литература / Konstruirovanie_plastmassovykh_izdeliy_dlya_litya_pod_davleniem

Рис. 2.35. Когда наблюдается эффект струйного заполнения, изделие, как правило, имеет дефекты поверхности, отличается плохим внешним видом. Струйное заполнение может также приводить к ухудшению механических свойств изделия

Эффекты струйного заполнения могут быть минимизированы при конструиро­ вании литьевой формы. Например, короткая длина впускного литника дает возмож­ ность потоку расплава расширяться при поступлении в полость благодаря упругим свойствам расплава и «эффекту памяти» материала. Конструктор экструзионной го­ ловки должен поступать наоборот, то есть использовать длинные формующие щели, что даст возможность минимизировать эффект «расширения» расплава, который наблюдается, когда экструдат выдавливается, выходит из головки экструдера. Для минимизации возможных дефектов изделий при струйном заполнении могут быть использованы сопла большого диаметра и особенно сопла в форме обратного конуса. При осуществлении впрыска в глубокую полость специально создают препятствия течению, распространению потока (например, с помощью вставок-шпилек в форме

ит. п.), уменьшающие вероятность возникновения эффекта струйного заполнения.

Взаключение рассмотрим отливку в виде диска (рис. 2.36, а-е). Отливка имеет тонкий центральный диск, по краю которого расположен относительно толстый обод. Существуют определенные схемы расположения впусков, которые могут быть ис­ пользованы для получения подобных изделий из термопластов. Каждая из этих схем имеет некоторые преимущества и недостатки.

Расположение места впуска в центре в верхней части изделия

Центральное расположение впуска имеет следующие преимущества: сбалансирован­ ный поток расплава, равномерная вентиляция вдоль линии разъема формы и отсутствие /in ний спая. Однако за) юлнение формующей i юлости происходит из тонкостенной зоны в толстостенную, что способствует образованию усадочных утяжин или пустот.

Расположение места впуска в торце изделия

Расположение впуска в торце изделия будет улучшать уплотнение толстостенной зоны, однако расплав будет создавать кольцевые завихрения вдоль обода, при этом из-за перетекания потока расплава могут образовываться линии спая и возрастать вероятность образования воздушных пузырей или неполного впрыска. В изделии изза этого может возникнуть дефект, заключающийся в искажении его правильной гео­ метрической формы.

Рис. 2.37. Типичная схема последовательности формирования линии спая. Линии спая воз­ никают, когда фронт расплава разделяется и затем снова соединяется в более удаленном от места впуска участке. Линия спая возикает также, когда использует­ ся система с многоточечными впусками или при обходе расплавом пуансонов, знаков и при возникновении эффекта струйного заполнениия формующей полости

Линии спая на поверхности отлитого изделия часто выглядят как неглубокие тре­ щины, они видны невооруженным взглядом и считаются неприемлемыми с точки зрения качества поверхности, внешного вида многих изделий.

Механические напряжения локального характера в области спая должны быть су­ щественно ниже, чем в других областях изделия. Это главное условие для изделий, которые будут использоваться иод воздействием динамических нагрузок [20,21]. Не­ обходимо считаться с возможностью преимущественного разрушения изделия (из-за разницы в структурных свойствах термопласта в области спая и в монообластях). На­ личие линий спая создает одну из очень важных проблем для конструктора изделия.

Большое количество работ было посвящено исследованию прочности и внешнего вида изделий в области линий спая 120-42], и существует несколько простых и чет­ ких правил, которые могут быть использованы конструкторами. Конструктор дол­ жен учитывать, что прочность, химическая стойкость и внешний вид изделия в обла­ сти спая, соответственно и линии спая, зависят от следующих общих факторов:

•выбора материала;

•конструкции изделия;

•конструкции литьевой формы;

•условий переработки.

Враспоряжении конструктора недостаточно данных для предварительной оценки прочности изделий в области спая, тем более что от условий переработки существен­ но зависит и качество изделия, включая его внешний вид. К сожалению, эксплуата­ ционные характеристики изделия в области линии спая предсказать и рассчитать достаточно сложно. Линии спая должны прогнозироваться, «размещаться» конст­ руктором таким образом, чтобы они не были заметны на лицевой стороне изделия

ине сказывались бы на его эксплутационных характеристиках. Конструктор изделия может варьировать элементы конфигурации изделия, его толщину и расположение впускных литников, чтобы расположить линии спая необходимым образом.

