"Приемосдаточные испытания литьевых форм и законы Мерфи"

Рано или поздно все, кто связан с разработкой, изготовлением или эксплуатацией литьевых форм, т. е. имеют отношение к литью деталей из термопластичных полимерных материалов (ТПМ), сталкиваются с проблемой под названием «приемосдаточные испытания литьевых форм».

И если суммировать все «шишки», которые «набиваются» при решении этой проблемы (а именно эту задачу поставил перед собой автор в первой части данной статьи, опираясь на собственный опыт, опыт, приобретенный на стороне, и на законы Мерфи), картина получится грустная… Однако ни автор, ни (в чем автор не сомневается) читатели – его коллеги по цеху не относятся к числу пессимистов (такие не уживаются в отрасли), и оптимизма при чтении статьи должна прибавить ее вторая часть, в которой, в свою очередь, суммированы рекомендации по успешному решению указанной проблемы.

Как известно, в  заранее согласованное время испытания не начнутся практически никогда, если только Вы на них катастрофически не опаздываете: десять раз до и десять раз после можно приходить на испытания вовремя или заранее, и по каким­-то причинам предприятие не будет готово их провести в назначенный срок, но достаточно Вам один раз опоздать, и в этот раз все будут на месте, а Вам «оборвут» телефон с вопросами «Где Вы и ког­да будете?», и оказывается, что только Вы виноваты в задержке испытаний.

Наконец, когда все приглашенные и ответствен­ные лица собрались, выясняется, что начаться испы­тания все­таки не могут (конечно, по объективным причинам): например, на выбранном для работы термопластавтомате (ТПА) все еще доделывается вчерашняя производственная программа, а на дру­гом ТПА провести их никак нельзя. Наконец детали отлили, сняли старую литьевую форму и приступили к монтажу формы, приготовленной к испытаниям.

С вероятностью 50:50 обнаруживается, что диаметры ее центрирующих фланцев не совпадают с отвер­стиями в плитах ТПА. Переходные кольца, замена, доработка... Установили. Начинаются поиски прихва­тов (предыдущая литьевая форма крепилась к ТПА напрямую болтами). Нашли, форму закрепили. Далее следует утомительный подбор шлангов для подачи воды или масла в каналы системы охлаждения. Ско­рее всего, шланги нужной длины и в необходимом количестве не найдутся, или они окажутся другого диаметра, или испытуемая литьевая форма рассчита­на на быстросъемные соединения, которых в цехе нет или не хватает. Вполне вероятно, что шланги, когда их найдут, так и не используют, так как единствен­ный термостат будет либо в ремонте, либо именно сегодня задействован на другом ТПА. Потом окажется, что без термостата деталь не «проливается», и его в спешном порядке все же «притащат», и вся «катавасия» со шлангами начнется заново. Потом оказывается, что термостат не подключается к сети: либо не хватает длины электрокабеля, либо вилка не подходит к розетке… Диаметры шлангов для подачи воды (или масла) к термостату и отвода от термостата не совпадают с диаметрами шлангов для подключе­ния к литьевой форме... Поискали, поругались, под­ соединили и включили… Далее оказалось, что пере­путали фазу и вода (масло) не нагнетается, а высасы­вается из формы, т. е. нет необходимой циркуляции охлаждающей жидкости. Снова поиски электрика...

«Перебросили» фазы, включили термостат – зара­ботал правильно, т. е. стал нагнетать охлаждающую жидкость в каналы системы охлаждения. Вода (мас­ло) пошла под давлением и «радостно» закапала на плоскость разъема литьевой формы (забыли установить прокладку, подмотать фторопластовый уплотнительный материал на резьбовое соединение или еще что-­то забыли). Ждем, когда устранят не­ герметичность в  элементах системы охлаждения.

Устранили. Но понадобится еще полчаса на досушку требуемого для испытания полимерного материала (хотя не исключено, что его вообще забыли заложить в  сушилку). Затем окажется, что суперконцентрат красителя оговоренного цвета окажется на другой полимерной основе (например, если детали из полимида, то краситель будет на основе полиолефинов).

В результате испытания проведут на том материале, что есть, а не на том, который нужен. И если эти ис­пытания вдруг пройдут на редкость успешно, то при серийном производстве деталей (из штатного ТПМ и на рабочих режимах литья) придется «хлебнуть» проблем в полном объеме. Наконец все, что надо для работы, смонтировали и подключили, но тут как раз начинается обеденный перерыв. Слесарь, элек­трик, наладчик и оператор ТПА уходят, остальные временно расходятся...

