Статьи

Литьё под давлением

Области применения пластических масс в народном хозяйстве весьма разнообразны. Из них изготавливают изделия народного потребления, детали машиностроения, приборостроения, радиоаппаратуры и т.п. В большинстве случаев пластмассы используют как самостоятельный конструкционный материал, кроме того, они являются заменителем ряда дефицитных дорогостоящих материалов. В этой связи большое значение приобретают вопросы разработки пластмассовых изделий с учетом их технологических свойств и проектирования технологической оснастки (форм для литья под давлением и пресс-форм).
Конструкция пластмассового изделия существенно влияет на конструкцию формы (зависящую от технологичности изделия) и качественные показатели изделия, которые, в свою очередь, зависят как от технологии его изготовления, так и от его конструкции. В связи с этим изделие следует
конструировать одновременно с анализом его технологичности.
Необходимо учитывать, что в ряде случаев ошибки, заложенные при разработке изделия, невозможно исправить выбором конструкции формы. При конструировании пластмассовых изделий стремятся к обеспечению рациональных условий течения материала в форме, повышению точности изготовления , уменьшению внутренних напряжений, коробления, цикла
изготовления.
 1 Литье под давлением


Литье под давлением применяют для изготовления деталей из термореактопластов и термопластов .
При литье под давлением материал в гранулированном
или порошкообразном виде поступает в пластикационный цилиндр литьевой машины, где прогревается и перемешивается вращающимся шнеком (в шнековых машинах). В поршневых машинах пластикация осуществляется только в результате прогрева. При переработке термопластов цилиндр нагревают до 200-350 С, при переработке реактопластов до 80-120 С. Пластифицированный материал при поступательном движении шнека или плунжера нагнетается в литьевую форму, где термопласты охлаждаются до 20-120 С (в зависимости от
марки), а реактопласты нагреваются до 160-200 С. В прессформе материал выдерживают под давлением для уплотнения, что значительно снижает усадку при охлаждении вне формы.
Объем изделий ограничивается объемом материала, который может
быть вытеснен червяком или поршнем при наибольшем ходе.
В разновидности метода, называемом ИНТРУЗИЕЙ, возможно на той
же машине изготовить изделия значительно большего (в 2-3 раза) объема. При обычном режиме литья под давлением материал пластицируется вращающимся червяком, а нагнетается в форму невращающимя червяком при поступательном его движении. При интрузии пластикационный цилиндр снабжается соплом с широким каналом,
позволяющим материалу перетекать в форму при вращении червяка до начала его поступательного движения. Общая длительность цикла не увеличивается благодаря частичному совмещению отдельных переходов .Метод отличается высокой производительностью.
Литье под давлением термопластов и реактопластов имеет
некоторую специфику. При литье под давлением термопластов молекулы материала ориентируются в направлении течения, что сопровождается упрочнением материала в направлении течения. Поток расплава термопласта в форме расширяется и перпендикулярно направлению течения в нем возникают ориентационные напряжения - это является
еще одной причиной возникновения остаточных напряжений - различие в скоростях и степени охлаждения материала в поверхностных и внутренних слоях.
Ориентационные напряжения в готовом изделии уменьшить не
удается, уменьшение их достигается путем подбора рабочих элементов конструкции прессформы. При литье деталей из линейных полимеров следует учитывать ориентацию молекул и место спаев потоков материала в зависимости от варианта расположения литника , где свойства детали отличаются. В местах спая обычно получают ухудшенные механические и многие другие свойства.
Термические напряжения можно снизить либо уменьшением перепада
температур между материалом и прессформой, либо при последующем нагреве готовых изделий.
В ходе процесса под действием высоких температур и
механических напряжений может происходить деструкция материала.
Усадка в прессформе частично компенсируется ее подпиткой расплавом ,находящимся под давлением при охлаждении формы, поэтому основная усадка происходит после извлечения из формы изделия. Ориентация макромолекул при литье обусловливает и анизотропию усадки вдоль и поперек направления течения расплава.
1.1 Методы литья под давлением
Инжекционный метод — требуемый объем расплава (доза) накапливается в материальном цилиндре ЛМ и затем под высоким давлением (100-200 МПа) впрыскивается, инжектируется, в форму за короткий, измеряемый секундами, интервал времени. Это наиболее распространенный способ. Он позволяет получать изделия сложной конфигурации, с различной толщиной стенок, как из термопластов, так и из термореактивных пластиков, допускает использование многогнездных форм с различной литниковой системой. Особенность технологии — объем изделий с литниками не превышает паспортного объема впрыска используемой ЛМ.
Интрузионный метод — применяется при червячном способе пластикации для получения толстостенных изделий. Его суть — вращением червяка расплав в режиме экструзии подается в пресс-форму и заполняет ее, после этого червяк останавливается и осевым движением подпитывает форму, компенсируя естественную усадку.
Технология игл.

