Файл: Степнов И.Е. Конструирование форм для стеклянных изделий.pdf

5. Тепловой баланс пресс-формы

Наибольший интерес представляет установление зависимостей, характеризующих нормальный тепловой режим эксплуатации форм, при котором обеспечивается изготовление высококачественных стек­

лянных изделий.

Вполне очевидно, что в этом случае должен поддерживаться квазистационарный регулярный тепловой режим во всех деталях

форм и на всех их участках.

Тепловой баланс пресс-форм при регулярном тепловом режиме за конечный отрезок времени выразится условием Qi = Q2= Q3, т. е. ко­ личество тепла Qi, потерянное стекломассой за цикл прессования на нагрев деталей пресс-форм, должно равняться количеству тепла, аккумулированному пресс-формой Q2, и количеству тепла Q3, отдан­ ному окружающей среде за тот же промежуток времени.

Величина Qt должна включать в себя теплоту разогрева за счет трения. Если условие выполняется, то наступает равновесное состоя­ ние, в результате чего температурный уровень Q, перестает изме­

няться.

Следовательно, установившееся значение температуры tф мо­ жно найти из уравнения теплового баланса.

Уравнение теплового баланса между прессуемым изделием и пресс-формой при установившейся температуре формы можно за­

писать в виде Qi = Q3.

Количество тепла, поступившего в детали пресс-формы, опреде­ ляют по формуле

Qi = QiM + Qm+QiK-

Согласно уравнению теплообмена тепло распределяется между ними пропорционально времени их соприкосновения и площадям поверхностей контакта:

66

При граничных условиях первого рода (идеальном контакте) [24]:

Qin = Y ^ ( t n. K- t n. u)F2nv ^ ,

Qi« = y = ( t* . K - t K. B) F iKV :b ,

где в скобках — конечные температуры периода контакта. Передача тепла в окружающую среду равна

*3з = С?3м + С?3п + *3зк>

в том числе стенками матрицы

фзм = Фзм. нар + Фзм. форм + Фзм. с т ’>

Фзп Q3п. нар ~Ь Q 3п. вн>

Qen. нар — а3п(4п 4кр) Fп. нар (4 -)- Т3);

Qen. вн — ^Зп (4п 4кр) Fn. внТц.

При охлаждении пуансона водой в последней формуле берутся

соответствующие коэффициенты теплоотдачи и общая площадь по­ верхности всех каналов охлаждения.

Передача тепла поверхностями кольца равна

фзк Q3K.нар + Q3K.форм> Q3K. нар = а3к (4к 4>кр) Fк. нарТц;

Q3K. форм = а зк (4к 4кр) FK.ф0рм (т4 + Т4 -(-Т5).

Выполнение условий теплового баланса в целом всей пресс-фор­ мой недостаточно для ее нормальной работы. Необходимо, чтобы тепловой баланс соблюдался для любого участка и для всех основ­ ных деталей пресс-форм. С этой целью каждую деталь разделяют на характерные участки.

Невыполнение этого условия при расчете пресс-формы неизбежно приводит к ухудшению их работы и, в частности, к осложнению ее обслуживания: дополнительному местному охлаждению или подо­ греву, нарушению ритмичной работы и т. д.

Уровень температуры пресс-формы и ее отдельных деталей, уста­ навливающийся при длительной циклической работе, не зависит от первоначально выбранной температуры.

67

Из условий теплового баланса можно определить среднее значе­ ние установившейся температуры для каждой из деталей прессформы, например для матрицы:

2 «ім^іл - (2 аім^м+2 «Л

4 4 окр*

Зм' + 2 « ; I - Тм

Для конфетницы арт. 2215 из стекла ХС-18-17 при значениях {цн = = 0,6 • ІО3 Вт/м2 °С, а3 = 50 Вт/м2°С, а'з = 60 Вт/м2°С /іп(/і„ + ^ік) : 2= = 750°С; тн = 25 с, тц = 42 с, /+ , = 640 • 10-%2, F3lI= 1760 • 10~4 м2;' /2н= = 480° С, ^окр = 20° С получим/ф« 490° С.

Аналогичными формулами выразятся установившиеся темпера­ туры других деталей пресс-форм.

