WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     | 1 |   ...   | 3 | 4 ||

«•{ШаЫгкщшж И»т»Шщ^1 ^•ш^ЭМ^^^^И ^2SEEESffi^3 Калинчев Э.Л., Калинчева Е.И., Саковцева М.. ...»

-- [ Страница 5 ] --

Ориентация структуры в поперечном сечении литьевого изделия распределяется неравномерно (рис. 4.21, а). Наибольшая ориента ция фиксируется в поверхностном слое. Уменьшаясь от поверхности к центру, ориентация в поверхностном слое проходит через макси мум. В центральных слоях полимер практически изотропен, что связано с низкими напряжениями сдвига, реализуемыми при за Рис. 4.21. Распределение ориентации и напряжения сдвига а — распределение ориентации в поперечном сечении литьевых изделий из полистирола ПС и поликарбоната ПК 1,_2 — вдоль потока р а с п л а в а ПС при линейной скорости течения V, ранной 3,5- 10 2 и 18- 10 2 м/с;

3 — перпендикулярно к потоку расплава ПС;

4, S — вдоль потока расплава ПК при V, равной 3,5- 10~*2 и 15» 10~а м/с;

б — распределение напряжения сдвига и схема движения полимера в литьевой форме: / — 5 — последовательное изменение формы чястиц расплава;

А — профиль напряжений сдвига;

Б — замерзший слой;

В — продвигающийся фронт полнении формы в этих слоях (рис. 4.21, б), и с более полным про теканием в них релаксационных процес:ов вследствие медленного охлаждения расплава. Перпендикулярно к направлению течения ориентация изделий при одноосном заполнении формы также имеет максимальное значение у поверхности и резко снижается к центру.

Сложный профиль распределения ориентации обусловлен не только различием в процессах, протекающих в разные периоды фор мования, и изменением напряжения сдвига по высоте поперечного сечения канала при сдвиговом течении, но и продольным растяже нием поверхностного слоя на границе фронта потока расплава (см. рис. 4.21, б). На фронте потока направление деформирования слоев полимера изменяется, они растягиваются и отбрасываются к стенкам формы, где ориентация фиксируется охлаждением. Акси ально-плоскостная ориентация поверхностного слоя возникает вследствие растяжения полимера на границе фронта потока, а аксиальная ориентация внутренних слоев —• за счет сдвигового течения. Экстремальное значение ориентации полимера во внутрен них слоях изделия можно объяснить максимумом скорости (напря жения) сдвига на границе затвердевшей оболочки и расплава.

Ориентация по длине изделия также распределяется неравно мерно. Вблизи литника в направлении течения она резко умень шается, что связано с радиальным расширением расплава на входе в форму и с уплотнением при подпитке. Далее наблюдается некоторое снижение ориентации по длине всего изделия, что вызвано уменьше нием давления.

В случае двухмерного течения, например, при заполнении диска через центрально расположенный литник течение более сложное.

Характер распределения ориентации в поперечном сечении образца, вырезанного в направлении, перпендикулярном к течению, отли чается от продольной ориентации. В параллельном течению направлении характер распределения ориентации в целом тот же, что и при одномерном течении. Относительная величина ориентации в поверхностном слое несколько меньше, чем в прилегающих к нему слоях, движущихся при заполнении формы по охлажденной обо лочке. Это определяется меньшими скоростями деформации на фронте потока вследствие большой поверхности и постоянно умень шающейся линейной скорости течения полимера.

В перпендикулярном направлении по отношению к направлению течения эпюра распределения поперечной ориентации отличается.

Главное отличие — более высокие ориентации на поверхности. Это связано с тем, что расширение поверхности течения на фронте потока происходит в радиальном направлении перпендикулярно к напра влению течения. Эти ориентации фиксируются в оболочке.

По радиусу ориентация полимера (продольная) так же непо стоянна. Ее величина и характер распределения определяются режимом течения. Продольная ориентация уменьшается в области литника. Далее она несколько снижается по радиусу детали.

Средняя ориентация, возникающая при формовании полимеров, зависит от технологических параметров литья, свойств полимера Рис 4.22. Зависимость от скорости сдвига у време ни релаксации 0^ ( г ) (/— 3), высоко?лапической деформации Уэ„ (4—6) при С Т0= 190 С (/, 4), 250 °С (2,5) 280°С (5,6) и ориен тации А образцов из поли стирола (7) и поликарбо- - ната (8, 9), полученных при Г 0 =- 190°С (7), - 250 °С (5), 280 °С (9) и Г4 =- 20 °С (7), 70 °С (5), 110 С 'С (9) - -2 (высокоэластических, релаксационных, теплофизических) и размеров формы. Среднюю ориентацию А аморфных полимеров, образующихся при формовании, можно рассчитать по уравнению 0,8..аг А= ехр — (П/5ИЗ)' !

lg (4.2) 3 4 а где aQ — размерный коэффициент (10~ м)°' ;

al ^р) = ось + б^л — коэффициент, зависящий от давления литья Р л (в МПа);

П и 5И} — периметр и площадь попереч = 6 ( 7 ')Y 9 * — величина, принятая в качестве условной ного сечения изделия;

меры накапливаемой при заполнении формы высокоэластической деформации;

а2, а-, а5, аг,, коэффициенты температуропроводности полимеров а и темпера туры стеклования Тс приведены в работе [9];

a4 = a, B//i — коэффициент, учитывающий двумерность температурного поля (а, = 0,52;

В — ширина изделия);

6^ ^ — характерное время релаксации при эффективной скорости сдвига запол нения полимером формы Уэф (расчет см. в работе [9]) и начальной температуры и п иве ен в полимера TQ (расчет Q^,т. в зависимости от уэ<ь ^о Р Д работе [9]).

В ньютоновской области, соответствующей низким скоростям сдвига Y> повышение у не вызывает снижения времени релаксации Эу( Г ), а накапливаемая при заполнении формы высокоэластическая деформация 7э„ возрастает пропорционально \ (рис. 4.22). В резуль тате средняя ориентация А, образующаяся при формовании, увели чивается. В переходной области от ньютоновского течения к области развитой аномалии вязкости повышение скорости сдвига вызывает снижение времени релаксации, а возрастание высокоэластической деформации 7э„ ослабевает. Снижение времени релаксации начинает нивелировать возрастание высокоэластической деформации, в ре зультате чего зависимость остаточной ориентации А, образующейся при формовании, от скорости сдвига проходит через максимум.

В области развитой аномалии вязкости, соответствующей средним и высоким скоростям сдвига у. повышение у вызывает все более резкое снижение времени релаксации, а возрастание высокоэласти ческой деформации еще больше ослабевает. Снижение времени релаксации становится преобладающим фактором, и остаточная средняя ориентация А, образующаяся при формовании, уменьшается с повышением скорости сдвига \>. В технологической практике литья обычно реализуются скорости сдвига формования Y. соответствующие спадающей ветви зависимости средней ориентации 1Д от -у (см.

рис. 4,22). Поэтому повышение скорости заполнения формы (сниже ние времени заполнения t3) вызывает снижение средней ориентации литьевых изделий А (рис. 4.23, а).

Повышение начальной температуры полимера Т0 уменьшает время релаксации 9 Y ( j ) и понижает высокоэластическую деформа цию 7э„, накапливаемую при заполнении формы. Повышение Т„ увеличивает также разность между Т0 и температурой'стеклова ния Т с, т. е. возможную продолжительность протекания релаксации, накапливаемой при заполнении формы высокоэластической деформа ции (ориентации) уэ„. Все это приводит к тому, что с повышением начальной температуры полимера Тп уменьшается средняя ориен тация А, образующаяся при формовании (см. рис. 4.22, 4.23, б).

Повышение давления литья Рл уменьшает сегментальную по движность макромолекул полимера, в результате чего время ре лаксации, накапливаемой при заполнении формы высокоэластиче ской деформации, увеличивается, а скорость релаксации снижается.

Повышение давления литья увеличивает также продолжительность подпитки и сохранения перепада давлений по длине формы, что при водит к увеличению деформации сдвига при охлаждении. Все это способствует тому, что с повышением давления литья, увеличи вается средняя ориентация А, образующаяся при формовании (рис. 4.23, г).

Повышение температуры формы Т$ снижает скорость охлаждения полимера в форме вследствие уменьшения интенсивности тепло обмена, обусловленного уменьшением разности между начальной температурой полимера Г0 и температурой формы Тф. Чем меньше скорость охлаждения, тем полнее протекает релаксация накаплива емой при заполнении формы высокоэластической деформации уэ„ Поэтому с повышением температуры формы Тф средняя ориентация, образующаяся при формовании, уменьшается (см. рис. 4.23, в).

Время выдержки под давлением ^ впд увеличивает продолжитель ность приложения давления. Увеличение ^впд в течение периода, когда в форму поступают новые порции полимера, т. е. до охлажде ния литника, приводит к возрастанию остаточной ориентации А, образующейся при формовании (рис. 4.23, д). Дальнейшее увеличе ние вда, не оказывает влияния на остаточную ориентацию А.

