Проектирование литьевой формы для изделия из ПЭНД

Проектирование литьевой формы для изделия из ПЭНД

Тема: Проектирование литьевой формы для изделия из ПЭНД

Содержание

Введение

Задание

Разработка технологической схемы производства

Проливаемость изделия с горячеканальной системой впрыска

Выбор основного оборудования

Расчет формы

Расчет охлаждающей системы

Расчет мощности нагрева и основных силовых параметров

Прочностной расчет

Заключение

Список использованной литературы

Введение

Многообразие изделий из пластмасс чрезвычайно велико, только в нашей стране их ассортимент включает в себя более миллиона наименований; их потребители - практически все отрасли народного хозяйства и каждый человек в отдельности. В последние десятилетия переработка пластмасс в изделия интенсивно развивается не только в химической промышленности, но и в других отраслях.

Формы для литья под давлением изделий из полимерных материалов относятся к самым распространенным сейчас и к весьма перспективным в будущем. В этих формах, устанавливаемых на универсальных или специализированных литьевых машинах-автоматах, получают изделия практически из всех термопластов. В формах для литья под давлением получают разнообразные изделия - от простейших до особо сложных и высокоточных. Обеспечение заданных требований, предъявляемых к изделию (в отношении структуры материала, величины и характера распределения внутренних напряжений, прочностных и деформационных свойств, точности размеров и геометрической формы), зачастую оказывается трудной проблемой, компромиссное рациональное решение которой зависит от глубокого знания особенностей литья под давлением конкретного материала, полного учета свойств материала в исходном состоянии и при переработке, максимального согласования технических возможностей литьевых машин-автоматов и конкретных форм для литья под давлением.

Задание

Сконструировать форму для изделия показанном ниже:

рис.1

рис.2

Разработка технологической схемы производства

Перерабатываемый материал является полиэтилен низкого давления. Структура частично кристаллическая. Плотность 0.95-0.959 гр./см³. Материал податлив или мягкий, в зависимости от плотности холодостойкий до -40ºС, неломкий, обладает ударной вязкостью. Хорошие диэлектрические свойства, незначительное водопоглащение, не опасен для здоровья, пропускает запахи.

Химические свойства:

Стойкий против кислот, щелочей, растворителей, спирта, бензина, фруктовых соков, масла, молока.

Нестойкий против ароматических углеводородов, хлоро-углеводородов, имеется вероятность растрескивания.

Идентификация материала:

ПЕ легко воспламеняется и продолжает гореть с образованием капель после того, как удален источник зажигания; пламя ярко светящееся, сердцевина пламени голубая, с запахом парафина (запах потушенной свечи).

Производство полиэтилена основано на полимеризации газа этилена при высоком давлении. Полиэтилен, полученный при высоком давлении, называют полиэтиленом низкой плотности. Он обладает хорошими диэлектрическими свойствами. Он выпускается как в виде базовых марок (без добавок), так и в виде смесей (композиций) с термо и светостабилизаторами и красителями. Кроме того, изготавливаются композиции с наполнителями: мелом, тальком, слюдой, асбестом, стекловолокном и другими материалами.

В связи с большим разнообразием марок и композиций полиэтилена введена классификация обозначений, облегчающая их использование. Обозначение базовых марок начинается с названия материала полиэтилен, далее следует восемь цифр. Первая цифра обозначает: 2-полиэтилен высокой плотности (низкого давления). Две следующие цифры указывают на порядковый номер марки. Четвертая цифра обозначает степень гомогенизации (усреднения): 0-усреднение холодным смешением; 1 - один раз, гомогенизированный в расплаве; 2 - два раза гомогенизированный в расплаве. Пятая определяет одну из групп плотности (в г/см³). Для данного полиэтилена: 6-0,95-0,959. Следующие три цифры (после дефиса) указывают десятикратно увеличенное значение показателя текучести расплава, которые характеризуют вязко текучие свойства материала. После обозначения марки записывают сорт и номер ГОСТа.

В нашем случае мы используем ПЭНД (ГОСТ 16338-70) марки 20306-005.

Свойства ПЭНД:

Показатель текучести расплава г/10 мин 0.3-10

Теплостойкость ºС 127

Теплопроводность квт/(м град) (0.35-0.45)10‾³

Теплоемкость кдж/(кг·град) 2.5-3

Температуропроводность м²/сек 1,5·

Относительное удлинение при разрыве % 200-700

Температура хрупкости °С -60

Тангенс угла диэлектрических потерь при  5-7

Электрическая прочность 40

Технологическая схема:

Мягкий контейнер → растарочная установка контейнеров → пневмотранспорт → емкость для хранения сырья → литьевая машина → транспортер → автомат мех. обработки → счетное устройство → автомат упаковки → автомат склада продукции → электропогрузчик → дробилка → гранулятор для переработки отходов → полувагон

Прием и хранение сырья. Предусматривается в эластичных контейнерах грузоподъемностью 0,5-1 т. Они поступают на заводской склад, оборудованный грузоподъемными устройствами.

