литература / Konstruirovanie_plastmassovykh_izdeliy_dlya_litya_pod_davleniem

и кислорода с течением времени могут привести к деструкции окраски, потере про­ зрачности и другим дефектам. Это особенно актуально для изделий, предназначенных для наружного применения в течение длительного времени, например, автомобильных деталей, игрушек, спортивных товаров. Некоторые полимерные материалы (напри­ мер, акрилы) изначально имеют отличную устойчивость к атмосферному воздей­ ствию, а другие (например, ПП) требуют дополнительной стабилизации. Долгосрочная устойчивость к атмосферному воздействию любого полимера может быть существен­ но улучшена за счет использования в качестве добавок ультрафиолетовых стабили­ заторов и аптиоксидантов. В некоторых случаях для устранения проблем, связанных с преждевременным старением, используются специальные покрытия.

Относительно высокие коэффициенты теплового расширения (КТР)

Пластмассы имеют очт юсительно высокие KTR Это следует учитывать, если пластмассовые детали используются для сборки изделий, содержащих металлические, стеклянные, керамические, либо из других материалов детали, из-за возможного несовпадения разме­ ров благодаря разному тепловомуо расширению материалов. КТР у многих пластмасс сильно отличаются друг от друга. Жидкокристаллические полимеры с наполнителями или армирующими добавками имеют очень низкие КТР, а ПЭ без наполнителя имеют КТР на порядок выше, чем у стали. КТР могут значительно уменьшаться i при добавлении неорганических наполнителей и армирующих добавок (например, стеклянных волокон, так как стекло имеет очень низкий КТР). Армированные волокнами материалы при теп­ ловом расширении анизотропны из-за особенностей ориентации волокон и макромоле­ кул. Гигроскопичные полимеры (например, полиформальдегиды ПФ и ПЛ) меняют свои размеры в зависимости от влажности и уровня абсорбш ш влаги полимером. По мере воз­ растания доли абсорбированной влаги гигроскопичные полимеры набухают.

1.6. Литература

1.Deanin, R., Polymer Structure, Properties, and Applications, Cahners Publishing, Boston, MA (1972).

2.Technical Bulletin, Designing with Plastics, Hoechst Celanese, Chatham, NJ (1989).

3.Technical Bulletin, Engineering Materials Design Guide, General Electric Plastics, Pittsfield,MA(1989).

4.Moore, G. and Kline, D., Properties and Processing of Polymers for Engineers, PrenticeHall, Inc., London (1984).

5.Clements, L., «Polymer Science for Engineers», Engineering Plastics I landbook, American Society of Metals, International, Metals Park, OH (1988).

6.Technical Bulletin, Engineering Thermoplastics Basic Design Manual, The Dow Chemical Co., Midland, MI (1988).

7.Dym, J., Product Design with Plastics, Industrial Press, Inc., NY (1983).

8.Powell, P., Plastics for Industrial Designers, The Plastics Institute, London (1973).

9.MacDermott, C, Selecting Thermoplastics for Engineering Applications, Marcel Dekker, Inc., NY (1984).

10.Ehrcnstein, G. and Erhard, G., Designing with Plastics, Hanser Publishers, Munich (1984).

2. Особенности литья под давлением изделий из пластмасс (краткий очерк)1

2.1. Общие положения

Литье под давлением относится к высокоскоростным автоматическим техноло­ гиям, которые могут быть использованы для изготовления пластмассовых изделий очень сложной формы. Этот технологический процесс позволяет получать изделия как очень больших, так и очень маленьких размеров практически из всех известных термопластов и специальных марок реактопластов. От работы конструктора зависит, в конечном счете, общая технологичность производства, эффективность технологи­ ческого процесса, себестоимость и качество продукции. Конфигурация изделия может быть изменена для максимально полного соответствия требованиям, продиктованным пластмассами (их поведением при переработке и последующей эксплуатации). Со­ временный подход к производству пластмассовых изделий методом литья под дав­ лением требует от производителей выполнения так называемого «метода параллель­ ного проектирования». Она подразумевает, что все участники производственного процесса: конструктор изделия, конструктор литьевой формы, поставщик материа­ лов и инженер-технолог должны работать вместе, согласовывая друг с другом все принимаемые решения.