\\ f Wit*) Т-п a) S) в) г) о) Рис. 4.23. Зависимость ориентации и разрушающего напряжения при растяжении от параметров литья,МПа SO ьо 0,51,отне О 0, Рис. 4.24. Зависимость раз рушающего напряжения литьевых изделий из поли стирола / и поликарбоната от средней ориентации Рис. 4.25. Образование струк туры полимеров при формо вании с высокими напряже ниями сдвига при заполне нии формы Средняя ориентация литьевых изделий из аморфных полимеров, которую можно оценить по тепловой усадке, определяет многие эксплуатационные показатели — механические, теплостойкость, стабильность размеров и др. Упорядочение структуры полимера при ориентации приводит к повышению его прочности в направлении течения. Поэтому разрушающее напряжение при растяжении сгр в направлении ориентации повышается с увеличением средней ори ентации полимера, возникающей при формовании (рис. 4*24).

С уменьшением объемной скорости заполнения формы Q, с по нижением температуры полимера Г0 и формы Тф) с увеличением давления литья Рл и времени выдержки под давлением tBaz средняя ориентация литьевых изделий А увеличивается, что вызывает воз растание разрушающего напряжения при растяжении <тр (см рис. 4.23) Но, если прочность сопоставить со средней ориентацией, то независимо от того, при каких режимах формования (по скорости заполнения формы Q, температуре полимера Тп и формы Тф, давле нию литья Рл и времени выдержки под давлением / Вп,) достигается ориентация А, разрушающее напряжение при растяжении одно значно определяется ею (см. рис. 4.24).

Наряду с упрочнением полимера в направлении преимуществен ного расположения участков макромолекул ориентация приводит к ослаблению полимера в перпендикулярном направлении. Ориен тация приводит также к образованию внутренних напряжений, что неблагоприятно сказывается на поведении изделий при эксплуата ции. Неравномерно распределенные внутренние напряжения могут приводить к растрескиванию изделий (особенно под воздействием тепла, органических растворителей и агрессивных сред), образова нию микротрещин (ухудшаются оптические свойства, появляются «серебрение» поверхности и помутнение изделий), короблению изде лий (понижению температуры коробления) и снижению стабильности размеров изделий.

Уровень допустимой ориентации аморфных полимеров в изделиях выбирают в зависимости от условий их эксплуатации. Для изделий, нагруженных при эксплуатации в направлении ориентации поли мера, ее повышение увеличивает их работоспособность. Но если при этом изделия работают в агрессивных средах, то повышение ориен тации уветачивает склонность к растрескиванию, короблению и вызывает другие виды брака. В этом случае допустимое значение ориентации определяется альтернативно: в зависимости от пре обладающего требования (прочность или стойкость к средам). Для изделий общего назначения, которые при эксплуатации подвер гаются нагрузкам в различных направлениях, ориентация в про дольном направлении не должна превышать определенного уровня, чтобы не ослаблять полимер в перпендикулярном направлении.

Для полистирола и полиметилметакрилата этот уровень составляет 15—20 %, для поликарбоната, полисулъфона, полиарилатов — 5— 7 %.

Уравнение (4.2) позволяет определять параметры формования (скорость заполнения формы, давление литья), обеспечивающие требуемое значение ориентации полимера в изделиях в зависимости от условий их эксплуатации, а также в каждом конкретном случае формования деталей выбирать наилучший вариант коррректировки параметров формования для регулирования уровня ориентации полимера в изделиях.

В отличие от аморфных полимеров, которые переходят в твердое состояние, не изменяя фазового состояния (аморфного), охлаждение кристаллизующихся полимеров при формовании сопровождается кристаллизацией, т. е. фазовым переходом.

Структура изделий из кристаллизующихся полимеров характе ризуется определенной степенью кристалличности и неравномерным расположением кристаллических областей по сечению изделий.

Свойства кристаллизующихся полимеров в изделиях, полученных в разных условиях переработки, несмотря на морфологическую схожесть структуры различны. Это объясняется разными размерами сферолитов и образующих их ламелей и различиями во взаимном расположении ламелей в сферолитах Для изделий из кристаллизующихся полимеров, формуемых в неизотропных условиях (неизогермичность, неоднородность напря жений сдвига по высоте сечения изделий, неоднородность давления по длине полости формы) характерен еще один уровень надмолеку лярной организации — слоевая структура, т е. разные структуры полимера по сечению.

В общем случае форма может заполняться первоначально с по стоянной объемной скоростью течения полимера Q на начальной длине L 0 в течение времени ta, а затем с убывающей скоростью тече ния на длине (Ьф — L 0 ) в течение времени (ta — tn), где t3 — общее время заполнения формы длиной L$ (рис 4 25, а). Давление на входе в сопло Рс при заполнении в режиме постоянной объемной скорости течения возрастает до максимального значения, а при последующем заполнении в режиме убывающей скорости течения сохраняет по стоянное значение (рис. 4 25, б). Давление в форме Рф по окончании режима заполнения с постоянной скоростью течения возрастает, но с меньшей скоростью.

Толщина охлажденного неподвижного слоя 8, не участвующею в течении, равна глубине продвижения фронта затвердевания.

Толщина 6 в поперечном сечении полости формы постепенно воз растает по мере заполнения формы (удаления фронта потока от этого сечения) в результате увеличения продолжительности охлаждения (рис. 4.25, в) Увеличение толщины б приводит к уменьшению «жи вого» сечения полости формы, в котором течет расплав Температура полимера в этом сечении снижается, что вызывает возрастание вязкости полимера Все это приводит к тому, что напряжение сдвига т, реализуемое на границе расплав — охлажденный слой, в режиме постоянной объемной скорости течения возрастает по мере за полнения формы (рис 4 25, г). В режиме убывающей скорости течения (после точки Л) напряжение сдвига постепенно умень шается.

После полного заполнения формы в течение времени t3 объемная скорость течения полимера в форме резко падает (см рис. 4 25, а), что приводит к снижению напряжения сдвига т на границе расплав — охлажденный слой (см рис 4 25, г), а давление в форме Рф сначала резко возрастает, а затем принимает постоянное значение (см рис. 4 25, б) В течение периода выдержки полимера в форме под внешним давлением давление на входе в сопло Рс и на входе в форму сохраняется постоянным, а в точках, удаленных от формы, может уменьшаться Объемная скорость течения полимера Q и напряжение сдвига т при течении в этот период низкие.

После окончания выдержки полимера в форме под давлением, когда форма изолируется от инжекционного цилиндра в результате затвердевания литника или при отводе сопла от литника, в форму of, I Ш v v oxa, axfz УОХЛ *г * *> Рис 4 26 Влияние скорости охлаждения У 0 хл при крис1а глизации на форму и размеры структурных образований / — сферолиш // неразвитые сферолиты /// — лчмелярные кристаллиты Рис 4 27 Влияние напряжения сдвига т на ориентацию ^ / — изотропнме сферолиты // — деформированные сферолиты, /// — сноповидные обра зования не поступают новые порции расплава полимера и давление в форме падает (рис. 4 25, б) Полимер поступает в форму из нагревательного цилиндра с на чальной температурой Т„, которая выше температуры формы Тф Полимер охлаждается в форме с момента поступления в нее в резуль тат передачи геплогы к более холодным стенкам формы Для литья под давлением характерны высокие скорости охлаждения Скорость охлаждения полимера У о х л -= dTldt от начальной температуры Тп до температуры кристаллизации Ткр различна по высоте поперечного сечения изделия (рис. 4 25, д) Скорость охлаждения полимера в слоях, соприкасающихся со стенками формы, наибольшая. По направлению к центру изделия она уменьшается.

На структурообразование кристаллизующихся полимеров суще ственное влияние оказывают скорость охлаждения У охл и напряже ние сдвига т, реализуемые при формовании в процессе кристалли зации Зависимость размеров и формы структурных образований от скорости охлаждения можно условно разделить на три участка (рис. 4 26) При охлаждении с низкими скоростями У о х л — ниже УОХ-I! (участок /) — в процессе кристаллизации успевают образо ваться развитые сферолиты. При охлаждении с высокими скоростями УОХЛ — выше УОХЛ. (участок / / / ) — сферолиты не успевают раз виться и кристаллизация сопровождается образованием только зачатков кристаллических форм (кристаллиты и ламелярные обра зования) При таких условиях кристаллизации в изделиях не наблю дается признаков структурных образований на оптическом уровне.

При охлаждении со средними скоростями У охл, лежащими в интер вале УОХЛ, — Уохл 2 (участок //), формируются сферолиты с раз мерами, уменьшающимися с возрастанием скорости охлаждения У охл.

Зависимость ориентации структурных образований полимера от напряжения сдвига т, реализуемого при формовании, также условно можно разделить на три участка (рис, 4,27). Сдвиговое Рис 4 28 Структурные слои в поперечном сече нии литьевых изделий:

/ — поверхностная оболочка (заполнение);

2 — сред ний слой (выдержка под давлением), 3 — центр (охлаждение без давления) течение полимера при охлаждении с низкими напряжениями сдвига — меньше т^ (участок /) — практически не оказывает влияния на формирование структуры и термодинамический фак тор сфуктурообразования имеет пре обладающее значение При таких уело- j \ виях кристаллизации в отформованном полимере сохраняются симметричные сферолиты При течении с высокими напряжениями сдвига т — выше т,2 (участок / / / ) — происходит сильная ориентация кри сталлизующихся полимеров и ориентация при течении оказывает преобладающее влияние на образование структуры полимера При таких условиях кристаллизации в полимере формируются ориен тированные (вытянутые в направлении течения потока) сноповидные или стержневые образования Сферолиты формироваться не могут.

