Таблицы пресс-форм для литья под давлением: полное техническое руководство
Навигация по таблицам
- Таблица 1: Основные типы пресс-форм для литья под давлением
- Таблица 2: Классификация форм по количеству гнезд
- Таблица 3: Сложность пресс-форм и области применения
- Таблица 4: Характеристики цикла литья по типам форм
- Таблица 5: Факторы износа и срок службы пресс-форм
Таблица 1: Основные типы пресс-форм для литья под давлением
| Тип пресс-формы | Конструкция | Характеристики | Преимущества | Недостатки |
|---|---|---|---|---|
| Холодноканальные | Система каналов остывает вместе с изделием | Простая конструкция, требует удаления литников | Низкая стоимость изготовления, надежность, простота обслуживания | Отходы материала в виде литников, более длительный цикл |
| Горячеканальные | Система нагревательных элементов поддерживает расплав | Исключение образования литников | Экономия материала, сокращение цикла, высокое качество | Высокая стоимость, сложное обслуживание, требуется точная настройка |
| Двухплитные | Матрица и пуансон, одна плоскость разъема | Для простых изделий без сложных поднутрений | Простота конструкции, низкая стоимость, быстрая наладка | Ограничения по сложности изделий |
| Трехплитные | Два пуансона, две плоскости разъема | Для сложных изделий с поднутрениями | Возможность изготовления сложных деталей, автоматическое отделение литников | Более высокая стоимость, сложная конструкция |
| Многоэтажные | Несколько уровней формообразующих полостей | Для массового производства простых плоских изделий | Высокая производительность, экономия места | Сложность настройки, требуется точное центрирование |
Таблица 2: Классификация форм по количеству гнезд
| Тип по гнездности | Количество гнезд | Применение | Производительность | Особенности |
|---|---|---|---|---|
| Одногнездные | 1 | Малосерийное производство, опытные партии, сложные крупные детали | Низкая | Гибкость производства, быстрая переналадка, низкие первоначальные затраты |
| Малогнездные | 2-4 | Средние серии, детали среднего размера | Средняя | Баланс между производительностью и стоимостью формы |
| Многогнездные | 8-32 | Крупносерийное производство мелких деталей | Высокая | Снижение себестоимости единицы изделия, требуется точная балансировка литниковой системы |
| Высокогнездные | 64-128 | Массовое производство мелких изделий (крышки, пробки) | Очень высокая | Максимальная производительность, высокие требования к оборудованию, сложная балансировка |
| Групповые | Различное | Одновременное производство разных деталей из одного материала | Переменная | Возможность производства комплектующих за один цикл, сложная настройка |
Таблица 3: Сложность пресс-форм и области применения
| Уровень сложности | Характеристики конструкции | Примеры изделий | Срок изготовления | Отрасли применения |
|---|---|---|---|---|
| Простые | Плоские детали, отсутствие поднутрений, прямая плоскость разъема | Крышки, пластины, простые корпуса | 2-4 недели | Упаковка, бытовая продукция |
| Средней сложности | Внутренние полости, резьбовые соединения, боковые знаки | Флаконы, контейнеры с резьбой, корпусы электроники | 4-8 недель | Электроника, медицина, автомобилестроение |
| Сложные | Множественные поднутрения, вывинчивающиеся знаки, сложная геометрия | Детали двигателей, сложные корпуса, многокомпонентные изделия | 8-16 недель | Автомобилестроение, аэрокосмическая промышленность |
| Высокой сложности | Микроэлементы, прецизионные детали, многокомпонентное литье | Медицинские импланты, оптические элементы, микродетали | 16-24 недели | Медицина, оптика, точное приборостроение |
Таблица 4: Характеристики цикла литья по типам форм
| Тип формы | Время впрыска | Время охлаждения | Общее время цикла | Факторы, влияющие на цикл |
|---|---|---|---|---|
| Тонкостенные изделия | 0.5-2 секунды | 3-8 секунд | 5-15 секунд | Быстрое охлаждение благодаря малой толщине стенки |
| Средней толщины | 1-3 секунды | 10-30 секунд | 15-45 секунд | Стандартный цикл для большинства изделий |
