литература / Konstruirovanie_plastmassovykh_izdeliy_dlya_litya_pod_davleniem
.pdf
ОСОБЕННОСТИ ЛИТЬЯ ПОД ДАВЛЕНИЕМ ИЗДЕЛИЙ ИЗ ПЛАСТМАСС (краткий очерк) |
103 |
то это означает, что либо значение усадки одинаково во всех частях изделия, либо изделие обладает достаточной жесткостью (что связано с комбинированным влия нием модуля упругости и геометрической формы), которая позволяет выдерживать возможные в нем внутренние усадочные напряжения. Однако в этом случае внутри изделия все равно сохраняются внутренние напряжения.
Если же изделие усаживается, это значит, что материал не имеет достаточной жесткости, чтобы выдерживать усадочные напряжения. Когда в результате коробле ния образуется купол, то это, вероятно, происходит из-за того, что фактическая усад ка вдоль окружности оказывается большей, чем усадка вдоль радиуса. Коробление изделия в форме седла, как показано на рис. 2.72, может быть связано с тем, что усадка во внутренних слоях изделия больше, чем в наружных слоях, или величина усадки отлитого изделия в «радиальном» направлении больше, чем усадка на перифе рии вдоль «окружности» [57J. В любом случае коробление изделия может быть све дено к минимуму за счет комбинированного воздействия разных способов: «управ лением» давлением в формующей полости, макромолекулярнои ориентацей расплава или разным по интенсивности охлаждением.
Рис. 2.72. Плоское прямоугольное изделие, изготовленное в литьевой форме с центральным расположением впускного литника, имеет разную усадку, приводящую к коробле нию, из-за:
а) разности усадок в «радиальном» направлении и на периферии, в направлении по «окружности» как результат различий в структурной ориентации макромолекул;
б) разности в усадке вдоль пути потока, возникающей из-за перепада давления; в) разности в длине пути потока расплава от центрального литника до короткой
и длинной сторон изделия
Такие различия в усадке могут приводить к изменению конфигурации изделия: от плоской формы до формы «седла», как показано на рисунке 2.72.
Учитываемые факторы, связанные с особенностями термопластов
Все термопласты, перерабатывемые литьем под давлением, потенциально могут иметь разную усадку, что связано с их разной структурной ориентацией, отличиями в заполнении формующей полости расплавом и поведением при охлаждении. Различия
104 КОНСТРУИРОВАНИЕ ПЛАСТМАССОВЫХ ИЗДЕЛИИ ДЛЯ ЛИТЬЯ ПОД ДАВЛЕНИЕМ
оказываются тем большими, чем больше среднее значение молекулярной массы тер мопласта. Различия в усадке, связанные с охлаждением, проявляются в термопластах всех типов, но наиболее они сильны в частично кристаллических материалах: в них только часть объема кристаллизуется, а остальная часть находится в аморфном со стоянии. Способность частично кристаллического термопласта образовывать зоны с чисто кристаллической решеткой усиливается, если охлаждение происходит с более низкой скоростью. Таким образом, усадка частично кристаллического термопласта будет зависеть от скорости охлаждения, которая прямо влияет на степень кристалли зации материала. Соотношение скорость охлаждения/степень кристалличности вли яет и на характер структуры кристаллов.
Усадка отливки из частично кристаллических термопластов происходит значи тельно сложнее, чем отливок из аморфных материалов, поэтому толщина изделия для первых имеет гораздо большее значение; общий тип поведения, который можно ожидать, показан на рис. 2.73. Высокие значения усадки материала в отлитом под давлением изделии можно ожидать в отливках из частично кристаллизующихся тер мопластов, имеющих толстые стенки — из-за необходимости в таких случаях увеличе ния времени охлаждения (а также времени кристаллизации). Этому обстоятельству следует уделить особое внимание при конструировании и изготовлении изделия. Например, когда применяют ребра для упрочнения плоских изделий, то обычно их толщина меньше, чем номинальная толщина стенок, на которых они находятся. Такое решение способствует уменьшению размера усадочных утяжин на противоположной ребру поверхности изделия, но замедляют скорость охлаждения, что будет приво дить к короблению в направлении, перпендикулярном направлению ребра.
Рис. 2.73. Значения усадки частично кристаллического термопласта возрастает с увеличе нием толщины стенок изделия
Ориентация кристаллов, и в целом, кристаллизация, индуцированная сдвигом при течении расплава, также влияет на сложное поведение частично кристалличес ких термопластов (с точки зрения усадки изделия [57]).
