Изготовление пресс-форм для литья пластмасс под давлением

Подробная информация есть по ссылке https://vpmat.ru/izgotovleniepressform.html

Этапы изготовления пресс-форм

Изготовление пресс-форм для литья пластмасс под давлением представляет собой многостадийный процесс, объединяющий проектные расчёты, металлообработку и контрольные операции. Каждая стадия влияет на конечные характеристики оснастки: точность геометрии отливок, стойкость к циклическим нагрузкам и длительность эксплуатации. Начальным этапом является разработка конструкторской документации, за которой следуют механическая обработка заготовок, сборка узлов и финишная доводка рабочих поверхностей. Полный цикл производства оснастки может занимать от нескольких недель до нескольких месяцев в зависимости от сложности изделия и требований к серийности. Процесс изготовления пресс-форм требует координации между отделами проектирования и производственным участком.

Проектирование и 3D-моделирование

Проектирование пресс-формы начинается с анализа детали, которую планируется отливать. Учитываются габаритные размеры, толщина стенок, наличие поднутрений, резьбовых элементов и требуемая шероховатость поверхности. На этом этапе определяется тип конструкции: одногнёздная или многогнёздная оснастка, наличие подвижных знаков, механизмов выталкивания и система литниковых каналов. Трёхмерное моделирование выполняется в CAD-средах (SolidWorks, NX, Catia), где создаётся цифровой двойник формы. В ходе моделирования задаются сопряжения подвижных и неподвижных плит, рассчитываются углы наклона стенок для извлечения детали (обычно от 0,5° до 2°), а также объём и траектория литниковой системы. Проектировщик назначает посадки и зазоры: например, зазор между выталкивателем и отверстием в плите составляет 0,01–0,03 мм. На этом этапе также закладывается конфигурация охлаждающих каналов и места под термопарные датчики. По завершении 3D-модели создаётся набор чертежей для механической обработки.

Механическая обработка и сборка

Механическая обработка пресс-форм выполняется на фрезерных станках с ЧПУ, электроэрозионном оборудовании и координатно-шлифовальных станках. После получения заготовок из инструментальной стали проводится черновая обработка, при которой удаляется основной припуск. Затем следует получистовая и чистовая фрезеровка, обеспечивающая точность размеров в пределах 0,02–0,05 мм. Для изготовления глубоких полостей и узких пазов используют электроэрозионную обработку (проволочную и прошивную). Сборка включает установку выталкивателей, направляющих колонок и втулок, фиксацию литниковой втулки и монтаж систем охлаждения. На этом этапе контролируется совпадение осей, параллельность плит и ход подвижных элементов. После сборки пресс-форма проходит обкатку — ручное или автоматизированное смыкание и размыкание для выявления заеданий и задиров. При необходимости выполняется притирка рабочих зеркал и доработка посадочных мест.

Материалы для пресс-форм

Выбор материала для изготовления пресс-формы определяет её долговечность, устойчивость к износу и способность выдерживать температурные циклы литья. Основная часть оснастки изготавливается из легированных инструментальных сталей, прошедших термическую обработку. В отдельных случаях используют нержавеющие стали для работы с коррозионно-активными полимерами или медные сплавы для зон интенсивного теплоотвода.

Выбор инструментальной стали

Для формообразующих вставок, пуансонов и матриц применяют стали с высокой износостойкостью и твёрдостью после закалки. Распространённые марки включают H13 (AISI) — хромомолибденовую сталь с твёрдостью 48–52 HRC, устойчивую к тепловому растрескиванию. Для крупногабаритных плит основания часто используют сталь P20 с твёрдостью 28–35 HRC в предварительно закалённом состоянии. Для задач с абразивными наполнителями (стекловолокно, тальк) применяют стали с высоким содержанием карбидов, например D2 или M2. Теплопроводность материала формы напрямую влияет на время охлаждения отливки. Сталь H13 имеет коэффициент теплопроводности около 25 Вт/(м·К) при 20 °C, что считается средней величиной. В зонах, требующих усиленного охлаждения, могут устанавливаться вставки из бериллиевой бронзы (≈ 200 Вт/(м·К)). Выбор конкретной марки стали определяется экономической эффективностью: более дорогие сорта оправданы при тиражах свыше 500 000 циклов.

