Пресс-форма для литья пластмасс: конструкция, компоненты и руководство по процессу

Что такое Пластиковая литьевая форма ?

Пресс-форма для литья пластмасс под давлением — это прецизионный инструмент, который придает расплавленному пластику окончательную форму. Расплавленный термопласт или термореактивный материал впрыскивается под высоким давлением в закрытую полость формы, где он охлаждается и затвердевает, образуя готовую деталь, которая затем выбрасывается для использования или дальнейшей обработки. Сама пресс-форма является наиболее капиталоемким элементом процесса литья под давлением: одна производственная форма из закаленной инструментальной стали P20 или H13 может стоить от 5000 долларов США за простой прототип инструмента с одной полостью до более 500 000 долларов США за сложную автомобильную форму с несколькими полостями. Но как только она будет проверена, она сможет производить от сотен тысяч до миллионов идентичных деталей с постоянной точностью размеров.

Литье под давлением является доминирующим процессом крупносерийного производства пластиковых деталей во всем мире. Отрасли, в которых используются пластиковые литьевые формы, включают автомобилестроение (приборные панели, дверные обшивки, зажимы, корпуса), бытовую электронику (корпуса для телефонов, разъемы, корпуса), медицинское оборудование (шприцы, компоненты для внутривенного вливания, диагностические корпуса), упаковку (колпачки, затворы, тонкостенные контейнеры) и промышленное оборудование (трубопроводная арматура, крепеж, шестерни).

Как работает пресс-форма для литья пластмасс: цикл формования

Каждый производственный цикл следует повторяющейся последовательности, которая обычно завершается за 5–60 секунд в зависимости от толщины стенки детали, материала и эффективности охлаждения формы:

1. Закрытие формы: Две половины формы — сторона сердечника (подвижная) и сторона полости (неподвижная) — сжимаются с усилием, достаточным для выдерживания давления впрыска, обычно 1–5 тонн на см² площади выступающей детали.
2. Инъекция: Расплавленный пластик, нагретый до 200–320 °C в зависимости от материала, впрыскивается через систему литников и направляющих в полость под давлением 700–1400 бар.
3. Упаковка и хранение: После первоначального заполнения в полость под постоянным давлением упаковывается дополнительный материал, чтобы компенсировать объемную усадку по мере охлаждения пластика.
4. Охлаждение: Деталь затвердевает в форме, охлаждаемой водными каналами, циркулирующими при температуре 10–60 °С; время охлаждения в большинстве случаев составляет 50–70 % от общего времени цикла.
5. Открытие и выброс пресс-формы: Форма открывается, и выталкивающие штифты, втулки или съемные пластины выталкивают деталь из стержня; затем форма закрывается, чтобы начать следующий цикл

Сокращение времени цикла является основным рычагом повышения производительности литья под давлением. Сокращение времени цикла на 10 секунд на пресс-форме с 16 гнездами, работающей 24 часа в сутки, означает производство более 138 000 дополнительных деталей в год. Проектирование контура охлаждения — конформные каналы охлаждения, изготовленные с помощью 3D-печати металлом, теперь способны сократить время охлаждения на 20–40 % по сравнению с обычными просверленными каналами — является наиболее важной инженерной переменной.

Анатомия пресс-формы для литья пластмасс: ключевые компоненты

Производственная литьевая форма объединяет десятки прецизионных компонентов. Понимание функций каждого из них необходимо для проектирования пресс-форм, устранения неполадок и обслуживания.

Полость и ядро

Полость (охватывающий отпечаток) и сердцевина (охватывающий отпечаток) вместе определяют внешнюю и внутреннюю геометрию отлитой детали. В двухплитной форме полость находится в неподвижной половине, а стержень - в подвижной половине. Качество поверхности полости напрямую определяет качество поверхности детали. — полировка до SPI A1 (Ra 0,012–0,025 мкм) для оптических или косметических поверхностей, текстурирование с помощью электроэрозионной обработки или химического травления для придания матовой эстетики или эстетики кожи или оставление со стандартной механической обработкой для внутренних/функциональных поверхностей.

