Изготовление изделий из термопластов литьем под давлением

Литье под давлением – наиболее распространенный и прогрессивный метод переработки пластмасс, так как позволяет получать изделия сравнительно сложной конфигурации при небольших затратах труда и энергии. Процесс изготовления изделий основан на заполнении формующей полости формы расплавом с последующим его уплотнением за счет давления и охлаждением.

Этим способом можно перерабатывать все без исключения пластичные полимеры, вид и марки которых выбирают в зависимости от назначения изделий, прочности, теплостойкости и других свойств. Для литья под давлением обычно используют полимеры с показателем текучести расплава от 2 до 7 г/10 мин. Однако можно перерабатывать полимеры и с меньшей текучестью, но при этом требуется более высокая температура, что не всегда допустимо, так как может произойти термическая деструкция. 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 давление 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.

Литье под давлением – периодический процесс, в котором технологические операции выполняются в определенной последовательности по замкнутому циклу. Поэтому процесс литья под давлением довольно просто автоматизируется с использованием простейших серийных приборов, таких, как реле времени, регуляторы давления и электронные потенциометры, а с помощью датчиков, преобразующих технологические параметры в электрические сигналы, легко может быть переключен на управление с ЭВМ. Это позволяет существенно повысить эффективность производства.

Технологический процесс литья изделий из термопластичных полимеров состоит из следующих операций: 1) плавление, гомогенизация и дозирование полимера; смыкание формы; подвод узла впрыска к форме; впрыск расплава; выдержка под давлением и отвод узла впрыска; охлаждение изделия; раскрытие формы и извлечение изделия (рис. 20).

а	б

1 —форма; 2 —сопло; 3 - цилиндр литьевой машины; 4 — шнек; 5 — бункер;

6— поршень узла впрыска; 7 — цилиндр узла впрыска; 8 — изделие

а - формование изделия ; б - раскрытие формы и извлечение

Рис.20 Технологическая схема процесса литья термопластов

С помощью поршня узла впрыска на шнеке создается усилие подпора, поэтому шнек отходит не свободно, а преодолевая давление подпора. Следует заметить, что давление подпора увеличивает температуру расплава и повышает ее однородность по сечению в каналах шнека. С увеличением частоты вращения шнека неоднородность расплава в его каналах возрастает, поэтому для гомогенизации расплава увеличивают усилие подпора за счет повышения давления масла в цилиндре узла впрыска. Частоту вращения шнека и температуру по зонам цилиндра определяют экспериментально или рассчитывают с учетом размеров шнека и давления подпора.

Шнеки литьевых машин конструктивно отличаются от экструзионных. Они обычно имеют меньшую длину (LID = 15–17) и степень сжатия для них равна i = 2-2,5.Это объясняется тем, что в литьевых машинах не требуется создания во время дозирования высоких давлений и не нужна очень хорошая гомогенизаця, 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 шнека, на хвостовике шнека устанавливают запорный клапан (рис. 21а).

Во время дозирования расплава втулка клапана 2 отжимается расплавом от шнека 3 и полимер течет по продольным пазам между наконечником 1 и втулкой клапана 2. При впрыске (как показано на рис.21а втулка прижимается к конической части хвостовика шинека, перекрывает каналы и исключает обратное течение. При переработке не термостойких полимеров (например, жесткого поливинилхлорида) применяются шнеки без запорного клапана с удлиненным коническим наконечником. В данном случае внутреннее отверстие сопла и переходной втулки изготавливают без уступов, чтобы не возникали застойные зоны. В конце впрыска конический хвостовик шнека входит в коническое отверстие сопла, поэтому расплав почти полностью выдавливается из цилиндра, за счет чего уменьшается время его пребывания в нагретом состоянии и исключается термическая деструкция полимера. Чтобы расплав во время дозирования не вытекал из отверстия сопла, узел впрыска не отводят от формы или выходное отверстие мундштука перекрывается клапаном. Наиболее часто это осуществляется с помощью самозапирающегося сопла (мундштука) (рис.21б). При дозировании, когда сопло отведено от формы, расплав давит на клапан 2, смещает его влево и боковые входные отверстия перекрываются корпусом 3. На рис.21б клапан показан в открытом виде, когда узел впрыска подведен к форме.