Силосы и заводской склад рассчитывается на 10-15 суточный запас сырья.

Хранение сырья на цеховом складе обеспечивает необходимую первичную подготовку полимерного материала. Обычно цеховой склад располагается в одном с основным производственным помещении. Его объем -2-3-х дневной запас. В складе поддерживается требуемая температура и влажность, чем достигается термостатирование и первичная сушка сырья.

Подготовка сырья

Выполняется в зависимости от особенностей его переработки, состава материала для производства изделия и требований к изделию. Подготовительные операции включают смешение полимера с наполнителями или концентратами пигментов, смешения разных видов полимерных материалов.

Транспортирование подготовленного сырья

В отделение переработки осуществляется в специальной таре, конструкция которой учитывает его технологические особенности (необходимость термостатирования, сохранение герметичности и др.)

Для перемещения груза используются устройства с постоянной (конвейеры и др.) и изменяемой (электрокары, робокары) трассой транспортирования. Их производительность согласуется с мощностью цеха, участка.

Формование изделия

Осуществляется с помощью основного технологического оборудования. При получении штучных изделий полный рабочий цикл состоит из частичных операций, часть которых выполняется одновременно, т.е. совмещается во времени. Электрические и временные параметры, частных операций, как правило, существенно отличается. Соответственно отличается и конструкция узлов машины, осуществляющих эти операции. Описания процесса формования изделия является, по сути, описанием действия выбранного оборудования конкретизированным указанием параметров (длительность, температура) и состоянием полимерного материала.

Контроль, сборка и упаковка готовой продукции

Завершают производственный процесс.

Технический контроль изделий производится выборочно и с применением измерительных средств. На сборку поступают только технически годные детали.

Процессы сборки и упаковки в зависимости от технического оснащения производства и требований к изделиям могут осуществляться централизованно - на участке контроля и сборки, и де централизованно - непосредственно у переработочного оборудования. Соотношение обоих способов в среднем составляет около 3:2. Оно определяется режимом работы оборудования и занятостью оператора. Применения роботизированных комплексов, средств малой механизации, автоматизированной упаковки. В современных роботизированных производствах изделия из пластмасс контролируются и собираются непосредственно на рабочем месте оператора, укладываются в тару 10-20 кг и транспортируются робокарами в контейнеры. В этом случае исключается операция складирования, сокращаются площади складских помещений и количество обслуживающего персонала. Упаковка изделий в само усаживающуюся пленку производится с помощью автоматов.

Переработка отходов

Относится к важнейшим элементам процесса производства изделий из пластмасс. Она улучшает экологическую характеристику производства, позволяет вернуть для повторной переработки дефицитное полимерное сырье, способствует повышению технико-экономических показателей предприятия.

При изготовлении изделий образуются возвратные и невозвратные отходы.

Под невозможным - понимаются потери в виде газообразных выделений при расплавлении сырья, его пластикации и формования, потери при транспортировании, а также частично потери в виде деструктированного полимера, возникающие при отработке режимов в период переналадки оборудования.

Возвратные отходы - это некондиционная, забракованная техническим контролем продукция, технологические отходы механической обработки (литники, облой), изделия, разрушенные при механических испытаниях.

Возвратные отходы дробят, превращая в крошку или, как ее еще называют, дробленку которую добавляют (10-15%) к исходному, свежему сырью. Если технические условия допускают производство других изделий возвратные отходы от исходных изделий переводятся в разряд безвозвратных.

В целом количество отходов составляет от 0.8-1% при литье.

Рекомендуется централизованная переработка отходов на специальном участке, оснащенном набором соответствующего оборудования для дробления и грануляции.

Проливаемость изделия с горячеканальной системой впрыска

полимерный технологический мощность впрыск

Воспользуемся приложением MoldFlow программы SolidWorks.

Давление

рис.3.

Время заполнения

рис.4

рис.5

Время охлаждения

рис.6

Воздушные включения

рис.7

Выбор основного оборудования

Выбор машины и расчет производительности:

Выбор модели литьевой машины для производства заданного вида изделия осуществляется по 3 условиям: расчетный объем отливки, необходимое усилие смыкания формы, пластикационная производительность.