| Толстостенные изделия | 2-5 секунд | 30-90 секунд | 40-120 секунд | Длительное охлаждение, риск образования усадочных раковин |
| Холодноканальные формы | Стандартное | +15-20% | +10-15% к базовому | Дополнительное время на охлаждение литников |
| Горячеканальные формы | Стандартное | Базовое | На 10-20% меньше | Отсутствие необходимости охлаждения литников |
| Многогнездные формы | +10-20% | +5-15% | На 5-10% больше | Требуется равномерное заполнение всех гнезд |
Пример расчета производительности
Исходные данные:
Цикл пресс-формы: 20 секунд
Гнездность: 8 гнезд
Рабочее время: 1 час (3600 секунд)
Расчет:
Количество циклов в час = 3600 / 20 = 180 циклов
Производительность = 180 циклов × 8 гнезд = 1440 изделий в час
При работе в 3 смены (24 часа): 1440 × 24 = 34 560 изделий в сутки
Таблица 5: Факторы износа и срок службы пресс-форм
| Тип пресс-формы | Материал изготовления | Прогнозируемый ресурс (циклов) | Основные факторы износа | Меры продления срока службы |
|---|---|---|---|---|
| Прототипные (алюминиевые) | Алюминиевые сплавы | 10 000 - 50 000 | Низкая твердость материала, быстрое истирание | Использование только для опытных партий |
| Серийные (закаленная сталь) | Инструментальная сталь H13, P20 | 100 000 - 500 000 | Механический износ, термические нагрузки, коррозия | Регулярная чистка, смазка, контроль температурного режима |
| Производственные (высокопрочная сталь) | Закаленная сталь S136H, NAK-80 | 500 000 - 2 000 000 | Усталостное разрушение, коррозия при контакте с агрессивными материалами | Защитные покрытия (хромирование, никелирование), оптимизация режимов литья |
| Специальные покрытия | Сталь с нитридным/хромовым покрытием | 1 000 000+ | Абразивный износ при использовании армированных пластиков | Применение специальных покрытий, контроль качества сырья |
Важно знать
Срок службы пресс-формы напрямую зависит от условий эксплуатации. При правильном обслуживании ресурс может быть увеличен на 30-50%. Критически важны регулярная очистка, смазка направляющих элементов, контроль температурного режима и своевременная замена изношенных компонентов.
Содержание статьи
- 1. Основы технологии литья под давлением
- 2. Классификация пресс-форм по конструкции
- 3. Гнездность пресс-форм и производительность
- 4. Определение сложности пресс-форм
- 5. Цикл литья и его оптимизация
- 6. Износ пресс-форм и факторы долговечности
- 7. Выбор оптимального типа пресс-формы
- Вопросы и ответы (FAQ)
1. Основы технологии литья под давлением
Литье под давлением представляет собой высокотехнологичный процесс изготовления изделий из полимерных материалов и металлических сплавов путем впрыскивания расплава в специальные формы под высоким давлением. Данная технология является одной из наиболее распространенных в современной промышленности благодаря высокой производительности, точности размеров и возможности полной автоматизации производства.
Процесс литья под давлением включает несколько последовательных этапов. Сначала происходит загрузка гранулированного или порошкообразного сырья в пластикационный цилиндр термопластавтомата, где материал нагревается до перехождения в вязкотекучее состояние. Температура расплава варьируется в зависимости от типа материала и может составлять от 180 до 350 градусов Цельсия для термопластов.
После подготовки расплава происходит смыкание пресс-формы с заданным усилием, которое предотвращает раскрытие формы при впрыске материала. Затем расплавленный материал под высоким давлением впрыскивается в формообразующую полость через систему литниковых каналов. Давление впрыска может достигать значений от 35 до 200-250 МПа в зависимости от типа материала и сложности изделия.
Критически важным этапом является охлаждение и затвердевание изделия в форме. Этот процесс может занимать от 50 до 70 процентов всего цикла литья. В пресс-формах предусмотрены специальные каналы для циркуляции охлаждающей жидкости, которые обеспечивают равномерное отведение тепла от изделия. После достижения необходимой температуры происходит раскрытие формы и извлечение готового изделия с помощью системы выталкивателей.