При формовании с напряжениями сдвига т, лежащими в интервале T! — т^ (участок //), отформованный полимер ориентирован Форми руемые структурные образования — сферолиты — деформированы Степень ориешации (деформации) повышается с увеличением напря жения сдвига.

В сечении литьевого изделия можно выделить три макрослоя [7]: поверхностный слой 63, средний слой р и центральный слой ср (рис 4 28) Подлине изделия слои сохраняются, но их относительные размеры изменяются Несмотря на морфоло"ическую сложность с т р у ю у р ы литьевых изделий закономерности ее образования дос!эточно ясны Слои формируются в трех основных периодах технологического процесса литья под давтением' в период заполнения формы 63, в период!

нарастания и выдержки давления р и в период, когда да вление на полимер спадает ф Первый, второй и третий слои изделий из кристаллизующихся полимеров различаются по мор фологии.

Образование грех слоев, различающихся по надмолекулярной структуре, обусловлено сочетанием двух факторов. Первый фактор — существенное различие процессов, протекающих в разные периоды формования полимера, что сопровождается разными скоростями сдвига у и напряжениями сдвига т течения полимера в форме, раз ными интенсивностью (скоростями) охлаждения полимера и давле нием в форме в разные периоды формования Второй фактор — высокая чувствительность с т р у к т у р ы крискмлизующихся полимеров к условиям кристаллизации по напряжению сдвига т течения, ин тенсивности охлаждения и давлению. При разных напряжениях сдвига т течения, скоростях охлаждения и давлениях формируются различные по Морфологии, размерам и форме структурные образо вания с разной степенью ориентации.

В период заполнения, характеризующийся высокими напряже ниями сдвига т на границе расплав —охлажденный слой при течении полимера в форме, образуется поверхностный слой 63 (см.

рис. 4.25, г, е). Он формируется при сравнительно высоких скоростях охлаждения (см. рис. 4.25, д), поэтому поверхностный слой изделий морфологически характеризуется неразвитыми кристаллическими образованиями с большой степенью ориентации. Толщина этого слоя равна глубине продвижения фронта охлаждения (затвердевания), характеризующегося температурой кристаллизации Гкр, за время заполнения формы.

В период нарастания давления до отключения литника от формы, когда напряжения сдвига т на границе расплав — охлажденный слой после падения объемной скорости течения полимера (по окон чании заполнения формы) становятся низкими, формируется средний слой р (см. рис. 4.25, г, е). Средний слой, в котором протекает кри сталлизация и формируется структура, охлаждается со значительно меньшей скоростью, чем та, при которой формировался поверхно стный слой. Средний слой изделий содержит симметричные сферо литы, мало деформированные. Размер сферолитов увеличивается по направлению к центру изделий (по направлению снижения на пряжения сдвига и скорости охлаждения). Глубина среднего слоя равна глубине продвижения фронта охлаждения при выдержке полимера в форме под давлением.

Центральный слой ф образуется в период спада давления по всей длине формы, когда материал в литнике затвердел. Центральный слой ф формируется при сравнительно низком давлении с малыми скоростями охлаждения, практически без приложения напряжений сдвига. Этот слой содержит симметричные недеформированные сферо литы больших размеров (размеры сферолитов по всему слою почти одинаковы) и может иметь пустоты.

Выделенные структурные слои изделий из кристаллизующихся полимеров также неоднородны и их можно подразделять на зоны (см. рис. 4.25) Первая зона поверхностного слоя — наружная (бл к) со слабо выраженной на оптическом уровне структурной организацией — состоит из кристаллитов или ламелярных образований Эта зона образуется в результате очень быстрого охлаждения полимера со скоростью У о х л, превышающей предельную скорость У О Х П г. Ориен тация кристаллитов в этой зоне возникает в результате деформации слоев полимера на фронте потока. При движении полимера в форме его слои на фронте потока поворачиваются, растягиваются и ориен тируются. Ориентированные слои перемещаются к стенкам формы и соприкасаются с ними. Достигнутая ориентация фиксируется быстрым охлаждением. Чем больше скорость течения, тем больше ориентирован полимер на фронте потока и тем большая ориентация наблюдается в наружной зоне поверхностного слоя изделия. По вышение температуры полимера несколько снижает ориентацию в наружной зоне в связи с ускорением релаксационных процессов.

Основное влияние оказывает температура формы, определяющая градиент температуры в этой зоне. Остальные параметры существен ного влияния на ориентацию полимера в этой зоне не оказывают.

Следующая, вторая зона поверхностного слоя изделий из кристал лизующихся полимеров —зона неразвитых сферолитов 8В 0. Эта зона образуется при скорости охлаждения У охл ниже У 0 хл 2 - Струк тура полимера в этой зоне характеризуется неразвитыми сферо литами, которые в зависимости от напряжения сдвига, возника ющего при заполнении формы, недеформированы (при т < т^) или ориентированы (при т > TJ) вдоль направления течения. Лучи сферо литов (при т < тх) главным образом ориентированы навстречу тепло вому потоку от поверхности изделия к его центру.

По мере заполнения формы напряжение сдвига растет и стано вится больше T!, в результате образуется следующая внутренняя зона поверхностного слоя — зона деформированных сферолитов 8Д. 0. Эта зона образуется при среднем напряжении сдвига г, значе ния которого лежат в интервале между двумя предельными напря жениями сдвига (т2 > т > TJ). В зоне бд.с формируются несимме тричные деформированные сферолиты в результате ориентации их в направлении течения полимера.

Если при заполнении формы реализуются высокие напряжения сдвига (большая скорость впрыска, тонкостенные изделия), превы шающие предельное значение т2, в поверхностном слое формируется зона сноповидных образований бс.0. В этой зоне полимер сильно деформирован. При охлаждении текущего расплава с напряже ниями сдвига т > т2 зародышеобразование структурных форм проис ходит путем формирования центров кристаллизации на выпрямлен ных участках полимерных цепей. Это способствует ориентации полимера. Зона бс. „ формируется в процессе течения полимера.

Поэтому деформированные слои не успевают изменить ориентиро ванное состояние и перейти в равновесное. Ориентация фиксируется в этих слоях, и формируются сильновытянутые сноповидные обра зования. При наличии в поверхностном слое зоны сноповидных образований бс.0 наибольшая ориентация содержится в этой зоне.

Если при заполнении формы реализуются сравнительно невысокие напряжения сдвига (небольшая скорость впрыска, изделия средней толщины и толстостенные), не превышающие предельное значение т2, в поверхностном слое не формируется зона сноповидных образова ний (рис. 4.29). В этом случае наибольшая ориентация содержится в первой зоне бл.к.

Средний слой р изделий из кристаллизующихся полимеров в общем случае может состоять из двух зон, отличающихся по раз мерам сферолитов. Две зоны образуются при литье в холодную форму (Тф «С Т^кр)- При таком условии первая зона (ближе к по верхности изделия) среднего слоя охлаждается с более высокой ско ростью, превышающей предельную скорость V O X J T l. Это приводит к формированию в ней неразвитых сферолитов. Вторая зона сред него слоя охлаждается с более низкой скоростью У охл — меньше Рис 4.29. Образование структуры полимеров при формовании с низкими напряжениями сдвига при заполнении формы \ а предельной скорости К О Х Л 1. Поэтому эта зона по структуре характеризуется развитыми сферолитными образования ми. Средний слой образуется в период подпитки, когда реализуется сравни тельно низкая объемная скорость тече ния полимера и напряжение сдвига, как правило, не превышает предель ного значения TJ. Поэтому полимер в этом слое слабо ориентирован и раз мер формируемых сферолитов опреде ляется скоростью охлаждения. Средний слой изделий для многих полимеров состоит из одной зоны (см. рис. 4.25,е), образуемой при литье в подогретую форму. При гаком условии, полимер по всей толщине среднего слоя охла ждается с низкой скоростью, соответ ствующей одной области — ниже пре е\ дельной СКОРОСТИ УОХЛ, Если форма сначала заполняется I в режиме постоянной объемной ско рости течения Q, а затем в режиме убывающей скороеiи течения и в по следнем режиме Q значительно сни жается, то резкого перехода между слоями, образующимися в период за полнения формы 63 и в период нарастания давления р нет — гра ница перехода размыта (рис. 4.29, е).

Центральный слой ф изделий из кристаллизующихся полимеров в общем случае также может состоять из двух зон. Вторая (внутрен няя) зона содержит микропоры. Поскольку центральный слой обра зуе!ся при охлаждении с низкой скоростью (<У0^Л1) практически без приложения напряжения сдвига, он состоит из развитых и не ориентированных сферолитов. Образование одной или двух зон определяется условиями формования (режимом давления). Если дарленис в полимере уменьшится до нуля раньше тою момента, как он полностью затвердеет, то в результате усадки расплава в условиях замкнутого объема образуется вторая зона микропор.

