Таблица 11

Значения постоянных в уравнении состояния [10]

Термопласт	, а	103, м3/кг	(R/М) 102, Дж/кгК)
ПС	180	0,822	7,98
ПК	67	0,61	3,27
ПММА	210	0,734	8,3
ПЭВП	677	1,11	29,7
ПЭНП	320	0,875	29,7
ПП	160	0,62	19,7
ПА-12	71,7	0,78	4,21
ПА-6	150	0,722	7,33

Из уравнения состояния следует, что для сохранения постоянной плотности расплава, с повышением температуры необходимо увеличивать давление.

Из уравнения состояния можно рассчитать возможную объемную усадку:

V_ус=[10^-3R¹Т/(Р+]+ .

Уравнение состояния позволит также рассчитать среднюю температуру расплава в форме в зависимости от давления в ней во время выдержки под давлением и с учетом этого – время выдержки под давлением, необходимое для застывания литника.

Температура расплава в форме составит:

,

где  -коэффициент сжимаемости расплава, МПа^-1; С_р – удельная теплоемкость расплава, кДж/(кгград); Т₁ и Т₂ – температура расплава перед входом в сопло и в форме после впрыска, К; Р_ф – среднее давление в форме на стадии подпитки, МПа; U, , М – константы материала.

Время выдержки под давлением (включающее время заполнения формы) для цилиндрического впускного литника можно рассчитать по формуле [4]:

.

Для прямоугольного впускного литника:

,

для центрального впускного литника с радиусом, большим, чем половина толщины изделия:

,

где r, , h, S – размеры литников, м(м²); Т_m – температура текучести или плавления, К; Т_ф - температура формы, К; К_л – коэффициент, учитывающий течение расплава во время подпитки:

К_л=ξ,V/V_л,

где V – объем расплава, нагнетаемый в форму при выдержке под давлением, м³; V_л- объем литника, м³; ξ - коэффициент формы литника (для цилиндрического ξ =2; для щелевого и кольцевого ξ=1,5).

Продолжительность охлаждения в форме

Продолжительность охлаждения изделия в форме представляет сумму времени охлаждения под давлением и без давления

,

где Т_о, Т_ф и Т_изд – температуры расплава , формы и изделия в момент съема, К;  - толщина охлаждаемого изделия; м (для плоского изделия =h; для цилиндрического =r); А и С – коэффициенты, определяемые формой изделия (для плоского изделия А=1,27 и С=²; для цилиндра А=1,6 и С=5,76), а – коэффициент температуропроводности, м²/с.

Время цикла литья под давлением

Расчет продолжительности цикла (_ц) проводится следующим образом:

_ц=_м+_т+_п,

где _м – машинное время, с; _т – технологическое время, с; _п – продолжительность паузы между циклами, с.

_т=_выд+_охл б/д,

где _выд – продолжительность выдержки материала в форме под давлением, с; _охл б/д – продолжительность охлаждения изделия в форме без давления, с.

В целом технологическое время учитывает продолжительность охлаждения (отверждение – для реактопластов) до заданной температуры в центре изделия (Т_и), при которой возможно извлечение готового изделия.

При  =в/h 2,5 для плоского изделия:

_т=ln [1,27(Т_м-Т_ф)/(Т_и-Т_ф)]h (²а),

при  2,5 для плоского изделия:

_т=ln[1,27(Т_м-Т_ф)/(Т_и- Т_Ф)] h²  ²/[²а(1+ ²)],

для цилиндрического изделия

_т=ln[1,6(Т_м-Т_ф)/(Т_и- Т_Ф)] r²/5,76 а,

где в, h – ширина изделия и толщина его стенки; r – толщина стенки цилиндрического изделия; Т_м – температура впрыскиваемого в форму материала; Т_ф – температура формы; Т_и=Т_ф+(1030) при h3 мм, Т_и=Т_ф+50 при h5 мм; а – коэффициент температуропроводности материала при температуре переработки, м²/с.

Машинное время

_м= _см + _впр+_разм,

где _см; _ыпр; _разм – время смыкания и размыкания формы и время впрыска.

Тогда _из = _см + _впр +_впр + _охл б/д + _разм + _п.

Продолжительность пластикации:

_пл = _охл б/д + _см + _разм.

