Литьё под давлением и при низком давлении

Содержание

1. Литье под  давлением: Оборудование и технология литья под давлением.  

Разновидности пластикации

Методы литья  под давлением

Виды  брака и методы их устранения

2 Литье при низком  давлении

Описание  технологического процесса

Преимущества

варианты применения

1. Литье под давлением: Оборудование и технология литья под давлением.  

Исключительное разнообразие штучных  изделий из полимерных материалов, широкий комплекс предъявляемых  к ним требований (потребительские, эксплуатационные, технологические, экономические, дизайна) диктует необходимость  применения и совершенствования  разнообразных методов литья  под давлением, каждый из которых  позволяет наиболее полно решать поставленные задачи. Литье под давлением осуществляют на компрессорных и поршневых машинах высокой производительности, дающих 200...400 отливок в час. Поршневые машины выпускают с горячей или холодной камерой сжатия, расположенной горизонтально или вертикально. Машины с горячей камерой сжатия, в которых камера находится непосредственно в расплаве, применяют для получения отливок из сплавов с низкой температурой плавления на основе цинка, олова и свинца. Машины с холодной камерой сжатия, в которых камера вынесена за пределы расплава, используют для получения отливок из более тугоплавких цветных сплавов на основе меди, алюминия и магния.

На машинах с вертикальной холодной камерой сжатия (рис. 6,а) расплав 4заливают в камеру сжатия 5 (положение 1). Верхний поршень 1, опускаясь, давит на расплав и на нижний поршень 10, который при движении вниз открываетлитниковый канал 3. Металл заполняет полость 2 пресс-формы, состоящей из двух половин 6 и 7 (положение 11). Объем жидкого металла должен быть больше объема полости формы, чтобы между верхним и нижним поршнем оставался избыток металла. Давление верхнего поршня поддерживают до полной кристаллизации отливки, после чего пресс-форму раскрывают и отливку 9 вместе с литником 12 выталкивают из формы толкателями 8. Нижний поршень выталкивает наружу избыток металла 11 (положение 111), и его отправляют в переплав.

рис.6 Схемы поршневых машин  для литья под давлением

На (рис. 6, б) показана работа машины с горизонтальной холодной камерой сжатия. Все операции на ней выполняются в той же последовательности.

На (рис. 6 ,в)  приведена схема работы поршневой машины с горячей камерой сжатия. Чугунный тигель 13 с жидким металлом все время подогревают снизу газом через форсунку 21. Перед заливкой пресс-форму 19 закрывают и мундштук18 соединяется с каналом 17. При верхнем положении поршня 16 через отверстие14 сплав заполняет камеру сжатия 15 и канал. При движении вниз поршень впрессовывает жидкий металл в полость формы. После затвердевания металла давление снимают, поршень движется вверх, форму раскрывают и отливку выталкивают толкателями 20. Машины с горячей камерой сжатия более производительны и расходуют меньше жидкого металла, однако их нельзя применять для литья сплавов с температурой плавления более 500 °С из-за быстрого изнашивания поршня.

В машинах с холодной камерой  сжатия поршень контактирует с расплавом  в течение короткого промежутка времени и поэтому  мало изнашивается. Здесь можно значительно повысить давление, что гарантирует высокую плотность и прочность отливок. Если в машинах с горячей камерой сжатия давление достигает20 МПа, то в машинах с холодной камерой сжатия при литье алюминиевых и медных сплавов давление может достигать 100... 300 МПа.

Компрессорные машины, работающие на сжатом воздухе, применяются редко  и поэтому здесь не рассматриваются.

Разновидности пластикации

Пластикация, то есть расплавление полимерного материала под давлением, во многом определяет качество изделия. Различают червячную пластикацию  и поршневую. Червячные пластикаторы имеют высокую производительность, обеспечивают отличную гомогенизацию расплава, что особенно важно при использовании дробленки или суперконцентрата, и поэтому имеют наибольшее распространение. Поршневые пластикаторы используются значительно реже, поскольку они не обладают перечисленными выше качествами. Но и они не без достоинств, среди которых: способность обеспечивать высокую скорость инжекции расплава в форму, возможность реализовывать эффект мрамора или, если необходимо, яшмы, пластикацией смеси разных по цвету пластмасс.

