CC BY
30
УДК 678.5
Диканова Н.С., Кропачев В.М., Шерышев М.А.
АНАЛИЗ КОНСТРУКЦИОННЫХ ПРИЧИН ДЕФЕКТОВ ТОНКОСТЕННЫХ ЛИТЬЕВЫХ ИЗДЕЛИЙ
Диканова Наталья Сергеевна, магистрант 1 года кафедры технологии переработки пластмасс, e-mail: [email protected];
Кропачев Владислав Михайлович, магистрант 1 года кафедры технологии переработки пластмасс; Шерышев Михаил Анатольевич, д.т.н., профессор кафедры технологии переработки пластмасс Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева, Москва, Россия 125190, Москва, Миусская площадь, д. 9
В настоящей работе рассмотрен ряд дефектов, проявляющихся при литье под давлением тонкостенных крупногабаритных изделий, выявлены и проанализированы наиболее вероятные конструкционные причины возникновения коробления и недоливов тонкостенных деталей, а также предложены способы их устранения. Ключевые слова: литье под давлением, дефект, коробление, анизотропия усадки, недолив, облой.
ANALYSIS OF CONSTRUCTIONAL CAUSES OF DEFECTS OF THIN-WALLED INJECTION MOLDED PRODUCTS
Dikanova N.S., Sheryshev M.A., Kropachev V.M.
D. Mendeleev University of Chemical Technology of Russia, Moscow, Russia
In this work, a number of defects of thin-walled large-sized products arising in the process of injection molding are considered, the most probable constructional causes of warping and short shoting of thin-walled parts are revealed and analyzed, and ways of their elimination are suggested.
Keywords: injection molding, defect, warpage, anisotropy of shrinkage, short shot, overflow.
По многочисленным литературным данным наиболее часто встречающимися дефектами литьевых деталей из пластмасс являются следующие явления: недолив, облой, коробление, утяжины, линии спая, подгорание изделия, воздушные ловушки, эффект «грампластинки» и другие [1,2]. Подобные дефекты сказываются не только на качестве внешнего вида отлитого изделия, но могут привести к ухудшению эксплуатационных характеристик, дефекту структуры и уменьшению срока службы изделия, что делает изучение этих процессов наиболее актуальной проблемой в настоящее время.
Существует множество попыток
классифицировать возможные дефекты
пластмассовых изделий, проявляющихся при литье под давлением, причем наибольшее внимание уделяется влиянию на качество отлитого изделия параметров режима литья (температуры и давления в различных точках литьевой формы, скорости впрыска, интенсивности охлаждения и т.д.), а также реологических свойств материала. Но во многих случаях источник проблем приходится искать в несбалансированной конструкции пластмассового изделия, либо нерационально спроектированной литьевой форме, поэтому очень уместным может оказаться разделение причин возникновения дефектов литьевых изделий на конструкционные и технологические [2]. В данной работе хотелось бы рассмотреть некоторые нетипичные, именно конструкционные причины возникновения распространенных дефектов - коробления, недолива, ухудшения качества поверхности.
В качестве примера рассмотрим ряд дефектов, которые были обнаружены при изготовлении методом литья под давлением полипропиленовых облицовочных фасадных панелей и комплектующих для них (изделие «планка»), а также попытаемся выявить и проанализировать причины их возникновения.
В большинстве случаев, литье подобных тонкостенных пластмассовых деталей
сопровождается трудностями, связанными с большой анизотропией размеров изделия (толщина деталей значительно меньше всех остальных геометрических размеров). Наиболее часто встречающимся дефектом тонкостенных литьевых изделий является коробление, т.е. искажение геометрической формы отливки под влиянием напряжений, возникающих при охлаждении, причем эффект коробления проявляется тем сильнее, чем выше анизотропия размеров детали [1]. Данный дефект был выявлен при литье под давлением изделия «планка», представляющего собой длинную тонкостенную рейку (рис.1а), на одной из частей которой в качестве декоративного элемента выполнена фактурная поверхность в виде "волн" (рис.1б).
Типичными конструкционными причинами коробления могут являться неравномерность охлаждения либо разнотолщинность детали, которая приводит к скоплению масс полимера в определенных точках и анизотропии усадки. Однако, в рассмотренном случае устранение одной из этих причин служило неизбежным фактором возникновения другой.
Рис. 1. Изделие «планка» (а) и внешний вид его поверхности (б)
В первоначальном варианте изделие было спроектировано в соответствии с многочисленными литературными рекомендациями, т.е. фактура декоративного элемента на внешней поверхности для сохранения равнотолщинности изделия повторялась на внутренней поверхности [1], что схематично изображено на рисунке 2 а. Несмотря на это, изделие подвергалось довольно сильному изгибу в направлении отсутствия фактурного элемента (рис. 3).