Газовая смесь (азот, углекислый газ) может подводиться от компрессора или от баллона, важно чтобы ее давление было около 80 МПа. Ввод газа в форму может быть единичным или многократным, ступенчатым по величине давления.
Технология ИГЛ позволяет экономить до 40% дорогостоящего полимерного материала за счет уменьшения толщины стенки изделия, сократить цикл изготовления на 25-35%, уменьшить вероятность брака за счет исключения таких видов дефектов, как утяжены, коробления, развитый облой. Кроме того, как показывает практика, инжекционногазовая технология позволяет упростить конструкцию и понизить стоимость формующей оснастки.
Существенная трудность ИГЛ-технологии состоит в необходимости высокоточного управления литьевой машиной, усложняется конструкция сопла, повышаются требования к расчету и качеству изготовления литниковой системы и сопряжений литьевых форм.
Многослойное литье, относится к специальным видам, иногда называемым соинжекционными. Это название отражает общую особенность этих методов — обязательное участие в процессе двух, а в некоторых случаях и трех инжекционных узлов, в каждом из которых пластицируется полимерный материал с индивидуальными свойствами. Таким образом, появляется возможность получать многоцветные изделия, изделия, состоящие из различных видов пластмасс (поверхность из ПЭВП, а основной объем из вспененного полистирола), использовать вторичное полимерное сырье для внутренних, неответственных частей деталей, производить изделия.

Рис. 1. Схема инжекционно-газового литья (пояснения в тексте)

Ротационное литье является разновидностью описанного выше способа, поскольку по­зволяет решать те же задачи , однако требует использования съемной вставки. После оформления центральной части изделия (узел I) вставка извлекает­ся, а в образовавшийся объем инжектиру­ется расплав из узла II. В цикл производ­ства изделия ротационным литьем введе­на дополнительная операция размыка­ния формы и удаления (установки) встав­ки, что не способствует высокий произво­дительности метода.

