Мелкосерийные пресс-формы! Заказать >>

Литье пластмасс

Технологические параметры литейного процесса оказывают значительное влияние на стойкость пресс-формы. В связи с этим выбору оптимальных режимов литья, определяющих качество получаемых отливок и стойкость пресс-форм, необходимо уделять большое внимание еще при проектировании пресс-форм, а также в процессе их доводки и отработки технологии.
К основным параметрам литейного процесса относятся: скорость прессования, удельное давление на жидкий металл в камере прессования, скорость впуска и течения жидкого металла, давление металла на стенки вкладышей пресс-форм, температурный режим литья, продолжительность литейного цикла и отдельных переходов, состав и свойства смазки.
Рассмотрим вышеуказанные параметры с точки зрения влияния их на стойкость вкладышей пресс-форм.
Скорость прессования. Продолжительность выдержки отливки в пресс-форме регулируется автоматически реле времени в пределах 1—30 сек. После выдержки отливка автоматически удаляется из пресс-формы, рабочая полость пресс-формы очищается от грата, смазывается и закрывается. Продолжительность цикла у указанных машин составляет 20—300 сек.
Скорость прессования wn оказывает большое влияние на смыв смазки с рабочей поверхности пресс-форм, на качество отливок и на величину скорости впуска. В существующих машинах скорость прессования регулируется открытием запорного вентиля 2 или дросселями.
В последние годы для определения скорости прессования разработан ряд приборов потенциометрического и индукционного типов с регистрацией на пленку или ленту осциллографа. Недостатком указанных приборов является необходимость последующей расшифровки, что затрудняет их использование на производстве. В последние годы разработаны приборы стрелочного типа. Для определения средней скорости на каком-то участке движения плунжера Сиблитмаш разработал специальный прибор.
Изменение скорости прессования wn и давления гидравлической жидкости р, полученное методом осциллографирования в период литейного цикла на машине
Рид-Прентис 1.5G при открытии запорного вентиля 2 на четыре оборота.В соответствии с полученными данными литейный цикл разбит на четыре периода.
/ — период разгона. Движение плунжера имеет ускоренный характер. Скорость возрастает до максимальной, а давление падает до минимума.
// — период равномерного движения. Скорость движения плунжера и давление жидкости остаются постоянными.
/// — период заполнения пресс-формы. Скорость движения плунжера падает, а давление жидкости повышается.
IV— период максимального давления. Движение плунжера прекращается,, а давление жидкости в камере прессования и на жидкий металл достигает максимального значения.
Скорость прессования  зависит от многих факторов: давления в аккумуляторе ра, давления сил сопротивления на пути движения наконечника плунжера, величины местных потерь в магистрали ^ £, диаметра прессующего наконечника Dn, диаметра канала d0, по которому жидкость попадает в полость цилиндра, и других факторов.

