Методические указания для подготовки персонала.
Литьевой цех.
Литье пластмасс под давлением Краткий курс.
Общая информация
1.1.Литье под давлением - это самый распространенный способ получения изделий из полимерных материалов. Он применяется как при производстве небольших изделий, например шестеренок для часов, так и для изготовления изделий большого размера (мусорные баки, автомобильные бамперы).В большинстве случаев изготовленные по этой технологии изделия не требуют дополнительной обработки.
Литье под давлением включает в себя пластикацию гранулированного или порошкообразного материала (формовочной массы) и его перемещение под высоким давлением и на высокой скорости в формующую полость литьевой формы, где он затвердевает за счет охлаждения или «сшивки»,что позволяет извлечь готовое изделие из формы. Все стадии изготовления изделий полностью автоматизированы.
1.2.Литьевые машины (Термопластавтоматы, в дальнейшем ТПА) Пластмассовые изделия изготавливают на ТПА. Пластифицированный в ТПА материал впрыскивается в полость литьевой формы непосредственно через литниковый канал формы.
Литьевая машина состоит из трех наиболее важных узлов:
-узел смыкания
-узел впрыска (пластикации)
-станина с системой привода и системой управления
Узел пластикации
Узел пластикации состоит из вращающегося в стационарном обогреваемом цилиндре шнека, который при впрыске подобно поршню смещается в сторону мундштука, а затем в процессе пластикации за счет противодавления расплава полимера возвращается в исходное положение.
Вращательное движение шнека обеспечивается гидравлическим или электрическим двигателем а его осевое перемещение- рабочим поршнем (плунжером) с гидравлическим цилиндром.
Задачи, выполняемые узлом пластикации состоят в следующем:
-Загрузка
Полимерный материал в виде порошка или гранулята поступает в материальный цилиндр через загрузочный бункер.
-Подача
-Далее за счет вращательного движения шнека формовочная масса подается к мундштуку.
-Пластикация
Формовочная масса пластицируется под воздействием тепла ленточных нагревателей и за счет трения.
-Дозировка
Дозировка- набор определенного количества пластифицированного полимерного материала на участке цилиндра перед наконечником шнека. Давление накапливаемого расплава оттесняет шнек по оси назад в сторону загрузочного бункера. После создания требуемой дозы вращение шнека прекращается.
-впрыск(инжекция)
За счет осевого перемещения шнека в направлении мундштука расплав полимера впрыскивается в формующую полость литьевой формы. Во время впрыска шнек действует аналогично поршню.
Все эти процессы следуют один за другим.
1.2.1.1.Узел пластикации является важнейшим конструктивным элементом ТПА.
-Загрузочный бункер, в загрузочном бункере находится полимерный материал, подлежащий переработке, он должен быть сыпучим. Различают гранулированный материал, порошкообразный. Материал, подлежащий вторичной переработке существует в виде гранул, агломерата, дробленых кусочков неправильной формы. Существуют обогреваемые бункера для материалов, которым требуется предварительная подсушка. При переработке эластомеров бункер снабжается уплотняющим устройством. Современные ТПА часто представляют из себя сложные агрегаты, сочетающие в себе все устройства, необходимые для завершения полной технологической цепочки производства пластмассовых изделий методом литья под давлением. К этим устройствам относятся: измельчители пластмасс, используемые для дробления возвратных технологических отходов и литников, сушилки различных типов и конструкций, загрузочные приспособления, смесители, дозаторы. Как правило бункер оборудован смотровым окном, позволяющим контролировать уровень его заполнения и шиберным устройством для ссыпки материала при его замене.
- Материальный цилиндр и ленточные обогреватели. Цилиндр представляет из себя толстостенную стальную трубу. Его температурный режим поддерживается кольцевыми нагревателями. При переработке реактопластов цилиндр используется с двойной стенкой а для его разогрева в качестве теплоносителя используется масло. Для поддержания температуры в заданных пределах используются электронные регуляторы.
-Шнек. Назначение шнека состоит в подаче, пластикации и гомогенизации материала. Наиболее распространенный универсальный шнек для переработки основных видов термопластов представляет собой конструкцию, имеющую три зоны нарезки: загрузки, сжатия и дозирования. Как правило длина шнека приводится как кратное его диаметру D. Длина современных универсальных шнеков составляет 20 D. Подобная длина –это следствие растущих требований, предъявляемых к производительности пластикатора, однородности расплава и износостойкости. Такие шнеки могут обеспечивать достаточную пластикацию практически во всех возможных случаях. Большая длина универсальных шнеков может привести к деструкции материала из-за слишком большого времени выдержки, а также из-за интенсивного механического и термического воздействия. Если требуется особенно интенсивная гомогенизация материала, например при окрашивании материала непосредственно в цилиндре ТПА, используются шнеки со смесительными компонентами. Подобные шнеки используют для переработки полиолефинов. Для переработки гигроскопичных материалов (ПА, ПММА, ПС) используют шнеки с дегазирующей зоной. В этом случае можно обойтись без предварительной подсушки материала, однако падает производительность на 15-20%. Для переработки непластифицированного ПВХ используют шнеки с другим распределением зон и более глубокой нарезкой, причем нарезка продолжается до самого наконечника шнека. При переработке этого материала не рекомендуется использовать обратный клапан.
