книги из ГПНТБ / Детали из стеклопластика в судовом машиностроении

ватъ температуру постоянной. Но какой бы высокой чувствитель­ ностью не обладал терморегулятор, постоянство температуры в от­ дельных точках пресс-формы не всегда может быть достигнуто. Правильный выбор места расположения терморегулятора является одним из решающих факторов, способствующих установлению ста­ бильного теплового режима в пресс-форме.

Как показано в 149], наибольшие колебания температуры имеют место в середине нагревательной плиты, вблизи тепловых источников. В целях выравнивания температурных полей и автоматической ста­ билизации тепловых режимов был предложен способ электрообо­ грева, предусматривающий секционирование тепловых источников и не требующий изменения конструкции или переделки соответствую­ щих форм. Процесс электронагрева пресс-форм после закладки в них пакета пресс-материала включает разогрев пресс-формы до заданной температуры 150— 160° С и стабилизацию ее теплового режима на заданном уровне. Температура пресс-формы повышается при условии, что

где Р — суммарная мощность электрических нагревательных эле­ ментов, Вт; т — рассматриваемый промежуток времени, с; Q — тепловой эквивалент электроэнергии, Вт-с/кал; 1Ккл1 — потери тепла в конструкции пресса, кал; 1К0.С— потери тепла в окружающую среду, кал.

Процесс стабилизации теплового режима пресс-формы характе­ ризуется равенством между количеством подводимого к пресс-форме

тепла Г под в течение определенного промежутка времени т и тепло­ выми потерями WnoT при заданном значении температуры:

При двухпозиционном автоматическом регулировании темпера­ туры переход от режима разогрева к режиму стабилизации проис­ ходит в результате уменьшения подводимого к пресс-форме тепла путем периодического отключения нагревательных элементов с со­ блюдением условия (14). Временная диаграмма поступления тепла в пресс-форму и ее тепловых потерь для этого случая представлена на рис. 6. Условие (14) соблюдается, когда заштрихованные области над временной осью и под ней равны по площади. Можно полагать, что за время одного цикла тц

Впроцессе регулирования температуры пресс-формы импульсы

ипаузы электронагрева могут осуществляться двумя способами:

путем использования термодатчиков для управления включением

28

электронагрева при падении температуры пресс-формы ниже задан­ ной и выключением его при повышении температуры; применением дозатора энергии (ДЭН) или многоточечного регулятора темпера­ туры РТ-5, работающих по принципу двухпозиционного регулиро­ вания по заданной программе (рис. 7).

При создании электрической аппаратуры для контроля тепловых режимов на разных стадиях технологического процесса переработки стеклопластиков горячего прессования в изделиях могут быть ис­ пользованы термодатчики, получившие к настоящему времени ши­ рокое распространение в технике: манометрические (газовые или

Рис. 6. Временная диаграмма поступления тепла и тепловых потерь пресс-формы.

жидкостные) термометры расширения и реле; биметаллические и дилатометрические термометры и реле; термоэлектрические датчики (термопары); проволочные электрические термометры сопротивле­ ния; полупроводниковые термометры сопротивления (терморези­ сторы) — ПТР.

Выбор датчика для каждого конкретного применения должен производиться с учетом целого ряда факторов: диапазона измеряемых температур; требуемой точности; характеристики объекта измере­ ния и регулирования температуры; параметров вторичных приборов и устройств, а также их стоимости, простоты и надежности аппара­

туры.

Для измерения температуры и ее регулирования в диапазоне 60—200° С обычно применяются термопары типа «медь—константан» или «хромель—копель». Отечественной промышленностью серийно выпускается целый ряд измерительных, регулирующих и самопишу­ щих приборов для контроля тепловых режимов с использованием в качестве датчиков термопар. Термопары надежны в работе, весьма просто устроены, дешевы, отличаются высокой механической проч­ ностью, могут быть изготовлены малых размеров, имеют линейную зависимость э. д. с. в широком температурном интервале, взаимо­ заменяемы.

29

а) t, °С

ä)

ь,°с

t,‘C

Рис. 7. Схема регулирования температуры в пресс-форме: а — ручное регулирование; б — регулирование потенцио­ метром ЭПП; в — регулирование дозатором ДЭН.

— колебания температуры за время X.

30

Д а в л е н и е . Необходимость определения давления внутри изделия (в период его формования) возникает в процессе отработки головных образцов с целью определения равномерности распреде­ ления поля давления. Регулирование давления может осуществляться

спомощью показывающих электроконтактных манометров типа ЭКМ

иизмерителя давления и усилия типа ИД 149].

