Basov N.I. i dr. Raschet i konstruirovanie formiruyushchego instrumenta dlya izgotovleniya izdelij (1991

шает потери тепла. Положение наконечников б, запрессованных в торпеду, позволяет регулировать величину впускных каналов (в данном случае - двух). Косвенно обогреваемые сопла более энерго­ емки, чем непосредственно обогреваемые, но исключают возникнове­ ние в зоне торпеды температурных пиков, вызывающих термодест* рукцию материала; они проще в изготовлении и надежнее в эксплуа­ тации. Из-за определенной потери тепла вдоль оси торпеды увеличить температуру последней можно, изменяя ее длину /, или диаметр dT, как это видно из графика на рис. 3.24.

Торпеды косвенно обогреваемых сопел конструктивно разнообраз­ ны, но все они представляют собой цилиндрические тела, в основании которых выполнены отверстия для течения расплава (см. рис. 3.22,

170

Для уменьшения потерь тепла за счет конвекции необходимо избе­ гать так называемого "камерного" эффекта, т.е. принудительной цир­ куляции вследствие разницы плотностей воздуха окружающей среды и воздуха, находящегося в блоке. Горячеканальный блок должен быть полностью "закрыт" литьевой формой.

Потери тепла за счет излучения в горячеканальной системе проис­ ходят между блоком'и крепежными плитами - см. рис. 3.18. Для рас­ чета теплового потока в этом случае используют известную формулу

& = /Ci/2[ttl/100)*-(r2/100)4],

где Сц2 — константа лучевого обмена; Tj, Г2 — абсолютные температуры стенок тел 1 и 2 соответственно.

Для уменьшения потерь тепла за счет излучения целесообразно при­ менять светоотражающие ровные поверхности, например, поверхности блока покрывать защитным алюминиевым слоем.

На основе приведенных закономерностей в фирме „Hoechst" (Герма­ ния) получена формула для расчета температуры в любой точке сопла по оси торпеды (см. рис. 3.24):

Г*=(ГПЛ- ГфХе"^ + e-«fl-*>)/(e«' + ег*) + Гф,

где а - [4X.p/(\Idr8)]1'2; Гп л - температура горячеканальной плиты; Гф — температура формы; Х_, к7 — коэффициенты теплопроводности расплава и материала торпеды соответствено; 1, dT, 6 — см. рис. 3.24.

При х = I (на острие торпеды)

Г,-(Гпп-Тф)[2/(е«' + е-*0]+Гф.

Следствием изменения температуры по длине торпеды являются, как известно, изменения размеров, деформации и возникновения недопустимо высоких напряжений.

На рис. 3.27 показано, что изменение размеров возможно в направ­ лениях х и у. в направлении х происходит смещение Ах, приближение и даже касание торпеды с литниковой втулкой; в направлении у - смещение Ду, приводящее к закупорке впускного литника.

Для сопел, изменение которых нужно компенсировать в направле­ нии х, рекомендуется, например, фиксировать основание торпеды в литниковой втулке, причем торпеда своим основанием должна приле­ гать к горячеканальному блоку исключительно по плоскости, и дол­ жен быть обеспечен „силовой замок". Возможные изменения размеров корректируются при изготовлении и сборке соответствующих деталей горячеканальной системы, но успешно это выполняют только в не­ больших и среднегабаритных формах. В больших соплах, тепловое расширение которых невозможно компенсировать, следует учитывать, что поперечное перемещение торпеды в литнике может сопровождать­ ся ее деформациями и закупоркой самой торпедой поперечного сече­ ния литника. Устранение этого требует тщательной корректировки размеров.

Отмеченные отрицательные эффекты во многом снижаются, если

172

Рис. 3.27. Характерные варианты изменения позиционирования торпеды при нагрева­

нии:

а — исходное положение, при нормальной температуре; б — расширение в направлении оси у, в — расширение в направлении оси х;г — общее смещение торпеды

сопрягаемые элементы торпеды выполнены под посадку Hl/mS {HI - внутренний диаметр опорной втулки).

