литература / Konstruirovanie_plastmassovykh_izdeliy_dlya_litya_pod_davleniem
.pdf
ОСОБЕННОСТИ ЛИТЬЯ ПОД ДАВЛЕНИЕМ ИЗДЕЛИЙ ИЗ ПЛАСТМАСС (краткий очерк) |
83 |
Рис. 2.52. Кулачок (один или более) может приводить в движение знаки, которые совершают возвратно-поступательное движение, влияя на дополнительное перемещение рас плава в поперечном направлении, перпендикулярном течению основного потока расплава при заполнении формующей полости. Справа — схема впрыска распла ва в формующую полость
(заподлицо) с поверхностью формующей полости. Движение кулачка может быть нача то по сигналу таймера, либо в момент соответствующего положения плунжера, а также по сигналу от датчика, измеряющего давление в форме.
Последовательный впрыск
Применение горячеканал ьных литниковых систем для изделий, в которых образу ются спаи, дает определенное преимущество, потому что поддерживается более высо кая температура расплава в момент, когда он поступает в формующую полость. Изде лия большого размера, например, прямоугольной формы, как показано на рис. 2.53, обычно получают в литьевых формах, литниковые системы которых имеют несколько впускных литников, чтобы уменьшить длину течения расплава и обеспечить равно мерное его уплотнение. К сожалению, при такой литниковой системе возникает не сколько областей спаев, соответственно, линий спая. Однако если использовать ме ханические клапаны — фактически сопла, которые открываются и закрываются механически, действуя но специальной программе, то можно, последовательно от крывая каждый клапан при заполнении формующей полости, регулировать образо вание (и далее избегать) спаев. Сигналы для открывания клапанов могут быть поданы с помощью таймеров; датчиков, отслеживающих положение плунжера; датчика, из меряющего давление в формующей полости. Например, заполнение формы может начаться с открывания клапана одного из впускных каналов, как показано на рис. 2.53. Как только фронт расплава пересекает место расположения второго клапана, он от крывается, и процесс заполнения продолжается дальше. После завершения заполне ния формующей полости наступает стадия уплотнения расплава, который подавался через впускные литники, снабженные клапанами.
Рис. 2.53. Управление заполнения формующей полости расплавом с помощью механических клапанов, которыми снабжены впускные литники. Клапаны могут открываться и закрываться в необходимой последовательности, что позволяет эффективно влиять па формирование областей линий спая. Работа клапанов может быть запрограммированна на открывание и закрывание в момент появления расплава в формующей полости на уровне соответствующего впускно го литника
ОСОБЕННОСТИ ЛИТЬЯ ПОД ДАВЛЕНИЕМ ИЗДЕЛИЙ ИЗ ПЛАСТМАСС (краткий очерк) |
|
85 |
2.4.Усадка и коробление изделий, изготовленных литьем под давлением
2.4.1. Общие положения
Процесс литья под давлением обычно используется для получения изделий с от носительно жесткими допусками па размеры. В некоторых случаях необходимо вы полнение очень жестких допусков. Если, например, готовое изделие собирается из нескольких пластмассовых деталей, то эти детали должны максимально точно соот ветствовать требованиям сборки. Практически все пластмассы при переработке про являют достаточно высокую усадку. При этом усадка материала не всегда изотропна и стабильна. Если материал в отлитом изделии не изотропен, то расчет размеров формующей полости перестает быть процедурой простого пропорционального (для компенсации усадки) увеличения ее размеров. Кроме того, анизотропное поведение материала в процессе усадки (образца, изделия), будет приводить в определенной степени к возникновению внутренних напряжений и короблению [53-58].
Усадка и коробление, точность размеров пластмассовых изделий зависит от мате риала, конфигурации и габаритов изделия, конструкции литьевой формы и техноло гических факторов, определяемых процессом переработки.
Факторы, зависящие от материала:
•Тип материала —аморфные или частично кристаллические термопласты.
•Количество и состав наполнителей, в том числе армирующих волокон и т. д.
•Степень абсорбции влаги.
Факторы, зависящие от конфигурации изделия:
•Номинальная толщина стенок.
•Разпотолщинность стенок.
•Габаритные размеры изделия.
•Конструктивные особенности элементов изделия, ограничивающие (затруд няющие) усадку.
•Технологические уклоны и конструктивные углы наклона.
Факторы, зависящие от конструктивных особенностей литьевой формы:
•Расположение мест впуска.
•Тип и размеры впускных литников.
•Тип литниковых систем.
•Конфигурация и расположение системы охлаждения формы.
