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

Толстостенные литьевые изделия из кристаллических термопла­ стов часто подвергают отжигу с целью уменьшения внутренних на­ пряжений. У тонкостенных изделий из полиамида, изготовленных литьем под давлением, отжиг служит в основном для повышения прочности, твердости и сопротивления истиранию. Полиамиды при литье под давлением легко переохлаждаются, а в переохлажден­ ном состоянии они склонны ко вторичной кристаллизации. В ре­ зультате термообработки повышается их плотность; изменений в структуре кристаллов не отмечается 35.

Наиболее важными параметрами, влияющими на процесс теп­ ловой обработки, являются температура и продолжительность об­ работки. Теоретически чем выше температура тепловой обработки и чем она продолжительнее, тем большая степень релаксации на­ пряжений может быть достигнута.

ратуры стеклования: в этом случае релаксация напряжений долж­ на происходить очень быстро. Однако при таких температурах про­ исходят очень большие деформации изделия, вызывающие короб­ ление детали. Поэтому на практике используют отжиг при темпе­ ратурах ниже температуры стеклования.

Для аморфных полимеров следует проводить отжиг при макси­ мально возможной температуре, когда еще не наблюдается дефор­ мация изделия. В этом случае сокращается продолжительность от­ жига и достигается значительное уменьшение внутренних напря­ жений.

Температура отжига зависит от ориентационных напряжений и поэтому должна быть определена предварительно для каждого вида изделий.

В табл. V. 3 приведены условия тепловой обработки различных типов термопластов. Необходимо учитывать, что эти данные сле­ дует рассматривать как ориентировочные, которые должны быть уточнены для определения рабочих условий отжига конкретной де­ тали из термопласта.

220

лования, а ниже температуры стеклования скорость охлаждения может быть увеличена.

Среда, в которой происходит оужиг, также влияет на время, не­ обходимое для проведения тепловой обработки. Когда используют в качестве среды жидкость, то требуется более короткое время для нагрева, так как скорость передачи тепла в жидкой среде намного больше, чем в воздухе. Это, конечно, зависит от теплофизических свойств жидкости и обрабатываемой детали. Другим преимуще­ ством жидкости по сравнению с воздухом является более равно­ мерное распределение температур при отжиге. Однако использо­ вание жидкой среды связано и с некоторыми неудобствами. Так, при использовании масла на литьевых изделиях часто появляются пятна, которые трудно ликвидировать.

Горячий воздух широко используется при отжиге, но во многих случаях использование подходящей жидкости дает лучшие резуль­ таты. Некоторые термопласты, такие, как полиамиды и полиформ­ альдегид, не могут подвергаться термообработке горячим возду­ хом из-за окисления, и их тепловую обработку обычно проводят в масляной ванне.

Жидкости, применяемые для отжига, должны иметь соответ­ ствующие интервалы нагревания и стабильности, а также быть инертными по отношению к обрабатываемому материалу. Вода яв­ ляется очень хорошей средой для проведения отжига, но ее при­ менение ограничено из-за невысокой температуры кипения. При проведении отжига в воде в нее добавляют небольшие количества детергента для ускорения смачивания и быстрого осушения детали от воды после удаления.

Об эффективности отжига можно судить, определяя теплостой­ кость или химическую стойкость в растворителе. Так, теплостой­ кость по Мартенсу для литьевых образцов из высокомолекуляр­ ного полистирола, не подвергавшихся отжигу37, составляет 77°С; после отжига при 90 °С в течение 0,5 ч она достигает 93 °С, 96 °С —

ствующий растворитель проводят также для определения потреб­ ности в отжиге. Обычно испытание растворителем выполняется путем погружения литьевой детали в растворитель или путем сма­ чивания этим растворителем ее поверхности. Растворители подби­ раются индивидуально. Например, детали из полистирола испыты­ вают погружением на 1 мин в «-гептан или керосин. Затем детали удаляют, не вытирая, и осматривают через 30 мин. Обычно если в деталях из полистирола имеются большие напряжения, то детали растрескиваются. Детали из поликарбоната испытывают путем по­ гружения в четыреххлористый углерод, и если в них имеются зна­ чительные напряжения, то трещины появляются немедленно 38. Де­ тали из полисульфона погружают на 3 с в этилацетат или аце­ тон 39.

222

Испытание растворителем не только полезно для определения величины внутренних напряжений, оно позволяет выявить наибо­ лее напряженные области в литьевых деталях. Другой возможный метод качественного визуального контроля напряжений заклю­ чается в рассмотрении картины двойного лучепреломления в изде­ лии, помещенном между двумя поляроидами. Такая информация в совокупности с данными по растрескиванию может быть полезна для корректирования условий литья под давлением или конструк­ ции детали и литьевой формы с целью снижения или перераспре­ деления остаточных напряжений в изделии.

ЛИ Т Е Р А Т У Р А

1.В сб. «Новое в переработке полимеров». Под ред. Роговина 3. А. и Кербе­ ра М. Л., «Мир», 1969. См. с. 135.

