литература / Konstruirovanie_plastmassovykh_izdeliy_dlya_litya_pod_davleniem

как показано на рис. 2.100 (справа), то оно может быть вытолкнуто без какихлибо трудностей [102]. Однако всегда лучше при конструировании изделий избе­ гать любых подобных элементов, расположенных под углом к основной плоскости разъема формы [104].

2.6.6. Предварительная оценка усилия выталкивания изделия

Наиболее наглядный вариант — оценка усилия, необходимого для сталкивания изделия с пуансона; оно может быть оценено во многом аналогичным образом, как это делается при оценке усилия запрессовки неподвижного прессового соединения (см. раздел 6.2). Известно, что усилия, необходимые для соединения с натягом зуб­ чатого колеса или втулки с металлической осью, могут быть определены, если заданы геометрические размеры соединяемых деталей, величина требуемого натяга, модуль упругости материалов деталей и коэффициент трения пары. Сталкивание изделия с пуансона — обратная задача. В результате охлаждения в формующей полости изде­ лие усаживается на пуансоне. Металлический пуансон затрудняет усадку, тем самым ограничивая изменения размеров изделия, при этом возникают определенные внут­ ренние (усадочные) напряжения. Когда изделие при сталкивании с пуансона осво­ бождается, немедленно начинается релаксация отливки и, соответственно, измене­ ния размеров.

Рис. 2.101. Усадка изделия из пластмассы во время охлаждения в форме затруднена, она «ограничивается» пуансоном. Изделие испытывает упругое сжатие сразу после выталкивания; его размеры будут изменяться вследствие релаксации напряжений

Величина быстрого изменения размеров определяется как разница размера пуан­ сона и размера изделия, измеренного сразу после его сталкивания. Силы трения, воз­ никающие при сталкивании, могут быть вычислены, если известны следующие пара­ метры [2]:

•геометрическая форма и размеры изделия;

•усадка термопласта;

•модуль упругости термопласта при температуре выталкивания изделия;

•сила трения в паре пуансон/термопласт.

134 КОНСТРУИРОВАНИЕ ПЛАСТМАССОВЫХ ИЗДЕЛИЙ ДЛЯ ЛИТЬЯ ПОД ДАВЛЕНИЕМ

Усилия выталкивания/сталкивания изделя зависят от суммарного воздействия:

•сил трения в паре изделие-пуансон;

•сил, направленных на сопротивление вакууму, который создастся только в слу­ чае охватывапия пуансона (или знака) изделием, типа («стакан», то есть ци­ линдрическим изделием с дном).

Из-за разности давлений снаружи пары изделие-пуансон и внутри нее, когда из­ делие сталкивается с пуансона, в пространство между изделием и пуансоном начина­ ет проникать воздух. От того, насколько легко это происходит, во многом зависит величина первоначального усилия, необходимого для сталкивания изделия; воздух может проникать в пространство между изделием и пуансоном через зазоры в отвер­ стиях под толкателем и т. п. Силы сопротивления разрушению материала изделия при температуре его выталкивания определяются параметрами механических свойств и особенностями конструкции изделия (толщиной стенок, глубиной под­ нутрения и т. д.). Усилия сталкивания изделия тина колыю/втулка (когда не возни­ кает сил сопротивления вакууму) без поднутрения создаются только силами трения при перемещении изделия по пуансону. Сила первоначального отрыва при сталкива­ нии изделия, или сила трения, может быть определена по уравнению:

(2.20)

где ц — коэффициент статического трения в паре изделие/пуансон; Рк — контактное давление в паре изделие/пуансон (возникающее из-за затрудненной усадки); А — площадь контакта пары изделие/пуансон.

Из трех переменных в уравнении (2.20) только площадь контакта легко измерить. Рассмотрим пример, который показан на рис. 2.101. Начальная площадь контакта:

(2.21)

где 0С — диаметр пуансона; Lc — длина пуансона (осевой размер).

Контактное давление в паре изделие/пуансон будет зависеть от величины затруд­ ненной усадки при температуре сталкивания изделия и модуля упругости термопла­ ста при растяжении. Оно будет наибольшим для изделий из частично кристалличес­ ких термопластов, отличающихся большими коэффициентами усадки и величинами модуля упругости. Любая переменная, которая будет уменьшать коэффициент усадки материала или модуль упругости при растяжении, уменьшает контактное давление в парс изделие-пуансон, а следовательно, и усилие сталкивания. Например, сокра­ щение времени цикла литья под давлением, то есть уменьшение времени пребывания формы в сомкнутом состоянии, будет приводить к уменьшению усилий сталкива­ ния, так как к его началу, при соответствующей температуре изделия, величины усадки и показатели жесткости (то есть модуля упругости) будут относительно меньшими. Однако может возникнуть опасность деформации изделия при более высоких темпе­ ратурах сталкивания и меньших усилиях (отливка «мягкая», эластичная, риск де­ формации повышенный).

