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

хромистая нержавеющая сталь 4X13 (Л = 29 Вт/м-°С). Эта сталь наиболее полно удовлетворяет и другим требованиям производ­ ства. Поэтому не случайно, что сталь 4X13 у нас имеет наиболь­ шее применение.

При выработке прессованных изделий из стекломасс для прос­ того посудного стекла и полухрусталя пресс-формы из этих ста­ лей имеют весьма высокую стойкость. Так, например, на одном из заводов с 1953 г. эксплуатируются пресс-формы на крышку и кор­ пус круглой пудреницы. В таких пресс-формах выработано более 350 тысяч изделий. В матрицах по впадинам гравюры появились трещины, однако они еще не утратили своих эксплуатационных качеств и находятся в работе.

Анализ составов сталей, применяемых в стекольной промыш­ ленности других стран, показывает, что для изготовления высоко­ качественных изделий применяются жаростойкие хромоникелевые стали с небольшими добавками некоторых других элементов.

Кроме сталей, в стекольной промышленности находят примене­ ние высокотемпературные сплавы.

Сплавы на никелевой основе, упрочненные небольшим количе­ ством алюминия, титана и в большем количестве хромом, кобаль­ том и молибденом, обладают высокой прочностью при нагреве, стабильны к окислению.

В США такие сплавы, известные под названием «вискотерм», находят применение в стекольной промышленности для изготов­ ления форм, выталкивателей, наборных головок и других дета­ лей. Сплавы жаростойки при температуре до 1300° С [15].

В Англии широкое распространение получили сплавы «колмоной» на никелевой основе, содержащие бориды хрома и карбид хрома. Известно несколько марок сплавов «колмоной». Так, на­ пример, для наплавки пульверизацией применяются сплавы № 4,

дость по Роквеллу HRC = 56—61; средний коэффициент линейного расширения при температуре от 0 до 6бО°С ß= 14,5- 10—6 1/°С.

Сплавы обладают хорошей сопротивляемостью износу, коррозио- и жаростойкостью.

Вследствие невысокой температуры плавления сплавы «колмо­ ной» представляют особую ценность при нанесении их наплавле­ нием или распылением на поверхности деталей вновь изготовляе­ мых или ремонтируемых форм. Стекло не пристает к покрытию из «колмоноя». Пуансоны из чугуна с покрытием толщиной 0,7 мм имеют стойкость примерно в 5—6 раз больше, чем без покрытия. Благодаря повторным нанесениям покрытия срок службы пуан­ сона можно увеличить в 15—18 раз.

Очевидно, что жаростойкие покрытия можно наносить не только

170

на чугунные детали, но и на стальные. Так, например, предложена новая усовершенствованная конструкция пресс-формы из жаро­ прочной стали для изготовления изделий сложной формы. Для улучшения условий работы и повышения качества изделий с не­ равномерными толщинами стенок поверхности пуансонов и мат­ риц, формообразующие более тонкие стенки изделия, изготовляют из сплава следующего состава (по массе):

N1= 75—90; Сг = 4-^18; В = 0,75—4,5; Fe + Si + C<10 (пат. СССР, кл. 32а, 11/06, № 269829).

Очень перспективно получение материалов с заданными свой­ ствами методами металлокерамики. На стекольном заводе имени Артема применяют формы с металлокерамическими железографи­ товыми вставками из массы следующего состава, %: графит ЗКА или ТКА (ГОСТ 4404—58) —1—3, медный порошок (ГОСТ 4960—49)—2,5—4; железный порошок ПЖ2М2 (ГОСТ 9849—61) — 93—96,5. Разработана специальная технология изготовления вста­ вок и установки их в корпусах форм. Испытания форм со встав­ ками показали, что благодаря повышенной теплопроводности вста­ вок уменьшается продолжительность нагрева форм, увеличивается их срок службы (при износе заменяются только вставки), улуч­ шается качество стеклянных изделий.

