/ЛИТЬЕ: ТЕХНОЛОГИИ И ЭКОНОМИКА ТЕМА НОМЕРА

ТЕМА НОМЕРА/ЛИТЬЕ: ТЕХНОЛОГИИ И ЭКОНОМИКА
Сегодня
в развивающейся
глобальной экономике
интенсивно
увеличиваются
объемы потребления
прецизионных деталей
из пластмасс
и повышаются
требования
к их качеству
и размерной точности.
Авторы статьи
рассматривают
комплексный подход
к организации выпуска
подобной продукции
и приводят систему
материаловедческих,
технологических,
конструкторских
и организационнотехнических
рекомендаций,
позволяющих
достигать заданных
параметров изделий
Эффективность
литья точных деталей
но достигать рационального баланса между
размерной точностью продукции и экономической эффективностью производства.
Во многих секторах экономики (приборостроение, выпуск электроники/электротехники, радио- и бытовой техники,
машиностроение, авиа- и судостроение)
расширяется применение точных по размерам пластмассовых деталей, получаемых
методом литья под давлением. Одновременно повышаются требования к качеству
таких компонентов. При организации выпуска точных литьевых изделий всегда нуж-
Размерная точность
Фото Arburg
Эрик КАЛИНЧЕВ,
заслуженный деятель
науки и техники РФ,
д.т.н., профессор,
Марина САКОВЦЕВА,
к.т.н., доцент
ОАО «Институт пластмасс
им. Г.С. Петрова»
ПЛАСТИКС №7 (147) 2015
18
При выпуске точных деталей наряду с
обеспечением заданных эксплуатационных
свойств и внешнего вида необходимо соблюсти требования к их размерной точности, а
также стабильности размеров при эксплуатации.
При литье всегда возникают усадка и
постусадка материала: параллельно течению расплава ∆|| или перпендикулярно ему
∆⊥ (ГОСТ 18616-80, ISO 294, DIN 16901,
ASTM D955) [1-11]. При литье серии деталей
наряду с усадкой (∆||, ∆⊥) всегда возникают
отклонения усадки ∆S, которые вызывают
колебания фактических размеров отливок
от заданных номинальных размеров и, соответственно, влияют на размерную точность
деталей.
Кроме того, отклонения фактических
размеров отливок от заданных номинальных размеров возникают из-за большого
числа различных единичных технологических погрешностей, связанных с неточностью работы оборудования δоб или формы δф
(складываются из погрешностей изготовления оформляющих элементов δизг.ф и сборки
формы δсб.ф, погрешностей, связанных с изwww.plastics.ru
www.plastics.ru
ются на две категории.
Первые — стандартные
(иначе их называют коммерческими, экономически рациональными,
промышленными) — достигаются при нормальном технологическом
уровне литья (рис. 2).
Его обеспечивают современные эффективные
литьевые производства.
Допуск на размер
Вторые — точные (иначе их называют жесткими) — достигаются при
Рисунок 1. Оценка суммарных
повышенном технологическом уровне лизатрат при формировании
тья, применяемом для получения рекордно
допусков на размер изделий
низких на сегодняшний день допусков на
размеры деталей и изготовления изделий с
высокой размерной точностью.
Нормальный уровень литья гарантирует
экономическую эффективность производства, то есть высокую производительность и
минимальный расход сырья. В этом случае
технологические параметры литья разрабатывают, в первую очередь исходя из задачи
получить требуемую точность и максимально достижимую эффективность. Но при
этом должно быть соблюдено соответствие
необходимым параметрам внешнего вида
деталей, их эксплуатационных свойств, размерной точности деталей, установленной
для этого уровня литья.
Повышенный технологический уровень
литья (точное литье) достигается благодаря
реализации всех возможностей, которые может обеспечить существующая технология.
Это включает использование оформляющих
элементов оснастки с повышенной размерной точностью, тщательную отработку
технологичных режимов литья под задачу
Рисунок 2. Нормальный
минимизации допусков, использование
и повышенный
более совершенного и эффективного оботехнологические уровни литья
рудования, комплексное совершенствование
организации всего производства. При этом допускается увеличение
производственных затрат
на изготовление высокоточных деталей (рис. 1).
Повышенный технологический уровень литья
требует концентрации
всех научно-технических
Допуск на размер
и организационных достижений в области лиПовышенный технологический уровень
тья и литьевых произНормальный технологический уровень
водств [12].
