7.5.2. Литье под давлением

Литье под давлением – один из основных методов переработки полимеров, широко применяющихся при производстве различных изделий из термопластичных и термореактивных материалов.

При формовании методом литья под давлением перерабатываемый материал нагревается до вязкотекучего состояния (пластицируется) в обогреваемом цилиндре, из которого впрыскивается под действием поршня или червяка в предварительно замкнутую литьевую форму, где материал затвердевает при изменении температуры, приобретая конфигурацию внутренней полости формы.

При литье термопластичных материалов расплав, заполнивший форму, охлаждается и затвердевает, затем форма открывается и готовое изделие удаляется из ее гнезда. При переработке термореактивных материалов впрыснутый в форму материал нагревается до температуры отверждения и выдерживается в течение времени, необходимого для полного отверждения изделия.

Переработка материалов литьем под давлением состоит из операций подготовки материала и формования. Подготовка материала в литьевой машине заключается в разогреве его до вязкотекучего состояния. Процессы пластикации в червячных и поршневых машинах существенно различаются: в поршневых машинах пластикация осуществляется только в результате прогрева, а в червячных машинах – как в результате прогрева (от нагревателей цилиндра), так и при выделении тепла трения в витке червяка сдвиговыми усилиями. В червячных конструкциях материал подвергается интенсивному перемешиванию, что позволяет выравнить температуру в объеме материала, подготовленного для впрыска.

Формование проводится в вязкотекучем состоянии, в которое материал переходит при повышенной температуре. При этом основное значение имеет выбор температуры переработки и времени пребывания при повышенной температуре до разложения или отверждения полимера. При увеличении температуры переработки выше определенного предела, характерного для каждого полимера, может произойти его термодеструкция (разложение) или преждевременное отверждение (для термореактивных полимеров). При пониженной температуре переработки материал обладает высокой вязкостью, что затрудняет формование готовых изделий.

При переработке термопластов цилиндр нагревают до 200 – 350°С, при переработке реактопластов – до 80 – 120°С. В литьевой форме термопласты в зависимости от их природы и требований, предъявляемых к изделию, охлаждаются до 20 – 40°С (полистирол, полиэтилен) или до 80 – 120°С (поликарбонат, полиформальдегид), а реактопласты нагреваются до 160 – 200°С. В форме материал выдерживается под давлением для уплотнения, что значительно снижает последующую усадку при охлаждении изделия вне формы.

Конструкции и принципы действия литьевых машин. Литьевая машина (рис. 7.2) состоит из устройства для дозирования материала, механизмов замыкания формы и инжекции, привода, пультов для управления машиной, а также для контроля и регулирования температуры.

Важнейшим узлом литьевой машины является инжекционный механизм, состоящий из устройства для объемного или весового дозирования, пластикации и инжекции материала; привода для возвратно-поступательного движения поршней, а также вращательного и поступательного движения червяков; устройства для перемещения инжекционного механизма.

Основными технологическими узлами литьевых машин являются механизмы инжекции и замыкания формы.

По принципу работы инжекционного механизма литьевые машины разделяют на поршневые, червячно-поршневые и червячные, а также на машины с предварительной пластикацией и без нее; по расположению механизмов инжекции и замыкания формы – на горизонтальные, вертикальные, угловые и комбинированные; по виду привода – на механические, гидравлические, пневматические, гидромеханические, пневмомеханические, пневмогидравлические; по количеству материальных цилиндров – на одно- и многоцилиндровые.

Основные параметры литьевой машины: максимальные объем и площадь одной отливки, усилие замыкания формы, ход подвижной плиты и максимальные размеры устанавливаемых форм, инжекционное давление, мощность электродвигателя привода и нагревателей материальных цилиндров.

Наибольшее распространение получили горизонтальные червячные литьевые машины с объемом одной отливки 30 – 125 см³.

Механизм замыкания формы поршневой литьевой машины (рис. 7.2, а) включает гидравлический цилиндр 1 и плунжер 2 для привода подвижной плиты 3 (при замыкании и размыкании литьевой формы 4), а также подвижную плиту 5.

б Рис. 7.2. Литьевые машины: а – поршневая; б – червячная

Инжекционный механизм состоит из инжекционного обогреваемого цилиндра 6, оснащенного обычно рассекателем 7, бункера 8 с весовым или объемным дозатором для перерабатываемого материала и инжекционного поршня 9, который перемещается под действием плунжера 11, расположенного в гидравлическом цилиндре 10. Перемещение инжекционного механизма для прижатия инжекционного сопла к литниковой втулке формы или отодвигания сопла осуществляется плунжером 12 гидравлического цилиндра 13. Червячная литьевая машина, в отличие от поршневой, оснащена червяком 14 и двигателем 15 для вращения червяка (рис. 7.2, б).

Процесс литья под давлением включает стадии: объемного и весового дозирования порошкообразного или гранулированного материала, загрузки материала в обогреваемый инжекционный цилиндр, пластикации материала, смыкания и запирания формы, подвода инжекционного механизма к форме, впрыска материала из сопла инжекционного цилиндра в полость закрытой формы, выдержки под давлением, возвращения червяка или поршня и инжекционного механизма в исходное положение, охлаждения изделия в форме, размыкания формы и удаления из нее изделий.

