Меню

Шнек для литья под давлением

Как правильно выбрать шнек для ТПА?

Формирование пластмасс методом литья пластмасс под давлением подразумевает наличие надежной подачи разогретой полимерной смеси к формующей части (пресс-форме). Наличие сильных адгезивных свойств пластика не позволяет использовать простые материалы для изготовления рабочих поверхностей. Каждому химическому составу соответствует определенный шнек, дающий возможность выполнять работу правильно, без сбоев, простоев и заводского брака.

Подбор среди фирменных запчастей производителя не всегда возможен. Часто сменные шнеки выпускают сторонние фабрики, поэтому необходимо уметь разбираться в базовых характеристиках и показателях. Основным материалом для производства является конструкционная азотированная сталь, способная выдерживать высокие температуры. Возможно применение различных полимерных покрытий, снижающих адгезию к горячему пластику. Это позволяет легко очистить механизм подачи в случае необходимости.

Базовые характеристики шнеков для ТПА

У шнековой подачи существует ряд показателей, влияющих на общий процесс формования получаемой на выходе продукции. Необходимо обратить внимание на следующие из них при выборе подходящей модели:

  • Геометрические параметры. Они являются строго соблюдаемыми для всех разновидностей ТПА. Точных стандартов не существует, есть лишь подходящие типоразмеры.
  • Материал стержня (центральной части). От его прочности напрямую зависит создаваемое усилие.
  • Степень сжатия. Эта характеристика строго предопределена для каждого полимера. Превышение приводит к крошению гранул и нарушению однородности, а при понижении возможно заклинивание системы или образование пустот.
  • Количество заходов винта. Обычно используется не более трёх рядов. Увеличение числа приводит к снижению скорости работы, уменьшению захватываемого объёма, но при этом вырастает точность. Фактически получается ламинарный поток мелкодисперсных частиц.
  • Наличие диспергирующей зоны. Это позволяет обрабатывать сырье низкого качества, оптимизируя неравномерную смесь.

Это наиболее важные показатели, но можно подбирать шнеки и с опорой на прочие особенности.

Подбор исходя из поставленной задачи

  • Снижение диаметра шнека ускоряет скорость подачи, но сильно увеличивает давление на рабочие части. Но, например, для литья PET главное требование – высокий L\D (соотношение длинны шнека к диаметру).
  • Добиться ускорения можно при помощи увеличения количества подаваемого материала. Если скорость застывания позволяет, то это можно проделать при помощи увеличенного диаметра нарезов шнека.
  • Высокая скорость впрыска нужна для производства тонкостенных деталей из быстро остывающего пластика. В качестве примера можно привести одноразовую посуду. Если деталь имеет множественные плоскости, направленные под различными углами, то проще увеличить давление, чтобы все части формы были заполнены равномерно.
  • Для подачи гранул используются модели с увеличенным шагом, а готовый расплав проще захватывать при помощи более глубокой нарезки. Взаимное изменение этих параметров позволяет варьировать размерами гранул и вязкостью расплавленной пластической массы. В данном случае существуют универсальные модели, предназначенные для широкого круга задач, но их использование возможно только при диапазоне допустимых температурных значений. Например, при переработке вторсырья.
  • Если литьё под давлением происходит при наличии газа или с его образованием в процессе плавления, то шнек должен иметь так называемый зоны дегазации. Они отводят газообразную среду в вентиляционную систему. Это не только позволяет лучше контролировать технологический процесс, но и соблюдать меры безопасности для сотрудников предприятий.
  • Наличие смесителя в конструкции автоматически подразумевает создание более точных деталей. Это необходимо при литье автомобильной пластмассы, шестерен, гаек и прочих крепежных элементов.
  • Защита поверхности необходима при литьевых работах с пластмассами, образующими различные агрессивные субстанции. Для этого применяется азотирование или керамическое напыление.
  • Для работы с термореактивными пластиками используются только специализированные шнеки, способные выдерживать большие нагрузки при воздействии высоких температур. Их изготавливают из жаропрочных стальных сплавов.
  • При переработке вторичных материалов и пластических масс с высокой степенью минерализации возможно применение биметаллических шнеков. У них имеется конструкционная и функциональная часть. Внутренний стержень обладает повышенной прочностью, а наружная оболочка с винтом эффективно противостоит химической коррозии.