Иногда применяют раздельную пластикацию, при которой полимер  сначала поступает из бункера  в вышеуказанный червячный предпластикатор, приготавливающий расплав, а затем через регулирующий кран расплав направляется в поршневой пластикатор, осуществляющий дозирование и высокоскоростную инжекцию в форму. Заметим, что такое нехитрое изделие как расческа, наиболее эффективно производится на литьевых машинах с раздельной червячно-поршневой пластикацией.

литье давление пластмасса тонкостенная

На этапе пластикации  основными технологическими параметрами  являются: температура расплава по длине цилиндрической части материального  цилиндра, температура сопла, установленного на выходе из материального цилиндра, скорость вращения червяка и величина противодавления при его отходе.  

Методы литья  под давлением

Инжекционный  метод

Требуемый объем расплава (доза) накапливается в материальном цилиндре ЛМ и затем под высоким  давлением (100-200 МПа) впрыскивается, инжектируется, в форму за короткий, измеряемый секундами, интервал времени. Это наиболее распространенный способ. Он позволяет  получать изделия сложной конфигурации, с различной толщиной стенок, как  из термопластов, так и из термореактивных  пластиков, допускает использование  многогнездных форм с различной литниковой системой. Особенность технологии - объем изделий с литниками не превышает паспортного объема впрыска используемой ЛМ.

Инжещионно-прессовый

Метод используется для получения  изделий значительных по площади  прессования, когда заполнение формы  сопровождается существенным падением давления расплава в ее периферийных частях, что вызывает эффект разнопрочности изделия. Сущность технологии состоит в том, что давление на расплав в форме создается не только усилием инжекции, но и за счет прессового механизма узла смыкания. С этой целью применяются литьевые формы, конструкция которых допускает перемещение пуансона и после смыкания формы.

Инжекционно-газовое литье (ИГЛ)

Относится к новым методам  переработки термопластов с помощью  ЛМ, и поэтому, в частности, его  названия еще до конца не определилось. В литературе можно встретить название типа "литье с газом", "литье с подачей сжатого газа", GJD-TEHNJKA, GAS-Jngection Molding и др. Технологически процесс ИГЛ заключается в следующем: расплав полимера инжектируется в форму, заполняя ее на 70-95%. Затем в форму через специальное сопло, или через ниппель в форме подается под давлением газовая смесь, которая "раздувает" расплав, увеличивая тем самым толщину слоя полимера, образовавшегося при его соприкосновении с холодной стенкой формы, и способствуя заполнению конструктивных углублений. После образования изделия газовая смесь удаляется из формы в приемник, пластикатор впрыскивает остаток расплава, "запечатывающий" форму.

Газовая смесь (азот, углекислый газ) может подводиться от компрессора  или от баллона, важно чтобы ее давление было около 80 МПа. Ввод газа в  форму может быть единичным или  многократным, ступенчатым по величине давления.

Технология ИГЛ позволяет  экономить до 40% дорогостоящего полимерного  материала за счет уменьшения толщины  стенки изделия, сократить цикл изготовления на 25-35%, уменьшить вероятность брака  за счет исключения таких видов дефектов, как утяжины, коробления, развитый облой. Кроме того, как показывает практика, инжекционно-газовая технология позволяет упростить конструкцию и понизить стоимость формующей оснастки.

Существенная трудность  ИГЛ-технологии состоит в необходимости высокоточного управления литьевой машиной, усложняется конструкция сопла, повышаются требования к расчету и качеству изготовления литниковой системы и сопряжений литьевых форм. 