Производительность литьевых машин Q (в кг/ч) можно рассчитать:

Q = 3,6 m.n /_ц,

где m – масса изделия; n – число одновременно изготавливаемых изделий.

9.3.6. Особенности переработки некоторых термопластов
П о л и к а р б о н а т в области температур переработки отличается высокой вязкостью и термической стабильностью. При изготовлении изделий из поликарбоната (особенно с низкой молекулярной массой) с повышением температуры литья снижаются прочность изделий при растяжении и относительное удлинение. Поэтому при производстве сложных изделий со строгими размерами допуска литье необходимо осуществлять при пониженной температуре расплава и повышенной температуре формы (не менее 100^оС). Перед загрузкой в бункер машины поликарбонат подсушивают при 70-75⁰С в течение 4-6 ч (если материал был плотно упакован) или при 120-130⁰С в течение 12-20 ч (если материал был влажным). Влажность поликарбоната не должна превышать 0,05%.

П о л и ф о р м а л ь д е г и д очень чувствителен к действию высокой температуры. Время его пребывания при высокой температуре должно быть ограничено, иначе изменяется окраска материала и выделяются пары формальдегида. Расплав полимера имеет низкую текучесть; скорость впрыска при заполнении формы должна быть максимально возможной. Полиформальдегид отличается хорошими механическими свойствами при повышенных температурах, поэтому отлитые из него изделия можно извлекать из формы в горячем состоянии.

П о л и п р о п и л е н хорошо перерабатывается литьем под давлением в тонкостенные изделия; при изготовлении же толстостенных изделий возможна их значительная деформация после извлечения из формы. Вязкость расплава полипропилена в большей степени зависит от градиента скорости сдвига, чем от температуры. Поэтому при литье толстостенных изделий и изделий сложной конфигурации лучших результатов можно достичь, повышая давление впрыска, а не температуру расплава. Полипропилен склонен к образованию усадочных раковин в толще материала, поэтому выдержку его в форме следует осуществлять под возможно более высоким давлением, а также применять формы, конструкции которых препятствуют образованию раковин.

П о л и а к р и л а т ы и п о л и м е т а к р и л а т ы трудно перерабатывать литьем под давлением, так как температуры их размягчения и разложения близки, а вязкость расплавов высока. Из-за чувствительности этих полимеров к изменению температуры переработки необходим строгий контроль режима пластикации. При охлаждении полиакрилатов и полиметакрилатов вязкость их расплавов быстро растет, поэтому давление при заполнении материалом формы должно быть высоким. Эти полимеры перед переработкой желательно подсушивать при 65-90⁰С в течение 2-3 ч. Для уменьшения внутренних напряжений изделия из полиакрилатов и полиметакрилатов подвергают термообработке при 75-85⁰С в течение 2 ч в термошкафах.

Литье под давлением ж е с т к о г о п о л и в и н и л х л о р и д а (винипласта) затруднено из-за низкой теплопроводности этого материала и небольшой разницы между температурами плавления и начала разложения. При разложении этого материала выделяется НСl, который вызывает коррозию частей литьевой машины. Кроме того, экзотермическая реакция разложения мешает поддержанию необходимого температурного режима. При литье жесткого поливинилхлорида скорость впрыска должна быть максимально возможной.

П о л и а м и д ы перед литьем подсушивают в термошкафу при 70-80⁰С в течение 4-5 ч. Время пребывания полимера в материальном цилиндре должно быть ограничено, так как при нагревании выше 80⁰С он окисляется. Расплавы полиамидов имеют очень низкую вязкость, что позволяет отливать из них изделия сложной конфигурации. Для предотвращения самопроизвольного вытекания расплава из сопла литьевой машины оно снабжается запорным клапаном, открывающимся при определенном давлении впрыска.

П о л и с т и р о л можно перерабатывать в широком интервале температур (от 150-250⁰С). В этом диапазоне он обладает хорошей текучестью и может перерабатываться на червячных и плунжерных машинах. ПС не нуждается в предварительной сушке, однако предварительный подогрев ПС в бункере до 50-70⁰С способствует повышению производительности машины и улучшению качества изделий.

