книги / Теоретические основы переработки полимеров (механика процессов)
..pdfОсновная особенность моделей второго приближения заклю чается в необходимости использования численных методов интегри рования дифференциальных уравнений движения и энергетиче ского баланса и, следовательно, в применении цифровых электрон но-вычислительных машин.
Полученные в результате расчета параметры процесса каландрования используются в дальнейшем для выбора величины ком пенсирующих прогиб валков воздействий, с помощью которых удается получить изделие с заданной величиной разнотолщинности.
Литература
1.Белозеров Н. В. Технология резины. М., «Химия», 1965. 365 с.
2.Penn W. S. PVC Technology. London, Maclaren and Sons, 1962. 273 p.
3.Meineeke E. In: Encyclopedia of Polymer, Science and Technology. N. Y., In terscience Publ., 1966, v. 5, p. 802—831.
4.Лукач 10. E., Рябинин Д. Д., Метлов Б. Н. Валковые машины для перера
5. |
ботки пластмасс и резиновых смесей. М., «Машиностроение», 1967. 291 с. |
|||
Perlberg S. £., Seanor R. С., SPE Journal, 1965, v. 21, N° 5, p. 441—451. |
||||
6. |
Козулин H. А., Шапиро A. |
Гавурин П. К. Оборудование заводов для про |
||
7. |
изводства и переработки пластических масс. Л., Госхимиздат, 1963. 783 с. |
|||
Зильверст Я. Я., Старов И. М., «Каучук и резина», 1961, N° 8, с. 20—25. |
||||
8. |
Stacy R. Г., Bernstein S., Rubb. Age, 1952, v. 72, N° 3, p. 350—353. |
|||
9. |
Laing J. 7\, Intern. Plast. Eng., |
1963, v. 3, N° 9, p. 351—357. |
||
10. |
Miebach £., Intern. Plast Eng., |
1964, pt. |
I, v. 4, N° 6, |
p. 174—179; 1964, v. 4, |
|
pt. II, И 7, p. 215—221. |
|
РТИ и АТИ, |
1973, № 4, с. 12—18. |
И. Криловский В. H., Производство шин, |
12.Gaskell R. £., J. Appl. Meehan., 1950, v. 17, p. 334—341.
13.Ardichvilli (7., «Kautschuk», 1938, Bd. 14, S. 138.
14.Bergen J. 7\, Scott G. W., J. Appl. Meehan., 1951, v. 18, p. 101.
15.Маршалл Д. И. В кн.: Переработка термопластичных материалов. Под ред. Э. Бенхардта. М., Госхимиздат, 1965, с. 428—456.
16.Мак-Келви Д. М. Переработка полимеров. М., «Химия», 1965. 442 с.
17.Торнер Р. В. Основные процессы переработки полимеров. М., «Химия», 1972. 456 с.
18.Perlberg S. £., Mod Plast., 1963, v. 41, N° 1, p. 883—889.
19.Петрушанский В. Ю. и др. В кн.: Машины и технология переработки поли меров. Л., ЛТИ им. Ленсовета, 1971, с. 35—39.
20.Петрушанский В. Ю., Сахаев А. //., «Ученые записки Ярославского техноло гического института», 1971, т. 23, № 4, с. 42—49.
21.Salhafer /. £., «Kunststoff-Rundschau», 1960, Bd. 7, N° 12, S. 569—576.
22.Рябинин Д. Д., «Каучук и резина», 1961, № 10, с. 28—33.
23.Кобалси Мико, Ind. Japan, 1963, v. 36, № 11, р. 1048—1057.
Глава XI
ЛИТЬЕ ПОД ДАВЛЕНИЕМ
XI.1. ОПИСАНИЕ МЕТОДА
Литье под давлением — один из основных методов переработки по лимеров, широко применяющийся при производстве самых различ ных изделий из термопластичных и термореактивных материалов. При формовании методом литья под давлением полимер вначале расплавляется, а затем под высоким давлением впрыскивается в полость закрытой формы. При литье термопластичного материала заполнивший форму расплав охлаждается и затвердевает, а затем форма открывается, и изделие удаляется из формы. Если перера батывают термореактивный материал, то впрыснутый в форму по лимер нагревают до температуры отверждения и выдерживают в течение времени, необходимого для полного отверждения изделия.
Таким образом литье под давлением термопластичных и термо реактивных материалов имеет много общего в той части, которая касается плавления полимера и заполнения формы; различие со стоит в разных методах фиксации формы готового изделия.