7. Алюминиевые бронзы

Алюминиевые бронзы как материал для изготовления основных деталей пресс-форм по ряду важнейших показателей заслуживают особого внимания. Хорошая обрабатываемость в горячем и холод­ ном состоянии, высокая антикоррозийность, жаростойкие, износо­ стойкие свойства и теплопроводность при достаточно больших прочностных характеристиках позволяют применять их вместо чу­ гунных и стальных пресс-форм.

Алюминиевые бронзы, легированные никелем и железом, обла­ дают высокой прочностью, весьма износостойки и имеют при повы­ шенных температурах (до 500° С) высокие свойства.

Марганец, входя в твердый раствор медноалюминиевых сплаЕов, повышает их прочность, коррозийные и технологические свой­ ства.

Свинец, сурьма, мышьяк, висмут, сера, фосфор и цинк явля­ ются вредными примесями в алюминиевых бронзах, так как они понижают механические и технологические свойства этих бронз.

Алюминиевые бронзы как кристаллизующиеся в весьма узком интервале температур не склонны к ликвации, весьма жидко­ текучи и в однофазном состоянии отлично обрабатываются давле­ нием. С повышением содержания алюминия резко возрастает твер­ дость сплава и понижается вязкость.

Алюминиевые бронзы применяют одно-, двух- и многокомпо­ нентные с добавками никеля, марганца, железа, титана и других элементов. Присадка железа, марганца и никеля оказывает влия­ ние на фазовые превращения, повышает прочностные и техноло­ гические свойства алюминиевых бронз.

171

Никель резко смещает однофазную область в сторону меди и позволяет облагораживать алюминиевые бронзы термообработ­ кой. Присадка никеля повышает механические, физические и экс­ плуатационные свойства алюминиевых бронз.

Железо измельчает структуру, задерживает фазовую перекрис­ таллизацию алюминиевых бронз, предотвращая тем самым само­ произвольный отжиг при литье, заключающийся в образовании крупнозернистой хрупкой у-фазы. Железо повышает прочность, твердость и антифрикционные свойства алюминиевых бронз.

Опыт применения алюминиевых бронз свидетельствует об их высоких эксплуатационных свойствах.

На Запорожском стекольном заводе в пресс-формах для про­ изводства рассеивателей автомобильных фар были применены пу­ ансоны из алюминиевой бронзы марок БрАЖМц 10-3-1,5 и БрАЖ-9-4, вместо пуансонов из чугуна СЧ 21-40. Если при ра­ боте на автомате АПП-12 с использованием чугунного пуансона стойкость его составляла 5—8 тысяч изделий, то при применении пуансона из бронзы БрАЖМц 10-3-1,5 без переполировки его рабо­ чей поверхности было выработано 520 тысяч изделий. Соответ­ ственно при использовании пуансона из бронзы БрАЖ-9-4 были изготовлены 120 тысяч рассеивателей фар и 85 тысяч чашек Петри также без переполировки рабочих поверхностей пуансонов. Испы­ тания показали, что применение алюминиевых бронз для изготов­ ления пресс-форм создает экономию затрат благодаря значитель­ ному увеличению их стойкости, на 7—10% повышает коэффициент использования стекломассы и значительно увеличивает время не­ прерывной работы автоматов.

Весьма хорошие результаты были получены при использовании бронзы БрАЖ-9-4 для изготовления матриц со сложной гравюрой и на заводе «Красный гигант».

Преимущества матриц из бронзы БрАЖ-9-4 перед чугунными в их более легкой обработке и полировке, что позволяет получить более четкую гравюру, равномерном температурном поле по фор­ мующим поверхностям матрицы в процессе прессования, почти пол­ ном отсутствии коррозии, высокой стойкости по всем видам изно­ са. Отпрессованные изделия имеют высокое качество поверхностей.