Упрочняющие покрытия и термообработка

После механической обработки детали пресс-формы проходят термообработку: закалку, отпуск, иногда азотирование. Цель — достижение заданной твёрдости и снятие внутренних напряжений. Например, азотирование при 500–520 °C в течение 10–20 часов повышает поверхностную твёрдость до 900–1000 HV, снижая износ и уменьшая адгезию расплава. Упрочняющие покрытия (PVD, CVD) на основе нитрида титана (TiN), нитрида хрома (CrN) или алмазоподобного углерода (DLC) дополнительно защищают рабочую поверхность. Толщина покрытия составляет 1–5 мкм. Такие слои уменьшают коэффициент трения и облегчают извлечение отливки. Например, TiN-покрытие увеличивает стойкость формы к абразивному износу в 2–3 раза по сравнению с незащищённой сталью. Выбор типа покрытия зависит от перерабатываемого полимера и температуры литья.

Равномерное заполнение полости формы расплавом — необходимое условие получения отливки без утяжин, спаев и коробления. Это требование закладывается на этапе проектирования литниковой системы.

Особенности проектирования

Проектирование пресс-формы подчиняется законам гидравлики течения расплава и теплофизики. Неверное расположение литников, неправильно выбранное сечение каналов или отсутствие вентиляции приводят к дефектам. Кроме того, конструкция должна предусматривать компенсацию усадки полимера и безопасное извлечение детали.

Конструкция литниковой и выталкивающей систем

Литниковая система состоит из центральной литниковой втулки, разводящих каналов и впускных окон (ворот). Тип ворот выбирается по геометрии детали: точечные впуски для мелких изделий, щелевые — для плоских деталей, туннельные — для автоматического отделения литника. При проектировании рассчитывается суммарное сечение каналов, обеспечивающее потерю давления не более 20–30 МПа на участке от сопла до полости. Выталкивающая система включает выталкиватели (цилиндрические или пластинчатые), возвратные пружины и механизм синхронизации. Диаметр выталкивателей варьируется от 1 мм до 12 мм в зависимости от размера детали. Ход выталкивателей должен быть на 2–5 мм больше глубины формы, чтобы обеспечить полное извлечение отливки. Для деталей с поднутрениями используют наклонные выталкиватели и гидравлические или пневматические приводы.

Учет усадки и дефектов литья

Усадка полимера — уменьшение объёма при охлаждении. Линейный коэффициент усадки для аморфных полимеров (ABS, поликарбонат) составляет 0,4–0,7 %, для кристаллических (полиамид, полипропилен) — 1,5–3,0 %. В проекте пресс-формы полость выполняется с обратным усадочным радиусом: для усадки 2 % линейный размер полости увеличивается на 2 % от номинала. Компенсация усадки не является равномерной — в направлении потока расплава усадка меньше, чем перпендикулярно. Дефекты, связанные с конструкцией: утяжины (углубления на толстых стенках из-за неравномерного охлаждения), спаи (линии на стыке двух потоков расплава), коробление (разница усадки в разных зонах). Для предотвращения утяжин предусматривают выдержку под давлением (фаза «подпитки») длительностью 2–10 секунд в зависимости от толщины стенки. Коробление корректируют изменением температуры формы (диапазон рабочей температуры — от 30 °C до 120 °C для разных полимеров).

Система охлаждения пресс-формы

Отвод тепла от отливки происходит через каналы охлаждения пресс-формы. Эффективность этой системы определяет время цикла литья и равномерность усадки. Температура формы поддерживается за счёт циркуляции жидкости (воды, масла) через замкнутый контур.

Конфигурация каналов охлаждения

Каналы охлаждения могут быть сверлёными прямолинейными или фрезерованными конформными (повторяющими контур отливки). Диаметр каналов обычно 6–12 мм, расстояние между осями соседних каналов — 2,5–3 диаметра. Чем ближе канал к поверхности формы, тем выше скорость отвода тепла. Минимальное расстояние от канала до полости — 8–10 мм, чтобы избежать перепада температуры на поверхности отливки более 5 °C. Для сложных по геометрии деталей применяют дополненные технологии: конформное охлаждение с печатно-порошковыми вставками (DLMS, EBM) и термостатирующие трубки. Такие вставки позволяют прокладывать каналы с криволинейной траекторией, уменьшая зоны перегрева. Скорость потока теплоносителя в каналах должна быть не менее 1,5–2 м/с для турбулентного режима, обеспечивающего эффективный теплообмен.

