литература / Konstruirovanie_plastmassovykh_izdeliy_dlya_litya_pod_davleniem

3 4 КОНСТРУИРОВАНИЕ ПЛАСТМАССОВЫХ ИЗДЕЛИЙ ДЛЯ ЛИТЬЯ ПОД ДАВЛЕНИЕМ

а также к возникновению «замороженной» ориентации макромолекул [4-7]. Ориен­ тирование макромолекул в определенном направлении будет продолжаться и на ста­ дии выдержки под давлением, когда расплав поступает в формующую полость и про­ исходит компенсация объемной усадки. Это особенно характерно для той области изделия, которая находится вблизи места впуска. Уменьшение давления в период выдержки иод давлением может быть использовано для снижения плотности распла­ ва, что связано с ориентацией макромолекул [6]. Проблемы ориентации особенно остро проявляются при использовании термопластов, в которых высока доля макро­ молекул с высокой молекулярной массой (длинные цепи), а также в случае использо­ вания наполненных армированных термопластов. В отличие от полимерных макро­ молекул, волокна, которые используются для армирования, не могут релаксироваться, или разупорядочиваться, даже при наличии благоприятных условий.

Полимерные цепи проявляют тенденцию к ориентации вдоль направления течения потока расплава. Поскольку все расплавы, которые поступают в формующую полость проходят через впускной литник, то на выходе из него цепи ориентируются в ради­ альном от впуска направлении (см. рис. 2.9).

Рис. 2.9. Макромолекулы имеют тенденцию ориентироваться в радиальном направлении по отношению к месту впуска и в этой области возникают относительно высокие внутренние напряжения, поскольку макромолекула будет стремиться восстановить свою форму, что впоследствии приведет к деформации изделия, особенно при по­ вышении температуры

Макромолекулы стремятся «выйти» из такого растянутого состояния, и в резуль­ тате возникают значительные напряжения в области впуска. Такой эффект аналоги­ чен воздействию пружин, работающих на растяжение, как показано па рис. 2.9. Внут­ ренние напряжения, возникающие из-за ориентации макромолекул, приводят

:-: короблению отливки (когда напряжения достаточно велики, чтобы вызывать про­ дольный изгиб); остаточные внутренние напряжения накладываются на напряжения, возникающие в процессе эксплуатации изделия, а это приводит к сокращению срока его службы, уменьшению трсщиностойкости отливки.

Внутренние напряжения могут быть сняты при нормализации изделия после ли­ тья, однако, если изделие не будет правильно зафиксировано, велика вероятность изменения его размеров и конфигурации. Изделие может начинать деформировать­ ся или коробиться при повышении температуры в процессе эксплуатации (например, в сушильной камере при окраске или при высокой температуре окружающей среды), если уровень остаточных напряжений в нем оказывается достаточно высоким. «Замо­ роженная» ориентация макромолекул, как правило, приводит к анизотропии свойств отлитого изделия [5,8-10]. Анизотропное поведение расплава проявляется еще в фор­ мующей полости и отражается в последующем на анизотропии усадки изделия.

Изделие, показанное на рис. 2.10, а было отлито под давлением через впускной литник, расположенный с торца плоского изделия (по всей ширине). Такая геомет­ рия впуска приводит к большой степени ориентации макромолекул вдоль направле­ ния течения потока расплава. Поэтому свойства изделия оказываются различными. Например, показатели прочности на изгиб и на разрыв будут иметь тенденцию к уве­ личению вдоль направления течения потока расплава по сравнению с таким же пока­ зателем, определенном в направлении поперек течения расплава. При испытании 'бразцов с надрезом, вырезанных из изделия, которое изображено на рис. 2.10 (толщи­ на образца 3,2 мм), получены большие значения ударной вязкости в направлении вдоль течения потока расплава. В этом испытании по Изоду исследовались свойства ударопрочного ПС. Были получены следующие результаты [5J.

Данные, приведенные в табл. 2.1, показывают характер изменения ударной вязко­ сти по мере удаления от места впуска. Значения ударной вязкости у образцов, взятых непосредственно в месте впуска или вблизи от него, могут быть более низкими (из-за злияния остаточных напряжений). Анизотропия свойств будет более существенной у тонкостенных отливок и более вязких расплавов термопластов. Изделие, показан­ ное на рис. 2.10, Ь, было получено с помощью впускного литника в центре, что обеспе­ чивает радиальное течение потока расплава, вследствие чего происходит ориентация как в радиальном, так и в тангенциальном направлениях. Ориентация макромолекул

Рис. 2.11. Зависимость разрушающего напряжения о от нагрузки N для ПА 6.6, армирован­ ного стекловолокном, в направлении, перпендикулярном ориентации потока рас­ плава, существенно меньше, чем значения в направлении вдоль потока

является естественным следствием особенностей течения расплава. Чтобы приобре­ тенную ориентацию макромолекул снизить, следует как бы сжать расплав. Это воз­ можно осуществить за счет изменения параметров процесса литья под давлением.

