Матрици и инструменти за машини за леене под налягане

Шприцването под налягане е високопрецизен производствен процес, при който разтопена пластмаса се инжектира в специално проектирана матрица, в която стопилката се охлажда и втвърдява във формата на готов детайл или продукт. Шприцформата се състои от две части: ядро и кухина. Кухината се образува при затварянето на двете монолитни половини на матрицата. В зависимост от производствените нужди могат да се проектират и използват матрици с повече кухини, с чиято помощ се изработват множество еднакви детайли в рамките на един и същи работен цикъл.

Проектирането на матрицата и нейните различни компоненти представлява високотехнологичен и сложен процес, който изисква голяма прецизност и сериозна научна обосновка, за да се гарантира производството на качествени изделия с точни размери. Важно е да бъде избран подходящият клас стомана, така че частите, които работят съвместно, да не се износват преждевременно. Твърдостта на стоманата е ключов фактор за постигане на правилен баланс между износване и здравина. Охлаждащите канали в шприцформата трябва да са добре ситуирани, за да осигурят максимално ефективно изстудяване на летите детайли и шприцформите и да минимизират рисковете за тяхното деформиране. Проектантите на инструментална екипировка за леене на пластмаси под налягане имат важната задача правилно да изчислят и необходимите спецификации на леяковите канали, по който разтопеният материал навлиза в кухините, за да се осигури правилно запълване и минимални времена на работния цикъл. От съществена важност е още да се определят най-добрите методи за гарантиране на дълготрайност на инструменталната екипировка през целия жизнен цикъл на оборудването.

Материали и разновидности

Тъй като матриците за леене под налягане традиционно са скъпи за производство, те обикновено се използват само за масови партиди, при които се изработват хиляди детайли. Те могат да бъдат произведени чрез механична обработка с ЦПУ или посредством електроерозийна обработка. Класическите шприцформи са изработени от конвенционална закалена стомана, предварително закалена стомана, алуминий или берилиево-медна сплав. Изборът на материал е важен от икономическо естество. Като цяло разходите за конструиране и производство на стоманени матрици са по-високи, но по-дългият им срок на експлоатация ги компенсира при по-голям брой детайли, изработени преди износване. Шприцформите от предварително закалени стомани са с по-ниска износоустойчивост и се използват при по-малки изисквания за обема на продукцията или по-големи компоненти за шприцване. При тях типичната твърдост на стоманата е 38-45 по скалата на Рокуел (HRC).

Матриците от закалени стомани, които се обработват термично след механична обработка, са далеч по-добро решение от гледна точка на износоустойчивост и експлоатационен живот. Типичната твърдост варира между 50 и 60 по Рокуел. Алуминиевите матрици могат да струват значително по-малко, а когато са проектирани с модерно компютърно оборудване, могат да се окажат значително по-икономични при шприцване на десетки или дори стотици хиляди детайли. Берилиево-медната сплав пък се използва в участъци от матрицата, които изискват бързо отнемане на топлина или области, в които се генерира най-много топлина.

Множество приложения изискват използването на т. нар. фамилна матрица, при която няколко различни детайла от едно и също изделие се шприцват в един калъп. Пример е продукт с преден детайл, заден детайл и капак, направени от еднакъв материал. По-изгодно се оказва и трите да са в една и съща матрица, не само за да се намалят разходите, но и да се редуцира времето за изработка.

Шприцформа с една кухина често се нарича единична матрица. Матриците с две или повече кухини за един и същи детайл са познати като мултифункционални шприцформи. Някои комплексни матрици (като тези за капачките за бутилки) могат да имат по 128 и повече кухини.

Характеристики на матриците

Има няколко базови конструктивни елемента, които присъстват в традиционните матрици за леене на пластмаси под налягане. Сред тях са охлаждащите канали, които не са неизменна част от всяка шприцформа, но имат ключова функция. Тъй като матрицата се използва отново и отново в последователните работни цикли, тя се нагрява и без способ за охлаждане би достигнала температурата на разтопената пластмаса. Важно е формата да се поддържа достатъчно гореща, за да може пластмасата да потече към всички части на кухината, преди да се охлади, но и достатъчно охладена, така че пластмасата да се втвърди за разумен период от време, за да се поддържа кратко времето на производствения цикъл.

Изхвърлящите механизми представляват малки щифтове, които изтласкват детайла вън от матрицата. Шприцформите са проектирани така, че всеки път, когато се отворят, шприцваният детайл да остане от една и съща страна на формата, а изтласкващите щифтове да го извадят. Обикновено щифтовете са позиционирани от вътрешната страна на детайлите.

