Особенности проектирование пресс-форм

О чем речь? Проектирование пресс‑форм для изготовления изделий из пластика – процесс разработки специальной оснастки для серийного производства изделий с определенной геометрией, размерами и качеством поверхности.

На что обратить внимание? Проектирование пресс-форм проходит в несколько этапов, каждый из которых крайне важен. Успешность выполнения задачи во многом обеспечивает использование современных технологий вроде CAD-систем и 3D-печати.

Общее описание пресс-форм для литья пластмасс

Под пресс-формами понимают специальные устройства, которые применяют при литье под давлением для получения определенных изделий. Такие аппараты состоят из металла, обычно из двух или более частей, в которых есть полость для заливки материала.

Чтобы получить какую-то вещь, материал, который используется для пресс-формы, должен обладать способностью переходить в вязкотекучее состояние при сильном нагревании. Это дает возможность заполнить полость в форме и сохранить ее после понижения температуры. Обычно для изготовления продукта используют сырье, которое подходит под данные параметры. Это может быть металл, пластик различных видов (полимерный композит).

В процессе литья под давлением в пресс-форме можно получить изделие с тонкими стенками, но большого веса. Это может быть сложная деталь с различными элементами в конструкции, например, с резьбой, ребрами, арматурой, отверстиями.

Преимущества использования пресс-форм

1. Высокая производительность. Использование станков с пресс-формами позволяет получить много изделий за короткий промежуток времени. Другие способы производства изделий, например, из пластмассы не дают таких результатов.

2. Высокая точность при определении размеров. Если правильно настроить станок и выпустить грамотную пресс-форму, то можно получить запланированное изделие.

3. Высокая повторяемость. В связи с автоматизацией производства можно добиться максимальной точности при повторяемости изделия.

4. Изготовление сложных образцов. По-другому сложный вид изделия просто не сделать. Этот способ позволяет добиться высокой детализации, а поверхность элементов можно сделать гладкой, шероховатой или глянцевой.

5. Низкая стоимость производства. Если изделие не нуждается в дополнительной детализации, то себестоимость будет невысока.

Алгоритм работы с пресс-формами

1. Подготовка формы. Готовую форму нужно установить в машину для литья. Затем полости устройства смазывают, чтобы изделие было легче извлечь.

2. Заливка материала. Пластик под высоким давлением должен расплавиться, после этого он попадает в форму через литниковую систему.

3. Охлаждение. Обработанный материал должен остыть и затвердеть, когда примет форму изделия.

4. Извлечение предмета. После раскрытия формы готовое изделие нужно достать вручную или при помощи выталкивателей.

5. Повторное использование. Нужно снова закрыть форму, после чего будет запущен повторный процесс изготовления детали.

Отметим, что обычно цикл не превышает нескольких минут, но все зависит от конфигурации и сложности изделия, а также материала, из которого его делают.

Особенности конструкции пресс-форм

Их делают из материалов, обладающих высокой прочностью. Это может быть алюминий или сталь. Они способны выдерживать сильный нагрев и не деформироваться во время давления на форму. Устроено приспособление довольно сложно, в конструкции находятся несколько узлов. Их разделяют на подгруппы.

• Узлы технического назначения

К этой группе относят узлы пресс-формы, которые контактируют с материалов во время нагрева. Они участвуют в образовании определенной формы будущей детали. В состав данного элемента входят резьбовые знаки, кольца, пунсон, матрица, вкладыши и формирующие знаки.

• Узлы конструктивного назначения

К ним относят те элементы, которые не касаются материала, из которого делают деталь. Но они нужны, чтобы все в пресс-форме работало по заданным алгоритмам: для закрытия и открытия конструкции, фиксации в нужном положении, связи с замыкательным узлом. К таким элементам обычно относят опорные планки, ручки, фиксаторы, систему нагрева и охлаждения.

Этапы проектирования пресс-форм

Перед тем, как запустить машину в работу для нее нужно создать качественную форму. А начать нужно с проектирования пресс-форм. Это позволит сэкономить на производстве, ведь профессионалы делают все внимательно и точно.

• Исследование

При проектировании используют трехмерные технологии. Это могут быть программы Pro/ENGINEER, SolidWorks, AutoCad, Unigraphics. В данных конструкторах можно придумать электронную модель нужной формы и выбрать оптимальные параметры. Этот этап дает возможность поработать с разными идеями, фантазиями, докрутить варианты, созданные от руки, посмотреть готовые образцы с целью будущего применения.

• Проектирование конструкции

Как только специалист изучит ваше техзадание, он даст информацию о материалах, особенностях технологичности конструкции, поставит четкую цель и задачи для работы над пресс-формой.

Это является одним из главных этапов проектирования. В чертеже указываются технические детали, определяются требования и показатели, применительно к качеству, чтобы использовать устройство для массового, разового или серийного производства.