Как было отмечено выше, ориентация макромолекул материала значительно уси­ ливается в термопластах, армированных стекловолокнами. На рис. 2.11 показан ре­ зультат испытаний образцов, вырезанных из изделия, изготовленного литьем под давлением из полиамида ПА 6.6, армированного стекловолокном [11]. Значения ус­ талостной прочности, установленные на образцах, вырезанных в направлении поперек течения потока расплава, существенно более низкие, чем для образцов в направлении

вдоль потока. Показатели прочности образцов вдоль потока хорошо коррелируют с показателями, которые были определены по стандартной процедуре тестирования прочности на изгиб (это означает, что такие стандартные процедуры пригодны только для оценки соответствующих свойств вдоль потока расплава).

Показатели усталостной прочности в образцах, вырезанных в направлении попе­ рек течения расплава, меньше аналогичных показателей, определенных па образцах, вырезанных в направлении течения, но эти значения все же больше, чем значения усталостной прочности в образцах из нормированного ПА.

Приведенные выше зависимости показывают, что «замороженная» ориентация макромолекул и армирующих волокон приводит к анизотропии свойств, и это дол­ жен учитывать конструктор. Место впуска расплава необходимо выбрать таким об­ разом, чтобы создать необходимую ориентацию в направлении действия ожидае­ мого наибольшего напряжения в изделии. Стяжка для кабеля, которая показана на рис. 2.12, подвергается одноосному изгибу и растягивающему напряжению в процес­ се эксплуатации, поэтому ориентация макромолекул по длине изделия может улуч­ шить его качество. С другой стороны, когда изделия подвергаются напряжению в раз­ личных направлениях, необходимо стремиться к тому, чтобы максимально снизить степень ориентации.

Степень ориентации макромолекул, которая возникает при заполнении и уплот­ нении расплава в формующей полости, зависит от условий переработки, свойств материала, конструкции формы, а также конструкции самого изделия. Например, уменьшения степени ориентации макромолекул можно достичь, применяя централь­ ные и впускные литники относительно большого сечения, а также выбирая более короткие пути течения расплава.

Рис. 2.12. Для определенного типа изделии, папример, стяжек для крепления кабелей и проводов, предварительно правиль­ но прогнозируемая ориентация макро­ молекул может улучшить качество из­ делия. Конструкторы должны таким образом размещать впускные литники, чтобы направление «замороженной» ориентации совпадало с направлением возникновения максимальных напряже­ ний в процессе эксплуатации изделия

Высокие скорости впрыска и повышенные температуры расплава приводят к умень­ шению начальной ориентации при затвердевании расплава, создавая лучшие усло­ вия для релаксации макромолекул. Использование горячеканальпых систем (в боль­ шинстве случаев) также способствует релаксации. Изменение направления течения расплава является важным фактором, влияющим на ориентацию макромолекул и во­ локон. Углы, особенно внутренние, во всех элементах литниковой системы и в изде­ лии должны, по-возможности, иметь большие закругления (рис. 2.13).

Рис. 2.13. В изделиях изгибы конфигурации пли углы, особенно внутренние, должны иметь радиусы загруглений, чтобы максимально снизить анизотопию ориентации, свя­ занной с особенностями заполнения формы расплавом

Острые внутренние углы способствуют ориентации, а также являются причиной возникновения сдвиговой деструкции расплава пластмассы при высоких скоростях его течения. Радиусы закруглений в углах также уменьшают степень концентрации остаточных напряжений в отливке и влияние нагрузок. Рекомендации по рациональ­ ному конструированию углов в изделиях из термопластов приведены на рис. 2.14. Если используются большие радиусы загруглений внутренних углов (т. е. углы у пу­ ансона) и выдерживается равномерная толщина изделия, то, соответственно, пра­ вильная конструкция углов возникает «автоматически». Такая конструкция угла дает возможность относительно равномерно распределять напряжения в процессе эксплу­ атации, обеспечивает хорошие характеристики потока расплава, а также придает из­ делию эстетически привлекательный вид.

