литература / Konstruirovanie_plastmassovykh_izdeliy_dlya_litya_pod_davleniem
.pdf
ОСОБЕННОСТИ ЛИТЬЯ ПОД ДАВЛЕНИЕМ ИЗДЕЛИЙ ИЗ ПЛАСТМАСС (краткий очерк) |
53 |
Рис. 2.25. Кажущаяся сдвиговая вязкость ударопрочного ПС, из которого отлито под давле нием изделие (по рис. 2.21)
цилиндрический канал |
(2.8) |
прямоугольный канал |
(2.9) |
Значения кажущейся скорости изменяются вместе с изменением скорости пото ка и изменением геометрической формы сечения потока. Например, скорости сдвига во впускном литнике, через который расплав поступает непосредственно в формую щую полость, будет выше скорости в разводящем литнике — из-за разницы в попе речном сечении канала (рис. 2.26).
У большинства термопластов вязкость расплава повышается с возрастанием скоро сти сдвига из эффекта макромолекулярного выстраивания (то есть поведение боль шинства расплавов пластмасс псевдопластическое). Уравнения (2.8) и (2.9) были полу чены в предположении наличия ньютоновского (параболического) профиля скоростей. В реальных условиях псевдопластичные пластмассы имеют тенденцию «завихряться»,
Рис. 2.26. Значения кажущейся скорости сдвига изменяются вместе с изменением скорости потока расплава и геометрией поперечного сечения потока; на рисунке показано, что кажущаяся скорость сдвига вблизи стенок во впускном литнике значительно больше значения, которое наблюдается в литниковой системе из-за изменения профиля скоростей, вызванного уменьшением величины поперечного сечения
54 КОНСТРУИРОВАНИЕ ПЛАСТМАССОВЫХ ИЗДЕЛИИ ДЛЯ ЛИТЬЯ ПОД ДАВЛЕНИЕМ
что будет приводить к более высоким скоростям сдвига вблизи стенок и более низ ким скоростям сдвига в центре потока по сравнению с ньютоновскими жидкостями.
Определение кажущейся вязкости расплава
Кажущаяся вязкость расплава термопласта может быть определена, когда извест ны значения температуры расплава и кажущихся скоростей сдвига. В этом случае для высокопрочного полистирола значения кажущейся вязкости могут быть получены непосредственно из зависимостей вязкости, приведенных на рис. 2.25. Даже если мы сделаем предположения о постоянной температуре расплава (200 "С), вязкость рас плава в сечении формующей полости и в литниковой системе будет различной, по скольку кажущаяся скорость сдвига вблизи стенок будет также различной.
Определение величины перепада давления в форме
Общая величина падения давления АРс у м м при заполнении формующей полости будет равна сумме перепадов давления вдоль каждого участка течения расплава:
(2.10)
Перепады давления па отдельных участках могут быть вычислены, поскольку из
вестна их геометрическая форма, скорость потока и значения вязкости: |
|
цилиндрический капал |
(2.11) |
прямоугольный канал |
(2.12) |
Результаты упрощенного изотермического анализа приведены в табл. 2.3. Пере пад давления заполнения формующей полости, вычисленный по уравнению (2.10), может оцепить мгновенное значение давления при заполнении, как показа! ю на рис. 2.16. Хотя абсол ютное значение давления, которое было определено таким образом, будет приблизительным (ошибка связана с большим числом сделанных допущений), эта процедура помогает конструктору при выборе решений, связанных с получением сба лансированного потока расплава, а также в других случаях. Если есть возможность, то при расчетах всегда следует использовать методы компьютерного анализа.
ОСОБЕННОСТИ ЛИТЬЯ ПОД ДАВЛЕНИЕМ ИЗДЕЛИЙ ИЗ ПЛАСТМАСС (краткий очерк) |
55 |
2.2.4.Конструктивные способы регулирования (ускорения, ограничения) течения расплава в формующей полости
Направляющие/ограничители потока
Обычно считается, что надо добиваться наиболее равномерного распространения расплава по формующей полости. Идеально, если поток, распространяющийся из области впуска, достигает всех крайних точек на периферии формующей полости одновременно. Рассмотрим изделие, которое отливается под давлением через цент ральный литник (рис. 2.27). В начальной стадии заполнения наблюдается радиальное или дисковое течение потока расплава.
