Возможности обеспечения заданной размерной точности изделий из пм при формовании.

Учитывая последовательность этапов жизненного цикла продукции и процессов в действующей системе качества (рис. 1.9), ответственным за назначение допусков на размеры изделий из ПМ является конструктор, располагающий достаточной номенклатурой полей допусков для проектирования посадок /5,8,9/. Однако, разрабатывая конструкцию изделия, он вынужден руководствоваться также объективно существующими возможностями реализации этих допусков в ходе выполнения ТП. Иными словами, допуск, назначаемый конструктором (d), не должен быть меньше суммы технологических погрешностей (dт), характерных для современной технологии переработки ПМ в изделия конкретным способом, то есть должно выполняться условие:

d ≥ dт .

При этом чем выше требование конструктора (d=dт), тем большими затратами должна обеспечиваться размерная точность. И наоборот, чем размерный допуск больше, тем меньше объем брака и ниже себестоимость изделия (рис. 1.11) /7/.

Необходимость дополнительной затраты средств на ликвидацию размерного брака может стать соизмеримым с затратами на приобретение и обслуживание более точного оборудования, формующего инструмента и контрольно-измерительных приборов, призванных этот брак предотвращать. Особенно интенсивен рост брака на участке а-б кривой 2, где проектанту ТП необходимо анализировать целесообразность выбранного способа изготовления изделия, изыскивать дополнительные технологические резервы, включая даже механическую доработку изделий, а также использования специальных организационно-технологических мероприятий. Именно технолог несет ответственность, начиная с проектирования ТП и кончая его практической реализацией, за обеспечение требований конструктора с минимальными трудовыми и материально-техническими затратами.

Степень приближения конструкторского допуска к технологическим возможностям можно оценивать с помощью коэффициента технологического запаса точности:

Ктзт = d / dт .

Если Ктзт < 1, то требования конструктора завышены, не будучи обеспеченными технологическими возможностями. При Ктзт =1 точность реализуется на пределе технологического обеспечения. На практике считается целесообразным не просто иметь Ктзт >1, а чтобы Ктзт =1,2—1,5 /7/. Тогда появляется ресурс стабилизации достигнутого размерного качества изделия.

При отсутствии размерного допуска на рабочем чертеже изделия возможны два варианта: либо отклонения размеров не имеют значения (некоторые бытовые предметы, игрушки и т.п.), либо размеры изделия должны обеспечиваться по максимуму технологических возможностей. В общем случае, назначая допуск, конструктор имеет несколько вариантов для принятия решения:

1. использует стандартные и (или) справочные данные по расчету и назначению допусков, нормируемых квалитетами точности /9/, которые основываются на объективном параметре – колебании усадки ∆ S стандартных образцов по ГОСТ 18616-80 либо конкретных деталей:

Таблица 1.11

В табл. 1.11 приведены квалитеты точности, используемые при конструировании литьевых и прессуемых изделий из пластмасс простой геометрической формы в условиях массового производства. Размеры типа А1 обусловлены размерами формующих элементов, а размеры типа А2 и А3 – взаимным расположением последних;

2) назначает допуск по аналогии с известным прототипом изделия, принимая во внимание, что сегодня, по оценкам экспертов, микропрецизионные изделия (точнее квалитета IT 7) практически не производятся, в диапазоне IT 7—10 производятся до 10% и IT 12 - 13 – до 30 – 40% от общего объема производства пластмассовых изделий /10/. Достижимые квалитеты размерной точности основных видов пластмасс представлены в табл. 1.12 /5/.

3) использует собственный опыт и интуицию;

4) проводит экспериментальные исследования совместно с технологами, последовательно стремясь добиться необходимого размерного качества.

Таблица 1.12

Экспериментальный способ в сочетании со структурным анализом конкретной ситуации в достижении размерной точности позволяет обеспечить индивидуальный подход при решении проблемы. В основе индивидуального подхода лежит представление о том, что технологический допуск зависит, прежде всего, от свойств материала, качества формующего инструмента и условий формования изделия. Среди дополнительных факторов чаще всего проявляется влияние конструктивных решений объекта производства, например, предусматриваемых для беспрепятственного извлечения изделий из формующего инструмента, и условия хранения этих изделий (деталей) до выполнения операции сборки узлов и агрегатов. Вклад основных и дополнительных составляющих в общую величину технологического допуска можно выразить формулой:

dт = dм + dин + dф + dк + dхр.

