Проблемы и решения, связанные с плоской деформацией при ротационной формовке.

I. Основные причины деформации больших поверхностей
Ротационная формовка — это процесс охлаждения, при котором деформация происходит преимущественно во время фазы охлаждения. Её основной физический принцип — неравномерная усадка.

Неравномерная скорость охлаждения:

Это основная причина. При естественном охлаждении или неправильной настройке воздушного потока скорость охлаждения большой площади поверхности формы отличается от скорости охлаждения углов, краёв и рёбер.

Принцип: Более толстые участки (например, углы) или участки, быстро рассеивающие тепло (например, вблизи металлических вставок), охлаждаются медленно, в то время как центральная часть большой площади поверхности охлаждается быстро. Участки, которые остывают первыми, затвердевают и сжимаются первыми, создавая растягивающие напряжения в участках, которые остывают позже. Когда позже остывшие участки (например, углы) наконец сжимаются, они втягивают внутрь уже затвердевшую большую площадь поверхности, вызывая её прогибание.

Накопление внутреннего напряжения:

В процессе нагревания и охлаждения молекулярные цепи пластика растягиваются и перестраиваются. При слишком быстром охлаждении молекулярные цепи «застывают» в неравновесном состоянии, и внутренние напряжения не могут быть полностью сняты. После извлечения из формы эти остаточные напряжения постепенно снимаются, что приводит к короблению и деформации.

Дефекты конструкции:

Слишком большие и недостаточно поддерживаемые плоские поверхности: Большая плоская поверхность похожа на тонкий лист бумаги, не имеющий достаточной жесткости, чтобы противостоять усадочным напряжениям.

Неравномерная толщина стенок: если конструкция или изготовление пресс-формы приводят к чрезмерной разнице в толщине стенок изделия, граница раздела между толстыми и тонкими секциями становится точкой концентрации напряжений и отправной точкой деформации.

Неправильный угол извлечения из формы: слишком малый угол извлечения из формы приводит к тому, что изделие плотно обволакивает сердечник формы во время охлаждения и усадки, что приводит к дополнительному растяжению и деформации во время извлечения из формы.

Несоответствующие параметры процесса:

Несоответствие времени нагрева/охлаждения: недостаточный или чрезмерный нагрев, либо неправильно установленные процедуры охлаждения (например, время и последовательность воздушного и водяного охлаждения).

Неправильная скорость вращения: неправильное соотношение скоростей между главным и вспомогательным валами может привести к неравномерному распределению порошка и неравномерной толщине стенок на больших плоских участках.

Проблемы проектирования пресс-форм:

Неравномерная теплопроводность материала формы: например, сама форма может иметь горячие или холодные пятна.

Недостаточная жесткость конструкции формы: микродеформации самой формы при высоких температурах и охлаждении будут напрямую воспроизводиться на изделии.

II. Системные решения. Решение проблемы больших плоских деформаций требует системного подхода, в котором все этапы взаимосвязаны: от проектирования изделия и пресс-формы до корректировки процесса.

1. Проектирование структуры продукта (наиболее эффективное и фундаментальное решение)

Это предпочтительный и наилучший подход, изначально повышающий жесткость для противодействия усадочным напряжениям.

Добавление ребер жесткости:

Это наилучший метод борьбы с большими деформациями плоскости. Ребра не только значительно повышают жёсткость, но и сжимаются при охлаждении, «удерживая» плоскость и противодействуя её усадке.

Проектные соображения:

Высота ребра должна быть в 2-3 раза больше толщины стенки.

Ширина основания ребра должна составлять примерно 0,5–1 толщины стенки.

Верхняя часть ребра должна быть закругленной, чтобы избежать концентрации напряжений.

Все основания ребер должны иметь закругленные углы, чтобы обеспечить плавный поток пороха и прочность.

Расположение ребер должно быть симметричным и равномерным, чтобы избежать создания новых несбалансированных напряжений.

Проектирование дугообразной или волнообразной формы:

Изменение плоской поверхности на слегка изогнутую (например, арку моста) позволяет использовать принципы структурной механики для равномерного распределения напряжений, значительно повышая устойчивость к деформациям. Это более продвинутое решение, чем использование рёбер жёсткости.

