Расчет и разработка конструкции, технологической оснастки для изготовления изделия из эластомерной композиции «Гофра»

КУРСОВОЙ РАБОТЫ

по дисциплине: Расчет и конструирование изделий и форм Тема: Расчет и разработка конструкции, технологической оснастки для изготовления изделия из эластомерной композиции «Гофра»

• Введение
• 1. Обоснование метода изготовления РТИ. Выбор оборудования и его характеристики
• 1.1 Обоснование метода изготовления РТИ
• 1.2 Выбор оборудования и его характеристики
• 2 Расчет гнездности оснастки. Конструирование формообразующих полостей
• 2.1 Расчет гнездности оснастки
• 2.2 Конструирование формообразующих полостей
• 3. Расчет усадки и исполнительных размеров формообразующих деталей
• 3.1 Расчет степени усадки
• 3.2 Расчет исполнительных размеров формообразующих деталей
• 4. Тепловой расчет оснастки
• 4.1 Определение мощности нагревательных элементов для разогрева пресс-формы в пусковом режиме
• 4.2 Определение мощности нагревательных элементов в стационарном режиме работы
• 5. Расчет установленного ресурса оснастки
• 6. Описание работы разработанной оснастки, материалы деталей, обработка поверхностей
• 6.1 Описание работы разработанной оснастки
• 6.2 Материалы деталей
• 6.2.1 Требования к материалам пресс-форм
• 6.2.2 Инструментальные стали
• 6.2.3 Выбор материалов деталей пресс-формы, допусков и качества обработки поверхности
• 6.3 Обработка поверхностей
• 7. Выбор материалов для РТИ, требования к их свойствам
• 7.1 Этиленпропиленовый каучук (СКЭП (Т))
• 7.2 Технический углерод
• 7.3 Требования к свойствам материалов
• 8. Расчет и конструирование РТИ (шины) по основным параметрам
• 8.1 Расчет геометрических параметров шины по вулканизационной форме
• 8.2 Определение конфигурации поддутой покрышки
• 6.3 Определение основных габаритных размеров покрышки
• 8.4 Определение усилия от внутреннего давления в нитях корда
• 8.5 Расчет усилий в борте шины
• Заключение
• Список использованных источников

Цель работы — расчет и разработка конструкции технологической оснастки для изготовления изделия «Гофра» .

При выполнении курсовой работы проведены расчеты гнездности, усадки, исполнительных размеров и установленного ресурса пресс-формы, тепловой расчет.

Приведено описание работы разработанной оснастки, дана характеристика свойств и технология переработки материала детали и выбранного оборудования.

Резиновая промышленность — один из важнейших поставщиков комплектующих деталей и изделий для многих отраслей народного хозяйства. Резина — незаменимый материал в производстве шин, различных амортизаторов и уплотнителей; её применяют также для изготовления конвейерных лент, приводных ремней, рукавов, разнообразных изделий бытового назначения, в частности обуви. Из резины изготовляют изоляцию кабелей, эластичные электропроводящие покрытия, протезы (например, искусственные клапаны сердца), детали наркозных аппаратов, катетеры, трубки для переливания крови и др. Освоение новых видов резинотехнических изделий с каждым годом увеличивается. В этой связи все большее значение имеет один из важнейших инструментов производства изделий из резины — технологическая оснастка — пресс-формы. Именно в пресс-формах изделие из резины приобретает требуемую конфигурацию и размеры. Поэтому вопрос правильного выбора оптимальной конструкции пресс-формы, грамотной разработки чертежной документации на нее будет всегда актуален.

1. Обоснование метода изготовления РТИ. Выбор оборудования и его характеристики

1.1 Обоснование метода изготовления РТИ

Производство формовых РТИ занимает особое место благодаря широкому ассортименту, разнообразию форм изделий и большому числу требований, предъявляемых к ним. Производства, выпускающие формовые изделия, занимают ведущее место в отрасли. На них занято около 40% промышленно-производственного персонала всей отрасли.

Формовыми изделиями принято называть изделия, изготавливаемые путем прессования и вулканизации в формах. Процесс изготовления формовых изделий складывается из операций с пресс-формами, в которых происходит образование из сырой заготовки готового, четко оформленного изделия. Основными методами формования резиновой смеси являются прямое прессование (компрессионное), литьевое прессование и литье под давлением.

1. Метод компрессионного (прямого) прессования. Этот способ заключается в следующем: резиновую заготовку в виде вальцованной полосы или шприцованного шнура помещают в установленную между плитами пресса горячую пресс-форму, которая затем смыкается, а материал под действием давления пресса заполняет формообразующие полости пресс-формы и вулканизируется. Объем закладываемой заготовки должен быть несколько больше, чем объем изделия. При этом часть резиновой смеси, благодаря ее избытку выдавливается за пределы формообразующей полости, что приводит к образованию выпрессовок.

В зависимости от состава смеси может возникнуть необходимость вывода из формы паров и газов, выделяющихся из расплавленного материала. Для этого пресс-форму размыкают на высоту, достаточную для выхода газов, и снова смыкают (посредством смыкания и размыкания плит пресса). Эта операция называется подпрессовкой. Чаще всего применяют две-три подпрессовки.

Основные параметры компрессионного формования — удельное давление прессования и температура вулканизации — определяются чаще всего опытным путем, хотя на базе обширных экспериментальных исследований, многолетней практики заводов созданы необходимые рекомендации для ведения процесса в оптимальном режиме. В частности, прессовое формование (компрессионное) рекомендуется для жестких резиновых смесей, имеющих вязкость по Муни при 100єС более 60−100 ед. и время подвулканизации при 120єС не менее 10 мин. Более мягкие и устойчивые к подвулканизации смеси могут перерабатываться как литьевым прессованием, так и формовым. Удельное давление прессования — давление в полости пресс-формы на смесь должно быть для мягких смесей (с вязкостью по Муни при 100єС менее 60 единиц) 2−2.5МПа, жестких — 7−10 МПа.

