Машины для литья под давлением

Устройство и работа литьевой машины

В течение полувека метод литья под давлением для получения изделий из термопластов и реактопластов является одним из самых распространенных в промышленности. Суть метода состоит в следующем: полимер, поступающий в гранулированном (реже в порошкообразном) виде в специальный инжекционный цилиндр, нагревается до вязкотекучего состояния, пластицируется, гомогенизируется, а затем под высоким давлением и с большой скоростью впрыскивается в сомкнутую литьевую форму; в форме полимер охлаждается (при литье термопластов) или отверждается (при литье реактопластов), переходит в твердое состояние, после чего готовое изделие извлекается из формы.

В настоящее время в промышленности реализуются различные технологические схемы процесса литья под давлением, что обусловливает большое разнообразие конструкций литьевого оборудования.

Остановимся на классической схеме работы литьевого оборудования. Перерабатываемый материал вручную или специальными транспортными устройствами подается в бункер 1 (рис. 3.1), установленный над загрузочным отверстием инжекционного (материального) цилиндра 2. Предпочтение отдается гранулированным материалам, так как по сравнению с порошкообразными они лучше транспортируются, не прилипают к стенкам бункера, не склонны к сводообразованию, менее гигроскопичны и легче дозируются.

Рис. 3.1. Схема литьевой машины с пластикатором шнекового типа.

В ряде случаев в бункере устанавливаются ворошитель, улучшающий подачу материала в материальный цилиндр, устройство для подсушки материала, датчики заполнения и другие устройства.

Из бункера материал через загрузочное отверстие поступает в материальный цилиндр. Современные машины в подавляющем большинстве случаев оборудованы шнековыми пластикаторами: в материальном цилиндре 2 находится шнек 3, имеющий приводы как для вращательного 7, так и для возвратно-поступательного 8 движения. В момент загрузки материала шнек вращается и обеспечивает продвижение полимера к соплу 4, находящемуся в конце материального цилиндра. Во время транспортировки от загрузочного отверстия к соплу материал нагревается за счет тепла, подводимого от нагревателей, установленных на внешней поверхности материального цилиндра, плавится, гомогенизируется и пластицируется. Нагреватели (чаще всего это нагреватели сопротивления, реже — индукционные) распределяются вдоль материального цилиндра по зонам обогрева, причем каждая из зон имеет свои датчики и свою систему независимого регулирования температуры. Во избежание налипания материала на стенках загрузочного отверстия и вблизи его, в области соединения материального цилиндра с бункером предусматривается зона водяного охлаждения.

Сопло 4 материального цилиндра при переработке высоковязких материалов, обладающее значительным гидравлическим сопротивлением (сопло открытого типа), препятствует выходу расплава полимера, подаваемого шнеком, наружу. В области перед соплом начинается скапливаться доза полимера, а так как шнек продолжает вращаться, то в этой области создается давление (давление пластикации), которое, воздействуя на шнек, стремится отодвинуть его и таким образом увеличить свободный объем для набираемой дозы. Устройство машины позволяет шнеку перемещаться вдоль своей оси. Так продолжается до тех пор, пока не будет набран необходимый объем дозы. В случае переработки полимеров с низкой вязкостью расплава на время набора дозы сопло запирается специальным клапаном (сопло закрытого типа).

После того как в шнековом пластикаторе набралась необходимая доза полимера, сопло материального цилиндра подводится с помощью привода 9 к предварительно сомкнутой форме 5. Создается осевое усилие на шнек, направленное в сторону сопла. В накопленном объеме полимера соответственно создается высокое давление (давление впрыска) и полимер, преодолевая гидравлическое сопротивление сопла открытого типа или через открывшийся клапан сопла закрытого типа, устремляется через литниковую систему 6 формы в ее оформляющую полость. После заполнения формы полимер в течение некоторого времени выдерживается под давлением, а затем происходит либо его охлаждение (при переработке термопластов), либо отверждение (при переработке реактопластов), после чего форма размыкается и из нее извлекается готовое изделие.

