Конструирование оснастки и изделий из пластмасс и композиционных материалов

Размещено на http://www.allbest.ru/

Конструирование оснастки и изделий из пластмасс и композиционных материалов

Введение

оснастка пресс форма гидравлический

Одним из основных методов переработки реактопластов является метод прессования. Прессование (от латинского “presso” - давлю, жму) - старейший метод переработки термореактивных реактопластов, но он широко применяется и в настоящее время. Переработка полимеров и материалов на их основе (композиционных материалов) имеет под собой конечную цель получения готовых изделий различного назначения.

Пластмассы наряду с металлами и керамикой являются конструкционными материалами.

Конструирование изделий из пластмасс занимает значительную долю в своей отрасли - рынку постоянно требуются новые товары, отличные по качеству и ассортименту. На сегодняшний день оптовая продажа изделий из пластмассы востребована легкой, пищевой промышленностью, предприятиями по организации логистики и торговли.

На современных предприятиях конструирование изделий из пластмасс приобрело небывалый размах. Продукция задействована практически во всех сферах деятельности человека. Так как технология получения изделий из пластмасс требует применения качественного сырья, любое производство подлежит обязательной сертификации.

Производство и применение композиционных материалов позволяет создать изделия конструкционного назначения с рядом ценных свойств (антифрикционные, ударопрочные, термо- и пожаростойкие, с высокой размерной точностью и др.).

Практически все присутствующие на рынке заводы имеют законченный цикл производства каждого отдельно взятого изделия - от проектирования и создания дизайна до изготовления пресс-форм. Готовые изделия из пластмасс альтернатива металлу, дереву и другим материалам, стоимость которых значительно выше. Все это делает продукцию занятых в отрасли предприятий востребованной, а бизнес - прибыльным.

Цель данной работы - спроектировать и рассчитать пресс-форму для указанной детали.

Задачи:

· рассчитать массу и объем изделия;

· расчет исполнительных размеров формующих элементов оснастки;

· выбрать гидравлический пресс и рассчитать его производительность;

· тепловой расчет;

1.Аналитический обзор

Прессование - это технологический процесс изготовления изделий из полимерных материалов, заключающийся в пластической деформации материалов при действии на него давления и последующей фиксации формы изделия. Основной формующий инструмент пресс-форма, давление в которой создается прессом.

Прессование предусматривает загрузку материала в пресс-форму, под действием температуры перевод материала в вязкопластичное состояние, формование изделия под действием давления и фиксацию заданной конфигурации изделия в результате ускоренного сшивания олигомеров при повышенной температуре. Полученное этим методом изделие, обладает формоустойчивостью при повышенной температуре и не требует охлаждения перед извлечением из пресс-формы.

Методом прессования перерабатывают материалы на основе различных олигомеров и наполнителей. Наибольшее распространение в качестве сырья для прессования получили фенопласты (материалы на основе феноло-формальдегидных олигомеров), а также аминопласты (материалы на основе продуктов поликонденсации карбамида и меламина с формальдегидом). Однако за последние десятилетия все чаще для прессования применяются: полиэстерные, эпоксидные пресс-материалы, модифицированные фенопласты и аминопласты, а также кремнийорганические пресс-порошки.

Пресс-материал может содержать от 30-70 % связующего, и соответственно от 70-30 % наполнителя. Кроме того, в состав могут входить отвердители, красители, смазывающие вещества и прочие компоненты. В качестве наполнителей может быть использована: древесина, целлюлозное волокно, асбестовая и кварцевая мука, каолин, стекловолокно и др.

Процесс компрессионного прессования заключается в непосредственном придании необходимой формы изделию под действием высокого давления, что образуется в пресс-форме при температуре быстрого отверждения материала.

Вследствие внешнего давления в прессуемом материале, происходит его уплотнение, частичное разрушение предыдущей структуры, Во время уплотнения и деформации в результате трения между частичками материала происходит выделение тепловой энергии, которая совместно с внешним обогревом формующих элементов приводит к плавлению связующего.

После того как материал перешел в вязкопластичное состояние, он под действием давления распределяется в пресс-форме образуя монолитную и уплотненную структуру.

Процесс отверждения заключается в протекании реакции сшивки макромолекул вследствие поликонденсации между свободными функциональными группами связующего или отвердителя и связующего (двухкомпонентные системы). Реакция происходит под действием тепла, с выделением низкомолекулярных, летучих веществ: вода, формальдегид, аммиак, метанол и др.

При конструировании тарных емкостей необходимо особенно внимательно соблюдать требования равнотолщинности стенок и элементов конструкции, плавности изгибов и закруглений, наличия и значения технологических уклонов. Важно при минимальной толщине стенки получить достаточно жесткое и равнопрочное изделие.