В настоящее время методом литья под давлением изготавли ваются самые разнообразные изделия — от предметов повседнев ного обихода до деталей машин и аппаратов. Машиностроительная
промышленность |
выпускает литьевые машины разных размеров, |
||
рассчитанные на |
формование как |
очень |
малых изделий (около |
10 г), так и очень крупных изделий |
(до 32 |
кг) [1—3]. |
Любая литьевая машина состоит из следующих основных ча стей (рис. XI. 1): а) устройство для плавления гранулированного или порошкообразного материала, называемое обычно пластикатором (в машинах для литья резиновых смесей питание чаще всего осуществляется непрерывной лентой или шнуром [5, 6]); б) устрой ство для впрыска расплава в форму, называемое обычно литьевой головкой; в) охлаждаемая (или обогреваемая) форма, состоящая из отдельных частей и раскрывающаяся в момент удаления изде лия; г) приспособление для выталкивания готового изделия из по лости формы; д) замыкающий пресс (гидравлический, механиче ский или какого-либо иного типа); е) аппаратура управления отдельными параметрами цикла (температурой расплава, темпера турой пресс-формы, объемом впрыска, продолжительностью цикла
и т* п.); ж) вспомогательная аппаратура, приводы (механические, гидравлические, пневматические и др.); з) устройства, обеспечи вающие безопасность работы (системы электрической и механиче ской блокировки и т. п.). Обычно первые два устройства конструк тивно объединяют в один общий блок, который именуется в даль нейшем пластикатор, или литьевая головка.
В зависимости от расположения плоскости разъема формы литьевые машины подразделяются на горизонтальные, вертикаль ные и угловые; в зависимости от типа привода замыкающего прес са — на механические, гидравлические, гидромеханические и пнев матические.
Обычно для смыкания формы применяют различные разновид ности механических, гидравлических или гидромеханических уст ройств; в дальнейшем эти узлы и методы их расчета нами не рас сматриваются. Подробное изложение методов расчета этих уст ройств можно найти в специальной литературе [3; 4, с. 82].
Специфические проблемы, без понимания которых невозможен анализ процесса литья под давлением, связаны с явлениями, про исходящими при пластикации (плавлении) полимера, заполнении формы и охлаждении (отверждении) готового изделия. Рассмотре нию этих проблем и посвящена настоящая глава.
XI.2. ЛИТЬЕВОЙ ЦИКЛ
Проследим путь материала в литьевой машине и посмотрим, как изменяются при этом основные параметры литьевого цикла: тем пература, давление и продолжительность каждой стадии цикла. Из бункера в литьевую головку гранулы обычно поступают при
Рис. XI. 1. Конструктивная схема литьевой машины:
/ —форма; 2 — бункер; 3 — манометр для контроля за давлением впрыска; 4 — гидравлический цилиндр впрыска; 5 —конечные выключатели, определяющие объем впрыскиваемой порции; о—литьевой плунжер; 7— аппаратура управления отдельными параметрами цикла; 8 —нагре вательный цилиндр; 9—торпеда; 10 — форсунка; // —замыкающий пресс.
|
|
|
комнатной температуре. Проходя че |
||||
|
|
|
рез литьевую головку гранулы ра |
||||
|
|
|
зогреваются и выходят в виде гомо |
||||
|
|
|
генного расплава. |
Через |
форсунку |
||
|
|
|
расплав поступает в форму. В поло |
||||
|
|
|
сти формы происходит охлаждение |
||||
|
|
|
и затвердевание |
пластмассы |
(или |
||
|
|
|
отверждение |
термореактивных |
ма |
||
|
|
|
териалов). |
Охлаждение |
расплава |
||
О 123 |
|
|
начинается, строго говоря, еще во |
||||
|
|
|
время заполнения полости формы и |
||||
|
Ч |
|
продолжается до тех пор, пока из |
||||
|
б |
делие не станет достаточно жестким |
|||||
|
|
|
для того, чтобы его можно было из |
||||
|
|
ч |
влечь из формы, не опасаясь короб |
||||
|
|
ления. |
|
|
|
|
|
|
|
Рассмотрим диаграмму рабочего |
|||||
О 1 23 |
U5 |
6 t |
процесса, на которой литьевой цикл |
||||
разделен на отдельные этапы, от |
|||||||
|
|
|
личающиеся |
друг |
от друга давле |
||
Рис. XI. 2. Диаграмма литьевого цикла: |
нием в форме (рис. XI. 2, а, б). |
На |
|||||
а —форсунка |
без обратного |
клапана; |
чальный участок нулевого давления |
||||
б —форсунка с обратным клапаном. |
(от точки 0 до точки I) |
—это |
вре |
||||
|
|
|
мя, предшествующее началу запол нения формы, в течение которого форма закрывается и литьевая форсунка подводится к литнику формы; участок 1—2 — это пе риод впрыска. Пока форма не заполнена, давление в ней не велико. Но как только она заполнится, давление в ней очень быстро возрастает до максимального значения (участок 2—3). За этим этапом следует стадия уплотнения (участок 3—4). На этой стадии цикла течение расплава в форму почти полностью прекра щается. Из литьевой головки в форму поступает только небольшое количество полимера, компенсирующее сжимаемость полимера под воздействием повышенного давления и уменьшение удельного объ ема в результате охлаждения и температурной усадки.