Основным оборудованием, с помощью которого осуществляется прессовое формование, являются гидравлические вулканизационные прессы. Такие прессы предназначены для создания больших давлений между плитами, необходимых для получения качественных сформованных изделий.

Метод прессового формования имеет ряд недостатков: оформление изделия происходит в процессе смыкания пресс-формы, когда помещенная в нее навеска (заготовка) резиновой смеси заполняет формообразующую полость, причем, чтобы предотвратить брак (из-за нехватки материала) заготовку заведомо берут большую по массе, чем готовое изделие. Излишки резиновой смеси в виде выпрессовок являются безвозвратными отходами. Для их удаления с поверхности готовых изделий требуются дополнительные затраты труда. Механизировать процесс прессования полностью не удается; цикл вулканизации изделий, особенно массивных, достаточно продолжителен.

2. Компрессионно-литьевой метод. При этом способе резиновую заготовку не загружают в формообразующую полость пресс-формы, как это делается при прямом прессовании. Заполнение гнезд пресс-формы производится следующим образом: на пресс-форме имеется специальная загрузочная камера, куда помещают заготовку. Под действием теплоты пресс-формы разогретая резиновая смесь в пластическом состоянии через специальные литниковые отверстия продавливается в формообразующие полости пресс-формы. Пресс-формы, работающие при таком способе прессования изделия, называются компрессионно-литьевыми.

3. Литье под давлением. Способ литья под давлением представляет собой разновидность литьевого прессования, однако он имеет ряд замкнутой пресс-формы технологических особенностей, и поэтому его выделяют в самостоятельную группу. Литье под давлением осуществляется на специальных литьевых машинах, пресс-формы, как правило, устанавливаются на них стационарно.

При изготовлении изделий методом литья, резиновая смесь в виде полосы подается в пластикационный цилиндр литьевой машины, где она нагревается, приобретает пластичность и через сопло, а затем через литниковую систему пресс-формы впрыскивается под давлением в формообразующие полости. Метод литья под давлением наиболее перспективен, так как обеспечивает по сравнению с прессовым формованием, следующие преимущества: повышается на 35−50% производительность труда вследствие сокращения времени перезарядки (особенно многогнёздных) пресс-форм, уменьшения цикла вулканизации, снижения трудозатрат на обработку изделий, улучшается равномерность прогрева и качество готовых изделий, отпадает необходимость приготовления точных по массе и габаритам заготовок; сокращаются на 25−30% потери смеси в выпрессовках; сокращается парк пресс-форм и в 2−3 раза увеличивается срок их службы. Литьё резин осуществляется при высоких удельных давлениях в камере 150−200 МПа, что в 5−10 раз выше, чем при компрессионном прессовании. При этом удельное давление на смесь в пресс-форме 50−65 МПа.

Основная сложность, возникающая при литье под давлением резиновых смесей, заключается в создании таких температурных условий процесса, при которых исключалась бы подвулканизация резиновой смеси; при этом смесь должна разогреваться до температуры, обеспечивающей ей высокие пластичность и текучесть для того, чтобы оформление изделия происходило без дефектов и больших остаточных напряжений в материале. Склонность резиновых смесей к подвулканизации ограничивает возможность их нагрева, а большой ассортимент резиновых смесей, резко отличающихся по своим реологическим характеристикам, ещё более усложняют практическое использование литьевых машин в промышленности.

Для изготовления гофры, выпускаемой небольшими партиями 1000 тыс. штук, выбираем компрессионный метод прессования. С целью повышения производительности изготовления в качестве формующего инструмента выбираем многогнёздные кассетные пресс-формы закрытого типа.

1.2 Выбор оборудования и его характеристики

В качестве вулканизационного пресса выбирается пресс XLB600×600×1, Китай, характеристики которого приведены в таблице 1.1.

Таблица 1.1 — Основные параметры пресса

технологическая оснастка формообразующая деталь

2. Расчет гнездности оснастки. Конструирование формообразующих полостей

2.1 Расчет гнездности оснастки

Расчет гнездности заключается в выборе оптимального количества гнезд в пресс-форме. Исходя из мощности узла смыкания формы, гнездность рассчитывается по формуле (2.1):

(2.1)

где n — число гнезд;

номинальное усилие пресса, МН;

n — коэффициент, учитывающий потери;

— удельное давление прессования, МПа;

— площадь прессования, .

Определим площадь проекции детали

Рисунок 2.1 — Определение площади проекции детали

Площадь проекции детали равна: 1554,3 см²

По заданию на проектирование F_п=2,5•10⁶ Н; Р_уд=19 МПа=1,9•10⁷ Па.

Тогда

Таким образом, выбранного пресса достаточно, чтобы сформовать 7 деталей «Гофра». Однако при выборе окончательного количества гнезд необходимо учесть следующие факторы: размеры нагревательных плит пресса и вес пресс-формы. Обоснование экономической целесообразности изготовления пресс-формы с большим числом формующих полостей производится путем сопоставления необходимого количества деталей, стоимости изготовления пресс-формы, заработной платы рабочих-прессовщиков, длительности эксплуатации пресс-формы и стоимости выполнения заказа. Исходя из этого принимаем количество гнезд n=4шт.

Тогда

Это меньше, чем усилие выбранного пресса, поэтому принимаем выбранный пресс.

2.2 Конструирование формообразующих полостей

С целью повышения производительности изготовления уплотнителей в качестве формующего инструмента назначаем многоместные пресс-формы открытого типа.

В этих пресс-формах несколько формующих полостей. Перемещение пресс-формы из пресса в пресс, раскрытие их механизировано при помощи перезарядчика.