Фенопласты (фенольные пластики, ФП) - реактопласты на основе феноло-формальдегидных смол. По типу смолы различают новолачные и резольные фенопласты. Получаются отверждением смол при повышенных температурах, содержащих наполнители, отвердители (для новолачных ФП), катализаторы отверждения (для резольных ФП), пластификаторы, смазывающие вещества (например, олеиновая или стеариновая кислота, стеараты Ca, Ba или Cd, стеарин), аппретирующие добавки, красители. По типу наполнителя подразделяются на дисперсно-наполненные и армированные ФП. Физико-механические и другие эксплуатационные свойства фенопластов колеблются в широких пределах в зависимости от типа связующего и наполнителя; например, ударная вязкость изменяется от 2-6 кДж/м² (для дисперсно-наполненных) до 50-100 кДж/м² (для армированных). Плотность 1,1-3 г/см³, теплостойкость по Мартенсу 100-300 ⁰C.

Применяют фенопласты во всех отраслях промышленности в качестве материалов конструкции, электротехнике, фрикционного и антифрикционного назначения.

Пресс-порошки представляют собой композиции, в состав которых входят связующие наполнители, отвердители, смазки, красители и другие специальные добавки. Связующими являются новолачные или резольные смолы в твёрдом или жидком виде. Наполнителями служат древесная мука, каолин, мумия, стеклянные микросферы, литопон и др. В качестве отвердителя применяют в основном уротропин.

Смазку добавляют для устранения прилипания пресс-изделий к пресс-формам. В качестве смазки применяют стеариновую или олеиновую кислоту, а также их соли.

Красители для пресс-порошков должны обладать термостабильностью, а также стойкость по отношению к аммиаку и другим химически активным веществам.

Термореактивная композиция фенопласт марки 03-010-02 на основе фенолоформальдегидной смолы, органического наполнителя и специальных добавок. Применяется для изготовления армированных или неармированных деталей общетехнического и бытового назначения, используемых при температуре от -50єС до+110єС.

Фенопласт 03-010-02 перерабатывается в изделия методами прямого или трансферного прессования в таблетированном или нетаблетированном виде. Таблетирование -- в любых типовых таблетировочных машинах.

2.Выбор конструкции

2.1 Расчет объема и массы изделия

Деталь: крышка

Материал детали: 03 -010 - 02

Усадка: 0,4 - 0,8%

Эскиз детали:

1. Расчет объема изделия по чертежу

Исходные данные для расчета V_и и m_и

№	Исходные данные	Обозна-чение	Единица измерения	Величина
1	Высота крышки	H	м	26•10-3
2	Внутренний диаметр цилиндра	d	м	62•10-3
3	Наружный диаметр цилиндра	D	м	68•10-3

Объем изделия

,

м³,

м³,

V_б.к. =0,785(D² - d²),

м³,

м³,

м³.

Масса изделия

39 г.

1.2 Расчет высоты загрузочной камеры

1. Масса навески для закрытой пресс - формы:

,

где k_т = 1,02;

с - плотность материала, кг/м³;

V_изд - объем изделия, м³;

x - содержание летучих веществ, %;

2. Объем загружаемой навески:

,

где с_н - насыпная плотность материала, кг/м³;

3. Объем загрузочной камеры:

м³

4. Высота загрузочной камеры

5. Общая высота формующего гнезда матрицы закрытой пресс-формы:

.

2.3 Выбор гидравлического пресса

Гидравлический пресс выбирают по расчетному усилию прессования F_р кН, чтобы выполнялось условие:

F_ном ? F_р,

где F_ном - номинальное усилие пресса;

P_* - усилие прессования (20 - 25 Мпа);ф_сд - сопротивление сдвигу пресс-материала (0,04 - 0,09 Мпа); А и В - коэффициенты, зависящие только от конструктивных параметров изделия и пресс-формы, м²;

Коэффициент А для закрытой пресс формы можно принять равным:



Для осесимметричных изделий с наклонными боковыми стенками коэффициент В равен:

,

где S_б.п - площадь боковой поверхности пуансона; S_н.п - площадь нижнего основания пуансона; H- высота формующей части пуансона; h_б - толщина боковой стенки изделия; h_o - толщина изделия в нижнем основании; D - наибольший размер диагонали нижнего основания пуансона;

Выбираем пресс ДБ2424 с номинальным усилием 250 кН.

Уточняем гнездность пресс-формы: n = 250/114 = 2,19.

2.4 Расчет производительности пресса

1. Принимаем для фенопласта 03-010-02:

-температуру предварительного подогрева

-время вязкотекучего состояния, определенное на пластомере ф_о

ф_о = 35 с;

-температурный коэффициент

г₁ = 0,03 1/°С;

-температура пластометрического испытания для фенопластов

t_o = 170°С.