Фронт потока расплава достигает левой и правой сторон полости задолго до того, как верхняя и нижняя ее части оказываются полностью заполненными. Это приводит к ситуации, когда одна область отливки «переполнена», а другие еще недостаточно заполнены. Фактически это приводит к неравномерной усадке изделия, остаточным напряжениям в нем и короблению. Другие варианты литниковой системы с несколькими
Рис. 2.27. Заполнение формующей полости для прямоугольного изделия через центральный литник может привести к переуплотнению массы в месте впуска, а также к изме нениям направления течения расплава, когда он начинает течь между затвердев шими слоями (в «канале» между ними)
56 |
КОНСТРУИРОВАНИЕ ПЛАСТМАССОВЫХ ИЗДЕЛИИ ДЛЯ ЛИТЬЯ ПОД ДАВЛЕНИЕМ |
впусками для прямоугольной отливки показаны на рис. 2.28. Такие конфигурации могут быть реализованы с помощью горячеканальной литниковой системы или в трехплитной литьевой форме.
Как и в варианте с центральным литником (см. рис. 2.27), при двух впусках не удается избежать переуплотнения массы и изменения направления течения потока расплава, однако такие эффекты наблюдаются в гораздо меньшей степени. Следует заметить, что при двух впусках при слиянии двух фронтов потока образуется зона спая. На рис. 2.28 показано, что при трех впускных литниках заполнение становится более равномерным, однако углы отливки и удаленные области, где сливаются пото ки и образуются спаи, заполняются в последнюю очередь.
Из рассмотреных литниковых систем, вариант с тремя впусками оказывается наи лучшим с точки зрения выбора пути (то есть наиболее короткого) течения расплава и равномерного уплотнения. Именно этим вариантом расположения мест впуска сле дует пользоваться, если линии спая и следы от литников не будут ухудшать внешний вид пластмассовых изделий.
Хотя использование системы с тремя впусками (рис. 2.28) приводит к общему улучшению ситуации с заполнением, зоны углов изделия прямоугольной или квад ратной формы все же остаются участками, которые заполняются в последнюю оче редь, и это невозможно изменить при радиальном распространении потока. Однако заполнение может быть изменено таким образом, чтобы фронт потока расплава
Рис. 2.28. Увеличение количества впусков ускоряет заполнение формующей полости, однако это приводит к образованию линий спая
ОСОБЕННОСТИ ЛИТЬЯ ПОД ДАВЛЕНИЕМ ИЗДЕЛИЙ ИЗ ПЛАСТМАСС (краткий очерк) |
57 |
достигал самых удаленных зон в формующей полости одновременно со всеми други ми участками. Чтобы добиться такого сбалансированного заполнения, перепады дав ления расплава вдоль каждого потока — от впуска до конечной точки — должны быть одинаковыми (например, перепад давления от впускного литника до угла изделия должен быть равен перепаду давления на пути от впускного литника до крайней стен ки полости). Перепад давления расплава может быть сбалансирован за счет локаль ных изменений толщины изделия. Локальное (конкретное по месту и размеру) уве личение толщины стенки (для улучшения условий течения потока расплава) играет роль своего рода подпитывающих, ускоряющих поток внутренних литников (это «на правляющие» потоков); локальное уменьшение толщины стенки может способствовать ограничению течения потока расплава, создавая большее сопротивление заполнению более тонких участков отливки (это «ограничители» потоков). В отливках типа коробки (см. рис. 2.29) можно увеличивать толщину стенок в областях, находящихся по диагоналям вблизи углов изделия, чтобы улучшить течение, продвижение потока расплава в этих максимально удаленных от мест впуска участках. Это один из тех немногих случаев, когда конструктору приходится сознательно нарушать важное правило — сохранять в изделии, по-возможности, одинаковые толщины стенок. На практике неравномерность толщины стенок при таких решениях оказывается очень
