литература / Konstruirovanie_plastmassovykh_izdeliy_dlya_litya_pod_davleniem

Рис. 2.61. Типовая диаграмма процесса литья иод давлением термопластов (зависимость давления и удельного объема от температуры пластмассы). Цифрами отмечены основные стадии и ситуации:

1. Давление расплава повышается по мере поступления его в формующую полость. 1-2. Заполнение формующей полости расплавом.

2.Полное заполнение (нулевое давление в конце пути течения потока). 2-3. Стадия уплотнения или сжатия расплава.

3.Как только достигается максимальное давление в формующей полости, происхо­

дит перетекание материала под действием давления выдержки.

3-4. Реальное давление выдержки связано с потерями давления из-за обратного потока материала непосредственно в момент «переключения» на новый режим течения иод действием давления выдержки.

4. Стадия выдержки под давлением.

4-5. Давление падает из-за охлаждения и увеличения толщины затвердевшего слоя расплава у стенок формующей полости; происходит компенсация сжатия распла­ ва (из-за уменьшения удельного объема).

5. Впускной литник «замораживается», прекращается подача расплава и заверша­ ется стадия выдержки под давлением.

5-6. Давление падает, когда изделие начинает охлаждаться и происходит его усадка без компенсации.

6.Достигается давление, близкое к атмосферному, что означает, что размеры отлив­ ки становятся практически равными размерам формуюиюй полости, и начинает­ ся «усадка отливки в формующей полости» (как это было определено выше).

6-7. Изобарическое охлаждение отливки в замкнутой литьевой форме. 7. Раскрытие литьевой формы — выталкивание отливки.

7-8. Изобарическое охлаждение после литья под давлением, вне формы.

8.Зона термического равновесия отливки с окружающей средой; достижение требу­ емых объема и размеров отливки (пренебрегая любыми изменениями объема, свя­ занными, например, с адсорбированием влаги).

2.4.4. Линейная усадка отливки в форме

Типовая диаграмма процесса литья под давлением, рассмотренная на рис. 2.61, полезна для определения объемной усадки. Для всех конструкторов изделий и лить­ евых форм наибольший интерес представляет не объемная, а линейная усадка. Для изотропного термопласта, из которого изготавливают литьем под давлением изде­ лие, имеющее возможность свободно, без помех, усаживаться, линейная усадка SL имеет вид [57]:

(2.14)

где $v— объемная усадка (следовательно, для указанного типа термопластов линей­ ная усадка равна корню кубическому из значения объемной усадки).

Ксожалению, существует достаточное количество факторов, которые приводят

канизотропии усадки. Например, конструктивные ограничения в одном направле­ нии — по длине отливки — будут приводить к увеличению ее линейной усадки в дру­ гом. Линейная усадка будет также изменяться из-за ориентационной анизотропии макромолекул и армирующих наполнителей — в зависимости от давления в форму­ ющей полости и скорости охлаждения расплава в ней. Объемная усадка может быть теоретически предсказана, но изменения длины, ширины и толщины изделия из-за усадки, приводящие к изменению удельного объема, должны быть определены экспе­ риментально или просто аппроксимированы.

Значения линейной усадки материала определяются экспериментально по разности размера образца и соответствующего ему размера формующей поло­ сти. Значение усадки рассчитывают, вычитая измеренный размер образца (изде­ лия) от соответствующего ему размера формующей полости, в которой он был отлит, и деля полученную разность на измеренную величину размера образца (из­ делия) [62 J. Полученные значения линейной усадки выражаются в следующих еди­ ницах: дюйм/дюйм, мм/мм или в процентах (усадкаматериала, умноженная на 100). Величину линейной усадки изделия, которая измерена экспериментально, конструк­ тор литьевой формы может применить для расчета соответствующих размеров фор­ мующей полости, используя следующее соотношение:

Расчетный размер формующей полости = измеренный размер изделия /(1 - линейная усадка материала изделия),

где усадка выражается в единицах дюйм/дюйм (мм/мм). ^ Информация, которая может быть получена с помощью стандартных испытатель­

