Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Основы компьютерного моделирования процессов изготовления изделий из пластмасс литьем под давлением. Интерпретация результатов анализа. Учебное пособи
.pdf
Министерство образования и науки Российской Федерации
Федеральное государственное бюджетное
образовательное учреждение высшего образования
«Казанский национальный исследовательский
технологический университет»
В. В. Курносов, Ю. В. Перухин
ОСНОВЫ КОМПЬЮТЕРНОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ
ПРОЦЕССОВ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ИЗДЕЛИЙ
ИЗ ПЛАСТМАСС ЛИТЬЕМ ПОД ДАВЛЕНИЕМ
ИНТЕРПРЕТАЦИЯ РЕЗУЛЬТАТОВ АНАЛИЗА
Учебное пособие
Под редакцией проф. Т. Р. Дебердеева
Казань
Издательство КНИТУ
2017
1
УДК 678.5.027.74:004.9(075)
К93
Курносов В. В.
Основы компьютерного моделирования процессов изготовления
изделий из пластмасс литьем под
давлением. Интерпретация
результатов анализа
: учебное пособие / В. В. Курносов,
Ю.
В. Перухин; Минобрнауки России, Казан. нац. исслед. технол.
ун
-т. – Казань : Изд-во КНИТУ, 2017. – 136 с.
ISBN
978-5-7882-2209-7
2
ББК 35.710:32.97я7
К93
Печатается по решению редакционно-издательского совета
Казанского национального исследовательского технологического университета
Рецензенты:
д-р техн. наук, проф. О. С. Сироткин
д-р техн. наук, проф. Э. Р. Галимов
Представлена интерпретация результатов анализа, который может
использоваться для оценки условий литья, прогнозирования продвижения
расплава внутри формующей полости, определения расположения линий
соединения потоков расплава, устранения проблем с заполнением за счет
определения оптимальных мест впуска и других элементов и явлений еще до
изготовления и испытания литьевой формы.
Соответствует государственным образовательным стандартам
подготовки по направлениям 18.03.01 «Химическая технология»
(бакалавриат) и 18.04.01 «Химическая технология» (магистратура).
Предназначено для студентов всех форм обучения, изучающих дисциплины
«Расчет и конструирование изделий из полимеров и оснастки», «Разработка
конструкции и расчет технологической оснастки».
Подготовлено на кафедре технологии переработки полимеров и
композиционных материалов.
УДК 678.5.027.74:004.9(075)
ББК 35.710:32.97я7
ISBN 978-5-7882-2209-7 © Курносов В. В., Перухин Ю. В., 2017
© Казанский национальный исследовательский
технологический университет, 2017
2
СОДЕРЖАНИЕ
ВВЕДЕНИЕ ................................................................................................. 6
1 ОБЩАЯ ИНФОРМАЦИЯ О ПРОЦЕССЕ ............................................. 8
1.1 Основы процесса и разновидности методов формования
литьем под давлением ................................................................................ 8
1.2 Литьевая форма ................................................................................... 10
2 АНАЛИЗ ЗАПОЛНЕНИЯ ОФОРМЛЯЮЩЕЙ ПОЛОСТИ
ЛИТЬЕВОЙ ФОРМЫ ............................................................................... 12
2.1 Оптимизация места впуска расплава (Gate location) ....................... 15
2.2 Влияние условий литья на качество изделия (Quality) .................. 16
2.3 Зоны окна переработки (Zone (molding window):2D Slice Plot) ..... 19
2.4 Минимальная температура фронта потока расплава
(Minimum flow front temperature) ............................................................ 20
2.5 Давление впрыска (Injection pressure) ............................................... 22
2.6 Максимальная скорость сдвига (Maximum shear rate) .................... 24
2.7 Максимальное напряжение сдвига (Maximum shear stress) ............ 25
2.8 Максимальное время охлаждения (Maximum cooling time) ........... 26
2.9 Время заполнения (Fill time) .............................................................. 27
2.10 «Задержки» (hesitation) расплава..................................................... 30
2.11 Переуплотнение ................................................................................ 32
2.12 Сварные швы (линии спая), следы течения и воздушные
ловушки ..................................................................................................... 34
2.13 Температура фронта потока расплава (Temperature at flow
front) ........................................................................................................... 35
2.14 Давление в момент переключения контроля заполнения
скорость/давление (Pressure at V/P switch – over) .................................. 36
2.15 Переключение на выдержку под давлением (Switch over
point) ........................................................................................................... 37
2.16 Температура, усредненная по объему (Bulk temperature) ............. 41
2.17 Скорость сдвига, усредненная по объему (Shear rate, bulk) ......... 44
2.18 Давление в месте впрыска расплава (Pressure at injection