Рис. 2. Схема фактуры поверхности изделия «планка» до (а) и после (б) доработки
Подобный эффект был вызван тем, что повторение фактуры с обеих сторон изделия приводило к многократному увеличению поверхности теплообмена декоративной части и ее более интенсивному охлаждению по сравнению с гладкой частью. Т.е. непосредственной причиной данного дефекта являлись остаточные напряжения, которые были обусловлены неравномерной усадкой изделия вследствие его непропорционального охлаждения. Помимо коробления подобный недочет конструкции в некоторых случаях приводил к недоливам (при недостаточном давлении впрыска расплав затвердевал в области фактурной части, не успев достигнуть крайней точки изделия) или облою в центральной части изделия (при избыточном давлении впрыска) [3]. Для устранения проявления описанных дефектов было проведено сглаживание оборотной стороны изделия, как показано на
рисунке 2 б, что минимизировало анизотропию усадки частей «планки» и ее коробление, несмотря на то, что при этом появилось значительное колебание толщины стенки детали. Кроме того, для предупреждения недоливов и облоя, а также для оптимизации условий заполнения литьевой полости, было рекомендовано увеличить количество мест впуска с 2 до 4.
Еще одним дефектом, проявившимся непосредственно при литье облицовочных панелей, стал недолив или неполное заполнение формующей полости. Чаще всего подобное явление наблюдается при пониженной температуре формы или давлении литья, причем оно характерно именно для тонкостенных изделий с большой площадью поверхности, где некоторые зоны формующей полости находятся далеко от точек впрыска расплава [3]. Усложнение геометрии тонкостенных крупногабаритных изделий помимо недолива может приводить к образованию «воздушных ловушек» или линий спая, образующихся при встрече двух независимо движущихся потоков расплава. Наиболее логичным решением подобного рода проблем является увеличение толщины стенки изделия и площади литниковых каналов, а также рациональное размещение мест впуска. Однако, для тонкостенных фасадных панелей, где увеличение толщины стенки сопровождается критическим увеличением массы изделия, а добавление дополнительных мест впуска сильно усложняет конструкцию литьевой формы, возможно добавление специальных транспортных борозд -расширений, по которым расплав поступает в труднодоступные места отливки. Такое решение представляет своеобразное совмещение литникового канала и изделия, но, к сожалению, имеет ограниченное применение, т. к. каналы должны располагаться внутри или с обратной стороны отливки, не нарушая эстетических требований к изделию (рис. 4).
Рис. 3. Схема процесса коробления изделия «планка» (направление изгиба показано пунктирной линией)
Рис. 4. Дополнительные транспортные каналы для устранения недоливов при литье тонкостенных облицовочных фасадных панелей
Кроме всего прочего, при изготовлении пластмассовых изделий методом литья под давлением высокие требования предъявляются не только к функциональности и технологичности изделия, но и к качеству его поверхности, которое напрямую зависит от материала, используемого для изготовления формообразующих поверхностей пресс-формы. Низкое качество формообразующей поверхности может приводить не только к ухудшению внешнего вида изделия (например, появлению излишней мутности), но и быть причиной значительных затруднений при съеме изделия, вплоть до его повреждения.
В качестве примера рассмотрим дефекты поверхности, проявившиеся при литье облицовочных панелей. Формообразующие для литья данного изделия были изготовлены из алюминия (более мягкий металл был выбран для упрощения изготовления сложной фактурной поверхности), и хотя данный материал и имеет довольно большой срок службы, через некоторое время на поверхности изделия проявились дефекты в виде песчинок, хорошо различимые на рисунке 5. Это вызвано тем, что при нанесении фактуры поверхности появляются микроповреждения закаленного слоя металла, которые из-за довольно высоких скоростей и давлений впрыска, необходимых для равномерного и полного заполнения формующей полости, размываются потоком расплава и образуют раковины, заполняемые микро количествами расплава. Изготовление формообразующих из закаленной стали, конечно, увеличивает стоимость и трудоемкость изготовления пресс-формы, но при этом позволяет в разы увеличить срок ее бездефектной эксплуатации.
Рис. 5. Дефект поверхности литого изделия в виде «песчинок»
Подводя итог, нужно сказать, что в настоящее время предупредить подобные проблемы и устранить возможные дефекты можно еще на стадии проектирования изделия и литьевой формы, используя компьютерные методы анализа процесса литья под давлением. Широкий спектр специализированных программных продуктов для моделирования процесса литья помогает заблаговременно выявить и устранить проблемы, связанные с особенностями конструкции детали и пресс-формы, технологического и
эксплуатационного поведения полимерного материала и возможностями литьевого оборудования [1].
Авторы выражают благодарность коллективу конструкторского отдела ООО «ТЗК Техоснастка» за предоставление материалов, использованных при написании статьи.
Список литературы
1. Оссвальд Т.А., Тунг Л.-Ш., Грэманн П.Дж. Литье пластмасс под давлением / Под ред. Э.Л. Калиничева — СПб.: Профессия, 2006. — 712 с.
2. Бихлер М. Дефекты литьевых деталей и способы их устранения // Полимерные материалы. — 2007. —№10. — С.42-45.
3. Барвинский И.А., Барвинская И.Е. Проблемы литья под давлением изделий из ПМ: недолив // Полимерные материалы. — 2011. — № 1. — С. 42-46.
