Список тематических статей

Метод термоформования листовых и пленочных термопластов исполь­зует большую гамму самой разнообразной технологической оснастки (проймы, матрицы, пуансоны формующие и вытяжные, натяжные рамы и т.д.). При этом существуют варианты использования одной и той же оснастки в сочетании с разнообразными технологическими приемами.

 

Технологическую оснастку для термоформования объемных изделий из листовых и пленочных термопластов можно классифицировать по выпол­няемой функции на:

 

·         оформляющую оснастку, которая придает заготовке, формуемой с помощью вакуума или сжатого воздуха, вид готового изделия (например, проймы при свободном формовании);

 

·         формующую оснастку, которая сама непосредственно формует заготовку и придает ей форму готового изделия (например, матрицы при негативном формовании);

 

·         вспомогательную оснастку, которая используется для предвари­тельной механической вытяжки перед формованием или для других вспомогательных целей (изделие не воспроизводит геометрию вспомогательной оснастки).

 

По методу осуществляемого на данной оснастке формования ее можно разделить на проймы (для свободного формования), негативную, позитив­ную и негативно-позитивную.

 

По методу установки на оборудование оснастка делится на стационарную и съемную, по числу одновременно формуемых изделий — на одногнездную и многогнездную.

 

Технологическая оснастка для термоформования может быть жесткой и эластичной; разъемной; двухсторонней; с вставными или закладными подвижными или неподвижными знаками; с термостатированием или без него.

 

Невысокие рабочие давления, используемые при термоформовании, позволяют применять для изготовления формующей оснастки материалы с относительно низкими прочностными показателями. Выбор материала зави­сит, в первую очередь, от количества формуемых деталей и от требований к их качеству, Установлено, что деревянные формы выдерживают до 500 формовок, гипсовые — до 50, формы из каменного литья и из литьевых полимерных компаундов — свыше 500. На формах из слоистых пластиков, цветных металлов и стали можно получить неограниченное число изделий.

 

Для производства единичных образцов и малых серий изделий наибо­лее широко применяются деревянные формы. Для изготовления форм при­меняется древесина ольхи, клена, вяза, липы, вишни, груши, бука или красного дерева. Можно использовать фанеру. При изготовлении форм необходимо учитывать, что древесина дает разную усадку вдоль и поперек волокон. На практике это затрудняет получение изделий с размерами, требующими большой точности. Поэтому формы делают из тщательно просушенной и пропитанной клеем древесины с параллельным расположением волокна. Для улучшения качества поверхности и уменьшения износа дере­вянные формы часто покрывают эпоксидными смолами с последующей песко­струйной обработкой или шлифованием и полировкой.

 

Хорошие теплоизоляционные свойства древесины способствуют тому, что на поверхности изделий никогда не образуется пятен переохлаждения. Однако, при длительной непрерывной работе формы возможен ее перег­рев, что, естественно, приводит к замедлению цикла. В этих случаях рекомендуется один раз в 5–7 циклов обдувать деревянную форму с по­мощью вентилятора или воздушного пистолета.

 

У деревянных форм не рекомендуется делать какие-либо подвижные вставки, так как в этом случае возможное количество отформовок с этой формы может снизиться почти в 10 раз. Элементы форм соединяют на шуру­пах, а не крепят гвоздями или клеем, что дает возможность легко за­менять отдельные вышедшие из строя детали.

 

В тех случаях, когда поверхность формы не покрыта слоем эпоксидной смолы, полезно покрывать поверхность дерева лаком, чтобы предохранить его поры от попадания влаги. Это делается разбрызгивателем или кистью.

 

Для производства единичных изделий выгодны гипсовые формы. Их получают простой отливкой с модели из глины, гипса, пластилина, дерева или металла. Форма должна быть тщательно высушена. Рекомендуется проводить воздушную сушку продолжительностью от 3-х дней до недели в зависимости от размеров формы.

 

Если форму нужно срочно использовать, то после естественной про­сушки ее поверхностного слоя форму можно поместить в сушильный шкаф. Температура сушки около 50 °С. При прочих равных условиях форма, высу­шенная при комнатной температуре, несколько долговечнее формы, под­вергнутой ускоренной сушке.

