литература / Konstruirovanie_plastmassovykh_izdeliy_dlya_litya_pod_davleniem
.pdf
ОСОБЕННОСТИ ЛИТЬЯ ПОД ДАВЛЕНИЕМ ИЗДЕЛИИ ИЗ ПЛАСТМАСС (краткий очерк) |
73 |
2.3.3.Учет особенностей термопластов при конструиро вании изделий со спаями
Наличие в изделии областей (линий) спая создает конструктору проблемы в большей или меньшей степени. Уровень этих проблем зависит от особенностей мор фологии, величины средней молекулярной массы и набора добавок в термопластах. В табл. 2.4 для различных термопластов приведен набор таких коэффициентов, как отношение (в %) показателя прочности на растяжение образна, отлитого с образо ванием стыковой линии спая, к такому же показателю для образца отлитого без спая. Для оценки используется коэффициент сохранения прочности материала (в области спая). Коэффициенты сохранения прочности получены на образцах для испытаний на растяжение, которые были отлиты через впускные литники, располо женные в обоих торцах изделия, так что при сравнительно короткой длине пути рас плава получается стыковая линия спая. Следует ожидать, что значения коэффициен тов сохранения прочности будут отличаться от приведенных, если образцы для испытаний будут отличаться от использованных для получения данных таблицы (то есть другой конфигурации, толщины, при других длинах течения потока расплава и углах линий спая). Они могут также сильно изменяться от одной марки материала к другой, поскольку как средняя молекулярная масса, так и набор добавок оказывают сильное влияние на свойства спая. Однако данные табл. 2.4 оказываются полезными для пояснения некоторых фактов.
Данные получены при испытании на растяжение образцов, отлитых через впуски, располо женные с обоих торцов отливки.
74 |
|
КОНСТРУИРОВАНИЕ ПЛАСТМАССОВЫХ ИЗДЕЛИЙ ДЛЯ ЛИТЬЯ ПОД ДАВЛЕНИЕМ |
Коэффициенты прочности для неармированных пластмасс (как для аморфных, так и частично кристаллических) обычно находятся в пределах 80-100 %. Исследо вания показывают, что для неармированных стекловолокном аморфных пластмасс температура расплава и, в меньшей степени, скорость впрыска значительно влияют на прочность спая. Температура стенок форм ы не оказывает такого влияния, так как даже относительно высокие температуры стенок формы все же ниже температуры стекло вания термопласта. Однако для частично кристаллических термопластов такие пара метры, как температура расплава, температура стенок формы, скорость впрыска и опе рация нормализации отливки после изготовления, существенно влияют на прочность спая [31]. Следует указать, что «приемлемое» значение коэффициента сохранения прочности материала в области спая само по себе недостаточно для полной экс плуатационной характеристики качества изделия в данной области. Даже при хоро шем сохранении прочности спаи могут не обладать необходимой прочностью при ударных или усталостных нагрузках, при воздействии химических веществ.
Если коэффициенты сохранения прочности спая для ненаполнештых термоплас тов могут быть относительно высокими (при правильном выборе расположения впус ков и условий переработки), то для наполненных термопластов с добавками они принимают самые разные значения. Такие добавки, например, как (антипирены ог незащитные составы) или применяемые смазки, облегчающие извлечение отливок из формы, могут оказывать негативное влияние на эксплуатационные характеристи ки спаев: в зоне спая будут накапливаться примеси. В табл. 2.4 даны относительные значения коэффициентов сохранения прочности спаев, а не абсолютные значения проч ности материала в данной области. Уменьшение прочности спая зависит от типа напол нителя/армирующего компонента, уровня нагрузки и марки термопласта. В общем слу чае процент потери прочности в области спая увеличивается с повышением процента армирующего компонента в термопласте и отношения диаметра волокна к его длине. Процент потерь для высокого отношения диаметра волокна к длине, как в случае длинных волокон, наибольший, затем следуют обычные короткие волокна, и, нако нец, размолотые волокна и шарики. Уменьшение прочности спая для армированных волокнами термопластов происходит из-за локальной анизотропии в зоне спая, ко торая может создаваться из-за ориентации волокон как следствие эффекта фонтани рования встречных потоков расплава.