Механические свойства изделий из кристаллизующихся полиме ров связаны со слоевой структурой, образующейся при их формова нии. Выделенные слои отличаются по своим механическим показа телям. Поэтому оценка реальных изделий по слоевой структуре одиозтчно характеризует их свойства. Выделенные зоны в среднем и центральном слоях (в каждом из слоев) по свойствам отличаются Рис. 4.30. Диаграмма напряжение — деформа ция мало, поэтому при рассмотрении влия ния структуры на механические свой ства изделий учитываются только поверхностный и внутренний слои.

В качестве критерия, характеризу ющего эксплуатационные свойства из делий из кристаллизующихся поли меров, принимаются отношения пло щади отдельных структурных слоев и зон к площади поперечного сечения детали.

Знание особенностей работы под нагрузкой изделий различной слоевой структуры позволяет прогнозировать их работоспособность в зависимости от струюуры.

По структуре сечения все изделия можно разделить на три группы. К первой группе относятся изделия, у которых отношение площади внутреннего слоя 5Ф к площади их поперечного сечения S составляет 5 ф /5 > 0,35, ко второй —изделия, у которых 5 ф /5 < < 0,25;

к третьей —изделия с промежуточными значениями 5ф/5.

Внутри каждой группы изделия по структуре зон поверхностного слоя можно подразделить на три подгруппы. Первая подгруппа включает изделия, у которых отношение площади зоны со снопо видными образованиями Sc.0 к площади поперечного сечения детали S составляет 5С. „/S = 0, вторая —изделия, у которых О < S0. о/5 < 0,25, и третья —изделия, у которых Sc.0/S ^ ^ 0,25. При таком разделении можно прогнозировать работоспособ ность изделий каждой группы и подгруппы, указать, как работает каждый слой и причины разрушения изделий.

Кривую зависимости напряжения при растяжении а от дефор мации е полимеров можно разделить на три участка: / —развитие упругих деформаций и образование шейки;

// — распространение шейки по всему образцу;

/// —деформирование ориентированной шейки и разрушение образца (рис. 4.30). Чем больше напряжение при пределе !екучести сгт. р и относительное удлинение при раз рыве ер, тем надежнее изделие в условиях эксплуатации. Поэтому при направленном создании структуры изделий из полимеров сле дует стремиться, чтобы предел текучести при растяжении и относи тельное удлинение при разрыве были наибольшими.

Если у изделий из кристаллизующихся полимеров центральный слой гр занимает относительно большую площадь, т. е. 5ф/5 > > 0,35, то их разрушение вне зависимости от размеров поверхно стного слоя и среднего слоя происходит на втором учрсже дтшраммы напряжение —деформация (рис. 4.31). Разрушение изделия проис ходит вследствие разрушения центрального слоя ср по дефектам или микропорам. После разрушения слоя вся нагрузка ударно переходит на поверхностный слой и изделие разрушается целиком. С увеличе нием относительной площади ориентированной зоны сноповидных p fr 0<58l0, Рис. 4.31 Диаграммы напряжение — деформация и механика разрешения литьевых изделий образований Sc. 0 /S происходит упрочнение Детали. Увеличиваются предел текучести при растяжении сгт. р и относительное удлинение при разрыве ер. Это улучшает эксплуатационные свойства из делий.

При относительно малой площади центрального слой ср изделий из кристаллизующихся полимеров, т. е. при SV/S < 0,25, механи ческие показатели в основном зависят от структуры и размеров поверхностного слоя. По мере увеличения в поверхностном слое относительной площади зоны с ориентированными сноповидными образованиями Sc.0/S предел текучести при растяжении ат.р повышается, растет также и прочность —разрушающее напря жение при растяжении а р. Для изделий с зоной сноповидных обра зований и с относительной площадью этой зоны 5С.0 /S < 0, основная нагрузка при деформировании в момент образования шейки приходится на поверхностный слой. В результате разрушения этого слоя образуются концентраторы напряжений, которые приводят к разрушению всего изделия. Если изделия отформованы из более эластичных полимеров, таких, как полиолефины, разрушение по верхностной оболочки не вызывает немедленного разрушения изде лий (они продолжают деформироваться). Изделия в таком случае разрушаются на третьем участке кривой напряжение —деформация.

В случае, если при изготовлении изделий сформирована струк тура со сравнительно небольшим относительным размером централь ного слоя 5ф/5 < 0,25 и сравнительно большим относительным размером ориентированной зоны сноповидных образований Sc.0 /S > > 0,28-f-0,3, полимер имеет большой предел текучести при растя жении ст т р, а разрывное напряжение сгр увеличивается по сравне нию с паспортным а р на полимер более чем в 1,5—2 раза (см. кри вую 1 на рис. 4.31).

При очень большой относительной площади зоны сноповидных образований S 0. 0 /5, приближающейся к 0,9—1, изделия характе ризуются высокими напряжениями при пределе текучести сг г. р, большими разрывными напряжениями сгр и высокой ударной проч ностью. В этом случае на кривой напряжение —деформация прак тически отсутствуе! второй участок. Такая структура,образуется при формовании тонкостенных изделий с высокой скоростью впрыска и при большой скорости охлаждения (см. кривую 2 на рис. 4.31).

Если при изготовлении изделий сформирована структура с про межуточным относительным размером центрального слоя, т. е.

0,35 ^ Sy/S ^ 0,25, образец может разрушаться по первой (при Sff/S > 0,35) или по третьей схеме (при 5ф/5 < 0,25) (см. рис. 4.31).

Это зависит от расположения дефектов и их размеров. Поэтому для структуры с такой относительной площадью центрального слоя характерна нестабильность механических свойств и характер раз рушения литьевой детали часто несопоставим.

Технологические параметры формования оказывают влияние на структуру, размеры слоев и зон изделий из кристаллизующихся полимеров и в связи с этим влияют на их свойства. Требуемую струк туру с определенными размерами слоев и зон в зависимости от усло Рис. 4 32 Влияние 1смпературы полимера Г„, формы Тф, объемной скорости тече ния Q и давчения Р на толщину слоя а — поверхностно! о 6, б — среднего, в — центральною ф вий эксплуатации изделий можно получать, регулируя технологи ческие параметры формования.

Толщина поверхностного слоя 63 зависит от температуры поли мера Т0, температуры формы Тф и продолжительности ее заполне ния t3 (или объемной скорости течения полимера Q) (рис. 4.32, а).

Увеличение температуры Т0 и Тф уменьшает толщину пристенного слоя, а увеличение времени заполнения формы ta (понижение Q) увеличивает ее.

Толщина среднего слоя р уменьшается с повышением темпера туры полимера Т0 и формы Тф и с уменьшением объемной скорости течения полимера (рис. 4.32, б). Повышение давления Р и времени выдержки под давлением приводит к увеличению толщины среднего слоя.

Толщина центрального слоя <р увеличивается с ростом темпера туры полимера и формы, практически не зависит от продолжитель ности заполнения формы (см. рис. 4.32, в). Величина давления оказывает на нее слабое влияние.

Толщина зон слоев изделий из кристаллизующихся полимеров так же чувствительна к технологическим параметрам формования.

Так, толщина первой зоны поверхностного слоя —зоны ламелярных кристаллитов бл. к—уменьшается с повышением температуры поли мера Т0 и формы Тф и практически не зависит от дру! их параметров (рис. 4.33, а).

Толщина зоны сноповидных образований бс 0 поверхностного слоя изделий уменьшается при увеличении температуры полимера Т и формы Тф, растет с увеличением времени заполнения формы t и слабо зависит от давления Р (рис. 4.33, б).

Толщина зоны деформированных сферолитов бд с в поверхно стном слое изделий по-разному зависит от режима формования (напряжения сдвига, изменение которого может приводить к образо в?нию разною числа зон поверхностного слоя). Если поверхностный слой не содержит зону сноповидных образований, толщина зоны деформированных сферолитов бд.с уменьшается с повышением тем 8) Рис. 4.33. Влияние температуры полимера Та, формы Тф, объемной скорости тече ния Q, времени заполнения формы А, и давления Р на толщину:

а — наружной зоны ламелярных кристаллитов б л к;

б — зоны сноповидных образова ний 6С о поверхностного слоя;

в — зоны деформированных сферолитов 6 Д> с (поверхностного слоя);

г — зоны сферолитов рс ф (среднего слоя), д — зоны неразвитых сферолитов P H r c (среднего слоя) пературы полимера Т0 и формы Тф и с уменьшением продолжитель ности ее заполнения t3. Если поверхностный слой содержит зону сноповидных образований, то толщина зоны деформированных сфе ролитов б,, с слабее зависит от технологических параметров и имеет тенденцию к увеличению с ростом температуры полимера Г0 и формы Тф (рис. 4.33, в).

Толщина внутренней зоны среднего слоя (Зс.ф изделий увеличи вается с повышением давления Р, температуры полимера Т0 и формы Тф и практически не зависит от скорости впрыска (рис. 4.33, г).

Повышение температуры полимера Т0 и формы Тф, а также увели чение продолжительности ее заполнения вызывают снижение тол щины наружной зоны неразвитых сферолитов pi c среднего слоя изделий (рис. 4.33, д). Давление оказывает на нее слабое влияние.