П о л и э т и л е н хорошо перерабатывается литьем под давлением. При охлаждении в форме кристаллизуется. Степень кристалличности и сформировавшаяся структура влияют на твердость, прочность изделий и характер их деформации.

9.3.7. Внутренние напряжения
Недостатком изделий, изготовленных методом литья под давлением, является наличие внутренних напряжений, снижающих стабильность размеров и прочностные характеристики материала. Повышенной склонностью к растрескиванию обладают разнотолщинные, плоские, несимметричные и армированные детали, а также детали из аморфных полимеров, отлитые в холодную форму.

Уменьшение внутренних напряжений, а также выравнивание их по сечениям детали имеет особенно большое значение, когда по условиям эксплуатации изделия подвергаются воздействию тепла, органических растворителей.

Причины возникновения внутренних напряжений следующие:

1. 
   Неравномерное охлаждение расплава полимера, что обусловлено разнотолщинностью и несимметричностью деталей. Такие внутренние напряжения могут быть сняты термической обработкой деталей при температуре  Т_ст полимера.
   
2. 
   Заторможенная ориентация макромолекул полимера вдоль потока, незначительная для аморфных и достаточно большая для кристаллических полимеров.
   

В результате быстрого охлаждения о стенки формы происходит затвердевание тонкого поверхностного слоя детали в ориентированном слое. Толщина ориентированного слоя прямо пропорциональна сечению литника. Внутренние напряжения возникшие в результате ориентации, снять нельзя , но можно предотвратить их появление, используя факторы технологического процесса, снижающие степень ориентации: точное дозирование материала, повышенные температуры расплава и формы, скорость впрыска и минимальное сечение впускных литников, снижение Р литья и времени выдержки под давлением.

3. 
   Большая разница в коэффициентах линейного термического расширения полимера и металла. Снизить внутреннее напряжение можно за счет использования наполненных термопластов, преднагрева арматуры до 200-250^оС.
   

Для снижения внутреннего напряжения, склонности к растрескиванию при эксплуатации армированных деталей следует их изготавливать при пониженных температурах расплава, формы и давления листов.
9.4. Литье под давлением реактопластов
Литье под давлением реактопластов является более прогрессивным методом переработки по сравнению с прямым и литьевым прессованием, однако применимо только для материалов, обладающих длительным временем вязкотекучего состояния.

Основные стадии и схема процесса аналогичны переработке литьем под давлением термопластов. Специфика переработки реактопластов связана с протеканием не только процессов массопереноса и теплообмена, но и химических превращений, в результате которых происходит формирование трехмерной сетчатой структуры. Это предъявляет более высокие требования к выполнению условий переработки, в первую очередь температурно-временных параметров процесса, а также исключению образования застойных зон в материальном цилиндре литьевой машины.

При литье реактопластов применяют как плунжерные, так и червячные машины. Формование может осуществляться в инжекционном или интрузионном режиме в зависимости от габаритных размеров изделия [24].

Предпочтительнее перерабатывать гранулированные (размер гранул 0,16-1,0 мм) материалы, так как препреги могут зависать в бункере.

Содержание влаги и летучих от 2 до 4%. При меньшем содержании влаги ухудшается текучесть, а при избытке увеличивается пористость изделий, ухудшаются диэлектрические и физико-механические свойства изделия.

По технологическим свойствам условно фено-и аминопласты могут быть разделены на три группы:

Группа	Вязкость в вязкопластическом состоянии, Па.с	Время вязкопластического состояния, с
I	2104  6104	20-140
II	2103  2104	40-140
III	2103  104	60-140

Материалы I группы целесообразно перерабатывать на плунжерных литьевых машинах, II группы – на литьевых машинах с червячной пластикацией с незапирающимся соплом и объемом пластикационного цилиндра до 250 см³, III группы – на реактопластавтоматах с объемом пластикации свыше 250 см³, снабженных устройствами, предотвращающими утечку материала.

При формовании изделий из реактопластов одновременно с переходом в вязкопластическое состояние интенсифицируются процессы химического взаимодействия, приводящие к быстрому нарастанию вязкости материала и потери им текучести, то есть формуемости. Поэтому время нагрева материала (_н), время подачи его к форме (_под) и время заполнения формы (_зап) должны быть _в.т.с.

