XI Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2019

Введение

Пресс-форма — сложное устройство для получения изделий различной конфигурации из металлов, пластмасс, резины и других материалов под действием давления, создаваемого на литьевых машинах.

Рис. 1.Пресс-форма

Пуансон пресс формы – подвижная часть пресс-формы, предназначенная для передачи давление на материал. У пуансона есть выступы предназначенные для оформления внутренней поверхность получаемой детали. Из-за того, что получаемая деталь при охлаждении усаживается обжимая эти выступы, съём готовой продукции после открытия пресс формы производится с помощью пуансона. Матрица пресс формы – это неподвижная деталь пресс-формы, у которой есть впадины. Литниковая втулка – это канал, через который осуществляется подача материала в полость формы. Линия разъема пресс формы – это поверхность, на которой сходятся пуансон и матрицы.

Формующая полость пресс формы– это полость повторяющая собой форму будущей детали и находящаяся между пуансоном и матрицей.

Классификация и конструкция пресс-форм

Конструкции пресс-форм очень разнообразны. Они отличаются числом оформляющих гнезд, расположением плоскости разъема, способом охлаждения или нагрева, характером связи с рабочей машиной, способом извлечения изделия и рядом других признаков.

По числу оформляющих гнезд все пресс-формы разделяют на одноместные и многоместные. В пресс-формах для небольших изделий число гнезд достигает пятидесяти и более. Такие пресс-формы очень производительны, но сложны и дороги.

Разъем пресс-форм для извлечения изделия может производиться в горизонтальной или вертикальной плоскости в зависимости от типа рабочей машины и конструкции самого изделия. На литейных машинах с горизонтальным расположением плит пресс-формы делают с горизонтальным разъемом. Однако такие машины неудобны в работе и находят ограниченное применение. На производстве чаще используют машины с вертикальным расположением плит, к которым крепят пресс-формы с вертикальным разъемом.

По характеру связи с рабочей машиной различают пресс-формы съемные, полустационарные и стационарные. Съемные пресс-формы применяют только в мелкосерийном производстве. Стационарные и полустационарные пресс-формы используют в массовом и крупносерийном производстве для изготовления металлических и пластмассовых изделий на прессах и литьевых машинах. В стационарных пресс-формах весь цикл обработки осуществляется на рабочей машине, включая и извлечение изделия из пресс-формы. Полустационарные пресс-формы в отличие от стационарных имеют съемную кассету или съемную клиновую матрицу.

По способу обогрева или охлаждения пресс-формы бывают с автоматическим или полуавтоматическим регулированием температуры или вообще без регулирования. Наиболее часто в качестве источника теплоты применяют пар или электрические нагревательные элементы. Для охлаждения пресс-форм используют воду.

Пресс-формы могут иметь автоматический, полуавтоматический и ручной привод механизма съема изделий и извлечения стержней.

В пресс-формах для металлических и неметаллических изделий формообразующая полость может располагаться только в матрице (в подвижной половине), только в пуансоне (в неподвижной половине), в пуансоне и в матрице (т.е. в обеих половинах пресс-формы).

Конструкции пресс-форм отличаются и по способу извлечения изделия. Так, пресс-формы для литья под давлением бывают со стержневым или трубчатым выталкивателем, с плитой разъема и с автоматическим вывинчиванием изделия. Первые применяют для жестких и прочных изделий, на которых допускаются следы выталкивателей. Пресс-формы с плитой разъема используют для получения тонкостенных изделий, которые нельзя извлекать трубчатыми или стержневыми выталкивателями без их повреждения. Пресс-формы с автоматическим вывинчиванием применяют в условиях массового производства.

Рис. 2. Стационарная пресс-форма для литья под давлением термопластов

Пресс-форма — это сложное и дорогое устройство, состоящее из большого числа деталей и механизмов. Все детали по назначению делят три группы:

детали формообразующей полости. К ним относят пуансоны, матрицы или вкладыши, стержни, выталкиватели и др.;

детали, обеспечивающие подвод обрабатываемого материала к формообразующей полости пресс-формы. Такими деталями являются стаканы, литниковые втулки, рассекатели, втулки, наконечники прессующего плунжера и ряд других. Они образуют так называемую литниковую систему пресс-формы;

детали конструктивного назначения— плиты (толкателей, опорные, подкладные), направляющие колонки и втулки, упоры и целый ряд других деталей и механизмов. Они обеспечивают надежную и точную установку деталей формообразующей полости относительно друг друга, извлечение изделия из пресс-формы, связь ее с рабочей машиной.

