вв. Лекция 1. Лекция Тема лекции оборудование для литьевого формования полимерных материалов

• Название: Лекция Тема лекции оборудование для литьевого формования полимерных материалов
• Дата: 28.10.2020
• Размер: 1.06 Mb.
• Имя файла: Лекция 1.docx
• Тип: Лекция; #146516

Лекция 1.

Тема лекции: оборудование ДЛЯ ЛИТЬЕВОГО формования ПОЛИМЕРНЫХ МАТЕРИАЛОВ.
Аннотация: Рассмотрены вопросы процессы литьевого формования полимерных материалов, оборудование для его воспроизводства

План лекции:

• 
  Область применения, принцип работы и классификации литьевых машин
  
• 
  Параметры, технические характеристики литьевых машин
  

1. Область применения, принцип работы и классификация литьевых машин

Литьевые машины предназначены для формования изделий из полимерных материалов, при этом наибольшее распространение метод получил при формовании изделий из термопластов. Диапазон габаритов и, соответственно, масс литьевых изделий из термопластов чрезвычайно широк: от изделий с размерами менее одного миллиметра и массой несколько миллиграмм (например, детали микромеханизмов точной механики) до изделий с размерами около 4-х метров и массой 30-40 кг (например, интегральные панели несущего кузова легкового автомобиля).

Принцип метода литья под давлением заключается в том (рис. 1), что гранулированный материал из бункера 1 подаётся в нагревательный (пластикационный) цилиндр 2, снабжённый электрообогревом 3. Подготовленная в цилиндре доза 4 расплавленного материала впрыскивается поршнем 5 в холодную литьевую форму 6, 6', где, приобретя конфигурацию формуемого изделия, отвердевает за счёт охлаждения вследствие контакта с формой.

На рисунке 1 представлен наиболее распространённый вариант принципиального конструктивного оформления литьевой машины. Машина состоит из двух основных технологических механизмов: впрыска 7 и смыкания формы 8. Механизм смыкания состоит из двух неподвижных плит 9 и 10, соединённых, как правило, четырьмя колоннами 11. На плите 9 закреплён привод перемещения подвижной плиты 12 (в данном случае – гидроцилиндр 13), на которой монтируется подвижная полуформа 6. На плите 10 монтируется неподвижная полуформа 6'. Внутри нагревательного цилиндра 2 механизма впрыска 7 помещён червяк 5. Вращательное движение червяка обеспечивает привод 14 (например, гидро- или электродвигатель с червячным редуктором). Возвратно-поступательное движение червяка осуществляет гидроцилиндр 15. Корпус 16 механизма впрыска может перемещаться по станине 17 гидроцилиндром 18 для ввода в контакт (или разобщения) наконечника 19 (сопла) нагревательного цилиндра с центральным литниковым каналом 20 литьевой формы.



Рис. 1. Принципиальная схема литьевой машины

Полный цикл формования изделия включает в себя следующие машинные операции:

Смыкание формы. Рабочая жидкость (масло) подаётся в поршневую полость цилиндра 13, полуформы 6 и 6' смыкаются и запираются с усилием, достаточным для того, чтобы противостоять распорному усилию, возникающему вследствие давления расплава, заполнившего литьевую форму.

Подвод узла впрыска. Масло подаётся в поршневую полость гидроцилиндра 18, и механизм впрыска перемещается до входа в контакт сопла 19 с формой.

Впрыск. Рабочая жидкость подаётся в поршневую полость гидроцилиндра 15, при этом червяк 5, работая как поршень, перемещается влево и впрыскивает через литник в оформляющую полость литьевой формы накопленную перед ним дозу расплава 4.

Выдержка под давлением. Вследствие охлаждения впрыснутого в форму расплава его объём уменьшается (уменьшение объёма может достигать 15-20%), поэтому червяк продолжает оказывать давление на материал, подавая в форму дополнительную порцию расплава. Выдержка под давлением длится до тех пор, пока материал в литнике или оформляющей полости не отвердеет. Однако, к этому моменту температура материала отформованного изделия ещё достаточно высока, и изделие поэтому не способно противостоять тем усилиям, которые воздействуют на него при извлечении из формы.