Данная пресс-форма имеет одну плоскость разъёма. Матрицы, в которых образуется, как правило, формующая полость — наиболее ответственные детали пресс-формы. В большинстве пресс-форм матрицы является сочетанием двух элементов — собственно матрицы и загрузочной камеры. Конструкционно они могут быть выполнены как одно целое или составными, причем в последнем случае загрузочная камера и матрица являются неразъемной конструкцией; изготовление цельной матрицы не всегда технологически оправдано и для облегчения обработки иногда приходится делать матрицу составной; наружные очертания матрицы обычно имеют цилиндрическую или прямоугольную форму; придавать матрицам другую форму нецелесообразно, так как это увеличит трудоемкость их изготовления.

Пуансоны применяют для передачи давления на пресс-массу. При прямом прессовании они оформляют наружные и внутренние поверхности детали. Пуансоны, как и матрицы, могут выполняться сборными. Особое внимание должно уделяться фиксации пуансона — шпонками, штифтами, винтами. Правильное сопряжение пуансона с загрузочной камерой или с матрицей достигается при надлежащем зазоре между ними: величина его зависит от диаметра или сечения пуансона, но его минимальное значение равно 0,02 — 0,03 мм на сторону. Для уменьшения трения верхняя часть загрузочной камеры делается с уклоном 15−20° на сторону; высота уклона равна половине высоты загрузочной камеры. Формующие знаки (стержни) образуют в прессуемом изделии гладкие отверстия, «окна» — квадратные, шестигранные и т. д. Они могут быть неподвижными и подвижными, в последнем случае — это знаки-выталкиватели.)

Оформляющими деталями являются верхняя, нижняя плиты и стержень. Внутренняя поверхность формообразующих деталей выполняется с шероховатостью Ra0,2. Также данная пресс-форма оборудована выпрессовочными канавками, в которые затекают излишки резиновой смеси, образующие при прессовании.

Применение многоместных пресс-форм оправдано для всех малогабаритных деталей, так как позволяет в разы увеличить производительность пресс-формы при незначительном увеличении ее стоимости. Таким образом, многоместная пресс-форма позволяет за один цикл отлить сразу несколько деталей рисунок 2.2.

1 — плита нижняя; 2 — плита верхняя; 3-стержень

Рисунок 2.2 — Система формообразующих элементов

3. Расчет усадки и исполнительных размеров формообразующих деталей

3.1 Расчет степени усадки

После вулканизации в металлической пресс-форме размер резинового изделия, измеренный при комнатной температуре, всегда отличается от размера гнезда пресс-формы, в которой изделие вулканизируют, т. е. происходит его усадка. Усадка — разность размеров резинового изделия и формообразующей полости, %. Основная причина усадки — различие коэффициентов термического расширения резины и материала пресс-формы. Величина усадки зависит от температуры вулканизации, типа каучука, количества и вида наполнителя резиновой смеси, а также от содержания влаги и конфигурации изделия. Тонкостенные изделия имеют большую усадку, чем толстостенные. Как правило, усадка резины в РТИ без арматуры направлена к центру изделия, а в изделиях с металлической арматурой — к металлической арматуре. В нашем случае усадка направлена к центру изделия. С ростом содержания в резине наполнителя усадка снижается. Причём тип наполнителя в малой степени сказывается на величине усадки при одинаковом объёмном содержании каучука. В инженерных целях усадку рассчитывают по правилу аддитивности, принимая, что она складывается из усадки составляющих компонентов смеси и пресс-формы:

(3.1)

где ДТ — разность между температурой вулканизации и комнатной температурой, °С;

ДА — разность между коэффициентами расширения каучука и материала пресс-форм;

K — объемная доля каучука и растворимых в ацетоне веществ, %;

ДF — разность между коэффициентами расширения наполнителей и материала пресс-форм;

ДH — разность между коэффициентами расширения растворимых в ацетоне вспомогательных веществ и каучука.

Пренебрегая очень малыми величинами ДF и ДH, получим приближенное уравнение [3]:

(3.2)

Принимаем комнатную температуру равной Т_ос=20°С. Стандартная температура вулканизации равна Т_вулк=143°С. Для натурального каучука коэффициент расширения равен А_НК=2,16•10^-4 м³/°С. Детали формообразующих полостей изготовлены из стали. Для стали коэффициент расширения равен А_сталь=0,11•10^-4 м³/°С. По заданию в состав резиновой смеси входит 100 мас. ч. наполнителя (техуглерод П-803). Плотность натурального каучука равна 910 кг/м³, плотность техуглерода марки П-803 — 1820 кг/м³. Исходя из этого принимаем, что объемная доля каучука в смеси равна 66,67%.

Подставив численные значения величин в формулу (4.2), получим:

По заданию температура вулканизации равна 165 °C. Произведем пересчет усадки для этой температуры:

В результате расчета получили, что усадка материала изделия равна 1,86%.

3.2 Расчет исполнительных размеров формообразующих деталей

Для получения резинового изделия требуемых размеров необходимо дать в пресс-форме припуск на размеры формообразующей полости с учетом усадки резины. Чертеж детали приведен на рисунке 3.1.

Рисунок 3.1 — Чертеж детали

Для получения резинового изделия требуемых размеров необходимо дать в пресс-форме припуск на размеры формообразующей полости с учетом усадки резины, ввиду того, что при прессовании образуется облой резины по плоскостям разъема пресс-формы, то усадку резины на высоту изделия можно не учитывать. В нашем случае усадка направлена к центру изделия для охватывающих размеров и от центра для охватываемых рзмеров.

Согласно расчетам, проведенным в подразделе 3.1, усадка резины составляет S=1,86%. Проведем расчет исполнительных размеров формообразующих поверхностей по формуле:

(3.3)

где А_дет — номинальный размер детали, мм.

Рисунок 3.2 — Формообразующая полость

4. Тепловой расчет оснастки

Целью теплового расчета пресс-форм является определение установленной мощности системы обогрева, которая необходима для обеспечения работоспособности как в пусковом так и в стационарном режиме работы пресс-формы. В тепловом расчете пресс-формы выделяют 2 этапа:

1. Определение мощности нагревательных элементов для разогрева пресс — формы в течении заданного времени в пусковом режиме работы (W₁);

2. Определение мощности нагревательных элементов в стационарном режиме работы (W₂).