В главе автор приводит первоочередные, самые необходимые для конструктора, представления об особенностях и сложностях процесса литья пластмасс под давлением, которые он должен усвоить, приступая к созданию, конструированию изделия. Следует только обратить особое вни­ мание на фактическое расширение задач, стоящих в настоящее время перед конструктором изде­ лия: они связаны с проработкой технологических проблем, полного учета влияния закономерно­ стей формования будущего изделия, причем так, чтобы гарантировать оптимальное качество изделия при непременной эффективности его производства и эксплуатации. — Примеч. науч. ред.

Литье под давлением представляет собой сложный процесс, состоящий из нескольких последовательных технологических стадий. К ним относят: заполнение формы расплавом, уплотнение расплава, выдержка его под давлением, охлаждение

Продолжительность цикла литья под давлением в значительной степени зависит от конструкции изделия. Несмотря на то что все стадии процесса литья иод давлени­ ем взаимосвязаны, мы сосредоточим основное внимание на тех требованиях, кото­ рые предъявляются к каждой из них по отдельности. Ниже будут обсуждаться от­ дельно важные факторы всех стадий технологического процесса, которые оказывают влияние на решение конструктивных задач.

2.2. Заполнение формующей полости

2.2.1. Факторы, связанные с литниковой системой

Наиболее важным элементом литниковой системы являются впускные литни­ ки: от их типа, числа и расположения во многом зависят в дальнейшем эксплутационные характеристики и внешний вид изделия. Впуском называют место, через которое расплав поступает в формующую полость. Впускные литники могут быть расположены либо в одной, либо в нескольких частях изделия и могут иметь раз­ личную конструкцию. Схема расположения мест впуска влияет на поведение рас­ плава не только на стадии заполнения формующей полости, но также на стадии уплотнения и выдержки, вплоть до затвердевания пластмассы. Кратко перечислим

основные технологические факторы и параметры, на которые влияет схема распо­ ложения впускных литников:

•характер заполнения формы;

•распределение давления в формующей полосп i;

•расположение и прочность линий спая при слиянии потоков расплава в формую­ щей полости;

•воздушные включения (ловушки) и недоливы;

•направление и степень ориентации макромолекул расплава;

•легкость удаления литников;

•точность размеров изделия;

•размеры впускных литников;

•остаточные напряжения;

•возможность управления величиной усадочных поверхностных утяжин;

•коробление и другие отклонения от правильной геометрической формы, плос­ костности и т. п.

Сложившаяся с недавнего времени практика требует, чтобы конструктор изделия представлял конструктору литьевой формы модель или копию, или прототип изде­ лия. Раньше конструктор лишь указывал на изделии места, в которых можно было бы расположить впуски, не нанося вреда внешнему виду изделия. После этого кон­ структор литьевой формы мог начинать работу. Но теперь эта практика изменилась; такое последовательное проектирование фактически вытеснено практикой парал­ лельного проектирования. Если раньше конструкторы изделия и конструкторы форм практически мало влияли на решения друг друга, принимаемые на неконтролируе­ мых ими этапах производства, то теперь положение изменилось. Современная техно­ логия производства пластмассовых изделий требует, чтобы конструктор литьевой формы привлекался к работе уже на ранних стадиях процесса конструирования изде­ лия, еще при выборе его геометрической формы. В этом случае конструкторы изде­ лий и форм могут совместно принимать важные решения, связанные с определением схемы расположения впускных литников.

Рассмотрим отливку типа стакана (гильзы), которая изображена па рис. 2.1. На рисунке показано несколько предлагаемых схем расположения мест впуска.