С момента заполнения формы начинается затвердевание расплава охлаждением (термопласты) или отверждением (реактопласты). Параллельно с этим процессом, то есть будучи совмещенным с ним, в инжекционном узле ЛМ пластицируется и накапливается следующая доза расплава. Процесс подготовки последующей дозы обычно завершается в пределах длительности охлаждения изделия. Последнее, весьма короткое, действие цикла — раскрытие формы и удаление изделия.
Термопласты в материальном цилиндре и в зоне сопла нагреваются до температуры переработки (160-300 °С), а затем в зоне литьевой формы охлаждаются до 50-120 °С. Реактопласты в цилиндре ЛМ нагреваются до температуры плавления олигомера (90-120 °С), а в зоне сопла и формы нагреваются дополнительно — до температуры отверждения, составляющей 160-200 °С.
Уменьшение вязкости расплава, в частности, может способствовать возрастанию пластикационной производительности червячного пластикатора. Так, увеличение температуры цилиндра от 210 до 280 °С вызывает рост пластикационной способности ЛМ по полиолефинам примерно на 20 %. В то же время для блочного ПС нередко наблюдается обратное явление.
С точки зрения технологии важно, что при нагревании полимерный расплав увеличивается в объеме. При охлаждении расплава в форме и его затвердевании плотность полимера возрастает, что приводит к значительной естественной усадке изделия. Это свойство расплавов необходимо учитывать при назначении технологического режима.
Принципиально, чем выше температура, тем ниже плотность и больше значение удельного объема, величина которого определяется физическим и химическим строением полимера .
При нагревании полимеров возрастает частота колебательных движений фрагментов макромолекул и увеличивается свободный кинетический объем. Это приводит к более заметной сжимаемости.
Абсолютное большинство современных ТПА с червячной пластикацией оснащаются так называемыми универсальными червяками. Вместе с тем полимерные материалы отличаются, и порой весьма существенно, по своим физико-химическим особенностям. Достаточно сравнить такие крупнотоннажные пластики, как полиэтилен и полиамид, чтобы убедиться в том, что перерабатывать их одинаково эффективно с помощью геометрически сходных червячных пластикаторов весьма непросто. Действительно, переработка полиолефинов (ПЭВП, ПЭНП, ПП) эффективна с использованием червяков с короткой зоной загрузки, а для переработки ПА требуется червяк с так называемой продолжительной зоной загрузки, достигающей 55 % всей длины червяка. Таким образом, необходимо либо специализировать оборудование по виду перерабатываемых термопластов, либо перестраивать его при варьировании видов сырья. Разборка же инжекционного узла, извлечение червяка и замена его на новый — дело весьма хлопотное и трудоемкое. Такая операция сопровождается многочасовым простоем дорогостоящей высокопроизводительной техники.
Подобные производственные потери особенно ощутимы в мелкосерийном производстве изделий из пластмасс разнообразного ассортимента, тем более в условиях, когда исполнитель располагает оборудованием ограниченной номенклатуры.
Качественная картина действия давления пластикации (подпора) представляется следующим образом. Давление подпора замедляет отход червяка в процессе пластикации расплава, при этом скорость вращения червяка не изменяется. Соответственно, скорость прямого потока расплава в винтовом канале червяка уменьшается, а интенсивность обратного потока увеличивается, причем характер встречного движения расплава турбулентный. В конечном счете это способствует перемешиванию расплава в зоне дозирования и улучшению его гомогенизации.
Значение противодавления зависит от вязкости расплава. Чем больше вязкость, тем выше рекомендуется противодавление. Для полимерных материалов низковязких ПЭНП, ПЭВП, ПП, ПС, ПА — значение противодавления составляет 5-10 МПа, для АБС — 10-15 МПа, для ПК и полиацетатов целлюлозы — 15-20МШ, для ПММА - 25-30 МПа.
При переработке пластмасс с низкой термостабильностыо противодавление должно быть минимальным. Так, для ПВХ оно не превышает 5 МПа.
Частоту вращения червяка выбирают исходя из допустимого значения окружной скорости, рекомендуемый интервал которой составляет от 0,05 до 0,3 м/с.
Поскольку современные ЛМ имеют высокие значения пластикационной способности, и длительность процесса пластикации существенно меньше времени охлаждения расплава в холодноканальной форме, то применение приема с увеличением давления пластикации (подпора) не влияет на общую длительность цикла литья под давлением и на производительность термопластавтомата.
1.2 Механические операции и контроль качества изделий.


В ряде случаев в зависимости от способа получения и конструкции пресс-формы готовые изделия могут требовать доработки в целях окончательного придания им потребительских свойств
Установка удаляет облой толщиной до 0,4 мм, полирует поверхность, эффективна для деталей из твердых термопластов ПК, ПММА, ПС, ПФА, ПА, ПЭТФ, ПБТФ.
Заметим, что необходимость дополнительной обработки изделия свидетельствует о дефектах в технологии процесса и оснастке. С позиции современных требований производство изделий должно технологически исключать любые виды дополнительных операций. Изделия с литьевой машины должно поступать на сборку и упаковку.
Контроль качества может осуществляться в два этапа. Первый — на рабочем месте; он заключается в визуальном контроле правильности и полноты геометрической формы изделия, проверке состояния поверхности детали, равномерности ее окраски, отсутствие вздутий, коробления.
Более точный контроль изделий осуществляется на специальном участке, оборудованном соответствующим измерительным и контрольным инструментом.
1.3 Отходы производства и их использование.