Параметры технологического процесса, которые влияют на скорость охлаждения, будут влиять и на усадку изделия, отлитого из частично кристаллического термо пласта. Параметры процесса, которые приводят к уменьшению скорости охлажде ния, также будут улучшать условия кристаллизации, что позволит инженеру-технологу
ОСОБЕННОСТИ ЛИТЬЯ ПОД ДАВЛЕНИЕМ ИЗДЕЛИЙ ИЗ ПЛАСТМАСС (краткий очерк) |
105 |
регулировать в некоторых пределах усадку материала, меняя другие параметры тех нологического процесса, например, температуру формы. Следует заметить, что струк турные изменения материала также будут влиять на усадочные, механические и дру гие эксплуатационные характеристики изделия (рис. 2.74).
Рис. 2.74. Как усадка материала отлитого изделия, так и механические свойства частично кристаллического термопласта изменяются при изменении толщины стенок изде лия и зависят от параметров, многие из которых, способствуя процессу кристал лизации, влияют па увеличение показателя жесткости изделия
В общем, величина усадки изделий из частично кристаллических термопластов без наполнителей в несколько раз больше, чем из аморфных материалов. С увеличе нием усадки материала повышается вероятность возникновения значительных внут ренних напряжений и, следовательно, коробления. Изделие, которое изображено па рис. 2.75, имеет разиотолщинные стенки и (с большой вероятностью) будет коро биться из-за относительно толстого дна.
Рис. 2.75. Очень важно добиваться, чтобы в изделии была равномерная толщина стенок, особенно когда изделие изготавливается из частично кристаллических термоплас тов (величина и равномерность усадки зависит от величины и равномерности толщины)
106 КОНСТРУИРОВАНИЕ ПЛАСТМАССОВЫХ ИЗДЕЛИЙ ДЛЯ ЛИТЬЯ ПОД ДАВЛЕНИЕМ
Риск появления коробления может быть минимизирован с помощью (где это воз можно) поднутрений в толстых зонах изделия, чтобы добиться более однородной тол щины стенок и максимально однородного по объему и скорости охлаждения. Там же, где в конструкции изделия необходима разнотолщинность, надо изменить схему охлаждения формы или марку стали, из которой она изготовлена (то есть учесть тепло проводность), таким образом, чтобы добиться более равномерной скорости охлаждения.
Усадка в изделиях, отлитых из термопластов с наполнителями
Наполнители в виде волокон разной длины, чешуек или хлопьев, шариков обычно добавляются в термопласты для избирательного модифицирования их механических свойств, увеличения жесткости и сопротивления ползучести, что позволяет использо вать наполненные термопласты для изделий, в которых требуется обеспечивать повы шенную прочность. Большинство наполнителей являются неорганическими материалами с относительного низкими коэффициентами термического расширения. Наполните ли либо не усаживаются, либо усадка в них существенно меньшая, чем у полимерной основы пластмассы, в которую они добавляются. Сыпучие и относительно мелкодис персные наполнители в виде чешуек, хлопьев способствуют уменьшению усадки отли вок из аморфных или частично кристаллических термопластов. Такое уменьшение при близительно пропорционально концентрации наполнителей, при этом не возникает существенных проблем, связанных с негативным влиянием анизотропии усадки. Пра вильное введение наполнителей, которые изготавливаются из стекла или графита, обеспечивают в отливках достижение высоких эксплуатационных характеристик. Тер мопласты с сыпучими, мелкодисперсными наполнителями (по сравнению с короткоили длинноволокнистыми армирующими наполнителями) существенно отличаются по показателям продольной и поперечной усадок (рис. 2.76) [70]. Анизотропная усадка
Рис. 2.76. Проблема анизотропии усадки становится особо острой для изделий из термоплас тов, армированных стекловолокнами, затем — стекляными хлопьями и шариками
ОСОБЕННОСТИ ЛИТЬЯ ПОД ДАВЛЕНИЕМ ИЗДЕЛИЙ ИЗ ПЛАСТМАСС (краткий очерк) |
107 |
затрудняет конструктору литьевых форм определение соответствующих размеров формующей полости. При этом следует помнить, что анизотропия усадки отливок за висит от характера их (волокон) ориентации. В общем, после впрыска расплава в фор мующую полость волокна ориентируются таким же образом, как и «окружающие» их полимерные макромолекулы.