а б

1— наконечник шнека; 2 — втулка клапана; 3 — шнек

а - запорный клапан

1— наконечник; 2 — клапан; 3 — корпус;

б - самозапирающееся сопло

Рис.21

Объем дозы расплава задается значением хода шнека 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 шнека прекращается.

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. Поскольку дозирование осуществляется во время операции охлаждения и раскрытия формы, то частоту вращения шнека рассчитывают из условия обеспечения заданной дозы материала за определенное время.

При этом производительность узла пластикации должна быть равна:

, (4)

где Gизд и Gл – масса изделия и литников;

n - гнездность формы;

toхл и tр – время охлаждения и раскрытия формы.

После окончания паузы, предусматриваемой по завершении операции извлечения отливки, изготовленной в предыдущем цикле, срабатывает реле времени и включается механизм смыкания. Смыкание формы осуществляется в результате перемещения подвижной плиты термопластавтомата вместе с закрепленной на ней разъемной частью формы и создания определенного усилия. Усилие смыкания Nсм необходимо для исключения раскрытия формы в момент заполнения ее расплавом, оно должно быть равно

, (5)

где Рф – давление в форме, усредненное по площади отливки;

Fизд и Fл – площадь литников в плоскости разъема формы.

В том случае, когда площадь отливки очень велика и расчетное усилие превышает максимальное усилие смыкания машины, чрезмерно возрастает упругая деформация закрывающих звеньев механизма и изделия после литья имеют толстый облой. Иногда по этой же причине может произойти раскрытие формы.

Подвод узла впрыска к форме производится отдельным механизмом, при зтом сопло цилиндра упирается в литниковую втулку формы и создается необходимое давление, исключающее утечку расплава. В момент подвода узла впрыска сопло должно располагаться соосно с литниковым каналом формы. При использовании самозапирающегося сопло, (рис. 21б), в момент подвода узла впрыска происходит открытие клапана, так как наконечник 1 упирается в литниковую втулку и перемещает клапан 2 внутрь цилиндра. В этом положении боковые каналы клапана 2 открываются и соединяют между собой полость цилиндра с литниковыми каналами.

Контрольные вопросы

1. Что такое полимеры?

2. Способы получения полимеров?

3. Классификация полимеров по форме молекул

4. Классификация полимеров по составу

5. Классификация полимеров по фазовому состоянию.

6. Классификация полимеров по отношению к нагреву.

7. Свойства полимеров и пластмасс.

8. Классификация пластмасс.

9. Способы получения изделий из пластмасс.

10. Способы получения изделий из термопластов.

Литература

1. Бортников, В.Г. Основы технологии и переработки пластических масс: учебное пособие для вузов. – Ленинград: Химия, 1983. – 374 с.

2. Калинчев, Э.Л., Саковцева, М.Б. Свойства и переработка термопластов: справочное пособие. – М. : Химия, 1983. – 204 с.

3. Мирзоев, Р.Г., Кугушев И.Д., Брагинский В.А. и др. Основы конструирования и расчета деталей из пластмасс и технологической оснастки для их изготовления: учебное пособие для вузов. – Ленинград: Машиностроение, 1972. – 308 с.

4. Салазкин, К.А., Шерышев М.А. Машины для формования изделий из листовых термопластов: учебное пособие для техникумов. – М. : Машиностроение, 1977. – 456 с.

5. Технология материалов в приборостроении. Под ред. А.Н. Малова: Учебное пособие для вузов. – М. : Машиностроение, 1969. – 233 с.