-Обратный клапан При впрыске обратный клапан предотвращает появление в пластикате появление встречного потока расплава полимера и повышает действенность плунжера. Для переработки термопластов используют обратные клапаны кольцевого типа.
-Мундштук Мундштук представляет собойсоединительноезвено между передней частью материальногоцилиндра и литьевой формой. Крепление мундштука на материальном цилиндре осуществляется резьбовыми устройствами и быстродействующим затвором. Проточный канал мундштука по возможности должен быть обтекаем и плотно прилегать к литьевой головке, для предотвращения вытекания расплава через зазор между мундштуком и литниковой втулкой. Радиус сферы мундштука всегда должен быть меньше радиуса сферы самой литниковой втулки.Кроме того диаметр отверстия мундштука должен быть меньше диаметра отверстия литниковой втулки. Различают мундштуки свободного истечения и мундштуки с клапаном. Последние используются при переработке легкотекучих материалов. Клапаны используются игольчатого и шиберного типа.
Узел смыкания
Задачи, выполняемые узлом смыкания:
*контакт с мундштуком;
*размыкание и смыкание литьевой формы;
*создание усилия, необходимого для удержания литьевой формы в закрытом состоянии;
*извлечение изделия из литьевой формы
Усилие, необходимое для удержания литьевой формы в закрытом состоянии может быть создано механическим способом с помощью коленчато-рычажного или гидравлического механизмов.
В неподвижной и подвижной плитах литьевой формы имеются центровочные углубления для приема центровочных выступов формы. Это обеспечивает точное соединение двух частей формы. Обращенная к мундштуку узла пластикации крепежная плита стационарна, тогда как сопрягаемая с ней плита подвижна.
-Механическая система смыкания.
В этой системе процесс смыкания формы и удержания ее в этом положении осуществляется коленчато-рычажным механизмом, который приводится в движение гидравлически. Когда рычаг распрямлен - форма сомкнута.
-Гидравлическая система смыкания
В этой системе смыкание и размыкание формы осуществляется с помощью внутреннего гидравлического цилиндра. Удержание литьевой формы в закрытом состоянии выполняется гидравлическим цилиндром большей площади. Кроме смыкания узел должен обеспечивать в литьевой машине усилие, которое в процессе впрыска, то есть при заполнении литьевой формы, осуществляемом под давлением, удерживало бы ее в закрытом состоянии. Это усилие смыкания должно быть больше, чем распорное усилие, возникающее в форме в результате давления расплава В противном случае возможно появления облоя на изготавливаемых деталях. Для того чтобы наверняка избежать такого явления необходимо провести предварительный расчет отношения этих усилий. За основу этого расчета берется максимальное (паспортное) усилие смыкания. Масса, впрыскиваемая в гнездо формы, заполняет его объем и образует площадь литья. Под площадью литья следует рассматривать площадь проекции всех гнезд формы и литниковой системы на плоскость разъема формы. Если умножить давление расплава внутри формы на площадь литья, то получится распорное усилие, то есть противодействующее усилию смыкания. При этом нужно помнить, что усилие смыкания машины не должно использоваться более, чем на 80% и оно должно быть всегда больше распорного усилия формы.
Станина машины
Станина служит для размещения на ней отдельных элементов конструкции машины и их надежного крепления.
Управление процессом литья осуществляется с помощью таймеров или электронных датчиков времени. Размещение дополнительных регулирующих устройств помогает контролировать заполнение формы и ее подпитку (например, в зависимости от давления массы в литьевой форме). Для теплорегулирования узла пластикации применяются электрические ленточные обогреватели. Температура цилиндра контролируется, как правило, электронными датчиками.
Дополнительные устройства.
