

Вес формы, Н

Внутренний диаметр резьбы, мм

Площадь сечения болта, мм2

Растягивающее напряжение в болте, МПа

Материал рым-болта - серый чугун СЧ20. Предел текучести при растяжении для него - 60 МПа. Таким образом, коэффициент запаса прочности составляет 2,2.

литье гнездность термопласт

6.7 Расчет крепежных винтов на срез

Вес подвижной полуформы ориентировочно примем, как 3/4 от веса всей формы, Н

Диаметр шейки болтов, мм

Площадь сечения одного винта, мм2

Число крепежных винтов

Коэффициент снижения прочности в результате неравномерности распределения нагрузки

Напряжение среза, МПа

Материал Сталь3 имеет допускаемое напряжение среза 70 МПа. Поэтому минимальный коэффициент запаса прочности будет равным 11.

Заключение

В данной работе спроектирована конструкция пресс-формы для литья под давлением с механическим вывинчиванием пуансона. Были произведены основные технологические, инженерные расчеты элементов формы. Для расчетов были использованы программные продукты MathCad 11, MoldFlow Plistics Insight 5.1 и CosmosWorks 2007. Графическая часть проекта выполнена в программном продукте КОМПАС-3D версии 7.

В состав проекта вошли: пояснительная записка, сборочный чертеж формы с необходимым видами и разрезами, рабочие чертежи формообразующих деталей и иных конструктивно важных деталей формы.

Приложение

Рис. 1

Рис. 2



Рис. 3

Рис. 4



Рис. 5

Рис. 6

Список использованной литературы

1. Анурьев В. И. Справочник конструктора-машиностроителя: В 3 т. Т. 1, 2; под ред. И. Н. Жестковой./ Анурьев В. И. - М.: Машиностроение, 2001.

2. Барвинский И. А., Барвинская И. Е. Литье пластмасс. Справочная информация для конструкторов и технологов. Версия 1.2.4. [электрон. ресурс] - М.: ООО «Инженерная фирма АБ Универсал», 2004. - электрон. опт. диск (CD-ROM).

3. Басов Н. И. Расчет и конструирование формующего инструмента для изготовления изделий из полимерных материалов: Учебник для вузов./Басов Н. И., Брагинский В. А., Казанков Ю. В. - М.: Химия, 1991.

4. Гастров Г. Конструирование литьевых форм в 130 примерах/ Э. Линдер, П. Унгер; под ред. А. П. Пантелеева, А. А. Пантелеева./ Г. Гастров. - СПб.: Профессия, 2006.

5. ГОСТ 220777-76 Втулки литниковые пресс-форм для литья термопластов под давлением

6. ГОСТ 23360-78 Соединения шпоночные с призматическими шпонками.

7. Дунаев П. Ф. Конструирование узлов и деталей машин: Учебное пособие для техн. спец. вузов/ П. Ф. Дунаев, О. П. Леликов. - М.: Высш. шк., 2001.

8. Менгес Г. Как делать литьевые формы /Пер. с англ. Под ред. В.Г. Дувидзона, Э.Л. Калиничева./ Менгес Г., Микаэли В., Морен П. - СПб.: Профессия, 2007

9. Романов А. Б. Допуски изделий и средства измерений: Справочник для учащихся ПТУ, техникумов и молодых рабочих. / А. Б. Романов - СПб.: Политехника, 2003

Размещено на Allbest.ru