Рис. 2.38. В области спая, соответственно по линии спая, нарушается механическая целост­ ность изделия; обычно это создаст особо сложную проблему, если линии спая рас­ полагаются вблизи отверстий, используемых для сборки. Чтобы избежать этого, нужно стрелками показать направления потоков расплава при заполнении форму­ ющей полости. Линии спая всегда должны быть объектом особого внимания, когда необходимо предусматривать в изделии отверстия для последующей сборки

Когда отверстия предназначены для присоединения, например, механических фиксаторов, то вокруг них (отверстий) возникают значительные локальные напря­ жения. Выбирая расположение мест впуска, конструктор должен гарантировать наи­ более рациональное решение проблемы, связанной с линиями спая. Например, воз­ можно оказывать воздействие на прочность области спая, меняя длину потоков распава перед их слиянием (рис. 2.39).

В конкретых случаях может оказаться целесообразным конструировать литнико­ вую систему с большим количеством линий спая, чем в альтернативном варианте литья под давлением того же изделия, допускающем заполнение формующей полос­ ти с образованием меньшего числа таких линий (рис. 2.48).

Практически невозможно заранее точно определить, какова будет прочность в области линии спая. «Предсказание» внешнего вида поверхности представляет со­ бой еще более сложную задачу. Большинство текстурированных поверхностей в соче­ тании с использованием слабоокрашенных пластмасс позволяет скрывать недостатки поверхности, связанные с видимыми линиями спая, что дает возможность отказаться от дополнительного окрашивания изделия в большинстве (но не во всех) случаях.

Компьютерный анализ с использованием С./Ш-систем оказывает неоценимую помощь конструктору при расчете заполнения формующей полости и при рассмотре­ нии проблем, связанных с образованием линий спая; он используется для предсказа­ ния места расположения линий спая даже для изделий с очень сложной геометриче­ ской формой. После проведения предварительного анализа, до изготовления литьевой формы, конструктор может изменить предлагаемую конфигурацию изделия или рас­ положение литниковой системы, чтобы линии спая образовались в наименее кри­ тичных зонах. Некоторые компьютерные программы, используемые для моделирова­ ния поведения потока, автоматически определяют расположение линий спая [22,23]. Однако никакая из них не позволяет однозначно определять прочность изделия в об­ ласти спая и внешний вид поверхности изделия в соответствующем месте. Но если

Один внутренний впуск­ ной литник:

две линии спая большая длина потока

Два внутренних впуск­ ных литника:

• три линии спая

• уменьшенная длина потока

Рис. 2.39. Варианты литниковых систем, которые могут быть использованы для представ­ ленного изделия: с различным числом и области образования линий спая. Компью­ терный анализ процесса заполнения формующей полости позволяет определять подходящие варианты области образования линий спая, но не позволяет при этом давать оценку уровня механических (прочностных) свойств или качества поверх­ ности изделия

конструктор определит такие параметры моделируемого процесса, как температура расплава или распределение температуры по толщине изделия в зоне линии спая, и учтет, что «горячие» расплавы создают более прочный спай, возможно сделать точ­ ные предположения о прочности и внешнем виде изделия. Это с большей вероятно­ стью приводит к успеху, чем если конструктор производит необходимые сравнения, основываясь только на предыдущем опыте.

Пониженная (по сравнению со всем объемом изделия) или невысокая прочность в зоне линии спая может быть вызвана целым рядом факторов, каждый из которых играет решающую роль. «Вклад» каждого фактора определяется типом материала, конструкцией изделия, конструкцией литьевой формы и параметрами технологи­ ческого процесса литья под давлением.

Кэтим факторам относятся [22, 24]:

•незавершенность структуры слившихся потоков в области спая и недостаточ­ ная диффузия макромолекул;

•неблагоприятная ориентация макромолекул и/или армирующих волокон при затвердевании;

•образование V-образных канавок на поверхности изделия в зоне линий спая;

•появление частиц посторонних включений типа геликов и/или микропор на поверхности изделия в зоне линий спая.

На рис. 2.40 показано, что для достижения более однородной прочности изделия в зоне спая («сварки») необходимы полная диффузия макромолекул и соответству­ ющее их «переплетение». Любые параметры процесса, увеличивающие температуру расплава в области спая, будут увеличивать его прочность. Соответственно, и темпера­ тура расплава в формующей полости на участках, близких к поверхности, аналогично влияет на прочность изделия в зоне линии спая. Подобные рассуждения справедливы и для давления расплава. Температуру формы, давление выдержки и длительность вы­ держки под давлением тоже следует учитывать, но эти параметры в большой мере зависят от конкретной марки термопласта. Температура расплава в области спая яв­ ляется наиболее важным параметром процесса, влияющим на подвижность макромо­ лекул. «Подогретые» (в допустимых пределах) расплавы интенсивнее заполняют формующую полость, что способствует быстрому и интенсивному «переплетению», смешению потоков расплава, следовательно, и большей прочности материала. Но при этом появляется опасность деструкции материала и трудности, связанные с удалени­ ем летучих газов. Прочность линии спая можно улучшить за счет уменьшения длины течения потока расплава, поскольку это приводит к обеспечению более благоприят­ ной температуры и давления в области спая.

