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

каемых изделий. Однако при единичном изготовлении изделий воп­ росы стойкости формы исключаются.

Качество поверхности изделия при единичном изготовлении не имеет большого значения, так как затраты на дополнительную об­ работку нескольких изделий обычно значительно меньше, чем на обработку формы, особенно в случае сложной гравюры ее фор­ мующих поверхностей.

При единичном производстве изделий формовой комплект со­ стоит из минимального количества деталей простейшей формы. С увеличением количества изготовляемых изделий требования к ос­ нащению технологического процесса выработки возрастают.

Вопросы качества поверхностей, точности изготовления, сни­ жения или полного исключения последующей механической обра­ ботки, ускорения процесса и повышения стойкости форм стано­ вятся важными уже при серийном производстве.

Целесообразность применения нового технологического про­ цесса устанавливают на основании расчетов из условия сопостав­ ления себестоимости изделий при различных способах изготов­ ления

С% Сі,

где Сі и Сг — себестоимость одного изделия при первом и втором вариантах технологического процесса производства, установлен­ ная расчетным путем.

В соответствии с выбранным способом выработки, оборудова­ нием и технологической оснасткой производится технологическая отработка чертежа изделия.

4. Технические требования к формам

Явления, происходящие при взаимодействии формующих по­ верхностей формы с прессуемой стекломассой, определяют условия ее работы, а следовательно, и требования к ней.

Довольно высокие температуры и большие перепады темпера­ тур между формующими и вспомогательными поверхностями, цик­ лические изменения температур и давлений по рабочим поверх­ ностям создают сложное напряженное состояние в деталях форм.

Циклическое изменение напряжений будет повторяться много­ кратно, вызывая термическую усталость металла.

Воздействие высоких температур от контакта со стекломассой приводит к снижению прочности материала формы, понижает твер­ дость, коррозиостойкость, а следовательно, и износостойкость дета­ лей форм. Наряду с этим формующие поверхности деталей форм после обработки и в условиях эксплуатации должны иметь мини­ мальную шероховатость, не ниже девятого класса по ГОСТ 2789— 59, без трещин, сколов, царапин и других дефектов, что обуслов­ ливается требованиями к качеству изделий по чистоте поверх­ ности.

Для получения изделий нужной формы и заданных размеров без дефектов необходимо также, чтобы деформация формы во

40

время работы была минимальной. По конструктивному исполне­ нию форма должна быть простой, удобной и легкой в эксплуата­ ции, надежной и долговечной. К формам предъявляется целый ряд других требований, обусловленных их эксплуатацией.

Произвбдительность обычно оценивают путем сопоставления количества выработанных изделий за единицу времени при различ­ ных способах изготовления с учетом производственных затрат.

Производительность процесса выработки можно повысить бла­ годаря увеличению количества форм в комплекте и обеспечению максимального съема годных изделий с одной формы.

Количество форм стеклоформующей машины зависит от ее конструкции и температурного режима.

Повышение съема изделий за единицу времени с-одной формы ограничивается режимами времени охлаждения изделия и формы. В свою очередь интенсивность охлаждения форм определяется тех­ ническими возможностями обеспечения необходимого теплостока с них и их стойкостью. Оптимальной, очевидно, будет производи­ тельность, обеспечивающая наибольший выпуск годных изделий за единицу времени с минимальными затратами.

Требования к качеству стеклянных изделий определяются ГОСТ или ТУ. Граничными условиями между годными изделиями и бра­ кованными обычно являются: допуски на размеры, качество по­ верхности, количество допускаемых дефектов и пр.

Сортовую посуду разделяют по сортам. Требования к каче­ ству изделий непосредственно влияют на точность изготовления, качество формующих поверхностей, характер сопряжения и прочие параметры форм. С повышением требований к качеству изделий в еще большей степени возрастают требования к качеству форм, так как их дефекты, как правило, копируются на изделиях.

рабочих и трудоемкостью изготовления изделия. Условия эксплуа­ тации обычно учитывают при установлении нормы выработки.

Надежность формы можно оценить экономически оправдан­ ным временем ее безотказной работы. Долговечность или стой­ кость формы определяют продолжительностью ее работы при нор­ мальных условиях эксплуатации до капитального ремонта.