Практический пример
При производстве пластиковых крышек для бутылок применяются высокогнездные пресс-формы с количеством гнезд от 32 до 96. Цикл литья составляет 6-8 секунд, что позволяет производить до 43 000 крышек за одну рабочую смену на одной машине. Это делает технологию литья под давлением оптимальной для массового производства.
2. Классификация пресс-форм по конструкции
Пресс-формы для литья под давлением классифицируются по нескольким конструктивным признакам, каждый из которых определяет функциональные возможности и области применения оснастки. Основными критериями классификации являются тип литниковой системы, количество плоскостей разъема и наличие подвижных формообразующих элементов.
Холодноканальные пресс-формы
Холодноканальные пресс-формы представляют собой наиболее распространенный и экономичный тип оснастки. В таких формах расплавленный материал подается через систему каналов, которые остывают вместе с изделием и после каждого цикла требуют удаления в виде литников. Конструкция холодноканальных форм отличается простотой и надежностью, что делает их оптимальным выбором для малых и средних серий производства.
Основным преимуществом холодноканальных систем является низкая первоначальная стоимость изготовления формы, которая может быть на 40-60 процентов ниже по сравнению с горячеканальными аналогами. Кроме того, такие формы легче в обслуживании, не требуют сложных нагревательных систем и могут работать практически с любыми термопластичными материалами без ограничений.
Однако холодноканальные формы имеют существенный недостаток в виде материальных отходов. Масса литников может составлять от 20 до 50 процентов от массы готового изделия, особенно в многогнездных формах. Эти отходы требуют либо переработки, что увеличивает производственные затраты, либо утилизации. Кроме того, удаление литников увеличивает общее время цикла и может требовать дополнительных операций по обработке изделий.
Горячеканальные пресс-формы
Горячеканальные пресс-формы оснащены системой электрических нагревательных элементов, которые поддерживают расплав в каналах в жидком состоянии, предотвращая его затвердевание. Такая конструкция позволяет исключить образование литников и обеспечивает прямую подачу материала в формообразующие полости.
Применение горячеканальных систем обеспечивает значительную экономию материала, которая может достигать 30 процентов и более в зависимости от конфигурации изделия. Отсутствие необходимости в охлаждении и удалении литников сокращает время цикла на 10-20 процентов, что напрямую повышает производительность оборудования. Кроме того, качество поверхности изделий улучшается благодаря отсутствию следов от удаления литников.
К недостаткам горячеканальных систем относится высокая первоначальная стоимость, сложность конструкции и необходимость точной настройки температурных режимов для каждой зоны нагрева. Требуется регулярное обслуживание нагревательных элементов и термодатчиков. Кроме того, не все материалы подходят для горячеканального литья, особенно термочувствительные полимеры, склонные к деградации при длительном воздействии высоких температур.
Двухплитные и трехплитные формы
Двухплитные пресс-формы состоят из двух основных частей - неподвижной матрицы и подвижного пуансона, которые образуют одну плоскость разъема. Такая конструкция является наиболее простой и применяется для изготовления изделий без сложных поднутрений и внутренних полостей. Преимуществом двухплитных форм является простота изготовления, быстрая наладка и низкая стоимость.
Трехплитные пресс-формы имеют два пуансона и соответственно две плоскости разъема. Это позволяет реализовывать более сложные конструкции изделий с внутренними полостями, поднутрениями и резьбовыми соединениями. В трехплитных формах литниковая система может располагаться в отдельной плоскости, что обеспечивает автоматическое отделение литников от изделий и упрощает процесс выгрузки.
3. Гнездность пресс-форм и производительность
Гнездность пресс-формы определяется количеством формообразующих полостей, в которых одновременно изготавливаются изделия за один цикл литья. Выбор оптимальной гнездности является ключевым фактором, влияющим на производительность, себестоимость продукции и окупаемость оснастки.
