Расчет основных параметров процесса

ПЕРЕРАБОТКИ ПЛАСТМАСС МЕТОДОМ ЛИТЬЯ

ПОД ДАВЛЕНИЕМ

 

Цель работы

 

Приобретение навыков технологических расчетов процесса производства изделий из пластмасс методом литья под давлением.

1. Общие определения

Процесс изготовления изделий литьем под давлением заключается в доведении пластмассы до вязкотекучего состояния (когда она приобретает способность пластически деформироваться, то есть течь в каналах сопла литниковой системы и принимать форму формующей полости) в пластикационном цилиндре машины, а также в последующем перемещении или впрыске под действием внешнего давления расплава в охлаждаемую форму при переработке термопластов и в обогреваемую форму при переработке реактопластов, в которой материал приобретает требуемую конфигурацию и затвердевает (в случае реактопластов – отверждается), окончательно фиксируя форму изделия. Температура цилиндра и формы регулируются и изменяются в зависимости от свойств перерабатываемой пластмассы и режима переработки, обеспечивающего формование изделий с требуемыми служебными свойствами.

Литьем под давлением изготавливают изделия из термопластичных и термореактивных пластмасс разнообразной конфигурации и ассортимента, различающиеся по массе от десятых долей грамма до многих десятков килограмм, по толщине стенки – от десятых долей миллиметра до нескольких десятков сантиметров, причем изделия имеют высокую точность и стабильность размеров.

Вследствие большого ассортимента перерабатываемых пластмасс, имеющих различные технологические, физические и химические свойства литьевые машины выпускают универсальными по параметрам для изготовления разнообразных изделий и специализированными по конструкциям для переработки разных пластмасс.

Универсальность машин по параметрам достигается широкой гаммой типоразмеров, каждый из которых предназначен для изготовления определенного ассортимента изделий по массе и размерам. Специализация литьевых машин по пластмассам достигается различными конструкциями отдельных узлов: цилиндра, шнека и его наконечника, формующей оснастки, а также оснащением машины: устройствами для осуществления дополнительных режимов работы и вспомогательным оборудованием при переработке определенных групп пластмасс.

При большом объеме выпуска осуществляется также специализация литьевых машин по изготавливаемым изделиям (например, имеются специальные литьевые машины для изготовления авторучек, бутылок, флаконов, обуви и т.д.).

Литье под давлением – это циклический процесс, в котором технологические операции выполняются в строгой последовательности, что позволяет применить систему автоматического управления технологическим процессом литья с обратной связью, дает возможность использовать компьютер для обеспечения практической реализации различных режимов литья, повышения точности и стабилизации качества изготавливаемых изделий, осуществить дистанционное управление процессом.

Увеличение объема потребления изделий из пластмасс во всех отраслях народного хозяйства требует повышения производительности литьевых машин, увеличения их быстроходности, интенсификации процесса литья, применения многопозиционных машин.

При отработке технологического процесса литья под давлением изделия стремятся достичь наименьшей продолжительности цикла, то есть получить большую производительность от литьевой машины, а также изготовить более плотное изделие, так как бóльшая масса изделия говорит об отсутствии раковин, пустот в стенках изделий, то есть обеспечивает высокое качество.

При литье под давлением идут процессы пластикации и формования. Процесс пластикации осуществляется в нагревательном (пластикационном) цилиндре. При этом пластмасса переходит из твердого в вязкотекучее сотояние, реологические свойства которого обеспечивают ей легкое формование и образование структуры, придающей изделию хорошие эксплуатационные свойства.

В процессе пластикации необходимо обеспечить требуемую температуру расплава при максимальной однородности по объему, а также минимальное содержание деструктированного материала в подготовленной для формования порции расплава.

При пластикации пластмасс идут процессы нагревания, плавления, изменения объема пластмассы под воздействием температуры (тепловое расширение), сжатие расплава и уплотнение гранул, сдвиговые деформации. Могут протекать также процессы деструкции.

Процессы пластикации определяются, в основном, теплофизическими свойствами пластмасс: теплопроводностью, удельной теплоемкостью, температурами плавления и разложения, объемным расширением и сжатием, насыпной плотностью и гранулометрическим составом.

Температура пластмассы, поступающей на формование, определяет реологические свойства расплава, от которых зависит формирование структуры пластмассы и формование самого изделия.

При формовании изделия протекают физико-химические процессы: стеклование, кристаллизация кристаллизующихся полимеров и формирование надмолекулярной структуры пластмасс, которая определяет эксплуатационные свойства изделий.

Процесс формования отливки происходит в очень короткое время. Расплав впрыскивается в форму с очень большой скоростью, иногда долетая до задней стенки, и уже оттуда начинает заполнять формующую полость.

Течение расплава в каналах с большой скоростью приводит к дополнительному разогреву его и значительной ориентации макромолекул полимера.

Очень быстрое двухстороннее охлаждение термопластичного расплава в форме приводит к уменьшению объема, а так как полимер охлаждается снаружи, то образующаяся на поверхности твердая корка пластмассы препятствует дальнейшему уменьшению объема, вследствие чего возможно появление утяжин. Так как литьем часто изготавливают изделия сложной конфигурации, то возникает трудность в обеспечении равномерного охлаждения всех элементов изделия. Поэтому релаксационные процессы в некоторых элементах изделия могут завершаться на разных уровнях, а после охлаждения останутся остаточные напряжения, которые вызовут коробление изделий, появление трещин, общее снижение прочности.

Процессы, происходящие при формовании, определяют особенности макроструктуры детали, а значит, и все его свойства. Пластмассовые детали, изготавливаемые литьем под давлением, характеризуются сложной слоевой микроструктурой, которую называют топографией. Стенка литьевой детали в общем случае как бы состоит из трех слоев: поверхностного, среднего и внутреннего. Поэтому физико-механические свойства термопластов в литьевых изделиях, а также эксплуатационные свойства изделий практически полностью определяются этой слоевой микроструктурой, образовавшейся при охлаждении расплава в форме. Проблема получения изделия с заданными свойствами сводится в основном к изготовлению деталей со стабильной оптимальной надмолекулярной структурой пластмассы.

При формировании надмолекулярной структуры протекают сложные физические процессы: деформирование пластмасс и ориентация молекулярных цепей в направлении течения расплава, релаксационные процессы высокоэластической деформации и ориентации макромолекул после заполнения формы расплавом, изменение объема пластмасс при изменении температуры и давления.

Процессы формирования надмолекулярной структуры зависят от фундаментальных свойств перерабатываемых пластмасс: молекулярного строения, межмолекулярного взаимодействия, гибкости макромолекул, а также от реологических и теплофизических свойств.

На процессы формирования структуры существенное влияние оказывают параметры формования изделий: температура расплава и формы, давление, скорость и напряжение сдвига при течении, скорость охлаждения изделия.

Процессы формования определяют основные параметры литьевых машин: давление литья, усилие запирания формы, пластикационная производительность, быстроходность.