34. Фізична сутність та математичні моделі операцій підготовки і дозування розплаву в литтєвий машині.

Физическая сущность операций пластикации и дозирования расплава

Анализ процесса литья под давлением может быть проведен по следующим составляющим: перевод материала в вязкопластичное состояние → «подача его в зону дозирования → накопление расплава → течение расплава в системе сопло – форма» → течение расплава в каналах формы и формующей полости → формирование структуры изделия.

Операция пластикации осуществляется периодически через равные промежутки времени (циклы). Плавление полимера происходит за счет передачи теплоты от нагретых стенок материального цилиндра, а также вследствие диссипации энергии трения гранул и вязкого течения расплава. Определенное количество пластицированного расплава (доза) накапливается в цилиндре к дальнейшей подаче в сомкнутую литьевую форму.

Во время впрыска расплава червяк не вращается, поэтому нагревание гранул происходит только за счет теплопередачи. Таким образом, для расчета операция плавления при литье под давлением разбивается на два этапа нагревания – при неподвижном и вращающемся червяке.

Пластикация сопровождается сжатием и нагреванием гранул с последующим переходом полимера в вязкотекучее состояние. Для обеспечения хорошей гомогенизации расплава во время дозирования с помощью поршня узла впрыска на червяке создается усилие подпора, поэтому червяк отходит не свободно, преодолевая давление подпора. Характер влияния давления подпора на процесс движения и гомогенизацию аналогичен рассмотренному ранее при экструзии. Следует заметить, что давление подпора увеличивает температуру расплава и повышает ее однородность по сечению в каналах шнека. С увеличением частоты вращения червяка неоднородность расплава в его каналах возрастает, поэтому для гомогенизации расплава увеличивают усилие подпора за счет повышения давления масла в цилиндре узла впрыска. Частоту вращения червяка и температуру по зонам цилиндра определяют экспериментально или рассчитывают с учетом размеров червяка и давления подпора.

Накопление дозы расплава осуществляется в результате перемещения полимера в переднюю часть цилиндра при вращении червяка. Во вращение червяк приводится после окончания выдержки под давлением предыдущего цикла литья и уменьшения давления в цилиндре литьевой машины. При давлении впрыска (60...140 МПа) нагрузка на червяк очень велика и вращение его недопустимо.

Червяки литьевых машин конструктивно отличаются от экструзионных. Они обычно имеют меньшую длину (L/D = 15...20) и степень сжатия для них равна i = 2...2,5. Это объясняется тем, что в литьевых машинах не требуется создания червяком во время дозирования высоких давлений и не нужна очень хорошая гомогенизация, так как при впрыске происходит дополнительный нагрев расплава и он хорошо перемешивается вследствие течения в литниковых каналах. Недостаток в гомогенизации при дозировании восполняется на последующей технологической операции, т. е. при впрыске расплава в форму. Для того чтобы во время впрыска можно было создать внутри цилиндра высокое давление и исключить обратное течение расплава по каналам червяка, на хвостовике червяка устанавливают запорный клапан.

Объем дозы расплава задается значением хода червяка вдоль цилиндра при его вращении за счет изменения расстояния между кулачками конечных выключателей. После того как наберется определенная порция расплава, шток при отходе назад нажимает на конечный выключатель и вращение червяка прекращается.

В отличие от экструзионных процессов температура по зонам цилиндра узла пластикации устанавливается значительно выше. Это необходимо для уменьшения вязкости расплава, чтобы в момент впрыска в отверстиях сопла и литников не возникали большие перепады давлений. Однако при очень высокой температуре на изделиях образуется облой (грат), т. е. расплав очень сильно затекает в зазоры по линии разъема формы, а это невыгодно. Поэтому температуру расплава выбирают с учетом толщины стенок изделия, площади поверхности отливки, температуры формы и реологических свойств полимера, а также в зависимости от размеров литниковых каналов и термостойкости полимера.

