РАСЧЕТЫ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ОПЕРАЦИЙ ПРОЦЕССА термоформования пластмасс. РАСЧЕТЫ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ОПЕРАЦИЙ ПРОЦЕССА термоформования пластм. Практическая работа 1 расчеты технологических операций процесса термоформования пластмасс цель работы
Скачать 488.5 Kb.
|
Раздел должен содержать основные определения, принципиальную схему процесса термоформования, основные параметры процесса. Практическая часть. Раздел должен содержать решение предложенных задач. Контрольные вопросы Какие полимеры перерабатывают методом термоформования? Какими методами могут изготовляться изделия из листовых термопластов? В чем преимущество пневмоформования? В чем отличие однопозиционной машины для термоформования от многопозиционной? Какими методами осуществляется вакуум-формование? В чем их отличие? Какое свойство термопластичного листового материала используется при термоформовании? Из каких технологических операций может состоять процесс термоформования? Как определяют усадку листа на практике? 9 . Какие нагреватели применяют в процессе термоформования? Библиографический список 1. Энциклопедия полимеров. В 3-х томах. М.: Советская энциклопедия, 1972. Т.1. 1224 с.; Т.2. 1032 с.; Т.3. 1150 с. Швецов Г.А., Алимова Д.У., Барышникова М.Д. Технология переработки пластических масс. М.: Химия, 1988. 512 с. Шембель А.С. Антипина О.М. Сборник задач и проблемных ситуаций по технологии переработки пластмасс. Л.: Химия, 1990. 272 с. ____________________________ Практическая работа № 2 РАСЧЕТ ОСНОВНЫХ ПАРАМЕТРОВ ПРОЦЕССА ПЕРЕРАБОТКИ ПЛАСТМАСС МЕТОДОМ ЛИТЬЯ ПОД ДАВЛЕНИЕМ Цель работы Приобретение навыков технологических расчетов процесса производства изделий из пластмасс методом литья под давлением. 1. Общие определения Процесс изготовления изделий литьем под давлением заключается в доведении пластмассы до вязкотекучего состояния (когда она приобретает способность пластически деформироваться, то есть течь в каналах сопла литниковой системы и принимать форму формующей полости) в пластикационном цилиндре машины, а также в последующем перемещении или впрыске под действием внешнего давления расплава в охлаждаемую форму при переработке термопластов и в обогреваемую форму при переработке реактопластов, в которой материал приобретает требуемую конфигурацию и затвердевает (в случае реактопластов – отверждается), окончательно фиксируя форму изделия. Температура цилиндра и формы регулируются и изменяются в зависимости от свойств перерабатываемой пластмассы и режима переработки, обеспечивающего формование изделий с требуемыми служебными свойствами. Литьем под давлением изготавливают изделия из термопластичных и термореактивных пластмасс разнообразной конфигурации и ассортимента, различающиеся по массе от десятых долей грамма до многих десятков килограмм, по толщине стенки – от десятых долей миллиметра до нескольких десятков сантиметров, причем изделия имеют высокую точность и стабильность размеров. Вследствие большого ассортимента перерабатываемых пластмасс, имеющих различные технологические, физические и химические свойства литьевые машины выпускают универсальными по параметрам для изготовления разнообразных изделий и специализированными по конструкциям для переработки разных пластмасс. Универсальность машин по параметрам достигается широкой гаммой типоразмеров, каждый из которых предназначен для изготовления определенного ассортимента изделий по массе и размерам. Специализация литьевых машин по пластмассам достигается различными конструкциями отдельных узлов: цилиндра, шнека и его наконечника, формующей оснастки, а также оснащением машины: устройствами для осуществления дополнительных режимов работы и вспомогательным оборудованием при переработке определенных групп пластмасс. При большом объеме выпуска осуществляется также специализация литьевых машин по изготавливаемым изделиям (например, имеются специальные литьевые машины для изготовления авторучек, бутылок, флаконов, обуви и т.