На стекольном заводе фирмы «Glass Containers Corporation» (США) на машинах J. S. вместо чугунных форм для выработки стеклянной тары применяют формы из медноалюминиевого сплава, «инкрамет», покрытые никелем. Высокая теплопроводность сплава, повышающаяся с увеличением температуры, обеспечивает быстрый отвод тепла от стекломассы. Никелевое покрытие форм улучшает поверхность изделий.

Взависимости от условий производства, свойств и требований

кстеклянному изделию можно изготовлять пресс-формы из алюми­ ниевых бронз марок БрА5, БрА7, БрАЖ-9-4, БрАЖН-10-4-4,

БрАЖН-10-6-6, БрАМц 9-2Л, БрАМц 10-2, БрАМп 10-3-1,5 и др.

Преимущество форм из сплавав на медной основе по сравнению

счугунными в следующем:

172

увеличивается на 15—25% производительность; снижаются простои;

увеличивается примерно в три раза срок службы пресс-форм; облегчается изготовление и ремонт форм; улучшается качество выпускаемых изделий.

Недостатком алюминиевых бронз как материала для прессформ являются их довольно большие значения коэффициентов линейного расширения, которые примерно в 1,5 раза больше, чем у чугуна, а также более высокая стоимость и дефицитность. Од­ нако путем внедрения форм с вкладышами из медных сплавов можно до минимума снизить расход алюминиевых бронз на одну форму. К тому же отходы бронз и выброшенные формы вновь пойдут на переплавку.

8. Алюминиевые сплавы

Исследования показали принципиальную возможность приме­ нения теплостойких алюминиевых сплавов для изготовления ос­ новных деталей пресс-форм при выработке изделий из хрусталя и полухрусталя.

Твердое анодирование формующих поверхностей или их нике­ лирование обеспечивают высокие показатели стойкости форм.

Алюминиевые сплавы можно использовать в четырех вариан­ тах:

1)в виде вкладышей, образующих формующие поверхности пресс-форм;

2)в качестве обоймы для вкладышей;

3)как отдельные монолитные детали и части пресс-форм: мат­ рицы, пуансоны, кольца и др.;

4)в виде устройств оребрения деталей форм с целью повыше­ ния теплоотдачи в окружающую среду.

Г ла ва IX

РАСЧЕТ РАЗМЕРОВ ФОРМУЮЩИХ ПОВЕРХНОСТЕЙ

1. Факторы, влияющие на точность размеров стеклоформующих поверхностей

Форма и размеры формующих элементов деталей пресс-форм предопределяются формой и размерами соответствующих поверх­ ностей прессуемого стеклянного изделия и его теплофизическими

свойствами.

Точность размеров изделия зависит от ряда факторов: конструкции пресс-форм — надежности и точности фиксации

взаимного положения ее отдельных частей;

173

точности изготовления пресс-формы; колебания усадки стекломассы;

постоянства коэффициента линейного расширения материала формы;

точности определения расчетной усадки; колебаний температур режима прессования;

деформации деталей пресс-форм при их нагревании; деформации изделия после окончания прессования; степени износа пресс-формы; погрешностей контроля размеров изделия и др.

Наибольший размер стеклянных изделий окажется при следу­ ющих условиях.

1. Стекломасса имеет минимальное значение величины коэф­ фициента расширения ßn.min.

2. Размер соответствующего формующего элемента выпол­ нен по верхнему предельному значению поля допуска на его из­ готовление Тф.тах-

3. Поверхности формующего элемента изношены до допусти­ мого предела Аизн.шах*

4. Рабочая температура формы наибольшая 7ф.т а х .

5. Температура изделия в момент начала усадки — минималь­ ная /и.ІПІП.

Ч- max ~ ^ф.max“ 20; Ч- тІп= /Ѵ т7^20~ ИЗбЫТОЧНЫв Температуры.

Наименьшие значения размера изделия получаются в следую­ щих случаях.

