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

с обратным конусом (рис. VI, 3,6), а также отверстие с Z-образной толкающей шпилькой. Благодаря этому образуется поднутрение, которое обеспечивает извлечение центрального литника из литни­ ковой втулки во время раскрытия формы. Угол у вершины обрат­ ного конуса а для полистирола составляет 2°, для полиамида — 4° и для полиэтилена — 5°.

Разводящий литниковый канал

Форма и размеры разводящих литниковых каналов должны обеспечивать минимальные потери давления и тепла при течении расплава полимера. Эксперименты показали, что увеличение длины литникового канала приводит к значительным потерям давления. Например, при литье полистирола4 увеличение длины литнико­ вого канала в 2 раза приводило к возрастанию потерь давления примерно на 35%• Резкие повороты литниковых каналов также значительно увеличивают потери давления в литниковых систе­ мах.

Исследование образцов из полистирола, отлитых в многогнезд­ ной форме при различной длине литниковых каналов, показало, что ориентационные напряжения в образцах, полученных при более длинных литниковых каналах, больше3. Этот результат может быть объяснен только понижением температуры полистирола при прохождении более длинного литникового канала. Поэтому при конструировании разводящих каналов необходимо предусматри­ вать, чтобы путь течения материала не был слишком длинным, и избегать резких поворотов. Критерием правильного конструирова­ ния разводящего канала является обеспечение максимальной по­ перечной площади для улучшения передачи давления и минималь­ ной боковой поверхности для уменьшения передачи тепла от рас­ плава. Чем выше отношение площади поперечного сечения канала к его периметру, тем лучше конструкция канала.

Значения отношения площади поперечного сечения канала к его периметру для разных типов канала приведены ниже:

Круглый и квадратный каналы имеют большее отношение пло­ щади к периметру, чем полукруглый и прямоугольный, применение которых, очевидно, является нежелательным. Однако при квадрат­ ном типе канала его литник трудно удалять из формы. Поэтому на практике применяют трапецеидальный тип канала (рис. VI. 4, в)

230

с углом около 10°, объем которого приблизительно на 25% больше объема круглого канала при соответствующих размерах.

Наилучшим типом канала, конечно, является круглый. Но его нужно делать в обеих половинах формы, что не всегда осущест-

. вимо. Может быть применен канал, имеющий трапецеидальное се­ чение с некоторым скруглением (рис. VI. 4, б). Объем такого ка­ нала всего на 14% больше объема круглого канала5. Самыми

мопласта; массу, толщину и размеры .

изделия; расстояние от полости формы до центрального литника; условия охлаждения каналов и т. п. Поперечное сечение каналов должно быть достаточным для заполнения формы, прежде чем материал затвердеет в канале, а также для уплотнения материала в форме. Исходя из этого, поперечное сечение каналов редко делается диаметром, меньшим 3 мм

тонких изделий. По этой причине нежелательно делать каналы диаметром более 10 мм. Только для жесткого поливинилхлорида и полиметилметакрилата в виде исключения применяют каналы диаметром до 12,5 мм, что связано с высокой вязкостью их рас­ плавов при литье под давлением.

На рис. VI. 5 представлены практические данные для выбора диаметра канала в зависимости от его длины и массы изделия при

231

4

толщинах стенки меньше 3,2 мм. Для жесткого поливинилхлорида и полиметилметакрилата 5 рекомендуется увеличивать диаметр ка­ нала на 25%.

Расположение разводящих литниковых каналов

При конструировании многогнездных литьевых форм большое значение имеет оптимальное расположение разводящих литнико­

нения полости изделия во всех гнездах без специальной баланси­ ровки впускных каналов. \

Изучение свойств образцов полистирола, полученных в много­ гнездной форме с одинаковыми впусками, но с различной длиной канала и в форме с тем же расположением гнезд, но со сбаланси­ рованными по методу Джонса 7 размерами впуска, показало, что балансировка размеров впуска облегчает заполнение формы, но не дает возможности получить образцы с одинаковыми свой­ ствами 3.