Рис. 2.46. Прочность линий спая для армированных волокнами термопластов может умень шаться из-за нежелательной ориентациии волокон в области спая, — как след ствие эффекта фонтанирования встречных фронтов потоков расплава
ОСОБЕННОСТИ ЛИТЬЯ ПОД ДАВЛЕНИЕМ ИЗДЕЛИЙ ИЗ ПЛАСТМАСС (краткий очерк) |
75 |
У термопластов, армированных длинными волокнами, спай будет менее прочный, чем у термопластов, армированных более короткими волокнами. Исследования по казали, что коэффициенты сохранения прочности спая для таких материалов относи тельно малы, когда концентрация волокон слишком высока [30, 34]. Эти армирован ные термопласты отличаются в общем высокой прочностью и жесткостью, хорошим сопротивлением ползучести и стабильностью размеров изделия. Однако конструк тор должен обращать внимание на потенциальную возможность возникновения ани зотропной ориентации макромолекул и тщательно выбирать вариант литниковой си стемы.
Результаты, приведенные на рис. 2.47 для сополимера стирола с малеиновым ан гидридом, армированного длинными стекловолокнами (42 %), показывают, что этот материал имеет прочность на изгиб 200 МПа в продольном направлении и 125 МПа в поперечном направлении (в образце без линий спая). Прочность образцов со сплавленной линией спая составляет приблизительно 75 МПа. Скорость впрыска также оказывает некоторое влияние на прочность спая, но самым существенным является сам факт образования спая. При работе с термопластами, имеющими вы сокий процент наполнителей или армирующих добавок, а также при работе с из делиями сложной геометрической формы, конструктор должен проявлять максималь-
Рис. 2.47. Анизотропное поведение расплава и прочность спая должны учитываться при ис пользовании термопластов, армированных волокнами. Результаты эксперименталь ного исследования, выполненного на образцах из сополимера стирола с малеиновым ангидридом, армированного длинными волокнами, показывают, что показатели проч ности материала на изгиб в направлении течения потока существенно больше, чем показатели прочности в направлении, перпендикулярном течению потока
76 |
КОНСТРУИРОВАНИЕ ПЛАСТМАССОВЫХ ИЗДЕЛИЙ ДЛЯ ЛИТЬЯ ПОД ДАВЛЕНИЕМ |
Рис. 2.47. Окончание
нос внимание. Необходимо избегать использования термопластов с высоким содержа нием армирующих наполнителей, когда геометрическая форма изделия не позволяет избежать образования большого количества спаев. Предпочтительнее применять тер мопласты с небольшим наполнением (примерно 10-25 %). Эти материалы, даже если значения их модулей упругости не слишком велики, не создают значительных проблем, связанных с ориентацией, а коэффициенты сохранения прочности спая
уних выше.
2.3.4.Возможности улучшения эксплуатационных характеристик спая и внешнего вида поверхности изделия в области линий спая
На прочность и внешний вид поверхности изделия в зоне спая можно в какой-то степени повлиять за счет изменения температуры расплава. Любой параметр, как от мечалось выше, изменение которого приводит к увеличению температуры расплава и давления в зоне соприкосновения фронтов потоков, будет оказывать положительное воздействие на качество спая, поскольку будет способствовать лучшему «переплете нию», смешению макромолекул и армирующих волокон разных отоков в этой области. Конструкция литьевой формы, особенно ее литниковой системы, также влияет на качество спая. Удлиненные сопла термопластавтомата или горячеканальные литни ковые системы будут способствовать повышению качества спая, поскольку они по зволяют лучше управлять температурой расплава. Компьютерный анализ вариантов
ОСОБЕННОСТИ ЛИТЬЯ ПОД ДАВЛЕНИЕМ ИЗДЕЛИЙ ИЗ ПЛАСТМАСС (краткий очерк) |
77 |
течения расплава в формующей полости при литье под давлением изделия, имеюще го спаи, позволяет определить величину относительного влияния на температуру рас плава таких параллельно происходящих процессов, как вязкостное нагревание и кон тактное охлаждение.
Рассмотрим изделие на рис. 2.48. Изделие типа обода (колеса) может быть отли то под давлением через один впуск по краю изделия в литьевой форме с одной плос костью разъема (двухилитной). Эта литниковая система ухудшает качество стыко вой линии спая, расположенной напротив впуска, особенно для изделий с большим диаметром (то есть при большой длине пути расплава до линии спая).