При процеса на леене под налягане обикновено винтът на шнека изтласква през дюза разтопената пластмаса навътре в матрицата, където материалът минава през главния леяк към леяковата система, която насочва пластмасата към входните отвори на всяка от кухините. Главният леяк и леяковата система представляват кръгли канали. В конструкцията на една традиционна шрпицформа е обособена и разделителна линия, която опасва детайла в зоната, където двете половини на матрицата се затварят.

Повечето матрици са прости, тъй като се състоят само от две части, които се събират и разделят. Те са много по-евтини и обичайно издържат по-дълго от по-сложните версии. Но понякога шприцваният детайл включва форми, които изискват подрязвания, обособяване на странични отвори или други елементи, които не могат да се получат при леене с обикновена матрица.

При някои по-комплексни конструкции се използват специални плъзгачи и повдигачи – части от матрицата, навлизащи в детайла отстрани. Те увеличават сложността на крайния продукт, но с това често се увеличава и цената за изработката му. Ето защо конструкторите на инструментална екипировка винаги са в търсене на технологично най-простото и икономически най-изгодното решение за производство на даден детайл с определени характеристики.

При износени матрици, които се експлоатират от дълго време, върху готовите детайли често се наблюдават дефекти, наречени “люспи”. Те се намират в зоните, където металът се е износил, обикновено при разделителната линия или изтласкващите щифтове. В това празно пространство се образуват тънки разливи от пластмаса, които служат за индикация, че е време за подмяна на шприцформата.

Много матрици са проектирани така, че при шприцването в готовия детайл се образуват т. нар. ребра, които увеличават здравината му, без да добавят много обем.

Готовото изделие обикновено има равномерна дебелина на стената, което също е функция на добре проектираната и изправна матрица.

Гнездата за скрепителни винтове са друг важен конструктивен елемент на шприцформите. Те трябва да се поместват в стените на детайла, като се предотврати прекаленото им удебеляване. Когато са налице дебели участъци, те са склонни да се деформират (свиват) при изстиване. Това може да доведе до нежелано явление, наречено всмукване, което влияе негативно върху точността на готовото изделие.

Конструктивни специфики

Една стандартна матрица от две плочи се състои от ядро и кухина. Те могат да бъдат вложки в т. нар. фамилна шприцформа за няколко различни детайла. Матрицата има два основни компонента – шприцваща плоча и изхвърляща плоча, популярни на места в практиката и като “мъжка” и “женска” плоча. Пластмасовата стопилка навлиза през главния отвор и леяков канал на матрицата в кухината за формоване. Втулката на главния леяк трябва да прилепва плътно към дюзата на инжекторната цев на формовъчната машина и да позволи на разтопената пластмаса да протече свободно от цевта в матрицата. Главният леяк насочва разтопената пластмаса към основната кухина чрез канали, които са издълбани в лицата на двете плочи. Разтопената пластмаса преминава през леяковата система и навлиза през един или повече вторични отвори към отделните кухини на шприцформите, където се образуват желаните детайли.

Количеството стопилка, необходимо за запълване на главния леяк, леяковата система и кухината на матрицата, представлява калибрирана доза за един цикъл на шприцване. Затвореният въздух в матрицата може да излезе през специални вентилационни отвори, които обикновено се фрезоват в разделителната линия на матрицата или около изхвърлящите щифтове и плъзгачи. Ако уловеният въздух не излезе, той се компресира от натиска на постъпващия материал и се измества към ъглите на кухината, където пречи на запълването и може да причини допълнителни дефекти. Въздухът може дори да се сгъсти до такава степен, че да се запали и да изгори околния пластмасов материал.

За да се даде възможност за безпроблемно отстраняване на шприцвания детайл от матрицата, формите не трябва да се застъпват една в друга в посоката, в която тя се отваря, освен ако специфични части от матрицата не са проектирани да се отварят между такива застъпвания.

Страните на детайла, които са успоредни на посоката на изваждане (оста на сърцевината), обикновено са наклонени под лек ъгъл, наречен ъгъл на изваждане, с цел улесняване изхвърлянето на изделието от шприцформата. Недостатъчно големият ъгъл може да причини деформация или повреда. Ъгълът на изваждане, необходим за безпроблемно отделяне от матрицата, зависи преди всичко от дълбочината на кухината. Свиването също трябва да се вземе предвид при определяне на необходимия ъгъл на изваждане. Ако дебелината на стените на детайла е прекалено малка, то при охлаждането (поради тенденцията детайлът да се свива върху сърцевините, които го образуват като се прилепва към тях) може да се стигне до изкривяване, усукване или спукване, когато кухината се отвори.