Через час, когда обед у персонала цеха закончит­ся, приготовленный ТПМ засыпан в бункер и уже включили разогрев материального цилиндра ТПА, неожиданно перегорает один из его нагревателей.

Выключается ТПА, ищется, находится, заменяется нагреватель. Заново включен обогрев ТПА. Парал­лельно выясняется, что разъем кабеля регулятора температуры горячеканальной системы (ГКС) не соответствует электрическому разъему в литьевой форме или не хватает длины электрического кабеля, чтобы подключить регулятор температуры к сети, и надо искать удлинитель или розетка с вилкой не совпадают. Поиски электрика, устранение несовпа­дений. И если же все «подключаемое» подключили и оно заработало, то в этот момент просто выбило фазу или «залип» концевой выключатель защиты (двери) ТПА…

Наконец сбои и неполадки устранены. Требуется задать основные параметры процесса литья – вы­ясняется, что никто толком не знает ни общие массу и объем детали и отливки, ни режимов литья пере­рабатываемого ТПМ (температуру переработки по зо­нам, давление и скорость впрыска и т. д.). Все подби­рается наугад. Когда и эти проблемы решены, «вдруг» заканчивается смена… Пересменка. Приходит новый наладчик. Он с достоинством, не торопясь вникает в дело. Меняет по своему усмотрению настройки ТПА и приступает к испытаниям литьевой формы.

Появляются новые проблемы: деталь остается не в той полуформе, воздушные ловушки, холодные спаи, недоливы, коробление отливки и пр. Похоже?.. Слабо утешает лишь то, что мы не одиноки в своих страда­ниях! Вспомнили? Да, конечно, это законы Мерфи!

В 1949 г. в США во время испытаний авиационной техники был сформулирован закон «головной боли», известный во всем мире как закон Мерфи: «Если что­-то плохое может произойти, оно непременно произойдет». С него началась наука «Мерфология» – «отрасль знания, посвященная тому, что идет плохо, вкривь и вкось либо не так, как надо» [1, с. 3]. Чаще всего в повседневной практике мы сталкиваемся с его (закона Мэрфи) следствиями [1, с. 11]:

• «любое дело занимает больше времени, чем вы думаете» (следствие № 2);
• «когда дела пущены на самотек, они имеют тен­ денцию развиваться от плохого к худшему» (след­ ствие № 5);
• принцип асимметрии по Мерфи (см.  эпиграф к статье).

Проанализировав процессы организации и про­ведения приемосдаточных испытаний в целях сокра­щения потерь рабочего времени, можно предложить несложный комплекс мероприятий (КМ), состоящий из двух частей: «Подготовка к испытанию» (КМ № 1) и «Испытание литьевой формы» (КМ № 2).

Рассмотрим их по порядку.

1. Подготовка к испытанию литьевой формы (КМ № 1)

Этот комплекс мероприятий необходимо прово­ дить как в инструментальном (КМ № 1а), так и в ли­ тьевом (КМ № 1б) производствах.

КМ № 1а: «Подготовка к испытанию литьевой формы в инструментальном производстве»

Прежде чем вновь изготовленную или отремонти­рованную литьевую форму отправить на испытания в литьевое производство, необходимо выполнить по порядку ряд несложных, но эффективных ресурсосберегающих мероприятий.

1.1. Подготовить сопроводительную нормативно- техническую документацию (НТД) и приложить к ли- тьевой форме.

В типовой комплект НТД входят следующие документы:
• сборочный чертеж литьевой формы с указанием ее габаритов и массы, диаметров центрирующих фланцев, диаметра входного отверстия литниковой втулки или центрального горячеканального сопла, хода раскрытия формы и хода выталкивания отливки;
• схема электрических соединений (подключе­ние ГКС);
• схема гидравлических и пневматических соеди­нений (подключение каналов системы охлаждения, ги­дро­ -и пневмоприводов);
• карта замера исполнительных размеров формо­образующих деталей (ФОД) (пуансона и матрицы);
• карта замера посадочных гнезд под сопла и кол­лектора ГКС.

1.2. Проверить работоспособность технологических систем литьевой формы.

Система охлаждения.

Здесь необходимо:
• подсоединить муфты к ниппелям и отсоединить (ниппель должен быть установлен внутри цековки за­подлицо или утоплен не глубже 1 мм [2]);
• проверить контур охлаждения на герметич­ность (10 мин «гонять» теплоноситель под давлением 4–5  атм) и,  если обнаруживается утечка, устранить неисправность;
• проверить циркуляцию в контуре охлаждения (л/мин) и, если циркуляция отсутствует или менее расчетного минимума, прочистить каналы [3].