Возможны различные варианты этой стадии цикла, соответ ствующие различным особенностям конструкции машины. Так, если конструкция литьевой головки обеспечивает поддержание постоян ного давления впрыска, то по мере охлаждения и усадки находя щегося в форме расплава литьевой поршень будет перемещаться вперед, нагнетая дополнительное количество расплава в форму. В этом случае давление расплава в форме во все время стадии уплотнения остается постоянным (пунктирная кривая на рис. XI. 2, а). Если же литьевой поршень занимает в конце впрыска крайнее переднее положение, то во время стадии сжатия наблю дается некоторое уменьшение давления. Приток расплава в форму происходит при этом за счет разности давлений в литьевой голов ке и форме.
Следующая стадия цикла — это обратное движение литьевого поршня. Эта стадия называется также стадией утечки. Обычно утечку можно наблюдать при формовании массивных изделий, ко торые не успевают полностью затвердеть к тому моменту, когда литьевой поршень начинает свое обратное движение. Так как в этот момент давление в литьевом цилиндре оказывается меньше давления в форме, часть расплава вытекает из формы. При этом давление в форме заметно снижается.
Существуют литьевые форсунки, оснащенные специальным об ратным клапаном, предотвращающим обратное течение расплава. В таких случаях диаграмма давления имеет вид, изображенный на рис. XI. 2, б (участок 3—4).
Дальнейшее охлаждение приводит к затвердеванию материала в впусковом канале, и после этого никакое течение материала ни в форму, ни из формы оказывается невозможно.
Последующее охлаждение расплава сопровождается темпера турной усадкой и уменьшением давления в форме до момента от крытия, отмеченного на диаграмме точкой 6. Отметим, что в мо мент открытия в форме сохраняется определенное остаточное дав ление. Это остаточное давление, однако, не должно быть слишком велико. В противном случае могут иметь место повреждение, рас трескивание или даже застревание готового изделия в полости формы.
Процесс заполнения и охлаждения отформованного изделия оказывает решающее влияние на надмолекулярную структуру, и следовательно на прочностные и эксплуатационные характеристики готового изделия. Существуют различные методы управления про цессом структурообразования, однако во всех случаях для получе ния однородной по всему сечению изделия структуры необходимо обеспечить максимальное постоянство исходной температуры рас плава. Поэтому одно из основных требований, предъявляемых к пластицирующим устройствам, состоит в максимальном ограниче нии допустимой неравномерности температуры расплава.
XI. 3. ПЛАСТИКАТОР И ЛИТЬЕВАЯ ГОЛОВКА
По конструкции и расположению пластикатора все литьевые ма шины можно разделить на следующие классы: машины с горизон тальным расположением пластикатора; машины с вертикальным расположением пластикатора; машины без предварительной пла стикации.
По конструкции основного элемента все пластикаторы можно разделить на две основные группы: пластикаторы плунжерного типа и пластикаторы червячного типа. В пластикаторах плунжер ного типа (рис. XI. 3) разогрев материала осуществляется за счет теплопередачи от стенок корпуса и торпеды пластикатора. Пластикаторами такого типа обычно оснащают простые литьевые машины,
|
|
торов поршневого типа связан с |
|||||
|
|
низкой температуропроводностью |
|||||
|
|
расплавов, из-за которой увели |
|||||
|
|
чение пластикационной |
произво |
||||
|
|
дительности, |
сопровождающееся |
||||
|
|
сокращением |
времени |
пребыва |
|||
|
|
ния |
расплава |
в пластикаторе, |
|||
|
|
всегда вызывает уменьшение тем |
|||||
|
|
пературной |
однородности |
рас- |
|||
Рис. XI. 6. Схема пластикатора, |
червяк |
ПЛЗВа. |
|
ЛИТЬевыХ |
ГОЛОВ- |
||
которого имеет осевое перемещение. |
В |
черВЯЧНЫХ |
|||||
териала осуществляется |
|
ках плавление и пластикация ма |
|||||
в червяке. На рис. XI. 5 приведена схема |
червячной литьевой головки, в которой червяк выполняет функцию пластикатора, а впрыск по-прежнему осуществляется поршнем.