Рис. 2.14. Идеальные закругления должны быть одинаковыми как на внутренних, так и на наружных поверхностях и углах изделия. Равномерная толщина стенок может поддерживаться за счет выбора наружного радиуса, равным внутреннему, с учетом толщины стенки. Большая толщина стенок в углах будет приводить к образова­ нию утяжин, пустот, усадочных напряжений и потенциальной возможности воз­ никновения турбулентных завихрений при течении расплава

2.2.3.Потери давления на стадии заполнения формующей полости

При выборе расположения мест впуска конструктор должен учесть все факторы, связанные с особенностями заполнения формующей полости. Заполнение начинается от места впуска, продолжается по мерс течения расплава в формующей полости, рас­ пространяясь по пути наименьшего сопротивления. Впуск должен быть расположен таким образом, чтобы вся полость заполнялась равномерно, а падение давления в ней не было бы избыточным. Для конструктора очень важно оценить падение давления, когда он рассматривает принципиальную возможность литья под давлением изделия при использовании выбранного варианта расположения впускных литников. Пере­ пад давления и характер заполнения лучше всего можно оценивать с помощью мето­ дов компьютерного анализа [12-15, 134-136]. Эти методы помогают конструктору оценить возможность изготовления изделия, а также проанализировать конструк­ цию формы задолго до того, как она изготовлена.

Проблемы, связанные с неправильным расположением мест впуска: кратковре­ менные остановки потока расплава, образование воздушных ловушек, видимые ли­ нии спая и другие явления — могут быть изучены на стадии компьютерного анализа, что приведет к сокращению общего времени проектирования и будет способствовать улучшению качества изделия.

Величина перепада (или потери) давления расплава при заполнении формующей полости влияет на основные параметры расплава на всех стадиях процесса формова­ ния изделия собственно в литьевой форме (прежде всего на сдвиговые реологиче­ ские и термические свойства).

Эта величина динамично взаимосвязана (влияет и зависит) от:

1) температуры расплава и равномерности ее распределения, температуры литье­ вой формы и равномерности ее распределения в зоне формования, скорости впрыс­ ка, скорости заполнения и характеру образующегося профиля скоростей;

2)максимально возможного давления впрыска, потерь на трение в паре шнек/ плунжер, потерь в узле впрыска и в сопле термопластавтомата;

3)выбора типа литниковой системы — горячеканальной или холодноканальной, конфигурации литниковой системы, оценки возможностей охлаждения/подогрева

ивентилирования формы.

Конечно, давление заполнения расплавом формующей полости зависит от боль­ шого числа факторов, включая и те, на которые конструктор повлиять не может. Это обстоятельство еще раз подчеркивает важность и необходимость параллельной тех­ нологической разработки изделия, для чего полезно использовать компьютерный анализ. Ориентироваться надо не только на геометрические особенности формую­ щей полости, но и учитывать заполнение ее расплавом (то есть расположение мест впуска). Такой подход позволит получить более реалистичную картину, поскольку все перечисленные компоненты влияют на перепад давления расплава и распределе­ ние его температуры (рис. 2.16). Рассмотрим как пример стяжку для фиксации кабе­ ля, которая показана на рис. 2.17. Предлагаемые варианты расположения мест впуска для формования этого изделия (см. рис. 2.12,2.17) показывают, что в случае несколь­ ких впускных литников возможно действенно снизить эффективный путь течения расплава, и, следовательно, перепад давления. Однако в этом случае надо обязательно принимать во внимание, что линии спая потоков расплава будут располагаться пер­ пендикулярно направлению действия напряжений, которые возникают при эксплуа­ тации стяжки. Такое расположение зон ослабленной прочности (участок линии спая) уменьшает срок службы изделия. Использование одного впуска там, где находится тонкий язычок, может привести к проблемам, связанным с пониженным уплотнени­ ем и образованием линий спая в области фиксатора, находящегося в противополож­ ном от впуска конце формующей полости, у которого большая толщина стенок. При такой системе расположения впуска очень трудно производить эффективное уплот­ нение расплава и обеспечивать жесткие требования точности размеров. Расположе­ ние впуска со стороны фиксатора даст возможность полностью управлять заполнени­ ем формующей полости, поскольку течение потока расплава будет происходить от большей толщины изделия к меньшей. Вероятно, точно также будет формироваться линия спая, но она будет располагаться по всей длине изделия и, можно ожидать, что на прочность она не будет влиять неблагоприятно, поскольку направлена вдоль дей­ ствующего при эксплуатации изделия напряжения. Если будет выбрано расположе­ ния места впуска в зоне фиксатора, то конструктор должен определить, достаточно ли использование только одного впускного литника. Наиболее точно на этот вопрос можно ответить, применяя методы компьютерного анализа или опираясь на данные