д.). Литье под давлением – это циклический процесс, в котором технологические операции выполняются в строгой последовательности, что позволяет применить систему автоматического управления технологическим процессом литья с обратной связью, дает возможность использовать компьютер для обеспечения практической реализации различных режимов литья, повышения точности и стабилизации качества изготавливаемых изделий, осуществить дистанционное управление процессом. Увеличение объема потребления изделий из пластмасс во всех отраслях народного хозяйства требует повышения производительности литьевых машин, увеличения их быстроходности, интенсификации процесса литья, применения многопозиционных машин. При отработке технологического процесса литья под давлением изделия стремятся достичь наименьшей продолжительности цикла, то есть получить большую производительность от литьевой машины, а также изготовить более плотное изделие, так как бóльшая масса изделия говорит об отсутствии раковин, пустот в стенках изделий, то есть обеспечивает высокое качество. При литье под давлением идут процессы пластикации и формования. Процесс пластикации осуществляется в нагревательном (пластикационном) цилиндре. При этом пластмасса переходит из твердого в вязкотекучее сотояние, реологические свойства которого обеспечивают ей легкое формование и образование структуры, придающей изделию хорошие эксплуатационные свойства. В процессе пластикации необходимо обеспечить требуемую температуру расплава при максимальной однородности по объему, а также минимальное содержание деструктированного материала в подготовленной для формования порции расплава. При пластикации пластмасс идут процессы нагревания, плавления, изменения объема пластмассы под воздействием температуры (тепловое расширение), сжатие расплава и уплотнение гранул, сдвиговые деформации. Могут протекать также процессы деструкции. Процессы пластикации определяются, в основном, теплофизическими свойствами пластмасс: теплопроводностью, удельной теплоемкостью, температурами плавления и разложения, объемным расширением и сжатием, насыпной плотностью и гранулометрическим составом. Температура пластмассы, поступающей на формование, определяет реологические свойства расплава, от которых зависит формирование структуры пластмассы и формование самого изделия. При формовании изделия протекают физико-химические процессы: стеклование, кристаллизация кристаллизующихся полимеров и формирование надмолекулярной структуры пластмасс, которая определяет эксплуатационные свойства изделий. Процесс формования отливки происходит в очень короткое время. Расплав впрыскивается в форму с очень большой скоростью, иногда долетая до задней стенки, и уже оттуда начинает заполнять формующую полость. Течение расплава в каналах с большой скоростью приводит к дополнительному разогреву его и значительной ориентации макромолекул полимера. Очень быстрое двухстороннее охлаждение термопластичного расплава в форме приводит к уменьшению объема, а так как полимер охлаждается снаружи, то образующаяся