В мире производства штампы и пресс-формы являются непризнанными героями, придающими форму бесчисленному количеству продуктов. Тем не менее, это большая ошибка — считать, что все штампы и пресс-формы одинаковы. Это все равно что сравнивать инструменты, используемые для формования металла, с теми, которые применяются для формования пластика — это абсолютно разные инструменты, предназначенные для работы с различными свойствами материалов и требованиями к производству продукции. Важно, чтобы инженеры, дизайнеры и производители понимали основные различия между штампами для металлоштамповки и пресс-формами для переработки пластика.
1. Основная проблема: поведение материалов
Металлоштамповочные пресс-формы: Эти пресс-формы сталкиваются с проблемой пластической деформации в твердом состоянии. Между компонентами пресс-формы помещается металлический лист или рулон (например, сталь, алюминий, медь). Использование огромного давления (в тоннах) заставляет металл необратимо деформироваться, он изгибается, растягивается, режется или формуется в нужную форму без плавления. Это связано с преодолением предела текучести металла и компенсацией упругого восстановления (попыткой металла вернуться к своей первоначальной форме).
Пластмассовые пресс-формы (формы): они работают с расплавленным или сильно размягчённым материалом. Пластмассовые гранулы расплавляются до тех пор, пока они не смогут течь как вязкая жидкость. Затем этот расплав под давлением впрыскивается или выдавливается в полость пресс-формы. Пластмасса застывает в форме и принимает её окончательную форму. Это связано с трудностями контроля динамики потока, обеспечения полного заполнения полости, контроля процесса охлаждения таким образом, чтобы количество дефектов было минимальным (например, усадочные раковины или коробление), а также с лёгкостью извлечения затвердевшей детали.
2. Приоритеты в проектировании и изготовлении пресс-форм
Пресс-формы для штамповки металла:
● Прочность и износостойкость: имеют первостепенное значение. Пресс-формы должны выдерживать значительные ударные нагрузки, частые втягивания, замены, заедания и абразивное трение подвижных металлических контактов. Обычно используются инструментальные стали (например, D2, A2) или даже карбид, которые часто закаливаются до очень высокой твёрдости по Роквеллу C.
●Точность зазора: При операции резки между пуансоном и матрицей предусмотрен очень маленький зазор, чтобы избежать чрезмерного образования заусенцев и/или повреждения используемого инструмента.
●Приложение давления: Конструкция направлена на эффективную передачу больших усилий благодаря прочным конструктивным элементам (пуансоны, матричные блоки, плиты).
●Часто: Штампы для листовой формовки многих форм, особенно связанные с режимами гибки или простой резки, не требуют такой сложной конструкции, как пластиковые формы.
●Формы для переработки пластика (модели):
●Сложные полость и сердечник: Форма определяет сложную внешнюю (полость) и внутреннюю (сердечник) геометрию изделия из пластика. Сложность может быть очень высокой.
●Система охлаждения: Внутренняя система каналов для охлаждающей жидкости (воды или масла) является необходимой. Оптимизация и равномерное охлаждение напрямую влияют на время цикла и качество детали.
●Система литниковых каналов: Спрюй, литниковые каналы и ворота, через которые расплавленный пластик поступает в полость из сопла машины. Конструкция влияет на характер потока, давление заполнения и внешний вид деталей.
●Система выталкивания: Выталкивающие штифты, втулки или подъемники аккуратно размещаются для извлечения охлажденной детали из формы, не повреждая ее.
●Вентиляция: Вентиляция обеспечивается с помощью небольших каналов или отверстий, которые выпускают захваченный воздух, когда расплав поступает в полость, чтобы избежать обгорания или неполного заполнения.
●Материал: Может использоваться инструментальная сталь с высокой твердостью (P20, H13, S7) или различные виды нержавеющей стали, однако также важны качество поверхности и устойчивость к коррозии (особенно при использовании некоторых видов пластика).
3. Производственная среда
Штамповка металла: Обычно выполняется на механическом или гидравлическом прессе. Операции, как правило, осуществляются очень быстро (в минуту можно изготовить сотни деталей — от простых до базовых компонентов). Обычно это холодный процесс, хотя существуют специализированные виды формовки, при которых используется нагревание. Трение и износ значительно снижаются при использовании смазочных материалов.
Обработка пластика: Пластик в основном обрабатывается с помощью машин литья под давлением, но также могут использоваться и другие методы, такие как выдувное формование, прессование и т. д. Сам процесс связан с большим количеством тепла: плавление пластика, а затем его охлаждение в форме. Продолжительность цикла может варьироваться от нескольких секунд до нескольких минут в зависимости от размера детали и толщины ее стенок. Эффективность охлаждения оказывает большое влияние на длительность цикла. Смазочные материалы могут применяться, но не так универсально, как при штамповке.
4. Срок службы и механизмы износа
Штампы для металлоштамповки: абразивный износ — в основном металл против инструментальной стали, адгезионный — заедание. Зазубрины затупляются. Возникает усталостное трещинообразование из-за высоких циклических напряжений. Техническое обслуживание включает заточку, замену изношенных участков или установку вставок. Срок службы традиционно измеряется сотнями тысяч или миллионами ударов при хорошо обслуживаемых штампах.
Пресс-формы для переработки пластика: типы износа включают абразивные наполнители в пластиках, коррозию, вызванную некоторыми полимерами или охлаждающей водой, и, возможно, эрозию, вызванную высокоскоростным расплавом пластика. Косметическое свойство, влияющее на внешний вид изделия, связано с деградацией полировки на поверхности полости. Техническое обслуживание включает полировку, ремонт поверхностных повреждений, а также прочистку линий или вентиляционных отверстий охлаждения. Срок службы также обычно очень большой (от сотен тысяч до миллионов циклов), хотя он крайне чувствителен к типу используемого пластика, а также к техническому обслуживанию.
Почему важна разница
Выбор неправильной формы философии конструкции пресс-формы для материала — это залог неудачи. Матрица, используемая для штамповки деталей из металла, не имеет тех линий охлаждения и разливки, которые требуются для пластика. Отпечаток в пластике не выдержит вибраций при штамповке стали. Это основные различия: обработка в твердом состоянии и переработка расплава, необходимость оптимизации охлаждения, тщательного подбора зазоров, управления потоком и упругой деформацией. Эти аспекты необходимо понимать для:
● Разработка эффективной и долговечной оснастки.
●Оптимизация производственных процессов.
●Выбор подходящих материалов для самой пресс-формы.
●Эффективное устранение производственных проблем.
●Точная оценка стоимости оснастки и деталей.
Хотя оба типа матриц представляют собой точные инструменты, необходимые при массовом производстве, их конструкция, изготовление и функциональность определяются совершенно разными физическими процессами, в результате которых металлы и пластмассы преобразуются в готовые детали при обработке исходного материала. Это фундаментальное различие создает большие возможности в производстве.