Рис. 2.29. Конструктивные способы регулирования течения расплава могут быть использо ваны для более сбалансированного заполнения формующей полости
58 |
КОНСТРУИРОВАНИЕ ПЛАСТМАССОВЫХ ИЗДЕЛИЙ ДЛЯ ЛИТЬЯ ПОД ДАВЛЕНИЕМ |
незначительной. Компьютерный анализ даст полезные и важные рекомендации при конструировании изделий с «направляющими» и «ограничителями» потока расплава. При этом важно рассчитывать варианты путей течения потока расплава как отдель ных потоков конечной ширины с тем, чтобы получить сбалансированный перепад давления. «Направляющие» потока располагают локально и только на пути от места впуска по направлению к самым удаленным областям отливки, а «ограничители» (например, более топкие стенки или перегородки) могут быть установлены в тех зо нах формующей полости, которые без них легче всего заполнить. Такие конструктив ные изменения обычно делают в тех областях, поверхность которых не будет видна или будет малозаметна в готовом изделии
Конструктивно «направляющие» или «ограничители» потока должны быть так умело расположены в изделии, чтобы заранее предусмотреть риски, возникающие из-за получающейся разнотолщишюсти стенок (например, концентрация напряже ний, неравномерные охлаждение и усадка). Ребра, которые обычно используются для повышения прочности изделий, могут также применяться в качестве «направляющих» потока в тех случаях, когда точно рассчитан их размер и место расположения. Распре деление потока расплава в формующей полости будет также зависеть от конструкции системы охлаждения формы. При более высоких температурах литьевой формы те чение потока расплава будет более интенсивным.
Процесс заполнения формующей полости изделия, представленный па рис. 2.28, также может быть изменен при трех впускных литниках и расположенных в углах коробки, па диагоналях ускорителей течения, «направляющие» потока, локально увеличенные по толщине стенки изделия (см. рис. 2.28 и 2.30). Правильно сконстру ированные «направляющие» потока практически полностью устраняют недоливы и гарантируют равномерное уплотнение расплава, что способствует получению изде лий более высокого качества.
Например, очень трудно сбалансировать поток расплава в формующей полости при литье под давлением через центральный литник изделия (при показанных на рис. 2.27 соотношениях размеров), так как конструкция и вариант впрыска создают высокую стеиеньнесбалансировапности.
Три впуска и направляющие потока:
•наиболее равномерное за полнение расплавом и рас пределение давления в фор мующей полости
•образование двух линий спая
•для ускорения течения распла ва требуется изменять толщи ну стенок, либо добавлять реб ра в диагональных направ лениях
Рис. 230. Варианты равномерного заполнения расплавом формующей полости через три впуска и расположения направляющих потока вдоль диагоналей изделия
ЮБЕННОСТИ ЛИТЬЯ ПОД ДАВЛЕНИЕМ ИЗДЕЛИЙ ИЗ ПЛАСТМАСС (краткий очерк) |
59 |
Перетекание и завихрение потока расплава
Многие изделия функционально должны иметь переменную толщину стенок, хотя, в принципе, этого следует избегать. Переменная толщина стенок — источник неравномерной усадки (что уже обсуждалось в данной главе), а также затруднений при заполнении формующей полости [17].