•Допуски на изготовление деталей литьевой формы, прежде всего, формообра зующих.
•Тип систем выталкивания изделия.
•Упругая деформация нагруженных деталей литьевой формы.
Факторы, зависящие от технологического процесса:
•Температура расплава и равномерность ее распределения.
•Температура формы и равномерность ее распределения.
•Давление заполнения; уплотнения; выдержки,
•Время заполнения; уплотнения; выдержки.
86КОНСТРУИРОВАНИЕ ПЛАСТМАССОВЫХ ИЗДЕЛИЙ ДЛЯ ЛИТЬЯ ПОД ДАВЛЕНИЕМ
•Температура изделия при выталкивании.
•Усилие смыкания/размыкания формы.
•Фиксация изделия после извлечения из литьевой формы и при его термообра ботке (отжиге).
2.4.2. Влияние толщины и разнолощинности
Литье под давлением термопластов является дискретным полунепрерывным по следовательным процессом, состоящим из определенного количества стадий, кото рые описаны в разделе 2.1. Стадия уплотнения начинается сразу же после полного заполнения формующей полости, то есть достижения расплавом ее крайних зон. По скольку расплавы пластмасс характеризуются высоким значением коэффициента сжимаемости, то от величины давления уплотнения расплава зависит масса матери ала, который в конечном счете будет впрыснут в фиксированный объем формующей полости. Объем формующей полости не всегда является точной постоянной величи ной — из-за возможной упругой деформации формообразующих деталей. Затем ус танавливается давление выдержки, которое поддерживается шнеком термопластавтомата, чтобы не дать расплаву вытечь из формующей полости на стадии охлаждения изделия, а потом добавлять в нее определенное количество расплава — для компенса ции происходящей усадки термопласта. После затвердевания литникового впуска материал продолжает усаживаться, но уже без компенсации.
Типовая зависимость изменения давления в закрытой формующей полости по казана на рис. 2.54. Такие переменные процесса литья под давлением, как величины давлений уплотнения и выдержки, оказывают существенное влияние на усадку
Рис. 2.54. Типовая зависимость изменения давления в закрытой формующей полости от иремсни цикла при литье иод давлением. Стадии уплотнения и выдержки иод давлением используются для компенсации усадки пластмассы
ОСОБЕННОСТИ ЛИТЬЯ ПОД ДАВЛЕНИЕМ ИЗДЕЛИЙ ИЗ ПЛАСТМАСС (краткий очерк) |
87 |
и окончательные размеры отлитого изделия. Если не прилагать давление для уплот нения и выдержки, то объемная усадка пластмассы может достигать 25 % [57]. Давление выдержки должно быть, с одной стороны, достаточно высоким, чтобы компенсиро вать эффекты усадки, а с другой — достаточно низким, чтобы не возн икло переуплот нения массы, что может привести к значительным остаточным напряжениям и ос ложнениям при выталкивании изделия.
Изделия с утолщенными областями труднее охладить и сделать достаточно плот ными. Эти области охлаждаются большее время и требуют дополнительного уплот нения. Когда изделия имеют как утолщенные, так и тонкие области, то места впуска предпочтительнее располагать в толстостенных областях, поскольку это позволяет уплотнять массу в них даже тогда, когда в тонкостенных уже произошло затвердева ние. В переходных участках изделий между областями с различной толщиной возни кает концентрация внутренних напряжений как следствие различно протекающих во времени процессов охлаждения и уплотнения [18].
Например, когда отлитые изделия, аналогичные изделию на рис. 2.55, а, выталки ваются из формы, то утолщенные более горячие участки отливки будут дольше ох лаждаться и давать большую усадку, чем более тонкие области. Это приводит к воз никновению внутренних напряжений в зонах изменения толщины. Внутренние напряжения могут приводить к краткосрочному (без остаточных деформаций) или долгосрочному короблению, ухудшению механических и других функциональных параметров изделия в процессе его эксплуатации. Если в конструкции изделия пре дусматриваются разнотолщинные области, то можно использовать клиновидные пе реходные участки (обычно длина клиновидной части должна быть в три раза больше разницы в толщинах), чтобы избежать высокой концентрации напряжений. Пере ходные участки изменения толщин также «ступенчато» изменяют поток расплава при заполнении формующей полости. Следует, по-возможности, избегать утолщений стенок в конструкции, поскольку они приводят к проблемам, связанным с усадкой,
Рис. 2.55. Следует избегать, по-возможпости, использования в изделиях стенок разной тол щины из-за концентрации усадочных напряжений в переходных участках. Если же в изделии обязательны стенки разной толщины, рекомендуется использовать клиновидные переходные участки
88 |
|
КОНСТРУИРОВАНИЕ ПЛАСТМАССОВЫХ ИЗДЕЛИЙ ДЛЯ ЛИТЬЯ ПОД ДАВЛЕНИЕМ |
и вызывают необходимость более длительного охлаждения. Рационально при реше нии этих проблем применять знаки и вставки — для формования поднутрений, или добавлять ребра и элементы жесткости на краях (торцах) изделия. Это позволяет компенсировать потерю прочности.
