Типы литьевых форм полимеров

• монолитный наружный слой и вспененная сердцевина;

• монолитный наружный слой и монолитная сердцевина;

• вспененный наружный слой и монолитная сердцевина.

Для многокомпонентного литья используются машины, которые отличаются от обычных  литьевых машин узлом впрыска (рисунок).

 

Рисунок 6. Многокомпонентное  литье под давлением:

a – впрыск основных компонентов; b – впрыск оболочных и сердцевинных компонентов; c – впрыск сердцевинных компонентов

 

 

Цель технологии многокомпонентного литья такое заполнение полости, которое при безукоризненном  качестве поверхности изделия позволило  бы обеспечить как можно более  равномерное распределение сердцевинного  материала до его застывания. Вязкость внешнего материала должна быть ниже вязкости сердцевинного материала. Для того чтобы добиться хорошего качества поверхности изделия без отпечатков и различий в ее глянцевитости, необходим процесс впрыска с одновременной фазой. Это означает, что впрыск сердцевинного материала начинается еще до полного завершения впрыска сырья, предназначенного для наружного (оболочного) слоя. Таким образом, на распределение давления внутри гнезда литьевой формы оказывается воздействие, препятствующее появлению как пиков, гак и обрушений давления, которые стали бы причиной следов на поверхности изделия. [3]

 

 

 

 

2. Основные стадии процесса  литья

 

Процесс литья под давлением является циклическим. Цикл состоит из следующих стадий:

• загрузка сырья в пластикационный цилиндр литьевой машины и подготовка расплава (пластикация);
• смыкание формы;
• заполнение формы расплавом;
• выдержка под давлением в форме;
• выдержка без давления в форме;
• раскрытие формы и извлечение изделия.

Загрузка сырья проводится через загрузочный бункер и окно в цилиндре литьевой машины. В пластикационном цилиндре проводятся нагрев материала до перехода в вязкотекучее состояние, уплотнение и гомогенизация расплава. Под гомогенизацией понимается перемешивание, приводящее к равномерному распределению температуры по массе, что обеспечивает равномерную плотность и вязкость расплава. Условия пластикации не должны приводить к заметной деструкции материала.

Необходимая температура  расплава создается за счет двух источников тепла: внешнего обогрева цилиндра и  перехода в тепло работы сил трения, возникающих при деформировании материала вращающимся шнеком. Температура  расплава должна обеспечивать необходимую  вязкость для заполнения формы, но при  этом не должна протекать деструкция материала. Обычно вязкость расплава, необходимая для литья под  давлением, достигается у аморфных полимеров при температуре на 100—150 ⁰С выше температуры стеклования, а у кристаллических полимеров, как правило, при температурах, на несколько градусов превышающих температуру плавления. Максимально возможной является температура расплава на 30—40 ⁰С ниже, чем температура деструкции. Чем выше вязкость расплава материала, тем больше разница между температурой деструкции и предельной температурой расплава, так как при пластикации и впрыске происходит дополнительный нагрев материала.

Примерные данные о температурных  интервалах литья под давлением термопластов приведены в таблице 1.

Разница между температурой нагревателей по зонам пласти-кационного цилиндра обычно составляет 10—20 °С, увеличиваясь от зоны загрузки к соплу. Для низковязких материалов температура сопла устанавливается ниже, чем в зоне дозирования, чтобы предотвратить вытекание расплава.[1]

Таблица 1. Температурные характеристики и ориентировочные технологические параметры литья под давлением термопластов

 

Заполнение формы  расплавом (впрыск) начинается после подготовки необходимой дозы расплава и смыкания формы. Под действием усилия, развивающегося в гидроцилиндре узла впрыска, шнек движется вперед и через сопло и литниковую систему подает расплав в формующую полость. Создаваемое наконечником шнека давление затрачивается на вязкое течение расплава и входовые эффекты, обусловленные вязкоупругими свойствами расплавов полимеров. Поэтому давление в форме существенно ниже, чем давление, развиваемое шнеком.