Манометры электроконтактные показывающие типа ЭКМ пред­ назначены для измерения давления и разряжения нейтральных взры­ вобезопасных жидкостей и газов и для сигнализации при достижении минимального или максимального рабочего давления или автомати­ ческого двухпозиционного регулирования. Приборы рассчитаны для работы при температуре окружающего воздуха от —40 до +60° С. Действие приборов основано на использовании деформации упругой

одновитковой трубчатой пружины под влиянием измеряемого дав­ ления.

Измеритель давления типа ИД представляет собой электронный прибор, предназначенный для контроля давлений и усилий в тех­ нологических процессах переработки пластмасс и изделия методами литья под давлением и прессования. При эксплуатации прибора ИД в условиях производства изделий из стеклопластиков горячего отвер­ ждения может быть использован один из следующих вариантов раз­ мещения датчика давления: в прессуемом материале; в гнездах ма­ трицы и пуансона на уровне оформляющей поверхности; вне оформ­ ляющей полости пресс-формы.

Измеритель давления имеет высокочастотный емкостный датчик. Датчики представляют собой конденсаторы малой емкости, кон­ струкция которых приспособлена для измерения в заданных усло­ виях. Достоинством емкостных датчиков являются высокая чув­ ствительность, простота устройства, малые габаритные размеры и вес,

малая инерционность, небольшие усилия электрического воздействия между обкладками датчика.

Датчик прибора реагирует на изменение давления в связи с из­ менением емкости датчика в результате соответствующего прогиба его упругих мембран. Конструкция датчика позволяет измеряемое усилие и давление прикладывать одновременно с двух сторон к обеим мембранам, что повышает чувствительность датчика вдвое. Измери­ тель давления типа ИД конструктивно выполнен в виде прибора настольного типа. При измерении давлений датчик прибора ИД может закладываться непосредственно в сжимаемую среду (жидкость, резина, текучая пластмасса, стекловолокно и др.), которая передает давление на мембраны. Если эта среда имеет пониженную текучесть (резина, стекловолокно), то часть материала в месте установки дат­ чика должна быть удалена в соответствии с объемом последнего. Для измерения усилий датчик помещается в специальную оправку

со скользящим штоком, который передает усилие на рабочую мем­ брану.

В р е м я в ы д е р ж к и н а р е ж и м е . Отверждение эпок­ сидных смол — сложный и малоизученный процесс, поэтому выбор режимов переработки пресс-материалов, изготовленных на их основе,

31

В большей степени базируется на практическом опыте. В частности^ для контроля узловых моментов формообразования детали выработан следующий прием. После закрытия формы сразу с включением на­ грева дается давление примерно 0,2Ртах. Через 15—20 мин, если не наблюдается выделения связующего через зазоры между матри­ цей и пуансоном, дается давление до 0,5Ртах. Далее из вытекающего связующего берутся пробы на вытягивание нитей с интервалом в 3— 5 мин для определения момента перехода его в вязкое состояние (на­ чало интенсивной полимеризации). В момент образования нитей дав­ ление поднимается до Ртах. Если через 15—20 мин после включения нагрева и подачи давления 0,2Ртах выделяется связующее, то даль­ нейший процесс отверждения ведется в зависимости от состояния связующего.

В работе 148] рекомендуется продолжительность выдержки на режиме назначать прямо пропорционально толщине изделия из расчета, что это время необходимо для прогрева всей массы прессматериала до требуемой температуры. Кроме того, к этому времени необходимо добавить еще время собственного отверждения свя­ зующего. Для расчетов используется выражение

где k — коэффициент, учитывающий прогрев массы пресс-материала, мин/мм; h —•наибольшая толщина изделия, мм; тс — время отвер­ ждения связующего, мин (экспериментально установлено для прессматериалов СТЭР тс = 30 мин, для СТЭТ тс = 60 мин).

Изложенное справедливо для изделий толщиной до 10— 15 мм при условии загрузки пресс-материала в пресс-форму, нагретую до температуры отверждения.

При прессовании крупногабаритных деталей из стеклопластиков, в соответствии с выражением (17), получается чрезмерно завышенная продолжительность выдержки изделия на режиме, необходимость которой не вызывается объективным течением технологического процесса. Например, для лопасти гребного винта с наибольшей толщиной в сечении 100 мм при k — 3 мин/мм й тс = 30 мин время выдержки на режиме составляет 330 мин.

