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

Длительность этапа п от момента подачи стекломассы в матрицу до приложения давления определяют в условиях производства в за­ висимости от применяемой технологии изготовления: конструкции прессовой формующей машины, способа подачи стекломассы, кон­ структивных особенностей пресс-формы и прочих факторов. Дли­ тельность первого этапа ті при автоматизированном процессе прес­ сования 0,5—2 с, при ручном — 4—15 с, и ее можно учесть на осно­ вании конкретных условий как часть цикла: xi = kxц.

Длительность второго этапа Тг, так же как и первого, зависит от упомянутых выше технологических факторов, а также размеров

массы и толщиной его стенок. Длительность четвертого этапа т4 определяется временем, необ^- ходимым для охлаждения изделия, находящегося в матрице, до той температуры, при которой вязкость стекломассы становится доста­ точно высокой для сохранения изделием своей формы под действием

собственной массы.

Время выдержки матрицы без стекла (пятый этап) т5 опреде­ ляют условиями охлаждения и комплектовкой пресс-формы.

Следовательно, продолжительность цикла можно рассчитать, если будет определена продолжительность контакта изделия с матрицей, которая всегда больше других деталей.

В продолжительность времени контакта для матриц будут вхо­ дить этапы 1—4, для пуансона и кольца — этапы 2 и 3.

При автоматизированном производстве мелких изделий можно допустить, что капля стекла, попав в матрицу, мгновенно приобре­ тает форму готового изделия, т. е. тг= 0.

60

Такое допущение при изготовлении крупных изделий, и особенно при ручном изготовлении, приводит к значительным погрешностям в расчетах теплового режима пресс-формы. Тепловыми явлениями этапа формообразования также обусловливаются минимальная толщина стенок изделия и условия ее получения.

Общая продолжительность этапов прессования определяется тем­ пературным полем стеклянного изделия. Прессуемые изделия в теп­ ловом отношении можно рассматривать как пластину неограничен­ ных размеров. Такое допущение не вносит больших погрешностей, так как при отношении наружного диаметра изделия к внутреннему меньше двух погрешность в расчетах не превышает 4%. При отно­ шении диаметров больше двух в расчеты можно вводить поправоч­

ные коэффициенты на кривизну [27].

Для неограниченной пластины толщиной 2 б при граничных усло­ виях третьего рода и начале координат в середине пластины (рис. 39) задачу можно выразить математически дифференциальным уравне­ нием с соответствующими начальными и краевыми условиями [31]. Не приводя здесь решения, отметим, что относительная избыточная температура Ѳ охлаждаемой стеклянной пластины является функ­ цией критерия Фурье Fo, относительно координаты х : б и крите­ рия Био—Ві, характеризующего интенсивность охлаждения, т. е.

ѳ= /(-£-;F o ] B i ) -

Срядом допущений закон изменения избыточной температуры стеклянного изделия с начальной избыточной температурой ѵ0

можно выразить формулой

чета относительной температуры в середине пластины можно вос­ пользоваться формулой

Относительная температура представляет собой отношение избы­ точной температуры ѵ в момент времени т к начальной избыточной температуре ѵ0:

Q _ JV __ t (x, т) — іф

V° ^IH ---

61

Время охлаждения стеклянного изделия до заданной темпера­ туры Ѳ определится из приведенных выше формул после решения

их относительно т.

Для практических расчетов можно воспользоваться формулой (IV.10), решив ее относительно времени:

Температура Ѳц обусловливается той вязкостью, при которой из­ делие, находящееся в матрице, не деформируется и сохраняет форму

Таким образом, определив Fo для одного изделия, можно найти время контакта тк для изделия с толщиной стенки 26 из соотношения

В условиях производства с целью повышения производительности фиксация формы толстостенных стеклянных изделий заканчивается обычно при больших значениях относительных температур, чем тон­ костенных, что обусловливает уменьшение фактических значений критерия Фурье по сравнению с их теоретическими значениями.

Для практического определения ориентировочных значений отно­ сительных температур в середине пластины Ѳц рекомендуется эмпи­

62

Т а б л и ц а 3

Значения критерия Фурье на этапах формообразования и фиксации формы для некоторых видов стеклянных изделий

Значения критерия Фурье на этапах формообразования и фикса­ ции формы изделий по фактическим режимам некоторых заводов

приведены в табл. 3.

На рис. 41 представлены кривые зависимости продолжительности контакта матрицы и пуансона от толщины стенок изделий.

Для теоретических расчетов времени контакта приняты пара­

Fo = 0,8.

Расчет по формуле (IV.13) позволяет после подстановки значе­ ний параметров получить зависимость:

для матрицы (кривая 1) тк.м= 1,22 62; для пуансона (кривая 2) тк.п= 0,36 б2.

Расчет времени контакта по формуле (IV.14) дает несколько меньшие значения, так, например, для пуансона (кривая 3) зависи­

мость будет

63

Прямая 4 для матрицы и прямая 5 для пуансона построены на основании аппроксимации экспериментальных данных.