ПРОЦЕССЫ, ВОЗНИКАЮЩИЕ НА РАБОЧЕЙ ПОВЕРХНОСТИ
ПРЕСС-ФОРМЫ


Для более точного определения процессов, возникающих иа рабочей поверхности пресс-форм, рассмотрим брак отливок по вине пресс-форм, виды и причины возникновения которого алюминиевых сплавов на вкладышах пресс-форм, изготовленных из стали ЗХ2В8Ф, при толщине стенок отливок до 2 мм и весом до 100 г сеткараз-гара не возникает даже после 300 000 ц. т., тогда как на «промывнике» той же отливки с толщиной тела 8—10 мм она появляется ранее 20 000 ц. т. Формоизменение (смятие) плит, образующих неглубокие впадины в теле отливки при тонкостенных .
Заливы на поверхности отливок в виде выступающих гребешков
Заливы в виде сетки
Облой (заливы) на поверхности отливок, копирующий стык пресс-форм
Изменение размеров
Повышенная шероховатость на поверхности
Неровности на поверхности отливок
Наименование дефекта пресс-формы
Трещины на рабочей поверхности вкладыша
Сетка разгара на рабочей поверхности вкладыша
Смятие в стыках вкладыш—вкладыш, стержень—вкладыш и т. д.
Коробление, смятие, изменение формы стержней и т. п.
Износ рабочей поверхности
Налипание, приваривание, вмятины и т. п.
Причины возникновения дефекта пресс-формы
Температурные напряжения, термическая усталость, эффект Ре-биидера, коррозионное растрескивание и коррозионная усталость
Термическая усталость
Необратимое формоизменение
Необратимое формоизменение
Трение, эрозия, коррозия, диффузия, кавитация и т. п.
Пластическая деформация, диффузия, коррозия и т. д.
ней за счет налипания и приваривания может возникать очень быстро. При литье высокотемпературных сплавов на основе меди и железа сетка разгара и смятие возникают при значительно меньшем количестве циклов теплосмен.
 Количество гнезд в пресс-форме колебалось от 1 до 5, отливки имели вес от 7 до 390 г и изготовлялись из сплавов АЛ2, АЛ9, АЛ11 и АЛ15ВХ на машинах 515М. В качестве смазки для камер прессования применялся пчелиный воск, а для вкладышей — масло вапор. Отливки имели 2—5-й классы точности. К чистоте поверхности отливок предъявлялись повышенные требования, поэтому стойкость деталей металлопровода и особенно вкладышей была невысокой .
Температурный цикл Тц, включающий нагрев и охлаждение, можно выразить как Тц = Тк^: Тф °С. Он определяет величины возникающих деформаций, температурных напряжений и величину изменений механических свойств в течение литейного цикла.
Сопротивление материалов деталей пресс-форм термической усталости -^„дальнейшем будем называть термостойкостью.
Явление необратимого формоизменения при циклически изменяющихся температурах и напряжениях определяется величиной возникающей пластической деформации, приводящей к смятию пресс-форм в местах стыков (вкладыш—вкладыш, стержень—вкладыш, выталкиватель—вкладыш и т. п.), которые вызывают облой, заливы вымоины и другие дефекты на отливках.
Сопротивление материалов деталей пресс-форм формоизменению в дальнейшем будем называть формостойкостью.
Износ в узком смысле понимания — это особый вид остаточной деформации металлических деталей, обусловленный трением о соседние сопряженные детали. Различают износ I рода, или трение, отрыв частиц от поверхности и износ II рода, или смятие, которое особенно сильно выражено при высоких удельных давлениях.
Износ рабочей поверхности пресс-форм явление более сложное и еще мало изученное. Высокотемпературный износ в широком смысле обусловлен трением струи жидкого металла о стенки и другие части деталей пресс-форм, гидравлическими ударами, коррозией, диффузией, химическим взаимодействием и другими процессами.
Химическое взаимодействие металла вкладышей пресс-форм с металлом отливки, смазкой и газами проявляется в виде возникновения различных химических реакций с образованием хрупких соединений, которые выкрашиваются и снижают чистоту поверхности вкладышей пресс-форм и отливок.
Физическое взаимодействие металла вкладышей с металлом отливки,смазкой и газами проявляется в виде диффузии, науглероживания, обезуглероживания и других процессов, приводящих к снижению механических свойств металла вкладышей пресс-форм и снижению их стойкости.
Кавитация приводит к локальному разрушению рабочей полости вкладышей пресс-форм в месте падения струи жидкого металла или удара ее о преграду, что резко снижает в указанных местах чистоту поверхности отливки. Эрозия так же, как и кавитация, приводит к разрушению поверхности вкладышей пресс-форм и снижению качества поверхности отливок.
Сопротивление материала пресс-форм износу называют износостойкостью.
Одновременно с основными процессами на рабочей поверхности при литейном цикле возникают многие другие явления, оказывающие влияние на ход основных процессов или на изменение механических свойств материала вкладыша и других деталей пресс-форм и их стойкость. К ним относятся: разупрочнение и упрочнение материала рабочей поверхности, сфероидизация и коагуляция, аллотропические и фазовые превращения, адсорбционно-поверхностные эффекты Ребиидера, коррозионная усталость, коррозионное растрескивание и др.
Развитие вышеуказанных процессов происходит тем интенсивнее, чем выше температура нагрева рабочей поверхности пресс-форм и чем больше температурный перепад в ее стенках. Все рассмотренные явления взаимозависимы, оказывают влияние друг на друга, что весьма усложняет их рассмотрение. Основные процессы, возникающие на рабочей поверхности, будут рассмотрены каждый по отдельности.