Пока идет процесс охлаждения (отверждения) изделия, его извлечение из формы и смыкание формы для производства следующего изделия, в материальном цилиндре идет подготовка очередной дозы полимера.

В весьма ограниченном числе случаев используются литьевые машины с поршневой пластикацией. На этих машинах (рис. 3.2) материал из бункера 1 поступает в дозирующее устройство 2, которое отмеряет заданную дозу по объему (реже по массе). Из дозирующего устройства полимер через загрузочное окно 6 попадает в материальный цилиндр 4, внутри которого расположен поршень 3. Внутри цилиндра помещается 5—8 доз материала. Полимер нагревается, доводится до вязкотекучего состояния и с помощью поршня периодически впрыскивается в литьевую форму. Чтобы увеличить поверхность соприкосновения пластической массы с нагретым металлом, в материальном цилиндре устанавливают стержень-рассекатель 5, называемый торпедой. Средняя часть торпеды имеет или сквозные отверстия, или наружные открытые пазы, в которых материал разделяется на потоки. Для уменьшения потерь давления на трение передняя часть торпеды выполняется обтекаемой формы.

Рис. 3.2. Схема литьевой машины с пластикатором поршневого типа Выше был описан традиционный технологический процесс получения изделий методом литья под давлением. В то же время надо иметь в виду, что процесс литья непрерывно развивается, трансформируясь для производства новых, более сложных изделий, использования современных полимерных материалов и реализации возможностей, предоставляемых современными средствами автоматизации и робототехники. В настоящем учебном пособии мы не будем подробно останавливаться на каждой из технологий, появившихся за последние годы. Ниже приведем классификацию современных специальных технологий, предложенную Л.-Ш. Тунгом, основанную на используемых технологических приемах:

• — введение дополнительного материала (ов) или компонента (ов) в литое изделие;
• — изменение состава компонентов расплава;

• — физическое воздействие на расплав;
• — перемещение расплава;
• — технологические приемы, применяемые при изготовлении микродеталей и тонкостенных изделий.

Введение

дополнительного материала (ов) или компонента (ов) в литое изделие предусматривает целый ряд технологических приемов. Например, добавление или впрыск другого полимерного материала. При этом различаются двухкомпонентное, или «сэндвичное», литье; многокомпонентное литье и микрослоистое литье под давлением. Может производиться заливка металлических вставок или наполнение их расплавом. В этом случае может использоваться либо литье под давлением со вставкой и на металлическое основание, либо литье с использованием легкоплавкого пуансона. Используется впрыск сжиженного газа в расплав полимера (так называемое «литье с газом») или впрыск газа в смесь полимера с порошковым металлом либо керамикой. Применяется впрыск жидкости, например сжиженного газа или воды (так называемое «литье с водой») в расплав полимера. Для декорирования внешней поверхности изделий используются вставки из пленки, фольги, ткани или текстолита (литье с декорированием в форме и литье при низком давлении). Достаточно часто отливаются изделия с металлической арматурой.

Изменение состава компонентов расплава также достигается различными технологическими приемами. Так, используются смешение полимера с жидкостями в сверхкритическом состоянии (литье по технологии MuCell), смешение расплава полимера с пенообразующими агентами (литье со вспениванием), смешение форполимеров (мономеров или реагентов) перед впрыском. В последнем случае можно реализовать литье по технологии RIM, структурированное реоформование, литье реактопластов.

Физическое воздействие на расплав достигается либо за счет приложения вибрационных усилий к расплаву в процессе переработки (технологии LFIM и Push-Pull Injection Molding, технология реоформования), либо изменением скорости вращения шнека и противодавления для управления температурой расплава (литье при низком давлении).

Перемещение расплава используется при литьевом прессовании.

Исторически принцип литья пластмасс под давлением был позаимствован из металлургии, где использовались машины с поршневым впрыском для литья изделий из цветных металлов. Поэтому первые машины литья термопластов были с поршневой пластикацией без торпед и по своему устройству очень походили на машины для литья цветных металлов.