Интрузиотый метод

Применяется при червячном  способе пластикации для получения  толстостенных изделий. Его суть - вращением червяка расплав в  режиме экструзии подается в пресс-форму  и заполняет ее, после этого  червяк останавливается и осевым движением подпитывает форму, компенсируя  естественную усадку остывающего расплава. Особенность подобного способа - объем изделия может превышать  паспортный объем впрыска ЛМ, но развиваемое в литьевой форме  давление невелико, вследствие чего геометрия  изделия не должна быть сложной, гнездность формы ограничена, получение тонкостенных изделий затруднено, кроме того, необходимо учитывать термостабильность полимера.

Многослойное  литье

Относится к специальным  видам, иногда называемым соинжекционными. Это название отражает общую особенность этих методов - обязательное участие в процессе двух, а в некоторых случаях и трех инжекционных узлов, в каждом из которых пластицируется полимерный материал с индивидуальными свойствами. Таким образом, появляется возможность получать многоцветные изделия, изделия, состоящие из различных видов пластмасс (поверхность из ПЭВП, а основной объем из вспененного полистирола), использовать вторичное полимерное сырье для внутренних, неответственных частей деталей, производить изделия гибридной конструкции и пр. Многослойное литье осуществляется несколькими способами.

Сэндвич-литье

Заключается в попеременной подаче в литьевую форму полимерных расплавов из двух пластикаторов. Два инжекционных узла присоединяются к соплу, в конструкции которого предусмотрено переключающее устройство. Как правило, это управляемый игольчатый клапан (ИК). Клапан попеременно или одновременно соединяет с литьевой системой формы пластикационные узлы. Материал из первого узла под высоким давлением и с высокой скоростью инжектируется в форму, образуя наружное покрытие изделия. Затем внутренний объем изделия заполняется материалом из второго узла, после чего в работу повторно включается первый узел, добавляющий остатки расплава в форму и "запечатывающий" изделие. 

Соинжекщюнное литье  

Требует применения сопла  специальной конструкции, называемого  также разделительной головкой. Эта  технология позволяет получать изделия  с числом слоев больше двух, с  полным или частичным разделением  цветов. 

Литье в многокомпонентные  формы (Multi-component injection molding)

Позволяет получать изделия  с четким разделением цветов, а  также детали гибридной конструкции, в которых из каждого полимерного  материала исполнена центральная  или периферийная часть. В этом случае инжекционные узлы выполняют традиционные функции, а конструкция детали определяется устройством литьевой формы. Литьевая форма имеет две литниковых системы, постоянно сомкнутые с инжекционными узлами I и II. В пуансоне формы имеются подвижные вставки, перемещаемые пневмоприводами. Вставки оформляют тот или иной конструкционный элемент изделия. Особенность этого метода состоит в том, что работа узлов инжекции происходит изолировано друг от друга. Поэтому если узел II в приведенном примере работает в режиме инжекции, то узел I может действовать в интрузионном режиме, благодаря чему объем части изделия, формуемой из полимера I, может иметь весьма значительный размер.

Ротационное литье (не путать с ротационными ЛМ)

Является разновидностью описанного выше способа, поскольку  позволяет решать те же задачи, однако требует использования съемной  вставки. После оформления центральной  части изделия (узел I) вставка извлекается, а в образовавшийся объем инжектируется  расплав из узла II. В цикл производства изделия ротационным литьем введена  дополнительная операция размыкания формы  и удаления (установки) вставки, что  не способствует высокой производительности метода. 

Особенности литья  под давлением различных термо- и реактопластов

Сведения, содержащиеся в  этом разделе, не включают рекомендации по пуску и наладке процесса, требований к условиям эксплуатации ЛМ и литьевых форм, правил неукоснительного соблюдения параметров метода, назначенных компетентным специалистом, обладающим инженерным уровнем знаний. Таким образом, предлагаемые рекомендации действуют для установившегося  режима работы оборудования и оснастки.

