книги из ГПНТБ / Степнов И.Е. Конструирование форм для стеклянных изделий

Из данных табл. 10 видно, что отношение площадей попереч­ ного сечения нижней части черновой формы к чистовой форме в этой же плоскости составляет 42—45%. Следовательно,

■Si черн —5ЧИСТ • 0,45 = 28,2 • 0,45 = 12,69 см2.

Определим диаметр нижней части конфигурации черновой формы:

nDi

•*1черн'

отсюда

•^ічерн' 4 12,69*4

3,14

DІчерн 40 ММ.

Далее определяют диаметр черновой формы в месте перехода цилиндрической части к плечикам. Площадь поперечного сечения чистовой формы в такой плоскости будет равна также 28,2 см2, а отноше­ ние площадей поперечного сечения формы в этом месте по табл. 9 состав­

ляет 25% • Следовательно,

Дгчерн= S24HCT ■0,25 = 28,2 • 0,25 = 7,07 см2.

Определим диаметр конфигурации черновой формы в месте перехода ци­ линдрической части контура к плечи­ кам:

Таким же способом определяют размеры конфигурации черновой фор­ мы в остальных точках.

Обычно плоскость сопряжения чер­ новой формы с донным зйтвором оформляют, как указано на рис. 71.

Если придерживаться этого метода расчета, то несложно определить дли­ ну черновой формы и расстояние от низа ее до поддона чистовой формы

При расчете внутренней конфигурации черновых форм для вы­ работки бутылок на стеклоформующих машинах с вакуумным пи­ танием можно также исходить из соотношения площадей сечения.

Практически установлено, что площадь сечения нижнего конца внутреннего контура черновой вакуумной формы должна состав­

150

лять 18—20% от площади сечения контура чистовой формы в этой же плоскости, а в месте перехода в плечики приблизительно 32— 35% от площади сечения контура чистовой формы в этой же плос­ кости.

Известен и другой способ определения основных размеров пульки. Его можно использовать, когда известны следующие ис­ ходные данные: массы изделия, высота и полная емкость изде­ лия, в том числе до линии горло­ вого оформления. Зная массу изде­ лия, можно легко определить объем стекломассы, необходимой для из­ готовления изделия. Располагая этими данными, можно определить

%

размеры воздушной полости пульки в процентах от объема стекло­ массы, потребляемой для изготовления изделия в форме.

Практикой установлено: для узкогорлых изделий, вырабаты­ ваемых на выдувных стеклоформующих машинах, объем воздуш­ ной полости пульки при массе изделия до 600 г, 1000 г и 1500 г соответственно составляет 38; 26,5 и 18,5% объема стекломассы, идущей на изготовление изделий.

Объем воздушной полости пульки для изделий различного веса можно определить, пользуясь графиком на рис. 72.

Для определения высоты пульки сначала устанавливают рас­ стояние от основания пульки до поддона чистовой формы. Этот размер определяют по графику на рис. 73.

Так как высота изделия известна, а расстояние от низа пульки до поддона чистовой формы установлено, то можно определить

151

высоту пульки. Определив высоту пульки, зная ее общий объем и диаметр у шейки изделия, можно рассчитать диаметр основа­ ния низа пульки.

Существует и другая последовательность расчета размеров внутренней конфигурации черновой формы. Для проведения этого расчета должны быть известны масса изделия и его объем. Для расчета общего объема внутренней полости черновой формы необ­ ходимо сначала определить отношение объема воздушной по­ лости, образующейся в черновой форме после ее заполнения стек-

Рис. 74. Графики определения отношения объ­ ема воздушной полости черновой формы, об­ разующейся после заполнения формы стекло­ массой, к объему взятой стекломассы

ломассой и соответствующей подпрессовки, к объему взятой стек­ ломассы. Это отношение выражается следующим образом:

Ѵі

где V — общий объем полости черновой формы; Ѵі — объем стекломассы.

Из этого отношения следует:

Ѵ =

или

Ѵ = -

_Ѳ_

100

где G — масса бутылки, г;

g — плотность стекломассы, г/см3.