Суммарные затраты
носом оформляющих δизн.ф, с колебанием зазоров между подвижными оформляющими
элементами формы δз). Сюда относят также
погрешности, связанные с технологическими уклонами δукл, метрологические погрешности δметр (погрешности контроля) и другие
[2, 5, 8].
Поэтому отклонения фактических размеров отливок от заданных номинальных размеров определяются комплексом факторов:
свойствами перерабатываемого материала
(влияют на ∆S), технологией литья (влияет
на ∆S), характеристиками перерабатывающего оборудования (влияют на δоб), конструкцией детали и оснастки (формы) (влияет на δф), уровнем организации производства
(влияет на ∆S, δоб, δметр).
Размерную точность пластмассовых деталей регламентируют допуски на номинальные размеры. В отечественной практике для
характеристики размерной точности пластмассовых деталей используют также понятие
квалитета точности размеров. Требования к
размерной точности (допуски) задаются на
чертежах или записываются в ТУ и технологических регламентах на детали. Подобные
допуски важны для взаимозаменяемости
деталей.
На размеры готовых деталей из полимерных материалов при эксплуатации влияют
параметры внешней среды. В силу характерных свойств пластмасс (гигроскопичность,
тепловое расширение, ползучесть) размеры
изделия могут изменяться при повышенной
влажности окружающей среды или при изменении температуры, а также при действии
внешней постоянной нагрузки, что приводит к потере работоспособности продукции.
Требования к допускам на размеры деталей, которые нужно соблюсти при формовании, а также допустимые изменения размеров и возможные диапазоны изменения
параметров внешней среды при эксплуатации изделий задает их заказчик. Оптимально, когда до начала работ по организации
выпуска точных компонентов заказчик,
конструктор формы и технолог проводят совместное обсуждение заданных допусков на
размеры и заданных допустимых изменений
размеров готовых деталей при эксплуатации,
решая, выполнимы ли они (рис. 1).
В международной практике литья точных
деталей существует понятие о двух категориях допусков, соответствующих двум технологическим уровням литьевого производства.
Различают нормальный и повышенный технологические уровни литья (рис. 2). В соответствие с ними допуски на размеры деталей,
достигаемые при этих уровнях, подразделя-
ТЕМА НОМЕРА/ЛИТЬЕ: ТЕХНОЛОГИИ И ЭКОНОМИКА
Номинальный размер
ПЛАСТИКС №7 (147) 2015
19
ТЕМА НОМЕРА/ЛИТЬЕ: ТЕХНОЛОГИИ И ЭКОНОМИКА
Допуск на размер, мм
2,0
1,6
1,2
0,8
0,4
0
100
200
300
400
Номинальный размер, мм
Повышенный технологический уровень
Нормальный технологический уровень
Рисунок 3. Зависимость
допуска на размер
от номинального размера
для двух технологических
уровней литья
20
На рисунке 3 показаны графики зависимости допуска от номинального размера для
двух технологических уровней литья на примере аморфных полимеров, которые имеют
сравнительно небольшую усадку (∆||, ∆⊥) и
характеризуются хорошими показателями
размерной точности деталей. Этот рисунок
наглядно показывает, что благодаря комплексному повышению технологического
уровня литьевого производства достигается
существенное сокращение допуска на размер и повышается размерная точность отливаемых деталей.
На рисунке 3 данные приведены для
деталей с толщиной стенки h~3,2 мм. Для
деталей с толщиной стенки h более 4 мм допуск увеличивается. Зависимости даны для
размеров, образуемых формующей поверхностью только одного из элементов формы
(матрицы, пуансона, знака), при этом рассматриваются детали сравнительно простой
конфигурации. Допуски на размеры других
типов и для деталей более сложной формы
увеличиваются [8].
При обсуждении допусков на размеры
рассматриваются экономические аспекты
достижения заданных допусков. Уменьшение допуска на размер приводит к дополнительным затратам на изготовление деталей
(рис. 1). Приводятся данные, что уменьшение допуска на размер изделий в два раза
приближенно увеличивает стоимость их
производства в четыре раза [5]. В данной
ситуации заказчик продукции, конструктор
оснастки и технолог должны прийти к компромиссу между задаваемым допуском на
размер и стоимостью изготовления деталей.
