В третьей части мы расскажем о силе, трении, полировке поверхности и смазке.
Дата: 01.10.2018
Джим Фэттори
Стержень толкателя может сломаться или деформироваться по разным причинам
Помимо причин деформации толкателей, упомянутых в части 1 и 2, есть еще две причины:
- Усилие, требуемое для выталкивания изделия из гнезда, превышает прочность стержня толкателя.
- Истирание.
На усилие, необходимое для начала движения толкателя вперед, влияет трение и сцепление изделия с гнездом. Статическая сила трения обычно выше кинетической силы трения, т.е. той, которая требуется для того, чтобы толкатели продолжали движение после его начала. Чтобы минимизировать начальную ударную нагрузку и на толкатели, и на изделия, скорость выталкивания должна увеличиваться относительно медленно. Нужная скорость выталкивания должна быть достигнута после расстояния примерно в 3 мм с начала движения толкателя.
Разные факторы могут привести к поломке стрежня толкателя
Лучший способ снизить риск повреждения толкателя из-за чрезмерного усилия – это использование толкателей максимально большого диаметра в достаточном количестве. К сожалению, толкатели ограничивают пространство для идеального размещения каналов охлаждения, поэтому необходимо искать компромиссы. Как бы то ни было, ничто не увеличивает требуемое для извлечения детали усилие больше, чем сложный рельеф. Особенно если присутствуют вертикальные плоскости, такие как тонкие глубокие ребра. Нужное усилие для выталкивания изделия может стать больше, чем прочность пластика, и толкатель проткнет деталь. Внимание: толкатели большого диаметра имеют преимущество при извлечении как очень тонких, так и очень толстых изделий. Маленький толкатель может образовать вмятину, продырявить или оставить отметину на тонкостенном изделии. И он может сделать то же самое на толстостенном изделии, которое часто бывает горячим и мягким в средней части во время выталкивания. В обоих случаях время цикла из-за использования слишком маленьких толкателей будет больше.
Если ваш термопластавтомат позволяет регулировать усилие выталкивания, то лучше установить значение, немного превышающее усилие, необходимое для выталкивания изделия в нормальных условиях.
Ограничение усилия выталкивания может сэкономить вам много времени и средств в случае, когда есть опасность деформации толкателя. Эта функция прерывает цикл литья и предотвращает повреждение толкателя. Если параметр выталкивание-усилие может быть включен в оповещения об ошибках на вашем ТПА, так же как общее время цикла или время отвода шнека, - это еще лучше. Если это параметр нет возможности контролировать, вероятно, можно отслеживать время выталкивания, это столь же эффективно. Возможно, однажды программы для анализа проливаемости смогут рассчитывать усилие, необходимое для выталкивания изделия, позволяя точно определять размер и количество толкателей.
Если на термопластавтомате появилось сообщение об ошибке, всегда проверяйте, не сломался ли стержень толкателя или не выпирает ли он.
Однако из-за бесконечного списка переменных, таких как геометрия изделия, характеристики материала, углы уклона, полировка поверхности, температура литья, расположение литников, поднутрения и т.п., я сомневаюсь, что такая программа появится в ближайшем будущем. Торстен Круз, президент компании Kruse Analysis Inc. и специалист по анализу проливаемости, отмечает, что “некоторое программное обеспечение может дать представление проектировщику пресс-форм о том, где размещать толкатели, на основе расчета неравномерной усадки изделия и сопутствующих внутренних усилий. Толкатели могут сломаться из-за неравномерной усадки, требующей разного усилия, приложенного к разным толкателям.”
По утверждению Круза, каждый толкатель, возможно, потребует различного количество силы для выталкивания изделия. Например, толкатели около литникового отверстия, около внутреннего угла или в нижней части толстого ребра, скорее всего, нуждаются в большем усилии, чем толкатели на литниковом канале или в части отливки, которая заполняется последней. Все это надо иметь в виду, принимая решение о расположении, количестве и размерах толкателей.