Качество литьевых деталей можно оценивать по следующим кри териям: внешнему виду, механическим показателям, точности раз меров. Качество деталей по каждому из этих показателей дости гается созданием соответствующей структуры. Характеристики структуры, обеспечивающей соответствующее качество, и напра вленное изменение параметров формования для получения требуемой структуры изделий приведены в работе [9].

Разработка алгоритма автоматического управления качеством литьевых изделий основывается на математических зависимостях толщины отдельных структурных слоев (бэ, р, ф) и их морфологи ческих зон (бл.к, бн. с, бд. с, бс,0) от параметров процесса литья, размеров изделий и свойств полимеров (теплофизических, реологи ческих и параметров кристаллизации). Эти зависимости получаются на основе решения математических уравнений, описывающих литье вые процессы (см. п. 1.2.5). Движение фронта затвердевания можно заменить движением фронта температуры кристаллизации Ткр.

Толщина поверхностной оболочки 6,, равна глубине продвижения фронта температуры кристаллизации Ткр в течение периода запол нения формы, толщина среднего слоя р" — глубине продвижения этого фронта в течение периода выдержки полимера под давле нием (табл. 4.2).

Эффективные значения предела текучести сг т. Э ф и модуля упру гости ЕЭф при растяжении литьевого изделия, состоящего из не скольких структурных слоев (по аналогии с другими слоистыми конструкциями), можно определить по формуле:

п п i=l ' i=l ' ' где о"т. Эф, EI, Sj — напряжение, модуль упругости и площадь структурного слоя.

Варьирование технологических параметров литья в диапазоне возможных режимов переработки главным образом изменяет отно сительные площади структурных слоев и зон, а их морфологическое строение, доля ориентированных кристаллитов и механические свойства изменяются в меньшей степени. Поэтому прочностные и де формационные показатели структурных слоев и зон (ат., а р., е р., EI, а у д —ударная вязкость) можно принимать постоянными.

Для расчета технологических параметров литья, гарантиру ющих получение изделий с заданн'ой структурой, которая обеспечи вает требуемые показатели качества, задают исходные данные:

теплофизические свойства — а [9];

параметры кристаллизации — 7кр> ^кр. VDUI,, УОКП,_, ть ^2 [91;

вязкостные свойства—см. табл. 2.3, [9J;

ПТР перерабатываемой партии полимера;

размеры изделия — средняя толщина h и длина / (путь течения расплава от литника).

Один из вариантов определения технологических параметров литья следующий:

1) на основе анализа условий эксплуатации изделия выбирают его оптималь ную структуру — относительные размеры морфологических слоев и зон [9];

2) вы бирают время заполнения формы /3 в реализуемом на машине интервале ^зтш — — ' З тах ;

3) рассчитывают толщину поверхностного слоя 83 (по табл. 4 2);

4) рас считывают максимальную скорость сдвига при заполнении \ - ша х;

,,, /г —263) ]. (4.3) 5) выбирают напряжение сдвига т*, при котором должна заполняться форма, т* на 10—20 % ниже (выше) т-, или т? в зависимости от требуемой структуры поверхностной оболочки;

6) рассчитывают среднеобъемную температуру расплава Т, при которой достигается требуемое т* [9];

7) по Т рассчитывают (4.4) температуру полимера Т„, при которой получается заданная толщина 63, Т0 = |f [3 (0,5ft - 3,36 yJQ] - Г кр (3,36 ]fW3 - 6 3 )}/(l,5A - 6,72 \/"&Ta + 63).

(4.4) Таблица 4. Формулы для расчета толщины структурных слоев и зон в сечении литьевых изделий Расчетная формула Толщина Поверхностного слоя 63 63 = 3,36 У"йЦ(\ — 1/ 1 — в);

Fo < 0, 63 = 0,5ft [l — • 1 — 0,789 exp (3Fo)];

/ Fo > 0, Среднего слоя Р р = 0,5A 1 1 — l/ 1 — 0,789 exp (SFoj] — =h _ 2 (63 + p) Центрального слоя ф ф б л. к = з,зб|/а/1/охлз х наружной зоны ла мелярных кристал литов б л,к х1/(1-/1-в)./1-в(Гв-Гф, Зоны поверх- зоны неразвитых бн. с = 63— (^л. к + 6д. с) или ностного сферолитов ёи с = бн с S3 — (бл. „ + бс. о) слоя зоны деформирован ных сферолитов 6д4 с 5 ^^ 0,5ft — ^3Ft]~ ~ / т ч \ зоны сноповидных "с. о == "1 6с. о!

образований б с. Ec.o = 0.^-( 3 ^ f (f)N Эффективная скорость охлажде- Voxn = dT/dt = 3,362а [1 — ния расплава при кристалли зации К 0 ХЛ П р и м е ч а н и я 1. Время заполнения формы < ч. \ 2. Относительная температура 0 — ( Т — Гф)/'( Т^ — Гф), где Г — начальная температура кристаллизации.

3. Эффективный коэффициент температуропроводности а = а/'К^, К^ = = 3/,„ /ГрСг, (Г. — ^ф)]' гДе а и Ср — коэффициенты температуропроводности и удель ной теплоемкости расплава полимера. Z. K p — удельная теплота кристаллизации.

Д. Критерий Фурье Fo = а/ д /(Л/2) !, Fo, =- a (ta + / В П Д )/"'/2)' !.

5. Скорость д в и ж е н и я фронта потока V.

6 Расчет вязкости т|~ ~ при скорости сдвига у и среднеобъемной температуре потока расплава Т по известному значению ПТР, или молекулярной массы М, или ньютоновской вязкости 11н(Г*)' и л и эффективной вязкости v)rf,»(j-*) полимера приведен в работе [9];

при этом Y задают равной у, Т = Т. Температуру Т рассчитывают по уравнению (6а)—(6з) [табл. 1.3], при этом Т$ — Ткр, t — / 3 Скорость сдвига Y на г р а н и ц е р а с п л а в — твердая оболочка у = 2 (2« -I- 1) V/[п (Л — 2|{)].

7. Толщина 1-ю слоя ^ 8. Значения Тк„, а, Ср, /-кр приведены в работе [9].

8) по Т0 рассчитывают (4.5) температуру формы Гф, при которой получается задан ная толщина 63, Т Ф = т0 - |(г„ - г,,р) /[1 - б3/(з,зб \гаГЖ\- (4.5) 9) рассчитывают размеры морфологических слоев и зон (см. табл. 4 2);

10) сравни вают рассчитанные и выбранные размеры морфологических слоев и зон: если рас считанные значения меньше выбранных, /3 уменьшают на 10—20 %, если больше — увеличивают, и вновь проводят расчет по п 1—9, подбором времени заполнения t добиваются совпадения рассчитанных и выбранных значерий в пределах 10—20 %;

11) рассчитывают давление литья Рп, обеспечивающее заполнение формы в режиме постоянной скорости течения (2.7);

12) выбирают режим формования — обычный или со сбросом давления — и рассчитывают его параметры [9];

13) рассчитывают (4.6) продолжительность выдержки полимера в форме под давлением * в п д = Л2 In {[1 _ (1 _ 2 (Р + в п ) /1-1)] (Гкр - Г ф )/[0,78 (Тй - 7ф)]}/(Ш). (4.6) 14) рассчитывают размеры литника, обеспечивающие требуемую / в л д (2 38);

15) рассчитывают продолжительность охлаждения изделия в форме (2.19).

Основные технологические параметры переработки литьем под давлением промышленных полимеров приведены в работе [9].

4.4. РЕЖИМЫ ЛИТЬЯ Системы регулирования основных технологических параметров переработки и продолжительности отдельных операций цикла литья (см. п. 4.2) позволяют реализовать на литьевой машине различные режимы литья, что обеспечивает более полное использование техни ческих возможностей машин и получение изделий широкого ассортимента и требуемого качества с наименьшими затратами.

Системы регулирования позволяют реализовать также различные режимы перемещения инжекционного узла машины в цикле: 1) может быть прижат к литниковой втулке формы в течение всего цикла (при работе с точечными литниками);

2) может отводиться по окон чании выдержки полимера в форме под внешним давлением (при работе с самозапирающимися соплами, при переработке реакто пластов и др.);

3) может отводиться от формы по окончании пласти кации (при работе с открытыми соплами).

Системы регулирования позволяют реализовать различные режимы создания давления формования (рис. 4.34). Обычный режим (рис. 4.34, а) без сброса давления используют для переработки полимеров с небольшой вязкостью в сравнительно толстостенные изделия небольшой площади через обычные литники. При этом в форме развивается невысокое давление с небольшим перепадом значений по ее длине. Для уменьшения в изделиях внуфенних напряжений и получения равнотолшинных по длине изделий с изо тропными свойствами, а также в случае необходимости формования при определенном давлении используют режим формования со сбро сом давления (рис. 4.34, б): после нарастания в форме наибольшего давления Р2 оно через определенный интервал времени уменьшается до необходимого регулируемого значения Р3. При отливке изделий большой площади, когда усилия, возникающие в форме, могут превысить усилие запирания, целесообразно сбрасывать давление в момент заполнения формы (рис. 4.34, б). В этом случае также уменьшаются внутренние напряжения в изделиях.