 

Для изготовления форм можно применять гипс разных марок, однако наиболее пригодны формы из модельного гипса или смеси гипса с алебастром. После отливки и просушки гипсовой матрицы ее можно упрочнить пропиткой 30%-ым раствором железного или медного купороса, а также разбавленным раствором жидкого стекла.

 

Гипсовая форма должна иметь развитую опорную поверхность, на которой недопустимы сколько-нибудь значительные неровности.

 

Гипсовые формы пористы, поэтому эвакуационные (вентиляционные) отверстия в них предусматриваются лишь в местах, нуждающихся в наиболее интенсивном отсосе. Однако при необходимости срочного изготовления формы, когда нет времени ждать полного высыхания массивных элементов, предусматри­вают обычное количество отверстий.

 

Для увеличения долговечности гипсовых форм успешно использует­ся их армирование волокнами или тканями. Иногда применяют проволоч­ный каркас. Для увеличения поверхностной прочности форму можно снару­жи обработать жидким стеклом, но при этом нужно предусматривать обыч­ное число вентиляционных отверстий. При конструировании гипсовых форм учитывается изменение их линейных размеров при высыхании.

 

Для средних сроков работы применяют формы, отлитые из фенольных, полиэфирных или эпоксидных смол. Модель для отливки формы может быть выполнена из дерева, гипса, глины и т.п. В качестве разделительного слоя при отливке применяют восковые композиции. Чтобы избежать пор внутри формы, раковин и каверн на ее поверхности, заливку композиций лучше проводить с вакуумированием. Если форма массивная, то заливка ведется в несколько приемов. Это позволяет уменьшить остаточные напря­жения в готовой форме. При необходимости форму армируют стекломатериалами, а для укрепления ответственных мест, таких как верхний кант, тонкие знаки и т.п. используют металлические вставки. Наиболее равномерную усадку дают холодноотверждающиеся композиции, например: эпоксидная смола — 100 массовых частей (м.ч.), полиэтиленполиамин 10–12 м.ч., дибутилфталат 10–12 м.ч., мелкодисперсный порошок железа 200 м.ч. Можно использовать и другие составы.

 

После отверждения смолы рекомендуется термообработка формы в сушильном шкафу: 1 час при 30 °С, 2 часа при 40 °С, 2 часа при 60 °С и 7 часов при 65 °С. Затем форма должна оставаться в выключенном шка­фу до полного остывания.

 

После отверждения вновь отлитая форма подвергается пескоструйной обработке, шлифуется и полируется.

 

Для охлаждения полимерных форм простой конфигурации достаточно использовать охлаждающую рубашку, служащую одновременно упрочняющим элементом. В формах со сложной геометрией предусматривают обычно охлаждающие каналы. Для этого заранее из металлической трубки делают змеевик с таким расчетом, чтобы контур, образуемый трубкой, располагался на одинаковом расстоянии 6–10 мм от кромки формы. Змеевик устанавливают на место, фиксируют проволокой и заливают компаунд.

 

Для получения вентиляционных каналов сразу после заливки литьевой композиции в заранее предусмотренные места вставляют стальную проволоку, диаметр которой соответствует размерам будущих каналов. На поверхность проволоки предварительно наносится разделительная смазка. Приблизительно через 1,5–2 ч проволока удаляется, а на ее месте остаются необходимые отверстия для удаления воздуха.

 

Процесс изготовления форм из каменного литья очень близок к процессу производства форм из литьевых полимерных смол. Формы малых габаритов лучше не армировать. Время полной готовности формы — примерно 30 ч. Дополнительная обработка после этого срока не рекомендуется, так как связана с большой трудоемкостью и приводит к ухудшению эксплуатационных свойств формы.

 

Вентиляционные каналы в формах легче всего получать, закладывая в соответствующие места перед заливкой каменной массы проволоку, хоро­шо смазанную по поверхности жиром, который является лучшим разделительным слоем. Вынимают эту проволоку примерно через 14 часов после заливки формы. Каменное литье вызывает коррозию металлов, поэтому, если невозможно обойтись без арматуры, следует использовать армирующие элементы лишь с соответствующим защитным покрытием. Для придания прочности форме и удлинения ее срока службы ребра, пазы, выступы и тому подобные элементы можно армировать стекловолокном.

 

Для охлаждения форм в процессе их работы в каменную массу могут быть заделаны змеевики (порядок их установки такой же, как и при изготовлении форм из литьевых полимерных смол). Через эти змеевики в процессе отверждения каменной массы рекомендуется пропускать воду с целью отбора тепла, выделяющегося при реакции отверждения.

