Пресс-форма — устройство для получения изделий различной конфигурации из металлов, пластмасс, резины и других материалов под действием давления, создаваемого на литьевых машинах.
Пресс-формы применяют при литье под давлением металлов и полимерных материалов, литье по выплавляемым моделям, прессовании полимерных материалов. Различают множество видов пресс-форм: ручные, полуавтоматические и автоматические; съемные, полусъемные и стационарные; с горизонтальной и вертикальной плоскостями разъема; с одной или несколькими плоскостями разъема. Пресс-форма состоит из неподвижной части (матрицы), и подвижной части (пуансона), формующие полости которых являются обратным (негативным) отпечатком внешней поверхности заготовки. В одной пресс-форме может одновременно формоваться несколько деталей (многоместные формы). Подвод материала к формующей полости осуществляется через литниковую систему: центральный, разводящий и впускные литники, а съем готового изделия — при помощи системы выталкивания. В зависимости от материала и требований к получаемой заготовке в форме поддерживают определенный температурный баланс. Для регулирования температуры формы в основном используют воду, пропуская ее через специальные каналы охлаждения.
Ввиду относительно высокой стоимости пресс-форм, их использование в основном характерно для серийного и массового производства.
Этапы производства пресс-формы
В самом общем виде этапы производства пресс-формы: конструкторско-технологическая подготовка производства, Изготовление пресс-формы, доводка и испытание пресс-формы. Если рассматривать каждый этап по отдельности то получается комплексный сложный технологический процесс, который занимает месяцы работы различных специалистов по компьютерному моделированию, составлению технической документации, изготовлению и обработки составных частей пресс-формы.
Конструкторско-технологическая подготовка производства
Первый этап производства пресс-формы включает подготовка эскизов изделия (эскизная графика), построение 3D модели, фотореалистическую визуализацию.
Проектирование пресс-формы включает в себя конструкторскую проработку модели и разделение сборочной модели на отдельные конструктивные элементы.
Подготовка каждого конкретного элемента, оформление линии разъема детали а также шиберов, знаков, вставок и местности пресс-формы. Особое значение имеет литниковая система.
Избежать или максимально уменьшить коробление, разводы, слитины и другие дефекты можно используя компьютерное моделирование процесса заполнения формы. Также при этом можно контролировать распределение температуры расплава, скоростей потока и другие параметры.
На начальном этапе производства пресс-формы все существующие идеи, чертежи переносятся на компьютер, на котором с помощью определенных программ осуществляется проектирование пресс-форм.
При проектировании пресс-форм применяются CAD/CAM системы, автоматизированного, сквозного проектирования. Проверка пресс-формы на «проливаемость» проводиться на компьютере с помощью Mold — flow анализа.
Первый этап крайне важен для определения необходимого объема работ на втором этапе изготовления пресс-формы, так как определяется необходимый набор стандартных и специальных изделий, необходимых для изготовления пресс-формы.
Изготовление пресс-формы
Второй этап производства пресс-формы включает конструирование (заказ стандартных частей, обработка заготовок, изготовление специальных элементов пресс-формы), прототипирование, и непосредственно сборка пресс-формы.
Конструктивные элементы специальных деталей пресс-формы.
Пресс-форма состоит из большого количества частей, которые должны точно сопрягаться между собой.
Детали пресс-форм разделяют на нормализованные и специальные. Конструкция нормализованных деталей пресс-формы, может быть установлена заранее, независимо от конструктивных особенностей отливаемых изделий в пресс-форме.
Любая пресс-форма на 50-95% состоит из стандартных по номенклатуре и весу деталей (нормалий). Эти детали по цене составляют от 10 до 60% от ее полной стоимости. Колебания процентов зависят как от конструкции пресс-формы, геометрии отливки и требований инструментального производства, так и от уровня подготовленности конструктора (конструкторской компании) пресс-формы, его желания и возможности применить подходящие стандартные элементы. Решение одной и той же технической задачи при проектировании пресс-формы практически всегда конструктивно инвариантно по гнездности, по литниковой системе, по системе выталкивания и т. д.