Система бегунков

Система направляющих направляет расплавленный пластик от сопла машины к точкам входа в каждую полость. Холодноканальные системы — обработанные каналы на поверхности разъема формы — позволяют материалу затвердевать при каждом выстреле и должны быть удалены как металлолом (бегуны) или перешлифованы и переработаны. Горячеканальные системы Поддерживайте температуру расплава в каналах литников с помощью встроенных коллекторов нагревателей, что полностью устраняет отходы литников и сокращает время цикла. Горячеканальные системы увеличивают стоимость пресс-формы на 5000–50 000 долларов, но они экономически оправданы при крупносерийном производстве, особенно с дорогими конструкционными смолами.

Ворота

Ворота — это суженная точка входа, через которую пластик поступает из желоба в полость. Тип и расположение ворот являются важными проектными решениями, влияющими на баланс заполнения, расположение линий сварки, остаточное напряжение и внешний вид. Распространенные типы ворот включают краевые ворота, подводные (туннельные) ворота, которые автоматически открываются при выбросе, точечные ворота в трехпластинчатых формах и клапанные ворота в горячеканальных системах, которые обеспечивают максимально чистый остаток ворот.

Система охлаждения

Просверленные или фрезерованные каналы для воды внутри блоков сердцевины и полостей несут охлаждающую жидкость для отвода тепла от затвердевающей части. Конструкция контура охлаждения должна обеспечивать равномерное распределение температуры по поверхности формы — разница температур более 5–10 °C между зонами приводит к дифференциальной усадке, короблению и образованию раковин. Бериллий-медные вставки используются в термически изолированных областях (тонкие ребра, глубокие сердцевины), куда не могут попасть обычные каналы охлаждения, отводя тепло в 4–6 раз быстрее, чем инструментальная сталь.

Система выброса

После открытия формы выталкивающие штифты, приводимые в движение пластинчатым механизмом, выталкивают деталь из стержня. Диаметр, расположение и количество штифтов должны быть рассчитаны так, чтобы распределять силу выталкивания без маркировки или деформации детали. Вокруг цилиндрических сердечников используются эжекторные гильзы; съемные пластины обеспечивают равномерный выброс тонкостенных или деликатных деталей. Следы выталкивающих штифтов всегда присутствуют на выталкивающей стороне детали. — размещение их в некосметических или нефункциональных зонах — основополагающий принцип проектирования пресс-форм.

Боковые действия: направляющие и подъемники

Элементы, создающие подрезы (геометрия, предотвращающая прямой выброс), требуют перемещения компонентов пресс-формы. Слайды (приводимый в движение угловыми штифтами или гидравлическими цилиндрами) потяните в сторону, когда форма открывается, чтобы очистить внешние подрезы, такие как отверстия, резьба и зажимы. Лифтеры представляют собой расположенные под углом компоненты выталкивателя, которые во время выталкивания перемещаются по диагонали для устранения внутренних подрезов. Каждая направляющая или подъемник увеличивает механическую сложность и стоимость пресс-формы, а их изнашиваемые поверхности требуют регулярного обслуживания при крупносерийном производстве.

Выбор стали для пресс-формы: соответствие материала объему производства

Марка инструментальной стали выбирается исходя из ожидаемого объема детали, абразивности пластика, требуемой чистоты поверхности и бюджета. Основные варианты:

Стеклонаполненные, минералонаполненные и огнестойкие смолы значительно более абразивны и коррозионны, чем ненаполненные смолы. Формы, в которых используется 30% стеклонаполненный нейлон (PA6-GF30) или 20% стеклонаполненный ПБТ, требуют закаленных поверхностей H13 или азотированных P20 для достижения приемлемого срока службы штампа - та же форма в стандарте P20 может иметь видимый износ полостей после всего лишь 50 000 ударов абразивными составами.