При литье под давлением изделий из термопластов возможны отходы производства в виде литников, забракованных изделий, продуктов механической обработки и отходов от настройки и чистки оборудования. Все они относятся к отходам технологическим (в отличие от эксплуатационных отходов в виде изделий, утративших потребительские свойства).
Особенность технологических отходов заключается в том, что сырье испытало однократное расплавление и, следовательно, практически полностью сохраняет свойства свежего материала.
Их собирают, дробят, добавляют к свежему сырью и смесь используют для получения изделий неответственного назначения.
В производстве мелких изделий рекомендуется вторичное сырье перерабатывать на рабочем месте литейщика. Это практически исключает попадание в «дробленку» другого материала.
Для дробления используют хорошо зарекомендовавшие себя ножевые роторные измельчители типа ИПР, зубчатые и молотковые дробилки.
На современных литьевых участках малогабаритные дробилки устанавливают возле каждой литьевой машины со стороны узла смыкания. Отходы перемещают в бункер дробилки малогабаритными ленточными погрузчиками, а продукты дробления направляют пневмотранспортом в промежуточный двухкамерный бункер-смеситель.
Необходимо отметить, что время пластикации «дробленки», имеющей весьма разнообразный гранулометрический состав, примерно в 1,2-1,5 раза длительнее, чем у свежего полимера.
Для переработки продуктов настройки и чистки оборудования, имеющих вид наплывов весьма причудливой формы и разнообразной массы, измеряемой порой килограммами, требуется дополнительное оборудование в виде либо маятниковых циркулярных пил, либо тихоходных гильотино-прессовых устройств.
При крупнотиражной переработке отходов рекомендуется использовать линии гранулирования, которые комплектуются измельчителем ИПР, червячным прессом с плоскоканальной головкой для получения прутков, охлаждающим устройством и гранулятором. Такие линии работают в автоматическом режиме с высокой производительностью. Например, линия ЛГТВ-90-200 рассчитана на 200 т/ч готовой продукции (гранул). В процессе крупномасштабной переработки возможно попадание отходов, различных по свойствам полимерных материалов.

2 Литьевые формы
Литьевые формы предназначены для непосредственного получения изделий из расплава, подготовленного в узле пластикации ЛМ. Поэтому их функция состоит в приеме расплава, сто распределении по формообразующим объектам, в формовании изделий и затем в их выталкивании. Конструкции литьевых форм весьма разнообразны, что вызвано двумя главными причинами: широчайшим ассортиментом получаемых изделий и разнообразием перерабатываемых полимерных материалов. Кроме того, на конструкцию литьевых форм влияет вид материала (термо- или реакто-пласт), тип оборудования, характер производства, особые требования к изделиям и пр.
С точки зрения состояния полимерного материала в течение цикла производства изделия литьевые формы для термопластов подразделяются па холодно- и горячека-нальные. В холодноканальных формах во время цикла формования затвердевает весь объем поступившего в форму материала. В горячеканальных — определенная зона формы, горячая, постоянно заполнена расплавом, часть которого периодически поступает в формующие полости, расположенные в охлаждаемой зоне.
Формы для реактопластов принципиально сходны с холодноканальными с тем отличием, что вместо охлаждающей системы они имеют нагревательные устройства, поддерживающие в формующей камере температуру, требуемую условиями отверждения полимера (160-200 °С).
По числу оформляющих гнезд литьевые формы могут быть одно- и мпогогнездпы-ми (до 720), что, в свою очередь, определяет особенности литниковых систем.