К нормализованным деталям пресс-формы относят:
верхние и нижние плиты пресс-формы;
простые плиты, механически обработанные со всех сторон, подходящие для изготовления пуансонов, матриц и формообразующих плит, требующих большой объем выборки;
детали для пресс-форм — Направляющие втулки и колонки, Центрующие элементы, Фиксаторы, Вставки в т. ч. с календарями, пружины и т. д. );
толкатели и элементы для извлечения деталей из формы — Элементы извлечения из формы, Хвостовики двойного хода, Толкатели от 01мм х 200мм, Трубчатые толкатели с толщиной стенки от 0,75мм. Щелевые от 0,8 мм. Подшипники, шестерни;
Литниковая система, горячеканальная технология — Литниковые втулки, горячеканальные инжекторы (сопла), в т. ч. инжекторы многоточечного впрыска, Горячеканальные коллекторы, фильтры;
техника автоматического управления — Тэны, разъемы, приборы и датчики контроля, переносные измерительные приборы;
система охлаждения — Штуцера в т. ч. из нерж. стали, муфты, спиральные вставки для пуансонов, прокладки, шланги;
инструменты и дополнительное оборудование, химия — Специальные инструменты и приспособления, смазочные материалы, конические сверла, графит для электродов, готовые вставки из графита.
В мире действуют компании, специализирующиеся на производстве нормализованных элементов. Как правило, набор таких деталей представлен в каталогах этих компаний, причем цена на них заранее определена. Степень из готовности от 10 до 100%. Наиболее известными в мире компаниями, выпускающими стандартные детали являются Hasco Hasenclever GmbH (Германия), DME Company (США), EOC Normalien (Германия), Strack Norma GmbH (Германия), Ewikon Heisskanalsysteme (Германия), Mold-Masters Europa GmbH (Канада), Diemould Service Co. Ltd (DMS) (Великобритания) и др.
К специальным деталям пресс-формы относят вставные матрицы, пуансоны, гладкие знаки, резьбовые знаки, кольца и т. п. Наиболее ответственными деталями пресс-формы, с точки зрения возникающих в них напряжений, являются загрузочные камеры, вставные матрицы и обоймы пресс-формы.
Производством специальных деталей занимается специализированное инструментальное производство, как правило, компания, в которой непосредственно заказывается пресс-форма.
Матрица — наиболее трудоемкая деталь пресс-формы. Оформляющие гнезда пресс-формы должны в точности соответствовать конфигурации отливаемых пластмассовых изделий. Пуансоны применяют для оформления наружного или внутреннего контура отливаемого пластмассового изделия в пресс-форме. Гладкие знаки применяют для оформления отверстий в отливаемых изделиях из пластмассы. Гладкие знаки могут являться одновременно выталкивателями. Резьбовые знаки и кольца предназначены для оформления, соответственно, внутренней и наружной резьбы в отливаемых изделиях из пластмассы. Выталкиватели предназначены для удаления пластмассового изделия из оформляющего гнезда пресс-формы.
Таким образом, пресс-форма имеет следующую структуру: пакет плит, систему центрирования; систему питания (литниковая система); систему выталкивания; систему охлаждения; систему формообразующих деталей. Кроме системы формообразующих все остальные детали могут быть стандартными или могут доврабатываться из стандартных детелей, поставляемых как заготовки.
Литниковая система пресс-формы
Литниковая система пресс-формы может быть трех видов: холодноканальная, горячеканальная и комбинированная. Наиболее простой и дешевый вариант литниковой системы пресс-формы — холодноканальная. Для одногнездной пресс-формы с ходом расплава в деталь через центральный литник она состоит только из литниковой втулки. Преимущества: простота и дешевизна. Недостатки: весь литник уходит в отход (повышенный расход материала); время цикла зависит от времени охлаждения литника, а не от самой детали; необходимость вручную удалять литник от отливки, хранить его и вторично перерабатывать. После удаления литника место впуска, как правило, подлежит дополнительной зачистке.
Для повышения производительности ТПА, уменьшения отходов и поддержания необходимой температуры переработки расплава применяют горячеканальные литниковые системы (ГКС). Конструктивно простейшая ГКС состоит только из одного обогреваемого сопла (nozzle) с одной или двумя зонами нагрева, в то время как универсальная ГКС состоит из обогреваемого коллектора (manifold), к которому подходят одно или несколько сопел. Для управления работой нагревателей ГКС пресс-формы необходимо иметь терморегулятор с количеством зон регулирования, равным числу термопар в системе.
