Горячеканальная литьевая оснастка. Новые возможности и задачи

Гольдберг И.Е.
Пути оптимизации литьевой оснастки: Ее величество литьевая форма
288 с. Тв. пер., ил., табл.
Год издания: 2009 г.
Издательство: “Научные основы и технологии”

В книге показаны пути и приемы создания литьевой оснастки, конструкция которой на современном уровне решает поставленные перед ней проблемы и задачи. На большом количестве примеров, взятых из собственной практики, а также из опыта ведущих производителей автор показывает, как выбираются, совершенствуются, и создаются заново конструкции всех функциональных систем формы, чтобы обеспечить получение и требуемый режим производства литьевых изделий с самыми разнообразными, иногда даже экстремальными, особенностями. Рассмотрены методы рационализации конструкций при решении приоритетных задач заказчика.

Книга адресована конструкторам, инженерам и квалифицированным рабочим, занятым в области проектирования, изготовления и эксплуатации литьевых форм. Она также может стать полезным инструментом для студентов высших и средних учебных заведений при изучении вопросов переработки пластмасс и конструирования.

Большой спрос на изделия из пластмасс, новые требования и направления научно - технического прогресса, повышение стоимости сырья определили бурное развитие литьевой оснастки с горячеканальными системами. Эти системы представляют собой отдельные конструкции, встроенные в литьевые формы и образующие обогреваемое продолжение литьевого узла литьевой машины до оформляющего гнезда формы. Разнообразие этих систем объясняется различными задачами и условиями, при которых они используются. Технологические нюансы литья разных видов термопластов, конструктивные особенности отливаемых изделий, обеспечение тех или иных их функциональных свойств, серийность производства, особенности имеющегося литьевого оборудования и другие причины обуславливают выбор типа горячеканальной системы.

Преимущества и недостатки горячеканальной оснастки

Преимущества:

1.Нет расхода материала на литниковые системы.

2. Сокращается время литьевого цикла. Нет необходимости тратить время на заполнение литниковых каналов и на охлаждение литников до полного затвердевания ввиду их полного отсутствия. Экономия времени весьма значительная, так как сечение литников обычно значительно больше, чем толщина стенки отливаемого изделия.

3. Время литьевого цикла сокращается и за счет уменьшения времени размыкания и смыкания литьевой формы, так как при выталкивании отлитых изделий достаточно ее раскрытия на величину, определяемую их размерами.

4. Поддержание расплава термопласта в текучем состоянии на всех участках горячеканальной системы и, особенно, на впусках в оформляющие полости литьевой формы позволяет, несмотря на габариты изделий и особенности переработки используемого термопласта, снизить его температуру и давление впрыска. Это уменьшает деформации в отлитых изделиях и тем самым улучшает их качество.

Недостатки:

1. Литье некоторых термопластов может быть затруднено из-за сложности обеспечения стабильного температурного режима литья.

2. Формование изделий определенной конфигурации может быть затруднено из-за ограничений накладываемых конструкцией формы (часто бывает невозможно охладить участки оформляющей детали вблизи литникового впуска и т. д.).

3. Необходим высокий технический уровень конструирования, изготовления и ремонта литьевой формы.

4. Для наладки технологического режима работы формы и ее последующей эксплуатации требуется высокая квалификация и опыт обслуживающего персонала.

5. Необходимы приборы контроля и регулирования температурного режима работы формы, что значительно удорожает стоимость литьевого процесса.

6. Требуется высокая степень очистки формуемого материала от посторонних включений, что требует установки дополнительных фильтров, увеличивающих сопротивление течению расплава, а также дополнительных расходов на удаление вредных примесей.

7. При переходе на другой цвет или вид материала могут возникнуть осложнения, которые могут быть устранены только при квалифицированном вмешательстве.

На рис.1 изображена трехгнездная литьевая форма для получения полиэтиленовых крышек для консервирования, в которую встроена горячеканальная система с теплопроводными торпедами косвенного нагрева. Принципы этой системы были разработаны в конце семидесятых годов компанией Hoechst. Главным из них является использование высокой теплопроводности меди или другого материла торпеды для переноса тепла от нагретого горячеканального распределительного блока в зону впускного канала оформляющей полости формы. При этом обеспечивается высокая текучесть впрыскиваемого расплава термопласта. Так как торпеда имеет косвенный нагрев, то исключается местный перегрев и тепловая деградация расплава в зоне торпеды, если обеспечивается соответствующая температура горячеканальной системы. Нагревательные элементы горячеканального блока должны обеспечивать его быстрый нагрев, требуемую температуру на конце торпеды и компенсацию тепловых потерь.

В форме внутренние поверхности изделий оформляются пуансонами 27 с вставками охлаждения 28 и сталкивающей плитой 3. Наружные поверхности крышек формуются матрицами 4, закрепленными в обойме матриц 20 с незамкнутыми кольцевыми каналами охлаждения. Охлаждающая вода поступает и выходит из формы через ниппеля 84. В матрицы 4 по тугой посадке вставлены предкамерные втулки 8, в конических впускных каналах которых размещены конусные окончания торпед 14.

Чтобы иметь по возможности меньший отвод тепла от проходящего через втулки 8 расплава термопласта они окружены кольцевыми зазорами, обеспечивающими их воздушную изоляцию. Торпеды центрируются предкамерными втулками по своему большему диаметру и плотно прижимаются ими к обогреваемому горячеканальному блоку 16. Благодаря такой установке тепловое расширение горячеканального блока не влияет на центральное положение кончика торпеды во впускном литниковом канале, так как она проскальзывает относительно него благодаря фиксации в неподвижной предкамерной втулке 8.