Ниже приведены данные о влиянии размеров впуска и длины литникового канала на теплостойкость и усадку брусков из поли­ стирола (две последние строчки относятся к образцам, получен­ ным при сбалансированных размерах впуска):

232

Для получения деталей с одинаковыми физико-механическими свойствами и размерами разводящие литниковые каналы ко всем гнездам в многогнездных формах должны иметь одинаковую длину. При разной длине литниковых каналов температура полимера и давление в полости одинаковых гнезд отличаются, и это приводит к получению изделий с неодинаковыми свойствами.

Соотношение размеров каналов в литниковой системе (см. рис. VI. 6, а), где путь течения расплава от сопла до любого гнезда одинаков, может быть определено по следующему соотношению 8:

Значения коэффициентов а и ß приведены ниже:

В качестве примера рассмотрим, как следует для полиформаль­ дегида изменять размеры поперечного сечения каналов в развет­ вленной литниковой системе, показанной на рис. VI. 6, а. При этом примем* что каждый последующий канал длиннее предыдущего (начиная с канала, предшествующего впуску) вдвое.

Вначале выбираем диаметр и длину каналов, предшествующих впускам. При этом можно исходить из того, что диаметр канала должен быть в 1,5—4 раза больше диаметра впускного канала. Число этих каналов равно 16. Тогда диаметр каналов, число ко­

d4= d r 4°'45 - 40'18 «2,4rf,

233

Переход от разводящего литникового канала к впуску

Очень важным элементом литниковой системы является пере­ ход от разводящего литникового канала к впускному литниковому каналу. Температура расплава, текущего в центральной части ка­ нала, сохраняется достаточно высокой вследствие низкой тепло­ проводности затвердевшего при соприкосновении с холодной по­ верхностью канала слоя термопласта. Поэтому идеальное распо­ ложение впускного канала — по линии центра разводящего канала (для обеспечения прохода расплава из центральной части канала).

нале.

Это может быть достигнуто только при круглом разводящем ка­ нале, как это видно из рис. VI. 7. Трапецеидальный разводящий канал является неудовлетворительным с этой точки зрения, по­ скольку трудно расположить впуск по центру потока расплава.

Переход от разводящего канала к впуску в виде конуса неце­ лесообразен, поскольку при этом увеличиваются потери давления и скорость течения повышается прежде, чем расплав термопласта попадет во впускной канал. Наилучшей формой перехода является полукруглая, с радиусом, равным половине диаметра разводящего канала (рис. VI. 8, а). В зависимости от типа впускного канала и конфигурации изделия применяются и другие формы перехода от разводящего канала к впускному, как, например, показанная на рис. VI. 8, б.

Впускной литниковый канал

Наиболее важным элементом литниковой системы является впускной литниковый канал, т. е. тот канал относительно малого размера, через который расплав термопласта входит в полость формы. Размеры впуска зависят от многих факторов: свойств тер­ мопласта, толщины изделия, объема полости формы, температуры расплава и формы, точности размеров изделия и т. п. Поэтому определение оптимальных размеров впуска является очень трудной задачей.

При чрезмерном уменьшении размеров поперечного сечения впускного канала облегчается отделение литника от изделия, но

234

затрудняется заполнение расплавом полости формы в связи с уве­ личением потерь давления. Кроме того, чрезмерное уменьшение высоты впускного канала может вызвать затвердевание в нем расплава термопласта прежде, чем закончится необходимое для формования монолитного изделия уплотнение полимера в форме во время выдержки под давлением. В этом случае трудно получить изделие без внутренних пузырей или наружных усадочных ра­ ковин.

При чрезмерном увеличении поперечного сечения впускного ка­ нала осложняется механическая обработка места впуска. Кроме того, чрезмерное увеличение высоты впускного канала может при­ вести к удлинению цикла литья вследствие увеличения времени выдержки под давлением (при малом времени выдержки под дав­ лением может происходить вытекание расплава термопласта из по­ лости формы в сторону литниковой системы, что также приводит к дефектам изделий). Таким образом, размеры поперечного сече­ ния впускного канала влияют на условия заполнения формы и время выдержки под давлением.

