Литьё под давлением является одним из наиболее экономичных и высокопроизводительных процессов литейного производства и находит все большее распространение в различных отраслях промышленности при крупносерийном и массовом производстве. Процесс обладает большими преимуществами перед другими способами получения высококачественных отливок повышенной точности и позволяет максимально приблизить размеры отливок к размерам готовых деталей [1]. Проектирование форм для литья ‒ важнейший этап конструкторско-технологической подготовки и внедрения в производство изделий из термопластичных материалов [2, 3]. Качество литьевых изделий в основном определяется конструкцией пресс-формы и её элементов, правильный выбор которых влияет не только на размеры и геометрическую форму готового изделия, но и на характер заполнения формы, направление потоков расплава в оформляющей полости, время охлаждения и уровень остаточных напряжений. Остаточные напряжения в свою очередь влияют на сохранение геометрической формы и размеров при длительном хранении и эксплуатации изделий [4-7]. В настоящее время на рынке предоставлен широкий спектр стандартных элементов пресс-форм разных габаритов и конфигурации [8], однако не всегда тот или иной элемент пресс-формы подходит для конкретного случая, поэтому зачастую требуется частичная доработка элементов конструкции либо полная переработка всей пресс-формы с последующим изготовлением.
Методика исследования
При конструировании пресс-формы необходимо учитывать условия теплообмена термопластов. Литьевая форма для обработки термопластичных полимеров должна обеспечить отвод как можно большего количества тепла [4, 9-12]. Тепловой поток, поступающий в форму (считается положительным), и тепловой поток, отводимый из формы (считается отрицательным), должны находиться в равновесии. Следовательно, можно составить уравнение теплового баланса [4],
QKS + QE + QAD + QC =Q
где QE - теплообмен с внешней средой;
QKS - поток тепла из отливки;
QAD - добавочный тепловой поток (например, от горячих каналов),
QC - теплообмен с охлаждающей жидкостью. Зная размеры формы и температуру ее поверхности, можно вычислить теплообмен с внешней средой.
Тепловой баланс можно составить для отдельных деталей и узлов формы при условии, что теплопередача на границах элемента пренебрежимо мала или может быть представлена в виде добавочного потока. Если относительно крупные узлы формы для определения теплового потока делятся на меньшие элементы, то такой тепловой поток можно определить с помощью коэффициента теплового потока.
На рисунке 1 представлены детали, которые необходимо получить в соответствии с техническим заданием с помощью разрабатываемой конструкции пресс-формы.
 |
| Рис. 1. Детали для изготовления: а - двойник; б - тройник |
Конфигурация изделия имеет внутренние полости, которые требуют от пресс-формы дополнительных формообразующих разъемных элементов, подвижных в радиальном направлении [13]. Также необходимо обеспечить изготовление двух типоразмеров детали при помощи одной и той же конструкции пресс-формы. Для этого необходимо придать съемным формообразующим элементам необходимую жесткость на изгиб, что является сложной задачей при проектировании элементов пресс-формы, использующихся для литья под давлением [14].
Результаты и обсуждение
Для получения внутренних отверстий были разработаны разъемные подвижные элементы (так называемый Большой Знак, далее БЗ), которые при смыкании частей пресс- формы выполняют формообразование внутренней полости изделия (рис. 2, положение 1), а при размыкании позволяют свободно вытолкнуть изделия из гнёзд (рис. 2, положение 2). Все четыре элемента идентичны.
 |
| Рис. 2. Пресс-форма: a - положение 1; б - положение 2 |
При проектировании формообразующей полости пресс-формы установлено, что пространство, занимаемое изделием, позволяет внести в конструкцию дополнительную полость (гнездо) для еще одного изделия (рис. 3). В результате фактическая производительность пресс-формы повышается в два раза.
 |
| Рис. 3. Формообразующая матрица |
При разработке пресс-формы необходимо учитывать тепловой баланс рабочих элементов и расплавленного материала для получения необходимой жидкотекучести расплава в процессе заполнения формообразующей полости (гнезда). В результате моделирования процесса заполнения формы с помощью пакета прикладных программ LVMFlow [15, 16] были получены условия достижения равномерной плотности и низкого уровня остаточных напряжений. Поскольку подвижный формообразующий элемент БЗ воспринимает от изделия наибольшее температурное воздействие, принято решение о создании специальных каналов для протекания охлаждающей жидкости [17].