ных процедур, является достаточно «грубой», особенно это относится к образцам, пред­ назначенным для оценки поперечной усадки, поскольку поток расплава течет в «за­ трудненных» условиях и не имеет возможности свободно растекаться [63J. Очень важно заметить, что перед проведением стандартной испытательной процедуры измерения размеров образца (и изделия) они должны быть выдержаны при определенных услови­ ях. Данные о «стандартной» усадке материала должны быть получены через 48 часов после выдержки образцов при стандартных значениях температуры и относительной влажности. Это особенно важно для частично кристаллических и гигроскопичных тер­ мопластов. Размеры изделий, которые получены из стеклоподобпых аморфных термо­ пластов (например, ПС), могут стабилизироваться всего за 20-30 минут [64].

96 КОНСТРУИРОВАНИЕ ПЛАСТМАССОВЫХ ИЗДЕЛИЙ ДЛЯ ЛИТЬЯ ПОД ДАВЛЕНИЕМ

термопластов изменения объема и размеров, которые происходят в изделиях после литья под давлением, могут также зависеть от реабсорбции влаги [65,66].

Такие гигроскопичные полимеры, как ПБТ или ПЛ 6.6, перед литьем под давлени­ ем подвергаются сушке и в результате отлитые образцы (изделия) получаются «су­ хими» после извлечения из формы. Через некоторое время происходит реабсорбция влаги из атмосферы, но этот процесс может занимать дни или недели до того момента, когда будет достигнут равновесный с окружающей средой уровень влажности (в за­ висимости от массы и толщины изделия). В результате после реабсорбции влаги, образцы (изделия) разбухают, увеличиваются в своих размерах.

Размеры образцов (изделий) из частично кристаллического термопласта после извлечения из формы изменяются еще и по другой причине — продолжается усадка, которая может происходить как из-за продолжающейся в аморфных областях крис­ таллизации, так и разупорядочиваиия кристаллической структуры (так называемая «вторичная» кристаллизация) [65].

Рис. 2.64. Размеры отливок (изделий) из аморфных термопластов стабилизируются в течение относительно короткого времени. Частично кристаллические термопласты могут продолжать усаживаться в течение длительного времени — из-за структурных изменений в кристаллических зонах. Отливки из гигроскопичных термопластов могут иметь тенденцию к небольшому разбуханию по мере накопления влаги из окружающей среды

Размеры изделий из гигроскопичных и частично кристаллических термопластов (например, ПБТ, полиформальдегида или ПА 6.6) первоначально будут уменьшаться из-за термического сжатия и структурных изменений материала, а затем могут уве­ личиваться — по прошествии продолжительного времени — из-за повторной абсорб­ ции влаги из атмосферы. Влага в определенной степени способствует разбуханию изделия, вызывает проявление «эффекта пластикации», делает материал более вяз­ ким и пластичным. Это важно учитывать при конкретном применении изделия, напри­ мер, стяжек для крепления кабеля (рис. 2.65). Пластичность важна в тех приложениях,

количество воды (в соответствии с массой отлитого изделия) в упаковку до ее гер­ метизации — это гарантирует обеспечение требуемой влажности среды в течение всего времени хранения готовой продукции.

Точность размеров изделий, полученных литьем под давлением, в значительной степени определяется возможностью правильного предсказания значений линейной усадки материала. Допуски размера, которые могут быть достигнуты на практике, зависят от условий технологического процесса литья под давлением и соблюдения размеров оснастки [67]. Приемлемые допуски иа размеры формующей полости, как правило, меньше на 50 %, чем допуски на готовое изделие. Разделение допуска по схеме 50/50 дает возможность изготовителю формы и литейщику иметь одинаковый допуск для компенсации размеров при изготовлении оснастки и для предсказания усад­ ки и влияния параметров литья на точность размеров изделия соответственно [68].