В табл. 1.13 систематизированы типичные методы технологического регулирования составляющих dт, порождаемых названными источниками воздействия на размерную точность изготавливаемых изделий.

Таблица 1.13

Типичные методы технологического регулирования dт

Как следует из данных таблицы, первым фактором, ответственным за величину технологического допуска названа усадка ПМ. Технологическая усадка – это уменьшение размеров изделия относительно размеров оформляющей полости формующего инструмента, фиксируемое после охлаждения и некоторой выдержки изделия при комнатной температуре. Усадка, обусловленная физико—химическими особенностями полимеров (см. Приложение 1), в составе ПМ зависит также от наличия других компонентов и от присутствия влаги, летучих продуктов химических реакций, растворителей. Именно по размеру усадки (с учетом качества оборудования и стабильности ТП) назначаются размерные допуски при конструировании изделий из ПМ. Например, из данных рис.1.12 можно сделать вывод о том, что прецизионное литье возможно далеко не из всех видов ПМ и, прежде всего, оно доступно ПМ из 1-ой области.

Рис. 1.12. Возможности обеспечения размерной точности изделий из различных термопластов:

1 – область материалов на основе ПК, ПС, ПСФ; 2 – область материалов на основе ПАц, ПФО; 3 – область материалов на основе ПБТ, ПЭТФ, ПА; 4 – область материалов на основе ПЭНП, ПЭВП, ПП /11/.

С физической точки зрения усадку полимеров подразделяют на термическую и структурную. Под термической усадкой понимают уменьшение объема полимерного образца при охлаждении, определяемое температурным коэффициентом линейного расширения (ТКЛР) и сжимаемостью материала. Структурная усадка вызывает уменьшение объема того же образца, обусловленное изменениями полимера в ходе и после формования за счет образования пространственной, кристаллической или молекулярно-ориентационной структуры. Для регулирования размерной точности изделий из ПМ применяются различные технологические приемы. Например, объемная усадка, вызванная процессом кристаллизации, которая может достигать 14% (в частности, у полиоксиметилена), может быть компенсирована на стадии выдержки под давлением подачей дополнительного расплава в формующую полость /6/. В других случаях снижение усадки может достигаться подавлением кристаллообразования за счет ускоренного охлаждения изделия в форме или при последующей термообработке, позволяя сократить время, необходимое для полноценной кристаллизации (табл. 1.14).

Таблица 1.14

Время кристаллизации различных ПМ в образцах с толщиной 3 мм /6/.

Полимерный материал	Время кристаллизации в с. на 1мм толщины образца
Полиоксиметилен (ПОМ)	7,5 – 8,5
Полиамид 66 (ПА 66)	3,5 – 4,5
ПА 66 ударопрочный	3,0 – 4,0
ПА 66 стеклонаполненный 30% масс.	2,5 – 3,5
Полиэтилентерефталат СВ 30% масс	3,0 – 4,0
Полибутадиентерефталат (ПБТ)	3,5 – 4,5
ПБТ стеклонаполненный 30 % масс.	2,5 – 3,5

Из приведенных данных следует также, что введение в состав ПМ достаточно термостабильного при температурах их переработки стекловолокна (СВ) способствует снижению усадки в среднем на 1%. В свою очередь, действие температуры на усадку полимерного связующего отчетливо проявляется не только при впрыске расплава, но и при его взаимодействии со стенками формы (рис. 1.13): чем выше температура литьевой формы, тем больше усадка ПМ.

Рис. 1.13. Зависимость усадки ПОМ со средней вязкостью (3,2 мм, 80 МПа) от температуры формы при литье под давлением /6/.

Однако одновременное снижение усадки после формования обусловлено, прежде всего, влиянием температуры расплава ПМ при впрыске в форму, о чем сказано ниже.