2. Рассчитываем:

Рассчитываем время цикла по формуле:

Для расчета времени на подъем пуансона ф_п и времени опускания пуансона ф_оп:

ход ползуна H_п = 450 мм;

скорость холостого хода и₁ = 200 мм/с;

скорость рабочего хода и₂ = 7 мм/с;

скорость возвратного хода пуансона и₃ = 75 мм/с;

Тогда:

H₁ = 0,9H_п = 0,9·450 = 405 мм; H₂ = 0,1H_п = 0,1·450 = 45 мм;

Время цикла:

ф_ц = 8,5 + 6 + 300 = 314,5 с.

4. Производительность пресса:



где m_o - масса изделия, г;

n - число гнезд;

ф_ц - время цикла прессования, с.

3.Расчет формующих элементов оснастки

Исходные данные для расчета:

Марка пресс материала - 03-010-02;

Усадка - 0,4-0,8%;

1. Технологический уклон для внутреннего диаметра ш62H15 (допуск 0,12):

мм,

где H- высота изделия; б = 15ґ;

Минимальный размер мм.

2. Расчет исполнительных размеров пресс-формы.

Рис.1. Схема определения размеров формующего гнезда формы (охватывающий размер)

3.1 Номинальный (максимальный) размер формующего гнезда формы (матрицы) (рис. П. Д. 1) равен

где Z_u.max - максимальный размер изделия, мм;

Z_ном - размер изделия, мм;

X_max - максимальная усадка полимерного материала, мм;

Д - допуск;

3.2 Наименьший размер формующего гнезда формы, выполненного с технологическим уклоном

где Z_ф.min - минимальный размер изделия, мм;

X_min - минимальная усадка полимерного материала, мм;

Д_изг - допуск на изготовление формующего элемента формы, мм;

Д_изн - допуск на износ формующего элемента формы, мм,

Д_изн = 0,03 мм;

V - технологический уклон на две стороны, мм.

Наибольший размер формующего стержня, выполненного с технологическим уклоном (рис. П. Д. 2)

Рис.2. Схема определения размера формующего стержня (охватываемый размер)

мм.

4. Тепловой расчет пресс-формы

Исходные данные:

№	Показатель	Обозначение	Единица измерения	Величина
1	Наименование изделия			крышка
2	Объем изделия	V	м3	26,9·10-6
3	Теплоемкость материала 03-010-02	C	кДж/(кг·С)	1,38
4	Гнездность пресс-формы	N		2
5	Цикл прессования	фц	с	314,5
6	Коэффициент технологических потерь	Km		1,09
7	Температура прессования	Tп	єС	160
8	Начальная температура материала	Tн	єС	80
9	Температура воздуха цеха	Tв	єС	25
10	Площадь пуансона	Sп	м2	0,005
11	Высота пуансона	Hп	м	0,034
12	Высота формующей полости матрицы	Hм	м	0,040
13	Длина пресс-формы	А	м	0,160
14	Ширина пресс-формы	B	м	0,160
15	Высота сомкнутой пресс-формы	Hпф	м	0,265
16	Плотность материала пресс-формы	сф	кг/м3	7850
17	Теплоемкость материала формы	сф	кДж/(кг·С)	0,502
18	Экзотермическое тепло при отверждении реактопласта	qэ	кДж/кг	40
19	Толщина изоляционной прокладки между формой, столом и подвижной плитой пресса	Д	м	0,008
20	Коэффициент теплопроводности прокладки	Л	Вт/(м·С)	0,256
21	Температура днища пресс-формы	Тд	єС	155
22	Температура стола и подвижной плиты пресса	Тсп	єС	45
23	Удельная норма расхода воздуха при обдуве пресс-формы на 1 кг изделия	Vв	м3/кг	2,3
24	Разность температуры воздуха, приходящего и отходящего при обдуве пресс-формы	ДТв	єС	15
25	Объемная теплоемкость воздуха	св	кДж/(м3·С)	1,2

Целью расчета является определение количества тепла, необходимого для поддержания установившегося температурного режима прессования изделия из фенопласта и определения времени разогрева пресс-формы до температуры прессования.

1. Тепловой баланс:

где Q_n - тепло, подводимое к пресс-форме, кДж;

Q_э - тепло, выделяемое пресс-материалом при отверждении, кДж;

Q_m - тепло, расходуемое на нагревание пресс-материала от начальной температуры Т_н до температуры прессования Т_п, кДж;

Q_б.п. - тепло, расходуемое на компенсацию потерь боковыми поверхностями пресс-формы в окружающую среду, кДж;

Q_п.р. - тепло, расходуемое на компенсацию тепловых потерь поверхностями разъема пресс-формы в окружающую среду, кДж;

Q_с.п - тепло, расходуемое на нагрев стола и подвижной верхней плиты пресса, кДж;

Q_в - тепло, уходящее при обдуве оформляющих поверхностей пресс-формы воздухом, кДж;

Q_б.с - тепло, расходуемое на компенсацию тепловых потерь болтовыми соедиениями пресс-формы в окружающую среду, кДж;

Q_пр - тепло, учитывающее неточность расчета и исходных данных, кДж.