Каждый вариант расположения впускных литников имеет свои специфические преимущества и недостатки. Конструктору рекомендуется рассмотреть как можно больше вариантов расположения мест впуска и выбрать ту конфигурацию, которая даст наилучший баланс между технологичностью изготовления литьевой формы

иконечными эксплуатационными характеристиками изделия. Например, для изде­ лия, которое можно отлить под давлением, используя только один виуск, достаточно использовать относительно простую форму с одной плоскостью разъема (двухплитную). При этом необходимо считаться с опасностью возникновения деформаций в плите матрицы, с повышенным риском образования воздушных ловушек, понижен­ ной прочностью в зоне спаев потоков расплава, а также проблемами достижения относительно высокой и стабильной размерной точности. Вариант с использованием нескольких мест впуска имеет преимущества по сравнению с предыдущим, однако

издесь остаются затруднения, связанные с зонами спаев потоков расплава, с удалением воздуха из формующей полости и возникает новая проблема — большее количество

форму обода колеса и изготавливается в одиогнездной форме. Возможные литнико­ вые схемы для получения этого изделия — радиальная (лучевая) или дисковая (диафрагменная) схемы. Известно, что склонность отливок к усадке будет меньшей в об­ ластях, близких к месту впуска, из-за градиентов давления в формующей полости и из-за эффекта сжатия расплава. С точки зрения сохранения размеров обеспечение требуемых эксплуатационных характеристик и общего качества изделия, дисковая литниковая схема (см. рис. 2.2) является наилучшим вариантом, поскольку она обес­ печивает сбалансированный поток расплава, равномерное распределение давления, а также отсутствие линий спая. К сожалению, выбор такой схемы расположения впуска может приводить к образованию большого количества отходов (литников) и, соответственно, — к дополнительным операциям после завершения литья иод дав­ лением, например, механической обработке или штамповке для их удаления. Прини­ мая решение о расположении мест впуска, необходимо находить баланс между рас­ смотренными «взаимоисключающими» друг друга факторами.

Расположение впусков в литьевых формах с двумя и тремя отрывными плитами

От решения о расположении мест впуска зависит выбор типа, а также стоимость литьевой формы. Например, для литья под давлением изделий, которые требуют расположения точечного впускного литника на торце, необходимы двух плитные фор­ мы с холодноканальной литниковой системой. Если один впускной литник будет расположен вверху в центре изделия или их будет несколько, то изделие может быть изготовлено в трехплитной форме. В некоторых случаях изделие типа стакана (гиль­ зы) может быть изготовлено в одиогнездной двухплитной форме с центральным впускным литником (рис. 2.4).

Как правило, след от впускного литника имеет негативное значение только с точ­ ки зрения внешнего вида изделия. Кроме того, в зонах изделия, расположенных вблизи мест впуска, часто наблюдаются такие дефекты, как следы потока расплава

Рис. 2.3. Стандартная холодноканальная многогнездная литьевая форма с одной плоско­ стью разъема между двумя полуформами (см. положение стрелок)

довольно высокой, поскольку впрыск должен осуществлять через стационарную полуформу. Как и в случае с центральным литником, след от толкателя на поверхности отливки при таком варианте будет оставлять заметный дефект на поверхности из­ делия. Необходимо также предусмотреть в форме специальные приспособления для системы выталкивания, расположенной со стороны неподвижной полуформы, поскольку собственно система выталкивания, как правило, расположена перед под­ вижной плитой термопластавтомата. Однако существуют альтернативы «перевер­ нутому» впрыску. Например, изделие может быть изготовлено при использовании стандартной конфигурации расположения матрицы и пуансона, если след от впуска можно скрыть с помощью помещенного на этом месте логотипа и т. п. С другой стороны, можно использовать впрыск с внутренней стороны изделия через капал, расположенный внутри толкателя, или в шпильку выталкивателя (см. рис. 2.5).

В некоторых случаях конструктор имеет возможность выбора конфигурации литьевой формы. Для изделия с большой полостью (см. рис. 2.6) следует использо­ вать стандартную конструкцию — матрица в неподвижной полуформе, пуансон — в подвижной части, а форма будет с тремя отрывными плитами. Если использовать стандартную конфигурацию для изделия с большой полостью, то место впуска мож­ но расположить в верхней части изделия.