Определение ожидаемых величин Дх и Ду называется расчетом позиционирования торпеды. Особенно это важно для многогнездных форм, когда необходимо согласовывать положение нескольких тор­ пед. Для расчета позиционирования в направлении у определяют разность изменения длины торпеды и изменения длины литниковой втулки (рис. 3.23) или распределительной плиты (рис. 3.22) в указан­ ном направлении, т.е.

Д/у = /0[<хт(Гпл- Г0.с)- аф(7ф- Г0.с)].

Для расчета позиционирования в направлении х определяют раз­ ность изменения длины горячеканального блока и изменения длины литниковой втулки или распределительной плиты в указанном на­ правлении, т.е.

Л'* = «ф'о*(г пл-Гф ).

В формулах Д/у и Д/х: /0 - номинальная длина торпеды, при нор­ мальной температуре; 10Х - номинальное положение оси торпеды по отношению к оси симметрии формы; а„ Иф - коэффициенты линейного расширения материала торпеды и формы соответственно; Г0-с - темпе­ ратура окружающей среды.

Следует отметить также, что вследствие теплового расширения возникают в деталях сопла термические напряжения о = ос£Д Г, где Е - модуль упругости.

После расчета температуры ТХ(Г/), оценки ее влияния на точность позиционирования и окончательного решения относительно установ­ ления температуры горячеканальной плиты Гщ, вычисляют общую мощность нагревателей:

W = тс(Гпл - Гн.пл)/(860т л),

173

где m — масса горячеканального блока; Гн - П л — начальная температура горячеканальной плиты (равна температуре окружающей среды); тр а з — время разогрева блока; л — КПД нагревателя (л *> 0,5).

При необходимости проводят точный расчет мощности нагревателей, по методике, изложенной в разд. 2.6.1.

3.5.4. Гидравлический расчет литниковой системы и формы

Расплав полимерного материала, заполняя каналы любой без исклю­ чения литниковой системы (см. разд. 3.5.1-3.5.3) и полость формы, должен преодолеть сопротивление течению в них, при этом теряется скорость движения расплава, энергия потока, происходит потеря давления.

Гидравлический расчет позволяет определить реальный перепад давления при течении расплава по литниковым каналам и полости формы, сравнить его с максимальным давлением впрыска, создавае­ мым машиной-автоматом, что важно для решения задачи о заполнении полости формы (вообще и за заданное время). Для рационализации конструкции литниковой системы необходимо знать, в каком месте ее образуются значительные перепады давления (для уменьшения сопро­ тивления в этих местах путем увеличения их поперечного сечения) и где перепады малы (следовательно, можно сократить объем каналов и, соответственно, литников, уменьшив поперечные сечения каналов).

Гидравлический расчет может быть противоречивым, если предвари­ тельно спроектирована литниковая система (например, с учетом приведенных выше рекомендаций по геометрическим размерам отдельных элементов и .их соотношениям), или проектным, когда сравниваются различные альтернативные варианты.

Для проведения реологического расчета литниковую систему и полость формы представляют в формализованном виде, например используя теорию графов, в виде ветвей дерева, корнем которого является инжекционный узел машины. Ветви - это последовательно расположенные простые геометрические элементы течения: цилиндри­ ческий сплошной или кольцевой канал, плоская щель, канал и т.д. Набор простых элементов течения конкретен для каждой литниковой системы и полости формы. На рис. 3.28 даны необходимые пояснения, из которых ясно, что для обеспечения работоспособности литьевой формы необходимо выполнение следующего неравенства:

Р > ДРЦ + АРр + ДРВ + ДР(ст) + ДР(д); в общем виде Р > 2 ДР„

i = l

где л — число простых геометрических элементов.

Из этих неравенств очевидно, что чем меньше слагаемых при про­ чих равных (в отношении полости формы) условиях, тем меньше суммарные потери давления, например, в горячеканальных формах.

Собственно реологический расчет проводится на основе: использования степенного закона течения расплава, записанного,

например, в форме у = тпхп, где m, n - реологические константы полимерных материалов;

174

ДРН = 12i\QI/(Blfl); ДРН„ = [2" + i(n + 2)Q/(B№ + M\llnl\ KH = ВНЭ/Ц20; Кт*В№ + Щ(п + 2).2» + Ч"].