Литниковая система [4]:

• проверить тип термопары в элементах ГКС и на­стройках РТ; • проверить соответствие распайки проводов в разъеме ГКС на форме и в разъеме кабеля РТ по зонам согласно схеме электрических соединений;
• проверить работоспособность регулятора тем­пературы («мягкий старт», затем прогрев до 140 градусов С, проверка типа термопар ГКС и настройки в приборе);
• проверить на соответствие паспортным данным мощности нагревателей ГКС и максимальную мощ­ность каждой зоны РТ;
• проверить положение наконечников сопел ГКС в форме: в холодном состоянии они должны быть уто­плены в гнезде на 0, 1–0,2 мм, в рабочем состоянии – быть заподлицо.

Система выталкивания:

• проверить плавность хода плит системы;
• проверить механизм опережения;
• проверить возможность подключения хвостовика к толкателю ТПА:
– проверить длину хвостовика, которая должна обеспечить как подсоединение к ТПА, так и необхо­димый ход выталкивания;
– провести принудительный возврат хвостовика в исходное положение и сымитировать стряхивание отливок, «залипших» на выталкивателях, проверить механизм опережения).

Система центрирования:

• проверить диаметры центрирующих фланцев и соответствующих отверстий в плитах ТПА на собирае­мость;
• проверить наличие рым­болтов и возможность за­вести в их кольца чалку для транспортировки литье­вой формы на ТПА (этому не должны мешать ниппели, муфты, штуцера, прихваты, электроразъем).

КМ № 1б: «Подготовка к испытанию литьевой формы в литьевом производстве»

1.3. Подобрать необходимый типоразмер ТПА.

Ниже перечислены параметры, которые требуется рассчитать для решения этой задачи:

• усилие  Р з запирания формы: Рз = 1,25 F⋅р (здесь F – площадь проекции отливки на плоскость разъема; р – расчетное давление в форму­ющей полости, которое в первом приближении мож­но принять равным 50 МПа);
• объем впрыска V в:Vв = (2÷4) Vотл (здесь Vотл  – объем отливки; при Vв  < 2 Vотл расплав ТПМ не успевает прогреться и в нем обнару­живаются вкрапления непроплавленных гранул, при Vв  > 4 Vотл возможен перегрев расплава в материальном цилиндре ТПА);
• габариты литьевой формы в плане (должны быть меньше расстояния между колоннами ТПА);
• «закрытая» высота формы, которая должна быть больше минимальной (в противном случае требует­ся переходная плита) и меньше максимальной, что бы осталось место на раскрытие формы и извлече­ние отливки;
• требуемый ход раскрытия ТПА, который должен обеспечить извлечение отливки из формы;
• диаметр центрирующих фланцев литьевой фор­мы, который должен совпадать с диаметрами центрирующих отверстий в ТПА (в противном случае требу­ется подобрать подходящие переходные кольца или переточить фланцы литьевой формы);
• требуемые радиус сферы сопла ТПА и  его вылет, а также диаметр отверстия сопла ТПА, которые должны соответствовать литниковой втулке или центральному обогреваемому соплу литьевой формы (если не соответствуют – заменить или доработать).
Наконец, необходимо подобрать комплект прихва­тов для монтажа литьевой формы на ТПА.

1.4. Подобрать и подготовить термостат со шлангами и быстросъемными муфтами [3].

В этих целях необходимо выполнить определен­ные условия и решить ряд задач:

• термостат должен соответствовать параметрам испытуемой литьевой формы по мощности нагрева, мощности охлаждения, расходу охлаждающей жид­кости, температуре эксплуатации литьевой формы;
• подобрать шланги по типу охлаждающей жид­кости и ее температуре циркуляции, по внутренне­му диаметру для подключения термостата, литье­вой формы, «гребенки» литьевой формы или «гре­бенки» ТПА;
• подобрать нужное количество быстросъемных муфт под шланги соответствующих диаметров;
• если система охлаждения запитывается от тер­мостата со встроенным вакуумным контуром, то бы­стросъемные муфты и ниппели должны быть без за­порных клапанов;
• термостат разместить максимально близко к ли­тьевой форме, шланг от него к форме или ротаметру должен быть как можно короче и  с максимальным проходным сечением;