Что нужно заложить в деталь при проектировании:

• Формы литниковых систем, переходов, промывников, ребер жесткости и других элементов должны быть тщательно спроектированы, чтобы избежать дефектов после того, как материал пройдет усадку в отливках.
• Общие контуры должны быть прямыми, это позволит облегчить изготовление литейных элементов и отливок.
• Толщина стенок в сечениях отливки тоже должна соответствовать заданным требованиям. Это позволяет добиться прочности формы, а также дает возможность заполнить ее материалом без образования полостей и других дефектов.
• Важно учесть при проектировании конструктивные уклоны и литейные радиусы. Они позволяют изготовить легкую и удобную пресс-форму.
• Не стоит забывать о том, что при съемке механической рукой робота нужно учесть удобное место для захвата отливки.
• Чтобы промывники и выталкиватели работали корректно, им нужно задать рациональное расположение по периметру отливки толкателей.

Как только проведены все точные расчеты, можно подключить к работе специальные компьютерные программы.

• Визуализация решения

На данном этапе можно создавать эскизы пресс-формы, построить их можно с помощью 3D-моделирования или фотореалистической визуализации.

Что прежде всего входит в проектирование пресс-формы для изготовления пластмассовых изделий, так это продумывание модели и каждого ее элемента при сборке и разборке. Каждая деталь должна быть продумана, важно оформить линии ее разъема, шиберы, знаки и вставки. Для самой пресс-формы нужно спроектировать систему вентиляции. Не забывайте о литниковой системе.

Чтобы уменьшить число дефектов, таких как коробление, слитины и разводы, следует продумать на компьютере, как будет заполняться форма. Важно учитывать температуру нагрева, скорость подачи потоков и другие настройки.

На первом этапе важно загрузить все свои идеи, чертежи и подсчеты в компьютер, а затем с помощью программы можно спроектировать желаемую пресс-форму.

Так, существуют различные системы проектирования: CAD/CAM/САЕ. Они позволяют добиться автоматизированного создания проекта. Чтобы проверить пресс-форму на прочность, задействуют приложение «Mold – flow».

• Выбор подходящего материала

Как только вы определили, какую форму хотите получить, нужно выбрать материал для ее изготовления. Для начала следует понять, из чего делать составные детали пресс-формы. Учитывайте не только экономический фактор, но и требуемый срок службы. Если форма нужна для серийного производства, то детали должны быть стойкими.

Из чего можно изготовить формообразующие элементы. Лучше всего задействовать разные виды стали, они позволяют сделать изделие прочным, точным и качественным.

Если вы хотите изготовить маленькую партию деталей, то задействуйте элементы из цинка, меди и алюминия. Когда нужно в короткие сроки получить небольшое число образцов отливок, то делайте пресс-форму из композиции на основе пластика и металла.

Когда нужны сложные и продуманные до мелочей детали, в которых есть глубокие полости и непростое устройство, используют метод гальванопластики. Он дает возможность получать гладкие и надежные элементы, которые практически не нужно доделывать вручную. Достаточно только обработать торцы и посадочные поверхности.

Чтобы получить отливки со сложной детализацией обязательно используют эластичные формообразующие элементы при изготовлении пресс-формы.

Как только модель на компьютере будет готова, макет нужно передать технологам, которые напишут программу для автоматической обработки деталей и узлов на специальном станке.

• Разработка необходимой документации

Еще один важный этап, который нельзя пропускать при проектировании пресс-форм для литья, это конструкторская документация. Сюда входят ряд чертежей и документов с прописанными характеристиками для изготовления пресс-формы.

Все данные и расчеты нужно внести в документы, туда же добавляют чертежи и изображения, а также проект модели. Далее по этой информации будет налаживаться процесс производства для получения готовой пресс-формы.

Если в документации есть ошибки, опечатки, не хватает данных, то в итоге может получиться брак. А вы потратите уйму времени и денег, после чего все придется начинать сначала. Поэтому данный этап не нужно упускать из виду, ему следует уделить пристальное внимание и все хорошо проверить.

Современные технологии для облегчения работы по проектированию пресс-форм

Новые системы типа CAD/CAM/CAE дают возможность создавать высокоточные модели, оптимизировать их и в симуляции проверять действие прибора.

При помощи 3D-печати можно получить первые прототипы изделия, которые помогают протестировать устройство до его изготовления.

Для поддержания нужной температуры нагрева при заливке формы нужны чиллеры, они обеспечивают качество литья и нужную производительность.

Распространенные ошибки в проектировании пресс-форм

Проектирование пресс-форм для литья – довольно трудная задача. Нужно обладать определенными знаниями, учитывать множество нюансов и факторов. Небольшой просчет может привести к большим проблемам на производстве, потому что брак изделий принесет финансовые потери, а оборудование начнет простаивать, пока его не наладят. Какие выделяют ошибки в проектировании пресс-форм:

• Неверный выбор материалов

Если вы не учли, какие детали и сколько, в какие промежутки времени планируете выпускать, то можете выбрать неправильный материал для изготовления пресс-формы. Это приведет к тому, что детали получатся с браком, а сама форма быстро выйдет из строя.