41

Продолжительность работы оценивают Или временем работы (час, смена и т. д.) или количеством выработанных изделий до выхода формы из строя (т. е. стойкостью формы).

Критериями оценки технологичности конструкций форм явля­ ются трудоемкость и себестоимость их изготовления в условиях производства. Конструкции форм, обеспечивающие при прочих равных условиях наименьшие трудоемкость и себестоимость изго­ товления, будут более технологичными.

Технологичность форм определяется степенью соответствия их конструктивного исполнения требованиям производства. Основные пути обеспечения технологичности конструкции: выбор простей­ ших геометрических, форм деталей, применение материалов с оп­ тимальными свойствами, унификация деталей и их поверхностей, обеспечение взаимозаменяемости, обоснованный выбор системы простановки размеров, допусков, шероховатости поверхностей де­ талей и др.

5. Выбор исходного положения стеклянного изделия в форме

нение формы. Положение в момент прессования изделия с по­ лостью в большинстве случаев предопределяется этой полостью, так как ось должна совпадать с вертикальной осью штока' пресса и закрепленного на нем пуансона, а вогнутость должна быть на­ правлена в сторону пуансона. При изготовлении плоских изделий и изделий с небольшой кривизной (к ним относятся многие свето­ технические стеклянные изделия) более рельефный отпечаток про­ филя создается пуансоном. Это объясняется тем, что пуансон воздействует на более горячую стекломассу при лучших условиях дезаэрации профиля.

Выбранное положение изделия, кроме того, должно обеспечи­ вать быстрое и свободное удаление изделия из формы.

К установке плоскостей разъема формы предъявляются следую­ щие требования.

1.Минимальное количество плоскостей разъема.

2.Предельная простота плоскостей разъема.

3.Места стыков должны проходить по вспомогательным по­

верхностям, более доступным для их механической обработки. 4. Сопряжения стенок выполняются под прямым углом.

5. Переход от внутренней и внешней поверхностей изделия к торцу скругляют.

6. Размыкание формы (удаление пуансона, кольца, раскрыва­ ние матрицы) должно осуществляться беспрепятственно, без раз­ рушения и деформации вырабатываемого изделия.

7. Плотная подгонка сопрягающихся деталей формы.

8. Наиболее простая и удобная в эксплуатации конструкция формы.

9. Создание условий для наибольшего срока службы формы.

42

10. Поверхность изготовленного изделия должна иметь мини­ мальные размеры отпечатков (швов) от линий раздела деталей формы.

11. Плоскости разъема формы должны обеспечивать изготов­ ление изделий высокого качества.

6. Технико-экономическая оценка конструкций форм

Выбор способа выработки изделий, стеклоформующей машины и конструкции формы определяют сопоставлением показателей по производительности и себестоимости нескольких проектируемых вариантов. Для оценки технологичности выбранного варианта из­ готовления изделия достаточно учитывать лишь расходы, непосред­ ственно связанные с процессом изготовления. Такие расходы при­ нято называть технологической себестоимостью.

Допуская некоторые обобщения, можно все расходы, связан­ ные с изготовлением изделий, разделить на две основные группы.

В первую группу входят расходы, связанные с изготовлением изделия, так называемые переменные расходы 5 0 на заработную плату производственных рабочих 3, стоимость эксплуатации обору­ дования Э, его амортизация А, а также стоимость основных и вспо­ могательных материалов М. Тогда S0= (З + Э + А+М) Вп= К В а,

S0= (3 + Э + А+М)ВЯ= КВЯ,

где Вц— годовая программа выпуска изделий, шт.; К — сумма затрат на одно изделие.

Целесообразно эти переменные расходы определять по опера­ циям изготовления: выработки 5 Выр, обработки 5 0бр и т. д.

Во вторую группу входят расходы, связанные с изготовлением и эксплуатацией форм, так называемые постоянные расходы С, которые складываются из стоимости форм Сф, их отработки, ус­ тановки и эксплуатации, а также ремонта Ср. В случае необходи­ мости установки другой технологической оснастки, непосредст­ венно сопутствующей выбранной конструкции форм, учитывают и эти расходы.