Однако металлы являются в отличие от пластмасс хорошими проводниками тепла, и потому дозы цветных металлов, подготавливаемые для впрыска, равномерно прогревались во всем объеме даже при больших диаметрах материальных цилиндров. Полимеры же, обладая низкой теплопроводностью, медленно и неравномерно прогревались в материальных цилиндрах. Поэтому первым принципиальным новшеством, введенным в конструкцию машин для литья под давлением изделий из пластмасс, стала установка в материальном цилиндре торпеды (см. рис. 3.2), которая позволила прогревать полимер в более тонком слое, а значит, быстрее и равномернее.

Следующим шагом на пути модернизации литьевого оборудования для пластмасс стала установка на машинах так называемых предпластикаторов. Материал подавался из бункера в предпластикатор, в нем нагревался до вязкотекучего состояния, а уже затем поступал в материальный цилиндр поршневого типа, из которого впрыскивался в форму. Предпластикаторы сначала были поршневого типа (рис. 3.3). Цилиндр 1 предпластикатора имел маленькое поперечное сечение при относительно большой длине, что способствовало более равномерному прогреву материала, подаваемого в материальный цилиндр 3. Для облегчения пластикации в цилиндре 1 часто устанавливалась торпеда 2.

Рис. 3.3. Схема материального цилиндра с предпластикатором поршневого типа.

Поршневые предпластикаторы были весьма быстро вытеснены шнековыми (рис. 3.4). Последние по своему устройству находились ближе всего к одношнековым или двухшнековым экструдерам и устанавливались под углом к материальному цилиндру 2 или параллельно ему. В шнековом пластикаторе 1 прогрев материала происходил достаточно равномерно и быстро. Кроме того, проходила еще и гомогенизация расплава полимера, которая при использовании поршневых предпластикаторов является явно недостаточной. Некоторые конструктивные осложнения вызывались лишь необходимостью совмещать непрерывный процесс шнековой пластикации с периодическим процессом впрыска материала в форму.

Именно шнековые предпластикаторы явились прообразом современных литьевых машин со шнековой пластикацией.

В конструкцию любой литьевой машины входят следующие основные узлы:

• — узел смыкания формующего инструмента;
• — узел пластикации и впрыска;
• — станина машины с системой привода и системой управления.

Рис. ЗА. Схема материального цилиндра с предпластикатором шнекового типа.

Узел смыкания отвечает за быстрое и надежное размыкание и смыкание литьевой формы. Он должен обеспечивать создание усилия, необходимого для удержания формы в закрытом состоянии. Конструкция этого узла должна способствовать облегчению извлечения изделия из литьевой формы.

Усилие, необходимое для удержания литьевой формы в закрытом состоянии, может быть создано механическим способом с помощью коленчато-рычажного, винтового или какого-либо другого механизма. Используются в конструкциях узлов смыкания и гидравлические механизмы. Получили распространение и комбинированные — гидромеханические системы.

В задачи узла пластикации входит загрузка полимерного материала в материальный цилиндр через загрузочный бункер, его транспортировка за счет вращения шнека от загрузочного отверстия материального цилиндра к соплу. При этом должны происходить нагрев и переход полимера в вязкотекучее состояние, пластикация и гомогенизация расплава полимера, а также набор определенного количества пластицированного полимерного материала на участке цилиндра между наконечником шнека и соплом. После набора дозы за счет осевого перемещения шнека в направлении мундштука расплав полимера впрыскивается в формующую полость литьевой формы. Во время впрыска шнек действует аналогично поршню.

Станина служит для размещения на ней отдельных элементов конструкции литьевой машины и их надежного крепления.

Управление процессом осуществляется с помощью таймеров, электронных датчиков времени или микропроцессора.

Размещение дополнительных регулирующих устройств помогает контролировать заполнение формы и ее подпитку (например, в зависимости от давления массы в литьевой форме). Температура материального цилиндра, как правило, контролируется электронными датчиками.

ю.