Одногнездные пресс-формы применяются для малосерийного производства, изготовления опытных партий и крупногабаритных изделий. Основным преимуществом таких форм является гибкость производства и возможность быстрой переналадки на другую продукцию. Первоначальные затраты на изготовление одногнездной формы минимальны, что делает их оптимальным выбором для тестирования новых изделий и небольших объемов производства.
Многогнездные пресс-формы с количеством гнезд от 8 до 32 применяются в крупносерийном производстве мелких и средних деталей. Увеличение гнездности пропорционально повышает производительность оборудования, позволяя изготавливать за один цикл несколько идентичных изделий. Это приводит к существенному снижению себестоимости единицы продукции за счет уменьшения доли машинного времени и амортизационных отчислений.
Критически важным при проектировании многогнездных форм является точная балансировка литниковой системы. Все гнезда должны заполняться одновременно и равномерно, что требует расчета длины и сечения каналов, расположения точек впрыска. Неправильная балансировка приводит к неравномерному заполнению гнезд, различиям в массе и геометрии изделий, появлению брака.
Высокогнездные формы с количеством полостей от 64 до 128 применяются исключительно в массовом производстве мелких изделий таких как крышки, пробки, медицинские изделия одноразового применения. Такие формы требуют мощного оборудования с высоким усилием смыкания, прецизионной балансировки литниковой системы и автоматизированных систем выгрузки готовой продукции.
Расчет оптимальной гнездности
При выборе гнездности необходимо учитывать следующие факторы:
1. Требуемый объем производства: годовая потребность в изделиях
2. Имеющееся оборудование: усилие смыкания и размер плит термопластавтомата
3. Размер и сложность изделия: возможность размещения нескольких гнезд в габаритах формы
4. Экономическая эффективность: срок окупаемости дополнительных затрат на увеличение гнездности
4. Определение сложности пресс-форм
Сложность пресс-формы определяется совокупностью конструктивных особенностей изделия, количеством формообразующих элементов, наличием подвижных деталей и точностью исполнения. Правильная оценка сложности формы необходима для планирования сроков изготовления и определения требуемого уровня технологического оснащения.
Простые пресс-формы предназначены для изготовления плоских деталей без поднутрений, с одной плоскостью разъема и минимальным количеством формообразующих элементов. К таким изделиям относятся крышки, пластины, простые корпуса без внутренних полостей. Изготовление простых форм занимает от двух до четырех недель и не требует применения сложного оборудования для металлообработки.
Формы средней сложности включают изделия с внутренними полостями, резьбовыми соединениями, боковыми знаками для формирования поднутрений. Для извлечения таких изделий без повреждений применяются специальные механизмы с ползунами или вывинчивающимися знаками. Изготовление форм средней сложности требует применения координатно-расточных станков, электроэрозионного оборудования и занимает от четырех до восьми недель.
Сложные пресс-формы характеризуются наличием множественных поднутрений, сложной геометрией, тонкостенными элементами и высокими требованиями к точности. Такие формы применяются в автомобилестроении для изготовления деталей двигателей, в медицине для производства имплантов и инструментов, в электронике для изготовления прецизионных корпусов. Срок изготовления сложных форм составляет от восьми до шестнадцати недель и требует применения современного высокоточного оборудования.
Формы высокой сложности предназначены для изготовления микродеталей, оптических элементов, многокомпонентных изделий с требованиями к точности в микрометрах. Такие формы изготавливаются из специальных марок инструментальной стали, проходят многоступенчатую термообработку и финишную обработку с применением технологий прецизионной полировки. Срок изготовления может достигать шести месяцев.
Пример сложной пресс-формы
Пресс-форма для изготовления корпуса медицинского ингалятора включает четыре боковых ползуна для формирования защелок, два вывинчивающихся знака для резьбовых соединений, систему горячеканального литья с тремя точками впрыска и каналы охлаждения конформного типа. Общий вес формы составляет 450 килограммов, количество деталей превышает 120 единиц. Срок изготовления такой формы составил 14 недель.
5. Цикл литья и его оптимизация
Цикл литья под давлением представляет собой последовательность технологических операций от момента смыкания пресс-формы до извлечения готового изделия. Продолжительность цикла напрямую определяет производительность оборудования и себестоимость продукции, поэтому оптимизация цикла является первостепенной задачей технологов.