_н + _под + _зап _в.т.с.

Пластикация материала в плунжерных машинах обеспечивается в результате деформирования материала плунжером давлением 140-160 МПа и нагрев материала происходит за счет внешнего обогревателя и диссипации энергии трения частиц материала при их деформировании плунжером.

В шнековых литьевых машинах нагревание, уплотнение, гомогенизация материала обеспечиваются при транспортировке его шнеком в переднюю часть цилиндра. При этом часть тепла, подводимого к материалу, образуется в результате диссипативного тепловыделения при сдвиговом деформировании материала в канале шнека [25].

В качественной подготовке материала к впрыску в форму велика роль продолжительности пластикации и, особенно, температуры. Если температура пластикации превышает оптимальную, то материал отверждается в цилиндре еще до заполнения им формы. При температуре ниже оптимальной материал плавится долго и затвердевает, не превращаясь в расплав, с вязкостью, не позволяющей произвести впрыск в форму, то есть для высоковязких недостаточно усилия впрыска.

Для предотвращения преждевременного отверждения реактопластов температуру цилиндра, частоту вращения шнека, давление подпора на шнек подбирают таким образом, чтобы температура материала на выходе из цилиндра не превышала 90-100^оС. При течении материала через сопло и литники температура дополнительно повышается на 15-20^оС в основном за счет диссипации энергии вязкого течения. В конце впрыска давление в форме повышается, происходит адиабатическое сжатие материала, в результате чего температура возрастает еще на 15-20^оС.Таким образом, температура увеличивается до 140-180^оС. Подбираемая доза материала должна соответствовать объему впрыска.

Дозирование обеспечивается осевым перемещением шнека, составляющим не более двух-трех диаметров шнека. Завершение пластикации должно совпасть с моментом впрыска материала в форму.

Время заполнения формы определяется средней скоростью впрыска, которая снижается с уменьшением давления литья, увеличением вязкости материала (т.е. уменьшением Т_м и Т_ф) и ростом суммарного сопротивления перемещению шнека. Сопротивление возрастает в основном из-за роста давления в форме при ее заполнении, которое передается через литниковую систему и сопло в цилиндр. Характер изменения давления в форме в течение цикла литья под давлением реактопласта приведен на рис. 39.

Рис. 39. Изменение давления в форме Р_ф при литье реактопласта:

I – ход кривой при недостаточном усилении смыкания на стадии выдержки

на отверждение; II – при нормальном проведении процесса литья; III – при малой

длительности выдержки под давлением; IV – при недостаточном усилии смыкания

на стадии уплотнения расплава в форме при выдержке под давлением

Характер заполнения формы может быть струйным или фронтальным, в зависимости от соотношения площадей поперечных сечений впускного литника и формующей полости, аналогично наблюдаемым при литье термопластов. Заполнению формы и уплотнению расплава соответствует участок 1-3 на рис. 39.

В ы д е р ж к а п о д д а в л е н и е м проводится после заполнения оформляющей полости материала. В этот период цикла литья через систему «сопло – литниковая система формы» шнек продолжает нагнетать материал в оформляющую полость, что приводит к росту давления в форме.

В процессе выдержки под давлением происходит выравнивание давления между формующей полостью и материальным цилиндром, высокий уровень давления в форме препятствует выделению адсорбированных и растворенных в материале летучих продуктов в самостоятельную фазу, благодаря чему снижается пористость готового изделия. Кроме того, выравнивание давления по длине формы обеспечивает снижение внутренних напряжений в отливке.

Во время выдержки под давлением (_д) течение материала через сопло, литники и по оформляющей полости не прекращается, но скорость его намного ниже, чем на стадии впрыска. Это приводит к снижению сопротивления перемещению шнека в цилиндре и потерь давления в литниковых каналах формы. Поэтому на стадии выдержки под давлением целесообразно регулировать давление на материал, находящийся в зоне дозирования материального цилиндра (давление подпитки), что предусматривается конструкцией современных реактопластавтоматов. Использование повышенных давлений на этой стадии при литье реактопластов приводит к деформированию пристенных слоев изделия, которые уже частично отвердились при контакте с горячей стенкой формы, образованию морщин, складок на поверхности изделия, его короблению.