Произвольная форма канала:

х-(ДР-у/0(/*/п); 7н = 2дп/&

ДР„ = 2П2ПО///3; APra = [(„ + 3)IF» + 1Q/(2/^ + 2m)F"; Кк -/8/(2Щ2); /С„„ =2/к" + 2/[(п + 3)П» + Щ.

Цилиндрический кольцевой канал:

т = ДР.у//; yH = 6QyJ(nRmlfi);

V„H - [2(n + 2)(д//к)/Я](2у/Я)"; ДРН = 6QnJ/(nJ?mfl3); ДРН„ = [2"(я + 2)(?/(пЯтЯ" • 2m)]i/n. ^ = nRmtf/(6l);

^нн = ЛЙтЯ" + 2/[(п+2)(2/)"].

Конический круглый канал:

т - AP^rmj(2/;); V„ - 4Qrmy/(nKy;

AP„ = 8Qnl/(ni?^), / = !(,•; Д^нн = [(п+3).2п<?/(лй»+т;т)]1/п;

Кя-пЙ^ПЦУ, iC«H = ni?"^-/[(n + 3)(2i/)n].

В этих формулах Q - объемная скорость впрыска (расход, произво­ дительность); Л - вязкость; /к - площадь сечения канала; П - пери­ метр сечения канала. Индекс „mj" означает, что искомые величины относятся к элементарным участкам канала, индекс „т" при искомых величинах относится ко всему каналу; формула для т и V в потоке расплава.

Покажем на примере простого цилиндрического элемента (канала) методику определения К и у. В цилиндрическом канале (рис. 3.30) движется поток расплава, в котором на расстоянии г от оси выделено кольцо толщиной dr. Сила сдвига P^™, действующая на поток, по закону Ньютона будет равна Рсдв = i]3$2nrln(dv/dr), где пЭф - эффектив­ ная вязкость расплава; dv/dr - градиент скорости сдвига. Сила давле­ ния Рд равна Рд = л^ДР, где ДР = Р\ - Pi - перепад давления на длине

канала /ц.

Исходя из условий равновесия при установившемся движении, т.е. приравнивая Рсдв = Рд, получим dv = ДРгЛ7(2пЭф/ц). Элементарный объемный расход dQ = nfidv. После интегрирования dQ и необходимых подстановок получаем: К = л/г4/(8/ц), -у = 4Q/(nR*). Приведенные рассуждения сделаны с учетом многих упрощающих допущений (стационарность и ламинарность потока расплава, смачиваемость стенок канала расплавом, число Re «: 2000 и др.).

176

Рис. 3.29. Конфигурация и условные обозначения размеров (к табл. 3.4) распространен­ ных простых геометрических элементов (каналов):

а — цилиндрический; б — плоская щель; в — произвольная форма поперечного сечения; г — цилиндрический кольцевой; д — конический круглый

Известна также возможность оценки величины К по обобщенному критерию К = ВЯ3//(121), где В и Я - максимальный и минимальный размеры сечения канала соответственно; / - характеристика потока расплава, зависящая от отношения Н/В и формы сечения (рис. 3.31).

Перепады давления, рассчитанные в каждом из элементов литнико­ вого канала и полости формы, суммируются, после чего возможно сделать вывод о работоспособности формы (см. выше).

В случае отсутствия данных об ИХ для оценки величины Р на основании практического опыта можно принимать: Р = 0,65Рпасп (для поршневых машин) и Р= 0,5PnbCn (для червячных машин-автома­ тов), где Рпасп ~ паспортная характеристика давления впрыска.

В литьевых формах с уравновешенной литниковой системой, когда процесс заполнения всех полостей формы заканчивается одновремен-

п

но, может быть определена мощность впрыска: N - QS ДР,-, где Q - объемная скорость впрыска.

177

W///M///<77777\

|ВЮЙМВ1 ; : i

WAWHf|

v;/;;/;////;/777777.