Регулировать скорость подачи и давление можно не только при помощи шнека. Смена сопла также позволит изменить данные характеристики до нужных значений.

Вместо заключения

Наличие большого количества шнеков различного размера в арсенале предприятия при достаточном уровне подготовки квалифицированного персонала позволит существенно разнообразить ассортимент выпускаемой продукции. Умелое оперирование рабочими параметрами полностью исключает заводской брак и позволяет продлить ресурс литьевой машины и термопластавтомата.

Помимо использования различных шнеков для производства, должен быть запас этих деталей на случай выхода из строя и срочной наладки производственной линии. Рекомендуется использовать только фирменную продукцию, что позволит добиться решения поставленных задач без простоев.

Источник

Основные стадии процесса литья под давлением

Процесс литья под давлением является циклическим Цикл состоит из следующих стадий загрузка сырья в пластикационный цилиндр литьевой машины и подготовка расплава (пластикация), смыкание формы, заполнение формы расплавом, выдержка под давлением в форме, выдержка без давления в форме, раскрытие формы и извлечение изделия.

Загрузка сырья проводится через загрузочный бункер и окно в цилиндре литьевой машины (рис. 1). В пластикационном цилиндре проводятся нагрев материала до перехода в вязкотекучее состояние, уплотнение и гомогенизация расплава. Под гомогенизацией понимается перемешивание, приводящее к равномерному распределению температуры по массе, что обеспечивает равномерную плотность и вязкость расплава. Условия пластикации не должны приводить к заметной деструкции материала.

Необходимая температура расплава создается за счет двух источников тепла внешнего обогрева цилиндра и перехода в тепло работы сил трения, возникающих при деформировании материала вращающимся шнеком. Температура расплава должна обеспечивать необходимую вязкость для заполнения формы, но при этом не должна протекать деструкция материала. Обычно вязкость расплава, необходимая для литья под давлением, достигается у аморфных полимеров при тем­пературе на 100—150° С выше температуры стеклования, а у кристаллических полимеров, как правило, при температурах, на несколько градусов превышающих температуру плавления. Макси­мально возможной является тем­пература расплава на 30—40° С ниже, чем температура деструкции. Чем выше вязкость расплава материала, тем больше разница между температурой деструкции и предельной температурой расплава, так как процесс пластикации вызывает дополнительный прогрев.

Читайте также:  Возрастные уровни кровяного давления

Рис. 4. Влияние температуры на термостабильность tтc расплава ПК и СФД

Примерные данные о температурных интервалах литья под давле­нием термопластов приведены в табл. 1. Разница между температурой нагревателей по зонам пластикационного цилиндра обычно составляет 10—20° увеличиваясь от зоны загрузки к соплу. Для низковязких материалов температура сопла устанавливается ниже, чем в зоне дозирования, чтобы предотвратить вытекание расплава. Поскольку с ростом температуры снижается термостабильность расплава (рис. 4), то необходимо учитывать, что продолжительность пребывания материала в пластикационном цилиндре не должна быть больше времени термостабильности расплава при данной температуре.

Таблица 1. Температурные интервалы литья под давлением термопластов (в °С)

Полимер

Температура стеклования или плавления

Термо-
стойкость

Теоретический интервал переработки

Температура разложения при литье

Практический интервал переработки

ПС

100

310

100-310

280

170-250

ПВХ

87

170

87-170

170-190

ПММА

105

280

105-280

280

180-240

ПК

150

380

150-380

343

270-320

ПЭВП

136

320

136-320

296

220-280

ПП

176

300

176-300

278

200-300

ПА-6

255

360

225-360

303

230-290

ПА-6,6

255

360

255-360

315

260-280

ПЭТФ

255

380

255-380

300

260-280

Нагнетаемый шнеком расплав при закрытом сопле накапливается в зоне дозирования, и за счет развивающегося в материале давления шнек перемещается назад Скорость отхода шнека регулируется путем создания в гидроцилиндре узла впрыска противодавления. Чем больше противодавление, тем выше плотность расплава и более однородна его температура. Кроме того, с ростом противодавления увеличивается нагрев материала в зоне дозирования за счет сдвиговых деформаций. Однако с ростом противодавления уменьшается пластикационная производительность литьевой машины, т. е. уменьшается количество материала, переводимого в расплав в единицу времени.