на поверхности твердая корка пластмассы препятствует дальнейшему уменьшению объема, вследствие чего возможно появление утяжин. Так как литьем часто изготавливают изделия сложной конфигурации, то возникает трудность в обеспечении равномерного охлаждения всех элементов изделия. Поэтому релаксационные процессы в некоторых элементах изделия могут завершаться на разных уровнях, а после охлаждения останутся остаточные напряжения, которые вызовут коробление изделий, появление трещин, общее снижение прочности. Процессы, происходящие при формовании, определяют особенности макроструктуры детали, а значит, и все его свойства. Пластмассовые детали, изготавливаемые литьем под давлением, характеризуются сложной слоевой микроструктурой, которую называют топографией. Стенка литьевой детали в общем случае как бы состоит из трех слоев: поверхностного, среднего и внутреннего. Поэтому физико-механические свойства термопластов в литьевых изделиях, а также эксплуатационные свойства изделий практически полностью определяются этой слоевой микроструктурой, образовавшейся при охлаждении расплава в форме. Проблема получения изделия с заданными свойствами сводится в основном к изготовлению деталей со стабильной оптимальной надмолекулярной структурой пластмассы. При формировании надмолекулярной структуры протекают сложные физические процессы: деформирование пластмасс и ориентация молекулярных цепей в направлении течения расплава, релаксационные процессы высокоэластической деформации и ориентации макромолекул после заполнения формы расплавом, изменение объема пластмасс при изменении температуры и давления. Процессы формирования надмолекулярной структуры зависят от фундаментальных свойств перерабатываемых пластмасс: молекулярного строения, межмолекулярного взаимодействия, гибкости макромолекул, а также от реологических и теплофизических свойств. На процессы формирования структуры существенное влияние оказывают параметры формования изделий: температура расплава и формы, давление, скорость и напряжение сдвига при течении, скорость охлаждения изделия. Процессы формования определяют основные параметры литьевых машин: давление литья, усилие запирания формы, пластикационная производительность, быстроходность. 2. Расчет оптимального удельного объема и плотности изделий Масса изделия, его плотность могут быть повышены увеличением давления формования, а также за счет снижения температуры впрыскиваемого материала. При повышении температуры переработки расплав будет расширяться и, следовательно, при впрыске в форму займет больше места, а значит, изделие будет получаться менее плотным. Зависимость между давлением, температурой и удельным объемом (величиной, обратной плотности) на стадии формования и уплотнения расплава полимера может быть выражена видоизмененным уравнением Ван-дер-Ваальса: (Р + π) (1/ρ – ω) = 10-3 R'Т . (23) (Р + π) (v – ω) = 10-3 R'Т. (24) R' = R/М. (25) Здесь Р – давление, МПа; v – удельный объем, м3 / кг; Т – средняя температура, К; ρ – плотность при температуре переработки, кг / м3 ; π – коэффициент, характеризующий силу межмолекулярного взаимодействия, МПа; ω – коэффициент, характеризующий величину пространства, занимаемого молекулами, м3 /кг; R' – коэффициент, характеризующий молекулярную структуру полимера, кДж/(кг·К); R = 8,31 кДж/(кмоль·К) – универсальная газовая постоянная; М – мольная масса структурной единицы полимера, кг/кмоль. Константы уравнения состояния приведены в табл. 3.1. Таблица 3.1. Константы уравнения состояния