ПЭНП перерабатывается легко, при охлаждении способен к кристаллизации с изменением твердости, чувствителен к равномерности распределения температуры в форме. Место входа охлаждающей воды в форму следует располагать рядом с литниковыми каналами, а ее отвода - как можно дальше. Заполнение формы быстрое, в связи с чем необходима ее эффективная вентиляция.

ПЭВП - по сравнению с предыдущим полимером имеет большую степень  кристалличности и менее текуч в расплаве, но позволяет получать изделия с меньшей толщиной стенки при более высокой жесткости.

ПП - кристалличность до 60%, температура переработки для  некоторых марок до 2800 С, инжекционное давление до 140 МПа. Вязкость расплава в большей степени зависит от скорости сдвига, чем от температуры. С повышением давления ПТР растет, охлаждается в форме быстро. Процесс ведут при высоких температурах цилиндра и низком давлении литья.

ПС - легкотекуч в расплаве, позволяет получать тонкостенные жесткие изделия, чувствителен к перегреву.

УПС отличается от ПС несколько  меньшей текучестью и большей  усадкой.

АБС-пластик относится к конструктивным маркам, имеет большую вязкость в расплаве, труднее перерабатывается в тонкостенные изделия.

ПММА имеет невысокую термостабильность, чувствителен к перегреву, требует подсушки и тщательного контроля температуры. При впрыске расплава в холодную форму возможно образование пузырей; переходы в форме должны быть плавными, а их число минимальным.

ПВХ перерабатывается без  особых затруднений, но весьма чувствителен к соблюдению температурного режима и особенно перегреву. Вязкотекучее состояние нестабильно, может сопровождаться автокаталитической деструкцией с изменением цвета от слоновой кости до темно-вишневого. Длительность пластикации должна быть минимальной.

ПА - кристаллические, гигроскопичные термопласты с высокой текучестью расплава. При расплавлении объем  возрастает до 15%. Термостабильность невысокая, поэтому длительность пластикации ограничена. При нагреве в расплаве образуются пузырьки. Требует обязательной тщательной сушки. Желателен предварительный прогрев. Давление литья до 100 МПа. При литье наполненных ПА возможна ориентация частиц измельченного волокна. Желателен отжиг изделий.

ПК - относятся к теплостойким полимерам, характерна высокая вязкость расплава, термически стабилен. Вязкость в основном зависит от температуры. Температура формы до 100°С. Гигроскопичен, требует длительной сушки и предварительного подогрева, в том числе и в  бункере ЛМ.

ПЭТФ, ПБТФ и ПОМ относятся  к полимерам с повышенной термостойкостью. Требуют тщательной сушки до содержания влаги менее 0,01%. Термостабильны. Вязкость расплавов средняя и низкая с увеличением температуры снижается. Тонкостенность изделий нередко достигается последующим раздувом (ПЭТ-бутылки) 

Виды брака и  методы их устранения

Основные виды брака при  литье под давлением следующие:

1. Недолив выражается в  неполном оформлении изделия.  Основной его причиной является  недостаток материала, поступающего  в литьевую форму (из-за низкой  температуры формы или расплава  и, следовательно, пониженной  текучести расплава, а также по  причине засорения литникового и разводящих каналов).

2. Перелив вызывает образование  грата в месте смыкания формы.  Он возникает при неправильной  работе дозирующего устройства, перегреве расплава и литьевой  формы, недостаточном усилии смыкания  формы.

3. Стыковые швы - видна  кривая линия спая отдельных  потоков, механическая прочность  резко снижена в месте спая. Основными причинами образования  стыковых швов являются: сниженная  температура расплава или формы,  неудачная конструкция формы,  приводящая к охлаждению отдельных  потоков расплава до момента  их слияния (вследствие чего  не происходит полного сваривания), а также недостаточное удельное  давление расплава.

4. Вздутия на поверхности  и пузыри (пустоты) в массе изделия  наблюдаются при повышенном содержании  летучих, которые вспучивают мягкую поверхностную пленку при перегреве расплава, сопровождающимся частичной деструкцией и значительным газовыделением. Поверхность вздутия образуется также при недостаточном охлаждении изделия.