Выше отмечалось, что изделия должны охлаждаться в формующей полости до такой температуры, при которой достигается жесткость, достаточная, чтобы предотвратить деформацию при размыкании формы и выталкивании изделия. Время охлаждения

Рис. 2.102. Изделия из пластмассы должны быть охлаждены в формующей полости до та­ кой температуры, чтобы была достигнута определенная прочность и твердость поверхности, достаточная для предотвращения возможных деформаций под дей­ ствием толкателей и из-за внутренних напряжений в отливке

определяется технологом экспериментально, при этом для оценки средней темпера­ туры изделия в момент выталкивания используется температура размягчения по Вика или температура потери формоустойчивости под действием заданной нагруз­ ки. Это важно учитывать при конструировании изделия.

Растягивающие напряжения ат возникающие в изделии, могут быть определены, если известны модуль упругости при растяжении Ети линейная усадка материала изделия во время выталкивания (при соответствующей температуре); к сожалению, точно оценить такую усадку нелегко, поскольку изделия будут продолжать усажи­ ваться после выталкивания.

Помочь оценке в этих условиях могут данные PVT-диаграмм или анализ с помо­ щью компьютерных программных средств. Результаты расчетов лучше всего предста­ вить в виде определенного процента от предполагаемого «стандартного значения усад­ ки в форме». В общем виде имеем:

(2.22)

В случае тонкостенного изделия цилиндрической формы (радиус R) с дном тол­ щиной h, растягивающее напряжение является окружным:

(2.23)

В случае тонкостенного изделия цилиндрической формы типа втулки/кольца первоначальное усилие выталкивания изделия (напряжение отрыва) определяется из уравнения:

(2.24)

где L(. — см. уравнение (2.21); р — статический коэффициент трения для пары изде­ лие/пуансон.

136 КОНСТРУИРОВАНИЕ ПЛАСТМАССОВЫХ ИЗДЕЛИЙ ДЛЯ ЛИТЬЯ ПОД ДАВЛЕНИЕМ

Значение р для большинства термопластов зависит как от температуры, при кото­ рой начинается выталкивание, так и от уровня нормального напряжения. Сложность заключается еще в том, что термопласт начинает наплавляться на поверхность пуансо­ на. Значения статических коэффициентов трения для реальных условий литья под давлением, хотя и наиболее предпочтительны, их не всегда легко получить. Предска­ зываемые значения усилия выталкивания являются весьма грубыми, неадекватно отражающими состояние и поведение материала изделия на этой стадии процесса. Приведенная ориентировочная оценка усилия выталкивания изделия цилиндричес­ кой формы сделана при пулевом уклоне поверхностей. На рис. 2.103 приведены скор­ ректированные данные для разных значений углов уклона, с увеличением которых, как видно из диаграммы, уменьшаются усилия, необходимые для выталкивания из­ делия. Более детальный обзор и анализ проблем, связанных с определенными усили­ ями выталкивания изделий, приведены в работе Менгеса и Морена [2].

Рис. 2.103. График для грубой оценки уменьшения усилия выталкивания изделия при увели­ чении угла уклона у пуансона

2.7.Некоторые специальные технологии литья под давлением изделий из термопластов

2.7.1. Литье под давлением с газом

Общие положения

Литье под давлением с газом обладает довольно гибкими возможностями, кото­ рые позволяют конструировать и изготавливать более сложные изделия из термо­ пластов. Как и традиционный способ литья под давлением со вспениванием, литье иод давлением с газом представляет собой модификацию классического процесса.

позволяющего упростить или избежать многих сложных проблем, связанных с дос­ тижением требуемого качества поверхности, экономией материала изделия, а также с ограничениями по длительности цикла (возникающими в процессе литья под дав­ лением изделий из вспенивающихся термопластов). Литьем иод давлением с газом можно получать прочные и конструктивно жесткие изделия практически без внут­ ренних напряжений в них и усадочных утяжин, с относительно хорошим качеством поверхности. Усилия смыкания формы при литье иод давлением с газом меньше, чем необходимые усилия, например, при традиционном исполнении литья под давлении изделий из вспенивающихся термопластов. Значительные технологические преиму­ щества процесса открывают широкие перспективы для конструирования изделий, например, в производстве автомобилей, кассовых аппаратов, бытовых приборов и т. д. Многие преимущества проявляются по мере накопления опыта переработки и конст­ руирования изделий. По сравнению с классическим процессом литья под давлением, литье под давлением с газом является более сложным с точки зрения управления процессом, особенно при использовании многогнездных литьевых форм. Толщина стенок изделия здесь определяется не только конструктивными требованиями (осо­ бенно для тонкостенных участков изделия), но и специфическими технологически­ ми параметрами: степенью заполненности формующей полости расплавом, темпера­ турой формы (для участков с каналами, по которым распространяется газ). Все это подчеркивает важность точного управления процессом. При внедрении в производ­ ство технологии литья под давлением с газом обычно приходится оплачивать лицен­ зию на ее приобретение.

