К преимуществам литья под давлением термопластов с применением точечного литья горячеканальных форм перед литьем под давлением с использованием затвердевающей литниковой системы относятся, в частности, отсутствие отходов, улучшение качества изделий, возможность интенсификации производственного процесса. Широкое внедрение этого метода обеспечивает значительный экономический эффект за счет полной автоматизации процесса литья под давлением термопластов без применения промышленных роботов и манипуляторов. Техническое перевооружение заводов, перерабатывающих пластические массы, предусматривает поэтапную замену маломощного оборудования и малогнездной оснастки более производительным литьевым оборудованием и новой горячеканальной многогнездной и многовпускной безотходной оснасткой. Перевооружение целесообразно начинать с экономически наиболее рентабельных и крупносерийных производств, а также с заводов, выпускающих крупногабаритные изделия.
Особенности конструкций горячеканальных форм. Наиболее широко используют три варианта конструкции впускного устройства литниковой системы горячеканальной формы.
Впускное устройство варианта I состоит из распределителя, в котором расположены обогреваемые литниковые каналы, датчики терморегуляторов и открытые сопла со специальными термоизолирующими опорными и герметизирующими втулками, предотвращающими вытекание расплава из камеры сопла. Форма с таким впускным устройством предназначена для переработки высоковязких и вязких материалов (полиолефинов). Сопла изготавливают из бериллиевой бронзы марки БР-Б2 (ГОСТ 15-835-70), термоизолирующие и герметизирующие виулки и другие детали - из титанового сплава ТВ (ГОСТ 190-173-75). Бериллиевая бронза имеет наиболее высокий коэффициент теплопроводности, что уменьшает потери тепла из текущего в соплах расплава. Титановый сплав, наоборот, имеет минимальный коэффициент теплопроводности, что предотвращает нагрев соприкасающихся с ним деталей формы, в основном матрицы и переднего фланца.
Вариант II отличается от варианта I применением самозапирающихся клапанов, которые открываются под действием давления расплава на их заплечики, а после заполнения оформляющих полостей и уплотнения отливки они с помощью пружины запирают выходные каналы, расположенные в переднем фланце формы. Зазор между сферическими поверхностями сопла и матрицы не превышает 0.01 - 0.02 мм, поэтому расплав через него не проникает. Упорно-центрирующие пояски на наружной конической поверхности сопла предохраняют тонкие стенки его камеры от разрушения сферической поверхностью сопла, образующийся воздушный зазор обеспечивает теплоизоляцию сопла и матрицы, предотвращает вытекание расплава из камеры головки сопла в пространство между распределителем, переднем фланцем и матрицей, а также взаимно центрирует сопло и впускные каналы матрицы. Формы с впускным устройством варианта II - V предназначены для переработки маловязких материалов (полиамидов).
Варианты II - V отличаются от варианта I тем, что в них коническая поверхность клапана запирает впускной канал, расположенный не в сопле, а в матрице и углубляется внутрь изделия на 0.01 - 0.03 мм. Зазор между цилиндрическим стержнем клапана и соплом составляет 1- 1.5 мм, а само сопло, верхняя часть которого находится в камере матрицы, окружено изоляционным слоем толщиной 2-3 мм. Для предотвращения его вытекания в камеру распределителя служат специальные опорно-герметизирующие и теплоизоляционные втулки из титана. Впускные устройства вариантов II-V обеспечивают литье изделий без дополнительной зачистки следов на них и предназначены для переработки маловязких полимерных материалов. Разработаны комбинированные литниковые системы с обогреваемым разводящим литником и затвердевающими подводящими впускными литниками. Для одно- и четырехгнездных горячеканальных форм применяют одно- и четырехсопловые запорные обогреваемые краны.
Во всех вариантах впускных устройств сопла крепятся к распределителю путем их плотной посадки в гладких глухих отверстиях или с помощью резьбовых соединений с уплотнительными коническими поясками. Оба способа крепления сопел используют в одногнездных формах как с одним, так и с несколькими впускными каналами в производстве крупногабаритных изделий, а также в многогнездных формах.