Дальнейшее развитие конструкции литьевых машин шло по пути совмещения функций пластикации и впрыска в одном агре гате. В результате возникла наиболее распространенная в настоя щее время конструкция червячного пластикатора, в котором чер вяк обладает возможностью не только вращательного, но и воз вратно-поступательного движения (рис. XI. 6). В пластикаторах такого типа впрыск осуществляется за счет осевого перемещения червяка. Затем в течение времени, необходимого для затвердева ния материала в форме, червяк пластикатора вращается и нагне тает материал в переднюю полость камеры, одновременно переме щаясь назад.
Червячные пластикаторы такого типа позволяют перерабатывать те же самые термопласты, что и пластикаторы плунжерного типа.
|
При |
этом |
пластикационная |
про |
||||
|
изводительность |
червячных |
плас- |
|||||
|
тикаторов тех же габаритов всегда |
|||||||
|
выше, так как большая часть тепла |
|||||||
|
сообщается |
материалу за |
счет ра |
|||||
|
боты |
внутреннего |
трения. Посколь |
|||||
|
ку червяк одновременно играет роль |
|||||||
|
плунжера, |
то |
при |
|
переработке по |
|||
|
лимеров, расплавы |
которых |
обла |
|||||
|
дают |
сравнительно |
невысокой |
вяз |
||||
|
костью (полиамиды, полиэтилен, по |
|||||||
|
липропилен), |
под |
действием разви |
|||||
|
вающегося |
в момент впрыска |
дав |
|||||
|
ления расплав нагнетается не толь |
|||||||
|
ко в форму, но и в винтовой канал |
|||||||
|
червяка. Для того чтобы предотвра |
|||||||
|
тить это обратное течение расплава, |
|||||||
|
существование |
которого |
ухудшает |
|||||
Рис. XI. 7. Обратный клапан, устанав |
условия дозирования и формования |
|||||||
ливаемый на червяках для переработки |
изделия, на |
конце |
|
червяка пластй- |
||||
полиамидов и полиолефинов. |
|
Длина нагревательного цилиндра (см. рис. XI. 9) определится выражением
4<7<п
(XI. За)
1 я (D? - Df) /ц
где q — максимальный объем впрыска.
Обычно для нагревательных цилиндров tn/tu>= 10.
XI. 5. ПОТЕРИ ДАВЛЕНИЯ НА ТРЕНИЕ В ЦИЛИНДРЕ ПЛУНЖЕРНОГО ПЛАСТИКАТОРА
Давление в пресс-форме всегда* меньше, чем давление литьевого поршня на поверхность гранулятора в камере литьевого цилиндра. Для того чтобы уяснить природу возникающих в литьевом ци линдре потерь давления, остановимся несколько подробнее на ана лизе картины движения полимера в нагревательном цилиндре. Вернемся к диаграмме рабочего цикла. Основываясь на ней, мож но выделить два принципиально различных режима работы литье вого цилиндра, каждому из которых соответствует свой механизм возникновения потерь давления.
Впрыск — это динамический режим работы, во время которого все рабочее усилие расходуется на преодоление сопротивления литьевого цилиндра, форсунки и каналов формы движению мате риала. На этой стадии максимальная часть усилия впрыска расхо дуется на преодоление внешнего трения движению пробки гранул через камеру пластикатора и вязкого сопротивления движению расплава в форсунке и литниках формы.
Подпрессовка (уплотнение) — статический режим работы, во время которого только часть рабочего усилия расходуется на пре одоление статического трения в пробке гранул. Остальная часть усилия передается в виде гидростатического давления в полость формы и обеспечивает подпитку формы, необходимую для компен сации усадки материала изделия в процессе его охлаждения.
Сразу же оговоримся, что в первый момент давление в форме не равно давлению в камере нагревательного цилиндра. Потери давления возникают вследствие двойственной природы расплава, который при отсутствии напряжений сдвига немедленно начинает структурироваться и приобретать свойства твердого тела [12, 13]. В результате часть давления расходуется на преодоление статиче ского трения. Возникающие при этом потери изменяются, умень шаясь во времени. Однако на это уменьшение потерь давления на кладывается дополнительный процесс — охлаждения и отвержде ния расплава в литниковой системе и полости формы 14.
Потери давления в цилиндре во время впрыска (динамический режим) складываются из сопротивления движению, возникающего в зоне гранулированного материала и сопротивления течению в об