Кроме того, высокое давление подпитки может приводить к частичному размыканию полуформ и истечению материала из полости формы (образование облоя). Давление в форме при этом резко падает (см. рис.39, участок 3^-7) вплоть до момента доотверждения материала.

Продолжительность выдержки под давлением связана со временем отверждения материала в литнике. Если формуется толстостенное изделие, то отверждение материала в литнике наступает гораздо раньше, чем в оформляющей полости, так как время прогрева до температуры отверждения в литнике намного меньше. При формовании тонкостенных изделий потеря текучести материала в изделии может наступить одновременно с литником, а иногда и раньше. В этом случае продолжительность выдержки под давлением определяется временем, в течение которого материал практически теряет текучесть в полости формы. При малой продолжительности выдержки под давлением после отвода сопла происходит истечение материала из полости формы через литниковую систему (точки 4,5 на рис. 15), что приводит к образованию пористости изделия у впускного литника, а для толстостенных изделий – к образованию в этом месте пустот. При завышенной продолжительности выдержки под давлением, особенно если литье ведется при высоком давлении подпитки, а литники имеют малую длину и большой диаметр, материал продолжает поступать в полость даже при частичном отверждении. Это приводит к появлению дефектов поверхности в виде складок, морщин.

После прекращения течения материала в литниковой системе сопло отводится от формы, и выдержка под давлением завершается (рис.39, точка 6 на кривых I и II).

Изменение температуры реактопласта, находящегося в форме, в течение цикла приведено на рис. 39. Приведенная зависимость отражает нагрев материала за счет: 1) теплопроводности от стенок горячей формы, 2) диссипативных потерь в результате вязкого течения и 3) теплового эффекта реакции отверждения.

В ы д е р ж к а п р и о т в е р ж д е н и и в ф о р м е проходит при постоянной массе изделия. Основное назначение этой стадии цикла литья – обеспечить необходимую и одинаковую по всему объему изделия степень отверждения. Выдержка на отверждение завершается при достижении материалом определенной степени отверждения, при которой обеспечиваются эксплуатационные требования, предъявляемые к изделию. Для изделий общетехнического назначения, изготавливаемых из фенопластов, рекомендуется вести процесс отверждения в течение времени, обеспечивающего прочность при сдвиге 6 МПа, из аминопластов – 4 МПа. Для изделий электротехнического назначения рекомендуется более продолжительная выдержка на отверждение.

Рис. 40. Изменение температуры реактопласта в литьевой форме

в течение цикла литья под давлением:

1 – литье при повышенных Р_л и Т_р; 2 – литье при низких Р_л и Т_р

Чем больше толщина изделия, тем сложнее обеспечить одинаковую степень отверждения по его объему, так как в первую очередь прогреваются до температуры формы пристенные слои и отверждение в них начинается быстрее. Поэтому увеличение длительности выдержки на отверждение с целью обеспечения полноты отверждения внутренних слоев может привести к переотверждению внешних слоев, и, следовательно, к снижению усталостной выносливости изделия, маслостойкости и других показателей.

В процессе выдержки на отверждение продолжается прогрев материала от стенок формы и в результате теплового расширения материала повышается давление в форме. С другой стороны, в результате протекания реакции отверждения наблюдается объемная усадка материала, несколько запаздывающая по времени относительно прогрева. На начальной стадии процесса выдержки на отверждение преобладает расширение материала, сопровождающееся ростом давления (участок 6-8 на кривых рис.15), а преобладание второго процесса приводит к медленному снижению давления в форме (участок 8-9 на рис. 39).

Максимальное давление Р_max, развивающееся в оформляющей полости, определяет минимальное усилие, необходимое для запирания формы. Если давление в форме на стадии отверждения превышает усилие запирания, то форма частично раскрывается и давление в полости формы падает (участок 8-8 на кривой 1 рис.39). Это приводит к снижению стабильности размеров изделий.

Чем выше температура материала, впрыскиваемого в форму, тем меньше тепловое расширение при нагреве до температуры формы, а следовательно, уменьшается максимальное давление в форме.

