книги из ГПНТБ / Лапшин В.В. Основы переработки термопластов литьем под давлением

нагревательного цилиндра. Внутри цилиндра помещается поршень* который гидроцилиндром приводится в движение и перемещает ма­ териал в обогреваемую зону цилиндра, где происходит размягче­ ние и нагрев материала до требуемой температуры. При движении поршня расплав термопласта под давлением впрыскивается в зам­ кнутую форму. Форма укрепляется на плитах прессовой части машины. Прессовая часть обеспечивает смыкание формы и со­ здает необходимое усилие для ее запирания при впрыскивании. На машине имеется система регуляторов времени для контроля последовательности операций цикла литья.

Для достижения более равномерного нагрева материала и уменьшения потерь давления в нагревательном цилиндре широко*.

а

Рис. 2. Принципиальная схема литьевого узла с предварительной порш­ невой (а) и червячной (б) пластикацией.

применяется метод предварительной пластикации термопласта. При поршневой предварительной пластикации применяется такой же нагревательный цилиндр, как и на поршневых литьевых ма­ шинах (рис. 2, а). Для предварительной пластикации используется также червяк (рис. 2,6); при этом достигается наиболее равно­ мерный нагрев материала.

Необходимым инструментом для осуществления процесса литья является литьевая форма, конструкция и размеры которой опре­ деляются изготавливаемым изделием. Обычно форма состоит из двух основных частей (пуансон и матрица) и охлаждается, как правило, водой, протекающей по каналам, расположенным в обеих половинах формы. В одной из половин формы (матрице) имеется конусное отверстие, заканчивающееся снаружи сферической лун­ кой. Это отверстие предназначается для заполнения через него материалом полости формы и называется ; центральным литнико­ вым каналом. Во время процесса литья сопло инжекционного ци­ линдра литьевой машины плотно примыкает к лунке.

В форме обычно имеется один или несколько разводящих лит­ никовых каналов в зависимости от количества изделиц, ютливае-

10

мых одновременно. В конце разводящего литникового канала на­ ходится впускной литник, который обычно имеет сечение значи­ тельно меньших размеров, что обеспечивает легкость отделения литниковой системы от изделия.

Метод литья под давлением, описанный выше, мало пригоден для переработки непластифицированного поливинилхлорида и по­ лиформальдегида, так как эти термопласты разлагаются, если они находятся длительное время при высо­

ратуры, чтобы повысить его текучесть и ускорить заполнение формы, а затем после заполнения формы снижают температуру, прежде чем наступит деструкция. Так, из рис. 3 видно, что до 220 °С материал можно нагреть за 8 мин. Максимальное время нахожде­ ния полиформальдегида при этой температуре должно быть неболее 16 мин. В течение этого времени должно произойти заполнение формы и охлаждение изделия. Более высокая температура дает возможность снизить давление, требуемое для заполнения формы и зависящее от вязкости, которая при 220°С составляет 370 Па-с, а при 205°С — уже 500 Па-с. В последнем случае необходимо бо­ лее высокое давление и, следовательно, труднее получать изделия высокого качества.

11

Метод литья при высоких температурах используется в процессе интрузии для изготовления толстостенных изделий8. При литье толстостенных изделий заполнение формы происходит при сравнительно невысоком давлении; после заполнения формы

Рис. 4. Схема процесса интрузии:

а — нагнетание материала в форму при вращении червяка: б — осевое движение червяка во время выдержки под давлением;'в —извлечение изделия из формы; червяк находится в переднем положении и запирает сопло.

нРобходима подача некоторого количества расплава для компен­ сации усадки термопласта.

Цикл процесса интрузии начинается с закрытия литьевой фор­ мы (рис. 4). Затем сопло прижимается к втулке литьевой формы. Червяк под влиянием давления, создаваемого гидроцилиндром, находится в переднем положении, причем его конец закрывает от­ верстие сопла. Поэтому вначале при вращении червяка расплав термопласта йе подается в форму.

12

При дальнейшем вращении червяка давление в передней части цилиндра, перед червяком, повышается, и червяк отодвигается назад, преодолевая давление со стороны гидроцилиндра. Затем открывается отверстие сопла, и происходит подача расплава в форму (рис. 4, а). После заполнения формы давление перед чер­ вяком становится большим, чем давление в гидроцилиндре, и вра­ щающийся в цилиндре червяк отходит назад (рис. 4,6). При до­ стижении определенного давления в гидроцилиндре вращение червяка прекращается. Червяк под действием давления гидроци­ линдра работает как поршень и подает некоторое количество рас­ плава для компенсации усадки термопласта в форме. Во время выдержки под давлением червяк передвигается в направлении

Одной из особенностей метода интрузии является то, что пла­ стикация термопласта, заполнение формы и частичное охлажде­ ние изделия происходят одновременно. Пластикация материала осуществляется в цилиндре, а также в зазоре между концом чер­ вяка, обычно выполняемым в виде конуса с нарезкой, и цилинд­ ром 4. В этом коническом зазоре перед соплом создаются высокие напряжения сдвига, что обеспечивает дополнительный и равно­ мерный нагрев расплава непосредственно перед поступлением его в форму.

