Пресс-формы

Пресс-форма — формообразующий конструктивный элемент, используемый при литье под давлением, прессовании полимерных композиционных материалов и металлов. Конструкция и геометрия пресс-формы определяет форму будущего изделия, его фактуру, шероховатость, плотность, прочность. Пресс-формы используются для серийного выпуска пластиковых изделий идентичной конфигурации.

Для изготовления продукции в пресс-форме материал должен иметь способность переходить в вязкотекучее состояние при нагревании до высоких температур, чтобы полностью заполнить замкнутую формообразующую полость, и сохранять форму после охлаждения. В качестве исходного сырья, подходящего под данные требования, используют полимерный композит (реактопласты или термопласты) или металл.

При литье под давлением и прессовании в пресс-формах можно получить тонкостенные изделия значительной массы с различными конструктивными элементами, включая детали сложной конфигурации с наружными и внутренними резьбовыми соединениями, отверстиями, ребрами жесткости, внутренней арматурой.

Конструкция пресс-форм

Пресс-форма имеет сложную конструкцию и состоит из нескольких узлов. Все узлы условно можно разделить на две группы:

• элементы технического назначения;

• элементы конструктивного назначения.

Элементы технического назначения

К данной группе относятся те составные узлы пресс-формы, которые непосредственно соприкасаются с сырьем в процессе переработки и участвуют в формообразовании будущего изделия:

• пунсон;

• матрица;

• вкладыши и формующие знаки;

• кольца;

• резьбовые знаки.

Элементы конструктивного назначения

К конструктивным деталям относятся те, которые не соприкасаются с материалом непосредственно, но обеспечивают работу элементов технического назначения в правильном режиме. Также они служат для закрытия и открытия формы, фиксации в определенном положении, связи с узлом замыкания. К конструктивным элементам относятся:

• направляющие колонны;

• втулки;

• выталкиватели;

• фиксаторы;

• опорные планки;

• ручки пресс-формы;

• система охлаждения и нагрева.

Пуансон и матрица

Пуансон – основной элемент пресс-формы, который расположен на ее подвижной части. Он предназначен для передачи давления на материал. Пуансон формирует внутреннюю часть детали. Профиль пуансона совпадает с профилем матрицы. При смыкании они образуют герметичную полость.

Матрица – основной элемент пресс-формы, который расположен на ее неподвижной части. Данный технологический элемент необходим для формирования наружной поверхности отливки.

Матрица может быть цельной или составной. Цельные модели более надежны в эксплуатации, однако их редко используют для изготовления изделий сложной формы по причине высокой трудоемкости и стоимость. Сложные отливки чаще изготавливают с применением составных матриц.

Матрица и пуансон формируют внутреннюю полость, которая определяет конфигурацию изделия. Подача материала осуществляется через литниковую втулку – специальный канал в матрице.

Для изготовления матрицы и пуансона для холодного литья используют высокопрочную сталь со степенью закалки в пределах 54-65 HRC, а также инструментальную стали марки 6ХВ2С. Для горячего литья применяют износостойкую сталь высокой прочности, устойчивую к температурным деформациям. Это необходимо для повышения ресурса пресс-формы и достижения максимальной устойчивости штампа.

Матрица и пуансон изнашиваются достаточно быстро. При средней интенсивности эксплуатации их срок службы составляет 4-6 лет. Для продления срока службы поверхности матрицы и пуансона необходимо очищать.

Ползуны

Ползуны – элементы пресс-формы, которые необходимы для формования сложных боковых поверхностей будущего изделия (отливки). Их движение осуществляется перпендикулярно направлению смыкания формы. Ползуны имеют отдельный привод – внутренний или внешний.

Закладные знаки

Закладные знаки – это съемные формообразующие детали, которые используются для оформления поднутрений, карманов, гладких отверстий, пазов или симметричных сквозных окон квадратной или многогранной формы. Формующие знаки могут иметь неподвижное или подвижное крепление, статичную или вращающуюся конструкцию.

Неподвижные соединения используются для знаков, которые не участвуют в выталкивании изделия после окончания технологического цикла. Крепление может выполняться запрессовкой или на расклепке. Подвижные знаки принимают непосредственное участие в выталкивании изделия после окончания цикла. Они могут использоваться как в стационарных, так и в съемных пресс-формах.

В отдельных случаях конструкция пресс-формы позволяет производить изделия с нужными конструктивными отверстиями без введения формующих знаков. Однако такой процесс литья или прессования более затратный по причине высокой стоимости самой формы. Вариант формования отверстий знаками доступнее и дешевле.