Если вам нужно больше информации по данной теме, обратитесь к статье «Фрикционные характеристики термопластов в литье под давлением» (“Friction Properties of Thermoplastics in Injection Molding”), написанной авторами Ferreira, Nerves, Muschalle и Pouzada из Университета Минью, Португалия. Статья будет интересна и для проектировщиков пресс-форм, и для изготовителей оснастки.
Перейдем к следующей причине, истиранию. Истирание – это износ, вызванный сцеплением и трением двух металлических частей друг об друга. Ситуация усугубляется, если есть боковая нагрузка на обе поверхности – как в случае, если толкатель не полностью совпадает с сквозным отверстием в знаке. Одна сторона отверстия испытывает большее давление, чем другая. Кроме случаев, когда толкатель зафиксирован в определенном положении, он должен свободно вращаться, когда плита толкателей выдвинута вперед. Это означает, что осевые линии толкателей параллельны, что они совпадают с отверстиями в знаках и что вокруг стрежней и головок толкателей есть достаточный зазор.
Адгезионный аспект истирания становится причиной того, что кристаллическая структура материла смещается и рвется, напыляя, если не наваривая, микроскопические частицы на прилегающую поверхность. В отличие от других форм износа, истирание происходит быстро. Поэтому если вы слышите, что толкатель скрипит – остановитесь. Если вы продолжите цикл, лучше не станет.
Фрикционный аспект истирания связан с различиями в твердости и типе материалов соприкасающихся поверхностей. Именно поэтому мы стараемся использовать разные типы стали или хотя бы разницу в твердости, равную 10 по шкале Роквелла, для соприкасающихся поверхностей или для наклонных поверхностей. Разница в твердости – это преобладающий фактор. Чем тверже сталь, или хотя бы ее поверхность, тем меньше она подвержена истиранию. Если вы можете оставить царапины на боковой поверхности толкателя ручным напильником, что не редкость в случае c пресс-формами из стран Азии, то не стоит дожидаться момента, когда пресс-форма заклинит. Просто примите это на заметку и замените ее.
Некоторые металлы подвержены истиранию из-за своей атомной структуры, особенно металлы с высоким коэффициентом трения, такие как алюминий, титан и, в некоторой степени, нержавеющая сталь. И наоборот, такие сплавы, как латунь, бронза, очень устойчивы к истиранию, даже несмотря на то, что они гораздо мягче.
В течение многих лет поставщики комплектующих для пресс-форм предлагали толкатели из разных материалов, таких как сталь H-13, M-2, 420, медных сплавов. Толкатели из азотированной стали H-13 или толкатели с покрытием из твердых сплавов – лучший выбор для снижения уровня истирания, потому что они имеют твердость поверхности от 65 до 74 по Роквеллу.
Толкатели из нержавеющей стали, а также хромированные толкатели, подходят для изделий медицинского, пищевого назначения, где следы консистентной смазки или окалина могут загрязнить изделие. Хромированные толкатели не подходят для работы при экстремально высоких температурах или для работы с агрессивными материалами, например, с твердым ПВХ.
Я работал несколько раз с толкателями из нержавеющей стали – ни одни из них не были хорошими из-за предрасположенности к истиранию. Многие производители пресс-форм используют оформляющие шпильки из медных сплавов, толкатели из таких сплавов также имеют ряд преимуществ. У них потрясающие теплопроводные свойства и устойчивость к истиранию. К сожалению, их стоимость является их недостатком. При выборе типа толкателей учитывайте, что износится, сотрется или заржавеет в первую очередь – толкатель или шпилька. Заменить вышедший из строя толкатель намного дешевле, чем восстанавливать сквозное отверстие в знаке.
В отличие от других форм износа, истирание происходит очень быстро.
