Специальное предложение

Литье со вставками


20 Февраля 2013

Литье под давлением изделий с предварительно отформованными закладными деталями включает в себя несколько известных технологических разновидностей: декорирование в пресс-форме (IMD), этикетирование в пресс-форме (IML), литье с закладкой пленочных заготовок (FIM) и, наконец, литье с закладкой пластиковых или непластиковых готовых элементов. В этой статье мы рассмотрим литье под давлением пластиковых деталей с закладкой металлических элементов.

Собственно, первыми изделиями, изготовленными по технологии литья с закладными деталями, стали кабели со штепселями и электрическими разъемами, а также детали с интегрированными резьбовыми элементами. Многие уже и не помнят, когда привычные штепсели, состоящие из двух реактопластовых половинок, крепежных деталей, вилки и контактного провода, были вытеснены более технологичными цельнолитыми штепселями из термопластичных материалов. Впервые подобные изделия появились более 30 лет назад. Позднее литье под давлением с закладными деталями нашло широкое применение в электротехнике (разъемы и платы), медицине (иглы), бытовых и хозяйственных изделиях (бритвенные картриджи, зажигалки, компоненты бытовой техники), автомобильной промышленности (фильтрующие картриджи, рычаги, кнопки, пр. элементы) и других областях промышленности.

Литье плюс сборка

Литье под давлением с металлическими закладными деталями применяется, когда:

  • готовая деталь должна иметь резьбу, которая была бы долговечной при постоянных нагрузках, а также качество резьбового элемента должно позволять производить частые разборки узлов;
  • необходимо обеспечить малые допус­ки на внутренние резьбовые элементы;
  • требуется обеспечить надежную посадку высоконагруженного элемента на другой нагруженный элемент, например, при установке пластикового зубчатого колеса на ось;
  • необходимо обеспечить электроконтактную схему.

Главной особенностью литья под давлением с закладной металлической деталью является объединение процессов литья и сборки. Достигается это путем установки предварительно отформованной детали на заданную позицию в полости пресс-формы перед литьевым циклом. После смыкания пресс-формы расплав, как и в случае традиционного литья, поступает в формообразующую полость, обтекая и обволакивая закладную деталь. После фазы охлаждения полимер затвердевает, надежно удерживая в себе интегрированную деталь. Однако молекулярных связей между металлом закладной детали и полимерным материалом не возникает, поэтому для надежной функциональной фиксации металлической вставки в ее конструкции предусматриваются специальные стопорящие элементы: грани, ребра, углубления, штыри и лопатки, препятствующие выдергиванию вставки или ее выворачиванию под нагрузкой.

О преимуществах

Литье со вставками открывает перед конструкторами и дизайнерами массу интересных преимуществ.
При традиционных процессах литья пластиковых изделий с последующими операциями сборки не всегда удается обеспечить приемлемую точность сборки с точки зрения соосности или минимальных значений непараллельности осей полимерного изделия и интегрируемой детали. Тем более что горячая или холодная запрессовка вкладышей не всегда обеспечивает прочную посадку вкладыша в теле полимерной детали. При литье под давлением изделий из полимеров с одновременным внедрением специальных функциональных элементов — отформованных пластиковых или металлических деталей — за счет точного позиционирования и прочной фиксации закладной детали в пресс-форме решается проблема точного взаимного положения готового изделия и закладного элемента. Одновременно, литье со вставкой избавляет от последующих операций досборки, что положительно сказывается на себестоимости производства готовых изделий.
Литье с закладными деталями способствует дальнейшему вытеснению пластиками цельнометаллических изделий. Необходимые функциональные свойства детали обеспечивают компактные металлические вставки, которые позволяют образовывать прочные сборки с винтовыми крепежными элементами или долговечными взаимоподвижными деталями (слайдами, осями и т. п.). За счет этого снижается металлоемкость и масса готовых изделий, а, следовательно, уменьшается и себестоимость производства.
Использование металлической вставки в качестве силового элемента также позволяет компенсировать недостаточные прочностные свойства основных видов пластиков. Типичные примеры таких деталей — дверные ручки и рычаги, которые объединяют в себе химические, декоративные и тактильные свойства пластиков с прочностными свойствами металлов.
Более того, постоянное развитие технологий литья со вставками позволяет получать высокотехнологичные изделия, когда на одном термопластавтомате выполняется целый каскад операций: литье, многокомпонентное литье (или многоцветное), прессование или перфорирование закладной детали, повторное литье с преобразованной вставкой. В последнем случае процесс литья под давлением представляет собой несколько стадий формирования вставки: на первой литьевой позиции формируется сложная металл-полимерная комбинация (предварительное литье со вставкой), на второй литьевой позиции происходит литье под давлением поверх предварительно отформованной на первой позиции металл-полимерной комбинации с возможностью закладки дополнительных металлических вставок. Таким образом, удается получать сложные пластиковые изделия с интегрированными трехмерно закладными металлическими элементами.
За счет всего этого конструкторы получают большую свободу при проектировании узлов. Особенно это становится заметным у современных электротехнических изделий, в которых электроразводка интегрируются в тело изделия именно так, как того требует дизайн. Так, например, с учетом новых тенденций, связанных с постоянным уменьшением размеров и массы узлов, литье с закладными элементами позволяет обеспечить размещение электрической схемы в толще самой корпусной детали. Причем электрическая схема может иметь сложное трехмерное расположение внутри готового изделия.
Резюмируя все вышеизложенное, литье со вставками имеет следующие преимущества:

  • компактный дизайн;
  • меньшую массу изделия;
  • большую функциональность изделий;
  • их высокую надежность и износостойкость;
  • удешевление производства;
  • сокращение времени производственного цикла;
  • высокое качество воспроизводства от детали к детали.

О недостатках

Тем не менее, если сравнивать литье под давлением с закладными деталями с обычным литьевым процессом и последующими сборочными операциями, то у него имеются и определенные недостатки:

  • зачастую требуется нестандартное оборудование;
  • в процессе литья закладные детали могут выпадать, повреждая пресс-форму;
  • часто закладные элементы достаточно трудно закладывать в пресс-форму (при ручной загрузке), что ведет к большим отличиям литьевых циклов;
  • закладные элементы иногда требуют предварительного прогрева перед помещением в пресс-форму;
  • трудность повторной переработки бракованных деталей.

Кроме того, при отсутствии должного опыта по реализации процесса отмечаются случаи запоздалого растрескивания пластиковой основы вокруг металлического сердечника из-за окружного напряжения в полимере, растущего в процессе усадки. Для устранения этого недостатка технологу требуется заранее моделировать процесс для выбранного типа полимера.

Материалы

Для литья со вставками могут применяться те же самые типы и бленды пластиков, которые используются при традиционном литье. На выбор полимера для реализации технологии влияют несколько факторов, связанных с функциональными свойствами готового изделия, прочностными свойствами с учетом конфигурации изделия, минимальной толщины стенки вокруг вставки, величины электрического напряжения (для интегрированных электрических схем) и т. д.
В качестве вставок могут использоваться стальные, латунные, медные, алюминиевые детали, полученные точением, не имеющие острых граней и углов.

Особенности процесса и оборудование

Большая часть сбоев при литье со вставками возникает из-за недостаточной чистоты закладной детали (наличие масла, стружки, прочих загрязнений). Поэтому перед запуском изделий в серию необходимо тщательно очистить закладные детали и проинспектировать результат. Крупные закладные детали имеет смысл перед установкой в пресс-форму подвергать предварительному прогреву, чтобы минимизировать концентрацию напряжений в материале из-за теплового расширения и последующей усадки.
Горизонтальные. В ряде случаев для литья под давлением пластиков с металлическими или комбинированными вставками могут использоваться традиционные прессы с горизонтальным узлом смыкания. Однако у машин этого типа есть один серьезный недостаток — вертикальная плоскость разъема пресс-форм предполагает установку и крепление закладных деталей на горизонтальной поверхности формообразующей полости, а значит, необходимо считаться с действием силы тяжести, которая затрудняет надежную фиксацию закладной детали. Даже при использовании в конструкции пресс-формы механических (штырей или замков) или магнитных фиксаторов проблему удается решить далеко не во всех случаях. Тем не менее, в случаях использования простейших закладных деталей, имеющих достаточную площадь основания и малую высоту, можно воспользоваться и традиционным прессом с горизонтальным узлом смыкания. С точки зрения стоимости такое решение будет наиболее оптимальным, так как в этом случае используется стандартная машина из парка и пресс-форма, которая конструктивно мало отличается от таковой для литья аналогичных деталей без закладных элементов.
При литье под давлением с вкладышами с применением машин с горизонтальным узлом смыкания настоятельно рекомендуется использовать роботы. На это есть две причины. Во-первых, если при традиционном литье вручную может осуществляться только извлечение отливки, то при данной технологии еще необходимо поместить закладную деталь и точно закрепить ее в пресс-форме. Время установки закладной детали вручную превышает длительность операции, производимой роботом, что увеличивает общее время литьевого цикла. При этом рабочий, осуществляющий позиционирование закладной детали в пресс-форме, периодически может некачественно осуществлять установку закладной детали даже при наличии базирующих элементов в самой пресс-форме, что чревато повреждением инструмента. Во-вторых, многие западные технологи уверены, что ручной труд на операциях закладки и извлечения отливок приводит к постоянной девиации времени литьевого цикла, что негативно сказывается на повторяемости отливок от цикла к циклу. В свою очередь время, необходимое автоматизированным устройствам для вложения в пресс-форму закладных деталей, не превышает 0,1 сек. Поэтому европейские заказчики очень скрупулезно проверяют уровень оснащения поставщика комплектующих деталей и отдают предпочтение тем, у которых и закладка вкладышей, и извлечение готовых изделий осуществляются автоматически.
При установке закладных деталей сразу в несколько гнезд без автоматического загрузочного модуля уже не обойтись.