Статичные знаки устанавливаются на пресс-форму вручную непосредственно перед началом цикла литья, после чего извлекаются из пресс-формы вместе с отливкой. Знак используется повторно в следующем цикле литья. Его извлекают из отливки и снова устанавливают в пресс-форму. ТПА в этом случае работает в режиме полуавтомата. Как правило, закладные знаки используются в мелкосерийном и опытном производстве.

Вращающиеся знаки используются для формирования внутренней резьбы. Для их работы используется электрический, гидравлический или механический привод.

Система литников

Литниковая система необходима для введения расплава материала во внутреннюю формообразующую полость пресс-формы. Литники могут иметь простую и сложную конструкцию, использоваться для холодного или горячего литья.

Наиболее дорогие литниковые системы снабжены системами автоматического управления клапанами, обеспечивающими выпуск изделий с незаметной точкой впрыска – это горячеканальные литниковые системы. Они состоят из разводящих коллекторов и системы сопел. Коллектор транспортирует материал от сопла машины к разводящим соплам и далее напрямую в формующую полость пресс-формы. Сопла и коллекторы от разных производителей имеют аналогичную конструкцию, что позволяет менять их без проблем и без привязки к модели пресс-формы.

Литниковые системы холодноканального типа бывают двух видов: двухплитные и трехплитные. Тип применяемых систем зависит от сложности формы изделия и особенностей технологического процесса.

Вкладыши

Вкладыши применяются, когда в изделии необходимо оформить отверстия несимметричной формы или несквозные углубления. Их стоимость достаточно высока. Но стоимость производства пуансона со стационарными формующими элементами заданной формы и размера будет выше. При этом конструктивные особенности пуансона не позволят изменить местоположение отверстий и пазов. При использовании вкладышей появляется больше конфигураций аналогичных изделий.

Кроме того, тонкие формующие выступы, выполненные единой деталью с пресс-формой, могут легко сломаться в процессе производства изделий. Восстановление конфигурации такой пресс-формы невозможно. Необходимо будет менять всю форму.

Резьбовые знаки

В отличие от других аналогичных элементов конструкции, резьбовые знаки служат для запрессовки в изделие металлической арматуры. В этом случае гайки, штифты и прочие элементы навинчиваются на знак. Сам знак устанавливается в матрицу или пуансон на время рабочего цикла, а после его окончания извлекается вместе с изделием и выкручивается.

Правильное положение резьбового знака в изделии определяется буртиком, который входит в соответствующее углубление. В результате арматура запрессовывается без смещения. Это же правило действует для других видов знаков пресс-формы.

Резьбовые кольца

Основное назначение резьбовых колец – формирование наружной резьбы на изделии. Кольца, как правило, устанавливаются в нижнюю часть пресс-формы. После окончания процесса литья или прессования изделие извлекается из формы вместе с кольцами, после чего они свинчиваются вручную или в автоматическом режиме.

Система выталкивателей

Выталкивающая система используется для непосредственного извлечения изделия из формы после окончания производственного цикла.

Выталкиватели могут быть цилиндрическими (стержневыми) или плитными. В первом случае они представляют собой систему цилиндров, во втором – цельную плиту. При использовании плиты изделия поднимаются над пресс-формой, после чего снимаются сжатым воздухом или вручную. Для отдельных изделий сложной конфигурации может использоваться многоступенчатая система выталкивания, при которой сами выталкиватели движутся асинхронно. Для резьбовых изделий также популярны резьбовые выталкиватели.

Выталкивающая система приводится в движение стандартным приводом ТПА или пресса. Также существуют модели пресс-форм с отдельным приводом для выталкивателей. Он может быть электрическим, гидравлическим или пневматическим.

Элементы управления

Втулки, направляющие колонки, локальные колонки, счетчики циклов, центраторы, запирающие клинья относятся к элементам системы управления. Они обеспечивают центрирование пресс-формы при смыкании.

Классификация пресс-форм

Классификация пресс-форм осуществляется по следующим критериям:

• Принцип действия. Пресс-формы могут быть для прямого прессования и литьевого прессования.

• Способ установки. Формы делятся на съемные и стационарные.

• Принцип работы. Пресс-формы бывают ручными, полуавтоматическими и автоматическими.

• Направление плоскости разъема. Могут быть вертикальными и горизонтальными.

• Количество изделий. Формы бывают одногнездные и многогнездные.

• Количество смыканий. Параметр определяет ресурс формы.

• Система нагрева.

• Система охлаждения.