Рис. 2.48. Образование стыковых линий спая создает области с пониженной прочностью, особенно при значительной длине течения потока расплава. Изделие типа обода (колеса), изготовленное с помощью лучевой литниковой системы, имеет большее число линий спая, однако эти линии спая создаются потоками расплава с мень шими длинами течения. Можно также предусмотреть углубление для приема из бытка материала, которое эффективно располагает линию спая в плоскости разъема литьевой формы
Одним из способов, который позволяет улучшить прочность спая, является спе циально предусмотренные в конструкции формующей полости углубления для при ема избытка материала. Это приводит к эффективному изменению линий спая плос кости вместо стыковых — в прочные сплавленные линии. Добавление углубления для приема материала «со спаем» уменьшит проблемы с изделием, которое в процессе эксплуатации может разрушиться именно в области спая; для этого можно достаточ но просто модернизировать существующую форму. К сожалению, это приведет к из быточным затратам термопласта и к необходимости удаления избытка — бобышки. Другим вариантом литниковой системы для такого типа изделия может быть внут ренняя лучевая литниковая система. Эта многоточечная система впусков (обычно в ней используются 2,3 или 4 впускных литника) приводит к образованию большого количества стыковых линий спая. Однако благодаря уменьшенной длине пути тече ния разветвленного потока расплава и поэтому лучше «сохраненной» его темпера туре каждый спай будет прочнее но сравнению со спаем в изделии, изготовленном
78 |
КОНСТРУИРОВАНИЕ ПЛАСТМАССОВЫХ ИЗДЕЛИИ ДЛЯ ЛИТЬЯ ПОД ДАВЛЕНИЕМ |
с использованием одного впуска. Расположение впусков по касательной, как показа но на рис. 2.49, относится к альтернативному варианту — по отношению к обычной системе расположения впуска по краю изделия.
Рис. 2.49. Литниковые системы с расположением впуска по касательной могут быть ис пользованы вместо обычной системы с расположением впускного литника по краю изделия в целях изменения характера заполнения формующей полости и улучшения прочностных характеристик области спая
Вакуумное вентилирование Формующая полость должна вентилироваться вдоль линии разъема формы и в глу
боких канавках (например, в области расположения ребер или бобышек), чтобы пол ностью удалить воздух, а также образующиеся летучие компоненты расплава из формы во время ее заполнения. Вентиляционные отверстия в плоскости разъема формы можно использовать для удаления газов из области спая при образовании стыковых линий спая, как правило, расположенных вблизи разъема формы.
Вентиляционные знаки применяются, когда спай изолирован от плоскости разъе ма. К сожалению, вентиляционные знаки (или толкатели с вентиляционными кана лами) имеют определенные недостатки: они могут оставлять следы на отливке, могут закупориваться, например, смазкой для литьевых форм, их труднее чистить/обслу живать, чем вентиляционные отверстия, расположенные вдоль линии разъема формы, их расположение может влиять на схему охлаждения формы. Их зачастую трудно раз местить так, чтобы попасть в область спая, учитывая ее определенную «подвиж ность» из-за влияния многих технологических параметров на реальный ход процесса заполнения формующей полости. Вакуумным называется вентилирование, при кото ром из формующей полости принудительно удаляется воздух и летучие газы в про цессе заполнения формы расплавом. Этот способ вентилирования формы позволяет избежать недостатков, связанных с использованием вентиляционных знаков и т. п. [43,44]. Стандартная система вакуумной вентиляции состоит из вакуумного насоса, вакуумного резервуара (баллона) и клапана с электромагнитным управлением, она соединяет форму и вакуумный резервуар, а элементы ее управления вынесены на пульт управления термопластавтомата. Очень важно, чтобы препятствия на пути воз душного потока между формующей полостью и вакуумной системой были мини мальными, чтобы не препятствовать свободному перемещению воздуха. Вакуум в по лости формы должен создаваться до поступления расплава, и его следует сохранять в течение всего времени, пока вентиляционные отверстия закрыты. Электромагнит ный клапан открывается в момент впрыска (или несколько ранее) и закрывается,
ОСОБЕННОСТИ ЛИТЬЯ ПОД ДАВЛЕНИЕМ ИЗДЕЛИЙ ИЗ ПЛАСТМАСС (краткий очерк) |
|
79 |
когда заполнение формующей полости завершается. В течение оставшейся части цик ла литья происходит восстановление вакуума в вакуумном резервуаре таким обра зом, чтобы подготовиться к следующему циклу литья под давлением. Величина вакуума в вакуумном резервуаре должна поддерживаться на определенном уровне в течение всей стадии заполнения, даже при быстром поступлении воздуха при открывании электромагнитного клапана. Для этого требуется применять вакуумный резервуар относительно большого размера. Системы вакуумной вентиляции могут быть подсо единены к форме через вентиляционные отверстия, расположенные в линии разъе ма формы. Проникновение воздуха через другие места (например, через плоскость разъема, отверстия для толкателей и т. п.) должно быть сведено к минимуму. Этого можно добиться за счет использования уплотнительных колец и прокладок различ ного тина.