Из уравнения Ван-дер-Ваальса следует, что для сохранения постоянной плотности расплава, с повышением его температуры, следует повышать пропорционально давление. При изменении параметров процесса литья под давлением масса отливаемого изделия может колебаться, и по отклонению от оптимальной массы можно судить о качестве отливаемого изделия. По этому уравнению можно также определить усадку (уменьшение объема) материала в процессе охлаждения, задавшись значениями температуры и давления. Уравнение состояния позволяет рассчитать оптимальный удельный объем и плотность изделия, полученного при оптимальной температуре и давлении, что дает возможность контролировать качество изделия по его массе. Позволяет также определить возможную объемную усадку: v= [10-3 R' T/ (P + π)] + ω . (26) Массу изделия Gи (массу расплава Gр) определяют по формуле: Gи = Gр = vф/ v, (27) где vф – объём формы, м3; v – удельный объём, м3/кг. 3. Расчет давления, действующего на материал Давление, действующее на материал в форме, вследствие непрерывных потерь на отдельных стадиях процесса (в цилиндре, сопле, литниковых каналах), ниже давления, создаваемого первоначально шнеком. Давление в форме обеспечивается давлением в гидросистеме машины Рг с учетом потерь давления в цилиндре и сопле. Давление литья Рл (МПа) вычисляют по формуле: Рл = РгDц2/d2ш, (28) где Рг давление рабочей жидкости в гидроцилиндре по манометру, МПа; Dц – диаметр гидроцилиндра, м; dш диаметр шнека, м. Учитывая потери давления: Рл = Рм + ∆Рм, (29) где Рм – давление впрыска, МПа. Потери давления в пластикационном цилиндре могут быть с достаточной точностью подсчитаны по формуле: Рц = аРл + b(v/ vмакс – 0,32) + с, (30) где Рц – потери давления в пластикационном цилиндре, МПа; Рл давление на материал в цилиндре, МПа; v – объем отливаемого изделия, м3; vмакс – максимально возможный объем отливки на данной машине, м3; a, b, c – коэффициенты, зависящие от перерабатываемого материала, значения которых приведены в табл. 3.2. Таблица 3.2. Значения коэффициентов в уравнении (30)
Давление литья необходимо для заполнения литниковой системы и формы, оно влияет на качество изделий. Рл устанавливают в гидроприводе литьевой машины. На современных литьевых машинах Рл = 60 ÷ 200 МПа. Расчет времени цикла литья под давлением Расчет продолжительности цикла (τц) литья под давлением изделий и пластикационной способности (qпл) литьевой машины проводят следующим образом: τц = τм + τт + τп, (31) τт = τвыд + τохл.б/д , (32) где τм – машинное время, с; τт технологическое время, с; τп продолжительность паузы, c; τвыд продолжительность выдержки полимера в форме под внешним давлением, с; τохл.б/д продолжительность охлаждения изделия в форме без внешнего давления, с. Технологическое время (τт) показывает продолжительность охлаждения до заданной температуры в центре изделия (Ти), при которой возможно извлечение готового изделия. Расчет технологического времени зависит от соотношения ширины изделия (В) к толщине стенки изделия (h): В/ h = f. При f> 2,5 для плоского изделия: τт = ln [ 1,27 ( Тм – Тф ) / ( Ти – Тф) ] h / π2 . a); (33) при f 2,5 для плоского изделия: τт = ln [ 1,27 ( Тм – Тф ) / ( Ти – Тф) ] h2f2/[ π2 . a (1 + f2) ] (34) для цилиндрического изделия: τт = ln [1,6 (Тм – Тф ) / ( Ти – Тф ) ] r2/ (5,76 a ). (35) Здесь В – ширина изделия, мм; h – толщина стенки изделия, мм; r – толщина стенки цилиндрического изделия, мм; Тм – температура впрыскиваемого в формующую полость материала, оС; Тф – температура формы, оС; Ти Тф + (10 ÷ 30 ) – для тонкостенных изделий ( h 3 мм ), Ти = Тф + 50 – для толстостенных изделий ( h 5 мм ); a коэффициент температуропроводности полимерного материала при температуре переработки, м2/с. Машинное время: τм = τсм + τвпр + τразм, (36) где τсм, τразм, τвпр время смыкания, время размыкания формы и время впрыска. Тогда τц = τсм + τвпр + τвыд + τохл.