При конструировании и изготовлении литьевых форм для литья под давлением не­ обходимо также учитывать, что фактическая точность размеров деталей зависит от уп­ ругой деформации, возникающей в нагруженных деталях и узлах из-за значительных давлений в формующей полости и усилий смыкания полуформ. Требуемую точность размеров изделия легче выдержать, если колебание усадки материала конкретной марки невелико по амплитуде, и предсказуемо. К сожалению, существует много факторов, ко­ торые затрудняют такое предсказание, способствуя проявлению анизотропии усадки изделия, возникновению внутренних напряжений, и, следовательно, короблению.

2.4.5.Анизотропная усадка и деформация/коробление изделий

Анизотропная усадка в материале отлитого изделия относится к нежелательным (но фактически неизбежным) последствиям литья иод давлением. Она приводит к трудностям при необходимости получения точных размеров изделия, к возникнове­ нию внутренних напряжений, а также короблению, когда внутренние напряжения оказываются настолько велики, что изделие начинает деформироваться. Компью­ терный анализ позволяет конструктору оптимизировать конструкцию изделия за­ долго до изготовления формы и минимизировать потенциальные риски возникнове­ ния анизотропной усадки и коробления. Значительное количество факторов влияет на сложные процессы, вызываемые неравномерной усадкой изделий, полученных литьем под давлением. К таким факторам относятся:

•асимметричная термическая усадка из-за неравномерного охлаждения изделия;

•неравномерная объемная усадка;

•анизотропное поведение материала, связанное с ориентацией макромолекул, определенной свойствами потока расплава в формующей полости;

•сдвиговая деформация в потоке расплава, возникающая из-за особенностей геометрической формы изделия [69].

Ориентационная усадка (усадка в определенном направлении)

Степень ориентации макромолекул, возникающая в материале в процессе запол­ нения им формующей полости, оказывает значительное влияние на свойства тер­ мопласта в расплавленном, вязкотскучем состоянии. Во время заполнения формующей

Рис. 2.67. Ориентация макромолекул, связанная с направлением движения потока распла­ ва, будет приводить к разной усадке вдоль и поперек потока

полости макромолекулы полимера подвергаются растяжению, что определенным об­ разом ориентирует их и приводит к анизотропной усадке изделия. Ыенаполненные термопласты имеют тенденцию испытывать большую усадку в направлении потока (усадка продольная) по сравнению с направлением, перпендикулярным потоку (усад­ ка поперечная), в то время как продольная усадка наполненных термопластов ограни­ чена ориентацией волокон. В общем случае усадка в материале отлитого изделия будет более изотропной, если степень ориентации макромолекул расплава в процессе заполнения им формующей полости минимальна, и если существуют условия для макромолекулярпой релаксации [8].

Влияние различных условий охлаждения

Изменение усадки по толщине изделия может быть вызвано различными скоро­ стями охлаждения поверхностных слоев, соприкасающихся с формообразующими деталями — матрицей и пуансоном. На практике для многих изделий бывает невоз­ можно добиться равномерного охлаждения из-за сложной геометрической конфигу­ рации. Неравномерное охлаждение приводит к различному тепловому сжатию мате­ риала по толщине изделия, то есть к различной усадке.

Горячие поверхности формуемого изделия будут подвергаться усадке большее время, чем холодные (после затвердевания впускного литника и выталкивания изде­ лия). Эти различия в усадке будут приводить к возникновению внутренних момен­ тов сил, которые, вероятно, и вызывают коробление изделий [69].

Если изделие отлить из материала с высоким модулем упругости или в его конст­ рукции предусмотреть «элементы жесткости» (ребра; усиленные, утолщенные края, отбортовка, фланцы на торцах), то есть если изделие достаточно прочное, чтобы со­ противляться возможному короблению, то оно будет сохранять свою форму, по при этом сохранятся и внутренние напряжения. Это очень важное обстоятельство, по­ скольку при определенных уровнях внутренних напряжений будут возникать ослаб­ ление сопротивлению растрескивания под воздействием внешних условий и умень­ шение сопротивления ударным нагрузкам. Кроме того, потенциально будет велика вероятность возникновения коробления, если изделие подвергается воздействию по­ вышенных температур (при этом величина модуля упругости снижается) во время сборки, декорирования или эксплуатации.

