Литьевые машины с вибропластикаторами

Периодические импульсы давления создаются вибропоршнем, расположенным внутри неподвижного цилиндра инжекционного узла.

Сравним пластикационную производительность литьевой машины с применением вибрации (ультразвуковые колебания) и без неё.

Перерабатываемый материал – полистирол.

Полистирол (блочный, эмульсионный, ударопрочный и др.) имеет широкий диапазон температур переработки – от 150 до 250º С. В диапазоне рабочих температур полистирол характеризуется большой текучестью, определяющей его хорошие литьевые свойства. Полистирол негигроскопичен и поэтому не требует сушки перед переработкой. Предварительный подогрев материала в бункере до 50-70º С улучшает условия работы машины, повышает ее производительность.

Температура литьевой формы обычно не превышает 20-40º С (но может достигать и 60º С). Для уменьшения внутренних напряжений изделия из ПС можно подвергать термообработке, погружая их в водяную ванну с температурой 65-85º С на 1-3 часа. В результате повышаются эксплуатационные свойства деталей. Усадка изделий из ПС составляет 0, 2-0, 5%.

Расчет интенсифицирующего воздействия УЗ колебаний

Параметры литьевой машины:

Диаметр шнека Dшн = 4, 5см

L/Dшн = 20

L загр: L пл: L доз = 4: 6: 10

Давление литья Р = 40 атм

Частота вращения шнека N = 140 об/мин = 2, 33 об/сек

t = D => φ = arctg t/π D = 17, 75º

Доза впрыска V = L · π D² /4 = 125 см³, отсюда L = 7, 86 см

L доз = 45-7, 86 = 37, 14 см

Ширина гребня шнека e = 0, 1D = 0, 45 см

Диаметр гранул ПС dгр = 3 мм = 0, 3см

Глубина канала в зоне загрузки:

hзагр = 2dгр = 0, 6 см

hзагр = (0, 12 – 0, 16)D,

для шнеков маленьких диаметров глубина зоны загрузки равна 0, 16D, если 2dгр > 0, 16D, то hзагр = 2dгр, и, наоборот.

В нашем случае hзагр = 0, 72 см

Коэффициент сжатия Ксж = 1, 5

Величина кольцевого зазора между гребнем канала винтовой нарезки и стенкой цилиндра δ = 0, 01D = 0, 045 см

Глубина канала в зоне дозирования

hдоз = 0, 5 [D - D² - 4hзагр/ Ксж · (D – hзагр) ] = 0, 45 см

Расчет потоков (при амплитуде А = 0 мкм):

1. Прямой поток:

α = π Dhдоз (t – e) Cos² φ = 11, 68

Qпр = α N = 27, 21 см³ /сек

2. Обратный поток:

β = h³ (t – e)Sin2φ / 24Lдоз = 0, 24 · 10ˉ ³

γ  = π ND/hдоз = 73, 16 сˉ ¹

Пользуясь зависимостью эффективной вязкости от эффективного градиента скорости, определили значение η = 8, 3 · 10ˉ ³ кгс · сек/см²

Qобр = β P/ η = 2, 31 см³ /сек

3. Поток утечек:

γ = π ² D² δ ³ tg φ Sinφ /10eLдоз = 0, 011 · 10ˉ ³

γ  = π ND/ δ = 731, 62 сˉ ¹

Пользуясь зависимостью эффективной вязкости от эффективного градиента скорости, определили значение ή = 1, 8 · 10ˉ ³ кгс · сек/см²

Qут = γ P/ ή = 0, 49 см³ /сек

Общая производительность:

Qобщ = Qпр – Qобр – Qут = 27, 21 – 2, 31 – 0, 49= 24, 41 см³ /сек

Расчет потоков (при амплитуде А = 10 мкм):

Произведем расчет литьевой машины с использованием вибрационной приставки в пластикационном цилиндре.

1. Прямой поток:

α = π Dhдоз (t – e) Cos² φ = 11, 68

Qпр = α N = 27, 21 см³ /сек

2. Обратный поток:

β = h³ (t – e)Sin2φ / 24Lдоз = 0, 24 · 10ˉ ³

γ  = π ND/hдоз = 73, 16 сˉ ¹

Пользуясь зависимостями, характеризующими снижение эффективной вязкости полимера при различных амплитудах ультразвукового воздействия Ак и скоростях сдвига для полистирола, получаем η = 6, 9 · 10ˉ ³ кгс · сек/см²

Давление литья при использовании вибрации снижается на 30% (≈ в 1, 5 раза) и равно 56 атм, тогда

Qобр = β P/ η = 1, 95 см³ /сек

3. Поток утечек:

γ = π ² D² δ ³ tg φ Sinφ /10eLдоз = 0, 011 · 10ˉ ³

γ  = π ND/ δ = 731, 62 сˉ ¹

Пользуясь зависимостями, характеризующими снижение эффективной вязкости полимера при различных амплитудах ультразвукового воздействия Ак и скоростях сдвига для полистирола, получаем η = 1, 3 · 10ˉ ³ кгс · сек/см²

Р = 56 атм

Qут = γ P/ ή = 0, 43 см³ /сек

Общая производительность:

Qобщ = Qпр – Qобр – Qут = 27, 21 – 1, 95 – 0, 43 = 24, 83 см³ /сек

Тогда увеличение производительности инжекционного цилиндра литьевой машины составит:

Δ = ((24, 83 – 24, 41) / 24, 41) · 100% = 1, 7%

Вывод:

Такие машины по сравнению с традиционными (червячными) литьевыми машинами следующие преимущества:

1. За счет реологической нелинейности и вибротиксотропии удается существенно улучшить формуемость полимера, что позволяет:

а) снизить температуру литья на 10-20º С, сократив при этом цикл формования

б) снизить давление литья и, соответственно, уменьшить усилие смыкания формы (в 1, 5-5 раз);

в) формовать высоковязкие композиции (в частности, высокомолекулярный ПЭ, который обычно перерабатывается прессованием);

г) увеличить предельную длину затекания и максимальную площадь отливки;

д) снизить внутренние напряжения в готовых изделиях.

2. Отсутствуют потери давления в инжекционном цилиндре, так как давление прикладывается со стороны формы.

3. Возможна более высокая точность дозирования вследствие практического отсутствия обратного потока в пластикационном цилиндре.

4. В результате виброуплотнения формуемой массы и периодической подпитки формы на стадии охлаждения отливки удается получать плотные, монолитные изделия с четкой конфигурацией, при этом даже весьма толстостенные изделия формуются без пузырей, раковин и утяжин.

Литьевые машины с вибросоплом (литьевые машины с вибропоршневой приставкой, с ультразвуковым соплом, с соплом-виброприставкой крутильно-осциллирующего типа)

Если сопоставить стационарный и вибрационный режимы литья с равными давлениями формования, то обнаруживаются следующие технологические преимущества последнего:

1. Вследствие эффекта реологической нелинейности среднеинтегральная скорость заполнения формы при вибровоздействии возрастает в несколько раз;

2. Вызванные вибровоздействием снижение среднеинтегральной вязкости полимера и увеличение скорости заполнения формы (уменьшение степени охлаждения потока по длине течения) приводят к увеличению в 1, 8-2, 0 раза предельной длины затекания формуемой массы в литьевую полость или в той же степени способствует увеличению критической (максимально допустимой) длины каналов литниковой формы.

3. За счет наложения вибрации можно, не увеличивая давления формования, снизить температуру литья на 20-25º С при сохранении заданной длины затекания;

4. Механические энергозатраты на формование одного изделия в вибрационном режиме в 1, 5-1, 7 раза меньше, чем при традиционном методе литья, при этом энергетический выигрыш не связан с повышением температуры полимера за счет вибровоздействия.

Литьевые машины с вибрирующей формой (литьевые машины с продольной вибрирующей полуформой, с вибрирующей сомкнутой формой, с формой, оснащенной вибропоршнем)

При литье под давлением вибрационное воздействие может сообщаться как всей форме (одновременно обеим полуформам), так и одной из полуформ (или оформляющему элементу формы).

Сравнительный анализ качества изделий

Проанализировать влияние ультразвукового воздействия на расплав полимера в процессе переработки на структуру и свойства изделий можно, сравнив отливки литья под давлением.

Визуальное сравнение отливок, полученных обычным и вибрационным методами, показало, что при формовании в условиях вибровоздействия на поверхности изделий наблюдается ряд регулярных слабозаметных полос, расположенных перпендикулярно направлению течения. С повышением частоты вибровоздействия и температуры расплава эти полосы становятся менее заметными, а при достаточно больших значениях указанных параметров практически исчезают.

Изделия, отлитые в вибрационном режиме, имеют меньшую степень ориентации (меньшую усадку), чем равные им по длине отливки, отформованные в традиционном режиме при той же температуре.

Список литературы:

1. Барамбойм Н.К. Механохимия полимеров. – М.: Химия, 1978. – 364с.

1. Басов Н.И., Любартович С.А., Любартович В.А. Виброформование полимеров. – Л.: Химия, 1979. – 174с.

2. Волков С.В., Черняк Б.Я. Сварка пластмасс ультразвуком. – М.: Химия, 1986. – 282с.

3. Пешковский С.Л. Кандидатская диссертация. – М.: МИХМ, 1972. – 48с.

5. Гуль В.Е., Акутин М.С. Основы переработки пластмасс. – М.: Химия, 1985. – 400с.