литература / Konstruirovanie_plastmassovykh_izdeliy_dlya_litya_pod_davleniem

Рис. 2.16. Диаграма изменения давления при заполнении формующей полости (зависит от параметров термопластавтомата и формы)

Рис. 2.17. Конструкторы должны определить наиболее предпочтительные места расположе­ ния впусков и сравнить относительные преимущества и недостатки каждого ва­ рианта литниковой системы

о реологических свойствах расплава термопласта, предоставляемые поставщиками материала.

Тестирование расплава в спиральной формующей полости

Такое тестирование часто применяют для сравнительной технологической оцен­ ки термопластов. Чтобы получить необходимые данные о возможностх заполнения формующей полости — по длине пути расплава при затекании его в спиральный канал (рис. 2.18) — расплав впрыскивается в него при различных режимах переработки. Максимальная длина пути течения расплава, которая может быть достигнута экспе­ риментально, измеряется как функция толщины (глубины) канала в форме (различ­ ная глубина обычно создается с помощью сменных вставок). К переменным техноло­ гическим параметрам процесса обычно относят: температуру расплава, температуру формы, максимальное давление впрыска и скорость впрыска. Экспериментальные данные чаще всего представляют в виде, аналогичном приведенному на рис. 2.18.

Результаты тестирования расплава по длине течения могут быть использованы для сравнения реологических свойств потока или для определения «формуемости» иначе — возможности использования различных типов и марок термопластов для литья под давлением конкретных изделий; они могут также помочь конструктору изделия принять решение о выборе расположения мест впуска, особенно для изделий

Рис. 2.18. Эмпирические кривые течения расплава в спиральной форме (определяется мак­ симальная длина затекания расплава) дают сравнительную оценку возможности использования конкретной марки материала для заданного изделия. Представле­ ны зависимости максимальной длины пути потока расплава от толщины изде­ лия при различных условиях литья иод давлением; слева — от давления впрыска; справа — от температуры расплава или температуры формы

с одинаковой толщиной стенок; однако затруднительно использовать их в случае изделий, подобных стяжке для фиксации кабелей (см. рис. 2.17), поскольку форму­ ющая полость имеет разную толщину. Ситуация усложняется тем обстоятельством, что конфигурация литниковых систем в значительной мере влияет на величину пе­ репада давления в формующей полости. Тем не менее кривые, аналогичные приве­ денным на рис. 2.18, которые можно получить у поставщиков материалов, содержат для конструктора изделия ценную информацию о свойствах расплава полимера.

Оценка падения давления в формующей полости

Внастоящее время нет альтернативы компьютерному анализу процессов течения

изаполнения формующей полости, но бывают ситуации, когда можно использовать

•традиционные» инженерные методы оценки, принимая решения, учитывающие осо­ бенности течения расплава и заполнения расплавом формующей полости. Этот про­ цесс является сложным (рис. 2.19). Расплав с высокой скоростью впрыскивается в «относительно» холодную форму. Несмотря на то что большинство термопластов являются достаточно хорошими термоизоляторами, по мере поступления в полость формы расплава затвердевающие слои начинают нарастать на ее поверхностях. Фронт потока ведет себя подобно фонтану, за ним следует ламинарный поток расплава —

втуннеле между твердыми слоями. Сердцевина потока расплава остается относи­ тельно горячей, температура промежуточного слоя между затвердевшими слоями

итекучим расплавом определяется эффектами вязкостного нагревания и тепловыми потерями, которые возникают при контакте.

Рис. 2.19. Заполнение формы расплавом под давлением фактически является иеизотермическим процессом, в котором возникают одновременно ламинарный и фонтаниру­ ющий потоки, на поверхностях матрицы и пуансона происходит образование за­ твердевшего слоя материала благодаря контакту расплава со значительно более «холодными» стенками. Скорость образования затвердевшего слоя зависит от мпоих факторов и определяется вязкостью массы

Напряжения сдвига и скорости сдвига в плоскости соприкосновения затвердев­ шего слоя с расплавом в центральной части потока приводят, как правило, к высокой степени ориентации макромолекул, а также создают потенциальную возможность сдвигового разрушения (сдвиговой деструкции). Напряжение сдвига х в конкрет­ ном слое по сечению изделия — есть результат умножения сдвиговой вязкости х\ на скорость сдвига этого слоя у.