б/д + τразм + τп. (37) Продолжительность пластикации полимера: τпл = τохл. б/д + τсм + τразм. (38) Обозначив C1 = τвыд/ τт и C2 = (τсм + τразм) / τт, и учитывая, что τохл. б/д = τт - τвыд , получим: τпл = τт - τвыд + τсм + τразм = τт – С1 τт+С2 τт = τт(1–С1 + С2), (39) τохл. б/д = τт(1– С1). Пластикационная способность литьевой машины qпл (в кг/час): qп = 3600m/[τт(1 – С1 + С2)] = 3600vρ/[τт(1 – С1 + С2)], (40) где m– масса отливки, кг; v – объем отливки, м3; ρ – плотность полимера, кг/м3. Пластикационной производительностью литьевой машины называют то количество материала (в кг), которое шнек способен непрерывно пластицировать в течение 1 ч: qпл = 3600 vи ρnК΄/ (К τпл ), (41) где vи – объем изделия, м3; ρ – плотность материала, кг/м3, n – число оформляющих гнезд; К΄ - 1,1÷1,3 – коэффициент, учитывающий литниковую систему; К – коэффициент, учитывающий вязкость перерабатываемого материала (для полистирола К = 0,8, для более вязких материалов К = 0,7, для менее вязких К = 0,9). Производительность литьевых машин Q (в кг/ч ) можно рассчитать по формуле: Q = 3,6 mn/τц , (42) где m масса изделия, г; τц время цикла, с; n – число гнезд. Для роторных литьевых машин время цикла: τц = τвпр + τвыд + τпов. + τп , (43) где τвыд – время выдержки материала в форме под внешним давлением, с; τпов. – время перемещения формы в следующую позицию, с; τт = τвыд + τохл. б/д; τпов = 1 /nk, (44) τпов = τохл. б/д / (k– 1) – (τвпр + τвыд + τп) (k – 2) / (k – 1), (45) где τохл. б/д – время охлаждения материала в форме без давления, с; k – число позиций; τп – время пауз между операциями; n – частота вращения ротора. ПРИМЕРЫ РАСЧЕТОВ Пример 1. Определить удельный объем, массу и плотность изделия из ПЭВД при температуре переработки Т = 473 К, давлении 30 МПа. Решение. v= [10-3 · R' T/ (P + π)] + ω. v = [10-3 · 0,297 · 473 / (30 + 324) ] + 0,875 10-3 = 1,27 10-3 м3/кг, ρ = 1/1,27·10-3 = 787 кг/м3, Gи = 50·10-6/1,27·10-3 = 39·10-3кг. Пример 2. Рассчитать давление, создаваемое шнеком при впрыске расплава, если диаметр цилиндра 0,16 м, диаметр шнека 0,036 м, давление рабочей жидкости в гидроцилиндре 5 МПа. Решение. Рл = Рг∙ Dц2/ dш2 = 5∙ 0,162/0,0362 = 98,8 МПа. Пример 3. Рассчитать потери давления в пластикационном цилиндре при переработке ПЭНД, если Рл = 100 МПа, v = 50 ∙10-6 м3, vmax = 63 ∙10-6 м3. Решение. Δ Рц = a Рл + b (v/ vmax – 0,32) + c. 0,143 · 100 + 11,5( 50/63 – 0,32) + 10,0 = 29,7 МПа. Пример 4. Рассчитать производительность литьевой машины. Исходные данные: цилиндрическое изделие из ПЭВД, m = 39,5 ∙10-3 кг, толщина стенки r = 2,5 мм. Температура материала на впрыске у сопла Тм = 200 оС; Тф = 50 оС; Ти = 70 оС, n = 1. Время холостого хода τхол = 7 с; время впрыска τвпр = 1 с; τп = 3 с; a = 1,102 ∙10-6 м2/с. Решение. Q = 3,6 mn/τц. τц = τм + τт + τп. τм = τхол + τвпр. τт = ln [1,6( Тм – Тф ) / ( Ти – Тф )] r2 / (5,76 a). τт = ln [1,6(200 –50 ) / (70 –50 )](2,5·10-3)2 / (5,76· 0,102·10-6) = 26,8 с. τц = 7 + 1 + 3 + 26,8 = 37,8 с; Q = 3,6 39,51 / 37,8 = 3,7 кг/ч. Пример 5. Рассчитать производительность шестипозиционной роторной литьевой машины. Исходные данные: m = 35 г; τвпр = 1,2 с; τт = 46 с; τвыд = 6 с; τохл.