К концу выдержки на отверждение в форме действует давление Р_к, влияющее на размерную точность изделий и их склонность к короблению. При раскрытии формы в момент окончания выдержки на отверждение давление снижается от Р_к до атмосферного Р_а.
9.4.1. Расчет параметров процесса литья под давлением

реактопластов

Температура материала на выходе из шнека (Т) может быть оценена по эмпирическому уравнению

Т = Т_ц + аn + вР,

где Т_ц – температура цилиндра, ^оС; n –частота вращения шнека, об/мин;

Р – давление, МПа; а, в – константы

а = (0,224 – 9,16  10^-4 Т_ц) ( R_ср/30h)  1,75 ,

в = (4,7  10^-3 – 2,28  10^-3 Т_ц),

где R_ср и h – средний радиус и глубина канала шнека, мм.

Давление в гидроцилиндре литьевой машины на стадии впрыска (Р_уд), МПа:

Р_уд = Р_с + Р_л + Р_к,,

где Р_к – давление, необходимое для уплотнения материала в форме

(Р_к  50 МПа):

Температура материала после заполнения формы (Т₃):

Т₃ = Т₁ + Р_с + Р_л/с_,

где Т₁ – температура материала в зоне дозирования, К.

Длительность выдержки под давлением (t_в.д.) зависит от температуры расплава реактопласта и формы:

t_{в.д =} К^в(t_в.п – t_н.п) е^(Т_п-Т_ф),

где t_в.п – время отверждения материала в стандартных условиях, определяемое на пластометре Канавца, с; t_н.п – время нагрева материала в пластометре до температуры отверждения (Т_п); Т_ф – температура;  - коэффициент, учитывающий влияние температуры на длительность отверждения; К_в – коэффициент, учитывающий степень отверждения в литнике (К_в  0,5 – 0,6).

Длительность выдержки при отверждении рассчитывается в случае, если температура материала, поступающего в форму, близка к температуре формы, из уравнения:

T_в.о = [(t_в.п – t_н.п)] е^(^Т_п-^Т_ф)-t_в.д.

Если необходим нагрев материала по Т_ф, то t_в.о рассчитывалось по уравнению:

,

где А₁ и А₂ – постоянные, учитывающие форму изделия (А₁=1,27; А₂=2,47);  - толщина стенки изделия, мм; а – коэффициент температуропроводности материала при Т=(Т_о + Т_ф)/2, м²/с; Т_ц=Т_ф-20^о; Т_ф, Т_о; Т_п; Т_ц – температуры формы, материалы на входе в форму, камеры пластометры и в центре изделия, ^оС. Усилие смыкания формы F_см:

F_см = Р_ф(S_изд  n + S_л),

где Р_ф – давление в форме, МПа; n – число гнезд в форме; S – площадь проекции изделия и литников, м².

Полное время цикла литья под давлением:

t_цикла = t_в + t_мин + t_пауз,

где t_в – время, включающее сумму времени выдержки под давлением, выдержки при отверждении, с.

Условия переработки реактопластов литьем под давлением на червячных машинах приведены в табл. 12.
Таблица 12

Условия переработки реактопластов литьем под давлением

на червячных машинах

Связующее	Наполни-тель	Температура цилиндра, оС		Темпера- тура сопла, оС	Температура расплава на выходе из сопла, оС	Давление впрыска, МПа	Температура формы, оС
		на входе	на выходе
Фенолоформальдегидное	Древесная мука	60-70	85-100	85-100	110-120	60-120	160-180
То же	Асбест	60-70	95	105	110-115	120-150	170-185
То же	Каучук	60-70	95	105	120	60-120	160-180
Мочевино-формальдегидное	Древесная мука	55-65	85-100	100-110	115-120	70-130	150-165
Меламино-формальдегидное	Древесная мука	55-65	90-100	100-110	115-120	70-120	150-165
То же	Асбест	50-60	80-90	90-100	100-115	100-160	160-170
Полиэфирное То же	Стеклово-локно, асбест	60-80	60-80	60-80	70-90	90-120	170-190

Примечание: Давление пластикации во всех случаях не превышает 30 МН/м² (300 кгс/см²), частота вращения червяка

50 об/мин, длительность пребывания материала в инжекционном цилиндре 4-20 с, продолжительность впрыска 2-7 с.

2. 
   <предыдущая страница | следующая страница>