Чтобы этого избежать, проведите дополнительные исследования, проверьте сроки эксплуатации различных материалов. Лучше довериться сырью, обладающему высокой стойкостью перед температурами, запасом прочности. Обычно это материалы из стали и разные алюминиевые сплавы.

• Далекая от оптимальной система охлаждения

Если при проектировке вы не учли особенности работы охладительной системы, то детали будут получаться с браком. Процесс литья будет увеличен во времени, возможен перегрев формы, что влияет на срок износа.

Чтобы избежать этих неприятных последствий, используйте специализированные программы при проектировании, которые позволят спроектировать систему охлаждения. На макете важно расположить каналы охлаждения равномерно, особенно в местах достижения пиковых температур. При выборе материала пресс-формы учитывайте его термические свойства.

• Ошибки в построении литниковой системы

Если неправильно выбраны размер, тип и места размещения литников (каналы, которые подают расплавленное сырье), то при изготовлении на деталях появятся дефекты. Также это увеличивает расход материала, а извлечь готовую деталь будет сложно.

Чтобы избежать последствий, выбирайте верный тип литниковой системы. Это может быть кольцевой, точечный или веерный вариант. Все зависит от геометрии пресс-формы. Размеры литников должны позволить форме заполняться равномерно. Попробуйте проверить качество работы системы с помощью программ симуляции.

• Неверное проектирование системы выталкивания

Если элементы, которые извлекают изделие из формы, спроектированы неправильно, то при извлечении изделия оно может деформироваться, сломаться. Также увеличиваются сроки изготовления деталей.

Чтобы избежать проблем, постарайтесь спроектировать равномерное расположение выталкивателей, особенно там, где находятся зоны сцепления. Учитывайте, какую форму имеет изделие, как она меняется после охлаждения. Задействуйте программу симуляции при проверке работы системы.

• Отказ учесть процесс усадки материала

Если не обратить внимание на то, что некоторые материалы дают усадку после охлаждения, можно получить бракованное изделие, которое не соответствует заданным размерам.

Чтобы избежать проблемы, важно учитывать этот момент при проектировании. Задействуйте систему симуляции, чтобы спрогнозировать усадку. Делайте тестовые запуски, чтобы скорректировать размеры при проектировании пресс-формы.

• Малая жесткость конструкции пресс-формы

Если не учесть данный момент, конструкция может не выдержать и деформироваться под нагрузкой. Это приведет к быстрому износу, поломкам и изменению первичной формы.

Чтобы избежать проблемы, сделайте стенки и ребра более толстыми и жесткими, особенно в критических зонах. Выбирайте прочные материалы. На специальных программах проведите анализ напряжений.

• Неверный выбор поверхности пресс-формы

Если выбрать неправильную обработку поверхности, например, при шлифовке, полировке или текстурировании, то возникнут проблемы с извлечением готового изделия, а его поверхность будет иметь низкое качество. При этом сама форма быстро придет в негодность.

Чтобы избежать проблемы, выбирайте тип обработки поверхности, опираясь на требования к изделию. Полировку задействуют для гладкой поверхности, а текстурирование – для матовой. Не забудьте учесть адгезию материала к пресс-форме.

Часто задаваемые вопросы о проектировании пресс-форм

Какие углы уклона необходимо добавлять?

Для сложных деталей они обычно составляют один-три градуса. Это позволяет добиться простого извлечения детали и уменьшает износ пресс-формы.

С какой целью нужно рассчитать нагрузку и проводить симуляцию работы формы?

Расчеты и проверка позволяет понять, как себя поведет устройство при разных условиях. Можно выявить несоответствия, устранить дефекты. Для симуляции и расчетов используют CAE-системы: Moldflow, SolidWorks Plastics.

Какова роль проектирования систем охлаждения и литниковой системы?

За счет системы охлаждения можно предотвратить перегрев материала и дефектов изделия. Литниковая система нужна, чтобы расплавленное сырье полностью заполняло форму.

Почему так важен тип материала для пресс-формы?

Если выбрать неверный вид материала, то срок работы пресс-формы будет сокращен, а изделия будут получаться с браком.

Как именно рассчитывают производительность пресс-формы?

Есть специальная формула: количество изделий в час = (3600 секунд / время цикла в секундах) × количество гнезд.

Чтобы спроектировать пресс-форму, нужно подойти к процессу со всей ответственностью. Учитывайте множество факторов, соблюдайте порядок проектирования, подключайте специалистов, владеющих технологиями. Любая ошибка приведет к тому, что дорогостоящий процесс изготовления изделия будет испорчен.

Источник изображения в шапке: freepik / magnific.com