б/д = 40 с. Решение. τпов. = τохл.б/д/ (k – 1) – (τвпр + τвыд + τп) ∙ (k – 2) / (k-1) τпов.= 40 / (6 – 1) – (1,2 + 6 +1) (6 – 2) / (6 – 1) = 1,44 с. τц = 1,2 + 6 + 1,44 + 1 = 9,64 с Q= 3,6m/ τц = 3,6 ∙ 35 / 9,64 = 13 кг/ч ЗАДАЧИ Определить м ассу изделия из ПЭНД при температуре переработки Т = 448 К, давлении 35 МПа и при комнатной температуре и атмосферном давлении. Объем формы 58 .10-6м3. Определить плотность изделия из полипропилена (ПП) при температуре переработки 190 оС и давлении 25 МПа. Объем формы 51 .10-6м3. Определить удельный объем и плотность изделия из ПЭВД при комнатной температуре и атмосферном давлении. Объем формы 48·10-6 м3. Используя уравнение Ван-дер-Ваальса, рассчитать давление формования изделия из полипропилена при температуре переработки Т = 460 К, если известно, что плотность расплава составляет 875 кг/м3. Рассчитать удельный объем изделия из полистирола, если известно, что масса изделия составляет 37∙ 10-3 кг. Объем формы 24 ∙ 10-6 м3. Определить плотность изделия из поликорбаната, масса которого составляет 41 ∙10-3 кг. Объем формы 58 ∙10-6 м3. Рассчитать давление, создаваемое шнеком при впрыске расплава, если диаметр цилиндра 0,12 м, диаметр шнека 0,024 м, а давление рабочей жидкости в гидроцилиндре 7 МПа. Определить давление в гидросистеме машины, если давление литья составляет 75 МПа, диаметр гидроцилиндра 0,25 м, dш = 0,08 м. Рассчитать диаметр шнека литьевой машины, если диаметр гидроцилиндра 0,63 м, давление рабочей жидкости в гидроцилиндре составляет 7 МПа, а давление литья 79 МПа. Рассчитать потери давления в пластикационном цилиндре при переработке полипропилена, если давление в цилиндре 97,5 МПа, объем отливаемого изделия 36∙10-6 м3, максимально возможный объем отливки 82∙10-6 м3. Рассчитать потери давления в пластикационном цилиндре при переработке ударопрочного полистирола, если давление в цилиндре 85 МПа, объем отливаемого изделия 43∙10-6 м3, максимально возможный объем отливки на данной машине 60∙10-6 м3. Рассчитать давление на материал в цилиндре при переработке этрола, если известно, что объем изделия 41∙10-6 м3, максимально возможный объем отливки 67∙10-6 м3. Потери давления в пластикационном цилиндре 30 МПа. Рассчитать давление на материал в цилиндре при переработке ПЭНД, если известно, что потери давления в пластикационном цилиндре 15 МПа. Объем отливаемого изделия 50∙10-6 м3, максимально возможный объем отливки 70∙10-6 м3. Рассчитать производительность литьевой машины. Исходные данные: цилиндрическое изделие из полипропилена, m= 50,3 ∙ 10-3 кг, толщина стенки r =1,5 мм. Температура материала на впрыске у сопла Тм = 150 оС; Тф = 45 оС; Ти = 65 оС; число гнёзд n = 1; время холостого хода τхол = 5 с; τвпр = 1 с; τп = 2 с; a = 0,205 ∙ 10-6 м2/с. Рассчитать производительность четырехпозиционной роторной литьевой машины. Исходные данные: m= 53 г; τвпр = 1,6 с; τт = 51 с; τвыд = 7 с;τохл.б/д = 48 с; τп = 1 с. Рассчитать производительность шестипозиционной роторной литьевой машины. Исходные данные: m= 38 г; τвпр = 1,3 с; τт = 48 с; τвыд = 6 с; τохл.б/д = 40 с; τп = 1 с. Используя уравнение Ван-дер-Ваальса, рассчитать давление формования изделия из полиметилметакрилата при температуре переработки Т = 475 К, если известно, что плотность расплава составляет 1010 кг/м3. Определить плотность изделия из полистирола при температуре переработки 180 оС и давлении 30 МПа. Объем формы 56.10-6 м3. СОДЕРЖАНИЕ ОТЧЕТА ПО РАБОТЕ Отчет по работе должен содержать следующие разделы: 1. Цель работы. 2. Теоретические положения. |