Сушильные установки. Применяются для предварительного подсушивания перерабатываемого материала перед началом его переработки. Правильная сушка материала способна избавить от брака и непредвиденных остановок производственного процесса. Влага, образующаяся внутри и на поверхности пластицируемого материала, испаряется из за высоких температур переработки и образует на поверхности готового изделия пузыри, полосы или разводы. При использовании материалов чувствительных к гидролизу, происходит еще и разрушение молекулярных цепей. Все это оказывает отрицательное воздействие на механические свойства готовых изделий. Кроме того усиливается истечение материала из сопла, что приводит к потере материала и появлению других дефектов на поверхности изделия. К материалам, которые перед переработкой в обязательном порядке подвергаются сушке относятся: ПММА, ПОМ, ПА, АБС, ПС, ПК, ПЭТ и др. Обычно не требуют сушки полиолефины и ПВХ пластикаты.
Для сушки материалов могут быть использованы следующие устройства:
-камерная сушилка с циркуляцией воздуха
-сушилка с интенсивной циркуляцией воздуха
-вакуум –гребковые сушилки
Важным параметром процесса сушки материала является остаточная влажность материала. Для того чтобы подсушить материала до нужной остаточной влажности устанавливается определенная температура и длительность сушки для различных материалов.
Дробилки (измельчители пластмасс).Одним из преимуществ переработки пластмасс методом литья под давлением является низкий процент материала, уходящего в безвозвратные отходы. Для переработки технологических отходов используют измельчители пластмасс роторного типа, агломераторы и грануляторы. Дробилка состоит из массивного металлического корпуса, в котором закреплены неподвижные ножи. Вращающийся на вале ротор также снабжен ножами, которые как и неподвижные, крепятся посредством болтов. Ножи на роторе и на неподвижной станине имеют возможность регулировки по длине их выступа, что позволяет изменять зазор между подвижными и неподвижными ножами. Вращение происходит в закрытом контуре, ограниченном дырчатой сеткой. Размеры отверстий в сетке ограничивают размер получаемых при измельчении гранул материала. Производительностью дробилки считается количество полученного в час измельченного материала в килограммах.
К дополнительным устройствам относятся также термостатирующие устройства, их устройство будет указано в разделе «Литьевая форма», дозирующие устройства, загрузчики сырья, роботы манипуляторы, используемы для автоматизации съема изделий и их упаковки.
Классификация ТПА
ТПА классифицируются:
*По объему впрыска
*По усилию смыкания
*По конструктивному исполнению
При необходимости установки в форме металлических деталей используют ТПА с вертикальным узлом смыкания и горизонтальной плоскостью разъема.Если необходим повторный узел пластикации, то используют машины, имеющие горизонтальный узел смыкания, который расположен перпендикулярно плоскости разъема. Для изделий, требующих длительных периодов выдержки предлагаются ротационные машины с несколькими вращающимися на поворотном столе узлами смыкания.
*По технологическим особенностям литья
1.3.1.Объем впрыска- Является одним из основных параметров, характеризующих ТПА. Этот параметр указывает максимально возможное количество впрыскиваемого в литьевую форму материала в см.куб. для данной ТПА. В соответствии с этим параметром выбирается ТПА для изготовления какой-либо детали. Вес изготавливаемых изделий может колебаться от долей одного грамма до шестидесяти килограммов.
1.3.2. Усилие смыкания - Также один из основных параметров ТПА, стандартного исполнения ТПА развивают усилие смыкание 50-80000 КН на 1 кв.см.
1.3.3.Различное конструктивное исполнение литьевых машин. При необходимости установки в форму металлических деталей целесообразно использовать ТПА с вертикальным узлом смыкания горизонтальной плоскостью разъема. Если необходим повторный узел пластикации, то используются машины, имеющие горизонтальный узел смыкания, который расположен перпендикулярно плоскости разъема. Для изделий, требующих длительного времени выдержки применяются ротационные машины с несколькими вращающимися на поворотном столе узлами смыкания. Кроме того имеются ТПА с несколькими узлами пластикации для многоцветного литья под давлением.
3.3.4. К технологическим особенностям относят литье вспененных термопластов, многокомпонентное литье, литье реактопластов. Для этих целей используют специальные ТПА.
1.4.Литьевая форма.
Литьевая форма состоит в основном из неподвижной и подвижных частей, литниковой втулки, литниковой системы, выталкивающего устройства и охлаждающей системы. Стандартная литьевая форма выполняет четыре основные функции:
*прием расплава полимера
*формование изделия
*охлаждение
*выталкивание изделия.
Литниковая система. Расплав полимера, поступающий через канал или систему каналов из мундштука узла пластикации, перемещается в формующую полость литьевой формы. Как система каналов, так и затвердевающая в ней масса получила название литника или литниковой системы. Литниковая система состоит из центрального литникового стержня или конического литникового канала, разводящих и впускных литников. Впускной литник соединяет литниковый канал с формующей полостью. Размеры литниковой системы необходимо задать при конструировании формы таким образом чтобы при формовании изделия подпитка была действенной в течении достаточно продолжительного времени. Передача расплава в формующую полость должна осуществляться с большой осторожностью, что предполагает следующее:
*незначительные, минимальные напряжения сдвига полимерного расплава;
*минимальное повышение температуры расплава в литнике;
*минимальное падение давление в литнике
Переработчики со своей стороны предъявляют к литниковой системе свои требования:
*минимум отходов в литниковой системе;
*короткий цикл впрыска;
*по возможности автоматическое отделение литника от изделия;
*бесперебойная работа.