С помощью CAD системы Компас 3D [18] было разработано несколько вариантов как разъемных, так и неразъемных конструкции БЗ (рис. 4, 6). В результате моделирования [19] и натурных испытаний разъёмных конструкций, соединяемых с помощью сварного шва (рис.4, 5), получено, что после отработки пресс-формой нескольких тысяч циклов сварной шов не выдержал температурных колебаний и воздействия давления при впрыске, что привело к поломке БЗ. На рис. 6 представлена окончательная версия неразъёмной конструкции БЗ.
 |
| Рис. 4. Разъёмная конструкция Б3 с каналами для охлаждающей жидкости: 1 - знак большой; 2 - заглушка знака большого; 3 - место под сварку; 4 - технологические отверстия |
 |
 |
| Рис. 5. Разъёмная конструкция Б3. Подвижные элементы конструкции перед сваркой |
Рис. 6. БЗ в сечении, окончательная версия (показаны каналы для охлаждающей жидкости) |
Выводы
Использование прикладных CAD / CAМ программ позволило существенно упростить процесс проектирования и изготовления пресс-формы. Система автоматизированного проектирования CAD обеспечивает геометрическое моделирование и визуализацию изделий или их деталей в двух или трех измерениях. В результате использования современной CAD- системы осуществлено моделирование объемной конструкции пресс-формы; изготовлены и оформлены чертежи; получена текстовая конструкторская документация; заполнены технологические карты. Средства CAM позволили сократить время для написания управляющих программ для пятикоординатного фрезерного станка с ЧПУ DMU 50 при изготовлении и доработке элементов пресс-формы. В свою очередь с помощью программы LVMFlow были построены модели заполнения формы и выбраны оптимальные режимы получения деталей из термопластичного материала. Рис. 5. Разъёмная конструкция Б3. Подвижные элементы конструкции перед сваркой Рис. 6. БЗ в сечении, окончательная версия (показаны каналы для охлаждающей жидкости).
Список литературы:
- Кузьмич В.Н., Мойсейчик Д.А. Разработка технологии изготовления отливки литьем под давлением // Литье и металлургия. - 2012. - № 3. - C. 237-241.
- Литье под давлением / М.Б. Беккер, М.Л. Заславский, Ю.Ф. Игнатенко и др. - 3-е изд., перераб. и доп. - М.: Машиностроение, 1990. - 400 с.
- Ложечко Ю.П. Литье под давлением термопластов. - СПб.: Профессия, 2010. - 244 с.
- Менгес Г., Микаэли В., Морен П. Как делать литьевые формы / пер. с англ. 3-го изд. под ред. В.Г. Дувидзона и Э.Л. Калинчева. - СПб.: Профессия, 2007. - С. 302-306.
- Производство полимерных материалов: учебное пособие / В.К. Крыжановский, И.Л. Кербер, В.В. Бурлов, А.Д. Паниматченко. - СПб.: Профессия, 2004. - 464 с.
- Computational modeling of temperature, flow, and crystallization of mold slag during double hot thermocouple technique experiments / L.W. Zhou, W. Wang, R. Liu, B. Thomas // Metallurgical and Materials Transactions B. - 2013. - Vol. 44, N 5. - P. 1264-1279.
- Фетисова Т.С. Проектирование литьевых форм для изготовления пластмассовых изделий: учебное пособие. - Тольятти: Изд-во ТГУ, 2013. - 102 с.
- Калинчев Э., Саковцева М., Калинчев С. Современная организация литьевых производств // Пластикс. - 2014. - № 9. - С. 24-30.
- Ludwig A., Kharicha A., Wu M. Modeling of multiscale and multiphase phenomena in materials processing // Metallurgical and materials transactions B. - 2014. - Vol. 45, N 1. - P. 36-43.
- Modeling of the thermal contact resistance time evolution at polymer-mold interface during injection molding: effect of polymers' solidification / S.C. Somй et al. // Applied Thermal Engineering. - 2015. - Т. 84. - С. 150-157.
- Yin Y.F. Modeling and analysis of process parameters for plastic injection molding of base-cover // Advanced Materials Research. - 2013. - Vol. 602. - P. 1930-1933.
- Three-dimensional numerical modeling of RTM and LRTM processes / L.A. Isoldi et al. // Journal of the Brazilian Society of Mechanical Sciences and Engineering. - 2012. - Vol. 34, N 2. - P. 105-111.
- Пантелеев А.П., Шевцов Ю.М., Горячев И.А. Справочник по проектированию оснастки для переработки пластмасс. - М.: Машиностроение, 1986 - 399 с.
- Казмер Д.О. Разработка и конструирование литьевых форм / пер. с англ. под ред. В.Г. Дувидзона. - СПб.: Профессия, 2011. - 464 с.
- LVMFlow 2.92r12. Тексты справки. - ЗАО НПО МКМ, 2005.
- Комарь С.А. Разработка технологии изготовления литейной формы с помощью специализированных САПР: дис. ... магистра техники и технологии. - Томск, 2016.
- Басов Н.И., Брагинский В.А., Казанков Ю.В. Расчет и конструирование формующего инструмента для изготовления изделий из полимерных материалов: учебник для вузов. - М.: Химия, 1991. - 352 с.
- Компас-3D. CAD [Электронный ресурс]. - URL: http://kompas.ru/ (дата обращения: 01.02.2017).
- A CAD/CAE-integrated injection mold design system for plastic products / I. Matin et al. // The International Journal of Advanced Manufacturing plastic products Technology. - 2012. - Vol. 63, N 5-8. - P. 595-607.
Актуальные проблемы в машиностроении. Том 4. № 1. 2017 Технологическое оборудование,оснастка и инструменты 