Как известно, в композитном пресс-материале тепловой поток от пресс-формы к внутренним слоям изделия передается через свя­ зующее, теплофизические свойства которого с ростом температуры существенно изменяются. Пренебрегая нестационарностью и считая

где t — температура в центре детали на режиме, °С; t0 —температура начала выдержки на режиме в центре детали, °С; tnp — температура

32

начала выдержки на режиме на контактной поверхности пресс-формы, °С; а — коэффициент температуропроводности пресс-материала, м2/ч;

и величина Q3 сравнительно невелика, этой составляющей можно пренебречь.

После преобразования из уравнения (19) получим величину за­ паздывания разогрева серединного слоя детали до температуры ^пр:

Приняв tnp — t = 5° С, tnp — t0 = 30° С (взяты из эксперимента), получаем для рассматриваемого примера по формуле (21) т = 100 — 150 мин, т. е. в 3—4 раза меньше, чем по общепринятой формуле (17). Для удобства расчетов формулу (21) представим в виде

где

яОпр — 0

£ ________4 Опр ^о)

я 2а

При прессовании крупногабаритных деталей продолжительность выдержки на режиме рекомендуется рассчитывать по формуле (22).

Таким образом, технология горячего прессования включает кон­ троль основных параметров технологического процесса (исходных материалов, параметров пропитки и прессования), выполнение ко­ торого является обязательным.

§ 4

Виды технологической оснастки

Основным видом технологической оснастки для изготовления изделий из стеклопластиков горячего прессования служат прессформы. Конструкция пресс-форм определяется методом прессования, конфигурацией и конструкцией прессуемых деталей, объемом произ­ водства. Последний фактор является весьма существенным, поскольку оказывает влияние на стоимость изделий.

Детали пресс-формы с точки зрения выполняемых функций мо>Нно разделить на две группы: детали технологического назначения, непосредственно участвующие в формообразовании изделия; детали конструктивного назначения, выполняющие вспомогательные опе­ рации по взаимной фиксации деталей пресс-формы, ее раскрыванию, обогреву и охлаждению и т. д.

Условия работы пресс-форм довольно тяжелы. Детали прессформ технологического назначения работают при больших на­ грузках, длительном нагреве при температуре 160— 170° С и воз­ действии коррозирующих элементов, содержащихся в пресс-мате­ риале.

В связи с этим материалы, применяемые для изготовления этих деталей пресс-форм, должны иметь хорошую обрабатываемость, минимальные деформации при термической обработке, высокую твер­ дость термически обработанных поверхностей и достаточную вяз­ кость, высокую износо- и коррозионностойкость, хорошую тепло­ стойкость и механическую прочность.

Этим требованиям в большей степени удовлетворяют инструмен­ тальные легированные стали. Однако учитывая мелкосерийный ха­ рактер производства деталей судового машиностроения, исчисляе­ мый иногда несколькими сотнями отпрессовок, целесообразно при­ менять более дешевые и хорошо обрабатываемые углеродистые и кон­ струкционные легированные стали. При объеме производства, не превышающем нескольких десятков изделий, матрицу и пуансон пресс-формы из экономических соображений следует изготавливать из алюминиевого сплава АЛ-2. Для деталей конструктивного назна­ чения хорошо себя зарекомендовали в качестве материала углеро­

дистые стали.

При проектировании пресс-форм большое значение имеет анализ технологичности конструкции изделия, подлежащего прессованию. Основные требования по технологичности конструкций, предъяв­ ляемые к пресс-форме, состоят в простоте изготовления деталей прессформы и удобстве ее сборки. Не менее важным является учет марки пресс-материала и режима прессования, наличие прессового обору­ дования и определение количества отпрессовок. В связи с этим кон­ структору в первую очередь приходится решать следующие вопросы: размещение и крепление пресс-формы на прессе; определение опти­ мального с точки зрения технологичности прессования положения изделия в пресс-форме и способ его извлечения; размещение деталей нагрева и охлаждения, контрольно-измерительной аппаратуры для контроля технологического процесса; выбор конструктивных эле­ ментов деталей пресс-формы, позволяющих осуществить простой метод изготовления и удобную сборку.

Для производства гребных винтов, рабочих колес, крылаток насосов, лопастей винтов, спрямляющих аппаратов, обтекателей, колпаков и сферических корпусов, как правило, применяют стацио­ нарные пресс-формы, значительно облегчающие труд прессовщика, которые несколько дороже съемных пресс-форм, но обладают более высокой стойкостью.

34

При определении положения изделия в пресс-форме следует ру­ ководствоваться следующим: цельные винты, рабочие колеса, кры­ латки насосов располагать плоскостью диска перпендикулярно направлению прессования и засасывающей поверхностью в сторону матрицы; отдельные лопасти винтов, спрямляющих аппаратов и т. п. располагать плоскостью наибольшей проекции перпендикулярно направлению прессования (размеры детали в форме должны иметь

указанных в соответствующих технических условиях на изделия. Формующие элементы деталей пресс-форм обрабатываются по

3—4-му классам точности (ОСТ 1013 и ОСТ 1014).