Размеры впуска оказывают влияние и на механические свой­ ства литьевых изделий. Например, ударная вязкость полистирола при высоких температурах литья с увеличением размера впуска изменяется в небольшой степени, а при низких температурах литья — почти на 40%, как видно из приведенных ниже данных:

Наибольшее распространение при литье термопластов полу­ чили впускные каналы с круглым и прямоугольным поперечным се­ чениями. Предпочтение следует отдать прямоугольным впускным каналам, так как их высота и ширина могут меняться независимо друг от друга. При этом изменяя высоту впуска, можно регулиро­ вать время выдержки под давлением, а изменяя ширину, — усло­ вия течения расплава при заполнении формы. Например, при уве­ личении ширины впуска можно снизить потери давления без за­ метного изменения продолжительности затвердевания полимера во впуске и, следовательно, времени выдержки под давлением. При увеличении диаметра круглого впуска происходит одновременно снижение потерь давления и увеличение продолжительности за­ твердевания полимера во впуске, а следовательно, и времени вы­ держки под давлением.

Общим правилом является то, что длина впускных каналов должна быть по возможности малой: чем короче впускные каналы, тем меньше потери давления при заполнении формы. Поэтому длину впускных каналов рекомендуется принимать в пределах 0,5—1,0 мм.

235

При определении размеров поперечного сечения впускного ка­ нала необходимо учитывать протекание двух процессов — заполне­ ние формы и уплотнение расплава полимера в форме. При запол­ нении формы расплавом определяющим является скорость сдвига, которая во впуске литникового канала может достигать большой

полимера,' который ограничен, с одной стороны, минимальной тем­ пературой литья, а с другой стороны, температурой разложения термопласта. Поэтому скорость сдвига при течении расплава тер­ мопласта должна быть тем меньше, чем уже температурный ин­ тервал переработки полимера.

Если известны скорости сдвига, при которых интервал перера­ ботки составляет не менее 40 °С, то можно рассчитать для допу­ стимых скоростей сдвига при заполнении формы минимальные размеры впускных каналов.

Ниже приведены для ряда термопластов значения скоростей сдвига, при которых температурный интервал переработки состав­ ляет9 приблизительно 40 °С:

Скорость сдвига при течении по каналам круглого сечения мо­ жет быть определена по уравнению

а при течении по каналам прямоугольного сечения — по уравнению

4,72Р2Ѵ

ное значение, получим следующие выражения для определения минимальных размеров поперечного сечения впускных каналов и отверстий сопел:

где ймин, &мин — минимальные размеры диаметра и ширины канала, см,

286

Конечно, при расчетах минимальных диаметра или ширины ка­ нала впуска можно принимать меньшие скорости сдвига, чем при­ веденные выше. Нужно учитывать, что с увеличением принятой для расчета скорости сдвига труднее подбирать и соблюдать ре­ жим литья ввиду уменьшения температурного интервала литья и труднее избежать поверхностных дефектов на изделиях в месте впуска. Изменением Поперечного сечения впускного канала можно регулировать не только скорость течения, при которой расплав по­ лимера входит в полость формы, но также и время, в течение ко­ торого расплав должен оставаться во впуске незатвердевшим, что необходимо для уплотнения полимера в форме. Время уплотнения зависит от толщины изделия, поэтому между размерами впуска и толщиной изделия должно существовать определенное соотно­ шение:

где h — глубина впускного канала; S — толщина изделия; а — постоянная, зави­ сящая от материала.

Большая глубина впускного канала приводит к излишнему уплотнению расплава полимера, высокой степени ориентации в из­ делии и большим внутренним напряжениям в зоне впуска; при малой глубине впуска в результате недостаточного уплотнения могут возникать раковины на поверхности или пузыри внутри из­ делия. Поэтому необходимо найти нечто среднее. Например, для полиформальдегида такой компромисс достигается, если затвер­ девание. расплава полимера во впуске происходит тогда, когда де­ таль затвердела на 2/з ее толщины І0.

Теоретически каждому типу термопластов отвечает свое зна­ чение а в соотношении (VI. 6), однако для практических расчетов различные типы термопластов могут быть разделены на несколько групп5:

Для изделий с толстыми стенками проблема уплотнения очень важна, поэтому вначале следует выбирать глубину впускного ка­ нала, тогда ширина впускного канала становится определяющим размером для выбора скорости течения.