Растворители
В работе [33] было показано, что контролируемое воздействие паров растворите ля после завершения цикла литья под давлением повышает прочность линий спая у отливок из аморфных пластмасс, например, у АБС-пластика (сополимера акрилонитрила, бутадиена и стирола). Процесс по своей сути аналогичен процессу полиро вания паром, который также используется для восстановления хорошего блеска по верхности у покрытого трещинами изделия из АБС-пластика. Воздействие паров растворителя в течение нескольких секунд (если будет достигнута достаточно боль шая глубина его проникновения) может повлиять в определенной степени на «замо роженную» ориентацию макромолекул и способствовать их лучшему «переплете нию». Растворитель также способствует уменьшению размеров V-образной канавки
[ линии спая. Показано, что комбинация факторов, способствующих «залечиванию» линий спая, будет улучшать у изделий из АБС-пластика противоударные характери стики, но это достаточно сложно применять на практике.
Литье под давлением термопластов с применением циклического воздействия
на расплав (Multi-Live Feed Injection Molding, LFIM)
Относительно новая специальная технология процесса литья под давлением по лучила название литье под давлением с управляемой ориентацией за счет сдвига
{Shear Controlled Orientation Injection Molding, SCORJM®) [45-48]. Это модифициро ванный процесс, который может быть реализован несколькими способами, но с обя зательно несложной доработкой термопластавтоматов. Он может быть использован для значительного уменьшения количества областей (соответственно, линий) спая, минимизации риска образования утяжин и микропор, а также для контроля или управления ориентацией как макромолекул, так и армирующих волокон.
Способ, который показан на рис. 2.50, реализуется с помощью литьевой установ-
\ки, состоящей из трех основных компонентов. Головка или адаптер, присоединенный
кторцу материального цилиндра стандартного термопластавтомата, заменяет стан дартное сопло. Привод устройства осуществляется от встроенного гидравлического силового блока, а управление выполняется электроникой. Литьевые формы, которые используются в этой технологии, должны иметь, по крайней мере, два впуска. Литье вая форма (рис. 2.50) имеет два впускных литника, расположенных в подвижной ее части. Начальная фаза процесса литья под давлением по сути проходит без изменений:
Рис. 2.50. Технология литья иод давлением термопластов с применением циклического воздействия на расплав — для повышения прочности термопласта в области спая, управления ориентацией армирующих волокон и макромолекул (с разреше ния Scortec Division, British Technology Group USA)
ОСОБЕННОСТИ ЛИТЬЯ ПОД ДАВЛЕНИЕМ ИЗДЕЛИЙ ИЗ ПЛАСТМАСС (краткий очерк) |
|
81 |
расплав впрыскивается через подогретую головку (адаптер) в форму. Впрыск может осуществляться через один или два впуска. Как только форма будет заполнена рас плавом, поршни гидравлической системы начинают перемещаться в прямом и обрат ном направлениях, создавая вибрационные колебания расплава. Когда один поршень начинает сжимать расплав, то он выдавливает его через формующую полость и впуск ной литник в другой цилиндр. Затем процесс повторяется в обратном порядке, а рас плав перемещается в обратном направлении, «размывая» область спая (соответственно
илинии спая на поверхности отливки). Это перемещение расплава в разных направ лениях выполняется несколько раз. Поскольку перемещается только подвижная горя чая центральная часть расплава, то таким образом возможно управлять ориентацией макромолекул или армирующих волокон в термопластах. Когда используются четыре впускных литника (например, по одному с каждой стороны прямоугольной отлив ки), то, как правило, при заполнении формующей полости впуски работают попарно,
иможет быть достигнута необходимая ориентация во взаимоперпендикулярных на правлениях. После окончания фазы 1 (см. рис. 2.50), то есть после нескольких циклов движения поршней в разных направлениях, каждая из пар поршней начинает рабо тать синхронно. В течение одного или нескольких циклов при синхронном действии поршней, но под действием сил сжатия происходит максимально плотное и равно мерное заполнение расплавом формующей полости. В конце второй фазы все поршни одновременно сжимают расплав в полости до тех пор, пока впускные литники не «замерзнут» (то есть осуществляется и завершается обычная стадия выдержки под давлением). Этот уникальный способ оказался очень эффективным для «залечива ния» линий спая, особенно при использовании термопластов, армированных волок нами, поскольку позволяет эффективно управлять ориентацией как макромолекул, так и армирующих волокон.