Далее приведено краткое описание технологии литья под давлением с газом (под­ робная информация в [103-109]). Процесс литья под давлением с газом чаще всего используется для:

1) изготовления изделий с толстыми стенками, такими как трубы, ручки или рамы, профили (с внутренними каналами);

2) для изготовления деталей, типа корпусов, панелей, полок или шасси, применя­ емых в большой гамме изделий, например, в телевизорах, в компьютерах и т. д.

Как было отмечено, к основным преимуществам этой технологии относятся: эко­ номия материала, снижение времени технологического цикла (то есть повышение производительности), повышение качества изделий благодаря устранению усадоч­ ных утяжин и практически полностью внутренних напряжений. Все эти основные преимущества могут быть достигнуты за счет образования полостей, каналов для рас­ пространения газа внутри изделия. Изготовление таких изделий относительно не­ сложно, газ всегда распределяется в зоны наименьшего сопротивления, у него четко определенный путь перемещения. Последнее обстоятельство позволяет получать тон­ костенные изделия (газ способствует уменьшению коробления и устранению усадоч­ ных утяжин, которые обычно возникают, когда в изделии имеются усиливающие ребра и бобышки, а также уменьшению давления в формующей полости при заполне­ нии формы). Для получения изделий с тонкими стенками (так называемые «изделия с открытыми каналами») каналы большого сечения для распространения газа размеща­ ют «в теле» изделия, чтобы обеспечить достаточные для необходимого количества газа объемы. Газовые каналы большого сечения (то есть в изделиях с толстыми стенками)

138 КОНСТРУИРОВАНИЕ ПЛАСТМАССОВЫХ ИЗДЕЛИЙ ДЛЯ ЛИТЬЯ ПОД ДАВЛЕНИЕМ

способствуют упрочнению изделия подобно тому, как ребра в изделиях, отлитых под давлением без газа, по традиционной технологии. Изделия с газовыми каналами не­ обходимо спроектировать и изготовить так, чтобы газ не проникал через тонкие стен­ ки изделия (поскольку, как отмечалось, он распространяется в направлении зон с наименьшим сопротивлением). Определение размеров каналов и мест их расположе­ ния должно исходить из задачи обеспечения сбалансированного заполнения форму­ ющей полости расплавом и достижения заданной прочности изделия (по всему объе­ му последнего).

В табл. 2.5 приведены обобщенные данные об основных преимуществах процесса литья под давлением с газом по сравнению с другими технологиями. В таблице приведены относительные оценки корпусов больших телевизоров из ПС (то есть изделий боль­ ших размеров, которые, с одной стороны, должны иметь безупречный внешний вид, ас другой — должны выдерживать значительную внешнюю нагрузку) [110].

Описание процесса литья под давлением с газом

Суть процесса литья под давлением с газом, как и классического литья под давлени­ ем, заключается во впрыске расплава термопласта в формующую полость литьевой формы, отличающуюся хорошей вентиляцией. Каналы для распространения газа «ра­ ботают» как «внутренние литники» в классическом процессе литья под давлением; применение одного впуска в формующую полость позволяет избежать образования линий спая (которые возникают в других случаях, например, при нескольких впусках). При впрыске в формующую полость подается рассчитанный ограниченный объем рас­ плава, то есть намеренно осуществляется «недолив» (по сравнению с классической технологией). В конце стадии впрыска термопласта (или после короткой задержки), подается сжатый газ; обычно это азот — доступный инертный газ. Газ под давлением проникает в центральную область расплава, распространяется, перемещается в зоны наименьшего сопротивления, «оттесняет» расплав к периферии и стенкам формующей полости и, при необходимости, с помощью предварительно сконструированных газо­ вых каналов-направляющих способствует формованию полостей в изделии и всех

Известно несколько модификаций литья под давлением с газом. Одно из основ­ ных отличий — вариант подачи сжатого газа: либо через сопло литьевой машины, либо непосредственно в формующую полость через подвижную плиту литьевой фор­ мы. В первом случае газовые каналы должны начинаться в сопле, во втором — в фор­ мующей полости независимо от расположения мест впуска. Литье под давлением с подачей газа непосредственно в формующую полость более универсально, но при этом на поверхности изделия могут остаться следы от впускных литников и газовых каналов, а также вентиляционных отверстий.