Масса пресс-материала, перерабатываемого за 1 час работы:

,

где m_ч - количество запрессовок за 1 час работы,

.

Количество тепла, выделяемое в процессе отверждения связующего за 1 час работы:

,

Количество тепла, расходуемое на нагревание предварительно нагретого в генераторе токов высокой частоты до температуры Т_н пресс-материала, от Т_н до температуры прессования Т_п:

Количество тепла, расходуемое на компенсацию тепловых потерь боковыми поверхностями пресс-формы в окружающую среду:

б_б - суммарный коэффициент теплоотдачи конвекцией и лучеиспусканием боковыми поверхностями пресс-формы, Вт/(м²·К):

где T_б.п = T_п ? 10 = 160 - 10 = 150 єС,

F_б - площадь боковой поверхность пресс-формы:



Количество тепла, расходуемое на компенсацию тепловых потерь поверхностями разъема пресс-формы в окружающую среду:

где б_р - суммарный коэффициент теплоотдачи конвекцией и лучеиспусканием поверхностями разъема пресс-формы, Вт/(м²·К):

где T_п.р= T_п ? 5єС

F_р - площадь поверхностей разъема пресс-формы:

,

Количество тепла, расходуемое на нагрев стола и подвижной верхней плиты пресса:

,

Количество тепла, уходящее при обдуве оформляющих поверхностей пресс-формы воздухом:

Потери тепла через болтовые соединения Q_б.с и прочие потери Q_пр (учитывающее неточность расчета и исходных данных) сравнительно не велики и их можно принять равными 2ч3 % от суммы выше рассчитанного расхода тепла, равной:

Количество тепла, необходимого для нагрева пресс-материала и компенсации потерь:

,



Тепло, подводимое к пресс-форме при установившемся режиме работы:

Мощность электрических нагревателей:

Время разогрева пресс-формы от начальной (окружающего воздуха) температуры до температуры прессования:

где Q_раз - тепло, необходимое для разогрева пресс-формы от температуры окружающего воздуха до температуры прессования, кДж/ч;

Q_пот - потери тепла в процессе разогрева пресс-формы, кДж/ч.

Масса пресс-формы (с учетом пустот между конструктивными элементами формы):

Тепло, необходимое для разогрева пресс-формы от температуры окружающего воздуха до температуры прессования:



Потери тепла в процессе разогрева пресс-формы:

Время разогрева пресс-формы от начальной (окружающего воздуха) температуры до температуры прессования:

Это время разогрева велико, и для его уменьшения можно увеличить мощность нагревателей или установить две системы нагревателей, и на время разогрева включить обе системы, а после нагрева оставить в работе одну с мощностью, равной расчетной.

Заключение

Целью курсового проекта является спроектировать и рассчитать оптимальный вариант пресс формы с учетом размеров и формы указанной детали. В данном случае проектируется и рассчитывается вариант пресс-формы для крышки из фенопласта 03-010-02.

В ходе работы рассчитаны следующие данные: масса изделия m_и = 0,0269 кг, объем изделия V_и = 39,005·10^-6 м³.

Выбран гидравлический пресс ДБ2424 с номинальным усилием P_ном = 250 кН. Пресс-порошок предварительно таблетируется в таблеточной машине МТ-3А, размер таблеток ш30 и высота 20 мм.

Определена точность, с которой должна быть изготовлена оформляющая деталь формы, чтобы обеспечить получение изделия необходимой точности.

Выбрана пресс-форма для изготовления детали методом прямого прессования. Пресс-форма стационарная, закрытая, одногнездная, имеет электрический обогрев (две обогревающие плиты). Масса пресс-формы m_пф = 373 кг.

Рабочие детали пресс-формы: матрица, пуансон, загрузочная камера.

Найдено количество теплоты необходимое для обогрева пресс-формы Q=

= 25278 кДж/ч, время нагрева пресс-формы до рабочей температуры 3,02ч.

Список использованной литературы

1. Литвинец Ю.И., Мухин Н.М. «Основы материальных расчетов и выбора оборудования для переработки пластических масс прессованием». Методические указания для практических занятий, курсового и дипломного проектирования. Екатеринбург: УГЛТУ, 2012. - 49 с.

2. Дедюхин В.Г., Мухин Н.М. «Конструирование оснастки и изделий из пластмасс и композиционных материалов». Методические указания к выполнению контрольных и курсовых работ, в курсовом и дипломном проектировании для студентов очной и заочной форм обучения специальности 240502. Екатеринбург: УГЛТУ, 2008. - 40 с.

Размещено на Allbest.ru

...