Някои матрици позволяват в тях да се вмъкнат предварително формовани детайли, за да се излее нов пластмасов слой отгоре. Това често се нарича надформоване или вторично шприцване. Някои матрици са проектирани за две или повече шприцвания в рамките на един цикъл и се използват на специализирани машини за леене под налягане с два или повече инжекционни модула. Този метод всъщност представлява два последователни процеса на леене под налягане, често на материал с различен цвят или характеристики. В първата стъпка първият материал се формова в основната форма, която съдържа свободни пространства за втория. Впоследствие другият материал се шприцва в тези пространства.

Охлаждане и поддръжка

Стандартният метод за охлаждане на шприцформите е чрез преминаване на охлаждаща течност (обикновено вода) през поредица отвори, пробити през плочите на матрицата и свързани чрез маркучи за образуване на непрекъснат контур. Охлаждащата течност абсорбира топлината от матрицата, която тя е поела от горещата пластмаса. Важна функция на охлаждащата система е да поддържа подходяща температура на шприцформата, за да може пластмасата да се втвърди с оптимална скорост с цел максимална ефективност на работния цикъл.

За да се улесни поддръжката и вентилацията на матриците, кухините и сърцевините се разделят на сегменти, наречени вложки, подкомплекти или блокове. Чрез смяна на взаимозаменяеми вложки една матрица може да изработи няколко вариации на един и същ детайл.

Производителите на пластмасови изделия често инвестират много средства в правилното съхранение и поддръжка на персонализираните си матрици поради високата им стойност. Важно правило е да се осигурят оптимални нива на температура и влажност, за да се гарантира възможно най-дълъг живот на всяка шприцформа. Сложните поръчкови матрици, проектирани специално за дадено приложение, обикновено са скъпи и от критично значение за производството. Ето защо е препоръчително съхранението им в контролирана среда със специфични параметри, за да се предотврати деформацията и влошаването на експлоатационните им характеристики.

Проектиране и изработка

Матриците се произвеждат чрез два основни метода: стандартна механична обработка и електроерозийна обработка (EDM). С напредъка на технологиите в машиностроенето обработката с ЦПУ се е превърнала в основен метод за производство както на стандартни, така и на по-сложни матрици за детайли с по-висока точност. Тя се доказва като по-бърз и ефективен способ в сравнение с конвенционалната механична обработка.

Електроерозийната обработка също е сред широко използваните технологии при производството на матрици. Освен че прави възможно създаването на сложни форми, процесът позволява матриците предварително да се закалят, така че да не се изисква друга термична обработка. Промените в закалена матрица чрез обичайно пробиване и фрезоване обикновено налагат отгряване, за да се омекоти материалът, последвано от вторична термична обработка, за да се закали отново. При EDM предварително оформен електрод, обикновено изработен от мед или графит, се полага върху повърхността на шприцформата за дълъг период от време. Напрежението между инструмента и матрицата предизвиква искрова ерозия на повърхността на метала по обратната форма на електрода.

Броят на кухините играе жизненоважна роля за разходите при шприцване. Същото е в сила и за сложността на конструкцията на детайла. Сложността може да бъде отразена в множество фактори, включително необходимост от повърхностна обработка, изисквания за точност, вътрешни или външни резби, фини детайли и др.

Усложняващи елементи или функционални характеристики на изделието, чиято изработка се нуждае от допълнително оборудване, увеличават разходите за производство и на самата матрица. Повърхностното покритие на ядрото и кухината на шприцформите допълнително влияе върху разходите.

Основната цел на конструкторите на матрици и инструментална екипировка за леене под налягане е създаването на продукт, който е максимално опростен и ефикасен, дълготраен, лесен за експлоатация и поддръжка и отговарящ на всички спецификации на клиента на възможно най-ниска цена. За да се постигне това, решенията за дизайна на инструмента трябва да се вземат в най-ранните етапи на проектиране, както и максимално рано да се планират възможностите за обработка, търсените допуски на размерите, конструкцията, избраните материали и свързаните с тях разходи. Дизайнът на детайлите и конструкцията на матриците са взаимосвързани и поради това е добре да се планират едновременно, когато това е възможно.