Допуски на размеры должны обеспечить
надежную работоспособность пластмассовой продукции в течение заданного срока
ПЛАСТИКС №7 (147) 2015
эксплуатации. Допуски на размеры точных
деталей назначают в зависимости от назначения и параметров функционирования
деталей [2, 5, 8]. При этом принимают во
внимание следующие факторы: категорию,
к которой относится размер (сопрягаемый
или несопрягаемый — свободный), наличие
или отсутствие контакта или сборки детали
с другими компонентами, другие факторы.
Порядок выбора допусков на размеры
точных деталей в зависимости от их назначения и условий эксплуатации изложен
в [2, 5, 8], его учитывает заказчик изделия
при установлении допуска на размер разрабатываемого продукта.
Влияние различных факторов
Литье пластмасс — комплексный способ
переработки, характеризующийся сложными физико-химическими процессами. Эффективность литья и качество литьевых деталей зависят от влияния многих факторов:
конфигурации и габаритов пластмассовой
продукции, свойств перерабатываемого материала, выбранной технологии, конструкции оснастки, возможностей перерабатывающего оборудования, общей организации
производства. Поэтому при решении любых
литьевых задач нужно продумывать все составляющие процесса производства.
Это в полной мере касается задачи достижения заданной размерной точности пластмассовых деталей. Отклонения фактических
размеров отливок от заданных номинальных
размеров образуются из-за колебания усадки
∆S, которое возникает при изготовлении серии деталей, а также в результате большого
числа различных единичных технологических погрешностей, сопровождающих процесс литья (что было рассмотрено выше) и
имеющих разную природу. Обычно размерная точность отливаемых деталей, которая
достигается в процессе формования литьем,
зависит от комплекса пяти основных факторов (рис. 2):
— свойств перерабатываемого материала;
— технологического режима литья;
— качества литьевой оснастки;
— характеристик перерабатывающего
оборудования;
— уровня организации литьевого производства.
Повышение технологического уровня литья достигается благодаря комплексу материаловедческих, технологических,
конструкторских, метрологических и
организационно-технических мероприятий.
Сложность достижения заданных допусков на размеры пластмассовых деталей заwww.plastics.ru
ТЕМА НОМЕРА/ЛИТЬЕ: ТЕХНОЛОГИИ И ЭКОНОМИКА
ПЛАСТИКС №7 (147) 2015
ключается в том, что допуски представляют
собой малые величины, и поэтому требуются
высокоточное регулирование и постоянное
поддержание всех параметров, влияющих на
допуск.
— предсказуемая усадка ∆||, ∆⊥;
— малая усадка параллельно течению ∆||
(менее 0,8%), перпендикулярно течению ∆⊥
(менее 0,8%);
— небольшая анизотропия усадки (∆||∆⊥или ∆⊥-∆||) (менее 0,3%), изотропия
свойств;
— низкий уровень коробления.
На правах рекламы
Основными характеристиками полимерных материалов, определяющими
размерную точность отливок, являются
структура (аморфная, кристаллическая);
молекулярные (молекулярная масса — ММ,
молекулярно-массовое распределение —
ММР) и вязкостные свойства; состав композиционных материалов; тип наполнителя
(анизотропный наполнитель — стекловолокно, включая короткое, углеродное волокно; изотропный наполнитель — стеклянные
шарики, минеральный наполнитель; комбинирование наполнителей); тип малых
добавок (смазки, нуклеаторы и другие). Эти
характеристики определяют усадку (∆||, ∆⊥),
анизотропию усадок (∆||-∆⊥ или ∆⊥-∆||), коробление деталей.
Для выпуска точных деталей предпочтительны материалы, которые имеют следующие показатели:
Фото BASF
Подбор полимерного материала
www.plastics.ru
21
ТЕМА НОМЕРА/ЛИТЬЕ: ТЕХНОЛОГИИ И ЭКОНОМИКА
2,0
Усадка ∆, %
1,5
1,0
0,5
0
20
60
100
140
180
Температура формы Тф, °С
Полибутилентерефталат
Полисульфон
В общем случае существует зависимость
между колебанием усадки ∆S при формовании деталей, которая в определенной степени влияет на отклонение фактических размеров отливок от номинального размера,
и величиной усадки (∆||, ∆⊥). Чем меньше
усадка (∆||, ∆⊥) материала, тем меньше ее
колебание ∆S. Это связано с тем, что при
небольшой усадке (∆||, ∆⊥) изменение (колебание) технологических параметров литья
сравнительно мало сказывается на усадке
(∆||, ∆⊥) (рис. 4). Наоборот, при большой
усадке (∆||, ∆⊥) изменение (колебание) технологических параметров литья (особенно
температуры формы Тф, давления в период
выдержки под давлением Рвпд, температуры
съема деталей из формы Тд) оказывает существенное влияние на изменение усадки.