Технологическая себестоимость изготовления одного изделия 5 И определится как сумма расходов первой и второй групп по каждой технологической операции:

ная плата производственных рабочих, стоимость экс­ плуатации оборудования и инструмента, амортизация оборудования, стоимость основных и вспомогательных материалов), руб.;

43

Co+ SocH— расходы на изготовление и эксплуатацию оснастки для последующей холодной обработки, руб.;

Вп— годовая программа выпуска изделий, шт.; 5 0бр— расходы на обработку одного изделия, руб.

В расчетной формуле (III. 1) учтены лишь расходы на саму опе­

сти, надежности, долговечности и экономичности.

Расходы на изготовление формового комплекта определяются по формуле

щая минимальную себестоимость изготовления изделий. В послед­ нем случае целесообразность конструкции может быть оценена

44

Глава IV

ТЕПЛОВОЙ РАСЧЕТ ФОРМ

1. Анализ теплового режима и допущения

Формы работают в условиях многократного периодически из­ меняющегося потока тепла от стекломассы. При этом рабочие по­ верхности, а затем и вся форма нагреваются. Нижний уровень ра­ бочих температур обусловливает получение изделий без посечек, кованости поверхности, морщин,' складок и других дефектов. При верхнем уровне температур наблюдается придапание стекломассы к формующим поверхностям форм. ;

Формы нагревают до нижнего уровня температур любым ис­ точником тепла, затем изготовляют несколько заведомо негодных изделий до установления нормальных рабочих температур формы.

Через некоторое время после начала работы температура формы достигает определенного уровня, зависящего от условий охлажде­ ния изделия в форме и формы в окружающей среде.

От уровня температуры формы и амплитуды ее колебания в значительной степени зависят режим работы и качество изго­ товленных изделий.

Уровень температур формы в свою очередь зависит от мате-

гриала, Толщин стенок и массы деталей форм, шероховатости фор­ мующих поверхностей, их покрытий и смазки, параметров стекло­ массы и изделия, режимов выработки и др. Особенно важно под­ держание теплового режима при выработке изделий прессованием.

Правильно сконструированная и изготовленная пресс-форма

при стабильном режиме работы должна обеспечить поддержание оптимального уровня температуры.

Получение стабильности уровня температуры формы имеет ис­ ключительно важное значение при прессовании изделий.

Оптимальный уровень температур в условиях производства Обычно определяют по качеству отпрессованных изделий и лег­ кости их выдачи из формы.

В идеально выполненной форме формующие поверхности дол­ жны иметь изотермическое поле температур.

Однако практическое обеспечение изотермического поля темпе­ ратур по формующим поверхностям представляет известные труд­ ности и до настоящего времени осуществить его не удается. Как правило, по формующим поверхностям имеется некоторый перепад температур. Чем меньше этот перепад, тем лучше работает форма.

Значение температуры формы определяется из теплового ба­ ланса формы, т. е. из условия

Qi = Q2+Q3j

где Qi — количество тепла, поступившего в форму за 1 цикл; Qг— количество тепла, аккумулированного формой;

Q3— количество тепла, отданного за тот же отрезок времени в окружающую среду.

45

При установившемся тепловом равновесии можно принять

Q2= 0-

Таким образом, задача теплового расчета форм состоит в обес­ печении теплового равновесия между поступившим в форму теплом и отданным в окружающее пространство при определенном уровне температуры на формующих поверхностях деталей форм, т. е.

і= і А^ф

при продолжительности ЦИКЛОВ Ті=Т2= Тз= Тг.

Это требование соответствует заданному тепловому режиму

работы.

Кроме того, возникают и дополнительные требования, к числу

которых относятся следующие.

1. Минимальный расход стекломассы на предварительный на­

грев форм.

2. Достаточно высокая допустимая скорость предварительного нагрева деталей форм.

3.Минимальная масса основных деталей.

4.В деталях форм должен устойчиво сохраняться оптимальный

тепловой режим при рациональном темпе работы.

5.Высокая стойкость деталей форм.

6.Тепловые деформации не должны превышать допустимые

пределы.

Тепловой расчет форм — весьма важный этап их проектирова­ ния. Без анализа температурных полей деталей форм ^технически правильное решение задачи по разработке оптимальной конструк­ ции формы практически невозможно.