Причем важно иметь в виду, что именно ориентация наполнителя - армирующих волокон — «удерживает» полимерную систему — макромолекулярную структуру — в нужном состоянии при заполнении расплавом формующей полости и охлаждении его в ней. Ориентация армирующих волокон зависит от продольного потока. Ско рость заполнения формующей полости, вязкость расплава и схема расположения мест впуска имеет особо большое значение для литья под давлением термопластов, арми рованных волокнами [71,72].
Волокна, как отмечалось, ориентируются в направлении перемещения потока рас плава и ограничивают усадку в этом же направлении. На рис. 2.77 показана типичная зависимость усадки отливки из частично кристаллического термопласта (ПФГ) от концентрации наполнителя (армирующего стекловолокна).
Продольная усадка несколько больше поперечной, и оба значения относительно велики (от 1,5 до 2,0 %). Для отливок из частично кристаллических наполпеиых тер мопластов разница между продольной и поперечной усадками напрямую зависит от концентрации наполнителей — армирующих волокон. Хотя эта разница более заметна для частично кристаллических термопластов, но она может возникать и в отливках из
Рис. 2.77. Разница в усадке может наблюдаться в отливках из частично кристаллических термо пластов, армированных стекловолокнами. Ориентация волокон будет снижать про дольную усадку, в то время как поперечная — оставаться относительно высокой
108 КОНСТРУИРОВАНИЕ ПЛАСТМАССОВЫХ ИЗДЕЛИЙ ДЛЯ ЛИТЬЯ ПОД ДАВЛЕНИЕМ
аморфных армированных термопластов [12]. Конструкторы должны учитывать склон ность к анизотропии усадки в отливках из термопластов, армированных волокнами, когда они выбирают конкретные материалы для изготовления изделия.
Усадка частично кристаллических термопластов, армированных стекловолокна ми, менее предсказуема, если изделие имеет разную толщину стенок. Как было упо мянуто ранее, чем больше времени требуется для охлаждения изделия, тем более благоприятными оказываются условия для роста кристаллов, а это, в свою очередь, приводит к большей анизотропии свойств отливки. Разнотолщинность влияет на величину продольной и поперечной усадок (рис. 2.78) [73]. Следует заметить, что
Рис. 2.78. Усадка материала отлитого изделия из армированного кристаллического полиме ра (например, армированного стекловолокном ПБТ) меняется с изменением на правления потока (вдоль или поперек) и толщины изделия
усадка отливок из измельченных и повторно переработанных термопластов, армиро ванных волокнами, отличается от усадки исходных (новых) материалов из-за иной (в результате дробления) структуры и ориентации волокон [63].
Существует несколько способов, которые позволяют уменьшить вероятность короб ления, возникающего из-за разницы поперечной и продольной в усадках отливок из термопластов, армированных волокнами. Одним из наиболее эффективных является использование так называемых гибридных материалов, содержащих наполнители из стекловолокон, хлопьев, а также других сыпучих минеральных наполнителей. Эти гиб ридные материалы дают возможность добиться у изделий уникального — по сравнению
сдругими термопластами — баланса механических, эксплуатационных параметров и бо лее изотропной усадки, поэтому они широко применяются, когда требуются изделия
сзаданными «жесткими» допусками на размеры [63,72].
Упрочняющие волоконные наполнители с некруглыми поперечными сечениями во локон оказываются полезными для «борьбы» с короблением отливок. Использование стекловолокна с двухдольным поперечным сечением в частично кристаллических тер мопластах, может уменьшить коробление на 30-40 % по сравнению с волокнами круг лого поперечного сечения (при сохранении тех же механических, эксплуатационных
ОСОБЕННОСТИ ЛИТЬЯ ПОД ДАВЛЕНИЕМ ИЗДЕЛИЙ ИЗ ПЛАСТМАСС (краткий очерк) |
109 |
Рис. 2.79. Гибридные термопласты с наполнителями в виде упрочняющих волокон и хлопь ев, имеют более изотропную усадку (по сравнению со стандартными марками ненаполпенных термопластов). Использование волокон с некруглыми, двухдоль ными поперечными сечениями способствуют возникновению в отливках более изтропной усадке по сравнению с круглым поперечным сечением волокон
характеристик) [74]. Такие конструктивные особенности изделия, как, например, ребра жесткости, также могут способствовать уменьшению коробления, и при при менении термопластов, армированных волокнами, и при литье под давлением вспени вающихся термопластов. Следует также использовать минимизирующую ориентацию волокон схему расположения впускных литников. Изделия, которые изготавливают ся в формах с большим количеством мест впуска, расположенных равномерно на поверхности изделия, будут иметь уменьшенную длину пути потоков и будут запол няться, прежде всего, с помощью радиальных потоков, а это, в свою очередь, гаранти рует более равномерное уплотнение материала.