При интрузии литьевая форма заполняется со значительно меньшей скоростью, чем при обычном методе литья под давле­ нием. Давление, создаваемое при вращении червяка, ниже, чем давление поршня при обычном методе литья. Поэтому литниковые каналы в форме должны иметь большую площадь поперечного сечения, чтобы расплав термопласта в канале не затвердевал до окончания процесса формования изделия. Для изделий, сравни­ тельно больших толщин, изготавливаемых методом интрузии, воз­ можно применение малых скоростей заполнения формы.

У стенки формы образуется слой затвердевшего материала, предохраняющий расплав от быстрого охлаждения. Движение расплава происходит только в центральной части отливки. Если при обычном методе литья толщина затвердевшего слоя материала у стенок формы составляет, например, у полистирола примерно 10—12% толщины образца7, то при изготовлении изделий мето­ дом интрузии доля затвердевшего слоя гораздо меньше. Это при­ водит к течению расплава в форме с меньшими затратами энер­ гии. Вследствие небольших скоростей и усилий при заполнении формы изделия, получаемые методом интрузии, обладают мень­ шими внутренними напряжениями.

Характерная особенность процесса интрузии — это малое время пребывания материала при высокой температуре и заполнение формы при невысоких давлениях8 (около 20—25 МПа). После заполнения формы ее подпитка для компенсации усадки термопласта

13

происходит при давлении 20—50 МПа. Потери давления по длине формы при литье этим методом меньше, чем при обычном методе литья, благодаря большей толщине изделия и более высокой температуре расплава. Потери давления в значительной степени определяются градиентом температуры по длине формы. Формирование температурного градиента по длине формы опре­ деляется процессом пластикации в инжекционном цилиндре, ко­

верхностями, длиной, массой требуется, как правило, высокое дав­ ление для достижения большой длины течения или для уплотнения

Эти трудности удается преодолеть, применяя метод инжекционного прессования9. Сущность этого метода заключается в том, что фор­ мование изделия осуществляется не только за счет усилия инжекционной части машины, но и за счет усилия замыкания формы.

Во всех рассмотренных методах литья под давлением назна­ чение прессовой части литьевой машины сводилось только к за­ пиранию формы. При инжекционном прессовании усилие или пе­ ремещение механизма запирания используется для придания ма­ териалу необходимой конфигурации и для поддержания давления при его усадке.

Форма, используемая для изготовления изделий из термопла­ стов этим методом, имеет особые плоскости сдвига, благодаря чему пуансон формы может использоваться как поршень для пе­ редачи давления на материал (рис. 5). Замыкание формы осуще­ ствляется при небольшом усилии. Затем происходит подача точно дозируемого количества материала в форму, причем толщина по­ лости формы при впрыскивании значительно больше, чем конечная толщина стенки изделия. В момент окончания заполнения формы или через небольшой промежуток времени давление в прессовой части повышается, и усилием пуансона формы осуществляется окончательное формование изделия.

14

Эксперименты показали, что за счет открытия (неполного за­ мыкания) формы достигается значительное снижение давления при ее заполнении. Т ак10, для полистирола давление литья по­ нижается на 55—60%, а для полиэтилена — даже на 70%. Про­ исходит также уменьшение времени впрыскивания и усилия за­ мыкания, как это видно из приведенных ниже данных11 по пере­ работке поликарбоната (толщина изделия 3,8 мм):

нии происходит меньшая ориентация. Что касается стадии уплот­ нения, то здесь усилие действует на очень небольшом расстоянии, поэтому происходящий сдвиг незначителен и дополнительная ориентация термопласта невелика.

Изделия из полиэтилена высокой плотности, изготовленные методом инжекционного прессования, обладают более однородной структурой и меньшей анизотропией механических свойств по сравнению с изделиями, изготовленными обычным методом литья под давлением. При инжекционном прессовании усадка изделий меньше; так, усадка поликарбоната12 при литье под давлением равна 0,35—0,5%, а при инжекционном прессовании составляет 0,29—0,38%.

Методом инжекционного прессования можно изготавливать тонкостенные изделия из термопластов с малой текучестью (на­ пример, поликарбонат), которые обычно нельзя получить мето­ дом литья под давлением. Для детали толщиной 1 мм при обыч­ ном процессе литья достигается 12 длина течения 40 мм, в то время

Инжекционное прессование дает хороший эффект при изго­ товлении линз из полиметилметакрилата 13. В этом случае дости­ гаются более равномерное распределение внутренних напряжений и, следовательно, лучшие оптические свойства.