Выдержка на охлаждении. Отформованное изделие продолжает охлаждаться в форме, но червяк не оказывает давление на материал.

Отвод узла впрыска. Механизм впрыска в течение выдержки на охлаждении уже не обслуживает форму, поэтому во избежание нежелательного отвердевания материала в сопле вследствие длительного его контакта с холодной формой узел впрыска отводится от формы гидроцилиндром 18.

Набор дозы. В течение выдержки изделия в форме на охлаждении червяк должен успеть набрать дозу расплава для последующего цикла литья. Червяк приводится во вращение и транспортирует материал в сопловую зону полости нагревательного цилиндра. Здесь развивается давление расплава, достаточное для того, чтобы отводить червяк вправо по мере накопления перед ним дозы. Вращение червяка прекращается, когда требуемый объём дозы накоплен.

Раскрытие формы. Подвижная плита перемещается на расстояние, достаточное для того, чтобы извлечь из раскрывшейся формы изделие.

Выталкивание изделия из формы. При раскрытии формы изделие, как правило, остаётся в подвижной полуформе. В этой полуформе имеется система деталей, выталкивающих из неё изделие. Эта система приводится в движение специальным гидроцилиндром машины (на рис. 1 не показан). Система выталкивания может приводиться и механическим способом во время операции раскрытия формы.

Существует много вариантов конструктивного исполнения литьевых машин, которые могут классифицироваться по следующим признакам: способу пластикации материала, типу привода, взаимному расположению механизмов смыкания и впрыска и их количеству.

Тип привода рабочих органов. При гидравлическом типе перемещения подвижной плиты, червяка и механизма впрыска выполняются непосредственно гидроцилиндрами (см., например, рис. 1), а вращательное движение червяка обеспечивается гидродвигателем. При гидромеханическом типе рабочие органы перемещаются гидравлическими же движителями через посредство какого-либо механизма. Целесообразность этих механизмов обусловлена рядом причин. Например, их использование в механизмах смыкания позволяет существенно уменьшить размеры гидроцилиндра и при этом возложить на него функции не только перемещения подвижной плиты, но и создания значительного усилия запирания формы, а также обеспечить перемещение подвижной плиты с переменной в процессе движения технологически целесообразной скоростью. При электромеханическом типе движителями являются электродвигатели.

Взаимное расположение механизмов смыкания и впрыска.

У машин горизонтального типа оси механизма смыкания О-О (см. рис. 1) и механизма впрыска О'-О' совмещены и горизонтальны. Этот тип машин наиболее распространён, т.к. в этом случае для изъятия готового изделия не требуется, как правило, каких-либо дополнительных механизмов: поверхность разъёма полуформ вертикальна и вытолкнутое из подвижной полуформы изделие падает вниз (в тару, на конвейер и т.п.).

У машин вертикального типаоси О-О и О'-О' совмещены и вертикальны; при этом механизм впрыска и смыкания находятся одно над другим. Этот тип машин целесообразно использовать при литье изделий с крупногабаритной и тяжёлой металлической арматурой (например, рулевое колесо автомобиля): будучи заложенной в подвижную полуформу раскрытой формы арматура надёжно удерживается в ней силой веса вплоть до полного смыкания полуформ.

У машин углового типаоси О-О и О'-О' взаимно перпендикулярны таким образом, что ось О'-О' лежит в плоскости смыкания полуформ, как, например, это показано в варианте «а» на рисунке 1. В этом типе машин расплав впрыскивается не в центральную, а в периферийную зону формы, что целесообразно для некоторых изделий. В угловых машинах горизонтального типа ось О-О горизонтальна, а ось О'-О' механизма впрыска может быть горизонтальной или вертикальной (в последнем варианте машина более компактна и предпочтительна для изделий с арматурой). Конструкции некоторых машин допускают трансформацию горизонтального типа в угловой тип. Механизмы смыкания и впрыска у них выполнены на отдельных станинах, так что пользователь может в соответствии со своими потребностями монтировать их как «в линию», так и под углом друг к другу, причём возможны варианты как горизонтального, так и вертикального расположения механизма смыкания.