Экспериментальное определение температурных полей. Е. Миккелем было произведено экспериментальное определение температуры поверхности рабочей полости пресс-форм. Данными этого определения пользуются многие авторы в нашей стране. Температура Е. Миккелем измерялась в пяти точках, из них четыре были установлены на расстоянии 10 ± 2 мкм от рабочей поверхности. Отливки изготовлялись из алюминиевого сплава и заливались при температуре 610° С. Температура, полученная в четырех точках, была на 40—70° С выше температуры заливки, что, по нашему мнению, не соответствует действительности. По-видимому, Миккелем была измерена температура жидкого металла, которая благодаря применению щелевых литников могла повыситься. Ошибка опыта произошла, видимо, вследствие плохой заделки электрода. При изготовлении стальных отливок толщиной 10 мм при температуре заливки 1600° С температура контакта при литье под давлением с использованием вкладышей, изготовленных из сталей ЗХ2В8Ф и 3X13, составляла 900—1100°С, а при литье с использованием вкладышей, изготовленных из меди МО, 550° С. При литье сплавов АЛ2 и ЦАМ 4-3 с толщиной стенки отливки 6 мм в самом впуске температура  контакта была на 30—100° С ниже температуры заливки.
Экспериментальное определение температуры контакта Тк производится специальными термопарами с толщиной горячего спая 5— 10 мкм и с изоляцией никелевого электрода оксидированием. Второй стержень-электрод изготовляется из материала вкладышей. Конструкция такой термопары показана на рис. 25. Температура пресс-формы измеряется хромель-алюмелевыми термопарами. Показания специальных термопар регистрируются осциллографом. Показания хромель—алюмелевых термопар регистрируются потенциометром типа ЭПП-09. Все термопары перед началом их использования градуируются. Для определения температуры пресс-форм хромель—алюмелевые термопары устанавливаются во вкладыше на расстоянии 10—15 мм от рабочей поверхности, а поверхностные термопары на расстоянии 5—10 мкм. Для регулируемого режима работы пресс-форм необходимо устанавливать две термопары.
Результаты измерений температуры контакта за один цикл в пресс-форме, с использованием вкладыша, изготовленного из стали 3X13, при изготовлении отливок из стали 20Л со смазкой и без смазки .
Через 80—100 сек все термопары показали исходную температуру подогрева пресс-форм. Результаты измерений температуры при прочих равных условиях, но во вкладышах, изготовленных из меди Ml.
Температура заливки стали 20Л составляла 1600° С. Смазка содержала: 35% силиконовой жидкости № 5, 20% пылевидного кварца, 10% графита, 32% уайт-спирита иЗ—10% раствора этилцеллюлозы в спирте.

Теплопроводность смазки составляла 0,140 ккал/мм  ч- град, смачивае­мость при 300° С была удовлетворительная.

Применение" смазки снижает температуру нагрева рабочей поверхности вкладышей из стали 3X13 примерно в два раза, а вкладышей из меди в 1,33 раза. Смазка эффективно предохраняет плоские стенки от разрушения, так как она резко снижает температуру контакта. Но смазка смывается с острых углов, охватываемых -жидким металлом, поэтому не предохраняет их от разрушения. Из практики производства известно, что разрушение пресс-форм начинается с острых углов. Так как медь имеет теплопроницаемость выше стали 3X13 в три раза, то поэтому температура контакта вкладышей из меди в два раза ниже.

Распределение температуры по длине отливки неравномерное. Чем ближе к литнику, тем выше температура контакта, что видно из распределения темпе­ратуры по длине спирали. Толщина спирали была 3 мм, ширина 10 мм, длина 2000 мм Снижение температуры контакта по длине спирали объясняется понижением температуры перегрева. Разность температур контакта по длине спирали тем больше, чем выше перегрев жидкого металла и чем выше температура подогрева пресс-форм. При встрече с преградой (стержень, бобышка и т. д.) за счет превра­щения кинетической энергии в тепловую ее нагрев может быть больше, чем близко лежащая стенка рабочей полости.

Расчетные и опытные данные показывают, что с повышением тем­пературы плавления, температуры заливаемого металла  и температуры подогрева пресс-форм температура контакта повышается.

С повышением теплопроводности смазок температура контакта также повы­шается. С увеличением толщины тела отливки температура контакта не повы­шается, но высокая температура распространяется на более глубокие слои пресс-формы и держится более длительное время. Продолжительность выдержки Тк при литье стали 20Л во вкладыши, изготовленные из стали 3X13, приведена ниже:

Толщина тела отливки в мм ....   2,5    5,5    10,5 Продолжительность выдержки при

Тк в сек...........0,1     0,4    0,7

Регулирование температуры пресс-формы и поддержание ее в заданных пре­делах возможно за счет применения различных нагревательных устройств.

Регулирование температуры контакта чрезвычайно затруднено. Ее регули­рование возможно за счет теплофизических свойств материалов, так как при-

меняемые для изготовления пресс-форм стали имеют Вф =8 + 36 ккал/м. ч- град, сплавы на основе молибдена и вольфрама Вф = 240 + 280 ккал/м- ч- град, сплавы на основе меди Вф = 70+360 ккал/м-ч-град. Однако дефицитность и высокая стоимость сплавов на основе молибдена и вольфрама, а также недостаточная прочность сплавов на основе меди, ограничивают возможности их использования. Регулирование температуры за счет применения смазки, как указывалось выше, также имеет ограничение. Но, используя все имекщиеся средства, можно про­изводить как снижение температуры контакта, так и ее поддержание в заданных пределах.