location) ...................................................................................................... 45
2.19 Время охлаждения (Time to freeze) ................................................. 46
3
2.20 Доля застывшего слоя «Frozen layer fraction» ................................ 47
2.21 Доля застывшего слоя в конце заполнения (Frozen layer
fraction at end of fill) .................................................................................. 49
2.22 Процент заполненного веса детали (% shot weight) ...................... 50
2.23 Воздушные ловушки (Air traps)....................................................... 51
2.24 Среднее значение скорости (Average velocity) .............................. 53
2.25 Центроида усилия смыкания (Clamp force centroid)...................... 56
2.26 Расход полимера, лучевые элементы (Flow rate, beams) ............... 61
2.27 Ориентация и внутренние напряжения в изделии ......................... 64
2.27.1 Остаточные напряжения в полости в направлении
ориентации (Residual stress in first principal direction) ........................... 66
2.27.2 Ориентация в центре (Orientation at core) .................................... 67
2.27.3 Ориентация на поверхности (Orientation at skin) ........................ 68
2.27.4 Способы уменьшения коробления, вызванного
ориентационными эффектами ................................................................. 69
2.28 Основные факторы влияния на усадку и коробление изделий .... 70
2.28.1 Температура стенки формы .......................................................... 71
2.28.2 Толщина стенки изделия ............................................................... 72
2.28.3 Материал ........................................................................................ 72
2.28.4 Параметры переработки ................................................................ 73
2.28.5 Взаимосвязь между усадкой и короблением............................... 73
2.28.6 Ориентационные эффекты ............................................................ 75
2.28.7 Меры по устранению коробления ................................................ 75
2.29 Давление (Pressure) ........................................................................... 77
2.30 Рекомендуемая скорость движения шнека (Recommended
rat speed XYplot)........................................................................................ 80
2.31 Сдвиговое напряжение на стенке формы (Shear stress at wall) ..... 81
2.32 Пропускная способность (Throughput) ........................................... 84
2.33 Сварные швы (Weld lines) ................................................................ 85
2.34 Усадка ................................................................................................ 89
2.34.1 Объемная усадка (Volumetric shrinkage) ...................................... 89
2.34.2 Объемная усадка при извлечении (Volumetric shrinkage
at ejection) .................................................................................................. 91
2.34.3 Изотропная усадка (Isotropic shrinkage)....................................... 94
2.34.4 Анизотропная усадка (Anisotropic shrinkage) .............................. 96
2.34.5 Индекс утяжины (Sink index) ........................................................ 96
2.35 Коробление (Deflection) ................................................................... 98
2.36 Изгиб кривизны (Bending curvature) ............................................... 99
2.37 Ориентация материала (Material orientation) ................................ 100
4
3 АНАЛИЗ ТЕЧЕНИЯ С УЧЕТОМ РЕАЛЬНОЙ СИСТЕМЫ
ОХЛАЖДЕНИЯ ЛИТЬЕВОЙ ФОРМЫ ............................................... 101
3.1 Температура хладоагента в контуре (Circuit coolant temperature) 101
3.2 Скорость течения в контуре (Circuit flow rate) .............................. 102
3.3 Число Рейнольдса в контуре (Circuit Reynolds number) ................ 103
3.4 Температура металла в контуре системы охлаждения
(Circuit metal temperature) ...................................................................... 104
3.5 Температура на поверхности оформляющей полости
(Temperature (top), part) .......................................................................... 104
3.6 Температура поверхности холодного литника (Temperature
at surface, cold runner) ............................................................................. 105
3.7 Время охлаждения, оформляющая полость (Time to freeze,
part) ........................................................................................................... 106
3.8 Время охлаждения, холодный литник (Time to freeze, cold
runner) ...................................................................................................... 107