Для большинства пресс-форм W₁ > W₂, но расчет величины W₂ обязателен, поскольку, например, конструкции пресс-форм с сильно развитой поверхностью при малой общей массе формующих элементов имеют значительные потери тепла в окружающую среду при размыкании пресс-формы в стационарном режиме ее работы. Таким образом W₁ > W₂. После расчетов принимают значение W (для реализации ее в пресс-форме) соответственно максимальному значению с W₁ и W₂.

4.1 Определение мощности нагревательных элементов для разогрева пресс-формы в пусковом режиме

Расчет W₁ при заданном времени разогрева пресс-формы ф_раз=30 минут.

(4.1)

где Q_пр — тепло для разогрева пресс-формы до температуры прессования (без чета потерь), Дж;

— потери тепла за время разогрева, Вт.

ф_раз — время разогрева, час;

Принимаем, что время разогрева пресс-формы равно 20 минут, т. е. ф_раз=1200 с.

(4.2)

где с_уд — удельная теплоемкость стали, кДж/кг?С;

G_пф — масса пресс-формы, кг;

— средняя температура пресс-формы в конце разогрева,°С.

с_уд = 500 Дж/ (кг•°С)

Примем Т^ср_пр=160°С, т. е. немного ниже температуры вулканизации, которая дана по заданию на курсовое проектирование и равна Т_в=165°С.

(4.3)

где с — плотность стали,

V — объем преcс-формы, м³.

с= 7800

(4.4)

где а — длина стороны пресс-формы, м; b — ширина пресс-формы, м; с — ширина пресс-формы, м.

Геометрические размеры пресс-формы возьмем из сборочного чертежа:

a=600 мм=0,60 м; b=600 мм=0,6 м; с=144 мм=0,144 м.

Объем пресс-формы по формуле (2.4) равен:

V=0,6•0,6 •0,144=0,5 184 м³

^G_пр=7800•0,5 184=404кг

Q_пр=500•404 (165−20) =29,3•10⁶Дж

Потери тепла за время разогрева определяются по формуле (4.5):

(4.5)

где — потери тепла боковыми поверхностями пресс-формы, Вт;

— потери тепла в стол пресса поверхностями контакта с прессом, кВт.

(4.6)

где

— коэффициент теплоотдачи боковых поверхностей и теплоизоляции, Вт/м²;

f_б — площадь боковой поверхности пресс-формы, м²;

Т_и — температура боковой поверхности и теплоизоляции,°С.

Обычно, температуру теплоносителя принимаем равной Т_и=80°С. Площадь боковой поверхности определим по следующей формуле:

(4.7)

f_б=2•0,6•0,144+2•0,6•0,6=0,8928 м²

Потери тепла в стол пресса:

(4.8)

где

f_к — площадь контакта пресс-формы с прессом, м²; л_пр — коэффициент теплопроводности прокладки, Вт/м; д_пр — толщина прокладки, м; Т₀ — средняя температура поверхностей контакта за период разогрева,°С; Т_п — температура стола пресса, °С.

Площадь контакта пресс-формы с прессом равна f_к=a•b=0,6•0,6=0,36 м²; л_пр=0,036 Вт/м; Примем толщину прокладки равной д_пр=0,005 м; температуру стола пресса Т_п=20°С. Среднюю температуру поверхностей контакта за период разогрева определим по формуле:

(4.9)

где

Т_с — температура стенок пресс-формы,°С. Принимаем температуру стенок пресс-формы равной 140 °C.

Согласно формуле (2.7) потери в стол пресса составят:

Потери при разогреве:

Мощность нагревательных элементов, необходимая для разогрева пресс-формы:

4.2 Определение мощности нагревательных элементов в стационарном режиме работы

Принцип расчета подобен до расчета. Мощность нагревательных элементов должна быть достаточной для обеспечения полного теплового баланса (внешних источников тепла):

(4.10)

где Q_пол — полезное тело, расходуемое на нагревание пресс-массы, Вт;

Q_сп — потери тепла пресс-формы поверхностями контакта с прессом, Вт;

Q_ос — потери тепла в окружающую среду через боковые поверхности и места разъема пресс-формы, Вт;

Q_проч — прочие потери (при обдувке пресс-форм и т. д.), Вт;

Q_бс — потери тепла через болтовые соединения, Вт.

Основные потери тепла — первые три члена, которые могут быть определены с достаточной степенью точности. Определение потерь является задачей менее определенной, поскольку последние 2 члена являются незначительными по величине.

По экспериментальным данным при различных условиях работы пресс-формы величина прочих потерь колеблется в пределах 10−30% от общего расхода электроэнергии.

Полезная теплота рассчитывается по формуле (4.11):

(4.11)

где с_уд — теплоемкость прессуемого материала, Дж/ (кг•°С);

G₁ — масса одного изделия, кг;

z — число изделий в час, шт. /ч.

ДТ — изменение температуры материала в процессе его нагревания в пресс-форме,°С; с_уд=1880 Дж/ (кг•°С)

Рассчитываем количество изделий, производимое в час. Принимаем, что цикл вулканизации длится 20 минут, а перезарядка пресс-формы составляет 10 минут. Тогда

Примем, что температура материала равна 20 °C, тогда при нагреве в пресс-форме температура изменяется на 145 °C.

При расчете потерь в окружающую среду основной вклад вносят потери в окружающую среду через поверхности разъема:

(4.12)

где ф_р — длительность нахождения пресс-формы в открытом состоянии, с.

— коэффициент теплоотдачи, Вт/м².

f_p — площадь поверхности разъема, м²;

ДT_пов — разность температур поверхностей пресс-формы и окружающей среды,°С.

Для матрицы и пуансона эти потери нужно рассчитывать отдельно, т.к. значения б_р и f_p для них различны. Также следует учесть, что пресс-форма имеет вторую плоскость разъема для извлечения литниковой системы.