Температура расплава, поступающего в форму при впрыске (Трв), выше, чем температура в сопле (Тспл) из-за диссипации энергии вязкого течения. Степень перегрева пропорциональна сумме перепадов давлений в каналах сопла и литниковой системы, обратно пропорциональна теплоемкости (с_р) и плотности расплава (ρ_р):

 

                                                                  (2.1)

 

На рисунке 6 показано изменение давления на входе в формующую полость и в точке, максимально удаленной от впуска, в течение цикла литья. Обе кривые имеют одинаковый характер, однако давление в конце формующей полости создается только после ее заполнения, поэтому на кривой 2 т. а₂ совпадает с т. b₂. Давление, возникающее при течении полимера в полости формы, расходуется лишь на преодоление сопротивления при его течении. Разность между давлением в начале формы Р₁ и в конце формующей полости Р₂ определяет величину потерь давления в форме при ее заполнении.

Рисунок 6. Изменение давления на входе в формующую полость (1) и у ее стенки (2) в течение цикла литья под давлением

 

На начальном участке  кривой 1 в период времени t₁ (участок a₁b₁) давление в форме на входе увеличивается по мере поступления расплава в формующую полость. К моменту b расплав достигает конца формующей полости, и там также начинается рост давления. Но на участке bc скорость роста давления существенно выше, так как происходит уплотнение расплава, продолжающееся до тех пор, пока давление в гидроцилиндре узла впрыска не достигнет заданного значения Р_л (точка с).

Заполнение формы может  характеризоваться двумя режимами: режим постоянной скорости течения  и увеличивающегося давления на входе  в сопло и режим убывающей скорости течения.

Движение расплава термопласта  в полости формы сопровождается охлаждением расплава при соприкосновении  со стенкой, так как температура  его выше, чем температура формы. На стенках формы образуется канал с толщиной стенок δ из высоковязкого неподвижного материала. Внутри этого канала течет расплав. По мере заполнения толщина пристенного слоя в ранее заполненной части формы постоянно возрастает. При заполнении вблизи литника толщина пристенного слоя мало меняется по мере поступления расплава, так как температура расплава на входе в форму высокая.

Характер движения расплава по формующей полости связан с  конструкцией формы.

При заполнении формы поток перемещается последовательным растягиванием фронтальной  пленки (рисунок 7) и продвижением новых порций вдоль неподвижных слоев уже застывшего полимера на стенке формы. Скорость частиц в центре (точка К) потока полимера выше, чем скорость его фронта. Частицы полимера входят в форму с большей скоростью, чем движется фронт потока. При приближении к фронту потока скорость частиц, движущихся параллельно общему направлению течения, постепенно снижается, а при достижении фронта становится равной его скорости. Частица смещается по линии фронта к стенке формы; соприкасаясь с ней, затормаживается и некоторое время скользит вдоль стенки, увлекаемая движением вышележащих слоев. По-видимому, этот эффект и приводит к ориентации пристенного слоя в направлении заполнения формы расплавом. Продвижение фронта потока по форме сопровождается нарастанием давления на тех участках формы, которые поток прошел, что приводит к разглаживанию волн, образовавшихся на поверхности.

Рисунок 7. Схема движения полимера при заполнении формы

Если скорость заполнения формы мала, то поверхностные слои могут охладиться до того, как волны  разгладятся, и на поверхности изделия  останутся их следы.

Выдержка под  давлением. Выдержка под давлением необходима для компенсации уменьшения объема (усадки) материала в форме в результате его постепенного охлаждения. В течение времени выдержки под давлением (включающего в себя и время заполнения формы) расплав продолжает подаваться в центральную часть изделия через литниковую систему (центральный, разводящий и впускной литники), и давление в форме остается практически постоянным (участок се на рисунке 6). Процесс подачи расплава прекратится в момент затвердевания впускного литника, что соответствует охлаждению материала в литнике до температуры затвердевания (на 5- 10 ⁰С ниже, чем температура текучести) для аморфных или до температуры кристаллизации  для кристаллических термопластов. После завершения выдержки под давлением сопло отводится от литниковой втулки формы.

Если какой-то из элементов  литниковой системы застывает раньше, чем материал в центре изделия, то подпитка не будет завершена и  изделие получится с раковинами и утяжинами. Если для застывания литника требуется большее время, чем для застывания центральной  части изделия (тонкостенные изделия), то при раскрытии формы за литником вытягивается незатвердевший материал. Чтобы избежать этого, приходится увеличивать  время охлаждения, снижая тем самым  производительность.