Усадка литьевых изделий в значительной мере зависит и от конструкции литниковой системы – размеров сечения и протяженности, конфигурации и мест подведения к изделию, поскольку все эти элементы влияют на перепад давления и температуру расплава, ориентацию и текучесть расплава при заполнении формы, градиент скоростей и напряжение сдвига /6,7/. Основные требования к литниковой системе, способствующие снижению усадки ПМ, предусматривают выбор конструктивных решений снижающих потери давления, турбулизацию и ориентацию расплава после прохождения литниковых каналов, дополнительный подъем температуры. Например, точечный литник из-за турбулизации потока способен вызвать дополнительный нагрев расплавленного ПМ, приводя к росту технологической усадки (табл.1.15).

Таблица 1.15

Влияние диаметра литника на величину усадки при литье ПА 66

(толщина образца 1,5 мм) /6/.

Обычный цилиндрический литник с большой площадью поперечного сечения способствует иному эффекту: перепад давления в литнике становится меньше, а время поджатия больше (т.к. литник твердеет медленнее), поэтому усадка снижается, но проявляет анизотропию, отличаясь вдоль и поперек сечения. Анизотропия усадки еще более возрастает при использовании щелевых литников. В общем случае рекомендации по конструированию литниковых систем особенно для кристаллизующихся ПМ сводятся /6/ к следующему:

• длина впускного литника не должна превышать 1 мм, чтобы предотвращать преждевременное отвердевание ПМ;

• нельзя допускать попадания первой холодной порции расплава в полость формы;

• диаметр разводящего литника должен быть больше, чем толщина стенки изделия;

• толщина впускного литника должна быть равна, по крайней мере, 50% толщины стенки изделия.

В отечественной практике производства изделий из ПМ литьем под давлением соотношения размеров разводящих литников рекомендованы в более конкретном виде (табл. 1.16).

Таблица 1.16

Оптимальные размеры разводящих литников /11/.

Особое значение имеет место подведения литника к изделию. Размерное качество изделия из ПМ даже при правильной его конструкции может быть существенно снижено при неправильном расположении впускных литников. Симптомами неправильного расположения считаются образование линии спая и появление воздушных включений как результата слияния образующихся потоков расплава ПМ. В результате, помимо утяжен и раковин, большая усадка способна привести к короблению изделий, нарушая не только их размерную точность, но и конфигурацию. Рекомендации /6/ по оптимизации расположения впускного литника предусматривают:

• следует размещать впускной литник в месте с наибольшей толщиной стенки;

• впускные литники никогда не должны находиться на участках изделий с высокими напряжениями;

• в многоместных формах изделия должны располагаться симметрично по отношению к центральному литнику;

• осесимметричные изделия (зубчатые колеса, крыльчатки и т.п.) должны иметь осевой впускной литник диафрагменного типа как наиболее оптимальный с точки зрения достижения наилучших свойств;

• изделия, имеющие элементы, выполняющие роль петли, должны заполняться так, чтобы линия спая не попадала в область самой петли;

• изделия в форме стаканов во избежание запирания воздуха в оформляющей полости должны заполняться со стороны основания;

• в изделиях, имеющих форму труб, расплав при заполнении формы должен вначале замкнуть окружность у одного из оснований, а затем заполнить оформляющую полость по длине;

• Впускные литники в формах для изделий сложной конфигурации, в многоместных формах с различными закладными элементами или знаками по возможности должны размещаться так, чтобы предотвратить даже краткую остановку фронта течения расплава.

Данные рекомендации не могут вобрать все многообразие возможных решений. Необходимы уточняющие опытно-конструкторские проработки. Тем не менее, все вышеизложенное предлагается учитывать на ранних стадиях разработки ТП формования изделий из ПМ литьем под давлением.

Следующая составляющая dт, отнесенная к основным в табл. 1.13, обусловлена несовершенством формующих инструментов – неточностью изготовления оформляющих изделие элементов формы, погрешностями разъема и подвижных частей, а также последствиями износа. Но если последний фактор есть следствие неправильной эксплуатации формующих инструментов, то качество их изготовления должно достигаться еще на этапе технологической подготовки производства.