Количество механизмов впрыска. Некоторые типы литьевых изделий изготавливаются не из одного, а из двух материалов, различных по типу или по цвету; например, рассеиватель заднего фонаря автомобиля выполнен из красного прозрачного материала и имеет вставку из бесцветного прозрачного материала. Последовательное заполнение формы материалами двух типов выполняется двумя механизмами впрыска, идентичными по конструкции и размещёнными, как правило, параллельно друг другу. Машины с двумя механизмами впрыска имеют горизонтальное исполнение; их принято называть машинами для двухцветного литья.

Количество механизмов смыкания. При литье толстостенных изделий операция выдержки в форме на охлаждении столь длительна, что механизм впрыска, не обслуживающий в течение этой операции данную форму, успевает осуществить накопление дозы, впрыск и выдержку под давлением ещё в нескольких формах. Машины для литья толстостенных изделий (например, каблуков или подошв для обуви) имеют один механизм впрыска и несколько (от 3-х до 12-ти) механизмов смыкания. Такие машины принято называть многопозиционными. Существует два варианта исполнения этих машин: механизм смыкания стационарен, а механизм впрыска перемещается к каждому из них для выполнения впрыска и выдержки под давлением, и наоборот. В последнем случае чаще всего механизмы смыкания размещаются по окружности на поворотной карусели, а ось механизма впрыска горизонтальна и радиальна по отношению к этой окружности.

Параметры технической характеристики литьевых машин

Совокупность значений параметров технической характеристики литьевой машины данного типоразмера определяет её технологические возможности, т.е. возможность формования на ней изделия с конкретными габаритами и массой.

Объём впрыска – это максимальный объём дозы расплава, который может быть накоплен в нагревательном цилиндре. Он, как видно из рисунка 1, определяется диаметром червяка и максимальным ходом осевого смещения его. Это один из главных параметров технической характеристики, т.к. именно он определяет максимально возможную массу изделия, которое может быть отформовано на машине, поэтому типоразмер машины принято характеризовать именно объёмом впрыска. В настоящее время производятся литьевые машины с объёмом впрыска от 0,5 см³ до 40000 см³.

Значения прочих параметров технической характеристики так или иначе связаны с габаритами и толщиной стенок формуемых изделий. В связи с этим их выбирают, ориентируясь на установленный практикой вероятный диапазон габаритов литьевых изделий данной массовой категории. Мнение о этом диапазоне неоднозначно; не случайно поэтому машины различных изготовителей, имеющие одинаковые объёмы впрыска, могут иметь существенно различные значения прочих параметров технической характеристики.



Рис. 2. Схема взаимодействия узла смыкания с литьевой формой: а – форма сомкнута; б – форма разомкнута
Усилие смыкания – это максимальное усилие, с которым форма может удерживаться в сомкнутом состоянии плитами механизма смыкания. Во избежание раскрытия формы и истечения из неё расплава это усилие должно превышать распорное усилие, равное (см. рис. 2) произведению давления расплава р в оформляющей полости формы на площадь отливки (т.е. площадь проекции изделия на плоскость, нормальную к направлению смыкания полуформ). Поэтому площадь отливки, имея однозначную связь с усилием смыкания, также часто используется вместо последнего в качестве параметра технической характеристики.

Расстояние между плитами в сомкнутом состоянии (Н, рис. 2); этот параметр имеет и другое название – высота формы. Для различных изделий одной весовой категории размер Н формы в направлении смыкания, зависящий от размера изделия h в этом же направлении, может быть различным. По этой причине расстояние между подвижной 4 и неподвижной 5 плитами в сомкнутом состоянии выполняется бесступенчато регулируемым в диапазоне от H_min до H_max; именно значения H_min и H_max являются числовым выражением параметра характеристики «высота формы».

Ход подвижной плиты. Ход подвижной плиты S должен быть достаточным, чтобы в образовавшийся между полуформами 2 и 3 разъём t могло беспрепятственно выпасть отформованное изделие 1 с высотой h. В качестве параметра технической характеристики выступает максимальное для данного типоразмера значение хода S.