Изделие, которое изображено на рис. 2.31, в центральной части относительно тон кое, а вокруг нее выполнен обод большей толщины. Конструктор расположил впуск со стороны обода, видимо, с тем расчетом, чтобы расплав в толстых стенках хорошо уплотнялся даже после затвердевания топкой центральной части. К сожалению, при таком варианте заполнение формующей полости начинается с утолщенной части из делия — обода, возле которого образуются «завихрения» расплава, поскольку он бу дет перетекать в область с минимальным сопротивлением. Расплав будет перетекать в центральную часть до тех пор, пока не заполнятся толстостенные зоны, после чего основной поток будет продолжать течение до полного заполнения. Подобные особен ности заполнения (перетекание и завихрения) могут приводить к возникновению воздушных ловушек и недоливов. В случае, изображенном на рис. 2.31, тонкая цент ральная часть изделия будет действовать как нежелательный «ограничитель» потока. Самый простой способ исправления данной ситуации заключался бы в обеспечении равпотолщишюсти изделия. Вообще, любые, даже необходимые изменения толщин изделия следует сводить к минимуму. Рациональное расположение впусков в тон костепных областях может упрощать их (областей) заполнение, но одновременно будут возникать проблемы, связанные с заполнением толстостенных областей. Для изделий с неременной толщиной особенно настоятельно рекомендуется проводить компьютерный анализ заполнения формующей полости, чтобы предупреждать или минимизировать негативные влияния перетекания потоков расплава и образования завихрений. На практике достигают сбалансированного распределения потока за счет изменения литниковой системы или регулирования толщин изделия.
Рис. 2.31. Когда изделия из термопластов имеют как толстые, так и тонкие стопки, при заполнении формующей полости расплав будет первоначально затекать и в зоны, соответствующие толстым стенкам, поскольку в этих местах сопротивление тече нию будет наименьшим
60 |
КОНСТРУИРОВАНИЕ ПЛАСТМАССОВЫХ ИЗДЕЛИЙ ДЛЯ ЛИТЬЯ ПОД ДАВЛЕНИЕМ |
Сравнение многогнездных и «семейных» литьевых форм
Многие пластмассовые изделия состоят из нескольких компонентов — деталей, полученных литем под давлением, для сборки которых надо применять дополнитель ные технологические операции, или предоставлять сборку потребителю. Когда изде лие состоит из нескольких деталей, тем более изготовленных из различных пластмасс, надо сконструировать их и изготовить комплект литьевых форм (или набор сменных вставок к одной форме), чтобы затем получить каждую из деталей (компонентов) такого изделия в отдельности. Альтернативой могут служить (если исключить ситуа ции, связанные с изготовлением прототипов или небольших партий изделий) многогнездные «семейные» формы с самозапирающимися впускными литниками (соплами), в которых отливают под давлением все необходимые детали одновременно, за один цикл (если детали, из которых собирается изделие, из одного и того же термопласта).
Выбор варианта — комплект одногиездных форм или сбалансированная миогогиездиая литьевая форма высокой производительности — более предпочтителен, чем вариант «семейной» формы. Однако при небольшом объеме производства «семей ная» форма (например, показанная на рис. 2.32) часто может рассматриваться как более экономичный вариант. Очень важно при этом подобные формы конструиро вать таким образом, чтобы каждое гнездо заполнялось одновременно, в один и тот же момент (как естественно сбалансированная многогиездная форма). Сбалансированного потока расплава в «семейных» формах можно добиться за счет правильного располо жения гнезд, а также за счет подбора размеров (длины и диаметра) литников с таким расчетом, чтобы выровнять перепад давления в каждой «ветви» потока. Нерационально
Впрыск в сбалансирован ную многнездную форму (слева):
•естественно сбалансиро ванный поток
•сбалансированное рас положение гнезд в фор ме буквы «Н»
•идентичные наборы мат риц/пуансонов
Четырехгнездная «семей ная» форма (справа):
•искусственно сбалансиро ванный поток
•отдельные контуры охлаж дения для каждого гнезда
•отдельные запирающиеся впускные литники в каждом гнезде
Рис. 2.32. Многогиездная и «семейная» литьевые формы должны обеспечивать сбалансиро ванный поток расплава, чтобы избегать возникновения перетекания или переуп лотнения расплава. Впускные литники с самозапирающимися соплами и при менение отдельных контуров охлаждения помогают технологам при запуске серийного производства пластмассовых изделий
ОСОБЕННОСТИ ЛИТЬЯ ПОД ДАВЛЕНИЕМ ИЗДЕЛИЙ ИЗ ПЛАСТМАСС (краткий очерк) |
61 |
сконструированную, несбалансированную форму затруднительно эксплуатировать, поскольку, например, одна из деталей может оказаться переуплотненной, с увеличенны ми размерами, а другая, наоборот, с уменьшенными размерами. Изменение условий литья под давлением в целях достижения заданной точности размеров одной детали
в«семейных» формах может автоматически привести к возникновению проблем с другими деталями. Когда необходимо изготавливать детали в «семейной» форме, важно так ее сконструировать, чтобы каждое гнездо имело отдельный контур охлаж дения. В этом случае возможно производить регулировку температуры для каждой формующей полости, что дает технологам дополнительные «рычаги» управления про цессом. Дополнительным «преимуществом» применения самозапирающихся впуск ных литников (сопел) является возможность — в качестве последнего средства — производить деталь индивидуально. Самозапирающиеся сопла устанавливаются
втаких местах, где легче разместить «ограничители» потока. Хотя эксплуатация «се мейных» форм вызывает определенные неудобства, они имеют и очевидные преиму щества. Например, практически устраняется проблема совпадения цвета отдельных деталей, поскольку все детали отливаются в одинаковых условиях и за один впрыск.