• проверить длину электрического кабеля термо­стата для обеспечения его подключения к источнику питания (380 В) или укомплектовать его удлинителем;
проверить соответствие вилки на электрическом ка­беле аппарата с розеткой источника;
• проверить правильность подсоединения фаз (крыльчатка двигателя насоса должна вращаться со­гласно стрелке на его кожухе, давление в контуре нагнетания должно быть положительным по показаниям манометра);
• подключить воду в контур охлаждения, выпол­нив следующие условия: температура воды (сеть, охла­дитель) – около 15 градусовС, давление в контуре – не ниже 4 атм, слив – без подпора;
• подключить РТ ГКС к источнику питания (одно­-и двухзонные приборы с номинальным напряжением 220 В, остальные – 380 В) напрямую или через удли­нитель; проверить соответствие вилки на кабеле ап­парата розетке источника [4, 6].

2. Испытания литьевой формы (КМ № 2)

Этот комплекс мероприятий последовательно про­водится в ручном (КМ № 2а), а затем в автоматическом (КМ № 2б) режимах работы ТПА.

КМ № 2а: «Испытания литьевой формы в ручном режиме литья (наладка)»

2.1. Подготовить комплекты сопроводительной технической и технологической документации (поступают в цех вместе с литьевой формой), в которую входят:

• сборочный чертеж литьевой формы;
• схема электрических соединений;
• схема гидравлических соединений;
• схема пневматических соединений;
• чертеж детали со сведениями о материале детали;
• данные о массе и объеме детали и всей отливки, объеме материала в каналах ГКС;
• данные о режимах литья (температура материаль­ного цилиндра ТПА по зонам и в нагревателях ГКС, скорость и давление впрыска, давление и время вы­держки под давлением, время охлаждения, ход раскры­тия формы и ход выталкивания, температура литьевой формы при литье).

2.2. Установить литьевую форму на выбранный ТПА
(см. разд. 1, п. 1.3) и закрепить ее прихватами.

2.3. Подключить систему охлаждения литьевой формы к термостату.

Для этого:
• подсоединить шланги с быстросъемными муфтами к ниппелям литьевой формы и к термостату;
• подключить термостат напрямую к литьевой фор­ме или к ротаметрам ТПА;
• подсоединить термостат к источнику охлажда­ющей жидкости (охладитель, цеховая сеть) и подклю­чить к электросети;
• залить воду (масло) в бак термостата;
• проверить направление вращения крыльчатки электродвигателя насоса термостата (если не так, как в паспорте, – провести переполюсовку фаз);
• задать в контроллере термостата температуру формы (согласно рекомендациям производителя ТПМ) и разогреть ее;
• проверить контур охлаждения на герметичность (10 мин «гонять» охлаждающую жидкость по контуру без следов утечки).

2.4. Подготовить ТПА к работе:

• очистить рабочие элементы ТПА от предыдуще­го ТПМ (бункер и материальный цилиндр);
• подготовить необходимую для испытания пор­цию ТПМ (выдержать при этом требуемую рецептуру ТПМ и, если требуется, подсушить его);
• выставить температуру материального цилиндра ТПА по зонам согласно рекомендациям произво­дителя ТПМ.

2.5. Подключить ГКС к источнику питания [4, 6]:

• проверить правильность подключения регулято­ра температуры (РТ) по зонам;
• проверить работоспособность РТ в режиме «мягкого старта» (SoftStart);
• задать температуру в терморегуляторе ГКС в со­ответствии с температурой последней зоны материаль­ного цилиндра ТПА (выполняется согласно рекомен­дациям производителя ТПМ и спецификации на ГКС и только после того, как литьевая форма прогреется до температуры, заданной на термостате);
• уточнить разницу между указанными выше тем­пературами и сравнить расчетное значение с установ­ленным (если необходимо, подкорректировать пара­метры в РТ);
• если ГКС прогреется до заданных температур раньше, чем нагреется ТПА, то перевести ГКС в дежурный режим, при котором во всех зонах устанавли­вается температура 70 градусов С.

2.6. Провести испытания литьевой формы в режиме «Наладка»:

• задать объем впрыска меньше объема отливки на 50–75 % и постепенно увеличивать до 100 %;
• задать скорость впрыска так, чтобы время впры­ска составляло 1–3 с;
• получить отливку и провести внешний осмотрна предмет наличия видимых дефектов (недолива, перелива и пр.);
• при необходимости скорректировать параметры литья и провести повторные циклы литья вплоть дополучения отливки без видимых дефектов;
• отлить подряд, не меняя ни одного параметра, 10–15 отливок, и взвесить их на аналитических весах с точностью до второго знака после запятой;
• сравнить показания весов, при этом:
– если отличия наблюдаются в первом знаке после запятой (тем более до запятой), то считается, что ТПА работает некорректно и его желательно заменить или отремонтировать;
– если масса отливки меньше расчетных значений, соответствующих таблице замеров ФОД, то необходи­мо увеличить дозу впрыска, если больше – уменьшить.

