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

При установившемся тепловом равновесии можно принять

Q2= 0-

Таким образом, задача теплового расчета форм состоит в обес­ печении теплового равновесия между поступившим в форму теплом и отданным в окружающее пространство при определенном уровне температуры на формующих поверхностях деталей форм, т. е.

і= і А^ф

при продолжительности ЦИКЛОВ Ті=Т2= Тз= Тг.

Это требование соответствует заданному тепловому режиму

работы.

Кроме того, возникают и дополнительные требования, к числу

которых относятся следующие.

1. Минимальный расход стекломассы на предварительный на­

грев форм.

2. Достаточно высокая допустимая скорость предварительного нагрева деталей форм.

3.Минимальная масса основных деталей.

4.В деталях форм должен устойчиво сохраняться оптимальный

тепловой режим при рациональном темпе работы.

5.Высокая стойкость деталей форм.

6.Тепловые деформации не должны превышать допустимые

пределы.

Тепловой расчет форм — весьма важный этап их проектирова­ ния. Без анализа температурных полей деталей форм ^технически правильное решение задачи по разработке оптимальной конструк­ ции формы практически невозможно.

Изучение температурных полей форм является одним из част­ ных случаев теории теплообмена. Фундаментальные работы по теплотехнике М. В. Кирпичева, М. А. Михеева, А. А. Гухмана, А. В. Лыкова и других позволили занять советской науке о теп­ лоте одно из ведущих мест в мире. По исследованию тепловых про­ цессов применительно к стеклу и стекломассе заслуживают внима­ ния работы Л. С. Эйгенсона, Т. И. Белобородовой, Б. И. Борисова, Е. Г. Фроловой 145]. Основы теплового расчета форм методом теп­ лового баланса применительно к прессованию на ручных эксцент­ риковых прессовых машинах даны С. М. Бреховских {6]. Имеется ряд других работ по тепловым расчетам, однако различие исход­ ных данных технологических параметров и допущений не позво­ ляет применить результаты этих работ к конкретным условиям выработки стеклянных изделий.

По нашему мнению, для расчета форм по тепловым режимам необходимо разработать упрощенные методы, приемлемые в усло­

виях производства.

К числу основных параметров, необходимых для конструирова­ ния форм, относятся следующие:

1)температура контактной зоны деталей форм;

2)глубина слоя, прогреваемого за цикл изготовления;

3)распределение температуры по толщинам стенок и формую­

щим поверхностям деталей форм;

46

4)амплитуда колебания температуры по формующим поверх­ ностям и закон ее изменения по толщине стенок;

5)уровень установившейся температуры по формующим по­

верхностям деталей форм; 6) коэффициенты теплоотдачи по горячим и холодным поверх­

ностям формы.

Знание температуры контактной зоны позволяет:

обоснованно выбрать материал для изготовления основных и вспомогательных деталей форм;

разработать режим термической и термохимической обработки

деталей форм; проанализировать влияние различных конструктивных и экс­

плуатационных факторов на температуру контактной зоны; определить стойкость форм по коррозионному износу и терми­

ческой усталости.

Особый интерес представляет вопрос о влиянии толщин стенок и площадей вспомогательных поверхностей деталей пресс-форм на температуру контактной зоны. При конструировании пресс-форм большие трудности вызывает именно решение задачи обеспечения изотермического поля по формующим поверхностям конструктив­ ными мероприятиями. Не меньший интерес представляет изучение влияния на температуру контактной зоны таких эксплуатационных факторов, как режимы работы — температурный и временной.

Данн'ые о температурном поле ^пресс-формы являются исход­ ными для определения термических напряжений и деформаций. Известно, что они совместно с рабочими напряжениями и дефор­ мациями от усилия прессования в значительной мере предопреде­ ляют надежность и стойкость пресс-форм.

Таким образом, анализ данных температурного поля формы позволяет сделать практические выводы при разработке ее кон­ струкции, наметить пути обеспечения рационального теплового ре­ жима выработки и осуществить его конструктивными, технологи­ ческими и эксплуатационными мероприятиями, а также выбором материала с оптимальными свойствами.

В общем случае термическая сторона процесса теплового взаи­ модействия стекломассы и деталей формы при условии однород­ ности и изотропности стекломассы выразится дифференциальным уравнением теплопроводности для трехмерного поля:

(ІѴ.1)

бт

где t — температура в произвольный момент времени, °С;

т— время, с;

а— коэффициент теплопроводности, м2/с.

Для осесимметричных деталей форм температурные поля в направлении осей х и у можно с некоторыми допущениями при­ нять одинаковыми, что значительно упрощает решение задачи.

Точный тепловой расчет должен выполняться с учетом всех фак­ торов процесса выработки изделий. Из-за чрезвычайной слож­

47

ности такого расчета в практике можно делать ряд допущений.