Ход выталкивателя. При механическом приводе системы выталкивания изделия (рис. 2) элемент 6 этой системы в процессе раскрытия формы входит в контакт с неподвижным упором 7 и останавливается вместе со всеми элементами 8, 9 системы и изделием 10, в то время как подвижная полуформа 2 продолжает перемещаться на некоторое расстояние v, в результате чего изделие сталкивается с подвижной полуформы. Позиция упора 7 регулируема в осевом направлении, т. к. ход v системы выталкивания не одинаков у различных форм.

При гидравлическом приводе вместо упора 7 установлен гидроцилиндр, шток которого приводит в движение элемент 6 системы выталкивания, после того как форма полностью раскроется. Максимальный ход его является параметром технической характеристики, определяя максимально допустимую величину v у литьевых форм для машины данного типоразмера.

Расстояние между колоннами в свету (горизонтальное и вертикальное). При установке формы на машину её заводят в пространство между плитами, как правило, опуская с помощью кран-балки между верхними колоннами 11 и 12. Однако, возможна установка формы горизонтальным смещением её между колоннами 11 и 13. Очевидно, что размеры в и г, являясь одним из параметров характеристики машины, определяют максимально допустимые габаритные размеры формы.

Давление литья – это максимальное давление, которое способен создавать червяк в дозе расплава на стадиях впрыска и выдержки под давлением. На стадии впрыска это давление должно быть достаточным для того, чтобы заполнять расплавом с требуемой, технологически обоснованной скоростью оформляющие полости форм, имеющие наибольшее гидравлическое сопротивление. На стадии выдержки под давлением это давление должно быть достаточным, чтобы исключить дефекты, связанные с недостаточностью «подпитки» оформляющей полости расплавом: утяжины на поверхности, раковины в теле изделия и т.п. Однозначного мнения о достаточной величине этого давления нет, поэтому выпускаются литьевые машины с давлением литья от 60 до 180 МПа.

Скорость впрыска (или объёмная скорость впрыска) это максимальное значение расхода, с которым червяк может заполнять форму расплавом дозы при своём осевом перемещении. Скорость впрыска должна быть достаточной, чтобы расплав не успевал значительно охладиться, контактируя с холодными стенками полости формы в процессе её заполнения. Наряду со скоростью впрыска оперируют эквивалентным ему по смыслу параметром «время впрыска», которое равно частному от деления объёма впрыска на скорость впрыска. Чем меньше толщина стенки формуемого изделия (толщина стенки хорошо коррелирует для большинства изделий с их массой), тем интенсивней охлаждение расплава при заполнении формы, тем, соответственно, меньшим должно быть время впрыска. Время впрыска у современных машин лежит в диапазоне от сотых долей секунды (машины с объёмом впрыска около 1см³) до 10 и более секунд (объём впрыска 30000см³ и более).

Пластикационная производительность – это максимальная (объёмная или массовая) производительность, с которой червяк, вращаясь, накапливает дозу расплава. Производительность червяка зависима от его геометрических параметров, частоты вращения и типа нагреваемого (пластицируемого) материала. Под пластикационной производительностью конкретной машины понимают ту производительность, которая достигается на термопластах типа полистирола при максимальной частоте вращения червяка. Последняя у современных машин лежит в диапазоне от 200 до 400 об/мин.

Быстроходность литьевой машины оценивают временем холостого цикла (или количеством холостых циклов в единицу времени). Время холостого цикла – это время цикла, который выполняется при максимальных значениях скорости и хода подвижной плиты и равных нулю технологических временах выдержки под давлением и на охлаждении, а также времени набора дозы. Этот параметр, существенно влияя на реальную производительность машины, является одной из важных характеристик степени технического совершенства её.

Установочные размеры – это, прежде всего, диаметр отверстий D в плитах, которые обеспечивают центровку формы по оси О-О машины и сетка межцентровых расстояний K_i резьбовых отверстий для крепления полуформ к плитам. В соответствии с европейским стандартом, который начали применять практически все изготовители машин, принят шаг K_i между соседними отверстиями, равным 70 мм.