Литье под давлением по технологии Push-PullMolding
Эта специальная технология литья под давлением почти аналогична предыдущей также была разработана сравнительно недавно [49-51 ]. Она может быть использована для «размывания» области спая и позволяет эффективно управлять как ориентацией макромолекул, так и армирующих волокон. Но для ее реализации требуется термопластавтомат с двумя модулями впрыска - материальными цилиндрами (рис. 2.51). Один из этих модулей является основным, а второй — дополнительным. В простей шем случае форма имеет два капала, через которые осуществляется процесс ее запол нения. Через основной канал происходит избыточное заполнение формующей поло сти, при этом через перепускной канал избыток расплава проходит во второй модуль, образуя в его материальном цилиндре некоторый объем расплава. После первона чального заполнения формы цикл повторяется, уже в обратном направлении, так что избыточный расплав будет передаваться уже в основной материальный цилиндр. Такое перемещение расплава может быть осуществлено несколько раз в течение всего цикла литья конкретного изделия. При этом спай эффективно «размывается», по скольку расплав в формующей полости несколько раз проходит через область его образования. Каждый из отдельных потоков расплава, находясь в полости формы, среди других потоков, образованных в процессе такого возвратно-поступательного перемещения расплава, перемещается и распределяется по толщине изделия, что
б Зак. 593
82 |
КОНСТРУИРОВАНИЕ ПЛАСТМАССОВЫХ ИЗДЕЛИИ ДЛЯ ЛИТЬЯ ПОД ДАВЛЕНИЕМ |
•Расплав под действием шнека основного материального цилиндра переполняет формующую полость литьевой формы с многоточечной литниковой системой; избыточное количество через перепускной канал попадает в дополнительный материальный цилиндр
•Поток расплава под действием шнека дополнительного материального цилиндра впрыскивает ся в формующую полость, и процесс повторяется требуемое число раз
Рис. 2.51. Способ литья под давлением по технологии Push-PuttMolding. За счет организации возвратно-поступательного перемещения расплава в формующей полости проис ходит «размывание» спая, соответственно, и линии спая, и осуществляется уп равление ориентацией макромолекул и армирующих волокон
приводит к уменьшению влияния спая на прочость изделия. Чтобы молено было осу ществить несколько последовательных циклов перемещения расплава до его затвер девания, изделие, которое изготавливается по такой технологии, должно быть доста точно толстым. Технология Push-Pull Molding может быть использована и в формах, у которых больше двух впусков. В этом случае требуется применение клапанов во впускных литниках, которые дают возможность механически открывать и закрывать места впуска в нужный момент.
Знаки для возвратно-поступательного движения в литьевой форме (In -mold Reciprocating Pins)
Для улучшения прочностных характеристик спая можно также применять в лить евых формах особые подвюкные элементы, например, вращающиеся матрицы (для изделий цилиндрической формы) или знаки, совершающие возвратно-поступа тельные движения [52]. В формах можно использовать либо один такой знак, кото рый находится вблизи линия спая (рис. 2.52), или два знака, которые находятся с разных сторон спая. Знаки перемещаются вверх-вниз (возвратно-поступательно) во время заполнения расплавом формующей полости формы. Такое движение зна ков создает дополнительное течение расплава в поперечном основному течению направлении, которое способствует повышению прочности спая. Возвратно-посту пательное перемещение знаков может управляться кулачковым гидравлическим приводом, который заставляет перемещаться знак, начиная от поверхности рас плава на некоторую глубину ниже этой поверхности, создавая временное углубле ние. После определенного количества циклов такого возвратно-поступательного пе ремещения знак (или знаки) возвращается в исходное положение на один уровень