Рис. 3.30. Схема к определению К цилиндрического элемента (канала)

Рис. 3 . 31 . Графики для определения характеристики / различной формы по­ перечных сечений элементов (каналов)

3.6. Системы термостатирования

3.6.1. Назначение и классификация

Система термостатирования формы для литья под давлением ответст­ венна за равномерное, интенсивное охлаждение отливки по всему ее объему. Это чрезвычайно сложно, если учесть неравномерное распре­ деление массы в реальных изделиях, многогнездность большинства форм, другие факторы. Основные тепловые процессы, циклически повторяющиеся и происходящие при охлаждении отливок - теплопе­ редача от расплава к поверхности металлической формы, а затем - теплоотдача от нагретого металла к хладоагенту, отвод теплоты хладоагентом и теплоотдача от формы в окружающую среду (дополни­ тельная особенность, относящаяся к горячеканальным формам, рас­ смотрена в разд. 3.5.3).

Скорость и равномерность охлаждения изделия влияет на образо­ вание надмолекулярной структуры, степень кристалличности (для кристаллизующихся термопластов), величину и характер внутренних напряжений в отливках и их последующую релаксацию. По возмож­ ности одновременное окончание охлаждения отливки по всей ее поверхности устраняет главную причину коробления изделия. Время охлаждения, достаточное для обеспечения безопасности (с точки зрения механического повреждения, извлечения изделия) должно быть технологически обосновано, оно составляет, как известно, главную часть технологического цикла.

Система термостатирования должна регулировать температуру формы, поддерживая ее на заданном уровне.

178

В зависимости от требуемого интервала поддержания температуры формы, мощности и производительности оборудования различают следующие типы термостатирующих систем (приборов): водоциркулирующие с прямым водяным охлаждением по способу смешивания; маслоциркулирующие с непрямым водяным или воздушным охлажде­ нием; компрессорно-охлаждающий с водяным и воздушным охлажде­ нием; градирня (охлаждение испарением).

Эти системы предназначены для циркуляции воды (основной распространенный идеальный хладоагент, пригодный при переработке практически всех термопластов, но при температурах не более 80 °С) ИЛИ масла (веретенное „Индустриальное-20"), силиконовой смазки, этиленгликоля (рекомендуются при переработке поликарбоната, стеклонаполненных полиамидов).

Температурные ограничения для воды связаны с осаждением солей на стенках каналов, что резко меняет тепловой баланс формы. Система охлаждения формы является той органической частью системы термостатирования, через которую оказывается воздействие на охлаждае­ мую отливку. Именно эта система охлаждения является одной из основных, обеспечивающих работоспособность форм.

Классификация систем охлаждения отражает несколько признаков. Известны варианты охлаждения отливок вне формы (на съемных деталях - на воздухе и в ваннах с охлаждающей жидкостью) и в форме (охлаждая непосредственно оформляющие детали формы или менее эффективно - при косвенном их охлаждении путем контакта с охлаждающими плитами и другими деталями). В последнем случае выделяют системы с независимым регулированием температуры охлаждения матрицы, пуансона, знаков, шиберов и т.д. (по необходи­ мости) и с общим - для всей формы или для каждой полуформы в отдельности.

Главный классификационный признак - конструктивные особен­ ности охлаждающих элементов: каналы (круглого, прямоугольного, поперечных сечений), полости (круглого, прямоугольного, коническо­ го или по конфигурации внутренней полости изделия сечений), ком­ бинированные варианты; дополнительный признак - расположение этих охлаждающих элементов (параллельное, пересекающееся, спи­ ральное и т.д.) в зависимости от конфигурации и особенностей конст­ рукции изделий.

3.6.2. Конструктивные особенности систем охлаждения

Охлаждение плоских изделий. Для охлаждения таких изделий, как правило, используют каналы (в виде замкнутого контура), располо­ женные в обеих полуформах. На рис. 3.32 показан типовой пример расположения каналов. Их разветвленность зависит от габарито! изделия и гнездности формы (рис. 3.33).

Охлаждение изделий - тел вращения. Для охлаждения наружных и внутренних поверхностей круглых изделий используют разнообраз­ ные способы. Для охлаждения матриц, формующих наружные поверх-

179