Проектирование и производство пресс-форм для стекла: от чертежа до горячего пресса 

Когда говорят о пресс-формах для стекла, многие сразу представляют себе что-то вроде литейных форм для металла, только попроще. Вот это и есть первый камень преткновения. Стекло — не металл, оно течёт иначе, остывает иначе, и самое главное — ведёт себя в форме совершенно иначе. Если в металле главное — усадочные полости, то здесь — термоудары, адгезия и это вечное балансирование между скоростью охлаждения и оптическим качеством поверхности. Наша компания, ООО Чэнду Синьчжи Индастриз, через это прошла, и не раз. Сайт наш, https://www.www.xzyg.ru, хоть и каталог показывает, но настоящая история — в тех доработках, которые в каталог не попадают.

Где начинаются ошибки: не тот материал для матрицы

Первый и самый болезненный урок. Раньше думали, что раз прессование горячее (а это 600-700°C и выше для некоторых стёкол), то нужна самая жаростойкая сталь. Залили в проект инструментальную сталь с высоким содержанием вольфрама. Форма получилась — монолит. Но при первом же цикле — микротрещины на рабочей поверхности. Не сразу, конечно, после сотни циклов. Оказалось, что термостойкость — это не только про ?не расплавиться?, но и про сохранение вязкости при циклических нагрузках. Сталь была жёсткой, но хрупкой в условиях постоянного разогрева-остывания. Стекло, остывая, цепляется за микронеровности этих трещин — и готово, выемка детали превращается в кошмара с риском сколов.

Сейчас смотрим комплексно: для массового производства простых изделий (типа пепельниц, толстостенных подставок) часто идёт на специализированные чугуны с шаровидным графитом. Дешевле, и главное — теплоёмкость хорошая, тепло отводит равномерно, что для стекла критично. Но для оптических элементов или тонкостенной посуды с рисунком — только сталь, и часто нержавеющая марки, типа H13, но с особым подходом к термообработке. Не просто закалить, а сделать многоступенчатый отпуск для снятия внутренних напряжений. Это знание пришло не из книг, а из брака, который пришлось списывать.

И вот ещё нюанс, который на сайтах не пишут: геометрия изделия диктует не только конструкцию формы, но и выбор материала для её разных частей. Пуансон, который давит на массу, и матрица, которая формирует внешний контур, — могут быть из разных марок. Потому что нагрузки разные, температуры в разных точках разные. Инженеры ООО Чэнду Синьчжи Индастриз сейчас именно так и работают — разбивают оснастку на узлы и для каждого считают свой режим работы.

Проектирование: CAD — это только половина дела

Все сейчас сидят в SolidWorks или Siemens NX. Нарисовали 3D-модель изделия, разъём формы сделали, литниковую систему, казалось бы, можно отправлять на станок. Ан нет. Самое важное начинается после. Усадка стекла — величина нелинейная. Она зависит от толщины стенки, от скорости прессования, от химического состава стекломассы (свинцовый хрусталь, боросиликатное, обычное натрий-кальциевое — у всех разные коэффициенты).

Поэтому в нашей практике появился этап ?коэффициентной корректировки?. Берём расчётный коэффициент, например, 1.08 для определённого типа стекла, и закладываем его в модель пресс-формы. Но! Делаем первую, черновую форму (часто в упрощённом исполнении) и проводим натурные испытания. Полученную деталь замеряем, смотрим на искажение геометрии, особенно на радиусы и углы. И только потом вносим поправки в финальный цифровой проект. Это долго? Да. Но дешевле, чем переделывать готовую сложную пресс-форму для стекла из закалённой стали.

Особенно головная боль — это глубокие полости и мелкие обратные углы. Стекломасса должна их заполнить, но при этом не застрять из-за быстрого остывания у стенок. Здесь помогает симуляция литья, но опять же — симуляция симуляции рознь. Программы, которые хорошо работают с металлом, часто врут по стеклу. Пришлось набивать свою базу эмпирических данных по разным режимам, чтобы калибровать софт. Это наша внутренняя наработка, которой не особо делимся.

Литниковая система и вентиляция: чтобы не было раковин и недопрессовки

Литник — это не просто канал, по которому течёт стекло. Это регулятор скорости и температуры. Слишком тонкий — стекло застынет, не заполнив форму. Слишком толстый и короткий — будет турбулентный поток, который захватывает воздух. А воздух в производстве пресс-форм для стекла — главный враг. Пузырь, раковина в готовом изделии — это брак.