Если пластикационная производительность литьевой машины невелика, то за счет увеличения времени подготовки новой дозы расплава приходится увеличивать время пребывания отливки в форме, что снижает производительность оборудования.

Заполнение формы расплавом (впрыск) начинается после подготовки необходимой дозы расплава и смыкания формы. Под действием усилия, развивающегося в гидроцилиндре узла впрыска, шнек движется вперед и через сопло и литниковую систему подает расплав в формующую полость Создаваемое наконечником шнека давление затрачивается на вязкое течение расплава и входовые эффекты, обусловленные вязкоупругими свойствами расплавов полимеров Поэтому давление в форме существенно ниже, чем давление, развиваемое шнеком.

Температура расплава, поступающего в форму при впрыске (Трв), выше, чем температура в сопле (Тспл) из-за диссипации энергии вязкого течения. Степень перегрева пропорциональна сумме перепадов давлений в каналах сопла и литниковой системы, обратно пропорциональна теплоемкости (ср) и плотности расплава (rр):

В формующей полости давление снижается по мере удаления от места впуска расплава. На рис. 5 показано изменение давления на входе в формующую полость и в точке, максимально удаленной от впуска, в течение цикла литья. Обе кривые имеют одинаковый характер, однако давление в конце формующей полости создается только после ее заполнения, поэтому на кривой2 т. а2 совпадает с т. b2. Давление, возникающее при течении полимера в полости формы, расходуется лишь на преодоление сопротивления при его течении. Разность между давлением в начале формы Р1 и в конце формующей полости определяет величину потерь давления в форме при ее заполнении.

Рис. 5. Изменение давления на входе в формующую полость (7) и у ее дальней стенки (2) в течение цикла литья под давлением термопласта.
Пояснения в тексте

На начальном участке кривой 1 в период времени t1 (участок а1b1) давление в форме на входе увеличивается по мере поступления расплава в формующую полость. К моменту b расплав достигает конца формующей полости, и там также начинается рост давления. Но на участке bc скорость роста давления существенно выше, так как происходит уплотнение расплава, продолжающееся до тех пор, пока давление в гидроцилиндре узла впрыска не достигнет заданного значения Рл (точка с).

Заполнение формы может характеризоваться двумя режимами: режим постоянной скорости течения и увеличивающегося давления на входе в сопло и режим убывающей скорости течения.

На рис. 6 приведена зависимость давления на входе в сопло Рспл (1), давления на входе в форму Ρф (2) и объемной скорости течения Q (3) от времени. Первоначально расплав течет с постоянной объемной скоростью (кривая 3), при этом давление на входе в сопло и в форму растет, что соответствует первому режиму (участок I). По достижении в сопле максимального давления Рспл max , определяемого величиной Рл, объемная скорость течения начинает уменьшаться, так как увеличивается длина течения при постоянном перепаде давлений, наступает второй режим — режим постоянного давления на входе в сопло и убывающей скорости течения (участок II). В этом режиме давление на входе в форму постоянно растет за счет снижения потерь давления в сопле и в литниковой системе, так как скорость течения в них уменьшается. В режиме Q=const заполнение формы идет за счет перепада давлений по длине формы. Расплав заполняет свободную часть формы.

Рис. 6. Зависимость давления на входе в сопло Pспл (1), давления на входе в форму Ρф (2), объемной скорости течения Q (3) и длины затекания расплава в форму L (4) от времени:

I — режим постоянной объемной скорости течения; II — режим постоянного давления на входе в сопло

Рис. 7. Схема формирования пристенного слоя при заполнении формы расплавом: I — сопло, 2 — литниковая втулка, 3 — форма, 4 — пристенный слой полимера, 5 — фронт течения расплава