Рис. 4.34. Режимы формования без сброса (а) и со сбросом давления (б—з):

ti, tz, U, tt — продолжительность впрыска, выдержки под давлением, уменьшения давления, пластикации;

/ й — / 7 — продолжительность поддержания задаваемого режима создания дав ления;

/>,, Р,, Р 4 — давление заполнения формы, формования, пластикации;

Р2 — наи большее давление в форме Соответствующей настройкой можно добиться снятия усилия до момента полного заполнения формы (рис. 4.34, г), чго приводит к еще большему снижению усилий, возникающих в форме. В режиме (рис. 4.34, д) после нарастания давления до Р2 оно через интервал времени 4 полностью снимается и через интервал <6 восстанавли вается до первоначального Р2 или меньшего Р3 значения. Давление Р3 можно устанавливать по истечении времени t6 или через некото рый задаваемый интервал Ц (4 34, е). Можно организовать режим (рис. 4.34, ж), в котором давление Р2 снижается после заполнения формы до определенного регулируемого значения Р3, дйлее через интервал времени /5 уменьшается до нуля и через промежуток вре мени te восстанавливается до того же Р3 или до другого значения Р'3.

На рис. 4.34, з показано изменение давления при работе литьевой машины с предварительным сжатием расплава.

Системы регулирования позволяют реализовать различные интрузионные режимы работы литьевой машины (рис. 4.35), в кото рых форма заполняется при низком давлении (до 25 МПа) враща ющимся шнеком или при различных комбинациях вращательного и поступательного движения шнека. Эти режимы применяют при переработке термоаабильпых полимеров или при изготовлении крупногабаритных толстостенных изделий. Объем отливки в ин трузионных режимах может превышать номинальный в 2—3 раза.

В режиме (рис. 4.35, а) шнек, находясь в переднем положении, вращается в течение времени ^ и заполняет форму. После этого шнек отходит назад для набора необходимой порции расплава (t2), а затем впрыскивает ее в форму (t3) и выдерживает полимер в форме с за Данным усилием в течение бремени /4- В тех случаях, когда при изготовлении толстостенных изделий за один поступательный ход шнека не удается полностью компенсировать усадку, полимер в форму можно подавать несколько раз (рис. 4.35, б). Во избежание преждевременного охлаждения полимера в литниках (продолжитель ность заполнения может составлять 80 с и более) в начале цикла в форму впрыскивают небольшую порцию расплавленного полимера для получения на стенках литника и формы тонкой изолирующей пленки.

Режимы интрузии чаще применяют при изготовлении изделий с отношением длины пути расплава к толщине не более 70. Когда это отношение больше и для заполнения формы требуется высокое давление, применяют режим (рис. 4.35, г). В начале цикла шнек отведен назад и перед ним находится расплав. Форма заполняется вращающимся шнеком в течение времени ^. Далее шнек движется вперед и впрыскивает полимер в форму (t3) с усилием, необходимым для полного заполнения формы. По окончании подпрессовки (tt) происходит пластикация (^2): шнек отходит в первоначальное поло жение для накопления определен ной порции расплава, необходимой для впрыска в следующем цикле.

Режим (рис. 4.35, д) применяют, когда требуются высокие давле ние и скорость заполнения фор мы, а объем отливки за один ход время В ре и я Рис. 4.35. Режимы интрузии: Рис. 4.36. Режим инжекционного прес сования /, //, / / /, IV, V — шнек вращается, дви жется назад, движется вперед, неподви- ti и ti — продолжительность смыкания и жен, вращается и движется;

1 и 2 — конец размыкания формы;

<2 и tt — продолжи и начало хода шнека;

Р1 и Р 3 — давление тельность подвода и отвода инжекционного заполнения и формования;

Р2 и Р 4 — Дав- узла;

ta, t',, t* — продолжительность впры ление пластикации;

• — перемеще- ска, пластикации, охлаждения изделия ние шнека;

— — режим приклады- в форме;

Р, и Рг — давление смыкания и ваемого давления формования Шнека превышает номинальный до 40 %. Форма заполняется при одновременном вращательном и поступательном движениях шнека (ti). После этого шнек удерживается (4) в переднем положении с за данным усилием. При этом шнек может вращаться или быть непо движным. Режим экструзии (рис. 4.35, е) можно применять при из готовлении толстостенных изделий, не требующих высоких давлений литья. В этом режиме заполнение формы и выдержка под давлением производятся вращающимся шнеком без осевого его перемещения.

Системы регулирования позволяют организовать режимы со сту пенчатым изменением объемной скорости впрыска (см. рис. 4. и 4.14) для реализации постоянной скорости течения фронта потока расплава при заполнении формы с разным поперечным сечением для получения изделий с изотропными свойствами по длине и для изменения (регулирования) давления формования и его распределе ния по длине формы.

Системы регулирования позволяют организовать режим инжек ционного прессования (рис. 4.36), в котором после предварительного смыкания полуформ прессовый узел дополнительно перемещается для компенсации усадки полимера в форме.

Литьевые машины в зависимости от назначения имеют разные режимы литья. Машины, предназначенные для переработки термо пластов и комплектации специализированных цехов, целесообразно оснащать тремя режимами перемещения инжекционного узла, тремя режимами создания давления (рис. 4.34, а—в), одним интрузионным режимом (рис, 4.35, а) и режимом со ступенчатым изменением объем ной скорости впрыска. Машины, предназначенные для небольших литьевых участков, кроме этих режимов дополнительно (при необ ходимости) оснащаются еще несколькими интрузионными режимами.

Литьевые машины с объемом впрыска за цикл 1000 см и выше целесо образно оснащать четырьмя режимами создания давления (рис. 4.34, а—г) и несколькими интрузионными режимами.

Литьевые машины, предназначенные для переработки полимеров в лабораторных условиях и на малых литьевых участкахДцелесо образно оснащать всеми режимами перемещения инжекционного узла, несколькими режимами создания давления, несколькими интрузионными режимами и режимом со ступенчатым изменением объемной скорости впрыска. Режимами инжекционного прессования и предварительного сжатия расплава машины оснащают по спе циальному требованию.

4.5. СИСТЕМЫ ЦЕНТРАЛИЗОВАННОГО КОНТРОЛЯ Г Р У П П Ы ЛИТЬЕВЫХ М А Ш И Н В условиях массового производства литьевых изделий из боль шого числа полимеров эффективность производства, высокое каче ство изделий и надежность работы литьевых машин обеспечивают системы централизованного контроля и регистрации работы группы машин. Основу таких систем составляют системы автоматического контроля и управления отдельными литьевыми машинами.

ВРЕМЯ ГРУППА МАШИН ПЕРЕРАБОТКИ ПЛАСТМАСС:

ПУЛЬТ КОНТРОЛЯ КОД М 0 1 М 0 2 М 0 3 М 0 4 М 0 5 М 0 6 М07 М08 М09 М МАШИНЫ КОД ФОРМЫ Ф17 Ф19 Ф53 Ф22 Ф23 Ф14 Ф11 Ф38 Ф37 Ф 02 * 03 * 05 * 12 * 14... * 16 * 18 *...

19 000 175 325 190 000 128 000 160 430 Рис. 4.37. Информационное табло центрального пульта контроля. Цифры по вер тикали:

1 — длительность операций цикла;

2 — щит электрических и электронных приборов кон троля;

3 — потребление энергии электродвигателями;

4 — сопротивления нагревателей пластикационного цилиндра;

5 — приборы контроля гидравлической системы, 6 — макси мальное усилие з а п и р а н и я ;

7 — минимальное усилие запирания;

8 — уровень полимера в бункере;

9 — «подушка» полимера по окончании впрыска;

10 — давление в форме;

/ / — давление в гидроцилиндре впрыска;

12 — низкое давление при смыкании, 13 — давление при пластикации;

14 — температура полимера;

15 — температура формы;

16 — скорость перемещения шнека, 17 — давление литья;

18 — частота вращения шнека, 19 — итого полезных циклов На центральный пульт системы контроля поступает информация о работе каждой машины литьевого участка или цеха. Эта информа ция подается от устройств контроля, установленных на каждой машине. При отклонении некоторого контролируемого параметра машины от заданного или при аварийном состоянии какой-либо машины на информационном табло появляется сигнал, регистриру ющий это. Все поступающие данные одновременно фиксируются печатным устройством. Оператор центрального пульта анализирует ВРЕМЯ МАШИНА ФОРМА Ф 05 ПРИБОРЫ КОНТРОЛЯ ГИДРАВЛИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ ТЕМПЕРАТУРА МАСЛА °С МИН МАКС ЗАМ. АВАР СИГН 30 40 45 * МАШИНА В ДЕЙСТВИИ КРИТИЧЕСКИЕ УСЛОВИЯ * Рис. 4.38 'Табло с информацией о состоянии гидравлической системы пример ава рчйной сш на шзации при превышении температуры масла выше максимального значения (зам. — замеренная) полученную информацию и сообщает обслуживающему персоналу о необходимости наладки отдельных контролируемых параметров машин или об аварийном состоянии машин, предупреждает также о возможности наступления критических условий работы или сни жения качественных показателей изделий.

В централизованную систему входят устройства для приема поступающих сигналов о работе каждой машины с преобразованием их в цифровую форму, центральный блок с запоминающим информа цию устройством, экран с видеоинформацией, клавиатура, быстро ходное печатающее устройство. В связи с большим числом сигналов, поступающих с каждой машины, и большим количеством контроли руемых машин, а также в связи с тем, что от системы требуется высокая надежность, предусматривают наличие повторителей уст ройств для приема сигналов от каждой отдельной машины, чтобы они в случае необходимости могли работать автономно.