Длительность нахождения пресс-формы в открытом состоянии

ДT_пов=165−20=145°С. К

Коэффициент теплоотдачи для оформляющей части матрицы находится по формуле (2.13):

(4.13)

Площадь поверхности разъема матрицы:

По формуле (2.12) определим Q_p:

Примем прочие потери равными 20% от основных потерь:

Мощность нагревательных элементов, необходимая для работы в стационарном режиме согласно формуле (2.10) равна:

Для уменьшения тепловых потерь, учитывая реальные их значения, предусматривают применение теплоизоляционных плит, а также покрытие наружных поверхностей термостойкой краской.

В результате расчетов получили W₁= 24 521 Вт, W₂=595,29 Вт. Согласно полученным результатам принимаем необходимую мощность нагревательных элементов равной W₁.

5. Расчет установленного ресурса оснастки

Стойкость пресс-форм (ресурс оснастки) определяется числом отпрессовок до полного износа формующих элементов пресс-формы, то есть до получения изделия, соответствующего ТУ, ГОСТ или требованиям чертежа.

Стойкость пресс-форм существенно влияет на стоимость прессуемых изделий и зависит от целого ряда факторов, к числу которых следует отнести:

а) сложность конструкции и конфигурации прессуемых деталей;

б) их точность;

в) характер прессуемого материала;

г) тип и конструкцию пресс-формы;

д) материал и термообработку формующих деталей пресс-формы;

е) качество изготовления пресс-формы;

ж) состояние пресса.

Сложность конструкции и конфигурации изделий значительно понижает стойкость пресс-форм. Наличие в изделии пазов небольшого сечения или глубоких отверстий, образуемых элементами пресс-формы, склонными к поломке, небольшая толщина стенок изделия при относительно большой высоте, что вызывает необходимость приложения большого давления прессования, и т. д. — все это вызывает преждевременный выход пресс-формы из строя. Неправильный выбор марки материала (хрупкость, малая износостойкость и т. д.) является причиной поломки или быстрого износа формующих элементов. Плохая термическая обработка, некачественная полировка, увеличенные зазоры в подвижных соединениях, отсутствие точного сопряжения сборных элементов и т. д. значительно сокращают продолжительность эксплуатации пресс-форм.

Таким образом, комплекс факторов, влияющих на стойкость пресс-форм, весьма велик, что создает трудности при определении сроков их эксплуатации. Гамма-процентная наработка до отказа рассчитывается по формуле:

T_г =H _г· _·К_г · К_в· К_к· К_м · К_т · К_а · К₀ · К_р· n, (5.1)

T_рг=3· T _г, (5.2)

где H_y — процентная наработка до отказа пресс-формы с одной формообразующей плоскостью, шт. (Н_y = 4200 шт.);

К_{г -} коэффициент, учитывающий гнездность пресс-формы (К_г=0,98);

К_в — коэффициент, учитывающий высоту формуемых резиновых изделий (К_в=1,00);

К_к — коэффициент, учитывающий квалитет точности формуемых изделий (К_к=0,50);

К_м — коэффициент, учитывающий материал формообразующих деталей (К_м=0,70);

К_т — коэффициент, учитывающий твердость формообразующих поверхностей (К_т=0,85);

К_а — коэффициент, учитывающий глубину азотирования формующих деталей (К_а=1,00);

К_о — коэффициент, учитывающий конструкционные особенности пресс-форм и дополнительные требования к качеству формуемых изделий (К_о=1,1);

К_р — коэффициент, учитывающий тип каучука (К_р=1,00);

n — число гнёзд (n=4 шт.).

T_г= 4200· 0,98·1,00·0,50·0,70·0,85·1,00·1,1·1,00·4=5387,844 шт,

T_рг=3· 5387,844=16 163,532 шт.

Таким образом, данная пресс-форма должна выдержать число циклов равное:

N_ц = T_рг /n, (5.3), N_ц = 16 163,532 /4=4040,883

6. Описание работы разработанной оснастки, материалы деталей, обработка поверхностей

6.1 Описание работы разработанной оснастки

Конструкция пресс-формы представлена на рисунке 6.1.

1 — нижняя плита; 2 — верхняя плита; 3-стержень; 4 — колонка наплавляющая;

5 — направляющая втулка; 6-центрирующее устройство.

Рисунок 6.1 — Компрессионная форма для изделия «Гофра»

Заготовки закладываются в гнезда пресс-формы вручную. Затем закладываются стержни, которые позволяют оформить внутреннюю поверхность изделия (сделать отверстие). Затем плиты пресса смыкаются, закрывая при этом пресс-форму. Под действием избыточного давления, оказываемого прессом, резиновая смесь распределяется внутри формующей полости. Затем происходит вулканизация резиновой смеси. По окончании процесса вулканизации происходит раскрытие пресс-формы. Готовые изделия остаются в нижней плите 1. При этом при помощи специальных зацепов, плита 1 фиксируется в определенном положении. Верхняя и нижняя плиты прессформы продолжают движение вместе с плитами пресса, к которым они прикреплены. Извлечение деталей из плиты 1 происходит за счет стержня 3, который выступает за границы плит. Затем изделия снимаются со стержня с разных сторон. Далее рабочий осуществляет очистку пресс-формы от облоя и остатков вулканизованной резины. После очистки плита возвращается на место. Цикл повторяется.

Для обеспечения точного взаимного расположения деталей пресс-формы используются направляющая колонки 4 и направляющая втулка 5 и центрирующее устройство 6.

6.2 Материалы деталей

6.2.1 Требования к материалам пресс-форм

Выбор материалов для изготовления форм имеет не менее важное значение, чем вопросы выбора оборудования, гнездности и другие, оказывающие решающее влияние на экономику процесса производства деталей из пластмасс.

При выборе материала следует стремиться обеспечить не максимально возможный, а необходимый срок службы формы, который, как правило, определяется стойкостью формообразующих деталей (ФОД).