Полный цикл литья включает следующие стадии: смыкание пресс-формы, впрыск расплава, выдержка под давлением, охлаждение, раскрытие формы и выталкивание изделия. Время смыкания и раскрытия формы зависит от габаритов оснастки и характеристик оборудования, обычно составляет от одной до трех секунд и не поддается существенной оптимизации без замены оборудования.
Стадия впрыска является наиболее быстрой и занимает от половины до пяти секунд в зависимости от объема изделия и вязкости материала. Скорость впрыска критически важна для качественного заполнения формы, особенно для тонкостенных изделий. Слишком низкая скорость может привести к преждевременному замерзанию расплава и незаполнению формы, слишком высокая - к появлению дефектов на поверхности и внутренним напряжениям.
Выдержка под давлением необходима для компенсации усадки материала при охлаждении. В этот период поршень термопластавтомата продолжает подпитывать форму расплавом через затвердевающий литниковый канал. Продолжительность выдержки составляет от пяти до пятнадцати секунд и определяется моментом затвердевания литника. Правильная настройка давления и времени выдержки критически важна для обеспечения точности размеров изделия.
Охлаждение является наиболее продолжительной стадией цикла и может занимать от 50 до 70 процентов общего времени. Скорость охлаждения определяется толщиной стенки изделия, теплофизическими свойствами материала и эффективностью системы терморегулирования формы. Оптимизация системы охлаждения позволяет сократить время цикла на 15-25 процентов без ухудшения качества изделий.
Расчет времени охлаждения
Время охлаждения приближенно рассчитывается по формуле:
t = (s² / α) × ln[(Tм - Tф) / (Tизв - Tф)]
где:
t - время охлаждения в секундах
s - толщина стенки изделия в миллиметрах
α - коэффициент температуропроводности материала
Tм - температура расплава
Tф - температура формы
Tизв - температура извлечения изделия
6. Износ пресс-форм и факторы долговечности
Пресс-формы в процессе эксплуатации подвергаются интенсивным механическим и термическим нагрузкам, что приводит к постепенному износу формообразующих поверхностей и подвижных элементов. Понимание механизмов износа и применение профилактических мер позволяет существенно продлить срок службы оснастки и снизить производственные затраты.
Основными видами износа пресс-форм являются механический износ, термическая усталость, коррозия и эрозионное разрушение. Механический износ проявляется в истирании формообразующих поверхностей, направляющих элементов и выталкивателей. Интенсивность механического износа зависит от твердости материала формы, качества обработки поверхностей и применения армированных пластиков с абразивным наполнителем.
Термическая усталость возникает вследствие циклических изменений температуры при впрыске горячего расплава и последующем охлаждении. На поверхности формообразующих полостей образуется сетка мелких трещин, которые постепенно углубляются и могут привести к выкрашиванию материала. Термическая усталость особенно характерна для форм, работающих с высокотемпературными материалами и при недостаточном охлаждении.
Коррозионный износ проявляется при использовании материалов, выделяющих агрессивные газы при нагреве, таких как поливинилхлорид или материалы с галогенсодержащими антипиренами. Продукты разложения конденсируются на поверхности формы и вызывают химическое разрушение металла. Для предотвращения коррозии применяются специальные марки коррозионностойких сталей или защитные покрытия.
Срок службы пресс-формы определяется количеством циклов до появления недопустимых дефектов на изделиях или невозможности обеспечения требуемой точности размеров. Прототипные формы из алюминиевых сплавов рассчитаны на 10-50 тысяч циклов и применяются только для опытных партий. Серийные формы из закаленной инструментальной стали обеспечивают от 100 тысяч до полумиллиона циклов. Производственные формы высшего качества с защитными покрытиями могут работать более миллиона циклов.
Факторы, влияющие на долговечность
Ключевыми факторами, определяющими срок службы пресс-формы, являются качество материала и термообработки, точность изготовления, соблюдение температурных режимов эксплуатации, регулярность технического обслуживания. Правильная эксплуатация может увеличить ресурс формы на 30-50 процентов от номинального значения.