Централизованная система может выполнять следующие функции:

подавать предупредительный сигнал при нарушении цикла и вы являть причины, вызывающие эти нарушения, сопоставлять дей ствительные параметры работы машин с заданными на протяжении нескольких циклов, чтобы выявлять и предупреждать возможные изменения параметров или нарушения работы машин, преобразовы вать сигналы в цифровые данные и показывать их на экране видео информации, печатать все данные, поступающие в течение рабочей смены о г каждой машины, и затем печатать краткую итоговую ин формацию для дальнейшего анализа работы машины. На этой стадии к системе не предъявляют требования по регулированию параметров машин, так как его выполняют автоматические системы управления отдельными машинами.

При работе системы на центральном экране появляется схема (рис. 4.37) с изображением номеров, кодирующих машины и формы (по горизонтали) и опознавательных знаков контролируемых пара метров (по вертикали). Когда на какой-либо машине происходит авария или контролируемый параметр выходит за заданные пределы, на экране появляется звез время дочка напротив машины и рн ФТ 11 e 1 г 3 4 s б '/ 8 У Jt^ > параметра. По этому первич " •"• • "" ".««~«~.«...«.... НОМу с и г н а л у оператор нажи мом на специальную клавишу *** запрашивает экран о дей 100:

ствительном значении пара метра, который вышел за '001 заданные пределы, о значе | ниях этих пределов (рис. 4.38) и сигнализирует о неполадке Машина 6 действии Критические условия наладчикам. Одновременно печатающее устройство за писывает все, что показы 400:

мм вается на экране видеоинфор мации. Если при этом воз Рис 4 39 Табло с информацией о скорости перемещения шнека — пути перемещения никло другое аварийное со шнека, в зависимости от затраченного вре стояние, которое не может мени О — действительная скорость, * — заметить оператор в связи оптимальная (заданная) скорость с выявлением причин пред шествующей неполадки, печатающее устройство с помощью за поминающего блока записывает информацию об этом состоянии.

Некоторые параметры контролируются в определенный момент цикла, за ходом изменения других, например температуры, давления формования, скорости перемещения поршня, можно следить в тече ние всего цикла (рис. 4.39). При этом кривые изменения измеренных значений сопоставляются с заданными кривыми, при которых изде лия получаются требуемого качества. Можно запросить информацию о значениях контролируемого параметра в предшествующих циклах (рис. 4.40). В конце смены делают анализ собранных данных, ВРЕМЯ..

МАШИНА ФОРМА Ф МПа 1 2 — СМЫКАНИЕ ПРИ НИЗКОМ ДАВЛЕНИИ МИН МАКС ЗАМ АВАР СИГН 3 4 4,5 * ПОСЛЕДНИЙ ЦИКЛ 3 4 3, ПРЕДЫДУЩИЙ ЦИКЛ — 2 3 4 3, —3 3 4 3, —4 3 4 3, МАШИНА В ДЕЙСТВИИ * КРИТИЧЕСКИЕ УСЛОВИЯ Рис. 4 40 Тлбло с информацией о смыкании при низком давлении пример аварий ной сигнализации в последнем цикле на основе которых производят предупредительный ремонт машин, когда обнаруживается статистическая повторяемость в неполадках.

Пульт обработки данных позволяет корректировать пределы, в кото рых может изменяться контролируемый параметр, если^в этом вы явилась необходимость.

Статистические данные о работе машины (начало и^конец^работы, наименование изделия Ги у его масса, перерабатываемый полимер, гнездность, продолжительность цикла, количество выполненных циклов и изготовленных изделий, эффективное время работы машины и время простоя) запоминаются и могут выдаваться на экран видео информации для контроля и статистики.

4.6. ГИДРОПРИВОД ЛИТЬЕВОЙ М А Ш И Н Ы С СИСТЕМОЙ АВТОМАТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ Различные механизмы литьевой машины выполняют операции в цикле литья с помощью гидропривода (рис. 4.41). При подаче рабочей жидкости в поршневую полость гидроцилиндра 1 шток под действием развиваемого в полости давления приводит в движение гидромеханический механизм смыкания 3. При поступлении рабочей жидкости в поршневую полость гидроцилиндра 4 шток 5 обеспечи вает выталкивание сформованного изделия. Шнек 7 приводится во вращение гидродвигателем 9. Инжекционный цилиндр 6 переме щается к форме (сопло прижимается к литниковой втулке) шгоком // под действием давления, развиваемого в штоковой полости гидро цилиндра 10 при поступлении в нее рабочей жидкости. При подаче рабочей жидкости в поршневую полость гидроцилиндра 13 шток 24 Рис. 4.41 Принципиальная схема гидропривода машины с системой автоматиче ского управления движется вперед и перемещает шнек 7, в результате чего полимер поступает в форму От развиваемого в гидроцилиндре 13 давления зависит давление, прикладываемое к полимеру в форме в течение периода выдержки под давлением. Движение шнека при впрыске регистрируется устройством 8 Электродвигатель 20 приводит в дви жение насос 21, который через фильтр А засасывает рабочую жид кость и подает ее в магистраль Б. Максимальное давление в си стеме регулирует клапан 22. Если блокировка 25 не приведена в дей ствие, жидкость поступает на слив и давление в магистрали Б не создается.

Цикл литья начинается с включения золотника 24. Рабочая жидкость через этот золотник по линии В поступает в поршневую полость цилиндра 1, и шток 2 запирает механизм смыкания 3. Вклю чение золотника 17 открывает линию Г, и рабочая жидкость посту пает в штоковую полость цилиндра 10, в результате чего шток перемещает инжекционный цилиндр 6 к форме и сопло прижимается к литниковой втулке. Далее включается золотник /8, рабочая жидкость по линии Д подается в поршневую полость цилиндра 13, и перемещение штока 12 сообщает движение шнеку 7 — полимер впрыскивается в форму.

Следящий механизм 8 контролирует действительную скорость перемещения шнека, сравнивает ее с заданной и в зависимости от знака и значения рассогласования через совокупность автомати чески включающихся дросселей 16 корректирует ее. По окончании заполнения формы, которое регистрируется по изменению скорости увеличения давления формования, посредством клапана давления организуется режим создания давления. По окончании выдержки полимера под внешним давлением подается команда на золотник и рабочая жидкость по линии Е поступает в поршневую полость цилиндра 10, а по линии Г из штоковой полости этого цилиндра идет на слив. Инжекционный цилиндр 6 отводится от формы.

Далее подается команда на золотники 18 и 19. Поршневая по лость цилиндра 13 соединяется со сливом, а через золотник 19 по линии Ж рабочая жидкость поступает в гидродвигатель 9, который сообщает вращение шнеку 7. При вращении набирается порция расплава к впрыску, и шнек отходит назад. Следящий механизм контролирует скорость перемещения шнека, сравнивает ее действи тельное значение с заданным и в зависимости от знака и значения рассогласования через систему дросселей 14 корректирует ско рость.

По окончании набора порции полимера золотник 19 выключается.

После охлаждения полимера в форме подается команда на золот ник 24 и рабочая жидкость из поршневой полости цилиндра 1 по линии В поступает на слив, а по линии Л — в его штоковую полость.

Механизм смыкания раскрывается. Далее при включении золот ника 23 рабочая жидкость по линии И поступает в поршневую полость цилиндра 4 и шток 5 сбрасывает изделие. При переключении золотника 23 жидкость по линии /С поступает в штоковую полость цилиндра 4, шток 5 возвращается в исходное положение.

ПРИЛОЖЕНИЯ Приложение Технические характеристики отечественных однопозиционных машин для литья под давлением полимеров 0 0 О о оо о о* ОО О со 0 СЭ CN О ю сг> т Ю 0 О<Х>1~- о СО СЭ О1" СО О СО <М*=1- 1C СО О п-ю C-J —• СО CJ.—1ОТ« f~ ^- С- — •* • • -ч* ** сч СМ (М О4 to to со (М со Параметр CN 000 СО С^ СО -tj< rf со ^ со 0^ СО СО СО СО СО СО СО СО СО СС СО со со со СО СО СО со со СО СО СО СО И W чч ччч ч ч И ч сСЧИ сеем ЧЧЧ Ч 16 63 32 500 Номинальный объем 750 Впрыска за цикл v- 106, м3 670 112 112 Номинальное давление Литья, МПа 192 Объемная скорость 47 60 йпрыска Q B np-10 e, М3/с — Диаметр шнека D- 103, м 80 26 36 40 50 70 10- Частота вращения шне- 10— 10— 20—240 10— 20—240 20— 20—400 20— 10- Ка, об/мин 10— 10— 40— 20— 10— 10— 40— 20— 18 Наибольшая пластика- 31 38 ционная способность по полистиролу (теорети- ческая), кг/ч Номинальное усилие за- 4000 250 500 пирания формы, кН Продолжение <о сч 0 СО о=?сч Ю О О ОО 000 О CD ОО СО CS Ю г-- SK О СО 1-.

tO О tf О с^ — О) —. СЧ — СО О!