Для определения отношения объема воздушной полости чер­ новой формы к объему взятой стекломассы были составлены гра­

152

фики для изделий, у которых масса больше объема (рис. 74, а) и меньше объема (рис. 74, б).

Как уже было сказано, для этого расчета требуются исходные данные: масса изделия и его объем. Располагая такими данными, можно использовать графики рис. 74 и определить полный объем рабочей полости черновой формы.

Приводим пример расчета полного объема полости черновой формы. Прежде всего из большей величины вычитают меньшую (независимо от того, какая величина больше численно — масса или объем). Полученную величину разности откладывают на горизон­ тальной оси А соответствующего графика. Из полученной на оси А точки восстанавливают перпендикуляр до пересечения с линией Б, а из точки пересечения проводят горизонтальную линию до пересечения с осью В. Точка пересечения этой линии с осью В покажет искомую величину процентного отношения объема воз­ душной полости черновой формы к объему стекломассы.

Пусть требуется рассчитать общий объем полости черновой формы для выработки бутылки массой 410 г, емкостью 530 см3. Как видно, в этом примере вес меньше объема, поэтому будем пользоваться графиком на рис. 74, б. Разность величины объема и веса составляет 530—410=120. Берем отношение равным 36%, тогда

МАТЕРИАЛЫ ДЛЯ ОСНОВНЫХ ДЕТАЛЕЙ ФОРМ

1. Требования к материалу деталей форм

Материал основных деталей форм должен обладать целым комплексом конструкционных свойств — механических, теплофизи­ ческих, технологических и эксплуатационных, обеспечивающих на­ дежную, долговечную, высокопроизводительную и экономичную работу форм в условиях циклически изменяющихся температур и нагрузок.

Важнейшие требования к материалу основных деталей следую­

щие:

легкость получения заготовок и их обработки; плотная, однородная, мелкозернистая структура;

относительно высокая теплопроводность, температуропровод­ ность и тепловая аккумуляция;

минимальные температурные деформации и напряжения в де­ талях форм, обусловленные величинами коэффициента линейного расширения и модулем упругости;

высокая коррозио-, жаро- и ростостойкость при температурах выработки;

153

минимальная адгезия со стекломассой при нормальном тепло­ вом режиме работы;

хорошая смачиваемость рабочих поверхностей смазочными ма­ териалами;

высокая износостойкость; легкость, удобство и простота эксплуатации форм;

относительно невысокая стоимость материала.

Качество стеклянных изделий, выход годных изделий, произ­ водительность процесса, стойкость и надежность форм, а также себестоимость производства в значительной степени зависят от материала основных деталей форм.

Выбор материала, обладающего всем комплексом свойств, предъявляемых к стекольным формам, является в настоящее время предметом широкого обсуждения.

В качестве материала для форм применяют многочисленные составы чугунов, сталей и сплавов. Однако большое количество разнообразных требований к их физико-механическим, теплофизи­ ческим, химическим и другим свойствам весьма осложняет реше­ ние вопроса. Этим можно объяснить то обстоятельство, что до настоящего времени не найдены материалы, полностью удовлетво­ ряющие всем требованиям.

Изыскание материалов с оптимальными свойствами является сложной многоплановой задачей, требующей глубоких знаний всех факторов, влияющих на их свойства, и параметров для оценки этих свойств.

2. Параметры для оценки конструкционных свойств материала деталей форм

Выбор материала для основных деталей форм начинается с определения технических возможностей получения требуемых заготовок и их обработки. Наличие сложной гравюры формующих поверхностей во многих случаях обусловливает необходимость применения слесарной обработки чеканкой.

Основной характеристикой обрабатываемости материалов можно считать их твердость. При механизированной обработке допустима твердость по Бринелю НВ до 230 единиц. В случае ручной слесарной обработки оптимальной следует считать твер­ дость в пределе НВ = 160-М 80.

С точки зрения повышения износостойкости желательно иметь наиболее высокую твердость материала в условиях эксплуатации при нагреве до 600° С.