При расчете в качестве материала вкладышей пресс-форм принята сталь ЗХ2В8Ф с HRC 42—46. Предел текучести и модуль упругости определяют ве­личину упругой деформации, а следовательно, и величину возникающей пласти­ческой деформации.

Изготовление отливок из сплавов на основе цинка, принятых режиме литья и материале вкладыша пресс-форм не приводит. При наличии углов, охватываемых жидким металлом, общая деформация будет в 1,43—2 раза больше , а упругая деформация ниже, так как угол нагревается до более высокой температуры, по­нижая предел текучести. Поэтому при литье цинковых сплавов пластическая— деформация может быть значительной, что необходимо учитывать при, выборе материалов для изготовления пресс-форм и режимов литья. Пластическая деформация cнижает стойкость пресс-форм, но и приводит к браку отливок, связанному с изменением размеров. При циклическом воздей­ствии температурных напряжений развиваются дислокационные явления, при­водящие к изменению прочностных и пластических свойств поверхностных слоев металла, что проявляется тем интенсивнее, чем выше температура контакта. При литье стали под давлением в стыках зерен появляются трещины, которые возникают вследствие разных направлений линий скольжения и расположения дислокаций.

Температурные напряжения. Существует много различных мнений по клас­сификации температурных напряжений, но в последнее время за основные при­знаки приняты: напряженность силового поля и их физическая сущность. Обще­принятой является классификация по первому признаку.

Напряжения I рода — микроскопические зональные напряжения, охваты­вающие целые области детали. Эти напряжения имеют ориентацию, связанную с формой изделия.

Напряжения II рода — микроскопические, распространяющиеся на отдель­ные зерна или группу зерен.

Напряжения III рода — субмикроскопические, относящиеся к искажениям атомной решетки.

Различают также временные и остаточные напряжения. Напряжения, ве­личина которых не превышает уровня предела упругости объемов поликристал­лического вещества, и исчезающие после удаления приложенных усилий тепло­вого или механического характера, называются временными атн. Напряжения, превышающие предел текучести неоднородных объемов различных порядков и неисчезающие после удаления причин, их вызывающих, называют остаточными аон.

Кроме того, различают действительные и условные, или фиктивные напря­жения. Действительные напряжения при одноосном нагружении всегда меньше предела текучести или равны ему, атн ат, а при двухосном нагруженни аон ^ 1,15стг . Если температурные напряжения достигнут предела текучести, то возникает пластическая деформация и происходит релаксация напряжений. При хрупких материалах, применяемых для изготовления деталей пресс-форм, появляются также трещины. Условные, или фиктивные напряжения рассчиты­вают без учета появления пластической деформации, принимая, что материал во всем температурном интервале находится в упругом состоянии.

Различают также напряжения по направлению их действия: одноосные, двухосные, трехосные и многоосные.

Напряжения I рода возникают: при прокатке, ковке, прессовании и других видах пластической деформации материалов; при нагреве и охлаждении загото­вок; закалке и отпуске; механической обработке; при нанесении различных электрохимических и гальванических покрытий; химикотермической обработке. Поэтому в ГОСТ 5950—63 на инструментальные стали, в том числе и на сталь ЗХ2В8Ф, из которой изготовляются вкладыши пресс-форм, предусматривается отжиг и поставка их в отожженном состоянии.

Однако не редки случаи, когда полученные заготовки не соответствуют тре­буемым размерам, поэтому оии перековываются. Такие заготовки должны обя­зательно перед началом механической обработки пройти отжиг. Охлаждение заготовок необходимо производить медленно.

При охлаждении заготовок после ковки или прокатки вместе с печью напря­жения составляют 4—5 кГ/мм2, при охлаждении на воздухе — 8—10 кГ/мм2, а в воде — до 50 кГ/мм2. Из-за нарушения технологии изготовления заготовок в них иногда наблюдаются трещины.

В высококачественной стали закалочные напряжения могут достигать 96— 100 кГ/мм2, что иногда также приводит к возникновению трещин. Форма трещин зависит от природы материала и возникающих напряжений. Трещины бывают поверхностными, уходящими в глубину, внутренними в виде сетки мелких тре­щин и частичного отслаивания, выходящего на поверхность, а также в виде микротрещин, распространенных по всему объему, как результат фазовых прев­ращений.