Прямую 4 для матрицы можно представить формулой

Тк . М — 7 , 6 6 ------6

исоответственно — прямую 5 для пуансона

Тк. п = 3,2 6—4

Аппроксимирующая прямая 4 для матрицы при толщине изделия до 12 мм хорошо совпадает с теоретической кривой 1. При больших толщинах стенок изделий фактическое время контакта значительно меньше расчетного.

Рис. 41. Кривые зависимости продолжитель­ ности контакта матрицы и пуансонов от толщины стенок изделий

Установлено, что при контакте более 60 с теплоотдача от стеклян­ ных изделий стенкам матриц незначительна. В этих случаях с целью повышения производительности изделие после удаления из матрицы

некоторое время охлаждают на воздухе, а затем отправляют на отжиг.

Теоретические кривые 2 и 3 для пуансона хорошо совпадают с экспериментальной аппроксимирующей прямой 5 во всем рассмо: тренном интервале толщин стенок изделий.

Для толстостенных изделий с глубокой полостью увеличивают время контакта пуансона во избежание их деформации от саморазо­ грева. В этом случае режим времени для пуансона рекомендуют рас­ считывать на основании кривой 2.

Общая продолжительность цикла прессования зависит от тол­ щины стенок изделия, конструктивного исполнения пресс-формы, способа и интенсивности охлаждения, а также комплектовки прессформ.

Аппроксимирующая прямая 6 может служить ориентировкой при определении продолжительности цикла для матрицы, охлаждае­ мой вентиляторным воздухом.

64

Аналитически продолжительность цикла можно выразить фор­ мулой

делия;

Tn. n — неперекрываемое время на вспомогательные операции по обслуживанию формы;

п — коэффициент, зависящий от комплектовки форм. Значения тв. н и п устанавливаются на основании эксперименталь­

ных данных.

Фактические режимы времени прессования на стекольных заво­ дах имеют большое рассеивание.

Причиной различного времени контакта и всего цикла изготовле­ ния изделия является некоторое отличие в температурном ходе вязкости стекломасс, в форме, размерах, требованиях к качеству из­ делий (например, к точности геометрической формы изделий).

В ряде случаев колебание времени контакта и цикла прессования объясняется недостаточной отработкой технологического процесса и, в частности, конструкции пресс-форм.

Продолжительность цикла и отдельных его этапов также зависит от комплектовки пресс-форм.

Наблюдениями установлено относительное время контакта мат­

П р и м е ч а н и е . А — комплект, состоящий из матрицы, пуансона и кольца; В — ком­ плект, состоящий из двух матриц, пуансона и кольца; С — комплект, состоящий из 15 мат­ риц, 12 пуансонов и четырех колец.

Установление режима времени прессования весьма важно для разработки конструкции пресс-форм, а также технологического про­ цесса прессования. К сожалению, на ряде заводов до настоящего времени режимы прессования устанавливаются лишь эксперимен­ тально, непосредственно на рабочем месте, и не фиксируются в тех­ нологических процессах.

65

5. Тепловой баланс пресс-формы

Наибольший интерес представляет установление зависимостей, характеризующих нормальный тепловой режим эксплуатации форм, при котором обеспечивается изготовление высококачественных стек­

лянных изделий.

Вполне очевидно, что в этом случае должен поддерживаться квазистационарный регулярный тепловой режим во всех деталях

форм и на всех их участках.

Тепловой баланс пресс-форм при регулярном тепловом режиме за конечный отрезок времени выразится условием Qi = Q2= Q3, т. е. ко­ личество тепла Qi, потерянное стекломассой за цикл прессования на нагрев деталей пресс-форм, должно равняться количеству тепла, аккумулированному пресс-формой Q2, и количеству тепла Q3, отдан­ ному окружающей среде за тот же промежуток времени.

Величина Qt должна включать в себя теплоту разогрева за счет трения. Если условие выполняется, то наступает равновесное состоя­ ние, в результате чего температурный уровень Q, перестает изме­

няться.

Следовательно, установившееся значение температуры tф мо­ жно найти из уравнения теплового баланса.

Уравнение теплового баланса между прессуемым изделием и пресс-формой при установившейся температуре формы можно за­

писать в виде Qi = Q3.

Количество тепла, поступившего в детали пресс-формы, опреде­ ляют по формуле

Qi = QiM + Qm+QiK-

Согласно уравнению теплообмена тепло распределяется между ними пропорционально времени их соприкосновения и площадям поверхностей контакта:

66

При граничных условиях первого рода (идеальном контакте) [24]:

Qin = Y ^ ( t n. K- t n. u)F2nv ^ ,

Qi« = y = ( t* . K - t K. B) F iKV :b ,

где в скобках — конечные температуры периода контакта. Передача тепла в окружающую среду равна

*3з = С?3м + С?3п + *3зк>

в том числе стенками матрицы

фзм = Фзм. нар + Фзм. форм + Фзм. с т ’>

Фзп Q3п. нар ~Ь Q 3п. вн>

Qen. нар — а3п(4п 4кр) Fп. нар (4 -)- Т3);

Qen. вн — ^Зп (4п 4кр) Fn. внТц.