Физико-химические основы литья под давлением аналогичны таковым для экструзии и выдувания пустотелых изделий, однако имеются и некоторые принципиальные отличия. Так, процесс формования происходит в очень короткое время, поэтому расплав впрыскивается в форму (течет) с очень большой скоростью, что, естественно, приводит к дополнительному разогреву и значительной ориентации макромолекул. Степень ориентации повышается также за счет больших сдвиговых напряжений, возникающих в формующей полости, при течении расплава между двумя охлаждаемыми пластинами. Очень быстрое двухстороннее охлаждение расплава приводит к сильному изменению объема, а так как полимер охлаждается снаружи, то образующийся наружный твердый слой полимера препятствует уменьшению объема, поэтому возможно появление утяжин. Для предотвращения этого необходимо перед охлаждением повышать давление в форме до 140...180 МПа. Однако охлаждение под высоким давлением затрудняет протекание релаксационных процессов и сильно изменяет условия кристаллизации. Поскольку литьем под давлением изготавливаются изделия сложной конфигурации, очень трудно обеспечить равномерное охлаждение всех их элементов. В связи с этим релаксационные процессы в отдельных местах изделия завершаются на различном уровне, а после охлаждения остаются внутренние остаточные напряжения, вызывающие коробление изделий, снижение их прочности или появление трещин.

Основными расчетными технологическими параметрами пластикации и дозирования являются: время пластикации расплава червяком, пластикационная производительность, температура расплава в материальном цилиндре, противодавление при впрыске и отводе червяка.

Математические модели операций пластикации и дозирования расплава

Производительность пластикации. При расчете производительности пластикации литьевой машины значение осевой скорости движения материала в канале червяка зависит от скорости отвода червяка υ_д

= υ_о– υ_д, (12.1)

где υ_о – скорость движения полимера вдоль оси цилиндра в зоне загрузки,

υ_о=ω R_ср (1 – tgφ ctgω) sinφ cosφ, (12.2)

где ω – угол между вектором скорости движения полимера в канале червяка и осью канала; R_ср – средний радиус канала червяка; φ – угол наклона винтовой линии канала.

Скорость перемещения червяка равна

υ_д=G/πR²₃ ρ, (12.3)

где G – производительность литьевой машины; R₃ – радиус цилиндра пластикатора; ρ – плотность полимера.

, (12.4)

где R₁ – радиус сердечника червяка; r – текущее значение радиуса; e – ширина гребня витка червяка.

Используя уравнения (12.1) и (12.), находим

, (12.5)

где – К_д – коэффициент, учитывающий осевое перемещение червяка.

К_д=2 – R₁²/R₃² – h e/π R₃² tg φ. (12.6)

При расчете зоны дозирования пластикатора используют уравнения, рассмотренные при анализе червячных прессов экструзионных линий, однако уравнение

, (12.7)

необходимо решать при следующих граничных условиях:

при r=R₃ υ₀=0; при r=R₂ υ₀=-G/ρπR₃² t_д, (12.8)

где G – масса трубчатой заготовки; t_д – время дозирования полимера; R₂ – диаметр сердечника червяка в зоне дозирования.

В уравнении (12.7) υ₀ – скорость вдоль оси червяка; K, n – константы реологического уравнения полимера; p – давление в канале; θ – угол поворота точки в канале вокруг оси червяка; C₁ – постоянная интегрирования.

Объем дозы расплава задается значением хода червяка вдоль цилиндра при его вращении. Поскольку дозирование осуществляется во время операции охлаждения и раскрытия формы, то частоту вращения червяка рассчитывают из условия обеспечения заданной дозы материала за определенное время. При этом производительность узла пластикации должна быть равна:

, (12.9)

где G_иад и G_л – масса изделия и литников; п – гнездность формы; t_изд и t_р – время охлаждения и раскрытия формы.

Температура расплава в материальном цилиндре пластикатора. Определяется по зависимостям, аналогичным для экструдера.