На рис. 2 в качестве примера приведена стационарная пресс-форма для литья термопластов под давлением. Она состоит из двух половин — подвижной и неподвижной. Основным элементом формообразующей полости является матрица. Она установлена в задней обойме. Обойма вместе с опорной плитой 15 соединена с задней плитой. С ее помощью подвижную часть пресс-формы крепят к подвижной плите литьевой машины. Извлечение изделия из матрицы осуществляется трубчатым выталкивателем 8. Выталкиватель литника стержневого типа направляется центральной втулкой.

Неподвижная часть пресс-формы состоит из передней обоймы, скрепленной с передней плитой. С ее помощью неподвижную часть пресс-формы крепят к неподвижной плите машины. В передней обойме смонтирована направляющая колонка, которая при смыкании половинок пресс-формы входит в направляющую втулку, установленную в обойме. Благодаря этому обеспечивается правильное взаимное расположение элементов подвижной и неподвижной частей.

Литниковая система состоит из литниковой втулки с центральным каналом, по которому пластмасса поступает в пресс-форму разводящих и впускных каналов. Разводящие каналы ответвляются от центрального и проводят пластмассу к впускным каналам, через которые она попадает в формообразующие полости.

В обоймах имеются каналы, по которым циркулирует охлаждающая жидкость. В случае необходимости в пресс-форме делают вентиляционные каналы, по которым воздух из сомкнутой пресс-формы вытесняется поступающим материалом.

У всех типов пресс-форм есть значительное число однотипных по конструкции и назначению деталей. А различаются пресс-формы прежде всего деталями их формообразующей полости. Для упрощения проектирования, изготовления и эксплуатации однотипные детали пресс-форм нормализованы и стандартизованы. К таким деталям прежде всего относятся детали конструктивного назначения: плиты, направляющие колонки и втулки, элементы литниковой системы и др. Они образуют так называемый блок. Каждый блок состоит из определенного набора деталей. В обойме блока имеются гнезда под сменные детали, создающие формообразующие полости, например матрицы. Блок постоянно закреплен на рабочей машине. Но при этом в нем можно изготовлять различные изделия, заменяя соответствующие матрицы

Составление математического описания для расчета распределения температур в разогреваемом материале

Рассмотрим пресс-форму с электрообогревом, когда электронагреватели установлены в теле матрицы и пуансона. В этом случае первоисточником тепла будет являться собственно электронагреватель, в котором при прохождении электрического тока выделяется джоулево тепло. Мощность подведенной электроэнергии (Вт): , где U – напряжение, В; I – ток, А. Это тепло будет расходоваться на нагрев собственно массы матрицы и пуансона на нагрев пресуемого материала, потерь тепла прессформой в окружающую среду и в стол пресса. Следует отметить, что прессформа от стола пресса (плиты пресса со стороны матрицы и пуансона) разделена теплоизоляционной прокладкой.

На основании изложенного, блок-схема математического описания теплового режима рассматриваемой прессформы (матрица и плита стола пресса ) будет иметь вид, приведенный на рис.3.

 

Qэл

Тн

Тм

Рис. 3. Блок-схема математического описания нагрева пресс-формы

Тепловой режим матрицы и пуансона поддерживается программной автоматической системой регулирования по заданным законам.

Объектом исследования является стадия прессования, которая характеризуется следующими параметрами: скоростью нагрева прессуемой композиции до заданной температуры и толщиной образца. Температура, до которой нагревают пресс-порошок, зависит от того, проводят ли прессование с последующей выдержкой или без нее. Практически установлено, что продолжительность выдержки заготовок при температуре прессования составляет 1-2 мин на 1 мм толщины заготовки.

Практика показывает, что неравномерный обогрев пресс-заготовок приводит к получению изделий с неодинаковой структурой, поэтому математическая модель должна позволить изучить распределение температур по толщине изделия и определить максимальный градиент, возникающий в изделии. Процесс нагрева пресс-композиции при заданных законах изменения температуры матрицы и пуансона описывается уравнением нестационарной теплопроводности вида:

Т_пуан

(1)

при заданных и граничных условиях:

; ; .

В уравнении (1) обозначено: h,  - текущие толщина изделия и время нагрева; - температуропроводность материала; - теплопроводность, теплоемкость и плотность прессуемого материала.

Для решения дифференциального уравнения в частных производных используем метод конечных разностей, в соответствии с которым уравнение (1) аппроксиммируется системой обыкновенных дифференциальных уравнений вида:

= а· j=2, N=6 (2)

где N – число элементарных слоев, на которое делится изделие по толщине; Δh = – элементарная толщина слоя изделия; Н – полная толщина изделия; j – грань сечения.

Для расчета температуры первого слоя уравнение будет иметь вид:

= ·(Т_пов – 2Т₁ + Т₂).