При выполнении сопряжений деталей пресс-форм необходимо соблюдать следующие правила: неподвижные соединения пуансона с держателем, формующих знаков с пуансоном и матрицей, направ­ ляющих колонок и втулок по отверстиям в плитах должны быть вы­ полнены по тугой или напряженной посадке (ОСТ 1012); подвижные соединения направляющих колонок с втулками — по ходовой посадке

(ОСТ 1013).

Для снижения колебаний основных геометрических элементов изделий размеры деталей, влияющих на точность сборки прессформы, следует выполнять в пределах допуска 0,03—0,05 мм. Не­ параллельность отдельных деталей пресс-формы (планки, плиты и т. п.) не должна превышать 0,05 мм.

Качество изделий во многом определяется также чистотой об­ работки оформляющих поверхностей. Установлено, что для получения необходимой шероховатости поверхности изделий необходимо

детали пресс-формы, непосредственно соприкасающиеся с прессматериалом и участвующие в формообразовании изделия, обрабаты­ вать с чистотой на 1—2 класса выше по сравнению с деталью. Так для матрицы и пуансона шероховатость формующих поверхностей должна соответствовать 8— 10-му классам чистоты по ГОСТ 2789_59

Оформляющие поверхности пресс-форм на обтекатели и подобные детали имеют по сравнению с пресс-формами на лопасти винтов рабочие колеса и др. более простую геометрию, позволяющую произ­ водить доводочные операции (шлифование и полирование) с примене­ нием станочного оборудования, что дает возможность несколько повысить требования к чистоте до 10—-12-го класса.

Шероховатость поверхностей деталей, соприкасающихся с прессматериалом, но непосредственно не участвующих в формообразовании изделия (боковые поверхности пуансонов и матриц), а также сопря­ гающихся поверхностей направляющих элементов и деталей (на­ правляющие колонки, втулки) должна быть не ниже 8-го класса.

Условия переработки пресс-материала предусматривают его на­ грев в^ пресс-форме. Для нагрева пресс-формы используется электри­ ческий способ, как наиболее^ экономичный, удобный и надежный в работе. Однако из-за сложной криволинейной поверхности таких дета­ лей, как лопасти, затруднительно обеспечить равномерное темпера­ турное поле, исключающее перегревы отдельных участков прессформы, что заставляет относить нагревательные элементы на не­ которое расстояние от изделий, размещать их в отдельных плитах.

1 ребуемую мощность электрического обогрева пресс-формы можно определить по графикам (рис. 9). Предварительно задавшись вре­ менем нагрева пресс-формы (т, ч) и зная ее массу (М, т), определяют

Технологический процесс изготовления деталей предусматривает извлечение их после охлаждения пресс-формы до 30—40° С. Это вызвано стремлением свести к минимуму тепловые деформации и возможное растрескивание изделий при остывании.

Обычно в нагревательных плитах одновременно размещают и ка­

в и н т о в , р а б о ч и х к о л е с и к р ы л а т о к н а с о с о в . В настоящее время производство цельнопластмассовых винтов, ра­ бочих колес и крылаток насосов ограничивается по следующим при­ чинам. недостаточные размеры и мощность прессового оборудования, не позволяющие отпрессовать детали диаметром более 1,2— 1,5 м; технологическая невозможность прессования изделий в цельнопласт­ массовом исполнении, имеющих перекрывающиеся лопасти (в нор­ мальной проекции); снижение, местной прочности в корневых се­ чениях лопастей из-за неизбежности резкого изгиба стекловолокна

о/-* '

по радиусам перехода от пера к ступице; трудность получения ка­ чественных изделий с большими значениями шаговых углов из-за смещения заготовок.

Трудность выполнения криволинейной поверхности, с одной стороны, и стремление упростить конструкцию пресс-формы, с дру-

Рис. 9. Определение удельной мощности в зависимости от массы прессформы и заданного времени нагрева: а — сталь; б — силумин.

гой, вызывают необходимость выполнять пуансон и матрицу для удобства извлечения готового изделия в виде отдельных вкладышей, а пресс-форму изготовлять открытого типа.

Представленная на рис. 10 типовая конструкция пресс-формы для цельнопластмассового гребного винта состоит из матрицы и пуан­ сона, оформляющих засасывающую и нагнетательную поверхности лопастей и боковую поверхность ступицы. Торцы ступицы оформля-

37