Охлаждение без  давления завершает процесс формирования структуры изделия в форме (см. рисунок 6 участок ef). На этой стадии скорость охлаждения выше, чем в период выдержки под давлением. Давление в форме на участке ef падает более интенсивно, так как процесс тепловой усадки уже не компенсируется новыми порциями расплава, но к моменту раскрытия формы и извлечения охлажденного изделия в форме сохраняется сравнительно большое остаточное давление.

Продолжительность охлаждения изделия в форме связана с толщиной изделия и его формой, температуропроводностью полимерного расплава, перепадом температур расплава и формы, а также с температурой в центре изделия в момент его извлечения из формы.

Полная продолжительность  охлаждения изделия в форме представляет собой сумму времени охлаждения под давлением (т. е. времени выдержки под давлением ) и времени охлаждения без давления.[1]

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3. Литьевые формы

 

Литьевая форма в основном состоит из неподвижной и подвижной  частей, литниковой втулки, литниковой системы, выталкивающего устройства и охлаждающей системы.

На рисунке 8 представлена стандартная конструкция литьевой формы, выполняющей четыре основные функции:

• прием расплава полимера;

• формормование изделия;

• охлаждение;

• выталкивание изделия.

Рисунок 8. Конструкция литьевой формы:

a – монтажные размеры; b – подвижная часть; c – неподвижная часть; d – плоскость разъема; 1 – направляющая втулка; 2 – направляющая колонка; 3 – плита (фиксированная сторона); 4 – центрирующий фланец; 5 – литниковая втулка; 6 – охлаждающий канал; 7 – плита (подвижная часть); 8 – крепежная плита (фиксированная часть); 9 – промежуточная плита; 10 – колодки; 11 – выталкивающий штифт; 12 – выталкивающая колонка; 13 – плита выталкивателей и монтажная плита; 14 – возвратная колонка; 15 – центровочная гильза; 16 – крепежная плита (подвижная часть)

3.1 Литниковая система

 

Расплав полимера, поступающий  через канал или систему каналов  из мундштука узла пластикации, перемещается в формующую полость литьевой формы. Как система каналов, так  и затвердевающая в нем масса  получили название литника или литниковой системы. Литниковая система в основном состоит из центрального литникового стержня или конического литникового канала, разводящих и впускных литников (рисунок 9).

Впускной литник соединяет  литниковый канал с формующей  полостью.

Размеры литниковой системы необходимо задать таким образом, чтобы при  формовании изделия подпитка была действенной в течение достаточно продолжительного времени.

Рисунок 9. Литниковая система:

1 – центральный  литниковый стержень (конический  литниковый канал); 2 и 3 – разводящие  литники; 4 – впускной литник

 

Передача расплава в формующую  полость должна осуществляться с  большой осторожностью, что предполагает следующее:

• незначительные, минимальные напряжения сдвига полимерного расплава;

• минимальное повышение температуры в литнике;

• минимальное падение давления.

Переработчики предъявляют  к литниковой системе следующие  требования:

• минимум отходов в литниковой системе;

• короткий цикл впрыска;

• по возможности автоматическое отделение литника;

• бесперебойная работа.

3.2 Типы литников

 

• Центральный конический (стержневой) литник (рисунок 10 )

Наиболее простую форму  литника представляет собой конический или стержневой литник. В этом случае конический литниковый канал наибольшим поперечным сечением входит в формующее гнездо литьевой формы.

Из всех типов литников конический обеспечивает наименьшее сопротивление. Поэтому в основном он используется для трудно заполняемых полостей или в случаях переработки термочувствительных и вязкотекучих полимерных расплавов. Коническому литнику отдается предпочтение и при изготовлении толстостенных изделий, которые должны выдерживать заданные размеры.

Диаметр конуса должен быть равен или чуть больше наибольшей толщины стенки литьевого изделия, и процесс, по возможности, осуществляется на участке изделия, отличающегося наибольшей толщиной. Таким образом, затвердевание литника происходит лишь после застывания изделия. Если литник значительно толще толщины стенки изделия, то время охлаждения определяется уже не изделием, а литником.

Недостатком является необходимость  механическою отделения литника  после извлечения изделия из формы, что оставляет на нем заметный след.

Рисунок 10. Центральный конический или стержневой литник:

 1 – крепежная плита литьевой формы; 2 – подвижная часть формы; 3 – изделие; 4 – неподвижная часть формы; 5 – поднутрение; 6 – плоскость разъема

• Зонтичный впускной литник (рисунок 11 )