Вертикальные. Более приспособленным типом машин для литья пластиковых деталей с металлическими (и не только) вставками считаются термопластавтоматы с вертикальным узлом смыкания. Неподвижная нижняя плита обеспечивает большее удобство установки закладной детали — влияние силы тяжести практически полностью компенсируется горизонтальным расположением базирующей ниши для закладной детали. Использование магнитов позволяет надежным образом крепить сложные или габаритные закладные детали без угрозы их перекоса в процессе смыкания пресс-формы. Подобные машины предназначены для производства небольших и средних партий готовых изделий, поскольку общее время рабочего цикла увеличивается из-за длительной фазы закладки металлической детали, так как это достаточно сложный процесс, требующий повышенного внимания и концентрации на каждом цикле. Монотонный ручной труд при работе с вертикальными машинами чреват развитием туннельного синдрома у рабочего. Однако вертикальные машины позволяют работать с достаточно сложными или габаритными закладными деталями с возможностью выхода их концевых частей за пределы пресс-формы, что может быть использовано для изготовления кабельных разъемов и штекеров. Для удобства закладывания деталей стол может иметь выдвижное исполнение, которое позволяет выкатывать нижнюю подвижную часть пресс-формы за пределы рабочей зоны.
Безопасность труда оператора обеспечивается за счет лучевой завесы, когда при пересечении рук оператора с лучом автоматика осуществляет аварийную остановку машины. Могут применяться сдвижные ограждения с концевыми выключателями, препятствующими осуществление литьевого цикла при открытом ограждении.
В машинах вертикального типа существует опасность несанкционированного падения плиты при резком снижении давления в гидравлическом контуре (например, по причине сбоя в системе электропитания). Для повышения безопасности труда на этот случай машины оснащаются тормозными механизмами, препятствующими падению верхней плиты при снижении давления в гидросистеме.
Машины с вертикальным узлом смыкания есть в производственной программе многих производителей. Однако наибольшей популярностью пользуются вертикальные прессы производства Dr.Boy, Arburg, Engel и ряда специализированных предприятий из Европы, Японии и США.