Изучение температурных полей форм является одним из част­ ных случаев теории теплообмена. Фундаментальные работы по теплотехнике М. В. Кирпичева, М. А. Михеева, А. А. Гухмана, А. В. Лыкова и других позволили занять советской науке о теп­ лоте одно из ведущих мест в мире. По исследованию тепловых про­ цессов применительно к стеклу и стекломассе заслуживают внима­ ния работы Л. С. Эйгенсона, Т. И. Белобородовой, Б. И. Борисова, Е. Г. Фроловой 145]. Основы теплового расчета форм методом теп­ лового баланса применительно к прессованию на ручных эксцент­ риковых прессовых машинах даны С. М. Бреховских {6]. Имеется ряд других работ по тепловым расчетам, однако различие исход­ ных данных технологических параметров и допущений не позво­ ляет применить результаты этих работ к конкретным условиям выработки стеклянных изделий.

По нашему мнению, для расчета форм по тепловым режимам необходимо разработать упрощенные методы, приемлемые в усло­

виях производства.

К числу основных параметров, необходимых для конструирова­ ния форм, относятся следующие:

1)температура контактной зоны деталей форм;

2)глубина слоя, прогреваемого за цикл изготовления;

3)распределение температуры по толщинам стенок и формую­

щим поверхностям деталей форм;

46

4)амплитуда колебания температуры по формующим поверх­ ностям и закон ее изменения по толщине стенок;

5)уровень установившейся температуры по формующим по­

верхностям деталей форм; 6) коэффициенты теплоотдачи по горячим и холодным поверх­

ностям формы.

Знание температуры контактной зоны позволяет:

обоснованно выбрать материал для изготовления основных и вспомогательных деталей форм;

разработать режим термической и термохимической обработки

деталей форм; проанализировать влияние различных конструктивных и экс­

плуатационных факторов на температуру контактной зоны; определить стойкость форм по коррозионному износу и терми­

ческой усталости.

Особый интерес представляет вопрос о влиянии толщин стенок и площадей вспомогательных поверхностей деталей пресс-форм на температуру контактной зоны. При конструировании пресс-форм большие трудности вызывает именно решение задачи обеспечения изотермического поля по формующим поверхностям конструктив­ ными мероприятиями. Не меньший интерес представляет изучение влияния на температуру контактной зоны таких эксплуатационных факторов, как режимы работы — температурный и временной.

Данн'ые о температурном поле ^пресс-формы являются исход­ ными для определения термических напряжений и деформаций. Известно, что они совместно с рабочими напряжениями и дефор­ мациями от усилия прессования в значительной мере предопреде­ ляют надежность и стойкость пресс-форм.

Таким образом, анализ данных температурного поля формы позволяет сделать практические выводы при разработке ее кон­ струкции, наметить пути обеспечения рационального теплового ре­ жима выработки и осуществить его конструктивными, технологи­ ческими и эксплуатационными мероприятиями, а также выбором материала с оптимальными свойствами.

В общем случае термическая сторона процесса теплового взаи­ модействия стекломассы и деталей формы при условии однород­ ности и изотропности стекломассы выразится дифференциальным уравнением теплопроводности для трехмерного поля:

(ІѴ.1)

бт

где t — температура в произвольный момент времени, °С;

т— время, с;

а— коэффициент теплопроводности, м2/с.

Для осесимметричных деталей форм температурные поля в направлении осей х и у можно с некоторыми допущениями при­ нять одинаковыми, что значительно упрощает решение задачи.

Точный тепловой расчет должен выполняться с учетом всех фак­ торов процесса выработки изделий. Из-за чрезвычайной слож­

47

ности такого расчета в практике можно делать ряд допущений.

Основные из них следующие.

1. Учет аккумуляции тепла деталями форм необходим лишь на период нагревания и в начале работы для расчета количества тепла, потребного на эту операцию. При установившемся режиме

аккумуляцию тепла можно не учитывать.

2. Температурный режим форм имеет циклический регулярный

характер.

3. Амплитуды колебания температур в форме незначительны и могут быть усреднены, а по вспомогательным поверхностям прини­

маются равными нулю.