Чем больше вязкость расплава полимерного материала, тем длительнее должно быть охлаждение изделия.
Противодавление при пластикации дается отдельным подразделом для подробного пояснения его действия, причин и эффективности. Этот технологический прием состоит в том, что дроссель на линии слива масла из плунжерной зоны гидроцилиндра осевого перемещения червяка регулируется таким образом, чтобы затруднить движение плунжера в период накопления расплава в зоне дозирования, следовательно, замедлить отход червяка. Изменяя положение регулирующего элемента дросселя, можно регулировать и величину противодавления и адекватного ему давления на расплав перед червяком в зоне дозирования. При этом считается, что литьевая машина оснащена запирающимся соплом, исключающим утечку расплава. Описываемый прием сравнительно нов и пока не всегда встречается в отечественной практике переработки пластмасс. Среди параметров, указываемых в технологических картах литья под давлением изделий, противодавление регламентируется не часто. Справедливости ради отметим, что термопластавтоматы, которыми оснащено большинство участков и цехов литья под давлением, позволяют в лучшем случае регистрировать противодавление с помощью
манометра, то есть визуально, но никак не автоматизировать этот замер и, тем более, не управлять этим действием.
Между тем ЛМ последних поколений снабжены микропроцессорными устройствами, что позволяет активно использовать противодавление в качестве эффективного технологического действия. Что же оно позволяет решить?
Абсолютное большинство современных ТПА с червячной пластикацией оснащаются так называемыми универсальными червяками. Вместе с тем полимерные материалы отличаются, и порой весьма существенно, по своим физико-химическим особенностям. Достаточно сравнить такие крупнотоннажные пластики, как полиэтилен и полиамид, чтобы убедиться в том, что перерабатывать их одинаково эффективно с помощью геометрически сходных червячных пластикаторов весьма непросто. Действительно, переработка полиолефинов (ПЭВП, ПЭНП, ПП) эффективна с использованием червяков с короткой зоной загрузки, а для переработки ПА требуется червяк с так называемой продолжительной зоной загрузки, достигающей 55 % всей длины червяка. Таким образом, необходимо либо специализировать оборудование по виду перерабатываемых термопластов, либо перестраивать его при варьировании видов сырья. Разборка же инжекционного узла, извлечение червяка и замена его на новый — дело весьма хлопотное и трудоемкое. Такая операция сопровождается многочасовым простоем дорогостоящей высокопроизводительной техники.
Подобные производственные потери особенно ощутимы в мелкосерийном производстве изделий из пластмасс разнообразного ассортимента, тем более в условиях, когда исполнитель располагает оборудованием ограниченной номенклатуры.
Качественная картина действия давления пластикации (подпора) представляется следующим образом. Давление подпора замедляет отход червяка в процессе пластикации расплава, при этом скорость вращения червяка не изменяется. Соответственно, скорость прямого потока расплава в винтовом канале червяка уменьшается, а интенсивность обратного потока увеличивается, причем характер встречного движения расплава турбулентный. В конечном счете это способствует перемешиванию расплава в зоне дозирования и улучшению его гомогенизации.
Значение противодавления зависит от вязкости расплава. Чем больше вязкость, тем выше рекомендуется противодавление. Для полимерных материалов низковязких ПЭНП, ПЭВП, ПП, ПС, ПА — значение противодавления составляет 5-10 МПа, для АБС — 10-15 МПа, для ПК и полиацетатов целлюлозы — 15-20МШ, для ПММА - 25-30 МПа.
При переработке пластмасс с низкой термостабильностыо противодавление должно быть минимальным. Так, для ПВХ оно не превышает 5 МПа.
Частоту вращения червяка выбирают исходя из допустимого значения окружной скорости, рекомендуемый интервал которой составляет от 0,05 до 0,3 м/с.
Поскольку современные ЛМ имеют высокие значения пластикационной способности, и длительность процесса пластикации существенно меньше времени охлаждения расплава в холодноканальной форме, то применение приема с увеличением давления пластикации (подпора) не влияет на общую длительность цикла литья под давлением и на производительность термопластавтомата.
Механические операции и контроль качества изделий. В ряде случаев в зависимости от способа получения и конструкции пресс-формы готовые изделия могут требовать доработки в целях окончательного придания им потребительских свойств.
Операция доработки включает удаление механическим способом (обрезка, откусывание) литников, излишков материала по контуру изделия, образующихся вследствие затекания расплава в неплотности сопряжений элементов пресс-формы (об-лой), каплевидных наплывов на поверхности деталей (грат). Кроме того, к доработке относится раскрытие недооформленных отверстий, накатка резьбы и другие.
К механическим операциям относятся также отделка поверхности деталей, нанесение на нее рельефного рисунка, наклеивание аппликаций, то есть все действия, улучшающие товарные качества изделия.
При обработке изделий из «мягких» термопластов (ПЭВД, ПЭНД, ПВХ) операции удаления литника, облоя, грата выполняются на рабочем месте литьевщика с помощью приспособлений (кусачки, резаки) незамедлительно после получения детали пока она не остыла. Изделия из «жестких» термопластов (ПММА, ПС, АБС, ПК, ПФА, ПА) подвергают механической обработке на специальных участках, которые оборудованы универсальными устройствами, состоящими из настольных сверлильных, шлифовальных и режущих приспособлений.