Для продления срока службы пресс-форм необходимо соблюдать следующие рекомендации. Регулярная очистка формообразующих поверхностей от остатков материала, нагара и загрязнений предотвращает абразивный износ и коррозию. Очистка должна производиться специальными средствами, не повреждающими полированные поверхности. Смазка направляющих элементов, колонок, ползунов снижает трение и износ подвижных частей.
Контроль температурного режима критически важен для предотвращения термической усталости. Температура формы должна соответствовать рекомендациям производителя материала и поддерживаться в узком диапазоне с помощью систем терморегулирования. Резкие перепады температуры при запуске и остановке производства должны быть минимизированы путем постепенного прогрева и охлаждения формы.
Своевременная замена изношенных компонентов позволяет предотвратить повреждение более дорогих деталей формы. Наиболее подвержены износу выталкиватели, направляющие втулки, вывинчивающиеся знаки. Эти элементы должны регулярно контролироваться и заменяться при достижении предельного износа. Применение защитных покрытий таких как хромирование, никелирование, нитридные покрытия существенно повышает износостойкость формообразующих поверхностей.
7. Выбор оптимального типа пресс-формы
Выбор оптимального типа пресс-формы является комплексной задачей, требующей анализа множества технических и экономических факторов. Правильный выбор определяет не только качество и себестоимость продукции, но и конкурентоспособность производства в целом.
При выборе типа пресс-формы необходимо в первую очередь проанализировать конструкцию изделия и требования к его качеству. Наличие поднутрений, внутренних полостей, резьбовых соединений определяет необходимость применения специальных механизмов и усложняет конструкцию формы. Требования к точности размеров, качеству поверхности, отсутствию видимых дефектов влияют на выбор материала формы и необходимость применения специальных технологий обработки.
Планируемый объем производства является определяющим фактором при выборе между прототипными, серийными и производственными формами. Для опытных партий до 10 тысяч изделий оптимальным выбором являются прототипные формы из алюминиевых сплавов, которые обеспечивают быстрое изготовление при минимальных затратах. Для серийного производства до полумиллиона изделий применяются формы из закаленной инструментальной стали. При больших объемах необходимо инвестировать в производственные формы высшего качества.
Выбор между холодноканальной и горячеканальной системой определяется экономическими расчетами. Горячеканальные системы требуют значительно больших первоначальных инвестиций, но обеспечивают экономию материала и сокращение цикла. Срок окупаемости дополнительных затрат зависит от объема производства, стоимости материала и продолжительности цикла. Как правило, горячеканальные системы экономически целесообразны при объемах производства более 100 тысяч изделий в год.
Определение оптимальной гнездности требует баланса между производительностью и стоимостью формы. Увеличение количества гнезд пропорционально повышает производительность, но также увеличивает сложность и стоимость формы, требует более мощного оборудования с высоким усилием смыкания. Для мелких изделий массового производства многогнездные формы обеспечивают наилучшую экономическую эффективность. Для крупных сложных деталей оптимальным может быть применение одногнездных или малогнездных форм.
Критерии выбора типа пресс-формы
Для малых серий (до 50 тысяч изделий): прототипная или серийная одногнездная холодноканальная форма
Для средних серий (50-500 тысяч изделий): серийная форма с гнездностью 2-8, холодноканальная или горячеканальная система
Для массового производства (более 500 тысяч изделий): производственная многогнездная форма с горячеканальной системой
Важным фактором является наличие соответствующего оборудования. Многогнездные формы требуют термопластавтоматов с высоким усилием смыкания, которое определяется проекционной площадью всех гнезд и давлением литья. Недостаточное усилие смыкания приводит к раскрытию формы, образованию облоя на изделиях и повреждению оснастки. Также необходимо учитывать размеры плит термопластавтомата, которые должны соответствовать габаритам формы.
При выборе типа пресс-формы следует учитывать возможность будущих модификаций и доработок. Модульная конструкция с заменяемыми вставками позволяет вносить изменения в конструкцию изделия без изготовления новой формы. Это особенно важно на стадии освоения новой продукции, когда высока вероятность внесения конструктивных изменений по результатам испытаний.