Одногнездные, многогнездные и семейные формы

Количество полостей является фундаментальным экономическим и инженерным решением при проектировании пресс-формы:

• Одногнездные формы производить одну деталь за цикл — самые низкие затраты на оснастку, проще всего балансировать и обслуживать, подходит для крупных деталей, сложной геометрии или годовых объемов менее ~ 50 000 штук.
• Многоместные формы производить несколько одинаковых деталей за цикл (обычно 2, 4, 8, 16, 32 или 64 гнезда) — амортизирует машинное время при производстве большего количества деталей за один цикл, что значительно снижает себестоимость единицы продукции при больших объемах; требует точной балансировки направляющих, чтобы все полости заполнялись одновременно
• Семейные формы производить различные детали за один цикл — обычно используется для сборок, где компоненты должны быть изготовлены в согласованных комплектах; сбалансированное заполнение сложнее, и одна полость может ограничивать время цикла других

Экономическая безубыточность между пресс-формой с 1 и 4 гнездами — с учетом более высокой стоимости оснастки, компенсируемой меньшим машинным временем на единицу — обычно составляет от 200 000 до 500 000 деталей в год, в зависимости от времени цикла, часовой ставки станка и стоимости смолы. При выпуске более 1 миллиона деталей в год использование оснастки с 8–16 гнездами обычно оправдано для деталей малого и среднего размера.

Распространенные дефекты литья под давлением и их причины, связанные с пресс-формой

Многие проблемы с качеством деталей связаны с конструкцией или состоянием пресс-формы, а не только с параметрами обработки. Понимание коренных причин со стороны пресс-формы позволяет быстрее устранять неполадки:

• Короткие кадры (неполное заполнение): Недостаточный размер ворот, заблокированные вентиляционные отверстия, препятствующие выходу воздуха, или слишком маленькое поперечное сечение желоба для обеспечения достаточной скорости потока до замерзания расплава.
• Вспышка: Изношенная или поврежденная линия разъема, недостаточный зажимной усилие для выступающей области или слишком глубокая вентиляционная площадка — расплавленный пластик выходит из полости на поверхности разъема или вентиляционных канавок.
• Знаки раковины: Недостаточное охлаждение в толстостенных секциях, недостаточное давление насадки, передаваемое через затворы недостаточного размера, или контур охлаждения активной зоны слишком далеко от поверхности.
• Деформация: Неравномерная температура формы, вызывающая дифференциальную усадку; асимметричное расположение ворот; недостаточный угол уклона, вызывающий сопротивление выталкивания, которое деформирует деталь
• Линии сварки: Возникают там, где встречаются два фронта потока после обтекания препятствия (отверстия, бобышки, вставки) — усиливается путем изменения положения шибера для изменения угла встречи фронта потока или повышения температуры формы в зоне сварки.
• Залипание/трудное извлечение: Недостаточная вытяжка при глубоких стержнях, изношенные или смещенные выталкивающие штифты, недостаточная площадь выталкивающего штифта для требуемой силы выталкивания или слишком гладкая поверхность при глубокой вытяжке (полированные поверхности могут создавать вакуумную адгезию)

Правила проектирования пресс-форм для литья пластмасс: ключевые принципы

Эффективное проектирование пресс-формы начинается с проектирования детали с учетом возможности формования. Наиболее эффективные рекомендации по проектированию, которые уменьшают сложность пресс-формы и количество дефектов деталей:

• Равномерная толщина стенки: Различия в толщине стенок вызывают разную скорость охлаждения, что приводит к образованию вмятин на толстых секциях и внутренних пустотах. Целевые стенки в пределах 25 % номинальной толщины по всей детали; переход постепенно, когда изменения толщины неизбежны
• Углы уклона: Все вертикальные стенки, параллельные направлению открытия формы, требуют уклона минимум 0,5–1° с каждой стороны для облегчения выталкивания; текстурированные поверхности требуют дополнительного уклона на 1–3° на каждые 0,025 мм глубины текстуры.
• Ребра и бобышки: Толщина ребер должна составлять 50–60 % толщины прилегающей стенки во избежание утоплений на противоположной поверхности; Внешний диаметр бобышки должен быть в 2–2,5 раза больше внутреннего диаметра, с косынками для распределения нагрузки.
• Угловые радиусы: Острые внутренние углы создают концентрацию напряжений в детали и ускоряют износ полостей; минимальный внутренний радиус 0,5 мм, предпочтительно 25–75 % толщины стенки.
• Минимизация подреза: Каждая подрезка, требующая направляющей или подъемника, увеличивает стоимость пресс-формы на 1500–8000 долларов и потенциальную необходимость технического обслуживания; перепроектирование деталей для устранения подрезов за счет линий разъема, корректировки геометрии с защелкой или стратегического размещения поверхностей разъема снижает стоимость и сложность оснастки