ФОД можно изготовлять из различных материалов. Если требуется обеспечить высокие стойкость, точность, качество поверхности, то применяют стали различных марок. При изготовлении небольшой партии деталей методом литья под давлением с успехом можно использовать сплавы на основе меди, цинка, алюминия. В опытном производстве, когда требуется в короткие сроки экономичным способом изготовить небольшое число отливок, можно использовать металлопластмассовые композиции — В особых случаях, когда необходимо изготовление ФОД с глубокими полостями и сложной конфигурацией, используют метод гальванопластики. Этот метод позволяет изготовить ФОД с высокими точностью, микротвердостью и малой шероховатостью поверхности и практически не требует их доработки, за исключением обработки торцов и посадочных поверхностей, Иногда для изготовления отливок со сложными полостями, которые невозможно получить другими способами, используют эластичные ФОД.

6.2.2 Инструментальные стали

Жесткость формы в широкой степени определяется выбором материала, так как модуль упругости у всех обычных инструментальных сталей практически идентичен. Но в зависимости от оценки требований им могут соответствовать разные материалы:

цементируемые стали;

улучшаемые стали (предварительно улучшенные);

прокаливаемые стали;

коррозионно-стойкие стали;

специальные сплавы.

Цементируемые стали. Применяются малоуглеродистые стали (С < 0,3%), которые за счет цементации должны получить твердую, износостойкую поверхность.

При цементации или цементировании (температура обработки от 900 до 1000? С) углерод диффундирует в околоповерхностные зоны заготовки. Глубина прокалки зависит от времени и температуры. При продолжительной цементации (несколько дней) достигается глубина насыщения углеродом около 2 мм. Твердая, износостойкая поверхность достигается за счет закалки науглероженной заготовки, причем при условии достаточной толщины заготовки сердцевина остается в целом вязкой.

Улучшаемые стали. Улучшение является термической обработкой для достижения высокой вязкости при определенной прочности на разрыв. Обработка осуществляется за счет закаливания с последующим отпуском до температур 300−700'С в зависимости от материала н требований. Полученные таким образом стали (табл.4) подвергаются металлорежущей обработке в предварительно улучшенном состоянии. Последующее закаливание деталей формы исключается.

Тем самым избегается риск получения закалочных трещин или коробления от закалки.

Прокаливаемые стали. Для получения равномерной структуры металла по более крупным сечениям заготовок пользуются прокаливаемыми (легированными) сталями), чья твердость или прочность и вязкость могут индивидуально адаптироваться к соответствующим требованиям за счет улучшения (закалки и отпуска). Эти характеристики оптимально регулируются за счет выбора величины температуры. Прокаливаемые стали хорошо зарекомендовали себя при переработке пластмасс с абразивным действием на форму (например, с наполнителями из стекловолокна).

Коррозионно-стойкие стали. Для защиты от корродирующего действия резин или их добавок формы можно гальванизировать. Недостатком при этом может быть отслоение нанесенного слоя на замыкающих кромках как следствие высокого контактного напряжения. Поэтому рекомендуется применение коррозионно-стойких сталей. Азотирование коррозионно-стойких сталей из-за связанного с этим ухудшения коррозийной стойкости не рекомендуется.

6.2.3 Выбор материалов деталей пресс-формы, допусков и качества обработки поверхности

Выберем стали, которые рекомендуются для изготовления формообразующих деталей согласно ГОСТ 27 358:

1) плиты — сталь У8А ГОСТ 1435–90 с термообработкой до твердости 45…55 HRC;

2) стержень — 40Х ГОСТ 4543₇₁ с термообработкой до твердости 45…55 HRC;

Выберем стали для конструкционных деталей оснастки по таблице 28, [3], с 117. Результаты выбора отобразим в виде таблицы 6.1

Таблица 6.1 — Материалы для изготовления конструкционных деталей оснастки

6.3 Обработка поверхностей

Состояние и, соответственно, метод обработки поверхности заготовки имеет существенное значение для ее пригодности. При этом методы обработки поверхности (при производстве форм) существенно влияют на такие характеристики, как:

— повышение твердости поверхности;

— повышение нагружаемости при сжатии;

— увеличение износостойкости;

— улучшение характеристики скольжения;

— улучшение извлекаемости;

— улучшение сопротивления коррозии.

В изготовлении литьевых форм особенно зарекомендовали себя следующие методы обработки поверхности:

— азотирование;

— науглероживание;

— твердое хромирование;

— твердое никелирование;

— покрытие твердыми сплавами.

Азотирование. Из технологий азотирования большое распространение получил метод азотирования в жидкой среде. За счет азотирования в результате химического изменения поверхностных слоев достигается исключительно высокая твердость (поверхности) при ярко выраженной размерной стойкости, в значительной мере улучшающей износостойкость и усталостную прочность при нагружении с симметричным циклом. Так как температура азотирования составляет 570 °C, следует принимать во внимание уменьшение прочности сердцевины в соответствии с диаграммой отпуска соответствующей стали.

Азотироваться могут почти все обычные для изготовления литьевых форм стали. Азотирование коррозионно-стойких сталей не рекомендуется из-за ухудшения стойкости к корродированию.

Науглероживание. Науглероживание находит применение у сталей с низким содержанием углерода (С менее 0,3%). При этом углерод диффундирует в поверхностные участки.

Обработанная таким образом (цементированная) сталь получает при закалке значительное увеличение твердости своей поверхности. Сердцевина остается при этом пластичной.

Твердое хромирование. Электролитическое осаждение твердого хромового покрытия приводит к значительному улучшению защиты от коррозии (так называемое многослойное хромирование). Твердое хромирование применяется также для восстановления изношенных поверхностей. при повторных удалении слоя хрома и хромировании необходимо принимать во внимание водородное охрупчивание участков, близких к поверхности.