2.ГОСТ 11262—68, Метод испытания на растяжение; ГОСТ 4651—68, Метод испытания на сжатие; ГОСТ 4648—71, Метод испытания на статический из­ гиб; ГОСТ 9550—71, Метод определения модуля упругости; ГОСТ 4647—69, Метод испытания на ударный изгиб.

9.W e b e r A., Konstruiren mit Kunststoffe, Haus der Technik-Vortragsveroffent- lichungen. Heft 113. Vulkan-Verlag, Essen, 1967. 81 S.

10.Materials in Design Eng., 51, № 9, 122 (1964).

223

Г л а в а VI

ЛИТНИКОВЫЕ СИСТЕМЫ ЛИТЬЕВЫХ ФОРМ

В литьевой форме после заполнения ее расплавом термопласта должно образовываться изделие требуемой геометрической формы, заданных размеров, с поверхностью хорошего качества и опреде­ ленными физико-механическими свойствами. Конструкция литье­ вой формы оказывает большое влияние на эффективность работы литьевой машины и качество литьевых изделий. Так, получение гладкой и блестящей поверхности литьевых изделий определяется качеством обработки поверхности формы и, в первую очередь, тща­ тельностью полировки. Очень устойчивый глянец имеют изделия, отлитые в стальных формах, на полированную поверхность кото­ рых нанесен тонкий слой хрома. Этот слой предохраняет также поверхность литьевой формы от коррозии.

Проектирование и изготовление литьевых форм является слож­ ной проблемой, при решении которой приходится одновременно учитывать множество факторов: прочность и жесткость отдельных частей формы, способ удаления отливки из формы, удобство обслу­ живания, отделку и размеры оформляющих частей и т. п. В связи с огромным многообразием изделий, изготавливаемых методом литья под давлением, эти вопросы обычно решают, исходя из кон­ кретных требований к изделию, что приводит к очень большому разнообразию конструкций литьевых форм.

В то же время в различных конструкциях литьевых форм встре­ чаются одинаковые элементы, которые имеют одно и то же назна­ чение и оказывают решающее влияние на процесс формования термопластов при литье под давлением. К таким важнейшим эле­ ментам литьевых форм относится литниковая система, посредством которой осуществляется соединение формы с литьевым цилиндром машины и заполнение формы. От конструкции литниковой системы зависит качество поверхности изделий, их размеры и физико-меха­ нические свойства. Тип литниковой системы оказывает большое влияние на конструкцию и особенности работы литьевой формы. Конструкция литьевой формы получается наиболее простой при заполнении полости формы через центральный литник, имеющий форму усеченного конуса (рис. VI. 1, а ). Такой тип литниковой си­ стемы ча^то применяется в одногнездных формах для изготовления изделий типа стаканов, чашек, ящиков и т. п.

Наиболее распространенная литниковая система состоит из цен­ трального литника, разводящих каналов и впускных каналов (рис. VI. 1,6). Такая система позволяет отливать в одной форме сразу много изделий и применяется при изготовлении самых раз­ личных типов изделий.

При литье через точечный литник и безлитниковом литье, схемы которых показаны на рис. VI. 1,е, г, возможно отделение литника от изделия в процессе разъема формы. Как правило, место отрыва

литье толстостенных изделий малые размеры впуска также не мо­ гут применяться, поскольку они ограничивают уплотнение рас­ плава термопласта в форме.

Литниковые каналы

Чрезвычайно важной проблемой конструирования литьевых форм является расчет и оформление литниковых каналов. Литни­ ковая система сопло — канал — впуск должна обеспечить заполне­ ние полости формы при соблюдении условий литья данного термо­ пласта, а также получение изделия с удовлетворительным внешним видом и требуемыми физико-механическими свойствами. Поэтому к литниковой системе предъявляются очень разнообразные требо­ вания. Так, литниковая система должна обеспечивать минималь­ ные потери давления, незначительную ориентацию в литьевых из­ делиях, минимальный расход материала на заполнение литниковой

226

системы, легкость отделения литника от изделия, определенное соотношение между поверхностью и объемом для уменьшения по­ терь тепла в стенки формы от расплава полимера и т. п.

Конечно, одновременное выполнение всех этих требований в ряде случаев осуществить трудно. Например, уменьшение разме­ ров впуска для облегчения удаления литника, как правило, при­ водит к увеличению потерь давления, причем уменьшение толщины литника при литье полистирола всего в 2 раза (с 1 мм до 0,5 мм) приводит к увеличению потерь давления почти в 3 раза При уве­ личении размеров впуска, наоборот, уменьшаются потери давления, возрастают ориентационные напряжения, а также затрудняется от­ деление литника от изделия.

Литниковая система и изделие составляют единое целое и обычно удаляются вместе из формы в конце цикла литья.

Литниковая система представляет собой систему каналов, по которой расплав полимера подается из литьевого цилиндра ма­ шины в оформляющую полость формы.