1. Стекломасса имеет максимальное значение величины коэф­ фициента линейного расширения ßn.max-

2. Размер соответствующего формующего элемента выполнен по нижнему предельному значению поля допуска на его изготов­

ление 1,ф. min-

3. Поверхность формующего элемента не имеет износа, АИзн=0.

Полное поле отклонения размеров изделия определяется как разность между наибольшим и наименьшим размерами охватыва­

174

где Аизг и Аизн — соответственно допуск на изготовление и при­ пуск на износ.

При выводе формулы считаем, что средние значения коэффи­ циентов линейного расширения для зон с минимальными и макси­ мальными температурами остаются неизменными.

Первая часть формулы характеризует колебание температур­ ных деформаций детали пресс-формы Д У ф , вторая часть Д У И — колебание температурных деформаций изделия.

Рис. 75. Структурная схема полного поля рассеива­ ния размеров охватываемого элемента изделия

При графическом построении структурной схемы полного поля рассеивания размеров охватываемого элемента изделия в направ­ лении, перпендикулярном перемещению пуансона (рис. 75), за ис­ ходную величину принимают искомый размер полости формы Аф при температуре 20° С.

При условии направленного допуска на изготовление «в тело» размер полости формы Аф является для матрицы номинальным- и наименьшим.

Наибольшее значение размера полости формы Аф.юах при нор­ мальной температуре будет в случае изготовления ее по верхнему пределу допуска, наибольшей допускаемой изношенности и мак­ симально допустимой деформации соответствующего участка мат­ рицы.

Значение размера Аф.тах при температуре 20° С получим, отло­ жив от линии номинала 0—0 величины полей рассеивания

175

Дизн и Адеф. Размеры полости в связи с ее температурным расши­ рением будут:

^-ф^тах = ^ф . max О “Ь Рф^ф. max) = -^ф. max + ^ х ‘>

^ф ^тіп ^ф . min (1 ~Ь Рф^ф. min) ^ф . min “Ь ■Дг-

Аналогична по своей структуре схема полного поля рассеива­ ния размеров, охватывающего элемента изделия.

2. Определение усадки стеклянных изделий

формы.

Для стекла ВС-18-17 усадка составляет

При назначении рабочих размеров для деталей пресс-формы, оформляющих изделие, пользуются расчетной усадкой, так как изготовление пресс-формы . и контроль стеклянных изделий осу­ ществляются при комнатной температуре.

Расчетную усадку определяют по формуле

Ур = Аф La

Номинальный размер формующей полости формы

=+ Ур-

Аналитический расчет усадки можно выполнить, разделив весь процесс охлаждения изделия на три этапа:

1)охлаждение изделия в матрице после снятия давления пу­ ансоном до извлечения из формы;

2)охлаждение до отправки изделия на отжиг;

3)охлаждение изделия при отжиге.

Во всех случаях усадка является свободной и в первом прибли­ жении может быть принята изменяющейся по линейному закону.

При этом учитывают усадку лишь по габаритным размерам. Усадка по толщине стенок изделия незначительна и в расчетах во внимание может не приниматься:

£)с = d c + 2b,

где Dc, dc— соответственно внешний и внутренний диаметры; b —толщина стенки.

• 176

Если считать линейную зависимость коэффициента линейного расширения от температуры, тогда можно вместо трех этапов рассматривать один, измеряя его от окончания прессования пуан­ соном до охлаждения изделия до нормальной температуры.

Из равенства размеров изделия и формы в момент начала усадки можно определить необходимый номинальный размер формы:

J ___ M l ~ Ь Р и ^ и )

или

Lф . Н ^иРи^и Ур рф^ф

Так как температура распределяется по объему деталей прессформы неравномерно, в расчетах берется приведенная темпера­ тура, при которой размеры оформляющих элементов будут такими же, как и в реальных условиях.