Пресс-формы прямого прессования

Пресс-формы для прямого прессования используют для изготовления изделий простых форм на прессах. На неподвижной плите закрепляется матрица, на подвижной – пуансон. В процессе производства сырье помещается в матрицу, пуансон давит сверху с заданной силой, уплотняя материал. В результате материал заполняет всю форму, после чего застывает. Охлажденное изделие выталкивается из пресс-формы. Таким способом изготавливают штучные или мелкосерийные изделия.

Пресс-формы литьевого прессования

Литьевое прессование подходит для изготовления крупносерийных партий изделий с более сложной конфигурацией. Формы перед прессованием находятся в сомкнутом состоянии. Во внутреннюю полость подается расплав, после чего изделие охлаждается и при помощи выталкивателей удаляется из пресс-формы.

Съемные и стационарные формы

Стационарные пресс-формы наиболее популярны. Они монтируются на плите агрегата и не удаляются после окончания производственного цикла. Извлечение изделий происходит без снятия формы. Съемные формы могут убираться с плиты для извлечения готовой продукции и устанавливаться повторно перед началом следующего производственного цикла.

Вертикальные и горизонтальные пресс-формы

Пресс-формы могут быть вертикальными или горизонтальными. К формам с вертикальным разъемом относятся модели, снабженные пуансоном и матрицей. Направление размыкания формы перпендикулярно усилию узла смыкания, действующему в горизонтальном направлении. В формах с горизонтальным типом разъема ось размыкания перпендикулярна усилию сжатия, действующему в вертикальном направлении. Возможен разъем формы в двух плоскостях – в вертикальной и горизонтальной.

Одногнездные и многогнездные формы

По количеству одновременно изготавливаемых отливок или отпрессовок формы делятся на одногнездные и многогнездные.

Одногнездные формы рассчитаны на производство одного изделия за один технологический цикл. Могут использоваться как в ТПА, так и в прессах. Чаще применяются для производства крупногабаритных изделий или деталей сложной конфигурации.

Многогнездные формы бывают двух видов: для производства одного вида изделий в заданном количестве и для производства нескольких видов изделий с фиксированным размером партии за один цикл. Пресс-формы для производства однотипных изделий в большом количестве наиболее экономичны, рентабельны и потому популярны. Они выпускаются как с холодноканальными, так и с горячеканальными литниковыми системами. Пресс-формы для разнотипных изделий имеют сложную конструкцию, высокую цену и применяются достаточно редко.

Пресс-формы с различными выталкивающими системами

Выталкивающая система может иметь различные конфигурации: стержни (цилиндры), плиты, вкладыши. Также возможен выпуск пресс-форм без выталкивателей.

Стержневые выталкиватели пользуются наибольшей популярностью. Они давят на готовое изделие точечно до тех пор, пока оно не выпадет из формы на транспортирующую ленту конвейера. Принцип работы вкладышей схож. Вкладыши давят на изделие до тех пор, пока оно не будет извлечено из формы.

Формы с холодноканальными и горячеканальными литниками

Горячеканальные литниковые системы часто используются для многоточечного впрыска при производстве изделий сложной формы или крупногабаритных тонкостенных деталей. В такой системе разогрев материала до вязкотекучего состояния проводится на протяжении всего цикла. Сама система разогревается перед началом работы. В результате литник расплавлен, удалять его не нужно. Это позволяет сэкономить сырье, которое затем перешло бы в категорию отходов для вторичной переработки (литники), использовать машины с меньшим объемом впрыска.

Горячеканальная система литников имеет сложную конструкцию, высокую стоимость. Она требует больших энергозатрат и интенсивного охлаждения. В процессе литья нетермостойкие полимеры могут перегреваться в полостях горячих каналов.

Холодноканальная система литников надежна, проста в обслуживании, более доступна по цене в сравнении с горячеканальной. Но отливки после окончания цикла производства имеются ненужные литники, которые необходимо удалять. Удаление литников осуществляется оператором. Первоначальный расход сырья также включает в себя и материал, расходуемый на литники. Для переработки литников используются дробилки и грануляторы для производства вторичного сырья.

Существуют вариации пресс-форм с самоотрывными литниками. Для этого в конструкции формы предусмотрен механизм, отделяющий литники от отливки, что позволяет убрать ручную операцию по обработке изделий, но не снижает расход сырья на объем литников. Такие формы имеют трехплитную конструкцию: одна плита матрицы и две плиты пуансона. Размыкание производится в двух плоскостях для одновременного извлечения готового изделия и удаления литника.

Количество смыканий

Одним из параметров, классифицирующих пресс-формы, является количество смыканий, определяющее ресурс использования конструкции.