Во всех случаях при конструировании и подготовке производства изделий из термопластов, армированных волокнами, когда требуется выполнение жестких до пусков на размеры изделий, рекомендуется применять компьютерный анализ и моде лирование процесса заполнения формующей полости расплавом. Компьютерный ана лиз дает подробную информацию о том, какова будет ориентация волокон во время заполнения, и прогнозы в отношении усадки и коробления.
2.5. Охлаждение и затвердевание
Длительность цикла литья под давлением термопластов зависит от времени смы кания формы, заполнения формующей полости расплавом, охлаждения расплава, времени размыкания формы и извлечения готового изделия. Время охлаждения —
110 КОНСТРУИРОВАНИЕ ПЛАСТМАССОВЫХ ИЗДЕЛИЙ ДЛЯ ЛИТЬЯ ПОД ДАВЛЕНИЕМ
доминирующая составляющая общего цикла литья под давлением. По этому пара метру определяется скорость изготовления изделий. Отливка в форме должна быть охлаждена до такой температуры, чтобы она не могла деформироваться под усилием ее выталкивания. Температура изделия должна быть такой, чтобы релаксация под действием остаточных напряжений не привела к короблению или деформации после выталкивания. Скорость охлаждения и затвердевания отливки зависит от большого количества факторов: конструкции изделия, оснастки, материала и технологических параметров процесса переработки. Важнейшими факторами, влияющими на установ ление оптимальных значений скорости охлаждения являются: теплоизоляционные свойства сталей, применяемые для изготовления формы; расположение и размеры по перечных сечений каналов системы охлаждения; температура расплава и оформляю щих поверхностей матрицы и пуансона. Из-за многообразия параметров и различий их вклада во время охлаждения отливок в форме заранее давать точные оценки для конк ретной конструкции изделия затруднительно. Но можно (и нужно) сделать ориенти ровочную оценку, которая очень полезна для конструкторов литых под давлением из делий при технико-экономической оценке рентабельности производства. Конструктор, например, может определить, как предлагаемое им изменение толщины стенок изделия или предлагаемая замена марок материала будут влиять па изменения времени охлаж дения и, соответственно, определить себестоимость готовой продукции.
Самая точная оценка времени охлаждения отливки достигается только при компью терном анализе. Такой подход позволяет совместно изучать особенности всех этапов процесса заполнения формы и ее охлаждения. Такого рода анализ не только дает воз можность получить полную информацию, необходимую для расчета времени охлаж дения, но и, что также важно, позволяет оптимизировать систему охлаждения формы таким образом, чтобы обеспечить сбалансированное и эффективное охлаждение всех зон отливки. Без такого анализа может случиться так, что отдельные обласи формую щей полости формы будут иметь более высокую температуру, чем другие, а из-за этого,
всвою очередь, потребуется увеличение цикла литья, а также могут возникнуть усло вия для неравномерной усадки и коробления отливки. Конструктор может получить приближенную оценку времени охлаждения на основании решения уравнений распро странения тепла в неравновесной среде для отливки стандартной геометрической формы. Многие изделия условно можно моделировать как пластины, охлаждающиеся
восновном за счет теплопереноса через относительно большие (верхнюю и нижнюю) поверхности. Поскольку уравнения, описывающие процесс охлаждения пластины, по лучены с допущением, что длина и ширина пластины бесконечны, если длина и ширина пластины больше толщины в 10-15 раз, то ошибка расчетов будет относительно не большой, так как количество тепла, которое рассеивается через такие боковые поверх ности изделия, относительно невелико. Аналогично описывают процесс охлаждения отливок цилиндрической формы, у которых высота цилиндра в 10-15 раз больше диа метра. При таком соотношении ошибка в расчетах будет несущественной (2, 75, 76]. Уравнения, представленные на рис. 2.80, предполагают, что температура расплава, по ступающего в формующую полость, одинакова по всему объему, а плоская отливка равномерно охлаждается с обеих сторон (цилиндрическая — по всей боковой поверх ности). Кроме того, считается, что система охлаждения формы в состоянии отводить
ОСОБЕННОСТИ ЛИТЬЯ ПОД ДАВЛЕНИЕМ ИЗДЕЛИЙ ИЗ ПЛАСТМАСС (краткий очерк) |
1 1 1 |
Рис. 2.80. Конструкторы могут использовать уравнения1, описывающие зависимости для определения времени охлаждения (и общего цикла литья под давлением), чтобы оценивать возможность для измерения этого времени при изменении толщины отливок или при выборе иных марок термопластов
1 При использовании формул (2.16)—(2.19) и данных по графикам на рис. 2.80 следует иметь в Б иду, что авторские обозначения и размерности воспроизведены без какой-либо корректиров ки. — Прим. науч. ред.