Твердое никелирование. При химическом твердом никелировании слои никеля осаживаются без наложения внешнего тока. При этом не возникает эффекта образования различных по толщине слоев, особенно на кромках («шишкообразные наросты»), являющегося помехой при электролитическом методе. это означает, что без проблем никелируются даже изломы, профилированные поверхности и т. д. Используемая обычно толщина составляет около 40 мкм. Для осаждения без тока покрытия на подлежащую защите поверхность себя зарекомендовали никелево-фосфорно-кремнекарбидные дисперсионные покрытия под маркой «kanisil». Названные методы отличаются, в частности, своими благоприятными характеристиками относительно защиты от коррозии и износа и применимы также для цветных металлов как медь и алюминиевые сплавы. следует, однако, учесть, что никелевый слой, гораздо более твердый относительно основного материала, при нагрузке сжатием может быть поврежден и склоняться к отслаиванию.

Покрытие твердыми сплавами. Для получения высокого сопротивления износу одновременно с достаточной коррозионной стойкостью и улучшенной извлекаемостью изделий особенно проявили себя покрытия на базе нитрида титана и других твердых сплавов. Для улучшения коррозионной стойкости перед покрытием твердыми сплавами рекомендуется, например, хромирование поверхности.

Допуски размеров, формы и расположения поверхностей формообразующих деталей

1. Числовое значение величины допусков размеров формообразующих деталей пресс-формы должны соответствовать:

отверстий — по H8, валов — по h8, остальных ±JТ9/2 по ГОСТ 25 347–82.

2. Допуски формы и расположение поверхностей формообразующих деталей пресс-формы — по ГОСТ 24 643–81 (Основные нормы взаимозаменяемости. Допуски формы и расположения поверхностей. Числовые значения)

В технической документации на детали должны быть указаны, при необходимости, допуски на плоскостность, прямолинейность, перпендикулярность, параллельность, допуски торцевого и радиального биения, допуски соосности, симметричности — по ГОСТ 24 643₈₁. Во всех случаях числовые значения допусков должны быть не более? допуска формы и расположения поверхности РТИ; в остальных случаях числовые значения допусков для размеров пресс-формы должны составлять не более Ѕ допуска на размеры РТИ.

3. Допуски углов конусов формообразующих деталей должны соответствовать: отверстий — АТ9, валов — АТ9 ГОСТ 8908₈₁.

Посадка конусных поверхностей деталей должна соответствовать H7/h6 ГОСТ 25 347₈₂.

Качество обработки поверхностей.

1. Шероховатость формообразующих поверхностей деталей пресс-формы Ra 0,1 мкм ГОСТ 2789–73.

2. Шероховатость поверхностей, сопрягающихся с резиновой смесью Ra 0,2 мкм.

3. Шероховатость сопрягаемых поверхностей, влияющих на качество пресс-формы Ra 0,8 ГОСТ 2789–73.

4. Шероховатость верхней и нижней плоскостей контакта плит Ra 1,6 мкм.

5. Шероховатость плоскостей, не влияющих на эксплуатационные характеристики пресс-формы Ra 6,3 мкм.

6. Рабочие поверхности формообразующих деталей и поверхностей, соприкасающиеся с резиновой смесью, до и после покрытия следует полировать и доводить до соответствующего параметра шероховатости.

Требования к покрытиям.

Для повышения качества формообразующих деталей и увеличения ходимости пресс-форм применяют хромирование или азотирование.

Детали пресс-формы, соприкасающиеся с резиновой смесью, должны иметь хромовое покрытие Х18 ГОСТ 9.306−85.

Весьма существенное значение для качественного изготовления деталей имеет чистота обработки поверхностей деталей пресс-формы. Формующие полости матрицы, пуансона и вставки непосредственно участвующие в формообразовании изделия, полируются до, и после нанесения покрытия Х18. тв и имеют шероховатость Ra0,2. Покрытие наносится на все части пресс-формы, которые могут соприкасаться с резиновой смесью. В местах сопряжения узлов пресс-формы, шероховатость Ra0,8, верхняя и нижняя поверхность пресс-формы выполняется с шероховатостью Ral, 6, шероховатость поверхностей, не влияющих на эксплуатационные характеристики пресс-формы — Ra3,2 и Ra6,3.

7. Выбор материалов для РТИ, требования к их свойствам

Все резинотехнические изделия подразделяются на следующие группы:

уплотнительные;

силовые

виброизоляторы

защитные

опоры скольжения

вспомогательные

декоративные

Изделие «гофра» относится к защитным РТИ. К ним предъявляются следующие требования: стойкость к действию различных видов старения, стойкость к повышенным температурам, высокое сопротивление истиранию, прочностные свойства.

Для удовлетворения этих свойств используют этиленпропиленовый каучук (СКЭП (Т)).

7.1 Этиленпропиленовый каучук (СКЭП (Т))

Этиленпропиленовые каучуки — сополимеры этилена с пропиленом или сополимеры этих двух мономеров с несопряженным диеном.

Макромолекула этиленпропиленового каучука содержит от 50 до 70 мол. % этиленовых звеньев, сополимеры с большим количеством этих звеньев в молекуле являются термопластами

Молекулярная масса: 80−250 тыс.;

Плотность: 0,85−0,87 г/см3;

Этиленпропиленовые каучуки мало набухают в полярных растворителях, но нестойки к действию углеводородных масел и неполярных растворителей.

Основные цепи сополимера и сополимера не содержат двойных связей, поэтому этиленпропиленовые каучуки превосходят другие типы синтетических каучуков по озоно-, свето — и атмосферостойкости; обладают длительной теплостойкостью при температурах до 150 °C и кратковременной при 200 °C; стойки к воздействию окислительных и агрессивных сред.

Каучуки с низким содержанием пропилена (20−30%) характеризуются высокой прочностью невулканизованной смеси, каучуки с высоким его содержанием (45−50%) — низкой прочностью, но достаточно высокой морозостойкостью. В зависимости от молекулярной массы этиленпропиленовые каучуки делят на низко-, средне — и высоковязкие; их вязкости по Муни, измеренные при 100 °C, 120 °C, 125−200°С, составляют соотв.25−60, 60−100 и 100−120 единиц.