Если известно количество тепла, отдаваемого в окружающую среду, то установившуюся температуру пресс-формы при длительной циклической работе можно также определить из выражения для теп­ лового баланса, решив его относительно среднего уровня темпера­ туры, к которому стремится охлаждающаяся стекломасса и прогре­ ваемая деталь пресс-формы по формуле

Как следует из формул, температуру t2ф можно понизить интен­ сивным охлаждением, увеличением длительности цикла и увеличе­ нием до некоторого предела величины т.

68

Оптимальную температуру для деталей форм устанавливают ре­ гулированием величин коэффициентов теплообмена по охлаждаемым поверхностям «3, площадей поверхностей охлаждения F3 и времени отдельных этапов, а также всего цикла выработки.

Если температура, установившаяся при длительной цикличной работе пресс-формы или ее отдельных частей, превышает заданное из технологических соображений значение, то проводят следующие мероприятия:

уменьшают толщину стенок пресс-формы; оребряют наружные поверхности;

охлаждают пресс-формы вентиляторным воздухом или водой; увеличивают количество деталей пресс-форм, матриц, пуансо­

нов, колец; подбирают материал для форм с большими значениями Ьф\

увеличивают площадь контакта матриц со столом пресса и повышают чистоту обработки контактирующих поверхностей;

увеличивают коэффициент лучеиспускания вспомогательных поверхностей деталей формы путем их окраски в черный цвет.

Если установившаяся температура какой-либо детали прессформы или отдельного участка окажется ниже заданного значения Aj>, то принимают меры к уменьшению теплоотдачи этой деталью (участком).

Основными мероприятиями, уменьшающими теплоотдачу, яв­ ляются:

уменьшение площади внешних (холодных) поверхностей; теплоизоляция внешних поверхностей;

покрытие формующих поверхностей материалом с малой тепло­ проводностью;

уменьшение площади контакта матриц со столом пресса и пу­ ансона с хвостиком;

применение материалов для пресс-форм с меньшей теплопро­ водностью;

подогрев деталей пресс-форм;

окраска вспомогательных поверхностей деталей форм в белый цвет.

Общее представление о температурном поле системы стеклян­ ное изделие — детали пресс-форм можно получить из рассмотре­ ния экспериментальных кривых температур в функции времени.

Объектом исследования являлся процесс прессования салат­ ника арт. 5021 с толщиной стенок 7 мм из стекла БС-8-17 в прессформе из чугуна СЧ 21-40. Начальная температура стекломассы

1150°С.

Температуру измеряли хромельалюмелевыми термопарами диа­ метром 0,5 мм с милливольтметрами МЩПР-54 по ГОСТ 6670— 53, кл. 1,5. Горячие спаи термопар в матрице располагались на уровне зеркала стекломассы в 25 мм от дна матрицы на глубине 2—3 мм от формующей поверхности и по вспомогательной по­ верхности. Примерно на таком же расстоянии от формующей по­ верхности располагались термопары в пуансоне. Температуру

69

стекломассы измеряли путем помещения термопар в порцию стек­ ломассы. Прессование осуществляли без прессового кольца. Зна­ чения температуры взяты как средние из шести измерений. По­ грешности вследствие инерции термопар и милливольтметров не

образом, можно предположить, что фактическое изменение темпе­ ратуры происходит более резко.

На I этапе времени температура стекломассы в центре (рис. 42,

(кривая 3). По внешней поверхности матрицы изменение темпера­ туры за цикл прессования весьма незначительное (кривая 4). Тем­ пература формующей поверхности пуансона (кривая 5) за цикл прессования изменяется более интенсивно и с большей амплитудой, чем температура в соответствующих точках матрицы. Последнее обстоятельство является следствием более плотного контакта глад­ кой поверхности тщательно отполированного пуансона с прессуе­ мой стекломассой.

Значительная разница температур поверхностей изделия и мат­ рицы может быть следствием неплотного контакта между ними и возникновением зазора при выдержке изделия в форме. Учитывая погрешности измерений, все же следует считать, что в данном слу­ чае между матрицей и изделием контакт не идеальный.

Примерно такая же закономерность наблюдается в темпера­ турных полях при прессовании других стеклянных изделий. Общей закономерностью является более резкое и интенсивное изменение температур в случае прессования тонкостенных изделий и сглажи­ вание их с увеличением толщин их стенок. При изготовлении тон­

70