Получение высококачественных изделий литьем под давлением с применением горячеканальных форм. При литье под давлением изделий в горячеканальных формах обеспечивается наиболее равномерное заполнение и уплотнение оформляющих полостей без опережающих потоков расплава, под действием которых в затвердевающей литниковой системе образуются холодные спаи, что особенно характерно для одногнездных многовпускных и многогнездных форм. При этом заполнение оформляющих полостей достигается при минимальном давлении благодаря отсутствию затвердевающей литниковой системы, а в многовпускных и многогнездных формах - за счет равномерного распределения и повышения температуры на всем пути течения расплава и его уменьшения в обогреваемых литниковых каналах и оформляющих полостях, а также в результате дополнительного разогрева расплава при его продавливании через точечные впускные каналы. Все это позволяет увеличить максимальную площадь литья на одной и той же машине на 30-40% по сравнению с площадью литья, достигающейся при использовании затвердеваюшей литниковой системы, или применять при той же площади литья машину с меньшим усилием запирания и менее металлоемкими формами. Литье при пониженном давлении и повышенной температуре полости формы обеспечивает получение изделий с меньшими остаточными напряжениями, улучшает условия заполнения формы и уплотнения расплава, а также условия эксплуатации формы с повышением ее долговечности. В горячеканальных формах минимальная конусность нагнетающей части клапанов и впускных каналов позволяет без участия шнека с помощью сжатой пружины подавать в оформляющие полости дополнительный объем расплава, компенсирующий усадку. Благодаря этому увеличивается плотность отливок и возрастает равномерность ее распределения по объему отливки, что имеет особенно большое значение в производстве высокоточных изделий. В распределителе горячеканальной формы рядом с литниковыми каналами и вмонтированными в них соплами параллельно обеим сторонам каждого из них расположены нагреватели, а в конце каналов установлены в контакте с глухой стороной крайних (несквозных) сопел датчики терморегуляторов и аналоговые приборы Р-133 с усилителями У-13 для снятия избыточной мощности. Такая электромонтажная схема при праллельном включении в сеть обеспечивает равномерную температуру расплава в любой точке литниковых каналов и у каждого сопла, к которым подводится дозированное количество электроэнергии. С помощью термопар осуществляется своевременное включение и отключение электрической сети, что предупреждает перегрев расплава и нагревателей и выход их из строя. Благодаря равномерному распределению температуры расплава и формы исключается возможность коробления изделий и необходимость их рихтовки перед сборкой или установкой в агрегат, а также достигается равномерность усадки охлаждаемого изделия. Необходимая мощность нагревателей и их количество рассчитываются по известной методике. Варианты III - V - литье в центр дна изделия.
Интенсификация процесса изготовления изделий литьем под давлением с применением горячеканальных форм. Возможность такой интенсификации обеспечивается в результате снижения удельных материальных, трудовых, энергетических и других затрат из-за устранения необходимости отделения литников и зачистки их следов на изделии и исключения при этом затрат первичного материала на образование литников, их дробление и вторичное гранулирование. Для изготовления мелких деталей вместо маломощных литьевых машин с одногнездными формами целесообразно применять более мощные литьевые машины и многогнездные безлитниковые горячеканальные формы. В производстве крупногабаритных изделий вместо форм с одним впускным каналом следует использовать многовпускные горячеканальные формы. Выбор числа гнезд в формах должен предшествовать определению мощности, объема впрыска, усилия запирания и типоразмера литьевой машины с учетом сложившегося ассортимента изделий; потребности в них; сроков поставок изделий; самоокупаемости затрат на изготовление форм; минимальной удельной трудоемкости и себестоимости формы и изделий; максимально возможного высвобождения производственного персонала; многостаночного обслуживания литьевых машин на основе полной автоматизации процесса без применения ручного труда; эффективности использования мощности литьевой машины, в том числе производительности узла пластикации, объема и скорости впрыска, а также усилия запирания при минимальном давлении в полости формы; долговечности горячеканальных форм при снятии 1 млн. изделий с одного гнезда формы.
В результате комплексной интенсификации процесса предприятия, использующие горячеканальные безотходные многогнездные и многовпусковые формы, могут получить такой же экономический эффект, как при увеличении объема производства и повышении производительности оборудования в 20-30 раз. При одновременном впрыске, заполнении, уплотнении, и охлаждении всех гнезд или участков изделия суммарная продолжительность этих стадий цикла становится равной их продолжительности при использовании одногнездной формы, что повышает производительность оборудования прямо пропорционально числу гнезд в форме или числу участков в многовпускной горячеканальной форме. Охлаждение всех гнезд или участков одного изделия одновременно с пластикацией дозы расплава позволяет сократить продолжительность цикла литья за счет исключения из него времени пластикации расплава или его охлаждения. Следовательно, максимальная производительность процесса обеспечивается при максимально возможном числе гнезд или впусков в многовпускной форме. Этого можно достичь при использовании литьевых машин такой мощности и таких типоразмеров, которые позволяют разместить максимальное число гнезд или участков одного изделия в многовпусковой форме и зон охлаждения. В результате снижается потребность в литьевых машинах для выполнения одного и того же объема работ при наивысшей производительности труда, а также сокращаются необходимые производственные площади. Уменьшение количества форм с увеличенной гнездностью снижает удельную трудоемкость изготовления формы в расчете на одно изделие, а также объем работ, выполняемых инструментальным и ремонтным цехами.