Стадии процесса литья под давлением с газом

Независимо от конкретной модификации литья под давлением с газом для каж­ дой характерны и аналогичны основные стадии: впрыск расплава, подача газа в рас­ плав (первая подача), уплотнение расплава с помощью газа (вторичная подача). На рис. 2.105 представлены основные стадии литья под давлением с газом в виде зависи­ мостей изменения давления в формующей полости в течение одного цикла.

Заполнение формующей полости

В начале стадии впрыска рассчитанный ограниченный объем термопласта по­ дается в формующую полость. На этой стадии при литье под давлением с газом, как и в других процессах литья под давлением, происходит образование затвер­ девшего слоя. Величина давления в формующей полости относительно не велика, поскольку она заполняется ограниченным объемом расплава; давление намерен­ но снижают и потому, что надо «дать возможность» наполниться газом каналам большого сечения для распространения газа.

Очень важно, чтобы ограниченный объем расплава термопласта, поступив­ ший в формующую полость на стадии впрыска, рапределился в ней равномерно и окончательно к моменту завершения первой подачи газа [105].

FUC.Z.1U3. Диаграмма изменения давления в формующей полости при классическом литье под давлением термопласта (слева) и при литье под давлением с газом (справа)

Если газовые каналы относительно большого сечения будут неправильно распре­ делены или их толщина окажется слишком большой, расплав (до подачи газа в фор­ мующую полость) может создавать кольцевые завихрения вдоль газовых каналов, даже разрушая их и создавая ситуацию, благоприятствующую образованию воздуш­ ных ловушек.

Компьютерное моделирование при проектировании изделий и литьевых форм для литья под давлением с газом практически обязательно; известные коммерческие программные продукты позволяют получить надежные оценки при расчете толщины сплошных стенок и мест расположения газовых каналов и их размеров до изготовле­ ния формующего инструмента, не теряя времени и средств на реализацию метода «проб и ошибок» [112].

Заполнение формующей полости расплавом/газом

Продолжительность времени от впрыска расплава в формующую полость до по­ дачи газа имеет большое значение для качества изделия. При подаче газа через сопло литьевой машины заданный объем расплава полностью впрыскивается в формующую полость до подачи в нее сжатого газа. Когда сжатый газ подается в формующую полость напрямую, можно инициировать подачу газа еще до завершения стадии заполнения формующей полости расплавом. Иногда желательно делать фикси­ рованную по времени задержку — после впрыска расплава в формующую полость, чтобы дать термопласту, остывая, стать более вязким, что предотвращает возмож­ ность проникновения газа за пределы газовых каналов в области, прилегающие к офор­ мляющей поверхности полости. К сожалению, при такой задержке может пострадать качество поверхности изделия: из-за остановки/старта иногда возникает эффект вибрации потока или (в худшем случае) может случиться преждевременное за­ твердевание расплава [111].

Стадия впрыска газа

Окончательная стадия заполнения формующей полости производится при давле­ ниях в диапазоне от 0,5 до 30 МПа (70-4500 фунтов/дюйм2). При этом используются системы регулировки газа как по давлению, так и по объему [112]. Давление газа долж­ но быть достаточным для преодоления сопротивления течению вязкого расплава тер­ мопласта, перемещающегося в формующей полости по направлению к незаполнен­ ным зонам изделия, как показано на рис. 2.106 [113]. Поскольку газ перемещается по газовым каналам (газ должен оставаться внутри этих каналов), он «оттесняет» расплав в оставшиеся незаполненными области формующей полости. Эта часть стадии запол­ нения обычно непродолжительна, поскольку газ быстро перемещается по каналу до тех пор, пока расплав термопласта не переместится до крайней точки периферии полости. [108]. Толщина стенок вокруг полых газовых каналов зависит от большого числа пара­ метров, к которым относятся: степень заполнения формующей полости рассчитанным ограниченным объемом расплава, температура литьевой формы и степень равномерно­ сти распределения газа внутри каналов.

Технологические проблемы, которые могут возникнуть на стадии подачи газа и заполнении им формующей полости: продувание насквозь потока расплава — из-за недостатка материала в передней части газового пузыря; воздушные (газовые)

Рис. 2.106. Упрощенное представление процесса распределения давления в формующей полости на стадии заполнения распла­ вом формующей полости: для классической технологии литья под давлением термопластов (вверху) и для литья под давлением с газом (внизу)