Проектирование фланцевой кромки:

Спроектируйте вертикальную или угловую кромку (фланцевую кромку) на краю большой плоской поверхности, образуя поперечное сечение в форме буквы «L» или «U». Это похоже на добавление края к листу бумаги, что приводит к экспоненциальному увеличению жёсткости на изгиб.

Обеспечение равномерной толщины стенок:

Избегайте резких изменений толщины стенок в конструкции, обеспечивая плавный переход.

2. Оптимизация конструкции пресс-формы

Оптимизация системы охлаждения:

Рекомендации по воздушному потоку: используйте воздуховоды, вытяжки и т. д., чтобы обеспечить равномерное распределение охлаждающего воздуха по всей большой плоской поверхности, а не только в одной точке. Избегайте прямого, концентрированного потока воздуха, направленного в центр поверхности.

Сегментированное охлаждение: сначала медленно охладите заднюю часть формы и поверхности без полости водяным туманом или легким ветерком, давая изделию время снять напряжение внутри формы, прежде чем принудительно охлаждать большую плоскую поверхность.

Корректировка материала формы: для особенно сложных в обработке плоских поверхностей рассмотрите возможность добавления теплопроводящих ребер на заднюю часть формы, чтобы сбалансировать рассеивание тепла по всей форме.

Обеспечение жесткости формы: форма должна иметь достаточную толщину и поддержку, чтобы предотвратить деформацию во время обработки.

Правильный угол извлечения из формы: Обеспечьте достаточный угол извлечения из формы (обычно рекомендуется 1°–3° как для внутренних, так и для внешних стенок), чтобы снизить сопротивление извлечению из формы.

3. Корректировка процесса формования: после того как конструкция и форма будут доработаны, улучшения могут быть достигнуты только путем точной настройки процесса.

Настройка программы охлаждения (самая важная):

Отложенное охлаждение: После нагрева не включайте сразу сильное охлаждение. Дайте форме медленно вращаться на воздухе в течение некоторого времени («обдув»), чтобы обеспечить более равномерное распределение температуры внутри и снаружи изделия и снять часть напряжения.

Сегментированное охлаждение: сначала используйте небольшой поток холодного воздуха для медленного охлаждения в течение некоторого времени, затем включите полный поток воздуха и распыление воды для быстрого охлаждения. Ключевым моментом является максимально синхронное охлаждение толстостенных участков (например, углов) и тонкостенных участков (например, плоских поверхностей).

Асимметричное охлаждение: если одна сторона изделия имеет ребра жесткости, а другая сторона плоская, попробуйте сначала охладить ребристую сторону.

Оптимизация цикла нагрева:

Обеспечьте достаточное время нагрева и соответствующую температуру, чтобы обеспечить полное расплавление порошка и хорошую пластификацию, формирование плотной структуры и снижение напряжений, вызванных внутренними дефектами.

Отрегулируйте скорость вращения:

Точно отрегулируйте соотношение скоростей главного и вспомогательного валов, чтобы обеспечить равномерное осаждение порошка на больших плоских участках, достигая максимально возможной постоянной толщины стенок.

4. Методы постобработки
Формовочное приспособление:

Это крайний вариант. Создайте формующую рамку (кондуктор), которая идеально соответствует форме изделия. После извлечения из формы поместите или закрепите изделие на формующую рамку, пока оно ещё горячее, и оставьте до полного остывания до комнатной температуры. Этот метод эффективно устраняет деформацию, но увеличивает трудозатраты и стоимость.

Резюме и рекомендации
Для решения проблемы больших плоских деформаций при ротационном формовании следует использовать следующий подход:

Во-первых, проектные решения: внедрение рёбер жёсткости, арочных конструкций или фланцев на этапе проектирования изделия. Это наиболее экономичный и эффективный метод.

Во-вторых, оптимизация пресс-формы: проектирование разумных каналов охлаждения для обеспечения жесткости пресс-формы и равномерной теплопроводности.

Затем настройте процесс более точно: сосредоточьтесь на корректировке программы охлаждения, используя такие стратегии, как отложенное, сегментированное и асимметричное охлаждение, чтобы сбалансировать усадку.

Наконец, последующая обработка: если это неизбежно, используйте приспособления для придания формы изделию.

В реальном производстве эти методы обычно комбинируются, и оптимальное решение для конкретного изделия находится в результате многократных испытаний. Помните, что «профилактика лучше лечения»; наиболее эффективным подходом является учёт и минимизация риска деформации на этапе проектирования изделия.