Плановое обслуживание толкателей не менее значимо, чем обслуживание формообразующих. В конце концов, толкатели в определенной степени служат в качестве вентиляционного клапана. Они должны своевременно очищаться, смазываться и, в зависимости от используемого для литья материала, обрабатываться щелочью. Коррозионно-активные газы быстро разъедают толкатели, увеличивая износ и повышая вероятность истирания или разлома.
Заклинивший из-за истирания толкатель – большая проблема для литейщиков. Если вам посчастливилось и ваш толкатель имеет достаточно большой диаметр, плита толкателей, вероятно, не сможет полностью выдвинуться или отвестись назад, что приведет к остановке ТПА и появлению сообщения об ошибке. Это при условии, что ваша плита подключена к контролеру ТПА. Однако, если вам не повезло и толкатель имеет малый диаметр, он, скорее всего, сломается или изогнется. Это не помешает плите толкателей выдвигаться или отводиться назад, оставляя осколки сломанного толкателя за линией разъема. Если настройки смыкания при низком давлении были заданы верно, гнездо не должно повредиться сильно, когда пресс-форма сомкнется в очередной раз в автоматическом цикле. Если появится сообщение об ошибке, то недостаток обучения, опыта или профессиональной хватки могут побудить кого-нибудь проигнорировать выступающий толкатель и повредить гнездо еще сильнее, увеличив значения смыкания при низком давлении. Или, хуже того, перейти в ручной режим и сомкнуть пресс-форму при высоком давлении.
Выталкивание на высокой скорости и быстрый отвод назад увеличивают риск истирания толкателя из-за возрастания температуры трения. Толкатель, работающий в режиме вибрации, и увеличенный ход толкателя не решат проблему.
Чтобы обезопасить себя, некоторые используют на один дополнительный удар толкателя больше, чем требуется для выталкивания изделия. Я не согласен с таким подходом. По мне это все равно, что взять у одного и отдать другому. Если есть проблема с выталкиванием изделия, просто решите ее.
Риск истирания можно значительно снизить правильной смазкой. На само деле, коэффициент трения для смазанных поверхностей в 4 раза ниже, чем для сухих. Поставщики комплектующих для пресс-форм предлагают толкатели с различными видами скользкого покрытия, такими как тонкий плотный хром, дисульфид молибдена, высокопрочное углеродное покрытие, дисульфид вольфрама, нитрид титана (TiN), черная оксидная пленка и специальное покрытие Dicronite. Покрытие из дисульфида вольфрама не рекомендуется использовать для прозрачных изделий или изделий светлых цветов, поскольку может произойти окрашивание. Я наблюдал это несколько раз с изделиями медицинского назначения из поликарбоната. Помимо свойств, делающих данные покрытия скользящими, они обладают также увеличенной твердостью.
Поставщики высокопрочных углеродных покрытий утверждают, что толкатели с таким покрытием не нуждаются в смазке, что оптимально для медицинской и пищевой промышленности. Некоторые из таких покрытий могут переносить высокие температуры, другие – нет. Поэтому выбирайте покрытие, наиболее подходящее вашим целям. Риск истирания можно также снизить для любого толкателя и покрытия с помощью правильного охлаждения знака, потому что, когда металл нагревается, он расширяется.
Втулки плиты толкателей также подвержены истиранию. Некоторые втулки имеют внутренние каналы для смазки и внешний кольцевой желоб. В боковой части втулки есть небольшое сквозное отверстие, соединяющее каналы и желоб. Назначение этого отверстия – впрыск консистентной смазки во втулку, когда пресс-форма находится под давлением. Тавотный шприц соединяется с наконечником, находящимся на краю плиты толкателей. Консистентная смазка течет по высверленному отверстию или каналу, ведущему к внешнему диаметру втулки. Смазка попадает во внутренние каналы вне зависимости от того, куда направлена втулка.