Рис. 2.6. Изделие типа стакана (гильзы) обычно изготавливается с помощью трехплитной формы (пли с использованием горячекаиальных форм); другой вариает (справа) — форма с боковым перемещением пуансона

Изделие, которое при этом получается, будет иметь преимущество благодаря хоро­ шо обработанной оформляющей поверхности пуансона, что обеспечивает более легкий съем изделия. Если в изделии имеются пояски на наружной поверхности цилиндри­ ческой части, то может возникнуть ситуация, когда его нельзя будет просто извлечь из матрицы. Изделия более сложной формы можно изготавливать с помощью разъемных матриц или в литьевых формах с боковым перемещением пуансона. Оба этих варианта относятся к решениям с использованием «специальных операций», связанных с вытал­ киванием изделия. Двухплитпая форма с боковым перемещением пуансона обычно используется для изготовления изделий с глубокими полостями, когда бывает недо­ статочной «высотатолкателя» для извлечения изделия.

Горячеканальные литниковые системы Горячеканальные литниковые системы можно использовать для изготовления

изделий из любого термопласта и практически любой геометрической формы — от очень маленьких (таких, как колпачки для ручек) до крупногабаритных (бампера автомобилей и т. п.).

Горячеканальная литниковая система имеет очевидные преимущества, поскольку при ее использовании не образуется литниковый скрап, а также пропадают многие другие проблемы, связанные с использованием отходов. Кроме того, горячеканальные

системы обеспечивают конструктору большую степень свободы при выборе располо­ жения места впуска, а также дают возможность получать изделия более высокого качества.

Горячеканальные системы можно рассматривать как продолжение сопла узла пла­ стикации термопластавтомата. Когда используются горячеканальные системы, то можно избежать нежелательного влияния на качество отливки оставшейся от преды­ дущего цикла затвердевшей «холодной капли», что имеет место в холодноканальных системах. В горячеканальиых системах может быть уменьшена степень ориентации макромолекул, которая связана с технологическими параметрами процесса, что, в свою очередь, приводит к уменьшению уровня остаточных напряжений. Возможно использование различных конфигураций и типов горячеканальиых систем, включая открытые круговые и замкнутые кольцевые. Когда нежелательно проявление следов от литников на изделии, можно использовать систему с запирающимися соплами. Такие горячеканальные сопла имеют штифты с механическим приводом, которые перекрывают впуск, как только штифт перемещается вперед, обеспечивая механиче­ ское уплотнение и оставляя малозаметный след в месте впуска [1,2].

2.2.2.Ориентация расплава при заполнении формующей полости

Следует учитывать, что почти все отлитые под давлением изделия из термопластов имеют некоторое количество «замороженных» в ориентированном состоянии макро­ молекул. Степень ориентации «замороженных» макромолекул в изделии зависит от молекулярной массы и релаксационных способностей термопласта, от технологиче­ ских параметров процесса литья под давлением. Степень ориентации макромолекул в формующей полости тем меньше, чем более склонен термопласт к релаксации напря­ жений после формования из него изделия. Степень ориентации расплава, связанная с заполнением формующей полости, может быть минимизирована за счет рациональ­ ного конструирования изделия и выбора параметров процесса литья под давлением, снижающих необходимый уровень давления при заполнении. Ориентация макро­ молекул в полимерном материале будет отличаться от степени ориентации, создаваемой условиями заполнения и уплотнения расплава и степенью релаксации макромолекул:

Высокая температура формы будут способствовать разупорядочиванию структу­ ры (то есть молекулярной релаксации) за счет сохранения расплава в подогретом состоянии в течение длительного времени. Такое управление процессом с помощью повышения температуры формы, или температуры расплава, может быть использова­ но для уменьшения степени ориентации макромолекул, но эти меры будут приводить к увеличению длительности цикла изготовления изделия. Поэтому следует сбалан­ сировать действие противоположных факторов. По этой причине проблема оценки