КП № 2б: «Испытания литьевой формы в автоматическом режиме работы ТПА»

2.7. После того как в ручном режиме получены бездефектные отливки и зафиксированы оптимальные па­раметры литья, провести испытания в автоматическом режиме в течение 20–60 мин.

2.8. Отобрать необходимую партию деталей для за­меров и отложить на сутки. Через сутки провести из­мерения их фактических размеров и сравнить с чер­тежными размерами.

При этом не следует экономить на перечисленных мероприятиях то подготовке к испытаниям и их прове­дению, ибо известно, что «никогда нет времени, чтобы сделать правильно, но всегда есть время, чтобы сделать заново» (закон Максимена [1, с. 62]).

Зачастую проблемы приемосдаточных испытаний закладываются еще на стадии проектирования литье­вых форм. В первую очередь следует обратить внимание на проблемы литниковой системы. Большинство литников являются наглядным пособием по теме «Как сде­лать неправильно литник в литьевой форме». В любом профильном учебнике объясняется, что оптимальной формой разводящего литника является цилиндр (по полдиаметра в каждой плите по плоскости разъема) или круглоугольная трапеция (в одной плите), описанная вокруг окружности того же диаметра (но уверен­ные в себе специалисты учебников не читают). Любая другая геометрия поперечного сечения литникового канала является «переходом от плохого к худшему» [5].

Литниковый канал должен иметь максимальную пропускную способность (в целях минимизации гидравлического сопротивления при транспортировке расплава) при минимальной площади теплообмена, т.  е. максимальную площадь поперечного сечения при минимальном периметре (в целях минимизации потерь тепла). Большинство литников в действующих литьевых формах выполнены либо как полдиаметра в одной плите, либо прямоугольными, где ширина литника больше толщины в два раза и более, потому что «так проще их изготовить» (!).

Впуcкной литник необходимо подводить в самую толстостенную область отливаемой детали, и его тол­щина должна составлять 0,5–0,8 от толщины стенки отливаемой детали, а длиной он должен быть не более 1,5 мм. Все это необходимо для обеспечения требуе­мой выдержки под давлением. В противном случае впускной литник остывает намного раньше, чем расплав в детали, и провести подпитку для компенсации усадочных процессов становится невозможно.В реаль­ной же производственной практике впускной литник сплошь и рядом делается толщиной менее 1 мм (не­зависимо от толщины стенки) и длиной 3–5 мм.

А на вопрос, почему, можем услышать «гордый» ответ: «Чтобы его легко было руками оторвать от отливаемой детали и чтобы след от точки впуска расплава был минимальным!»

Не редкость, когда такую же удручающую картину представляют и системы охлаждения действующих ли­тьевых форм. По формальному признаку система есть, но что и как она охлаждает – это уже другой вопрос!

И еще («на посошок») хотелось бы вспомнить по­лезный для нас всех закон эпистемологии (теории по­знания) по Гройе [1, с. 67]: «Важно лишь одно: чему мы в состоянии научиться, уже все зная».

Литература 1. Блох А. Полное собрание законов Мерфи. Мн.: ООО «Поgурри», 2009. 608 с.
2. Каталог стандартных деталей. HASCO Hasenclever GmbH+Co. KG, Ludenscheid, Germany, 2013.
3. Горбач П. Термостаты и охладители в технологических процессах. СПб.: ЦОП «Профессия», 2012. 352 c.
4. Унгер П. Технология горячеканального литья. СПб.: Профессия, 2009. 208 c.
5. Казмер Д. Разработка и конструирование литьевых форм. СПб.: ЦОП «Профессия», 2011. 464 c.
6. Use and Maintenance Manual. THERMOPLAY Hot Runner Systems, 2013. 137 p.

Acceptance Tests of Injection Molds and Murphy’s Laws V. G. Duvidzon
Sooner or later, all those professionals who are associated with the
development, production or use of injection molds, face the problem
entitled «Acceptance tests of molds». The article provides recommendations
for the preparation and successful conduct of such tests. ­