5. Усадочные раковины - значительные  углубления на поверхности изделий  - возникают вследствие повышенной  усадки при перегреве массы  и недостаточном поступлении  расплава (снижено удельное давление  расплава или мало сечение  впускных каналов). Иногда поверхностные  раковины появляются при неравномерном  распределении температуры в  форме и при дефектах в ее  вентиляции.

6. Коробление готовых изделий  возникает из-за значительных  напряжений внутри изделия, обусловленных  большой разностью температур  в отдельных частях формы, а  также при недостаточной выдержке  изделия в литьевой форме, отчего  оно извлекается недостаточно  жестким.

7. Трещины образуются вследствие  значительных остаточных напряжений  в изделии, а также при его  прилипании к стенкам формы.

8. Риски, царапины, сколы  на поверхности изделий возникают  при неисправном состоянии оформляющей  поверхности формы и неаккуратном  обращении с готовыми изделиями.

9. "Мороз" - узоры, напоминающие  зимнюю разрисовку оконных стекол. Основная причина их появления  - попадание влаги в форму при  недостаточной сушке гранулята и дефектов в вентиляции формы.

10. Расслоение наступает  при повышенном содержании влаги  в литьевом материале и при  наличии отвердевших литников, не  совмещающихся с основным материалом. Если отслоение выражено в  виде очень мелких блесток,  его называют серебристостью.

11. Разнотонность - неодинаковая  поверхностная окраска изделия  - объясняется недостаточно одинаковым  окрашиванием или разложением  красителя из-за его термической  нестойкости или перегрева расплава.

12. Размерный брак - отклонение  от номинальных размеров, превышающее  установленный допуск; наблюдается  при чрезмерной усадке или  неудачной конструкции литьевой  формы.

Таким образом, основными  мерами предупреждения брака являются: исправное состояние оборудования, соблюдение технологического режима и  стандартность сырья. Перечень возможных  дефектов литьевых изделий и способы  их устранений дополняют сведения, приведенные в таблице 1. 

Таблица 1.

 
2 Литье при низком  давлении

Литье при низком давлении (Low-Pressure Injection Molding) - это один из вариантов оптимизации традиционной технологии литья под давлением. Она включает в себя целую серию усовершенствований, которые позволяют поддерживать давление впрыска (а следовательно, усилие смыкания формы) на предельно низких значениях. К основным преимуществам литья низкого давления следует отнести снижение требований к величине усилия смыкания формы, более дешевые литьевые формы и снижение усилия при литьевом прессовании. Оно также способствует уменьшению себестоимости изделий, если используется литье с декорированием в форме. 

Описание технологического процесса

Положительный результат  в процессе литья при низком давлении достигается за счет правильного  управления частотой вращения шнека  и противодавлением пластикации  для управления температурным профилем расплава в дозе впрыска, а также  за счет точной регулировки скорости впрыска и давления. Это позволяет  поддерживать их на достаточно низком уровне и управлять скоростью  перемещения фронта расплава при  заполнении. При этом используются впускные литники обычного размера, а также пленочные литники  и/или запирающиеся сопла ГКС, которые  открываются последовательно, в  зависимости от объема дозы впрыска, за счет этого уменьшается длина  пути течения расплава, а это, в  свою очередь, устраняет опасность  возникновения линий спая. Стадия подпитки становится ненужной при условии  впрыска точно рассчитанной дозы расплава без вытекания. С помощью  современной электроники и гидравлики, которыми управляет компьютер, технологический  процесс может поддерживать плотный  постоянный фронт расплава при небольшом  давлении.