Плотность и изотропность материала в значительной степени определяется способом получения заготовок. Это относится в рав­ ной степени ко всем материалам, так как даже мелкие поры диа­ метром 0,2—0,3 мм оставляют отпечатки на поверхности изделий. Кроме того, анизотропность материала сопровождается измене­ нием теплофизических свойств и, как следствие этого, в процессе эксплуатации пресс-форм происходит их неравномерный нагрев и коробление.

154

Значения теплофизических свойств некоторых металлов и спла­ вов приведены в табл. 11.

Т а б л и ц а 11

Теплофизические параметры некоторых металлов и сплавов при повышенных температурах (400° С)

графитизированные чугуны (58—70Вт/м-°С). В обычных серых нелегированных чугунах теплопроводность колеблется от 50 до 60 Вт/м-°С.

С повышением содержания легирующих элементов (хрома, ни­ келя и др.) теплопроводность чугуна понижается.

В высоколегированных чугунах типа нирезит теплопроводность равняется 10,5—12,5Вт/м-°С.

Если принять теплопроводность чугуна графитизированного за единицу, то теплопроводность чугуна высоколегированного состав­ ляет 0,14—0,16.

Теплопроводность чугунов с повышением температуры не­ сколько понижается.

155

Теплопроводность жаростойких и нержавеющих сталей с изме­ нением температуры изменяется незначительно.

Коэффициент линейного расширения большинства марокчугунов в интервале температур 350—500°С находится в пределах

Введение присадок алюминия, никеля, хрома и других элемен­ тов в низколегированных чугунах не оказывает заметного влияния на величину коэффициента линейного расширения.

У всех марок чугунов с повышением температуры коэффициент линейного расширения возрастает.

При расчетах деталей пресс-форм, изготовленных из • перлит­ ного чугуна, соответствующего по прочности серому чугуну СЧ 21-40 и содержащего в своем составе небольшое количество леги­ рующих примесей, коэффициент линейного расширения при 400° С можно принимать равным 12-10~6 1/°С.

Коэффициент линейного расширения нержавеющих сталей мартенситного класса 2X13, 3X13, 4X13 после отжига при темпе­ ратуре 1050°С равен (12,1—12,2) ІО-6, а после закалки при той же температуре в масле уменьшается до 10,1 • ІО6.

Закалка с отпуском при 720—750° С вновь приводит к повыше­ нию коэффициента линейного расширения до 12,2-10-6 1/°С.

Коэффициенты линейного расширения у всех сталей аустенит­

ний коэффициентов линейного расширения у аустенитных сталей незначительное: с содержанием никеля до 20% в интервале тем­

(ЭИ257).

При укрупненных ориентировочных расчетах для всех марок

сталей этого класса можно считать ß = 18,0- ІО-6 1/°С.

Для всех известных нам материалов с повышением темпера­ туры модуль упругости Е, как правило, монотонно снижается, а коэффициент линейного расширения увеличивается.

Произведение ߣ для большинства материалов в интервале температур 20—600° С остается примерно постоянным. С увели­ чением ߣ при прочих равных условиях величина температурных напряжений возрастает.

Для чугуна зависимость между модулем упругости и темпера­ турой с хорошим приближением определяется по формуле

Et — E{\ -\-at— ß^2),

где Et — модуль упругости при температуре t;

Е — модуль упругости при комнатной температуре;

а= 0,0068-10-2;

ß= 0,0044-ІО-4.

156

У всех марок сталей с повышением температуры модуль упру­ гости вначале медленно, а затем все быстрее падает. С повыше­ нием температуры разница в значениях модулей упругости возра­ стает. Особенно резко убывает с повышением температуры модуль упругости у цветных металлов и сплавов.

Коэффициент поперечной деформации с возрастанием тем­ пературы несколько повышается. Однако в расчетах в первом приближении его значения можно считать неизменными.

Пределы текучести, прочности и выносливости в зоне темпе­ ратур 500—600° С для всех материалов заметно уменьшаются, особенно при длительном действии нагрузок.

Определяющим условием термической усталости металлов яв­ ляются повторяющиеся пластические деформации.