Литье с газом
| Технология литья с газом (Gas Assisted Injection Molding, Gas Injection Molding, Gas Injection Technique) была впервые предложена в 1970 г. и в последние годы получила широкое распространение за рубежом. Первые попытки применения данной технологии делаются и в нашей стране. По сравнению с обычным литьем под давлением технология литья с газом имеет ряд преимуществ, важнейшие из которых: изготовление крупногабаритных изделий при минимальном числе горячеканальных впусков или вообще без горячего канала, уменьшение утяжек, существенное уменьшение требуемого усилия замыкания литьевой машины, а также возможность получения полых изделий. Основными патентами в области литья с газом обладают фирмы Cinpres (Великобритания) и GAIN Technology (США). Процесс литья с газом проводится по следующей схеме. Вначале в пресс-форму подается расплав полимера, как в обычном литье под давлением. После заполнения изделия на 50-60% для полых и 90-95% для крупногабаритных деталей впрыск полимера прекращается и в полость формы подается газ под давлением 10-80 МПа. В крупногабаритных изделиях газ подается в так называемые газовые каналы - утолщения, предусмотренные в конструкции изделия. Двигаясь по центральной части газовых каналов (на поверхности газовых каналов остается слой застывшего полимера), газ вытесняет расплав полимера и обеспечивает полное оформление изделия. В качестве газа в данном процессе обычно применяется азот, который имеет низкую цену, инертен и доступен. В обычном литье под давлением уплотнение полимера происходит за счет давления, создаваемого в гидроцилиндре узла впрыска (стадия выдержки под давлением). Это давление передается в дальние области изделия через большой слой остывающего полимера. При литье с газом уплотнение полимера происходит за счет давления газа в газовых каналах, поэтому процесс уплотнения проходит легче (даже при небольшом давлении газа), чем в обычном литье под давлением. Литье с газом позволяет получить изделия с хорошим качеством поверхности, без утяжек и без коробления, с минимальным уровнем остаточных напряжений (т.е. с высокой стабильностью размеров). При литье с газом используется обычная литьевая машина - это важное обстоятельство и способствовало популярности данной технологии - а также специальное оборудование для подачи газа. Процесс литья с газом может проводится в двух вариантах: с управлением давлением газа (pressure-control process) и с управлением объемом подаваемого газа (volume-control process). В первом варианте компрессор высокого давления обеспечивает требуемый профиль давления газа (чаще всего используется 2 ступени). Во втором варианте заданный объем сжатого газа подается в пресс-форму с помощью поршневого дозирующего компрессора импульсного действия. Существуют различные схемы подачи газа. Впуск газа может осуществляться через сопло литьевой машины, в литниковую систему (в центральный или разводящий литник) или непосредственно в полость формы. В первых 2-х случаях применяется холодноканальная литниковая система, а сопло должно быть оснащенно запорным клапаном, для предотвращения попадания газа в материальный цилиндр. Интересным решением является подача газа в изделие со стороны, противоположной впуску, когда газ вытесняет расплав полимера из внутренних областей полости в цилиндр литьевой машины (push-back process). В этом случае также применяется сопло с запорным клапаном. |
| Рассмотрим принципы конструирования газовых каналов. Газовые каналы выполняют при литье с газом 3 функции: а) на стадии впрыска полимера газовые каналы работают как холодноканальные литники, транспортируя расплав полимера к дальним областям изделия; б) после впуска газа последний вытесняет расплав полимера из внутренних областей газовых каналов (стадия вытеснения), обеспечивая 100% заполнение изделия полимером; с) далее под действием давления газа происходит уплотнение полимера в изделии (стадия уплотнения). Конструкция газовых каналов должна учитывать особенности поведения полимера и газа на этих трех стадиях процесса. Форма и размеры поперечного сечения, расположение газовых каналов, места впуска полимера и газа выбираются с учетом следующих факторов: 1) Возможность заполнения 80-95% изделия расплавом до подачи газа. При малой толщине газовых каналов расплав не достигает дальних областей изделия. 2) Равномерность (сбалансированность) заполнения изделия расплавом. Нарушение данного принципа может привести к недоливу, короблению изделия. Газовые каналы должны заканчиваться рядом с теми областями изделия, которые заполняются на стадии впрыска полимера в последнюю очередь. 3) Необходима также балансировка для газа. Неравномерность движения газа может быть вызвана неравномерностью охлаждения полимера или другими причинами. 