Следовательно, как правило, детали из
материалов с меньшей усадкой (∆||, ∆⊥) и
более низким колебанием усадки ∆S могут
быть изготовлены с более высокой размерной точностью (рис. 5). При литье таких
пластиков с небольшой и предсказуемой
Рисунок 5. Зависимость
допусков на размер от уровня
усадкой (например, аморфных, стеклонаусадки изделия (нормальный
полненных на основе аморфных полимеров,
уровень литья, номинальный
особенно с коротким стекловолокном) легче
размер — 100 мм)
обеспечить достижение
размерной точности де2,0
талей.
Чем меньше усадка (∆||, ∆⊥) материала и
ниже ее колебание ∆S,
1,0
тем с более низкими дополнительными затратами могут быть получены
изделия с высокой раз0
мерной точностью.
1,0
2,0
Большие колебания
Усадка ∆, %
усадки затрудняют получение продукции с точДопуск на размер, мм
Рисунок 4. Зависимость
усадки изделия
от изменения технологических
параметров литья
22
ПЛАСТИКС №7 (147) 2015
ными размерами и способствуют искривлению профильных изделий (короблению).
В случае, когда при эксплуатации точные
детали работают в условиях повышенной
влажности, или изменяется температура эксплуатации, или действует длительная статическая нагрузка, происходит изменение размеров готовых деталей. Это может вызывать
потерю их работоспособности.
Причиной изменения (колебания) размеров деталей в условиях переменной влажности является гигроскопичность полимеров,
то есть способность сорбировать влагу из
окружающей среды, что характерно, например, для полиамидов. К изменению размеров изделия при повышении (или понижении) температуры эксплуатации приводит
тепловое расширение (сжатие) полимеров.
Поэтому, например, если пластмассовая деталь работает в сборке с другими компонентами, изготовленными из других материалов,
и коэффициенты линейного термического
расширения материалов βт различаются, то в
этом случае изменение (колебание) температуры эксплуатации может привести к потере
работоспособности деталей из-за разницы в
изменении их размеров. Изменение размеров под действием длительной статической
нагрузки возникает из-за характерного для
полимеров свойства ползучести.
Для изготовления точных деталей, которые работают в условиях переменных параметров внешней среды, пригодны материалы, имеющие следующие показатели:
— низкое влагопоглощение, обеспечивающее минимальное изменение размеров
деталей (стабильность размеров деталей) в
условиях повышенной влажности окружающей среды;
— низкий коэффициент линейного термического расширения, обеспечивающий
минимальное изменение размеров деталей
(стабильность размеров деталей) в условиях
переменной температуры эксплуатации;
— высокий модуль ползучести, обеспечивающий устойчивость к ползучести.
Процедура выбора полимерных материалов для переработки в точные изделия состоит из нескольких этапов, и подбор осуществляют по нескольким критериям.
На первой стадии пластик подбирают
с учетом требований к эксплуатационным
свойствам конечного продукта. Они должны
соответствовать заданным условиям эксплуатации и обеспечить надежную работоспособность деталей в этих условиях [11].
На втором этапе выбранные материалы оценивают по технологическим свойствам [13] и подбирают их технологические
www.plastics.ru
марки по показателю текучести. При этом
учитывают конфигурацию и размеры деталей (объем отливки v, толщину стенки h,
отношение длины затекания к толщине
L/h, площадь литья отливки S, гнездность
формы). Технологические свойства выбранной технологической марки (вязкостные,
термостабильность) должны обеспечить
эффективную переработку литьем в продукцию необходимой конфигурации и размеров [13].
На третьем этапе из выбранных полимеров отбирают материалы, которые обеспечивают изготовление точных деталей с заданной размерной точностью (допуском на
размер), а также с заданным минимальным
(допустимым) изменением размеров деталей
при эксплуатации, что было рассмотрено
выше. Третий этап выполняют, когда подбирают пластики для выпуска прецизионных
деталей, а также для деталей, работающих в
сборке (сопряжении) с другими компонентами.
Перед применением выбранных материалов для выпуска серийных деталей требуются тщательные натурные испытания.