Рис. 2.56. Изменение толщины стенок может быть осуществлено с помощью рационального конструирования матрицы, пуансона и знаков (вставок). Это приводит к сокра щению технологического цикла и улучшению общего качества изделия. В случае необходимости для повышения прочности изделия применяют ребра жесткости
На практике, из-за сложности конструкции, бывает невозможно выдерживать одинаковую толщину стенок во всем изделии. Бобышки, ребра технологического и конструктивного назначений будут приводить к локальным изменениям толщин стенок, что способствует возникновению внутренних напряжений в соответствующих областях отливки.
Бобышки могут приводить к возникновению усадочных утяжин, внутренних уса дочных полостей. Внутренние усадочные полости формируются, когда «толстая» на ружная поверхность изделия, затвердевая в форме, становится достаточно прочной, чтобы выдерживать давление в формующей полости, возникающее в результате охлаждения расплава. К этому времени расплав проявляет большую склонность к образованию зон разрежения, т. е. усадочных полостей, чем к деформированию затвердевающего поверхностного слоя [55]. Усадочные утяжины нежелательны с эс тетической точки зрения, а усадочные полости представляют собой неоднородности, которые действуют как конденсаторы напряжений, когда изделие при эксплуатации испытывает нагрузку.
Усадочные утяжины или усадочные полости часто образуются на противоположной стороне стенки, на которой расположены усиливающие ребра [58]. Формующая полость для изделия с толстыми ребрами легче заполняется расплавом, однако может появить ся значительное количество утяжин, возникающих из-за ребер. Проблема усадочных утяжин значительно упрощается при наличии больших закруглений в местах пересече ния ребер со стенками. Этот прием используется для уменьшения концентрации напря жений и улучшения движения потока расплава. Толщины ребер обычно принимают рав ными 40-80 % от толщины стенок, на которых они расположены, с радиусами закругления в основании, равными 25-40 % от толщины стенок. Конкретная конструкция ребра зави сит от марки используемого материала (его усадочных характеристик).
ОСОБЕННОСТИ ЛИТЬЯ ПОД ДАВЛЕНИЕМ ИЗДЕЛИЙ ИЗ ПЛАСТМАСС (краткий очерк) |
89 |
Если правильно выполнять рекомендации, то размеры усадочных утяжин, кото рые образуются из-за наличия таких особенностей конструкции, как ребра, будут
Рис. 2.57. Варианты конструкций бобышек у стенок изделия: бобышки располагаются от дельно от стенок, например, для увеличения прочности при кручении, и улучше нии (в конкретных случаях) процесса заполнения формующей полости
Рис. 2.58. Большие сечения в основании усиливающих ребер могут привести к образованию усадочных утяжин или усадочных пустот
90 . КОНСТРУИРОВАНИЕ ПЛАСТМАССОВЫХ ИЗДЕЛИЙ ДЛЯ ЛИТЬЯ ПОД ДАВЛЕНИЕМ
минимальными. Тем не менее не всегда удается сделать их полностью незаметными. Локальное охлаждение области, в которой образуются утяжины, может повлиять на их величины. На рис. 2.59 приведены различные способы, которые могут быть ис пользованы для маскировки усадочных утяжин [59]. Одной из наиболее распростра ненных причин изготовления изделий с текстурированпой поверхностью является необходимость маскировки таких дефектов, как утяжины или видимые линии спая. Наконец, есть возможность устранения утяжин, если добавлять небольшие пенообразующие агенты в исходный термопласт. При литье под давлением образуется пенис тая структура по всему объему отливки и при этом утяжины «пропадают».