Исследования, проведенные Хаасом {26], подтверждают, что если исключить влияние коррозии, концентрации напряжений и структурных факторов и принять для упрощения расчетов пара­ болический закон кривых распределения температур по сечению быстро нагреваемой пластины, то возникновения трещин от пере­ мены температур не будет, пока отсутствуют повторяющиеся плас­ тические деформации циклического нагружения (область предела усталости).

Для этого между напряжениями на поверхности оп и преде­ лом текучести оо.гг металла при данной температуре должно быть следующее соотношение:

2а0і2(

Напряжение ап возрастает с увеличением модуля упругости Еи коэффициента термического расширения ß(, показателя пара­ болы п и максимального перепада температуры между поверх­ ностью и серединой пластины в следующей зависимости:

°n — Et A^max ———-.

п + 1

Отсюда максимально допустимая разница температур при быст­ ром нагревании и замедленном ощ аждении

Максимальные термические напряжения растяжения — сжатия

‘при заданной интенсивности теплового потока пропорциональны толщине стенки и фактору К\.

где ц — коэффициент поперечной деформации..

Фактор Кі является характеристикой теплофизических свойств материала.

157

Из формулы (VIII. 1) следует, что при прочих одинаковых условиях лучшим будет материал с меньшим значением Кі.

Если взять отношение предела выносливости материала а_іь к фактору Кі, получим показатель термомеханической выносли­ вости материала в следующем виде:

К а = а~ '^ Е (VIIL2)

Значения показателя термомеханической выносливости для не­ которых материалов при средней температуре 400°С приведены в табл. 12.

Т а б л и ц а 12

Показатели термомеханической выносливости некоторых металлов и сплавов

Большему значению Кг соответствует более высокая термо­ механическая выносливость материала. При температуре до 400° С

первом месте находятся алюминиевые бронзы. Однако при повы­ шении температуры до 500—600° С предел выносливости алюми­ ниевых сплавов, чугунов и алюминиевых бронз резко понижается. Алюминиевые сплавы при этих температурах вообще не пригодны к эксплуатации, а критерий Кг для сталей оказывается относи­ тельно выше, чем для чугунов.

Из сказанного ранее следует, что для выработки изделий из стекломасс с низкой температурой по термомеханической выносли­ вости пригодны всё рассмотренные материалы.

Для прессования термостойких изделий из стекломасс с высо­ кой температурой выработки требуются материалы с высоким пределом термомеханической выносливости.

Оценку пригодности материала для изготовления основных де­ талей пресс-форм из условий термостойкости можно также устано-

158

йн — ударная вязкость, Н-м/м2.

Здесь меньшему значению факторов Кз и Кі соответствует бо­ лее высокая стойкость материала.

Формулу (ѴІІІ.З) целесообразно применять для расчета прессформ с воздушным охлаждением, а формулу (VIII.4) — для дета­

металлической группы факторов могут быть оценены показателем жесткости:

f = f>T:El, (VIII.5)

где Т — перепад температур, 0 С.

Коррозио-, жаро- и ростостойкость характеризуются как спо­ собность металла оказывать сопротивление росту (не более 0,2%) и окалинообразованию (не более 0,5 г/м2) при температуре 600° С в течение 150 ч.

Жаростойкость материала может быть оценена в соответствии с ГОСТ 5632—61 по привесу образца в г/м2 или глубине корро­ зии, мм/год, при эксплуатационных температурах.

Рассмотренные параметры позволяют для каждого конкретного случая выбрать материал для стекольных форм, исходя из основ­ ных требований к ним.

Окончательное решение вопроса должно быть обосновано рас­ четами эффективности по технико-экономическим показателям, ос­ новным из которых является себестоимость выработки одного стеклянного изделия.

Если исключить влияние других конструктивных факторов, то в общем случае выбор материала с оптимальными свойствами должен быть основан из условий минимальных затрат на изго­ товление одного изделия.

Оптимальным материалом для изготовления основных деталей пресс-форм будет такой, который обеспечит получение изделий

159