3.9 Максимальная температура оформляющей полости
(Maximum temperature, part) ................................................................... 108
3.10 Положение максимальной температуры оформляющей
полости (Maximum temperature position, part) ...................................... 109
3.11 Максимальная температура, холодный литник (Maximum
temperature, cold runner) ......................................................................... 109
3.12 Средняя температура оформляющей полости (Average
temperature, part)...................................................................................... 110
3.13 Средняя температура, холодный литник (Average
temperature, cold runner) ......................................................................... 111
3.14 Процент застывшего слоя (верхний), оформляющая
полость (Percentage frozen layer (top) part) .......................................... 112
3.15 Температурный профиль, оформляющая полость
(Temperature profile, part) ....................................................................... 114
3.16 Температурный профиль, холодный литник (Temperature
profile, cold runner) .................................................................................. 114
3.17 Давление в контуре (Circuit pressure) ........................................... 115
3.18 Эффективность отвода тепла контуром (Circuit heat
removal efficiency) ................................................................................... 116
4 БАЗА ДАННЫХ MOLDFLOW .......................................................... 117
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ ...................................................................... 134
5
ВВЕДЕНИЕ
Благодаря последовательному применению современных
информационных систем многие компании, занимающиеся
переработкой пластмасс, повысили свою конкурентоспособность.
Успех достигнут за счет применения CAD/CAM/CAE – систем,
которые часто измеряют экономией времени и затрат в процессе
проектирования, изготовления и освоения оснастки и
технологического процесса в целом.
Компьютерное моделирование литья под давлением считается
стандартным инструментом. Просчитывается весь процесс от стадии
заполнения вплоть до коробления охлажденной до комнатной
температуры отливки. Исследования показали, что в среднем
сокращение времени цикла достигает 15–20 % и вдвое сокращаются
затраты на доработку форм.
При конструировании литьевых форм существует множество
причин применения анализа заполнения, среди которых главными
являются оптимизация процесса литья, улучшение качества отлитых
деталей и, конечно, возможность уменьшения стоимости.
Для этой цели предпочтительно использовать численное
моделирование процесса заполнения полости вязким расплавом
полимера, поскольку в этом случае возможно быстрое и точное
рассмотрение течения для сложных конфигураций формующих
полостей.
Одна из важных целей анализа заключается в гарантии полного
заполнения полости формы при использовании конкретной марки
полимера. При малой толщине стенки детали давление расплава,
необходимое для заполнения оформляющей полости, может
превысить значение, которое обеспечивает литьевая машина. При этом
возникает опасность получения недоформованной отливки. Технолог
по литью может исправить эту проблему за счет увеличения
температуры расплава или формы или применить другой, более легко
формуемый материал. Если же эти попытки окажутся неудачными, то
необходимо внести изменения в конструкцию формы. Такие
физические изменения формы могут оказаться довольно трудоемкими
и дорогими.
Анализ впрыска (заполнения) может также использоваться для
оценки усилия смыкания, условий литья, оптимизации толщин детали,
прогнозирования продвижения расплава внутри формующей полости
6
и для определения расположения линий спая (линий соединения
7
потоков расплава), точек окончания заполнения, устранения проблем с
заполнением за счет определения оптимальных мест впуска или
конструирования элементов направления потока и других элементов и
явлений еще до изготовления и испытания литьевой формы.
Температура отливки при ее извлечении находится в очень
сложной зависимости от геометрии детали, теплофизических свойств
полимерного материала и параметров процесса переработки.
Система охлаждения литьевой формы чрезвычайно важна как
для экономики производства изделий, так и для эксплуатации самой
формы. Однако эта система является одной из нескольких подчиненных систем литьевой формы. Часто ей уделяется недостаточно
внимания со стороны конструкторов из–за многообразия и сложности
зависимостей процессов теплопередачи и, как результат – отсутствие
должного управления тепловыми потоками. И с этой точки зрения
анализ заполнения и формирования изделия с учетом системы термостатирования оказывается весьма полезным при конструировании
формы.