Формы для литья под давлением из пластмасс классифицируются по следующим признакам: по связи с машиной (стационарные и полустационарные); направлению разъема формы относительно горизонтальной оси машины (с горизонтальным и комбинированным разъемами); числу гнезд (одно- и многогнездные); степени автоматизации (полуавтоматические и автоматические).

Для извлечения изделия из формы необходимо предусмотреть выталкиватели или плиту съема.

Процесс литья под давлением основан на заполнении формующей полости формы расплавом с его последующим уплотнением и охлаждением.

Процесс формования протекает очень быстро, расплав впрыскивается в форму с очень большой скоростью, он дополнительно разогревается, происходит ориентация макромолекул полимера из-за больших сдвиговых напряжений, возникающих в формующей полости при высокой скорости течения расплава между двумя охлаждаемыми пластинами. Быстрое двухстороннее охлаждение приводит к сильному изменению объема. Вследствие того, что полимер охлаждается снаружи, образующийся наружный слой полимера препятствует уменьшению объема и поэтому возможно появление утяжин. Для предотвращения этого необходимо перед охлаждением повышать давление в форме до 140 – 180 МПа. При литье плоских изделий, когда отсутствует разнотолщинность, могут применяться более низкие давления – 60 – 80 МПа.

Впрыск расплава в формующую полость формы происходит через литниковые каналы за короткое время (1 – 3 с).

После заполнения формы расплавом происходит его охлаждение, в результате чего увеличивается плотность и уменьшается объем, занимаемый полимером. Вследствие уменьшения объема через литники в форму продолжает поступать дополнительная порция расплава и давление в ней поддерживается постоянным. Наблюдается равновесие давления в цилиндре машины и в формующей полости, при этом происходит дополнительное медленное нагнетание (подпитка), что компенсирует уменьшение объема полимера в форме при его охлаждении и уменьшает усадку изделий.

Охлаждение изделия начинается сразу после впрыска расплава. Выдержка под давлением при охлаждении необходима для окончательного затвердевания расплава полимера и достижения определенной конструкционной жесткости изделий, исключающей их деформацию при извлечении из формы с помощью толкателей или плит съема. Температура полимера перед размыканием формы должна быть такой, чтобы при извлечении изделия не произошло его коробление или разрушение. При определении времени охлаждения необходимо учитывать конфигурацию изделий, их размеры, температуру расплава и формы, а также коэффициент температуропроводности расплава.

К формообразующим деталям относятся матрицы, пуансоны, формующие знаки, плиты и т.д.

Под термином «матрица» подразумевается углубленная формующая часть формы, под пуансоном – выступающая. Поверхность изделия распределяется между оформляющими деталями, места стыка оставляют на поверхности изделия следы. Поэтому важно, чтобы эти стыки совпадали с естественными переходами поверхностей.

Геометрическая форма плит выталкивания зависит от конструкции литьевой формы, гнездности и вида вталкивающей системы (стержневые, трубчатые выталкиватели или плиты съема), а также от расположения формующих гнезд.

Литниковые втулки образуют центральный литниковый канал, который является либо частью разветвленной литниковой системы, либо единственным ее элементом. Литниковые втулки располагают в центре плиты формы, если изделие симметрично, или со смещением, в зависимости от расположения формующей полости.

Для облегчения извлечения литника после охлаждения расплава канал литниковой втулки выполняют коническим. Конусность отверстия литниковой втулки α 3°. Отверстие литниковой втулки полируют до зеркального блеска.

Втулку изготавливают из коррозионностойких сталей или внутреннюю поверхность втулки дополнительно хромируют.

При заполнении расплавом оформляющего гнезда воздух и выделяющиеся из полимера газы скапливаются, сжимаются в наиболее удаленных местах, препятствуют заполнению формы и способствуют появлению дефектов в виде пустот, спаев, недоливов, прижогов. Кроме того, происходит растворение газов в отливках, приводящее к снижению прочности изделий.

Как правило, воздух и газы могут выходить через зазоры подвижных соединений, а также по плоскостям смыкания формы. Часто в формах предусматривают специальные вентиляционные каналы, которые располагают на наиболее удаленных от места впуска участках, полости.

Система охлаждения форм для литья термопластов под давлением ответственна за равномерное и интенсивное охлаждение отливки по всему объему. Основное требование к системе охлаждения – обеспечение однородного температурного поля при максимальном отводе тепла из зоны отливки и минимальном – из зоны литниковых каналов.

Наиболее распространенным хладо агентом является вода, температурные ограничения для которой связаны с температурой ее кипения и снижением теплопередачи вследствие осаждения солей на стенках канала. При температуре формы более 80°С применяется минеральное масло (веретенное «Индустриальное-20»), а при пониженных температурах (+ 5°С) – раствор этиленгликоля в воде.

Формы для литья реактопластов под давлением имеют много общего с формами при литье термопластов. Однако имеется и ряд принципиальных отличий:

– не используются горячеканальные литниковые системы, так как при литье происходит отверждение материалов;

– вместо охлаждения применяется нагревание путем установки в плитах электронагревателей;

– конструктивно несколько отличаются, так как в каналах мундштука может произойти отверждение пресс-материала.

Поскольку термореактивные пресс-материалы в своем составе имеют наполнители, то повышается износ литниковых втулок и поверхностей формирующих элементов. Поэтому для их изготовления применяют стали с более высокой поверхностной твердостью, и они должны иметь хромовое покрытие толщиной приблизительно 20 мкм.