Разводящие каналы
Масса, протекающая при входе в литьевую форму контактирует с холодной внешней стенкой, охлаждается и застывает. Проходящий по центру литникового канала расплав получил название пластичной сердцевины: за счет изолирующего воздействия внешнего застывшего слоя он защищается от застывания и твердеет позднее. Наиболее удачное соотношение поперечного сечения потока и поверхности его охлаждения представляет круглое сечение. Поэтому поперечные сечения разводных каналов должны быть как можно ближе к кругу. В многогнездных формах гнезда могут быть по разному расположены по отношению к разводящей системе. Иногда встречаются формы, в которых разводящие каналы, направляемые в сторону гнезд, имеют неодинаковую длину. В этом случае, прежде, чем попасть в гнезда формы, расплаву приходится преодолевать различное гидродинамическое сопротивление. При одинаковом размере впускных литников и разводящих каналов гнезда литьевой формы заполняются при разном давлении и в разное время. С то время как некоторые гнезда будут заполнены неполностью, другие будут перегружены. Поэтому различные сопротивления в разводящих литниках должны быть компенсированы адаптацией поперечных сечений разводящего литника. Как правило придание каждому гнезду литьевой формы одинаковых по длине разводящих каналов приводит к повышенным отходам на вторичное сырье.
Центральный конический (стержневой) литник.
Из всех типов литников конический обеспечивает наименьшее сопротивление течению расплава полимера. Поэтому в основном он используется для наиболее трудно заполняемых полостей, или при переработке термочувствительных и вязкотекучих полимерных расплавов. Конический литник используют также при изготовлении толстостенных изделий, которые должны выдерживать заданные размеры.Диаметр конуса должен быть равен или быть чуть больше, чем наибольшая толщина стенки изготавливаемого изделия. При этом впуск осуществляют в месте наибольшей толщины. Этим добиваются того чтобы литник затвердевал раньше, чем изделие. А противном случае время охлаждения определяется уже не изделием, а литником. Недостаток такой литниковой системы в том, что необходимо удалять литник вручную.
Зонтичный впускной литник.
Используется при литье кольцеобразных или гильзообразных изделий. Если к коническому литнику присоединить «зонт» или диск, то поток расплава равномерно заполняет поперечное сечение кольца и при этом не образуется шва (спая). Это позволяет изготавливать изделия прекрасно сохраняющие форму и заданные размеры.
Кольцевой впускной литник.
При изготовлении длинных трубообразных изделий зонтичный литник не используют, так как в этом случае литниковая втулка может располагаться только с одной стороны, это приводит к ее деформации за счет давления втекающей массы. В этих случаях используют кольцевой литник.
Щелевой литник.. Выглядит он как разрезанный и растянутый кольцевой литник.
Щелевой литник используют когда изделие заполняется таким образом, чтобы расплав от литника в гнездо литьевой формы тек в основном в одном направлении, что поможет избежать перекоса изделия.
Туннельный литник.
При использовании туннельного литника заполнение изделия происходит с боковой стороны, а при раскрытии формы происходит автоматическое отделение литника. Принцип действия туннельного литника устроен следующим образом: разводящий канал направлен вдоль поверхности отделения не напрямую в гнездо, а входит в него в виде конического туннеля, проходящего через неподвижную часть формы. Недостатком такого литника является большое падение давления и боковой впуск.
Боковой точечный литник.
В этом случае разводящий литник располагается в плоскости разъема. Заполнение гнезд происходит сбоку. Изделия извлекаются из формы вместе с разводящим литником. Между литниковым каналом и гнездом формы есть только короткий зауженный участок с точечным поперечным сечением. Размер этого точечного литника зависит от толщины стенки изделия и его размера и может быть очень маленьким, поскольку расплав в литниковом канале сильно нагревается за счет высокой скорости течения расплава при впрыскивании и трения.
Центральный точечный литник (трехсекционная литьевая форма).
Использование трехсекционной литьевой формы дает возможность заполнять формующую полость по центру изделия с помощью точечного литника. Такая форма имеет две плоскости разъема. Одна из них служит для извлечения изделий из полости формы, а вторая для извлечения разводящего литника. При размыкании точечный литник отделяется от изделия, после чего они могут быть извлечены отдельно друг от друга.