Величина остаточных напряжений после механической обработки высоко­легированных сталей типа ЗХ2В8Ф может достигать 100 кГ/мм2, поэтому для слож­ных пресс-форм перед закалкой вкладышей необходимо производить отпуск для снятия напряжений.

На рабочие поверхности вкладышей часто наносятся электролитические покрытия, которые также вызывают напряжения. Например, осаждение хрома сопровождается возникновением напряжений растяжения от 6 до 45 кГ/мм2, а осаждение никеля — от 5 до 30 кГ/мм2. Поэтому перед началом эксплуатации пресс-форм также необходим отпуск вкладышей для снятия напряжений, что особенно важно для дорогостоящих пресс-форм. По данным И. С. Штейнберга, при химикотермической обработке азотированием появляются напряжения сжа­тия, равные 50—90 кГ/мм2.

Напряжения II рода возникают вследствие фазовых превращений, анизо­тропии механических свойств, инородных включений на границах зерен и внутри кристаллов, а также вследствие циклических изменений температуры. Эти напря­жения характерны для поликристаллических тел, так как возникают в резуль­тате взаимодействия кристаллитов между собой. Отдельные зерна могут быть по-разному ориентированы, отличаться по строению, иметь инородные включения, газовые пузыри и т. п. Напряжения между различными по фазовому состоянию зернами возникают независимо от их ориентации. В перлите напряжения этого происхождения достигают 7,5 кГ/мм2, в цементите и феррите — 35 кГ/мм2, а в мартенсите по теоретическим расчетам [40]— 170 кГ/мм2. Напряжения II рода в малоуглеродистой стали достигают 50—60 кГ мм2, а в высокоуглероди­стой стали — 160 кГ/мм2.

Анизотропия механических свойств может вызвать напряжения II рода вследствие неравномерной пластической деформации. Инородные включения и граничное строение слоев могут задерживать продольную деформацию и вызы­вать напряжения. Так, при распаде кристалла на блоки могут возникать напря­жения, равные пределу текучести материала.

Напряжения III рода, источником которых являются нарушения в решетке, вычисляются теоретически и определяются рентгеноструктурным анализом. Эти напряжения связаны с дислокациями и внедренными атомами, которые играют важную роль в разрушении деталей пресс-форм, так как, концентри­руясь у границ зерен, они вызывают зарождение трещин.

Из очень краткого рассмотрения возникновения температурных напряжений видно, что если не принимать соответствующих мер при изготовлении заготовок и деталей пресс-форм, то они могут быть очень большими, вследствие чего тре­щины могут возникать при первых же запрессовках.

Упруго-пластические деформации и напряжения. По уровню температуры стенки вкладыша пресс-форм можно разбить на следующие зоны.

Зона I. Внутренний поверхностный слой, температура которого при каждом литейном цикле достигает Тк. Этот слой соприкасается с жидким металлом и имеет самые высокие температуры на-грева,   тепловые   деформации, температурные напряжения и самые низкие механические свойства. Внутренний поверх­ностный слой формирует каче­ство поверхности отливки. Тол­щина этого слоя равняется высоте неровностей поверхности.

Зона II. Пограничный слой, температура которого при каж­дом литейном цикле изменяется от Тк до Тф. Пограничный слой целесообразно разбить на два подслоя А и Б. В подслое А температура изменяется от Тк до Ts, где Ts — температура перехода материала из упругого состояния в пластическое. В под­слое Б температура изменяется от Ts до Тф. Материал в под­слое А при каждом литейном цикле может переходить из упру­гого состояния в пластическое, а в подслое Б он находится все время в упругом состоянии. Механические свойства в обоих слоях изменяются при каждом литейном цикле. Подслоя А может и не быть.

Зона III. Основной слой, температура которого практически не изменяется, не изменяются и другие показатели в процессе цикла.

Зона IV. Внешний поверхностный слой, соприкасающийся с окружающей средой.

Температура перехода материала рабочей поверхности пресс-форм из упру­гого состояния в пластическое величина переменная, зависящая от многих фак­торов. Пластическая деформация возникает в том случае, если температурные напряжения превзойдут предел текучести материала вкладышей пресс-форм.

Пластические деформации являются основной причиной разрушения деталей пресс-форм по необратимому формоизменению, т. е. смятию, росту, короблению и др. С повышением пластической деформации детали пресс-форм разрушаются из-за термической усталости и износа. Следовательно, устранение или снижение пластической деформации повышает стойкость пресс-форм.