Основными элементами литниковой системы являются (рис. VI. 2) централь­ ный литник, разводящий литниковый ка­ нал и впускной канал.

Различные конструкции литниковых систем по их технологическому назначе­ нию можно разделить на два типа. Пер­ вый тип — так называемая «холоднока­ нальная» система, при которой темпера­ тура стенок литниковых каналов поддер­ живается ниже температуры стеклования или плавления термопласта.-.Такая лит­

никовая система является наиболее распространенной и широко применяется в одно- и многогнездных формах при переработке всех термопластов. Вторым типом является так называемая «го­ рячеканальная» система,конструкция которой обеспечивает темпе­ ратуру стенок литниковых каналов выше температуры текучести термопластов. Эта литниковая система применяется реже и только для определенных термопластов.

При выборе типа литниковой системы следует учитывать, что обычная литниковая система по сравнению с горячеканальной бо­ лее проста в изготовлении и при эксплуатации, но при ее исполь­ зовании образуются отходы в виде литников, которые необходимо утилизировать. Кроме того, если продолжительность охлаждения литников больше продолжительности охлаждения изделия, то это приводит к уменьшению производительности при литье по сравне­ нию с горячеканальной системой.

В то же время при горячеканальной системе с несколькими впусками трудно избежать образования застойных зон, где может происходить разложение термопластов с низкой термостабильно­ стью. Горячеканальные конструкции литников выгодно применять

в тех случаях, когда для снижения потерь давления приходится делать разводящий литниковый канал с высотой (или диаметром), намного большей толщины изделия (например, при литье тонко­ стенных изделий с большой протяженностью одной из сторон). В этих случаях продолжительность цикла литья в формах с холо­ дноканальной конструкцией определяется продолжительностью охлаждения литниковой системы, а в формах с горячеканальной конструкцией — продолжительностью охлаждения изделия.

Центральный литник

Для понимания принципов рационального конструирования литниковых каналов при холодноканальной системе следует вна­ чале остановиться на некоторых особенностях течения и охлажде­ ния расплава термопласта в каналах формы.

Продолжительность охлаждения материала в канале формы зависит от так называемого поверхностного фактора, который ха­ рактеризует отношение поверхности канала к его объему2. Чем больше это отношение, тем быстрее охлаждается расплав в канале. Таким образом, поверхностный фактор может служить критерием при сравнении условий охлаждения в различных литниковых ка­ налах: если два канала имеют различное значение поверхностного фактора, то времена охлаждения расплава в этих каналах отно­ сятся как квадраты поверхностного фактора.

Расплав термопласта, соприкасаясь с поверхностью канала, образует слой затвердевшего материала, что уменьшает реальное сечение канала на величину оболочки. Толщина этой оболочки3, например, для канала 4 X 6 мм при обычных условиях литья поли­ стирола составляет 0,4 мм. Толщина оболочки зависит от свойств полимера, температуры формы и расплава полимера, а также от скорости течения.

Свойства термопласта влияют на допустимый интервал темпе­ ратур литья. Известно, например, что для полиамидов характерен узкий интервал температур переработки. Незначительное пониже­ ние температуры расплава полиамида может привести к прежде­ временному его затвердеванию. Поэтому при литье полиамидов, если не предусмотрены исключительно короткие каналы, требуются литниковые каналы несколько большего сечения, чем при литье полистирола в тех же условиях. У полиамида 6 толщина оболочки в ряде случаев может достигать примерно 1,0—1,5 мм. Это можно легко установить по поперечному разрезу литника: снаружи видна почти прозрачная зона, поскольку при быстром охлаждении обра­ зуется слой с аморфной структурой, а внутри — молочно-мутная зона, имеющая кристаллическую структуру вследствие более мед­ ленного охлаждения.

Как известно, время охлаждения зависит от температуропро­ водности полимера; чем больше температуропроводность, тем быст­ рее охлаждается полимер в канале и тем больше толщина затвер­

228

девшего слоя во время течения при прочих равных условиях. На­ пример, полистирол обладает меньшей температуропроводностью, чем полиэтилен высокой плотности, следовательно, размеры лит­ ников у него могут быть меньше.

Центральный литник является наиболее простой формой литни­ ковой системы, при которой литниковый канал непосредственно соединяется с полостью формы в месте его наибольшего сечения. При применении литника такого типа возникают незначительные

центрального литника должен быть больше диаметра отверстия сопла на 0,5—1,0 мм. Радиус закругления R равен 1—2 мм; мак­ симальный диаметр литника dM~ S M+ l,5 мм (5М— максималь­ ная толщина изделия).

Диаметр центрального литника обычно выбирается равным или несколько большим толщины изделия. Размеры наименьшего диа­ метра центрального литника зависят от массы литьевой детали и ориентировочно могут быть выбраны, исходя из данных, приведенных ниже:

В том случае, когда центральный литник переходит в разводящий литниковый канал, он имеет продолжение в виде отверстия

229