Для тех, кто делает первые шаги на пути конструирования
изделий из пластмасс и моделирования процессов переработки,
предлагается настоящее учебное пособие с надеждой, что подобные
программы найдут свое место при выполнении соответствующих
инженерных работ.
7
1 ОБЩАЯ ИНФОРМАЦИЯ О ПРОЦЕССЕ
1.1 Основы процесса и разновидности методов
формования литьем под давлением
Последовательность операций при литье под давлением
пластмассового изделия, представленная на рис. 1.1, называется
технологическим циклом литья под давлением.
Рис. 1.1. Последовательность операций при литье под давлением:
1 – хвостовик; 2 – плита толкателей; 3 – плита подвижная ТПА;
4 – колонка направляющая ТПА; 5–плита неподвижная ТПА;
6 – обратный клапан (в закрытом состоянии); 7 – шнек ТПА;
8 – приводной цилиндр; 9 – толкатель; 10 – формующая полость
(отливка); 11 – форма литьевая; 12 – обратный клапан (в закрытом
состоянии); 13 – выталкиватель; 14 – сопло цилиндра ТПА;
15 – цилиндр ТПА (обратный ход)
8
Цикл А начинается со смыкания литьевой формы, после чего
расплав впрыскивается в оформляющую полость. После заполнения
формы (этап В) давление продолжает поддерживаться для уплотнения
и компенсации технологической усадки остывающего материала. На
третьем этапе С шнек вращается, и следующая доза подготовленного к
впрыску расплава накапливается в передней части цилиндра. При этом
шнек по мере накопления расплава совершает возвратное
поступательное движение. После завершения охлаждения изделия
форма раскрывается и изделие выталкивается (этап D).
Последовательность операций А, В, С, D представлена на
циклограмме продолжительности процесса литья под давлением
детали с толщиной стенки около 2 мм (рис. 1.2).
Рис. 1.2. Циклограмма процесса литья под давлением
Из рисунка видно, что время впрыска составляет самую малую
долю цикла литья и поэтому данная стадия наиболее часто
оптимизируется с целью минимизации давления впрыска и
остаточных напряжений в изделии. Время выдержки под давлением
имеет среднюю продолжительность. Эта стадия заканчивается
застыванием расплава полимера во впускном литнике. Стадия
охлаждения отливки составляет большую часть цикла литья. Это
9
связано с тем, что скорость отвода тепла от расплава ПМ к холодной
стальной стенки литьевой формы ограничена низкой теплопроводностью расплава. Поэтому это время используется для того,
чтобы литьевая машина набрала новую дозу расплава (стадия
пластикации). Однако при больших объемах впрыска, коротких
циклах литья и низкой пластикационной производительности
литьевой машины время пластикации может превышать время
охлаждения, и цикл литья вынужденно увеличится.
Существует множество вариантов процесса литья под
давлением, расширяющие число модификаций деталей из ПМ по их
функциональным свойствам: процессы совместного литья; литье под
давлением с газом/водой; литье с использованием вставок; литье с
многократным впрыском; литье с этикетированием в форме. Но в
любом случае процессы литья похожи тем, что каждый из них
включает стадии впрыска, охлаждения и извлечения отливки.
Литьевая форма является сложной конструкцией, которая
должна отвечать многим требованиям, выдвигаемым процессом литья
под давлением.
1.2 Литьевая форма
Центральным звеном литьевого оборудования является форма.
В литьевой форме расплав полимера распределяется по
формующим гнездам, где изделие приобретает необходимую
конфигурацию, охлаждается до конструктивной жесткости, после чего
происходит его удаление из формы.
Форма изготавливается в соответствии со специальными
требованиями и состоит из следующих основных узлов (рис. 1.3):
- система литниковых каналов;
- формующая полость;
- система термостатирования;
- система удаления отливки после формования;
- центрирующая система.
При заполнении многогнездной литьевой формы расплав
проходит через центральный литниковый канал и распределяется в полости по системе разводящих литников, как показано на
рис. 1.4.
10
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]