Изготовление холодноканальной системы производится силами компании осуществляющей производство специальных элементов пресс-формы и осуществляющей сборку пресс-формы.
Изготовление горячеканальной системы — дорогостоящее занятие, и на данный момент в мире сложилась ситуация, когда существую определенные компании, производящие горячеканальные элементы и поставляющие из сборочным производствам, так как небольшим производствам пресс-форм нерентабельно иметь собственные мощности для производства горячеканальных систем.
Элементы системы охлаждения
Цикл литья более чем на 50% состоит из времени охлаждения отливки. Для создания надежной в работе системы охлаждения пресс-формы, технологичной в изготовлении и ремонтнопригодной при эксплуатации, предлагаются разнообразные стандартные детали: быстросъемные соединения, переливы, фортанирующие трубки, турбулизаторы, тепловые трубки, теплоотводящие знаки, уплотнительные кольца, заглушки и пробки. Подключение системы охлаждения пресс-формы к шлангам источника хладагента (термостат, охладитель, оборотная цеховая магистраль) рекомендуется проводить быстросъемными соединениями, состоящими из ниппеля и муфты.
Элементы системы охлаждения, как правило, присутствуют в каталогах производителей стандартных деталей для пресс-форм. В тоже время существуют компании, специализирующиеся на производстве элементов систем охлаждения.
Обработка пресс-формы
Основная часть обработки элементов пресс-формы проводится на фрезерных станках с ЧПУ и электроэрозионных станках.
Технология обработки предполагает три стадии механической обработки и три — термообработки: Отжиг — черновая обработка — нормализация — получистовая обработка — закалка — окончательная обработка — хромирование.
Отжиг необходим любой заготовке для снятия остаточных напряжений.
При черновой обработке снимается основное количество материала, припуски на рабочие поверхности — 0.5-2 мм.
Нормализация (отжиг) необходима для снятия основных напряжений в заготовке, это уменьшает риск больших поводок при закалке.
Получистовая обработка проводится с припуском 0.3-0.1 мм. В процессе этой обработки делается максимально возможная выборка по некаленому материалу и готовится поверхность для окончательной чистовой обработки.
Закалка — это очень ответственный момент всей технологии.
Этот этап обработки особенно важен, так как именно в этот момент выполняются все точные обработки.
Для достижения необходимой точности обработки часто требуется специальный дорогостоящий инструмент, оправки и приспособления, все работы проводятся импортным высококачественным инструментом.
Полировка, подгонка и сборка.
Это работа слесаря-инструментальщика. Для каждой конкретной пресс-формы содержание этой работы может быть различным, именно здесь обнаруживаются и исправляются все ошибки. Иногда сборка и испытание пресс-формы вызывает неожиданные проблемы, что увеличивает сроки изготовления.
Хромирование необходимо для получения высокой поверхностной твердости деталей пресс-формы, подвергающихся повышенному износу. Матрица имеющая твердость 44-46 HRc имеет гарантированный ресурс работы 600-700 тыс. циклов. Срок службы хромированной формообразующей пресс-формы значительно выше.
Описанные этапы изготовления пресс-формы в общих чертах раскрывают технологию и позволяют заказчику сопоставить цену работы и ее содержание.
Доводка и испытание пресс-формы
На третьем этапе осуществляется доводка пресс-формы до производства изделия требуемого качества и с заданным временем производственного цикла. Получение пресс-формы заданного качества — основная цель всех описанных выше процессов, и если пресс-форма в рабочих условиях не показывает заданных результатов, необходимо искать ошибки на первых двух этапах. От качества изготовления пресс-формы напрямую зависит длительность доводки пресс-формы — чем тщательней выполнена работа, чем меньшее время потребуется на ее доводку.
Испытание пресс-формы проводится в условиях, приближенных к реальным условиям эксплуатации пресс-формы.
Важнейшей частью этого процесса является оборудование, на котором осуществляется испытание пресс-форм — термопластавтоматы — в идеале, установленное для испытания пресс-формы оборудование должно соответствовать оборудованию, на котором будет осуществлять производство пластиковых изделий.
Срок работ по производству пресс-формы
Обычная работа на предприятии ведется двумя бригадами в две смены. Производственный цикл в зависимости от сложности и размеров пресс-формы составляет от 3-5 мес.