112 КОНСТРУИРОВАНИЕ ПЛАСТМАССОВЫХ ИЗДЕЛИЙ ДЛЯ ЛИТЬЯ ПОД ДАВЛЕНИЕМ
тепло от формообразующей поверхности (от металла, из которого изготовлены матрица и пуансон) с той же скоростью, с какой оно (тепло) поступает с расплавом в формующую полость. На практике температура формообразующей поверхности формы всегда бу дет поддерживаться на несколько более высоком, чем среднее значение, уровне. Время, необходимое для того, чтобы в центре отливки была достигнута температура, при кото рой она выталкивается из формы, и время, необходимое для выравнивания температу ры до средней температуры отливки, определяют на основании данных, приведенных на рис. 2.80 как для отливки — пластины, так и для отливки — цилиндра [75].
Чтобы решить уравнения, приведенные на рис. 2.80, конструктор должен задать определенное количество параметров. Толщина или радиус изделия обычно известны, или конструктор дает рациональное соотношение между толщиной отливки и време нем ее охлаждения. Стандартное решение предполагает использовать для расчетов максимальное значение толщины в разнотолщинных изделиях, поскольку соответ ствующая толщина потребует максимального же времени охлаждения.
Значения температуры расплава и формы, используемые в расчетах, должны быть выбраны близкими к ожидаемым в процессе производства. Лучше провести несколько серий расчетов времени охлаждения, чтобы охватить все возможные значения, реко мендуемые для переработки данного материала. Температура извлекаемого изделия должна находиться в диапазоне между температурой расплава и температурой стенок формующей полости. Изделие должно быть охлаждено до температуры, при которой оно в состоянии выдержать воздействие толкателей и сохранить неизменной свою форму после извлечения из формы. В качестве «индикатора» при определении мак симально допустимой температуры выталкивания используют температуру стекло вания (для аморфных термопластов), при которой происходит деформация под дей ствием заданной нагрузки [11] или температуру размягчения по Вика [78]. Такие тесты позволяют установить температурный диапазон, в котором термопласт перехо дит из твердого состояния (когда он выдерживает, в частности, воздействие толка телей) в высокоэластическое состояние (близкое по свойствам к мягкой коже). При этом расчет охлаждения производится в обратном порядке, то есть осуществля ется поиск температуры, при котором материал переходит из высокоэластического сотояния в твердое. Температура размягчения по Вика более предпочтительна для предварительной оценки максимально допустимой температуры выталкивания из делия (и для расчета времени охлаждения изделия в форме). Тест по Вика определяет температуру, при которой плоский индикатор (стержень) проникает в получен ный литьем под давлением контрольный образец. При этом считается, что он анало гичен эффекту воздействия толкателя на отливку. В любом случае (при любом тем пературном «индикаторе») важно учитывать градиент температуры по толщине изделия (по мере охлаждения). Изначально предполагается, что температура распла ва равномерно распределена по всему объему, и именно она (соответствующее ее значение) выбирается для расчета. Если ждать достаточно долго, то все изделие, в ко нечном счете, охладится до температуры стенок формующей полости. На практике изделия выталкиваются задолго до того, как по всему их объему температура станет равной температуре формы. Уравнения (2.16) и (2.18) позволяют рассчитать темпера туру, которую должна достичь центральная зона отливки в момент ее выталкивания,