ю со О т}« Ю ^1 см sgg (М СЧ О ОО СМ (М СЧ Параметр ОО Т ^ -^ СО СО (У СО ч- -^ СО ГО СО ОО СО СО со СО СО СО СО en со со со СО СО СО со со со М со^со Ю ч ч КЗ Ч Ч ЧЧЧ ctc[r( сссМ сИп[ ЧеС Ход подвижной плиты 160 200 400 500 250 320 630 Я х -10 3, м 200;

125 250;

140 630;

320 800;

400 1000;

Высота устанавливаемо- 160;

НО 320;

160 400;

200 500;

го инструмента* ' Яф-Ю 3, м 250;

200 320;

250 630;

630 1000;

Расстояние между ко- 200;

150 400;

320 500;

400 500;

500 800;

лоннами в свету ** а-10 3, м 55 75 250 Наибольший ход шнека 90 160 180 Яш-103, м Суммарная мощность, кВт 40—40,2 43—43, 5,5 7,5 электродвигателей 43—44, 18,5—18, 2,4 27, 5—9, 5,5 5,5 электронагревателей 10,5—12,9 12,3—19, 1, 2.29Х (7,62^- 9,8Х Длина X ширина X высо- 2.62Х 3,65Х 6,14Х1,48Х (5,16-г- 11.17Х 5Х1.042Х та, м X I, IX ^-5,53)Х 4-7,9)Х Х2,68Х Х2,6Х XI,IX Х0.825Х Х(2,22— Х(1,84 X I, 1 X 1, 98 4-2,5) X I, 74X2, 61 Х2,59 Х2, Х1,6 X I, X I,67 4-2,15) 21, 11,8—13,5 50,9— 33, Масса машины с гидро- 8,54— 1,473 3 4,8—6, 1, электрооборудованием, т Первая цифра — наибольшая высота инструмента, вторая — наименьшая Первая цифра— горизонтальное расстояние между колоннами, вторая — вертикальное.

Приложение Критерии подобия Расчет параметров единичных машин определенного ряда по входному параметру Кри Формулы для рас- терии Параметр чета критериев подо подобия бия Формулы для расчета Расчетные значения параметров параметров 250 63 32 Объем впрыска за цикл 8 Ф сМО6, м 250 63 32 4, 4, 1, 3,17 3,61 5, Толщина детали h- 10, м 2,14 2,44 2, a h = Kiv Kh 200 1074 1, Площадь литья S-104, м2 S = K2vl~* 37,4 65, Ks=<$lKh я=^ (1 ~ а)/2 218 288 1, 125 166 Кн = (Ф//Сь)1/ Высота детали Я- 103, м 54,5 71, \ 322 244 561 140 ) Я Ход 3подвижной плиты 1, ь'..(1— сО/ Я х -10, м АЯ Х ЛЯ 400 250 125 200 Максимальное расстояние Япл = л>(1-а)/2 850 488 644 1, 212 280 369 между плитами *Чл = *Я Япл.103, м 322 425 106 140 185 максималь- 1, If „(1— «)/ H ная К ЖГ ffr.

250 320 400 125 160 200 Высота формы 111 146 48 Яф-10, м минималь- 63,4 83, 36, If „(1— а)/ H 1, ная ~ "ф А6У 125 160 100 ПО 140 250 «t = 4 if,,2a 0,4 2, 0,52 0,68 0,88 1,49 1,93 1, 5JJ Время впрыска ^ВПр, с 1, ?

впр — А 7 У f Продолжение Расчет параметров единичных машин определенного ряда Кри по входному параметру Формулы для рас- терпи Параметр чета критериев подо подобия бия Формулы для расчета Расчетные з н а ч е н и я паоаметров параметров 141 153 89, К р==ср (1+")/2 х 1, Давление литья Рп, МПа д-г(7п+3)/ 132 Х 112 132 — 164 286 501 2686 93, KF « Ks * Усилие запирания фор- F и,.,1— У 1, Г f\sV мы F, кН Kr~ KsKp** 125 250 63 2500 Усилие раскрытия фор- 1, 154 87, 28,6 50, 9,4 16, Fv=Ksvl~* КГр « *S мы FP, кН 165 39,8 69, 14,8 22, 9, /с = T"\/l ю/к?

Пластикационная спо- if „1— 2а л 1, '\q <7пл — Л 1 0 и собность <7пл. к г/ч 85 114 38 18 — 0, 406 1502 Быстроходность Б, цик- Б = Knv-2a *Б = 1/** лов/ч 1, 34, 19,6 25, 8, 6,5 11,3 14, 4, Кс = tfs/Яя С-1(Г6, Н/м Жесткость С = X 12 i/'- a)/ П р и м е ч а н и я 1 Верхние цифры расчетные, нижние по ГОСТ 10767 — = 4,24;

/С, — 3,47- 101 К» = 1,27- 10» 2. а =-0,19, Ki = 1,99- 10~2, Л, = 5,09- 101;

К, = 6,34, /С4 = 1,23- 101- /<в = 2,46- 1C 1, 1,27-10», /С,„= 1,6.10* К„ =- 2,25- 1C1, А,. = 5,67- 10».

* Для литьевых машин со сбросом давления ** Для литьевых уашин без сброса дачления СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 1 Басов Н. И. Исследование процессов и оборудования для литья^под дав лением Автореферат докт дне Л ЛТИ им Ленсовета, 1973 36 с 2 Виноградов Г. В., Малкин А Я. Рео югия полимеров М Хичля 438 с 3 Гурвич С Г, Ильяшенко Г. А., Мо и ман Ш. Е. Расчет и конструирование машин для переработки пластических материалов. М Машиностроение, 296 с 4 Завгородний В. К.., Калиичев Э. Л., Марам Е. И. Литьевые машины для термопластов и реактопластов М Машиностроение, 19Ь8 374 с 5. Казанков К). В. Закономерности периодической шнековои пластикации и литьевого форр вания полимеров Методы расчета и совершенствование конструк ций оборудования Автореферат докт дне М МИХМ, 1980 36 с 6 Калинчев Э. Л Технолога 'еские основы автоматического управления литьевыми процессами при переработке пластмасс Обзор М НИИТЭхим, 1973 4 0 с 7 Калинчев Э. Л., Кацевман М. Л Автоматизация технологического про цесса изготовления изделий на литьевых машинах Обзор М НИИмаш, 1979 72 с 8 Калинчев Э. Л., Кричевер А. И. Автоматизированные литьевые машины и системы управления ими Обзор М НИИмаш, 1980 48 с 9 Калинчев Э. Л., Саковцева М. Б. Свойства и переработка термопластов Справочное пособие Л Химия, 1983 288 с 10 Кругляченко Г. Н, Кричевер И. С., Найгуз Н. И. Термопласты М Ма шиностроение, 1°66 ^80 с 1 Лапшин В. В. Основы переработки термопластов литьем под давлением М Химия, 1974 270 с 12 Лыков А. В. Теория теплопроводности М Высшая школа, 1967 599 с 13 Саковцева М. Б Исследование реологических свойств поликарбоната, по шацеталий, полиамида 12 и расчет процессов течения при формовании литьем под давлением Автореферат канд дне М НИИПМ, НПО «Пластмассы», 1978. 23 с 14 Симонов-Емельянов И. Д. Расчет параметров процесса литья под давлением с использованием инжекциоынои характеристики литьевой машины — Пластиче ciue массы, 1981 № 3, с 39,* 15 Торнер Р. В Теоретические основы переработки полимеров (механика процессов) М Х и м и я, 1977 464 с ОГЛАВЛЕНИЕ 2 7 Расчет параметров осна Предисловие стки Условные обозначения.. 4 Г л а в а 3 Расчет и конструи рование инжекционных и прес совых узлов литьевых машин Глава 1 Технологические о процессы литья пластмасс под 1 Классификация иижек давлением и их математиче ционных узлов ское описание 32 Расчет инжекционных узлов 1 1 Назначение литьевого обо- 33 Конструирование инжек рудования 5 ционных цилиндров, сопел 1 2 Процессы формования и их и шнеков для переработки математическое описание различных полимеров 1 2 1 Изменение давле 34 Расчет геометрических па ния в процессе фор- раметров и размеров шне мования 12 ков 1 2 2 Период заполнения 35 Новые конструкции ин формы 15 жекционных узлов 1 2 3 Период нарастания 36 Классификация прессо давления 34 вых узлов 1 2 4 Период спада давле- 37 Расчет узлов запирания ния 50 38 Устройства для наладки 1 2 5 Математическое опи- и эксплуатации прессовых сание процессов фор- узлов мования 1 3 Процессы пластикации по- Г л а в а 4 Разработка систем лимеров в шнековых управления литьевыми маши инжекционных узлах 80 нами Г л а в а 2 Параметры литье- 4 1 Классификация систем вых машин и их расчет управления 4 2 Системы автоматического 2 1 Параметры литьевых ма регулирования технологи шин. ческих параметров литья и 2 2 Математические методы продолжительности опе расчета и оптимизации па раций цикла раметров литьевых машин, 4 3 Самонастраивающиеся си критерии подобия пара стемы управления метров 4 4 Режимы литья...

Pages:     | 1 |   ...   | 3 | 4 ||



© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.