 

Для длительных сроков службы применяют металлические или покрытые металлом формы. Обычно используют алюминий и его сплавы, латунь, магниевые сплавы, сплавы электролитного цинка и сталь. Наибольшее распространение получили формы, отлитые из цветных металлов и, в частности, из сплавов алюминия. Их, как правило, изготовляют литьем по деревян­ным или пластмассовым моделям в землю. Затем отливка подвергается механической обработке. Иногда алюминиевые формы изготовляют из сплош­ной заготовки с применением только механической обработки. Последний метод предпочтителен для производства стального формующего инструмен­та. Формы из легких сплавов хорошо обрабатываются, имеют высокое ка­чество поверхности, хорошо отводят тепло, позволяют изготовить большое количество отформовок. Непосредственно при литье в эти формы могут быть залиты змеевики, выполненные из более теплостойких металлов, например стальные. Положительным фактором является и небольшая масса этих форм. При изготовлении модели следует учитывать усадку металла при литье. Так, для алюминиевых сплавов она составляет примерно 0,8%.

 

Стальные формы используются, в основном, на автоматических линиях высокой производительности. При изготовлении стальных форм хорошее качество рабочих поверхностей рекомендуется достигать за счет нанесения на них медно-никелевого или хромового покрытия. При производстве форм для машин с ручным и полуавтоматическим управлением наибольшее распространение сталь получила не при изготовлении пуансонов и матриц, а как материал для вспомогательных элементов, например, опорных плит и тому подобных частей, изготовление которых из литых заготовок экономически необоснованно.

 

В связи с большой стоимостью металлических форм их целесообразно применять только тогда, когда количество формуемых изделий оправдывает зат­раты на изготовление формующего инструмента.

 

Для длительных сроков эксплуатации кроме металлических форм применяют также и гальванобетонные. Последние состоят из тонкостенного оформляющего знака (скорлупы), который помещается в металлическую обойму и заливается неметаллическими опорными массами (например, бетоном).

 

Скорлупа получается электроосаждением металла (чаще всего меди) в гальванических ваннах. Осаждение проводят на модель, изготовленную из легкообрабатываемых металлических материалов, модельного воска, пластмасс, гипса и т.п. Moдель покрывают тонким токопроводящим слоем графита, серебряной амальгамой, полученной восстановлением азотнокислого серебра и т.д. Толщина полученной методом гальванопокрытия скорлупы матрицы или пуансона составляет 3–4 мм. Рабочая поверхность скорлупы хромируется или никелируется. Готовая скорлупа устанавливается на оформляющую раму, которая крепится к обойме. На обойме же закрепляются металличес­кие трубы, которые затем образуют систему охлаждения формы. Во избежание появления дефектов на поверхности изделий в виде полос переохлаждения, расстояние от вмонтированных трубок до скорлупы должно быть не менее 15 мм. После этого происходит заливка формы опорной массой — бетоном. Заполнение должно проходить с обязательным уплотнением бето­на трамбованием или наложением вибрации, так как это повышает проч­ность гальванобетонной формы на 20–30%.

 

Инструмент для механической вытяжки изготавливают преимуществен­но из цементируемых конструкционных сталей, эластичные пуансоны и матрицы для механического формования изготавливают из резиновых смесей методом вулканизации на прессе. Возможно применение вспененной резины.

 

Для изготовления форм иногда применяют материалы типа папье-маше с лаковым или эпоксидным покрытием. Разработаны рецептуры для изготовления прочных полимер-бетонных форм. Изготовляются также специальные формы путем напыления металлического покрытия на хлопчатобумажную ткань.

 

 

 

 

Особенности технологии, влияющие на геометрию изделия и оснастки

 

 

В процессе проектирования технологической оснастки должны быть решены следующие принципиальные вопросы: 

1) каким образом будет создаваться формующий перепад давления (разрежением, с помощью сжатого воздуха и так далее); 

2) какой метод формования будет использоваться (негативный, позитивный, негативно-позитивный, с предварительной вытяж­кой или без нее); 

3) одногнездная или многогнездная форма экономически и технически выгодна в данном случае; 

4) из какого материала целесообразно изготовить формообразующие детали технологической оснастки и технология их изготовления; 

5) необходима ли система охлаждения формы и какая; 

6) каким образом рациональнее осуществлять съем готового изделия; 

7) каким обра­зом осуществлять вырубку готового изделия (непосредственно на технологической оснастке или вне нее).