Рис. 2.59. Для маскировки заметных утяжин и тому подобных дефектов, возникающих на противоположных ребрам пли бобышкам сторонах (стенках), изделия могут быть использованы различные способы, представленные на рисунке
2.4.3. Диаграмма состояния пластмассы: давление-объем- температура (PVT-диаграмма)
Пластмассы отличаются положительными коэффициентами термического рас ширения и обладают высокой сжимаемостью в расплавленном состоянии. В резуль тате объем, который может занимать порция материала определенной массы, будет зависеть от температуры и давления. Спенсер и Гилмор впервые предложили исполь зовать общее уравнения состояния газа (РУГ-диаграмма) для описания процессов расширения и сжатия пластмассы на примере ПС J 60]. Это обобщенное уравнение состояния имеет следующий вид:
(2.13)
где Р — гидростатическое давление; V— удельный объем; R — универсальная газовая постоянная; М — молекулярная масса; Т— абсолютная температура; а\\Ь — констан ты, характеризующие данный материал.
Уравнение определяет: давление, температура и удельный объем связаны друг с другом таким образом, что любым заданным значениям температуры и давления соот ветствует конкретное значение удельного объема. Зависимость между давлением, тем пературой и удельным объемом может быть определена экспериментально. Данные, связывающие давление-удельный объемтемпературу, обычно отображаются в виде
ОСОБЕННОСТИ ЛИТЬЯ ПОД ДАВЛЕНИЕМ ИЗДЕЛИЙ ИЗ ПЛАСТМАСС (краткий очерк) |
|
91 |
двухмерных графиков, на которых приведены кривые зависимости удельного объема материала от температуры при различных постоянных значениях давления (изобары).
PVT-диаграммы показывают, что пластмассы (термопласты) фактически облада ют очень большим коэффициентом сжимаемости при температурах и давлениях, ко торые используются при литье под давлением. Такие параметры технологического процесса, как давление уплотнения или давление выдержки (более общее — давление в формующей полости), должны оказывать значительное влияние па усадку и разме ры изделия. РУГ-диаграммы для частично кристаллических полимеров (например, для ПП или ПА 6.6) сильно отличаются от диаграмм, характерных для аморфных полимеров, таких как ПС. И для тех и для других характерен рост удельного объема с увеличением температуры (при постоянном давлении) — из-за эффекта сжимае мости. Однако в отличие от аморфных термопластов, частично кристаллические имеют на PVT-диаграмме «ступеньку» изменения удельного объема материала при температуре его плавления. Когда частично кристаллизующиеся термопласты ох лаждаются в формующей полости, то «аморфный расплав» плавно охлаждается и начинает затвердевать, как только достигает температуры кристаллизации. Значи тельное уменьшение объема связано с фазовым переходом, когда макромолекулы полимера плотно упаковываются в зонах кристаллизации (рис. 1.2).
Это изменение фазового состояния — от аморфной к частично упорядоченной полукристаллической структуре — объясняет высокую степень усадки частично кристаллических термопластов по сравнению с аморфными (где усадка происхо дит, в основном, благодаря термическому сжатию, уравновешивающему давление). Усадка частично кристаллического термопласта без наполнителя (например, ПП) может быть в пять раз больше усадки аморфного термопласта без наполнителя (напри мер, ПММ А) [61J.
Объемная усадка изделия из пластмассы может быть рассчитана теоретически, если известна его РУГ-диаграмма и параметры процесса переработки 12]. К сожале нию, параметры технологического процесса (и из-за этого усадка — в формующей полости) в значительной степени находятся за пределами зоны реального влияния конструктора, однако приведенное выше описание может быть использовано для луч шего понимания того, как различные стадии процесса литья иод давлением будут влиять на объемную усадку материала.
Процесс литья начинается с впрыска расплава в относительно «холодную» фор му. Материал начинает охлаждаться, а его удельный объем уменьшается. Уплотняя и добавляя расплав в формующую полость, компенсируется усадка материала в фор ме до тех пор, пока впускной литник не затвердеет. К этому моменту материал в центральных зонах формующей полости будет находиться еще в расплавленном состоянии и подвергаться усадке без компенсации. Как только отливка становится достаточно твердой, чтобы сохранять свою форму при выталкивании из формую щей полости (под воздействием внутренних напряжений или силы тяжести самой отливки) без деформаций, форма раскрывается, и изделие может быть извлечено. Еще теплое изделие продолжает охлаждаться и усаживатья вне формы, пока его температура не станет равной температуре окружающей среды (то есть не придет с ней в равновесие).
92 |
КОНСТРУИРОВАНИЕ ПЛАСТМАССОВЫХ ИЗДЕЛИИ ДЛЯ ЛИТЬЯ ПОД ДАВЛЕНИЕМ |
Рис. 2.60. Типичные кривые зависимости давления-объема-температуры (PVT-диаграммы) для полистирола (вверху) и полипропилена (внизу)
Стадии процесса литья под давлением, которые описаны выше, могут быть про слежены по РУГ-диаграмме (рис. 2.61).