Рис. 4. Распределение температуры в разогреваемом материале

На рисунке 4 показан лист из данного материала толщиной Н, разбитый на шесть элементарных слоев, толщиной . Вводим следующее допущение: температура матрицы (Т_мат) изделия равна температуре пресс-формы , следовательно, получаем семь граней: Т_пуан, Т₁, Т₂, Т₃, Т₄, Т₅, Т_пов. Число уравнений составит: 7-2=5.

Составляем систему дифференциальных уравнений:

= ·(Т_пов – 2Т₁ + Т₂)

= ·(Т₁ – 2Т₂ + Т₃)

= ·(Т₂ – 2Т₃ + Т₄) (3)

= ·(Т₃ – 2Т₄ + Т₅)

= ·(Т₄ – 2Т₅ + Т_пов)

Полученная система дифференциальных уравнений (3) является математическим описанием изменения температуры материала по толщине изделия.

Составление SIMULINK-программы для расчета изменения температуры в различных сечениях образца и максимального перепада температур между поверхностью и центром образца

Рис. 5 S-диаграмма для расчета температуры в различных сечениях образца и максимального перепада температур между поверхностью и центром образца

Построение графиков влияния температуры матрицы и пуансона на максимальный перепад температур

Для построения графиков изменения температуры в центре и на поверхности изделия от времени используем S-диаграмму (Рис. 5) и подставляем в неё следующие данные:

Температуру (Constant) t=200⁰С

Температуру воздуха в помещении (Integrator) s=20⁰С

Температуры матрицы и пуансона:

а) Т_м=200⁰С, Т_пуан=200⁰С;

а) Т_м=200⁰С, Т_пуан=180⁰С;

а) Т_м=250⁰С, Т_пуан=250⁰С;

Коэффициент b:

b=a/(Δh^2),

где а=λ/(с·q), λ=0,15 Вт/(м·град) – теплопроводность, с=2500 Дж/(кг·град) – теплоемкость, ρ=2500 кг/м³ – плотность материала;

Δh=h/6, при толщине изделия h=0,005 м.

В рабочей области Matlab вводим толщину образца и теплоёмкость, температуропроводность, плотность материала.

>> l=0.15;

p=1100;

c=2500;

a=l/(c*p)

a =5.4545e-008

>> h=0.05;

dh=h/6

dh = 0.0083

>> b=a/dh^2

b = 7.8545e-004

Меняя в Simulink - программе значения температуры матрицы и пуансона получаем графики изменения температуры по толщине изделия.

Рис. 6. График изменения температуры материала по толщине при Т_м=200⁰С,

Т_пуан=200⁰С;

Рис. 7. График изменения температуры материала по толщине при Т_м=200⁰С, Т_пуан=180⁰С;

Рис. 8. График изменения температуры материала по толщине при Т_м=250⁰С, Т_пуан=250⁰С;

Построение графиков изменения градиента между центром образца и поверхностью (Рис. 9-11)

Рис. 9 График изменения градиента между центром образца и поверхностью при Т_м=200⁰С, Т_пуан=200⁰С;

Рис. 10. График изменения градиента между центром образца и поверхностью при Т_м=200⁰С, Т_пуан=180⁰С;

Рис. 11. График изменения градиента между центром образца и поверхностью при Т_м=250⁰С, Т_пуан=250⁰С;

Заключение

В результате проделанной работы:

1. Составлено математическое описание теплового режима процесса прессования в переменном температурном поле.. Получена система из 5 дифференциальных уравнений, отражающая процесс изменения температуры по толщине изделия.

2. Составлена S-диаграммы для расчета процесса температуры в различных сечениях образца и максимального перепада температур между поверхностью и центром образца.

3. Меняя в Simulink программе значения температур матрицы и пуансона получили графики изменения температуры по толщине прессуемого образца и максимальный перепад температур между центром и поверхностью образца. Максимальный перепад температуры обнаружен при Т_м=200⁰С, Т_пуан=180⁰С. Температуры матрицы и пуансона разные, следовательно, градиент, возникающий в образце, будет выше, так как наблюдается несимметричный нагрев (см. рис. 7 и 10).

Список литературы

Барабанов Н.Н., Земскова В.Т., Расчеты химико-технологических процессов в системе MATLAB: учеб. Пособие. - Владимир: Изд-во Влади. гос. ун-та, 2011,102 с.

Половко, А.М. MATLAB для студента/А.М. Половко, П.Н. Бутусов. – СПб.: БХВ-Петербург, 2005.-320 с.

Горюнов И. И. Пресс-формы для литья под давлением. Справочное пособие. Л., «Машиностроение», 1973. 256 с.

Палей М. М. Технология производства приспособлений, пресс-форм и штампов. — 2-е изд., перераб. и доп.—М.: Машиностроение, 1979. — 293 с, ил.

Код для цитирования: Скопировать