Производственные затраты па подготовку к сборке и транспортировку могут быть минимизированы, поскольку в результате одного впрыска получают необходимый для сборки изделия комплект, поставляемый покупателю.
Расположение мест впуска для литья под давлением разнотолщинных отливок
Когда в изделии из пластмассы, получаемом литьем иод давлением, имеются обла сти различной толщины, следует отдавать предпочтение расположению впусков в бо лее толстых местах отливки, как показано на рис. 2.31 и 2.33. Более толстая область отливки требует большего количества материала при заполнении формующей полости и большей компенсации усадки, поэтому место впуска должно располагаться как можно ближе именно к пей. Если это не сделано, то топкие участки, расположенные между впуском и толстостенной областью, будут затвердевать раньше, а из-за этого будет утрачена возможность достаточно плотно заполнить расплавом утолщение в этой области, а также обеспечить хорошее качество поверхности изделия. Слишком далекое от толстостенных участков расположение мест впуска будет приводить к внешним де фектам. Если по какой-либо причине впускной литник должен быть установлен в тонко стенной области, то можно создать «направляющий» поток — внутренний литник или модифицированное ребро — чтобы сохранить открытым канал для течения расплава на стадиях уплотнения и выдержки под давлением, как показано на рис. 2.33 [18].
Расположение впусков в толстостенных областях пластмассового изделия дает воз можность управлять процессом заполнения формующей полости. При этом возможно создать условия для получения не всегда желательного так называемого «струйного» заполнения [ 19]. Струйное заполнение возникает, когда впрыск осуществляется в глу бокую открытую полость. При струйном заполнении расплав не распространяется фон танирующим фронтом. Если происходит струйное заполнение, то нельзя получить ка чественную поверхность, хороший внешний вид изделия. Струи расплава (которые похожи на переплетеные веревки), будут затвердевать еще на ранних стадиях заполне ния формы, что не позволяет им нормально смешиваться (и свариваются) друг с дру гом. При этом будут снижены уровни механических и химических свойств изделий.
62 |
КОНСТРУИРОВАНИЕ ПЛАСТМАССОВЫХ ИЗДЕЛИЙ ДЛЯ ЛИТЬЯ ПОД ДАВЛЕНИЕМ |
Рис. 2.33. Изделия с различной толщиной стенок надо отливать под давлением, располагая места впуска, по-возможпостп, в зонах формования толстых элементов изделия, чтобы уменьшать риски образования усадочных утяжин или пустот. При необходи мости располагать впуск в тонкостенной зоне могут быть добавлены внутренние литники («ускорители») потока распава, для чего можно использовать технологи ческие или специальные конструктивные ребра, обеспечивающие уплотнение рас плава
Рис. 2.34. Струйное заполнение может воз никать при впрыске расплава в глубокую открытую полость. Вероятность образования струй ного заполнения может быть уменьшена за счет правильной конструкции впускного литни ка или благодаря применению какого-либо конструктивного препятствия: происходит изме нение профиля скоростей потока расплава и улучшение условий формирования фронта распла ва при его поступлении в по лость