Исполнительные размеры формообразующих элементов назначают в зависимости от допусков на размеры изделия и усадки ПМ. Практически для обеспечения заданной размерной точности изделий из ПМ допуски на размеры формующих инструментов обычно назначают на 1-2 квалитета выше. Более точное определение достигается расчетным путем. Так, ГОСТ 15947 устанавливает метод расчета гладких формообразующих элементов. Исполнительные размеры элементов, предназначенных для формирования резьб, рассчитываются в соответствии с ГОСТ 15948-76. Подробный расчет исполнительных размеров формообразующих элементов описан в соответствующей литературе /5/.

Ошибки в выборе и соблюдении технологических условий переработки ПМ – следующая типичная причина отклонений от номинальных размеров, заданных при конструировании изделий из ПМ. Например, точность размеров изделий из ПМ в значительной мере зависит от стабильности исходного сырья, которая в свою очередь обусловлена условиями его хранения и предварительной переработки в полуфабрикаты ПМ.

К условиям хранения относят температуру, влажность воздуха складских помещений и продолжительность хранения. Повышенное содержание влаги и летучих веществ в составе исходного полимерного сырья увеличивает колебание усадки ПМ при его переработке, вызывает коробление, образование трещин и других поверхностных дефектов изделий. По этой причине в составе подготовительных операций ТП предусматривают обычно подсушку, таблетирование (гранулирование) и стабилизацию подбора исходного сырья.

Подсушка необходима при наличии в материале повышенного по сравнению с установленными нормами содержания влаги и летучих. Предварительная сушка осуществляется в вакуумных сушилках или в сушилках с псевдоожиженным слоем, которые улучшая теплопередачу, позволяют сокращать время сушки при повышенных температурах. Сушку пресс-материалов рекомендуется проводить в вакууме при невысоких температурах (менее 70-80 ˚С) во избежание потери ими текучести в результате преждевременного отверждения /11/.

Таблетирование, характерное для переработки отверждающихся ПМ, также существенно влияет на размерную точность, поскольку разброс массы таблеток при прямом прессовании (в открытых и полузакрытых формах) вызывает значительное рассеивание размеров изделий. При этом точность изготовления таблеток обусловлена типом таблеточной машины.

Подбор определенных партий исходного сырья за конкретной группой изделий – один из действенных путей повышения точности их изготовления. При этом проводится предварительное технологическое опробирование сырья, то есть изготовление пробной партии изделий. Однако для многономенклатурного производства не всегда имеется возможность реализации этого пути, поскольку складские помещения могут быть не приспособлены для одновременного хранения разнородного сырья.

Выше уже была показана температурная обусловленность усадки полиоксиметилена при остывании в литьевой форме. На рис.1.14 представлена зависимость объемной и линейной усадки полистирола от температуры расплава при впрыске в форму /7/ .

Можно видеть, что сохраняя массу постоянной, данный аморфный термопласт более чем на 10% изменяет величину объемной усадки и приблизительно на 4% линейную усадку по толщине отливки. Но при этом, в отличии от влияния температуры литьевой формы (рис. 1.13), температура впрыскиваемого расплава приводит к обратному эффекту: с ростом температуры расплава усадка снижается за исключением объемов ПМ вблизи литника. регулирования размерной точности изделий при формовании. Однако слишком высокая температура, вызывая термодеструкцию, способна ухудшить эксплуатационные свойства ПМ. Другим нежелательным последствием высокой температуры может стать разложение таких добавок в ПМ, как, например, красители, эластификаторы и др., появляются дефекты поверхности, токсичные продукты деструкции. Таким образом, температура расплава является сложным технологическим параметром регулирования размерной точности изделий при формовании, который в особо ответственных случаях при проектировании ТП нуждается в экспериментальной отработке.

Помимо температуры расплава, важную роль играет время пребывания ПМ в материальном цилиндре литьевой машины. В зависимости от термостойкости ПМ это время может колебаться обычно от двух до десяти минут. Наоборот, если время сокращено, то не достигают полного плавления и однородности вязкости по всему объему ПМ, что отрицательно проявляется не только на свойствах, но и на размерной точности формуемых изделий. Для определения оптимального времени выдержки ПМ под давлением в форме необходим экспериментальный анализ отливок. При этом важно поддерживать давление в течение всей стадии выдержки постоянным. Оно обычно выбирается в пределах 60-100 МПа в зависимости от вида и состава ПМ (см. Приложение 2). Дополняя и корректируя общие технологические параметры переработки ПМ другими основными условиями, определяющими уровень размерной точности при конкретном способе формования (табл. 1.17), достигают необходимого качества по данному показателю назначения изделия.