Движение расплава термопласта в полости формы сопровождается охлаждением расплава при соприкосновении со стенкой, так как температура его выше, чем температура формы. На стенках формы образуется канал с толщиной стенок δ из высоковязкого неподвижного материала (рис.7). Внутри этого канала течет расплав. По мере заполнения толщина пристенного слоя в ранее заполненной части формы постоянно возрастает. В режиме P=const неподвижный слой имеет большую толщину, чем при заполнении в режиме Q=const, но в обоих случаях вблизи литника толщина пристенного слоя мало меняется по мере поступления расплава, так как температура расплава на входе в форму высокая. Характер движения расплава по формующей полости связан с конструкцией формы При литье плоских изделий с постоянной толщиной через литник, лежащий в плоскости формы, заполнение идет последовательным движением расплава по уровням, равноудаленным от литника (рис. 8). Искажение концентрической формы окружностей на противоположном от впуска конце формующей полости связано с влиянием стенок на распределение скоростей в потоке. При заполнении формы поток перемещается последовательным растягиванием фронтальной пленки (рис. 18.9) и продвижением новых порций вдоль неподвижных слоев уже застывшего полимера на стенке формы. Скорость частиц в центре (точка К) потока полимера выше, чем скорость его фронта. Частицы полимера входят в форму с большей скоростью, чем движется фронт потока. При приближении к фронту потока скорость частиц, движущихся параллельно общему направлению течения, постепенно снижается, а при достижении фронта становится равной его скорости. Частица смещается по линии фронта к стенке формы; соприкасаясь с ней, затормаживается и некоторое время скользит вдоль стенки, увлекаемая движением вышележащих слоев. По-видимому, этот эффект и приводит к ориентации пристенного слоя в направлении заполнения формы расплавом. Продвижение фронта потока по форме сопровождается нарастанием давления на тех участках формы, которые поток прошел, что приводит к разглаживанию волн, образовавшихся на поверхности. Если скорость заполнения формы мала, то поверхностные слои могут охладиться до того, как волны разгладятся, и на поверхности изделия останутся их следы.

Рис. 8. Схема перемещения фронта потока при заполнении формы типа «диск»

Если толщина впуска литникового канала намного меньше толщины изделия (точечные впуски), то процесс заполнения идет с высокой скоростью, и расплав полимера поступает в полость формы в виде отдельной непрерывной струи, которая, хаотически пульсируя, продвигается вперед (рис. 10). Поверхность струи похожа на поверхность экструдата, выдавливаемого из капиллярного вискозиметра при высоких скоростях сдвига. Струйное заполнение формы отражается на качестве поверхности изделия и на его свойствах: плохая свариваемость струи с последующим потоком расплава приводит к образованию поверхностных дефектов и непрочных мест в изделии. Струйный эффект снижается при увеличении температуры расплава или формы.

Рис. 9. Схема движения полимера при заполнении формы во фронтальном режиме

Рис. 10. Стадии заполнения формы при струйном режиме:

I/ — укладка струи в полости формы; II — уплотнение отрезков струи в полости формы

Если на пути потока расплава встречается препятствие в виде вставки в форму, выступа и т. д., то поток расчленяется на отдельные потоки (рис. 11). При слиянии образовавшихся потоков возникают стыковые швы, прочность которых ниже, чем в монолитном изделии. В процессе заполнения формы температура расплава меняется как по сечению канала, так и по его длине. Процесс имеет неизотермический характер. Это отражается на длине затекания расплава в формующую полость как в режиме постоянного давления на входе в сопло, так и в режиме постоянной скорости течения, если она невелика. Предельная длина течения расплава в форме при постоянном давлении на входе в сопло составляет

где ω — объемная скорость заполнения в начальный момент времени, м/с; В — ширина канала формы, м; Но — высота канала формы, м; n — показатель степени в реологическом уравнении для формуемого материала; θ — определенное время течения расплава, с.

Рис. 11. Изменение скорости течения расплава в форме при обтекании препятствий прямоугольной (а), цилиндрической (б) и ромбовидной (в) формы

Значение θ определяют по формуле

где То, Tф и TT — температуры расплава, формы и текучести материала соответственно, °С; q — теплота плавления материала, кДж/кг; cp— удельная теплоемкость материала. кДж/(кг·град); а — коэффициент температуропроводности материала, м 2 /c.

Масса материала, поступившая в формующую полость формы с начала цикла до завершения выдержки под давлением, не меняется после затвердевания литника. Поэтому плотность и объем готового изделия определяются средней температурой и давлением в полости формы к моменту завершения выдержки под давлением. Соотношение между плотностью (удельная объемом), температурой и давлением для расплава полимера описывается уравнением состояния расплава Спенсера—Джилмора, являющегося видоизмененным уравнением Ван-дер-Ваальса:

где n — удельный объем полимера при T и P м 3 /кг; Ρ—давление, МПа; T — температура. К; R — универсальная газовая постоянная [R=8,29 кДж/(моль·К)], M — молекулярная масса структурного звена полимера, кг/моль; ω — объем, занимаемый собственно молекулами полимера, м 3 /кг, p — внутреннее давление, МПа.