Значение приведенной температуры оформляющих элементов

рLa

Для стекла БС-8-17 усадка составит

у Р. max = ( 6 , 6 — 4,2) 10-3L„ = 2,4- 10_3LH, мм;

y p.min = (5.3—6.6) 10_3L„ = —1,3- 10_3L„, мм; Sp. щах - 0,24%; sp.min = -0.13% .

Из аналитического расчета следует, что возможны случаи, ког­ да размеры изделия могут оказаться больше размера формы.

Колебание абсолютной расчетной усадки составит

усадки являются непостоянство температур изделия и пресс-фор­ мы, а также возможная нестабильность усадочного коэффициента стекла.

При изготовлении новой формы взамен изношенной возможно колебание усадки из-за изменения величины усадочного коэффи­ циента материала формы.

Колебание величины расчетной усадки, допуск на износ прессформы и допуск на ее изготовление обусловливают минимальную величину поля рассеивания размеров, которую нельзя компенси­ ровать изменением размеров оформляющих элементов деталей пресс-форм.

Температура изделия в момент окончания фиксации формы всегда выше температуры формующих поверхностей.

В толстостенных изделиях средняя температура при прочих одинаковых условиях выше, чем в тонкостенных.

Колебание усадки, связанное с непостоянством температуры изделия, будет составлять:

АУр. и — ^иРи (^и. ' ^и. min)

или, подставляя значения параметров для стекла БС, получим:

АУр. и = 8,85-10—6(750 —570) L „= 1,3310~3L„, или «0,13% .

Во всех случаях за максимальную температуру принимают температуру размягчения под собственным весом, а за минималь­ ную— температуру размягчения под нагрузкой.

Температура деталей пресс-форм в процессе прессования рег­ ламентируется обычно качеством поверхности стеклянного изде­ лия. Нижний предел ограничивается величиной, допустимой кованости поверхности изделия, а верхний — прилипанием стекло­ массы к поверхности формы:

А У р. ф ^фРф (^ф. max ^ф. min)"

178

Для стекла БС-8-17 и пресс-формы из серого чугуна СЧ 21-40

или 0,18% от размера детали.

Полное поле отклонения определится по формуле

Для достижения требуемой точности данного размера изделия абсолютная величина полного поля рассеивания не должна превы­ шать величину допуска на соответствующий размер, указанный в чертеже на стеклянное изделие

Д<і6,

где б — конструктивный допуск на размер изделия. В предельном случае А= 6, т. е.

ö = ДУф + ДУИ+ Дизг + ДИзн-

Сумма Д У ф + Д У и = ДУр представляет собой абсолютную вели­ чину колебаний расчетной усадки.

Для допуска каждого размера детали пресс-формы справед­ ливо требование

Дизг — б — ДУр Дизн.

Следует отметить, что влияние различных факторов на вели­ чину усадки исследовано очень мало. В частности, это относится к учету величин деформаций, характера их действия и методов определения. Особенно большие значения имеют деформации в из­ делиях с плоскими стенками. Так, например, в потолочных плафо­ нах для автобусов деформация в поперечном сечении средней части достигает 5—6 мм. В матрице и пуансоне с целью корректи­ рования деформаций стеклянного изделия стенки делают с вы­ пуклостью посередине.

При конструировании пресс-формы размеры ее соответствую­ щих поверхностей обычно устанавливают по номинальным разме­ рам изделия.

Неизбежные отклонения размеров изделий от номинальных учитываются большим двусторонним полем допуска. В случае жестких требований к точности изготовления изделий размеры пресс-формы доводятся при опробовании ее в работе.

Для обеспечения наибольшего припуска на износ формую­ щих поверхностей и экономии стекломассы номинальные размеры внутренней поверхности матрицы в любой пресс-форме целесооб­ разно делать минимальными, а наружные размеры пуансона — максимальными. В этом случае изделия будут иметь размеры внешних поверхностей по нижнему, а внутренние — по верхнему