Формы с небольшим количеством смыканий до 10000 используются при производстве опытных партий продукции, когда запускается пробная партия для прощупывания рынка. Также они применимы в налаженном производстве изделий под конкретного потребителя, когда известно количество необходимых отливок. В случае если объем производства увеличится, необходимо заказывать новую пресс-форму с аналогичным или большим ресурсом. Такие пресс-формы изготавливают из предзакаленной стали твердостью <30HRC.

Формы с ресурсом до 150000 смыкания наиболее популярны и находятся в среднем ценовом сегменте. Они используются для изготовления средних и крупных товарных партий. Для производства форм данной категории используют сталь твердостью 36…42HRC. Пресс-форма имеет достаточный ресурс и может подвергаться капитальному ремонту для восстановления и увеличения срока службы.

Формы, рассчитанные на более чем 150000 смыканий, используются для массового производства. Они дорогостоящие, но ресурс может быть полностью восстановлен посредством капитального ремонта. Материал формы – сталь с термической обработкой, обладающая твердостью >50HRC. Может дополнительно проводиться поверхностное упрочнение пресс-формы.

Ручные, полуавтоматические и автоматические пресс-формы

Самыми простыми являются ручные пресс-формы, требующие непосредственного участия оператора в технологическом цикле. Они показывают низкую стабильность цикла, используются для опытного производства пробных партий изделий. Используются в комплекте с закладными знаками.

Полуавтоматические пресс-формы удобны и просты в обслуживании, показывают высокую стабильность в работе и высокое качество изделий на выходе. Они применяются для изготовления мелких и средних партий деталей с закладными знаками. Часть работы производится оператором.

Наиболее производительными считаются автоматические пресс-формы. Их работа и качество изделий не зависит от работы оператора. Весь процесс полностью автоматизирован. Применение пресс-форм актуально для крупносерийного и массового производства.

Обогрев пресс-форм

В процессе переработки полимеров их необходимо довести до вязкотекучего состояния, что невозможно без дополнительного внешнего нагрева. Для обогрева пресс-форм могут использоваться водяные, паровые, газовые или электрические нагреватели. Для литьевых пресс-форм при производстве изделий из термопластов самая популярная система обогрева – паровая. Охлаждение при этом производят водой. В самой пресс-форме имеются сквозные отверстия, по которым движется теплоноситель. Движение теплоносителя может быть параллельным, последовательным и смешанным, что определяется структурой внутренних каналов.

В процессе производства изделий из реактопластов наибольшей популярностью пользуются пресс-формы с газовым или электрическим обогревом. ТЭНы могут быть патронными, спиральными, плоскими или гибкими. Патронные нагреватели наиболее мощные, они могут нагреваться до температуры 500⁰С при максимальной удельной мощности 50 Вт/см². Контроль температуры обеспечивается встроенной термопарой.

Охлаждение пресс-форм

С целью обратного перехода материала из вязкотекучего состояния в твердое проводят охлаждение отливки. Именно этот процесс занимает большую часть времени технологического цикла. При некачественном охлаждении может наблюдаться коробление отливки и ее последующая отбраковка.

Система охлаждения состоит из соединенных между собой каналов, по которым циркулирует хладагент. Она обеспечивает как поддержание заданной рабочей температуры в цилиндре ТПА, так и последующее охлаждение деталей в конце цикла производства.

Наибольшее распространение получила водяная система охлаждения. Вода циркулирует по внутренним каналам пресс-формы. Каналы охлаждения выполняются как в подвижной, так и в неподвижной плите, что обеспечивает более равномерное снижение температуры во всей отливке одновременно. По форме сечения каналы могут быть радиальными, криволинейными, прямолинейными, пересекающимися и ступенчатыми. Рекомендуется выполнять каналы с сечением до 10-12 мм.

Количество каналов определяется конфигурацией и размером отливки, необходимой интенсивностью охлаждения и массой заливаемого в пресс-форму расплава. Подвод воды осуществляется через резиновые шланги, закрепленные на штуцерные соединения.

Изготовление пресс-форм

Пресс-формы изготавливаются из высококачественной инструментальной стали с первичной механической и последующей термической обработкой. Примером может служить коррозионностойкая сталь 40Х13. Далее изделия закаляют, что повышает износостойкость рабочих поверхностей формы.

Закаленные изделия подвергают получистовой и чистовой обработке с последующей финишной доводкой отдельных поверхностей. Особое внимание уделяется ребрам жесткости. Для этого применяют ручную полировку, электромеханическую или лазерную обработку. При необходимости может проводиться поверхностное упрочнение для повышения ресурсоемкости формы.