(2.1)

Напряжения сдвига в пограничной зоне между затвердевшим слоем и расплавом могут быть высокими, так как псевдопластическое поведение потока приводит к воз­ никновению высоких скоростей сдвига на границе зон, а также к высоким значениям вязкости расплава, особенно в зоне, непосредственно примыкающей к охлажденному затвердевшему слою. Напряжения сдвига способствуют ориентации макромолекул расплава, которая как бы «привязывается» к ориентации затвердевшего слоя (по мере его увеличения). С другой стороны, формирование затвердевшего слоя будет затруд­ нено из-за выделения теплоты, возникающей благодаря вязкостному нагреванию при течении расплава. Туннельный поток (или поток уменьшенного сечения) показан на рис. 2.20 при литье под давлением опытного изделия через веерный впуск. Сначала в полость формы впрыскивается порция прозрачного термопласта (что видно по нали­ чию этого материала в углублении для «холодной» капли), а затем — порция окра­ шенной пластмассы в центральной зоне изделия. Процесс впрыска под давлением является настолько сложным, что невозможно совместно решить две задачи — течения

Рис. 2.20. Изделие, изготовленное с помощью веерного впускного литника. Начальная пор­ ция впрыска состоит из прозрачного материала, последующая порция из окра­ шенного материала распространяется в туннеле между затвердевшими поверхно­ стными слоями из прозрачного материала

расплава и теплопередачи — расчетными методами конечных разностей или конеч­ ных элементов. Однако если при подсчетах пренебречь эффектами теплопередачи в процессе заполнения формующей полости, то задача значительно упрощается (для изделий, имеющих симметричную форму). Если становится очевидным, что приня­ тое упрощение приводит к ошибочным результатам, то это может быть связано с од­ ним из следующих факторов (или их комплексом):

•время заполнения расплавом формующей полости являются относительно ко­ роткими (секунды);

•расплав термопласта отличается относительно низкой температуропроводно­ стью (в принципе, это характерно для большинства пластмасс);

•контактное охлаждение и вязкостное нагревание оказывают взаимоисключаю­ щее воздействие.

Ошибка, которая возникает при подсчетах, будет изменяться в каждом конкрет­ ном случае. Например, при подсчетах для тонкостенных матриц она будет выше, чем у толстостепных, поскольку толщина затвердевших слоев (со стороны матрицы и пу­ ансона) в процентном отношении от общей толщины стенок будет большей.

Точно также ошибка при подсчетах для литья под давлением термопластов с ми­ неральным наполнителем будет выше, чем для пластмассы без наполнителя — из-за разности температуропроводностей ингредиентов. Инженерный анализ перепадов давления, который будет приведен ниже, представляет довольно грубое описание механизма потерь давления в формующей полости. Но такой упрощенный подход может быть полезен для установления определенных тенденций, помогает в понима­ нии более сложных моделей течения расплава при заполнении, выполненных с ис­ пользованием компьютерного анализа.

Например, конструктору изделия (рис. 2.21) важно узнать, каким образом изме­ нение толщины изделия (линейки) будет влиять па давление при заполнении форму­ ющей полости. Предположим, что процесс проходит изотермически (то есть при посто­ янной температуре расплава), а режим течения расплава характеризуется постоянной скоростью впрыска в ходе всего цикла. В реальности же температура расплава меняется,

Рис. 2.21. Когда конструкторы изменяют геометрию или толщину изделия, например, линей­ ки, показанной на этом рисунке, то они должно определить, повлияют ли эти измепепеппя па возможность и/или эффективность процесса литья под давлением каче­ ственного изделия

Таблица 2.2. Условное представление геометрической конфигурации литниковой систе­

мы и формующей полости (см. рис. 2.21) для проведения упрощенного изотермического анализа течения расплава при заполнении

Для расплава, подчиняющегося степенному закону, истинное или скорректиро­ ванное (по Рабиновичу) значение сдвиговой вязкости r\v может быть определено с помощью следующих уравнений:

где п — показатель степени (для ньютоновских жидкостей п = 1, для нсевдопластичсских — п < 1).

Обычно в практике проведения инженерных расчетов используют скорректиро­ ванные значения вязкости. В этом случае предполагается, что перепад давления будет очень низким, что позволяет не учитывать влияния затвердевшего слоя. Здесь будут

Рис. 2.23- Обобщенные кривые зависимости кажущейся сдвиговой вязкости термопластов от температуры и кажущейся скорости сдвига; влиянием давления па сдвиговую вязкость часто пренебрегают; течение расплавов большинства термопластов при­ нимается как псевдоиластичсское