Формы для инжекционного прессования более сложны и до­ роги. Изделия, изготавливаемые этим методом, по возможности должны быть симметричными, и впрыск следует производить в центре изделия. К тому же не на всех литьевых машинах узел замыкания формы может быть использован для осуществления прессования 14. Все это сужает области применения данного ме­ тода.

15

Инжекционное прессование можно осуществлять на обычных литьевых машинах только после решения ряда вопросов, связан­ ных с конструкцией машины и установки специальных устройств в гидро- и электроприводе или на машинах, специально предна­ значенных для этой цели 15.

В последнее время разработан метод литья двухслойных из­ делий, называемый «сэндвич-литьем»16. Этим методом получают изделия, у которых внешняя оболочка изготовлена из одного тер­ мопласта, а внутренняя часть изделия — из другого материала или того же, но в другом состоянии, например вспененном. Такие двухслойные изделия получают за один цикл, продолжительность

которого не больше, чем при изготовле­ нии обычных литьевых изделий.

При литье двухслойных изделий вна­ чале выдавливают в литьевую форму ма­ териал из одного инжекционного ци­ линдра, а затем через тот же литник вы­ давливают другой материал из другого инжекционного цилиндра (рис. 6). При этом первый материал будет служить оболочкой для второго. Если внутри обо­ лочки из первого термопласта находится второй термопласт, который должен вспе­ ниваться, то после заполнения формы ее

слегка приоткрывают для образования вспененного ядра. Процесс литья начинается, как обычно, с замыкания формы.

После этого клапан, перекрывающий движение расплава из инжекционных цилиндров, открывает проход для одного из них, и происходит частичное заполнение формы. Затем открывается кла­ пан, соединяющий литниковый канал формы с другим инжекционным цилиндром, и второй материал при своем течении пере­ мещает первый материал к стенкам формы. Наконец форма за­ полняется и уплотняется под давлением. В этот момент в форму снова подается небольшое количество первого материала для за­ полнения области изделия, примыкающей к литнику (это необ­ ходимо для того, чтобы после удаления литника получилась сплошная оболочка из первого материала). Для этого процесса, конечно, должна использоваться специальная литьевая машина, состоящая, однако, из стандартных инжекционных узлов обычных литьевых машин и простого гидравлического узла замыкания формы.

Для «сэндвич-литья» применяют литьевые формы, работающие по принципу «плунжер в цилиндре». В таких формах устраняется вытекание расплава, и такую форму можно приоткрывать для проведения операции вспенивания (в этом отношении формы для «сэндвич-литья» сходны с формами для инжекционного прессо­ вания),

16

давление передается на материал в виде гранул. Давление, при котором фактически осуществляется литье через сопло, зависит от эффективности передачи давления через нагревательный цилиндр и от свойств термопласта. Потери давления в нагревательных ци­ линдрах поршневых машин достигают 40—70%, и поэтому прихо­ дится в этих машинах для достижения необходимого давления литья повышать максимальное давление до 150—180 МПа.

У литьевых машин с предварительной пластикацией макси­ мальное давление на поршне мало отличается (потери составляют примерно 10%) от давления в сопле инжекционного цилиндра. Поэтому для таких машин максимальное давление равно 60— 100 МПа.

Одним из важных параметров, влияющих на качество литье­ вых изделий, является скорость впрыска расплава, которая опре­ деляет скорость подачи расплава в полость формы. Скорость впрыска зависит от мощности литьевой машины и величины ин­ жекционного давления. Обычно скорость впрыска, указываемая: в паспорте машины, равна скорости перемещения инжекционного1 поршня. Фактическая скорость подачи материала в форму зави­ сит также от ряда факторов, Связанных как с уплотнением гранул термопласта и сжатием расплава, так и с конструкцией формы..

Максимальное давление литья почти не зависит от объема впрыска. Скорость впрыска, как правило, повышается с увели­ чением объема впрыска. Например8, при объеме впрыска 32 см3, объемная скорость впрыскивания составляет 25—80 см3/с, а при объеме впрыска 500 см3 — уже 300—500 см3/с. В литьевых маши­ нах с предварительной пластикацией фактическая скорость впры­ ска почти равна скорости движения поршня, поскольку поршень

материала, который может быть превращен в нагревательном ци­ линдре или устройстве для пластикации из гранул в гомогенный вязкий расплав.

Абсолютное значение пластикационной производительности определить трудно, так как помимо конструкции пластикационного устройства на пластикационную производительность оказывают влияние теплофизические свойства термопластов. Обычно в пас­ порте машины указывают пластикационную производительность для полистирола. При литье других термопластов пластикацион­ ная производительность будет иной. Так, у литьевой машины с червяком диаметром 42 мм пластикационная производитель­ ность по полистиролу равна 40 кг/ч, а по другим материалам

машин еще не стандартизовано, хотя имеются работы по созданию

19