 

Необходимо иметь четкое представление о факторах, которые обуслав­ливают то или иное решение по каждому из вышеперечисленных вопросов, определяющих принципиальное конструктивное оформление инструмента. Ос­новные из этих факторов таковы: 

 1) требования к конфигурации изделия; 

 2) требуемые серийность изделия и производительность; 

 3) имеющееся в наличии оборудование; 

 4) экономическая целесообразность.

 

Наиболее существенными в конфигурации изделия являются три аспекта: толщина стенки изделия (и, следовательно, толщина исходной заготовки); какая из поверхностей изделия должна иметь лучшее качество (большую точность размеров и, если это необходимо, поверхностные рисунок или фактуру); предпочтительный характер разнотолщинности стенок изделия.

 

При толщине формуемых заготовок более 5 мм должно применяться пневматическое формование. При этом пневмовакуумная камера машины (или автономная пневмовакуумная камера) должна выдерживать внутреннее давление до 1,5 МПа и наряду с зажимной рамой иметь крышку с устройством для подвода сжатого воздуха. Следует учесть также, что если формующая поверхность матрицы или пуансона имеет тонкую тексту­ру или мелкий объемный рисунок, который должен быть перенесен на изделие, то предпочтительнее применение пневматического метода и при формовании листовых заготовок с начальной толщиной менее 5 мм.

 

Позитивное, негативное или негативно-позитивное формование выбираются в соответствии с требованиями к качеству внутренней и внеш­ней поверхностей изделия. Если предпочтение отдается внутренним по­верхностям, то принимается формование на пуансоне и наоборот. При отсутствии таких четко выраженных требований следует иметь в виду, что изготовление пуансонов механической обработкой более простое, чем изготовление матриц. При формовании в матрице усадка несколько больше, чем при формовании на пуансоне и к тому же она имеет большую неоднородность для различных размеров одного и того же изделия. Это объясняется тем, что сам пуансон препятствует развитию усадки. Однако съем изделий с пуансона требует больших уси­лий, так что, если формообразующие детали выполнены из относительно малопрочного материала, например из гипса, то повышенный износ имеет место именно у пуансонов.

 

Предпочтительный характер разнотолщинности также определяет вы­бор негативного, позитивного или негативно-позитивного метода формова­ния и позволяет определить необходимость предварительной механичес­кой или пневматической вытяжки.

 

Требуемые серийность изделия и производительность являются определяющими при выборе гнездности формы, материала, из которого она изготавливается, и технологии ее из­готовления. Кроме того, они определяют рациональную степень механизации вспомогательных операций, которая должна обеспечиваться конструкцией формы или проектируемой совместно с ней дополнительной оснасткой.

 

Гнездность формы n непоcредcтвенно определяется той производитель­ностью Q, которая должна быть обеспечена. Очевидно, что фактичес­кая производительность, получаемая на данной форме, должна быть не менее требуемой

 

n/τц ≥ Q, где τц — время цикла работы формы.

 

Это время с достаточной сте­пенью точности может быть спрогнозировано по аналогии с близкими случая­ми формования (например, с такой же толщиной заготовки, из того же материа­ла, на том же оборудовании и форме, изготовленной из того же материа­ла). При определении значения гнездности n, по приведенному выше условию может возникнуть ситуация, при которой это значение окажется большим, чем максимально допускаемая величина nдоп по какому-либо иному фактору (например, по характеру имеющегося в наличии оборудова­ния). В этой ситуации с целью достижения условия n≤ nдоп нужно принимать такие решения по конструкции формы, которые приведут к умень­шению τц и, следовательно, к уменьшению n. Например, может быть принято решение изготовить форму из более теплопроводного материала по сравнению с принятым аналогом (например, из алюминия вместо полимерной композиции) или решение оснастить форму системой охлаждения, которой не было у формы–аналога. При возникновении такой и ей подобной ситуа­ций нужно иметь в виду, что практически всегда имеется не одно, а два или более решений, позволяющих разрешить противоречие.