4) Отсутствие опасных воздушных ловушек. На стадии впрыска расплав полимера движется по газовым каналам быстрее, чем по более тонким областям изделия. При большой толщине газовых каналов происходит образование воздушных ловушек и линий спая между двумя газовыми каналами (racetrack effect). Для предотвращения этого явления рекомендуется выбирать для начала толщину газовых каналов в 2-2.5 раз больше толщины изделия. Это оценочная величина и часто такая толщина газовых каналов будет недостаточна. Поведение расплава в реальной пресс-форме зависит от вязкости материала, толщины изделия и др. факторов. При этом толщина газовых каналов может превышать основную толщину изделия в 4 раза. 5) Впуск полимера может производиться в газовый канал или в основную стенку изделия. В первом случае облегчается заполнение крупногабаритных изделий. Во втором варианте уменьшается длина затекания, но одновременно снижается эффект ускорения течения расплава по газовым каналам. 6) Объем газовых каналов должен быть достаточен для 100% заполнения изделия с учетом уплотнения. При малом объеме газовых каналов возникает недолив. Газ может двигаться в канале, только вытесняя из него полимер. Если объем газовых каналов слишком большой, газ не может дойти до конца газовых каналов. Это приводит к утяжкам (в каналах, заполненных полимером), короблению и значительно увеличивает время цикла. Для вытеснения "лишнего" полимера из газовых каналов после заполнения изделия могут использоваться прибыли (spillover, overflow) с постоянным или регулируемым объемом. Применение прибылей увеличивает стоимость процесса (увеличивается объем вторичной переработки материала). Во многих случаях случаев нет необходимости использовать прибыли. 7) Так как в изделии с газовыми каналами имеется большой перепад толщин, часто может проявляться эффект замедления (hesitation effect), который повышает неравномерность заполнения и приводит к недоливу. 8) Искривление газового канала приводит к неравномерному уменьшению толщины слоя полимера и ослабляет изделие (газ движется в искривленном газовом канале по кратчайшему пути). Этот эффект можно предотвратить, увеличивая охлаждение канала со соответствующей стороны (за счет правильного выбора формы поперечного сечения канала, расположения охлаждающих каналов). 9) Попадание газа в тонкостенные части изделия (этот эффект называется fingering значительно снижает механическую прочность изделия и ухудшает его внешний вид (для прозрачных изделий). Данный эффект часто наблюдается при расположении газовых каналов перпендикулярно направлению растекания расплава. Эффект можно устранить при задержке подачи газа, повышении эффективности охлаждения изделия, уменьшении основной толщины изделия. 10) Замкнутые газовые каналы могут создавать несколько проблем. Во-первых, они приводят к образованию воздушных ловушек. Во-вторых, в месте встречи 2-х воздушных пузырей остается слой полимера. Для полного охлаждения этого слоя необходимо значительно увеличить время цикла. Часто давления газа недостаточно для уплотнения толстого слоя полимера, поэтому здесь возможна утяжка. 11) Механическая прочность и жесткость изделия. Газовые каналы, если у них достаточная толщина стенки, повышают механические характеристики изделия. Однако не рекомендуется пытаться использовать газовые каналы для улучшения механических характеристик изделия. Проще всего это сделать за счет системы ребер. 12) Закрытие литникового канала перед подачей газа для предупреждения попадания газа в цилиндр литьевой машины. Для этого используется запирающееся сопло литьевой машины, запирающееся горячеканальное сопло или другие решения. Если впрыск полимера осуществляется не в газовый канал, газ может быть отсечен от литникового канала застывающим полимером. 13) Хотя при литье с газом могут использоваться несколько впусков газа в изделие, количество впусков газа должно быть минимальным. Каждый впуск - это дырка в изделии. Кроме того в разных впусках сопротивление газу может различаться. Газ может проигнорировать впуск с большим сопротивлением. 14) След на изделии на линии остановки полимера (hesitation line). При задержке подачи газа на изделии может оставаться след в месте остановки фронта расплава, но этот дефект более характерен для полых изделий. След на изделии иногда можно устранить изменением технологического режима, однако для гарантированного отсутствия следа применяют 100% заполнение изделия полимером перед подачей газа, а избыток материалы вытесняют в прибыли. 15) При разводке газовых каналов необходимо учитывать, что уплотнение полимера и компенсация объемной усадки может происходить в данной технологии только за счет давления газа. При увеличении расстояния от области изделия до газового канала эффективность уплотнения этой области уменьшается. Чем меньше текучесть материала, тем ближе должны быть газовые каналы к уплотняемой области изделия. При доработках пресс-формы необходимо учитывать, что добавление или любое изменение газового канала может кардинально изменить характер заполнения изделия. Реальное поведение полимера и газа в полости формы определяется многими факторами и очень сильно зависит от особенностей используемой марки полимера. Современная технология компьютерного анализа позволяет спрогнозировать это поведение и оптимизировать конструкцию изделия и пресс-формы на этапе подготовки производства. |