Экспериментально определенные значения констант π и ω полимеров в расплаве приведены в табл. 2. Уравнение состояния позволяет рассчитать среднюю температуру расплава в формующей полости в зависимости от давления в ней в период выдержки под давлением и с учетом этого — время выдержки под давлением, необходимое для застывания литника. Температура расплава в форме Трф составит

где β — коэффициент сжимаемости расплава, МПа -1 ; Ср — удельная теплоемкость расплава, кДж/(кг· град): T1 и T2 — температура расплава перед входом в сопло и в формующей полости после впрыска. К; Рф — среднее давление в полости формы на стадии подпитки, МПа; R, ω, π, Μ — константы материала.

Таблица 2. Значения постоянных в уравнении состояния (4)

Термопласт

p, МПа

w·10 3 ,м 3 /кг

(R/M)·10 2 ,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

0,620

19,7

ПА-12

71,7

0,78

4,21

ПА-6

150

0,722

7,33

Сополимер формальдегида

566

0,599

29,7

Выдержка под давлением. Время выдержки под давлением (включающее в себя и время заполнения формы) для цилиндрического впускного литника можно рассчитать по формуле

для прямоугольного впускного литника — по формуле

и для центрального впускного литника с радиусом большим, чем половина толщины изделия, — по формуле

где r, δ, A, S — размеры впускных литников, м (м 2 ); TТ — температура текучести (или плавления). К; Тф — температура формы. К; Кл — коэффициент, учитывающий течение расплава во время подпитки: Кл=ξDVIVл [здесь DV — объем расплава, нагнетаемый в форму при выдержке под давлением, м 3 ; Vл — объем впускного литника, м 3 ; ξ — коэффициент формы для литника (для цилиндрического ξ=2, для щелевого и кольцевого ξ=1.5)].

Охлаждение без давления завершает процесс формирования структуры изделия в форме (см. рис. 5, участок eg). На этой стадии скорость охлаждения выше, чем в период выдержки под давлением. Причем чем длительнее выдержка под давлением, тем меньше разница в скорости охлаждения на последней стадии. Давление в форме на участке eg также падает более интенсивно, так как процесс тепловой усадки уже не компенсируется новыми порциями расплава, но к моменту раскрытия формы и извлечения охлажденного изделия в форме сохраняется сравнительно большое остаточное давление.

Рис. 12. Диаграмма «давление Ρф — время t» при разной продолжительности выдержки полимера в форме под давлением. Пояснения в тексте

Если продолжительность выдержки под давлением сократить до времени t2 меньшего, чем время затвердевания литника t3 (рис. 12, кривая 2), то произойдет вытекание расплава из формующей полости через незатвердевший литник. Давление резко снижается до такого значения Р2 при котором прекращается истечение полимера из формы (т. K-z). Значение Ρ зависит от средней температуры в объеме полимера, достигнутой к моменту отвода сопла от литника. Дальнейшее охлаждение происходит без изменения массы изделия, и давление изменяется только за счет понижения температуры (кривая 3). При этом в форме к моменту раскрытия сохраняется меньшее остаточное давление Р5, чем при длительной выдержке под давлением (t3 и Р4 соответственно) Если продолжительность выдержки составит t1

где Т, Tф, ТИ — температуры расплава, формы и изделия соответственно в момент съема, К, δ — толщина охлаждаемого изделия, м (для плоского изделия δ=h, для цилиндрического δ=r), А и С — коэффициенты, определяемые формой изделия (для плоского изделия A=1,27 и С=p 2 , для цилиндра A=1,6 и С=5,76).

Время охлаждения может быть определено и графоаналитическим методом по значению критерия Фурье и средней относительной температуре Θ.

Продолжительность охлаждения без давления определяет уровень остаточного давления в форме Рост. Если величина Рост превышает прочность материала в момент съема изделия с температурой ТИ, то при раскрытии формы может произойти деформация (и даже поломка) изделия.

Источник

Adblock
detector