 

При выборе наиболее предпочтительного из технически возможных вариантов включается в работу еще один фактор — экономический. Наиболее рациональным является тот вариант, который обеспечивает наименьшую себестоимость изделия.

 

Конструкция изделия должна полностью исключать наличие на ней острых углов и резких переходов. Величина радиусов скругления r должна быть не менее толщины заготовки. Рекомендуемые при негативном формовании радиусы перехода от дна к стенке в зависимости от глубины изделия представлены в табл. 1.

 

Таблица 1. Зависимость величины радиусов скругления при негативном формовании от глубины изделия

 

Глубина изделия, мм	До 50	50–100	100–150	150–200	200–250
Радиус скругления, мм	Не менее 5–8	8–10	10–20	20–35	30–40

 

 

 

Минимальный радиус скругления между дном и стенкой изделия, формуемого на пуансо­не — 3мм. Кроме скругления по радиусу для сопряжения пересекающихся плоскостей могут использоваться фаски, высота скоса h которых должна быть не менее 3 мм, а для толстостенных изделий не менее толщины заготовки.

 

На изделиях должны быть технологические уклоны, обеспечиваемые соответствующими наклонами боковых стенок формующего инструмента. При негативном формовании угол β на наружной поверхности должен быть не менее 0,5°, а при позитивном формовании уклон α на внутренней поверхности не менее 2–3°. В ряде случаев при получении изделий сложной конфигурации технологический уклон при позитивном формовании может достигать 5°. Это связано с трудностями извлечения изделий из формы из-за усадки материала. Для не жестких тонкостенных изделий технологические уклоны могут быть несколько меньше.

 

Как уже говорилось, разнотолщинность изделий, получаемых методом термоформования, практически неизбежна. Поэтому необходимо учитывать, что точные внутренние размеры могут быть получены только при позитивном методе, а наружные размеры — при негативном. Размеры на чертежах изделий проставляются только на той поверхности, которая оформляется формообразующим знаком.

 

При формовании изделий из гибких материалов можно выполнять не­большие поднутрения без применения специальных приспособлений. При изготовлении же изделий из жестких листов следует избегать поднутрений, за исключением тех случаев, когда изделие вынимается из формы под некоторым углом или в конструкции формы предусмотрены откидные, поворотные или легкосъемные элементы. Кроме того, изделие с поднутрением можно получить в негативных формах при использовании дополнительных плоскостей разъема.

 

При формовании глубоких изделий часто приходится применять составной формующий инструмент (например, деревянный, выполненный из отдельных соединенных между собой досок, металлический, выполненный из нескольких слоев листового проката и т.д.). В этом случае во избежание получения на изделиях следов от стыка составных частей формующего инструмента рекомендуется закладывать в конструкцию декоративные элементы типа выс­тупов.

 

В наиболее слабых сечениях формуемых изделий часто делают изги­бы или ребра для повышения жесткости изделий. Правильное расположение ребер позволяет уменьшить толщину исходного листа, сократить вре­мя разогрева, сделать изделие дешевле, а в ряде случаев и эстетичнее. При негативном формовании рекомендуется внутреннее оребрение, при позитивном — внешнее. Наиболее благоприятное направление ребер — вдоль образующих поверхностей изделия. Ребра жесткости могут размещаться и в поперечных плоскостях изделий, однако в этом случае конструкция ребер не должна мешать съему изделия с формы. Подобное оребрение используется, например, при производстве тонкостенных изделий для увеличения жесткости их боковых стенок. В ряде случаев необходимо укреплять днища изделий. В этом случае направление ребер может быть различным.

 

Для увеличения жесткости, а при механопневмоформовании изделий — для зажима заготовки на изделиях предусматриваются буртики, расположенные по периметру изделия. На различных участках одного и того же изделия возможно использовать сочетания различных конструкций буртиков.

 

На класс точности изделий, полученных методом термоформования, влияет технологическая усадка материала и точность размеров формующего инструмента. При усадке от 0,5 до 1,0% возможно получение изделий простой конфигурации не точнее 17 квалитета.

 

Усадка готовых изделий в значительной степени зависит не только от исходного термопласта, но также от метода формования и, в определен­ных пределах, от технологических параметров процесса. Предельная рекомендуемая глубина вытяжки отношение площади поверхностей готового изделия и заготовки зависят от материала, исходной толщины заготовки и метода формования.