Балансирование размеров впускных литниковых каналов

В тех случаях, когда необходимо расположение гнезд в форме по типу, показанному на рис. VI. 6, б (например, при литье изде­ лий, требующих сложного разъема формы), возникает проблема балансировки размеров впусков разных гнезд формы, цель которой состоит в обеспечении одинаковых условий заполнения формы при разной длине разводящих каналов.

237

Наиболее правильный способ балансировки состоит в измене­ нии длины впускного канала при сохранении одинаковых размеров его поперечного сечения, особенно высоты впуска (при разной вы­ соте впускных каналов полимер будет затвердевать в них в тече­ ние различного времени, т. е. время подпитки полостей гнезд будет неодинаковым, а это приводит к различию в свойствах изделий).

Изменение длины впускного канала круглого сечения рассчи­ тывается по уравнению8

R — радиус (или половина высоты) наиболее толстого разводящего канала; L — длина наиболее толстого разводящего канала от места разветвления, ближай­ шего к рассчитываемому впуску, до места рассчитываемого впуска; N — число наиболее толстых разводящих каналов; Ni — число гнезд (или впусков); у, со — коэффициенты, зависящие от материала.

Ниже приведены значения коэффициентов у и со для некоторых термопластов:

В том случае, когда балансирование производится при раз­ личных объемах полостей формы, размеры впусков могут быть определены при заданном размере впуска одного из гнезд по сле­ дующей формуле п:

где di, di — соответственно диаметр впуска первой и второй полостей; V\, — соответственно объем первой и второй полостей.

Однако этот расчет носит предварительный характер, и окон­ чательную балансировку часто приходится проводить эксперимен­ тальным путем. Она заключается в том, что форму литьевой ма­ шины последовательно заполняют термопластом, дозу которого постепенно увеличивают, начиная от очень малой и кончая дозой, равной массе полной отливки. Если какие-либо гнезда заполняются медленнее, то впускные каналы в них обрабатывают с целью уменьшения их длины или увеличения размеров поперечного се­ чения. После обработки впускных каналов последовательное за­

238

полнение формы повторяют и снова отмечают те гнезда, которые заполняются медленнее, а затем вновь производят обработку впускных каналов. Эту операцию повторяют до тех пор, пока все гнезда не будут заполняться одновременно.

Операция балансировки впусков может быть исключена, если поперечные сечения литниковых каналов намного больше, чем по­ перечные сечения впускных каналов. Тогда условия заполнения разных гнезд будут отличаться в меньшей степени.

Точечные впускные каналы

Внутреннее трение в высоковязком расплаве термопласта, про­ ходящего через впуск при относительно высокой скорости, приво­ дит к повышению температуры расплава, которое может быть рас­ считано теоретически 12 и измерено экспериментально (см. гл. II). Нагрев термопласта используется в так называемых точечных впу­ сках, т. е. впускных литниковых каналах малого сечения.

Поскольку сечение впуска мало, то охлаждение расплава и его затвердевание в этом впуске происходят очень быстро. Благодаря этому устраняется излишнее переуплотнение полимера в форме, и получаются изделия с меньшими внутренними напряжениями. Кроме того, вследствие быстрого затвердевания полимера во впу­ ске снижается остаточное давление в форме в момент ее разъема, что облегчает извлечение изделия из формы. Отделение литника от изделия происходит очень легко и в большинстве случаев мо­ жет осуществляться автоматически во время разъема формы.

Вто же время применение точечных впусков может приводить

кдеструкции термопласта или образованию в полости формы тон­ кой изогнутой струи, нарушающей равномерность заполнения формы и приводящей к дефектам поверхности изделия (см. гл. V). Применение точечных впусков обычно ограничено -толщиной изде­ лия, и они используются, как правило, при толщине изделия не

более 3 мм.

Размеры точечных впусков выбираются в зависимости от массы изделия І3:

Очень важным размером точечного впуска является его длина; она должна быть минимальной, чтобы потери давления во впуске не были высоки. Как правило, длина впуска равна 0,8 мм.

Впуск должен быть расположен точно по центру разводящего канала, чтобы охлажденные внешние слои термопласта во впуск не попадали.

239

V