Примеры наконечников тавотного шприца
Что такое наконечник тавотного шприца (Zerk fitting)? Оскар Зерковиц (Zerkowitz) иммигрировал в США из Австрии и сменил свое имя на Оскар Улисс Зерк (Zerk). Он запатентовал более 300 предметов, один из которых был наконечником тавотного шприца, известным как “The Zerk.” К моменту его смерти в 1968 было произведено порядка 20 миллиардов таких наконечников. Это было 50 лет назад. Интересно, какова эта цифра сейчас? Однако надо отдать должное Артуру Гулбургу из компании Alemite Die Casting Co., который в 1916 году изобрел первую полую тавотницу с пружинным шариком. В 1924 году Alemite купила Allyne-Zerk Co. и продолжила производить оба типа наконечников. В 1933 году Джо Быстрицкий выпустил измененный вариант наконечника, используемый в наши дни. В любом случае, имя Оскара Зерка теперь навсегда ассоциируется с этим уникальным изобретением.
Несколько компаний-поставщиков пресс-форм предлагают самосмазывающиеся втулки, наполненные графитом. Графит – это аллотропная форма углерода. Когда плита толкателей двигается, следы графита покрывают толкатель. Эти втулки хорошо зарекомендовали себя, в частности в медицинской и пищевой промышленности, где любая внешняя смазка запрещена. Однако если используемый материал выделяет газы, вызывающие коррозию металла, срок службы таких втулок может быть недолгим.
Если втулки были когда-либо смазаны консистентной смазкой или маслом, просто по привычке, срок их службы также уменьшится. Убедитесь, что используете соответствующее количество втулок нужного диаметр – самосмазывающихся или нет – для выдерживания веса плиты толкателей. Если ход толкателя очень длинный, стоит делать направляющие колонки упирающимися в противоположную плиту. Таким образом они будут поддерживаться с двух сторон вместо того, чтобы свободно висеть с одной стороны.
Логично, что чем более гладкие поверхности двух компонентов, трущихся друг об друга, тем меньше трение. В зависимости от производителя и типа толкателя итоговая шероховатость поверхности может быть как 2 микродюйма, так и 0 микродюймов. Последнее более чем подходит практически для всех сфер применения, хотя если у вас более миллиона циклов в год, меньшая шероховатость увеличит интервалы между техническим обслуживанием.
Самый распространённый способ добавления отверстия в знаке – это рассверливание и последующее фрезерование. Шероховатость поверхности отверстия в этом случае подходит для большинства пресс-форм. В прошлом многие инструментальные цехи вытачивали или свинцевали отверстия после высверливания для получения более точного размера и меньшей шероховатости. Хонинговальный брусок вращается в отверстии, одновременно двигаясь вперед и назад. Такие движения оставляют перекрестные штрихи, которые помогают создать тонкую пленку из смазки на поверхности.
Истирание может быть в значительной степени снижено благодаря правильной смазке
В настоящее время, когда шероховатость поверхности должна быть более мелкозернистой, чем та, которая получается в результате рассверливания, обычно используется координатное шлифование или электроэрозионная вырезка. Оба метода дают отличную точность по положению и диаметру до десятых дюйма. Это очень важно, когда необходимо установить толкатель близко к краю боковой стенки и прямо в центре тонкого ребра. Я рекомендую использовать любой из этих двух методов, когда в пресс-форме много мелких толкателей, просто потому что по теории вероятности как минимум с одним из них будут проблемы.
У электроэрозионной вырезки есть небольшое преимущество: она оставляет очень тонкие выступы и углубления, параллельные центральной оси толкателя. Эти выступы и углубления помогают удерживать смазку, которая, в свою очередь, уменьшает температуру трения. Электроэрозионная обработка стоит дороже высверливания. Для сокращения стоимости высверлите предварительно отверстие, которое на 0,05 – 0,1 мм меньше, чем нужно. А затем начинайте электроэрозионное вырезание одного или двух слоев. Таблица ниже показывает значения шероховатости поверхности для разных видов обработки. В зависимости от других факторов, значения для каждого вида могут отличаться от указанных.