Рис. 2.40. Чтобы добиться достаточно однородной прочности термопласта в области лини спая (в том числе и на поверхности), в процессе течения расплава должна про­ изойти диффузия и «переплетение» макромолекул термопласта из разных потоков

На рис. 2.41 видно, что зона с «хорошим» спаем потоком расположена между зонами с «плохим» спаем. Такую ситуацию называют «состоянием, ведущим к обра­ зованию трещины». В крайних (вверху и внизу) зонах диффузия не достигает значи­ тельной интенсивности, а макромолекулы, имеющие неблагоприятную ориентацию, оказываются в «замороженном» состоянии, которое может возникать из-за фон­ танного движения фронтов потоков расплава перед их слиянием. В одной из работ,

Рис. 2.41. Линия спая представляет собой V-образную канавку, которая видна на поверхности изделия. В области липни спая (по сечению изделия) имеются зоны как с хорошим, так и с плохим спаем (соединением). Зоны «плохого» спая образуются из-за недоста­ точной диффузии макромолекул, а также их неблагоприятной ориентации, которая возникает в результате фонтанирующего течения соединяющихся фронтов расплава

посвященной этой теме [21], было указано, что глубина зоны «плохого» спая для ПС может достигать значения от 0,2 до 0,3 мм. Дефект в форме канавки обычно наблюда­ ется визуально. Канавка не только портит внешний вид изделия, но и является кон­ центратором напряжений, что опасно для изделия, работающего на растяжение или изгиб. Образование канавки связано с влиянием большого количества факторов, включая и трудности при удалении воздуха/газа, образующихся при соприкосно­ вении фронтов потоков расплава. Использование специальных знаков в форме для удаления газов и предотвращения образования воздушных ловушек в области спая улучшает внешний вид. Однако знаки оставляют следы на поверхности, которые тре­ буется удалять (дополнительная операция). Удаление воздуха и газов из формующей полости с помощью вакуумной вентиляции перед впрыском расплава используется, когда к внешнему виду изделия и его эксплуатационным характеристикам предъяв­ ляются высокие требования. Кроме основного назначения, вакуумная вентиляция способствует уменьшению времени заполнения формующей полости, а это дополни­ тельно влияет на размер средней зоны с хорошим соединением.

2.3.2. Типы линий спая

При описания типов линий спая используются различные термины. Мы уже отмечали, что линии спая возникают как следствие разделения и последующего соединения фронтов потоков расплава. Разделение потока расплава происходит изза необходимости обойти пуансон, знак или при наличии нескольких мест впуска (рис. 2.42). Условно стенки литьевой формы, окружающие литниковую систему, можно считать как бы пуансоном, который обходит на своем пути поток расплава; после выхода расплава из разных впускных литников потоки сливаются уже в фор­ мующей полости.

Рис. 2.42. Линии спая в формующей полости могут возникать при нескольких впусках или при огибании потоком расплава пуансонов, знаков

Линии спая можно более точно классифицировать по объему расплава, который бу­ дет участвовать в объединении потоков. Линия спая может возникнуть, когда фронты расплава, которые переметаются в разных направлениях, встречаются и практически немедленно затвердевают. Этот тип линии спая называется стыковым, или холодным. В других случаях после соединения фронтов расплава происходит дополнительная пода­ ча расплава в формующую полость. Этот тип линий спая обычно называется сплавлен­ ным, потоковым, или горячим. Считается, что стыковые линии обычно обладают самым низким качеством. Примеры разных типов линий спая изображены на рис. 2.43.

Стыковая, или холодная линия спая

Сплавленная, или потоковая (т. н. горячая) линия спая

Рис. 2.43. Линии спая можно классифицировать по степени перемещения потока после контак­ та фронтов встречных потоков расплава. В случае стыковых, или холодных, линий спая фронты потоков расплава останавливаются сразу после соединения. Термины «сплавленная» или «потоковая» линии используются для характеристики линий спая, после образования которых поток продолжает поступать в формующую полость

Характер расположения линий спая обусловлен углом, под которым встречаются два фронта потоков (рис. 2.44). Исследования показывают, что линии спая практически исчезают, когда потоки встречаются под так называемым «нулевым углом». Установлено, что этот угол находится в пределах от 120° до 150° — в зависимости от марки материала. Величина угла спая может быть использована при компьютерном моделировании для более уверенного прогнозирования прочности спая [29]. Конструктор должен уде­ лять внимание и такому фактору, как paci юложение и число nyai ICOHOB — соответственно, линий спаев после обтекания пуансонов потоками расплава. Конструкция в виде ре­ шетки, состоящая из набора пуансонов или знаков небольшого размера, создает много