Различная усадка но толщине изделия может возникать из-за того, что геомет­ рические размеры матрицы и пуансона в таких местах, как углы, будут различаться друг от друга. По сравнению с наружной поверхностью изделия, внутренняя всегда

Рис. 2.68. Коробление или внутренние напряжения могут быть вызваны различным по ин­ тенсивности охлаждением, которое приводит к усадке по толщине изделия. Более горячие поверхности имеют тенденцию к большой усадке после того, как изделие выталкивается из формы

меньше по площади, и на практике организовать ее эффективное охлаждение может оказаться затруднительным. Поскольку внутренняя сторона отливки при выталкива­ нии, как правило, остается горячей, она в большей степени подвержена усадке после выталкивания изделия. В результате возникает момент сил, который стремится сжать материал вовнутрь после выталкивания изделия из формы.

Влияние на величину и анизотропию усадки неравномерной скорости охлажде­ ния может быть минимизировано за счет правильного выбора системы охлажде­ ния. Многие из проблем, связанные с короблением изделия, решаются в процессе производства, если форма изготовлена так, что пуансон и матрица имеют независи­ мые контуры охлаждения. Это дает технологу возможность локально регулировать скорость охлаждения на каждой поверхности.

Влияние изменения давления в формующей полости

Давления уплотнения и выдержки, используемые во время переработки, оказы­ вают значительное влияние на усадку отлитого изделия. Высокие значения давлений уплотнения и выдержки приводят, в общем, к уменьшению усадки материала отлито­ го изделия, а меньшие значения — к ее увеличению. Следует помнить, что давление в полости изменяется от максимального на впуске до минимального в конце пути потока расплава — из-за его сжимаемости. Перепад давлений подлине формующей полости может быть очень существенным, особенно при протяженном пути потока и тонких стенках изделия.

102 КОНСТРУИРОВАНИЕ ПЛАСТМАССОВЫХ ИЗДЕЛИЙ ДЛЯ ЛИТЬЯ ПОД ДАВЛЕНИЕМ

ным (поэтому усадка отлитого изделия будет более равномерной), поскольку все области изделия будут находиться ближе к впуску. В качестве альтернативы указан­ ному варианту, чтобы компенсировать различия в значениях усадки, можно умень­ шить размеры матрицы (на практике такой способ применяется редко). Данные об усадке материала, которые получены при испытаниях образцов большого размера, имеющих форму диска, при четко выраженном потоке более предпочтительны для ис­ пользования, чем данные, полученные по упрощенному стандартному методу ASTM [62]. Используя образцы больших размеров, поставщики материала имеют возможность по­ лучать с большей достоверностью значения продольной и поперечной усадки для зон, расположенных вблизи и вдали от места впуска расплава в формующую полость.

Размеры формующей полости с одним впускным литником (рис. 2.71) должны быть изменены таким образом, чтобы сечение потока в полости было бы больше, чем вблизи места впуска — это позволяет компенсировать изменения в давлении, возни­ кающем из-за различий в усадке.

Рис. 2.71. Размеры изготовленных в литьевой форме изделии изменяются под влиянием изменения усадки — от меньшей вблизи места впуска, до большей па периферии полости. Правильная геометрическая форма изделия (без отклонений от плоско­ стности, коробления) может быть получена при использовании большего количе­ ства впусков, чтобы уменьшить перепад давления в формующей полости и сни­ зить разницу в усадке материала по объему изделия

Влияние радиального потока расплава

В изделиях с центрально расположенным впускным литником происходит запол­ нение формующей полости потоком расплава радиального, дискового типа. В этом случае направление вдоль потока будет считаться продольным, а направление по окружности — поперечным. Если величина усадки материала в разных частях из­ делия будет различной, то тогда изделие, изготовленное в форме с центральным расположением впускного литника, будет оставаться плоским, но изгибаться, прини­ мая форму купола или седла. Если отлитое изделие сохраняет свою конфигурацию,