Многопозиционная схема. Существует и другой класс термопластавтоматов, широкого круга задач при литье со вставными деталями. В них литьевой цикл разобщен с циклом закладывания вкладыша и извлечения готового изделия благодаря наличию многопозиционного поворотного стола, который имеет как минимум две индексные позиции — литья и закладывания/извлечения. В этом случае рабочий без ущерба для времени цикла закладывает вкладыш на соответствующей позиции поворотной плиты, в то время как на позиции противоположной от оси вращения стола осуществляется литьевой цикл с уже заложенным вкладышем. Максимально поворотный стол может насчитывать до четырех индексных позиций с нижними половинами пресс-формы — две для закладки/извлечения и две — литьевые. Очевидно, что многопозиционная схема увеличивает стоимость инструментальных комплектов по сравнению с традиционными горизонтальными прессами, поскольку в комплект может входить от двух до четырех нижних частей пресс-формы.
Вертикальные машины с поворотным столом предлагаются в самых разных вариантах и с разными усилиями смыкания от 5 до 400 т, с диаметром поворотного стола до двух и более метров. То есть такие машины могут использоваться для решения самых разных задач — от микролитья (например, для производства транзисторов) до производства крупных автомобильных компонентов с интегрированными силовыми элементами.
Узел смыкания вертикальных машин с поворотным столом имеет, как правило, 4-колонную конструкцию (изредка 3-колонную, как у машин Presma Trio 60). Подвижная плита — верхняя. Колонны размещены за пределами стола по прямоугольной или трапециидальной схеме. Цилиндр впрыска может находиться в горизонтальной плоскости или в вертикальной на подвижной верхней плите. При горизонтальном расположении цилиндра впрыска его лафет имеет подъемный механизм для подстройки под определенную высоту пресс-формы (т. е. под положение адаптера). При многокомонентном литье впрыск осуществляется двумя цилиндрами, расположенными в горизонтальной и вертикальной плоскостях.
Несмотря на то, что у машин с поворотным столом оператор осуществляет манипуляции с закладными деталями и готовыми изделиями вне зоны смыкания пресс-форм, машины в обязательном порядке оборудуются устройствами аварийного отключения (лучевой барьер или ограждение с контактным выключателем), так как травму можно получить и от индексного поворота стола, не говоря уже о попытках устранить перекос закладной детали непосредственно в зоне смыкания.
Подобные специализированные машины есть в арсенале фирм Demag (Vertical), Arburg (Allrounder T), Engel (Insert), Battenfeld (Vertical R), BM Biraghi (PVV, PVH) и других производителей из Европы и Северной Америки.
Итальянская фирма Presma, известная своими специализированными решениями в области литья под давлением пластиков, также предлагает сразу несколько моделей оригинальных машин с поворотным столом на 2-3 позиции, а также для двухкомпонентного литья с закладными элементами. Особый интерес вызывает машина Presma IMQ 522 с 8 станциями смыкания. Здесь уже речь не идет о поворотном столе с 8 половинами пресс-формы — в этой машине на круглом столе крепятся 8 полноценных инструментальных комплектов вертикальной компоновки с индивидуальными гидравлическими приводами смыкания для каждой литьевой станции. Смыкание литьевой станции осуществляется на позиции впрыска под неподвижной опорной плитой с вертикально расположенным цилиндром впрыска. Этот 8-позиционный пресс был специально разработан для литья разъемов и вилок для силовых кабелей длиной до 3,5 м.
Вертикальные литьевые машины с поворотными столами специально разрабатывались для литья пластиковых изделий с закладными деталями. Однако по стоимости они превосходят более универсальные горизонтальные машины с адекватными характеристиками. Поэтому производства, где литье пластиковых изделий с интегрированными вставками не является основной специализацией, вряд ли смогут позволить себе такие машины.
Существует также особое исполнение вертикальных машин, которые оснащаются столом, движущимся возвратно-поступательно вправо-влево. Стол имеет две позиции для установки нижних половин пресс-форм. Когда первая позиция (находясь слева от узла смыкания) открыта для закладывания детали, вторая находится в положении смыкания. После литьевого цикла вторая позиция смещается вправо, открывая нижнюю половину пресс- формы для извлечения готового изделия и установки закладной детали.
Первая литьевая позиция в этот момент оказывается в положении смыкания для осуществления очередного литьевого цикла. Такая конструктивная схема удобна для литья наконечников, разъемов на длинных кабелях и медицинских катетерах.

Реализуя инновационный потенциал

Несмотря на то что метод литья под давлением с закладными элементами активно применяется в международной промышленной кооперации не один десяток лет, у него остается огромный потенциал с точки зрения создания самых современных, легких и компактных изделий электротехнического и медицинского назначения. Следует признать, что в России сохранился огромный научный потенциал для реализации перспективных технических разработок. Метод литья под давлением со вставками способен предложить кратчайший путь от опытной разработки до серийного изделия, способного с успехом продаваться на международных рынках. Этот метод во всем мире применяется для создания самых современных электротехнических изделий бытового, медицинского и научного назначения, а не только для производства отверток и автомобильных ключей.
Приведем некоторые рекомендации при проектировании изделий, изготавливаемых методом литья под давлением с закладными элементами:

  1. Закладные элементы не должны иметь острых углов. Предпочтительно, чтобы они представляли собой тела вращения. Исключение составляют закладные элементы для работы с нагружающими моментами — в этом случае они имеют шестигранное сечение, а также стопорящие в продольном направлении кольцевые проточки.
  2. Закладной элемент должен не менее чем на 0,4 мм выходить в полость пресс-формы.
  3. Минимальная толщина стенки, окружающей закладной элемент, должна быть не менее 1/6 диаметра закладного элемента.
  4. Следует учитывать эластичные свойства различных полимеров, т. к. более пластичные полимеры лучше противостоят растрескиванию.
  5. Закладные элементы перед установкой в пресс-форму рекомендуется прогревать. Это позволит обеспечить их тепловое расширение, минимизировать усадку и улучшить качество поверхности контакта.
  6. Имеет смысл еще на этапе прототипирования подвергнуть проектное изделие всесторонним тестам — температурные, виброударные и т. д., чтобы еще на начальном этапе устранить конструктивные недостатки.
Евгений Дряхлов
Журнал «Оборудование: рынок, предложение, цены», № 05, май 2006 г.

Возврат к списку

Задать вопрос