 
Управление температурным  профилем дозы впрыска

Почти все тепло, необходимое  для заполнения формы, поступает  от пластикации, что является следствием небольшой скорости впрыска и  нормального размера впускного  литника. Это отличается от обычного литья под давлением, в котором  существенная доля тепловой энергии  генерируется за счет сил вязкого  трения. Управление температурным профилем дозы впрыска

осуществляется за счет изменения  частоты вращения шнека и противодавления  на конце шнека во время стадии пластикации. Следует заметить, что  эффективное соотношение длина/диаметр (L/D) шнека уменьшается (при длине  хода от 1 до 5 диаметров), когда шнек отходит назад для подготовки дозы впрыска. Для того чтобы скомпенсировать  изменяющуюся длину пластикации  шнека, улучшить смешение и увеличить  сдвиговые напряжения, используется электрогидравлическое устройство увеличения противодавления на конце  шнека. Частота вращения шнека также  имеет временной профиль (рис.1).

Рис.1 Типичные кривые изменения для частоты вращения шнека (об/мин), обратного давления, скорости впрыска и давления впрыска в процессе литья при низком давлении

 
Управление давлением  и скоростью впрыска

Профиль изменения давления впрыска устанавливается таким  образом, чтобы управлять впрыском в процессе заполнения формы. Как  показано на рис.1, начальная скорость впрыска невелика, чтобы гарантировать  равномерную скорость течения в  литьевой форме. После поступления  расплава в формующую полость  скорость устанавливается таким  образом, чтобы фронт расплава перемещался  с одинаковой скоростью во время  всей стадии впрыска. Профиль изменения  давления в общем случае выглядит в виде перевернутой буквы U (рис.2). Это  понижает быстрый рост давления, который  обычно наблюдается в традиционном литье под давлением.

Рис.2 Передняя часть  бампера, изготовленная методом  управления многоточечным объемным впрыском

Материал затвердевает практически  мгновенно, как только соприкасается  с холодной стенкой литьевой формы. Скорость фронта расплава определяет усилие, которое создается потоком, а также степень ориентации молекул  и волокон в зонах вблизи поверхности  изделия. Изменение ориентации внутри изделия из-за изменения скорости фронта расплава в процессе заполнения формы приводит к различной усадке и деформации изделия. Поэтому желательно поддерживать скорость перемещения  фронта расплава постоянной, чтобы  создавать одинаковую ориентацию молекул  и волокон во всем изделии.

Преимущества

Технология литья при  низком давлении имеет следующие  преимущества:

снижение требований к  усилию смыкания литьевой формы, что  позволяет использовать более дешевые  формы;

достижение меньших внутренних напряжений в готовом изделии  и улучшение его потребительских  свойств;

возможность совмещения с  другими литьевыми технологиями (например, с литьем на подложку);

возможность производства изделий  большого размера при экономии сырья  от 5 до 8%;

возможность снижения температуры  расплава и сокращения общего времени  цикла;

возможность уменьшения давления во впускных литниках и формующей  полости формы;

возможность сокращения затрат на дополнительную обработку изделий  и на весь процесс производства.

Недостатки

Поскольку применение литья  при низком давлении в различных  технологиях при водит к снижению давления впрыска, то этот процесс не предвещает неблагоприятных эффектов.

Материалы

Для литья при низком давлении успешно используется большая гамма  материалов, а именно: термопластичные  и термореактивные материалы, сополимеры и смеси материалов с наполнителем, вторичное сырье и даже каучуки. На практике чаще всего используется ПП из-за его низкой стоимости и  хороших физических и механических характеристик. Существует большое  количество тканей и пленок, которые могут быть использованы в литье с наслоением. Для материалов с волоконными наполнителями обычный размер впускного литника снижает вероятность повреждения волокон. 

Типичные варианты применения

Кроме уже упомянутых изделий  технология литья при низком давлении используется для изготовления разнообразных  автомобильных компонентов - от приборных  досок, консолей, панелей интерьера, накладок порогов дверей и козырьков  до колпаков фар, обшивки потолка  салона, бамперов и драпировки. К  другим областям применения относятся  контейнеры для перевозки строительных материалов, грузовые поддоны, корпуса  бытовой техники, оборудование для  ванных комнат и строительные панели. К крупным изделиям относятся  кабины грузовых автомобилей и корпуса  лодок.