При охлаждении пуансона водой в последней формуле берутся

соответствующие коэффициенты теплоотдачи и общая площадь по­ верхности всех каналов охлаждения.

Передача тепла поверхностями кольца равна

фзк Q3K.нар + Q3K.форм> Q3K. нар = а3к (4к 4>кр) Fк. нарТц;

Q3K. форм = а зк (4к 4кр) FK.ф0рм (т4 + Т4 -(-Т5).

Выполнение условий теплового баланса в целом всей пресс-фор­ мой недостаточно для ее нормальной работы. Необходимо, чтобы тепловой баланс соблюдался для любого участка и для всех основ­ ных деталей пресс-форм. С этой целью каждую деталь разделяют на характерные участки.

Невыполнение этого условия при расчете пресс-формы неизбежно приводит к ухудшению их работы и, в частности, к осложнению ее обслуживания: дополнительному местному охлаждению или подо­ греву, нарушению ритмичной работы и т. д.

Уровень температуры пресс-формы и ее отдельных деталей, уста­ навливающийся при длительной циклической работе, не зависит от первоначально выбранной температуры.

67

Из условий теплового баланса можно определить среднее значе­ ние установившейся температуры для каждой из деталей прессформы, например для матрицы:

2 «ім^іл - (2 аім^м+2 «Л

4 4 окр*

Зм' + 2 « ; I - Тм

Для конфетницы арт. 2215 из стекла ХС-18-17 при значениях {цн = = 0,6 • ІО3 Вт/м2 °С, а3 = 50 Вт/м2°С, а'з = 60 Вт/м2°С /іп(/і„ + ^ік) : 2= = 750°С; тн = 25 с, тц = 42 с, /+ , = 640 • 10-%2, F3lI= 1760 • 10~4 м2;' /2н= = 480° С, ^окр = 20° С получим/ф« 490° С.

Аналогичными формулами выразятся установившиеся темпера­ туры других деталей пресс-форм.

Если известно количество тепла, отдаваемого в окружающую среду, то установившуюся температуру пресс-формы при длительной циклической работе можно также определить из выражения для теп­ лового баланса, решив его относительно среднего уровня темпера­ туры, к которому стремится охлаждающаяся стекломасса и прогре­ ваемая деталь пресс-формы по формуле

Как следует из формул, температуру t2ф можно понизить интен­ сивным охлаждением, увеличением длительности цикла и увеличе­ нием до некоторого предела величины т.

68

Оптимальную температуру для деталей форм устанавливают ре­ гулированием величин коэффициентов теплообмена по охлаждаемым поверхностям «3, площадей поверхностей охлаждения F3 и времени отдельных этапов, а также всего цикла выработки.

Если температура, установившаяся при длительной цикличной работе пресс-формы или ее отдельных частей, превышает заданное из технологических соображений значение, то проводят следующие мероприятия:

уменьшают толщину стенок пресс-формы; оребряют наружные поверхности;

охлаждают пресс-формы вентиляторным воздухом или водой; увеличивают количество деталей пресс-форм, матриц, пуансо­

нов, колец; подбирают материал для форм с большими значениями Ьф\

увеличивают площадь контакта матриц со столом пресса и повышают чистоту обработки контактирующих поверхностей;

увеличивают коэффициент лучеиспускания вспомогательных поверхностей деталей формы путем их окраски в черный цвет.

Если установившаяся температура какой-либо детали прессформы или отдельного участка окажется ниже заданного значения Aj>, то принимают меры к уменьшению теплоотдачи этой деталью (участком).

Основными мероприятиями, уменьшающими теплоотдачу, яв­ ляются:

уменьшение площади внешних (холодных) поверхностей; теплоизоляция внешних поверхностей;

покрытие формующих поверхностей материалом с малой тепло­ проводностью;

уменьшение площади контакта матриц со столом пресса и пу­ ансона с хвостиком;

применение материалов для пресс-форм с меньшей теплопро­ водностью;

подогрев деталей пресс-форм;

окраска вспомогательных поверхностей деталей форм в белый цвет.

Общее представление о температурном поле системы стеклян­ ное изделие — детали пресс-форм можно получить из рассмотре­ ния экспериментальных кривых температур в функции времени.

Объектом исследования являлся процесс прессования салат­ ника арт. 5021 с толщиной стенок 7 мм из стекла БС-8-17 в прессформе из чугуна СЧ 21-40. Начальная температура стекломассы

1150°С.

Температуру измеряли хромельалюмелевыми термопарами диа­ метром 0,5 мм с милливольтметрами МЩПР-54 по ГОСТ 6670— 53, кл. 1,5. Горячие спаи термопар в матрице располагались на уровне зеркала стекломассы в 25 мм от дна матрицы на глубине 2—3 мм от формующей поверхности и по вспомогательной по­ верхности. Примерно на таком же расстоянии от формующей по­ верхности располагались термопары в пуансоне. Температуру

69