Сегодня серийно выпускаемые полимерные материалы предоставляют большие возможности для выпуска товаров различного
назначения, включая точные детали, благодаря тому, что их выпускают в широком
марочном ассортименте, который состоит
из двух групп.
ТЕМА НОМЕРА/ЛИТЬЕ: ТЕХНОЛОГИИ И ЭКОНОМИКА
В группу марок эксплуатационного назначения входят
полимеры с улучшенными эксплуатационными свойствами,
наполненные анизотропными
(стекловолокно, углеродное волокно) и изотропными (минеральные наполнители, стеклянные шарики) наполнителями, а
также их комбинацией.
В группу марок технологического назначения входят пластики с различной текучестью,
которые позволяют получать
литьевые детали самого различного дизайна и конфигурации,
а также размеров. Ко второй
группе относятся композиции с
добавками, улучшающими перерабатываемость полимерных материалов
(например, со смазками, с термостабилизаторами, со структурообразователями, со
вспенивающими агентами).
Сегодня выпускают специальные марки
на основе кристаллизующихся полимеров, из
которых получают детали с пониженным короблением и улучшенной размерной точностью,
например, на базе полибутилентерефталата.
Бленды содержат кристаллическую фазу (ПБТ)
и аморфную фазу (АСА-сополимер), стекловолокно и минеральный наполнитель.
Фото PolyOne
ПЛАСТИКС №7 (147) 2015
Продолжение в следующем номере
Литература
1. Пантелеев А.П., Шевцов Ю.М., Горячев И.А. Справочник по проектированию оснастки
для переработки пластмасс. — М.: Машиностроение, 1986. — 399 с.
2. Басов Н.И., Брагинский В.А., Казанков Ю.В. Расчет и конструирование формующего
инструмента для изготовления изделий из полимерных материалов: Учебник для вузов. —
М.: Химия, 1991. — 352 с.
3. Менгес Г., Микаэли В., Морен П. Как делать литьевые формы / Пер. с англ. под ред.
В.Г. Дувидзона, Э.Л. Калинчева. — СПб.: Профессия, 2007. — 640 с.
4. Фишер Дж.М. Усадка и коробление отливок из термопластов. Справочник / Пер. с англ.
яз. — СПб.: Профессия, 2009. — 424 с.
5. Ложечко Ю.П. Литье под давлением термопластов. — СПб.: Профессия, 2010. — 244 с.
6. Казмер Д.О. Разработка и конструирование литьевых форм / Пер. с англ. под ред.
В.Г. Дувидзона. — СПб.: Профессия, 2011. — 464 с.
7. Гордон М.Дж. Управление качеством литья под давлением. — СПб.: Научные основы и
технологии, 2012. — 824 с.
8. Брагинский В.А. Назначение и выбор технологических допусков изделий из пластмасс //
Полимерные материалы. — 2008. — №4. — С. 10, 12, 14.
9. Барвинский И.А. Прогнозирование усадки при литье под давлением деталей из
термопластов // III Международный семинар «Современные технологии литья пластмасс.
Локализация производства автокомпонентов и проблемы контроля качества». — СанктПетербург, 15-16 сентября 2011. — С. 1-28.
10. Барвинский И.А., Барвинская И.Е. Проблемы литья под давлением изделий из
полимерных материалов: уплотнение // Полимерные материалы. — 2014. — №3. — С. 3-13.
11. Калинчев Э.Л., Саковцева М.Б. Выбор пластмасс для изготовления и эксплуатации
изделий: Справочное пособие. — Л.: Химия, 1987. — 416 с.
12. Калинчев Э., Саковцева М., Калинчев С. Современная организация литьевых
производств // Пластикс. — 2014, №7, с. 22-28; №9, с. 24-30.
13. Калинчев Э.Л., Саковцева М.Б. Свойства и переработка термопластов: Справочное
пособие. — Л.: Химия, 1983. — 288 с.
www.plastics.ru
Precision Parts Molding
Efficiency
Erik Kalinchev,
Marina Sakovtseva
In the evolving modern
global economy, consumption of plastic precision
parts grows rapidly, while
the requirements for their
quality and dimensional
accuracy are beingstepped
up. The authors consider a
comprehensive approach
to organizing the manufacture of such products and
propose systematic material science, technology,
design, and organizational
and technical advice enabling the products to meet
specifications.
23