Поэтому проектируем не просто литник, а целую систему: стояк, разводящие каналы, сами литники. И обязательно — система выпора воздуха. Но и тут загвоздка: вентиляционные каналы. Их нельзя сделать где попало. Если сделать слишком большими или в неправильном месте, через них начнёт вытекать само стекло. Если сделать маленькими — воздух не успеет выйти. Часто их располагают по периметру разъёма формы или в самом пуансоне, делая микро-каналы, которые пропускают воздух, но уже не пропустят вязкую массу.

Один из наших заказов был на производство стеклянного плафона сложной формы с внутренним рельефом. Сделали всё по учебникам, но на готовых изделиях — цепочка мелких пузырей вдоль одной грани. Перебрали кучу теорий, пока не догадались проверить тепловизором процесс заполнения на тестовой форме. Оказалось, что одна из стенок матрицы охлаждалась чуть быстрее из-за конструкции плиты пресса. Стекломасса, касаясь её, сразу создавала вязкий фронт, который и запирал воздух в кармане. Решение было не в форме, а в доработке терморегуляции плиты. Такие случаи учат, что проектирование пресс-форм — это всегда диалог с технологом, который будет работать на прессе.

Механика и долговечность: чтобы не клинило после тысячи циклов

Пресс-форма — это не цельная болванка. Это набор плит, вставок, направляющих, толкателей, систем охлаждения. И всё это должно работать в условиях постоянного термического расширения. Зазоры, которые выставляешь на холодную, на горячую меняются. Рассчитал неправильно — и либо форму заклинит, либо появятся щели, в которые полезет облой (тонкая плёнка стекла на стыке), которую потом придётся удалять с изделия вручную, что убивает всю рентабельность.

Мы для ответственных заказов всегда делаем пробную сборку, прогреваем её в печи до рабочих температур и замеряем ключевые зазоры специальными щупами. Только после этого даём добро на финальную механическую обработку. Ещё один момент — система толкателей (эжекторов). Они должны вытолкнуть готовое изделие без малейшего перекоса. Если стекло немного прилипло к матрице, а толкатель сработал только с одной стороны — скол гарантирован. Поэтому часто используем тандемные пневмоцилиндры или делаем центральный толкатель большой площади.

На сайте https://www.www.xzyg.ru мы указываем, что занимаемся полным циклом — от проекта до готовой оснастки. Так вот, механика — это та часть, где ?полный цикл? действительно важен. Потому что если проектировщик не понимает, как эта форма будет разбираться для чистки от нагара (а он обязательно будет), если не предусмотрел доступ ко всем полостям, то эксплуатационщики потом этого проектировщика ?благодарят?. Мы такие ошибки уже прошли, поэтому сейчас в каждом проекте есть условная ?карта обслуживания? формы.

Взаимодействие с клиентом: а что вы действительно хотите?

Часто приходит запрос: ?Нужна форма для стеклянной детали?. Присылают красивую 3D-модель, часто оптимизированную под дизайн, а не под технологию. Задача инженера — не просто сделать форму под эту модель, а сначала сесть и обсудить: а для чего изделие? Каков тираж? На каком прессе будут работать? Какое используется стекло? Допустимы ли следы от литников и где их можно разместить?

Был случай: заказали форму для декоративной стеклянной плитки с высоким рельефом. Клиент хотел, чтобы литник был снизу, чтобы след был незаметен. Но при такой геометрии воздух запирался в верхней части. Предложили перенести литник на торец и сделать съём облоя частью последующей шлифовки кромки, которая всё равно требовалась. Клиент согласился, но только после того, как мы сделали 3D-анимацию заполнения формы и показали проблемные зоны. Это к вопросу о том, что проектирование и производство пресс-форм — это ещё и консалтинг.

Наше частное предприятие, ООО Чэнду Синьчжи Индастриз, как раз и позиционирует себя не как бездумный исполнитель, а как партнёр, который помогает избежать фатальных ошибок на раннем этапе. Потому что переделать чертёж изделия — это неделя. Переделать готовую, закалённую форму — это месяцы и деньги, сопоставимые со стоимостью нового заказа. Итог прост: лучшая пресс-форма — это та, в проект которой заложен не только расчёт, но и опыт прошлых косяков, и ясное понимание всего технологического процесса у клиента. Без этого даже самая точная сталь — просто кусок металла.