Получение этиленпропиленовых каучуков стало возможно после открытия катализаторов Циглера-Натта (каталитические комплексы, образующиеся при взаимодействии соединений переходных металлов [TiCl4, TiCl3, VOC13, (C5H5) 2TiCl2 и т. п.] с алкильными производными и другими соединениями металлов I — III групп.

Сырьём для получения этих каучуков являются продукты пиролиза (термическое разложение органических соединений без доступа воздуха) нестабильного бензина: этилен и пропилен.

Этиленпропиленовые каучуки выпускаются в виде двойных (СКЭП) и тройных (СКЭПТ) сополимеров этилена с пропиленом. В качестве третьего мономера применяют диеновые углеводороды, как например 1,4-гексадиен, 1,5-циклооктадиен, дициклопентадиен, этилиденноборнен.

Наиболее доступным из этих мономеров является дициклопентадиен. Однако тройные сополимеры с дициклопентадиеном обладают низкими физико-механическими показателями. В последнее время в качестве третьего мономера стали применять этилиденноборнен.

7.2 Технический углерод

Ненаполненные СКЭПТ и СКЭП имеют низкие физико-механические показатели (условная прочность при растяжении 2−3 МПа), поэтому необходимо вводить усиливающие наполнители. В хорошо подоранных рецептурах, вулканизаты на основе СКЭПТ и СКЭП, наполненные техническим углеродом, имеют высокую прочность при растяжении (до 28 Мпа), относительное удлинение при разрыве до 700%, удовлетворительные динамические, износостойкие, диэлектрические характеристики, а также морозостойкость.

Технический углерод представляет собой тонкодисперсное порошкообразное вещество, состоящее из углерода, полученное сжиганием или термическим разложением газообразных или жидких углеводородов.

В связи с необходимостью получения резин с разнообразными физико-механическими свойствами потребовалось создание различных видов технического углерода. Выпускается большое число различных марок технического углерода, различающихся способом производства, видом используемого сырья, физико-химическими характеристиками и элементным составом, а также размером частиц, который характеризуется удельной поверхностью — общей поверхностью всех частиц, находящихся в единице массы.

При введении технического углерода в резиновые смеси их вязкость существенно увеличивается за счёт гидродинамического эффекта, а также в результате взаимодействия эластомера с техническим углеродом. С увеличением дисперсности и структурности технического углерода вязкость смесей увеличивается.

В эластомерной композиции для изготовления изделия «Гофра» используется технический углерод марки П-234.

Данную марку технического углерода получают при неполном сгорании и термическом разложении распыленных жидких ароматических углеводородов или их смеси с природным газом в специальных реакторах (печах).

7.3 Требования к свойствам материалов

Таблица 7.1 — Рецепт стандартной резиновой смеси на основе НК

Резины, полученные по данной рецептуре устойчивы к озонному и тепловому старению, действию агрессивных сред (кислот, щелочей), стойки к набуханию в воде и имеют отличные диэлектрические свойства, существенным недостатком данных резин является их малая прочность связи с металлами и тканями.

Основные характеристики технического углерода марки П-234 представлены в таблице 7.2.

Таблица 7.2 — Характеристики техуглерода марки П-234

8. Расчет и конструирование РТИ (шины) по основным параметрам

Пневматическая шина является довольно сложной конструкцией, чаще всего включающей в себя покрышку, камеру и ободную ленту. Наиболее сложна по конструкции покрышка, являющаяся самой важной частью шины. В покрышке выделяют несколько основных конструктивных элементов: протектор, каркас, брекер, борт и боковина. В зависимости от угла расположения нитей в каркасе выделяют радиальные (угол между нитью и меридианом составляет 0−3є) и диагональные (угол — 20−60є) покрышки.

Исходными данными являются:

1) профиль шины;

2) угол наклона нитей по короне в_к=54°;

3) суммарная плотность нитей Уi=60 нить/см;

4) рабочее давление в шине р_раб=0,25МПа.;

5) максимальное давление р_max=9,7 атм=0,97 МПа.

8.1 Расчет геометрических параметров шины по вулканизационной форме

При проектировании шины определяют следующие геометрические характеристики: угол нити в кордных слоях, толщину кордных слоев в покрышке h; плотность нити в кордных слоях i; длину нити в кордном слое от экватора до точки обода L.

Расчет угла в произвольной точке на профиле шины осуществляется по формуле

(8.1)

где r_i — расстояние (радиус) от оси вращения шины до рассматриваемой точки на внутреннем профиле покрышки, мм;

в_i — соответствующий этому радиусу угол между нитью и меридианом;

б — угол закроя корда;

r_б — радиус первого кордного браслета (радиус сборочного барабана), мм.

Выбираем точку обода. В качестве этой точки предварительно принимаем точку А, находящуюся на расстоянии 220 мм от оси вращения.

Синус угла нитей корда в этой точке в_А определяется по формуле (8.1) для точки обода

(8.2)

где r_А — расстояние от оси вращения до точки обода, мм;

в_К — угол наклона нитей по короне;

R' - расстояние от оси вращения до первого кордного браслета, мм.

r_А=220 мм — по рисунку профиля шины; в_К=54° - по условию; R'=320 мм — по рисунку профиля шины.

В качестве расчетного угла принимаем б_об=34°.

Находим расстояние точки обода от оси вращения

Наносим точку обода на чертеж профиля шины, точка С. Измеряем расстояние точки обода от оси симметрии профиля h=102 мм.

Длина нити в кордном слое покрышки от экватора до точки обода в практических расчетах определяется по приближенной формуле Симпсона [6]:

(8.3)

где S - периметр полупрофиля покрышки по внутреннему контуру;

K_i=1/cosв_i — величина, обратная косинусу угла нити в i-й точке на профиле покрышки.

Для определения S устанавливаем измеритель на раствор 10 мм и измеряем длину контура от экватора до точки обода. Получаем S=460 мм. Наносим на чертеж точки, соответствующие делению дуги на 4 равные части (см. рисунок 8.1)