Предварительный выбор типа машины можно произвести по номинальному усилию запирания (или смыкания) Р, кН в зависимости от массы изделия, а затем определить конкретную марку (модель) термопластавтомата. Номинальное усилие запирания 600 кН

Расчет объема впрыска:

24·1,25/0,951=32 см³

масса отливки, г g=m₀n; m₀ - масса изделия, г g=12·2=24 гчисло гнезд в литьевой форме

К - коэффициент, учитывающий утечку материала, К=1.25-1.3

ρ - плотность материала в изделии, г/см³

Сравниваем V_р и V_табл, где V_табл.=61 см³, следовательно подходит.

Усилие смыкания

Усилие смыкания Р_см определяют как

Р_см=Р_л*S_изд*А*К=2752*10⁵*962*10^-6*0,4*0,8=84656 Н

P_см - усилие запирания формы, кН

Р_л - давления литья, кПа

S_изд - площадь проекции изделия на плоскость разъема формы, м²

А - коэффициент, учитывающий снижение давление форме по сравнению с давлением в цилиндре А=0.3-0.5;

К - коэффициент, зависящий от типа перерабатываемого материала ПЭ-0.8

По Р и V выбирается необходимая модель машины и определяется коэффициент использования литьевой машины по мощности К_N

=32/61=0,53

V_p - расчетное, см³

V - табличное, см³

Тип машины 60

Международный типоразмер 600-120

Усилие запирания 600 кН

Макс. Ход открытия формы 450 мм

Мин./макс. Встроен. Высота формы 250 мм

Макс. Расстояние между плитами 700 мм

Крепежная плита 600/600 мм

Расст. Между колоннами 420/420

Диаметр шнека 25 мм

Отношения длина/диаметр 20

Давление впрыска 2752 бар

Рабочий объем 61 см³

Макс. Вес литого изделия 54 г

Скорость впрыска 83 см³/с

Скорость пластификации 15 г/с

Макс. Глубина ввода сопла 40 мм

Усиление прижатия сопла 60 кН

Насосный агрегат (стандарт) 15 кВ

Мощность нагрева цилиндра 5,7 кВ

Установленная мощность 21 кВ

Сухой цикл 2,06/1,80-294 с-мм

Вместимость масляного бака 180 л

Вес машины (без масла) 3950 кг

Габаритные размеры 4,1/1,4/2 м

Расчет формы

Расчет времени цикла:

Т_ц=Т_см+Т_впр.+Т_охл+Т_разм=1,15Т_охл=1,15*2,68=3,08 с

Т_охл=δ²·10^-6/π²∙а ιn(4/π∙(Т_м-Т_ф/Т_к-Т_ф))=1,5²*10^-6/3,14²*1,5*10^-7 ιn (4/3,14(240-70/107-70))=2,68 с

δ - среднее значение толщины отливки, мм

а- коэффициент температуропроводности материала, см²/с

Т_м - температура расплава при входе в форму,^ºС

Т_ф - температура литьевой формы,^ºС

Т_к- температура отливки в конце периода охлаждения в форме,^ºС

Т_см-время смыкания, с

Т_впр - время впрыска, с

Т_охл - время охлождения,с

Т_разм - время размыкания, с

Расчет числа гнезд

Производится исходя из 3 параметров- объема впрыска, пластикационной производительности литьевой машины, усилия смыкания формы

Из полученных значений выбирается меньшее и принимается за максимально возможное.

_впр - объем впрыска машины, см³

К₁ - коэффициент объема литниковой системы для горячего канала =1,2

ρ - плотность материала в изделии, г/см³- масса отливки, г

) n_Q=К₃∙Q·Т_ц/G= 1,15*20*3,08/12=5,9 - 6 шт

- пластикационная производительность машины, кг/ч- масса отливки, гр К₃ - коэффициент учитывающий переработку материала для ПЭ=1,15 Т_ц - время цикла,с

) n_тф=Т_ф/р∙S_изд·К₂=600000/2,75*10⁸*962*10^-6=2,268 - 2 шт.

Т_ф - номинальное усилие смыкания формы, кН

Р - давление формования , Па

К₂ - коэффициент учета площади литника, для горячего канала = 1

S_изд - площадь проекции изделия на плоскость разъема формы, м²

Расчет производительности машины

=3,6∙V_впрρ/Т_ц=3,6*32*0,951/3,08=35,57 кг/ч

_впр - объем впрыска машины, см³

Т_ц - время цикла,с

ρ - плотность материала в изделии, г/см³

Расчет усадки изделия

_V=(V*-V)/V=0,01*15,78=0,158 см³

*- объем гнезда в форме, см³- объем изделия при нормальных условиях, см³

Линейная усадка

S₁=1- (V/V*)^1/3=1-(15,78/16)^1/3=0,01 - 1%

Расчет усилия выталкивания

Для определения усилия выталкивания определяют величину деформации изделия, т.е. уменьшение величины стенки за счет сжатия или усадки объема.