Влияние на цикл литья

Продолжительность цикла литья включает впрыск, выдержку под давлением и охлаждение до температуры извлечения (обычно 60–80 % времени цикла занимает именно охлаждение). При неэффективной системе охлаждения цикл удлиняется, а производительность падает. Например, снижение температуры формы с 80 °C до 40 °C сокращает время охлаждения отливки из полипропилена на 30–40 %. Кроме того, неравномерное охлаждение вызывает остаточные напряжения и коробление. Для контроля температуры в форму встраивают термопары (тип J или K) и регуляторы расхода теплоносителя. Допустимое колебание температуры по полости не должно превышать ±2 °C для изделий с высокими допусками на размеры.

Контроль качества и испытания

После изготовления и сборки пресс-форма проходит комплекс проверок, подтверждающих её работоспособность. Этап контроля включает как измерения геометрии, так и пробные циклы литья.

Проверка геометрии и герметичности

Геометрические измерения выполняются на координатно-измерительной машине (КИМ) с точностью позиционирования 0,001 мм. Проверяются сопрягаемые плоскости, параллельность плит, соосность направляющих и диаметр литниковой втулки. Для сложных поверхностей применяют оптические сканеры, формирующие облако точек для сравнения с CAD-моделью. Герметичность проверяется пневматическим тестом: в охлаждающие каналы подаётся воздух под давлением 6–10 бар, падение давления не должно превышать 0,1 бар за 5 минут. Для литниковой системы проверяют отсутствие зазоров, через которые расплав может вытекать на плоскость разъёма.

Пробное литье и корректировки

Первая серия отливок производится на пробном литье с использованием того же полимера, что и в реальном производстве. Режимы впрыска (температура расплава, скорость впрыска, давление выдержки) задаются по расчётным данным. После извлечения отливки контролируются масса, размеры, шероховатость и отсутствие дефектов. При отклонениях в геометрии проводится корректировка — доработка полости электроэрозией или добавление местной вентиляции. На этом этапе может потребоваться замена литниковой втулки с другим диаметром сопла или перенастройка выталкивателей. Пробное литье считается успешным, если отливки соответствуют чертежу и не имеют дефектов в течение 100–200 последовательных циклов.

Обслуживание и ремонт пресс-форм

Регулярное обслуживание продлевает срок службы пресс-форм и поддерживает стабильность качества отливок. Периодичность обслуживания зависит от объёма выпуска: для серий свыше 20 000 деталей в месяц профилактика проводится еженедельно.

Чистка, смазка и хранение

Чистка рабочих поверхностей выполняется после каждой серии: удаляются остатки полимера, масла и нагар. Для чистки применяют нейтральные моющие средства и мягкие абразивы (фильерный войлок, щётки с нейлоновой щетиной). Смазка направляющих колонок и выталкивателей производится силиконовой смазкой каждые 500–1000 циклов. Хранение оснастки осуществляется в разобранном состоянии при влажности не выше 60 %. На зеркала формы наносится антикоррозийное масло, а полости закрываются заглушками. Длительное хранение без смазки приводит к коррозии стальных поверхностей и задирам при первом пуске.

Восстановление изношенных элементов

Износ выражается в увеличении зазоров между выталкивателями и плитами, появлении рисок на зеркале и затуплении кромок режущих втулок. Ремонт включает замену выталкивателей на ремонтные большего диаметра, перешлифовку рабочих плоскостей и наплавку изношенных участков с последующей финишной обработкой.

• Периодичность проверки формы — не реже одного раза в год при серийном выпуске
• Документация каждого ремонта фиксируется в паспорте оснастки
• Восстановление допускается до достижения предельных износов, указанных в ГОСТ Р 57950-2017

1. Очистка от остатков полимера
2. Визуальный осмотр зеркала и охлаждающих каналов
3. Измерение зазоров выталкивателей
4. Смазка подвижных элементов
5. Пробное смыкание на станке

Качественное обслуживание пресс-формы сокращает количество бракованных отливок и снижает количество незапланированных остановок производства. Регулярный контроль состояния оснастки позволяет прогнозировать потребность в замене узлов до возникновения аварийного отказа.

Видео