Основные из них следующие.

1. Учет аккумуляции тепла деталями форм необходим лишь на период нагревания и в начале работы для расчета количества тепла, потребного на эту операцию. При установившемся режиме

аккумуляцию тепла можно не учитывать.

2. Температурный режим форм имеет циклический регулярный

характер.

3. Амплитуды колебания температур в форме незначительны и могут быть усреднены, а по вспомогательным поверхностям прини­

маются равными нулю.

4.Скорость охлаждения формы постоянная.

5.Температура одной части пресс-формы^ (матрицы или пуан­

сона) не влияет на температурное поле другой.

6. Глубина зон аккумуляции тепла в матрице и пуансоне не

зависит от их толщин.

7. Амплитуда колебаний температур матрицы не зависит от

толщины и теплового режима пуансона, и наоборот.

8. Тепловой режим матрицы не влияет на тепловой режим пу­

ансона и не зависит от него.

9. Тепловой режим пуансона не влияет на тепловой режим мат­

рицы и не зависит от него.

10. Тепловой режим кольца зависит от тепловых режимов мат­ рицы и пуансона незначительно и их влияние на тепловой режим

кольца не учитывают.

11. Кратковременное соприкосновение стекломассы с одним из участков любой детали формы не оказывает влияния на тепловой

режим других основных деталей.

12. Кратковременное соприкосновение стекломассы с одним из участков любой детали формы не сказывается существенно на про греве ее остальной части и может не учитываться.

13. Теплоотдача от стеклянного изделия к поверхностям формы

происходит лишь за счет теплопроводности.

14. Тепловой контакт между стеклом и формой считается

идеальным.

15. Распределение температур в стекломассе и деталях форм

вначальный момент времени равномерное.

16.Тепловые параметры стекла и формы считаются независя­

щими от температуры и берутся как средние значения на соот­

ветствующем интервале температур.

17. • Коэффициенты теплоотдачи от поверхности изделия и п верхности формы считаются постоянными; берут их средние зна­

чения.

18. Все отклонения от действительных условий учитываются введением соответствующих поправочных коэффициентов.^

На основании допущений в пунктах 5, 7—10 тепловой расчет каждой из основных деталей можно производить независимо от других. При этом схематизация цикла прессования с разделением на отдельные этапы значительно упрощается. Для матрицы цикл

48

прессования по тепловому режиму будет состоять из пяти этапов: стекло в форме, формообразование, фиксация формы под давле­ нием, фиксация формы без давления, матрица без стекла. В не­ которых случаях этапы формообразования и фиксации формы

можно объединять.

При расчете пуансона учитывают три этапа: формоизменение, фиксация формы, пауза без контакта со стекломассой.

При тепловом расчете кольца в расчетной схеме оказывается лишь два этапа: контакт со стекломассой, отсутствие этого кон­

такта.

Пункт 6 позволяет принимать при расчетах толщины стенок де­ талей пресс-форм как полуограниченных тел.

Пункт 12 свидетельствует о необходимости выполнения теплового расчета по отдельным участкам.

Пункт 14 при выработке стеклянных изделий не соответствует в полной мере реальным условиям, что следует учитывать в рас­ четах.

Однако в целом допущения отражают довольно точно явления, которые наблюдаются при выработке изделий в металлических формах и, следовательно, позволяют без существенных погреш­ ностей выполнить расчеты.

Усложнение процесса делает расчет практически невозможным. Тепловой расчет пресс-форм должен включать ряд этапов. Глав­ ные из них:

определение оптимальной толщины стенок деталей; определение температурных полей изделия, деталей формы и

условий их взаимодействия; исследование законов изменения температурных полей изделия

и формы; условия обеспечения теплового баланса между количеством

тепла, поступающим в форму от стекломассы и переданным ею в окружающую среду.

Тепловой расчет пресс-форм выполняют по следующему плану.

1.Анализ стеклянного изделия производят по чертежу или об­ разцу. Определяют объем, площадь, толщину, массу изделия.

2.По чертежу изделия намечают плоскости раздела и разъема.

3.Определяют площади соприкосновения со стекломассой мат­ рицы, пуансона и кольца.

4.Выбирают материал для изготовления основных деталей

пресс-форм.

5.Уточняют теплофизические свойства стекла, предназначен­ ного для изготовления изделий: коэффициенты линейного расши­ рения и теплопроводности, удельную теплоемкость, плотность ма­ териала, температуропроводность, тепловую аккумуляцию.

6.Уточняют теплофизические свойства материала деталей пресс-

форм.

7.По графику зависимости вязкости стекла от температуры оп­

ределяют температурный режим выработки для данной марки стекла.