4.Скорость охлаждения формы постоянная.

5.Температура одной части пресс-формы^ (матрицы или пуан­

сона) не влияет на температурное поле другой.

6. Глубина зон аккумуляции тепла в матрице и пуансоне не

зависит от их толщин.

7. Амплитуда колебаний температур матрицы не зависит от

толщины и теплового режима пуансона, и наоборот.

8. Тепловой режим матрицы не влияет на тепловой режим пу­

ансона и не зависит от него.

9. Тепловой режим пуансона не влияет на тепловой режим мат­

рицы и не зависит от него.

10. Тепловой режим кольца зависит от тепловых режимов мат­ рицы и пуансона незначительно и их влияние на тепловой режим

кольца не учитывают.

11. Кратковременное соприкосновение стекломассы с одним из участков любой детали формы не оказывает влияния на тепловой

режим других основных деталей.

12. Кратковременное соприкосновение стекломассы с одним из участков любой детали формы не сказывается существенно на про греве ее остальной части и может не учитываться.

13. Теплоотдача от стеклянного изделия к поверхностям формы

происходит лишь за счет теплопроводности.

14. Тепловой контакт между стеклом и формой считается

идеальным.

15. Распределение температур в стекломассе и деталях форм

вначальный момент времени равномерное.

16.Тепловые параметры стекла и формы считаются независя­

щими от температуры и берутся как средние значения на соот­

ветствующем интервале температур.

17. • Коэффициенты теплоотдачи от поверхности изделия и п верхности формы считаются постоянными; берут их средние зна­

чения.

18. Все отклонения от действительных условий учитываются введением соответствующих поправочных коэффициентов.^

На основании допущений в пунктах 5, 7—10 тепловой расчет каждой из основных деталей можно производить независимо от других. При этом схематизация цикла прессования с разделением на отдельные этапы значительно упрощается. Для матрицы цикл

48

прессования по тепловому режиму будет состоять из пяти этапов: стекло в форме, формообразование, фиксация формы под давле­ нием, фиксация формы без давления, матрица без стекла. В не­ которых случаях этапы формообразования и фиксации формы

можно объединять.

При расчете пуансона учитывают три этапа: формоизменение, фиксация формы, пауза без контакта со стекломассой.

При тепловом расчете кольца в расчетной схеме оказывается лишь два этапа: контакт со стекломассой, отсутствие этого кон­

такта.

Пункт 6 позволяет принимать при расчетах толщины стенок де­ талей пресс-форм как полуограниченных тел.

Пункт 12 свидетельствует о необходимости выполнения теплового расчета по отдельным участкам.

Пункт 14 при выработке стеклянных изделий не соответствует в полной мере реальным условиям, что следует учитывать в рас­ четах.

Однако в целом допущения отражают довольно точно явления, которые наблюдаются при выработке изделий в металлических формах и, следовательно, позволяют без существенных погреш­ ностей выполнить расчеты.

Усложнение процесса делает расчет практически невозможным. Тепловой расчет пресс-форм должен включать ряд этапов. Глав­ ные из них:

определение оптимальной толщины стенок деталей; определение температурных полей изделия, деталей формы и

условий их взаимодействия; исследование законов изменения температурных полей изделия

и формы; условия обеспечения теплового баланса между количеством

тепла, поступающим в форму от стекломассы и переданным ею в окружающую среду.

Тепловой расчет пресс-форм выполняют по следующему плану.

1.Анализ стеклянного изделия производят по чертежу или об­ разцу. Определяют объем, площадь, толщину, массу изделия.

2.По чертежу изделия намечают плоскости раздела и разъема.

3.Определяют площади соприкосновения со стекломассой мат­ рицы, пуансона и кольца.

4.Выбирают материал для изготовления основных деталей

пресс-форм.

5.Уточняют теплофизические свойства стекла, предназначен­ ного для изготовления изделий: коэффициенты линейного расши­ рения и теплопроводности, удельную теплоемкость, плотность ма­ териала, температуропроводность, тепловую аккумуляцию.

6.Уточняют теплофизические свойства материала деталей пресс-

форм.

7.По графику зависимости вязкости стекла от температуры оп­

ределяют температурный режим выработки для данной марки стекла.