Ε= 3*S/100=3*0,158/100=0.00474

- усадка материала изделия

Растягивающие напряжения в отливки:

σ_р = Е· Е=0.09·10⁹·0,00474=426600 Па

Е - модуль упругости термопласта, Па

Е - усилие выталкивания, Па

Удельное давление отливки на пуансон:

Р_уд=2·σ_р·δ/d=2*426600*1,5/35=0,366 Мпа

σ_р - растягивающие напряжения в отливки, Па

δ - среднее значение толщины отливки, мм- эффективный диаметр пуансона, мм

Расчет усилия выталкивания:

Р_в=f∙Р_уд.∙f_в=0,3*0,366*2527*10^-6=277 Па/м

коэффициент трения пластмассы о сталь = 0,3

Р_уд - удельное давление отливки на пуансон, МПА_в - площадь боковой поверхности отливки = 2πhr=2*3,14*23*17,5=2527∙10^-6 м²

Расчет геометрических знаков:

α=arctg(H/D)= arctg(21/5)=65º

Расчет охлаждающей системы

Принимаем всю форму за единую металлическую форму.

Расчет количества теплоты, поступившей с расплавом и отдаваемой отливкой:

₀=gс(t_н-t_к)=0,024*3*10³(240-80)=11520 Дж

масса отливки, г g=m₀n; m₀ - масса изделия, г g=12·2=24 г

с - удельная теплоемкость расплава, =3∙10³(Дж/кгºС)_н - температура расплава,ºС_к - температура изделия в момент раскрытия формы,ºС

Расчет количества теплоты отводимой хладагентом:

_х=Q_о+Q_пот=3,5+11520=11524 Дж

_пот - потери теплоты в окружающую среду, Дж

_пот= Qк+Qт+Q_и=0,7+2,8=3,5 Дж

к - потери тепла при конвекции, Джт - потери тепла уходящих через плиты, не учитываем т.к. есть изоляция от установочных плит машины, Дж_и - потери тепла при излучении =0,25∙Q_к=0,25*2,8=0,7 Джк=F_б∙α(t_под-t_в)Т_ц=2527∙10^-6∙8(70-25)3,08=2,8 Дж

_б- площадь боковой поверхности формы, м²

α- коэффициент теплоотдачи при естественной конвекции в воздухе =8 кг∙с^-3/ºС_пф - температура на поверхности формы, ºС_в - температура окружающего воздуха, ºС

Т_ц - время цикла,с

Расход хладагента:

_х=Q_х/С_х∙∆t_х=11524/4200∙5=0,549 кг

С_х - удельная теплоемкость воды, = 4200 Дж/кгºС

∆t_х - температура хладагента на входе и выходе = 5ºС

Расчет расхода хладагента на пуансон и матрицу отдельно:

Для пуансона:

F=2πrh=2*3,14*17,5*100=0,01*2=0,02 м²

g_х= g_х∙F/F_общ=0,549∙0,02/0,116=0,095 кг

для матрицы: F=0,3*0,35=0,105 м²

Матрица Пуансон

F=0,3*0,35=0,105 м² F=2πrh=2*3,14*17,5*100=0,01*2=0,02 м²

Расчет расхода хладагента:

_х= g_х∙F/F_общ

-площадь пуансона(матрицы), общая, м²

g_х=0,549*0,105/0,116=0,496 кг g_х= 0,549∙0,02/0,116=0,095 кг

Расчет площади поперечного сечения охлаждающих каналов:_к= g_х/ρ_х∙Т_цW

_х - расход хладагента, кг

ρ_х - плотность хладагента =1000 кг/м³

Диаметр канала:_к=(1,13 F_к)^1/2_к - площадь поперечного сечения, м²

D_к=(1,13*0,000161)^1/2=0,0014 м D_к=(1,13*0,000031)^1/2=0,0059 м

Суммарная длина каналов:

_к= F/π∙ D_к

-площадь пуансона(матрицы), м²_к - диаметр каналов, м_к=0,105/3,14*0,0014=23,8 м L_к=0,02/ 3,14*0,0059=4,55 м

Расчет мощности нагрева и основных силовых параметров

Определение мощности нагревания необходимый для достижения требуемой скорости разогрева горячего блока и компенсации тепловых потерь. Потери различают:

излучении между блоками и крепежными плитами

конвективные потери между блоками и окружающей средой

теплопроводность литниковой втулки, установочной втулки и воздушными зазорами

) потери по теплопроводности (необходимый нагрев):

Q_т=f_т(λ/δ_ст)∆Т

Для установочной втулки:

_уст.вт.=f_т(λ/δ_ст)∆Т=1,256*10^-5(17/3*10^-3)(240-25)=15,3 Вт

_т - площадь отдающей поверхности, м²

λ - коэффициент теплопроводности Вт/мºС

δ - среднее значение толщины стенки, м

∆Т - разность температуры теплоотдающей и принимающей сред, ºС

Потеря тепла через воздушный зазор:_в.з.=0,0283(0,04/0,014)215=17,38 Вт

_т=Q_в.з.+Q_уст.вт.=15,3+17,38=32,68 Вт

Полные потери тепла (мощность обогрева):

=Q_т+0,03Q_т=32,68+0,3∙32,68=42,49 Вт

Итак требуемая мощность обогревателя составит 45 Вт

Расчет основных силовых параметров:

Усилия впрыска:

Т_впр=(πd²_ш/4)р_уд=(3,14*0,025²/4)2,75*10⁸=1,35*10⁵ н/м

-диаметр шнека, м

р_уд - удельное давление, Па

Рабочий ход шнека:

S_р=4V_впр/πd²_ш =4*32/3,14*2,5²=6,52 см

_впр - объем впрыка, см³

D_ш -диаметр шнека, см

Прочностной расчет

Расчета прочности пуансона и матрицы форм имеют целью определению рациональных толщин стенок. Расчеты прочности дополняются расчетами деформаций особо нагруженных деталей. Основным исходным параметром, регламентирующий результаты прочностных и деформационных расчетов в формах, является давления впрыска расплава в форму, под действием которого в оформляющих деталях развивается напряжения, приводящие к деформации или к разрушению детали по опасному сечению (в аварийных случаях).Расчет выполнен в приложение Cosmos, программы SolidWorks 2003.

Центрующая колонка

Деформированная форма

рис.8

Статическое перемещение

рис.9

Максимальное усилие

рис.10

Статическое узловое усилие

рис.11

Плита матрицы. Деформированная форма

рис.12

Статическое перемещение

Рис.13

Максимальное усилие

рис.14

Статическое узловое усилие

рис.15

Колонка Деформированная форма

рис.16

Статическое перемещение

рис.17

Максимальное усилие

рис.18

Статическое узловое усилие

Заключение

В результате проведены расчетов, и разработки конструкции формы получилось, что нашему изделию наиболее подходит форма с горячеканальной системой впрыска, двух гнездная с использованием конструкции шиберов, т.к. существует на изделие резьба.

В общем и целом мы сделали оптимальную форму для нашего изделия, учитывая термостатирования (обеспечения однородности температурных полей в формующем инструменте и экономного расхода энергии); гидродинамики заполнения формующей полости материалом (учета скоростных факторов для обеспечения наибольшей производительности работы инструмента и ориентации материала, влияющей на качество изделий и т.д.); прочности (обеспечения рациональной материалоемкости формующего инструмента, учета опасных напряжений в наиболее нагруженных элементах); взаимозаменяемости и точности (обоснованного выбора долговечных посадок и оптимальных квалитетов размеров, в первую очередь - размеров сопрягаемых элементов, степеней точности, допускаемых отклонений от правильной геометрической формы, классов шероховатости поверхностей, исполнительных номинальных размеров формующей полости); патентной экспертизы и чистоты. Глубина решения определяется уровнем требований, предъявляемых к качеству изделий, и объемом их производства.

Список использованной литературы

1.       Н.И. Басов, В.А. Брагинский, Ю.В. Казанков. Расчет и конструирование формующего инструмента для изготовления изделий из полимерных материалов: учебник для вузов. - М.: Химия, 1991. - 352 с.

.        А.М. Воскресенский, В.Н.Красовский. Сборник примеров и задач по технологии переработки полимеров. - Минск: Высшая школа, 1985

.        П.Ф. Дунаев., О.П. Леликов. Конструирование узлов и деталей машин: Учебн. Пособие для техн. Спец. Вузов. - 7-е изд., испр. - М.: Высш. Шк., 2001. - 447 с.

.        Н.М.Михалева, Т.М. Лебедева, В.В. Богданов, О.О. Николаев, О.Г. Новикова, В.П. Бритов. Проектирование промышленного производства изделий из пластмасс: Методические указания / СПбГТИ.-СПб,1998.-48с.

.        Мартин Бихлер. Параметры литья под давлением и каталог Demag ergotech.