Таблица 1.17

Технологические условия, определяющие заданную размерную точность изделий из композиционных ПМ при литье под давлением /12/.

Регулирование дополнительных составляющих технологического допуска dт не предусмотрено в данной таблице, но они могут существенно ухудшить окончательный результат по совершенствованию размерного качества изделия. Как было показано в табл. 1.13, в первую очередь это касается изделий, для успешного извлечения которых из формующего инструмента предусматриваются технологические уклоны. Для того, чтобы избежать данного несовершенства с конструктивной точки зрения, делаются попытки использовать разборные формы, разделительные слои, термокомпрессионное формование и др. Однако все эти меры увеличивают трудоемкость и себестоимость производства, а потому не являются технологичными.

Уклоны деталей из ПМ рекомендуется располагать в поле допуска, задаваемого на соответствующий размер /5/. При этом точность сопрягаемых размеров изделий может соответствовать 8-13 квалитетам, а в зависимости от угла α технологического уклона предусматривают два варианта сопряжений:

при α ≤ 1˚ погрешность уклона не выходит из заданного поля допуска на размер;

при α > 1˚ погрешность уклона выходит за пределы заданного поля допуска на размер, и изделие рассматривают как коническое.

Рекомендуются следующие углы технологических уклонов для различных поверхностей изделий:

Поверхности наружные ……. 0,5; 0,75; 1,0; 1,5.

Поверхности внутренние…….. 0,75; 1,0; 2,0.

Отверстия глубиной > 1,5d ……. 0,75; 1,0; 2,0.

Отверстия глубиной ≤ 1,5d ……. 0,5; 0,75.

Ребра жесткости, выступы ……. 1; 2; 5.

Меньшие из указанных значений рекомендуются для ПМ с небольшими колебаниями усадки (условно до 0,4%), большие – для ПМ с колебаниями усадки свыше 0,4%. Примеры технологических уклонов Кук для изделий из различных ПМ приведены в табл. 1.18 согласно расчету:

Кук = Н tgα ,

где Н – высота изделия; α – угол уклона.

Таблица 1.18

Типовые технологические уклоны Кук на поверхностях изделий из ПМ /5/.

Уклоны можно не назначать для плоских монолитных изделий толщиной до 6 мм; для тонкостенных изделий высотой до 15 мм; для наружных поверхностей полых изделий высотой до 30 мм.

Погрешности размеров, возникающие при хранении готовых изделий, обусловлены релаксацией остаточных напряжений, удалением летучих продуктов, а в некоторых случаях, наоборот, поглощением ими влаги воздуха. На основании специальных исследований были сделаны следующие выводы /13/:

1. у изделий , не подвергавшихся термообработке, в течение первых 1,5-2,0 мес. увеличиваются примерно на 0,1% все размеры, после чего наступает полная стабилизация;

2. изделия, подвергнутые термообработке, увеличивают свои размеры примерно на 0,2% непосредственно после нее, но при дальнейшем хранении на воздухе размеры изделий уменьшаются и через 1,5-2,0 мес. снова становятся равными тем, которые были до термообработки.

Рекомендации по стабилизации размеров изделий в общем случае сводятся к следующему:

1. хранение готовых изделий в полиэтиленовой упаковке согласно РТМ-1.4.401-78 не специальных стеллажах;

2. поддержание в помещении постоянного режима хранения:

- влажность 40 – 70%;

- температура + 20 - ± 1,5 ˚С.

Выдержка деталей до поступления на сборку узлов и агрегатов зависит от квалитета размерной точности и может колебаться от 6 до 24 ч.

* * *

В тех случаях, когда соблюдение всех рекомендаций по выбору технологических методов и средств не обеспечивают заданной размерной точности, может оказаться целесообразным прибегнуть к помощи механической обработки отформованных изделий.