Рис. 1. Трехгнездная горячеканальная литьевая форма на изделие «Крышка для консервирования» из ПЭ

На рис.2 видно, что теплопроводная торпеда имеет обтекаемый цилиндрический контур с заостренным концом. В ее цилиндрической прижимной части имеются шесть отверстий ∅2,5мм, обеспечивающие свободное прохождение расплава. Для его плавного течения отверстия имеют закругления на входе и на выходе. Этому же способствует центральный конусный рассекатель на опорной плоскости торпеды, образующий вместе с вставком 11 (см. рис.1) кольцевой канал, через который расплав попадает в ее отверстия. Для уменьшения сопротивления потоку торпеда и вставок 11 имеет высокую чистоту поверхности, причем вставок выполняется из того же материала, что и торпеда.

Длина, диаметр и теплопроводность торпед подбираются из расчета, чтобы температура на их концах была значительно выше температуры твердения расплава, чтобы избежать пробок во впускных литниковых каналах формы. В то же время охлаждение оформляющих деталей формы должно быть достаточно эффективным, чтобы обеспечить большую разность температур между литьевой формой и горячеканальной системой. Это сокращает время цикла литья и исключает вытягивание «нити» из предкамерной втулки.

Рис. 2. Теплопроводная торпеда косвенного нагрева от обогреваемого горячеканального блока.

Идеальным материалом для изготовления торпед из-за своей высокой теплопроводности является медь. Однако, принимая во внимание широкий температурный интервал литья полиэтиленовых изделий и стремление повысить износостойкость торпед, предпочтение было отдано бериллиевой бронзе, уступающей меди по теплопроводности. Контуры предкамерных втулок 8 совпадали с контурами одного из инжекторов фирмы «Имид». Установка этих инжекторов без значительных доработок формы предусматривалась в случае недостаточного прогрева термопласта наконечниками торпед в зонах впускных литниковых каналов. Но при эксплуатации формы эта замена не потребовалась. Горячеканальный блок 16 отделен от плит формы воздушными промежутками толщиной 5мм, обеспечиваемыми центральными шайбами 15 и 18 по обеим сторонам блока, цилиндрическими опорами 13, и втулками 8. Для ориентации блока в плите 21 используются штифты 60 и 61.

Воздушные зазоры являются хорошими изоляторами, значительно уменьшающими тепловые потери блока вследствие теплопроводности. С этой же целью детали 13,15 и 18, через которые горячеканальный блок контактирует с плитами формы, изготавливаются из титанового сплава ВГ, имеющего низкую теплопроводность. Для уменьшения тепловых потерь путем конвекции очень важно исключить эффект «дымовой трубы», когда имеет место свободная циркуляция воздуха. Поэтому блок 16 полностью заключен в замкнутом пространстве, образованном плитами 20,21,6 и планкой 22. Уменьшению теплопередачи излучением от горячего блока к плитам литьевой формы способствует их хорошая полировка.

Для исключения застойных зон при прохождении расплава по каналам блока, где может произойти тепловое разложение термопласта, в местах поворота потока устанавливаются скошенные заглушки 10, ориентированные цилиндрическими окончаниями винтов 40. Чтобы не было подливов расплава, заглушки притираются к блоку по конусной поверхности и поджимаются мощными специальными винтами 7.

Примыкание предкамерных втулок 8 к горячеканальному блоку 16 уплотняется от подливов расплава выступающими на 0,3 мм относительно их опорной плоскости медными прокладками 9. С этой же целью регулируется усилие прижатия блока к втулкам 8 пробками 12. Расплав подается в горячеканальную систему блока чрез литниковую втулку 17. Горячеканальный блок 16 имеет форму трилистника, обеспечивающую его минимальную массу, требующую минимальных затрат энергии для нагрева патронными обогревателями 30 типа ПН фирмы «Имид».

Для эффективного отвода тепла патроны устанавливаются в отверстия блока, имеющие высокую чистоту поверхности, с минимально допустимым зазором. Даже небольшие воздушные зазоры могут привести к перегреву нагревателя и выходу его из строя. Накладки 31, закрепленные на каждом луче горячеканального блока 16, позволяют с меньшими усилиями обеспечить все необходимые условия установки патронных нагревателей и, кроме того, облегчают их выемку при замене. 

В конце литьевого цикла форма размыкается и отлитые изделия, оставаясь на пуансонах 27, уходят с подвижной полуформой, закрепленной на подвижной плите литьевой машины. После остановки штока 82 неподвижным центральным упором машины планка 29 с тягами 80 перемещается по направляющим колонкам 78 относительно продолжающих свое движение плит подвижной полуформы, скрепленных и центрируемых друг с другом при помощи втулок 76 и направляющих колонок 77. При этом тяги 80, направляемые втулками 83, перемещают соединенную с ними сталкивающую плиту 3 относительно пуансонов 27, снимая с него изделия, которые выпадают в разъем формы. Изделия, полностью готовые к употреблению, имеют на своей лицевой поверхности мало заметные следы от точечных впусков термопласта. Ввиду полного отсутствия затвердевающей литниковой системы значительно сократилось время литьевого цикла и расход сырья, необходимого для их получения.

Возможность обеспечения оптимального и равномерного температурного режима всех гнезд формы при минимальной разности температур в горячеканальном блоке и на концах торпед позволяет получать на оснастке с косвенно обогреваемыми торпедами изделия высокого качества из термопластов очень чувствительных к колебаниям температуры переработкиНа рис. 3 изображена 4-х гнездная литьевая форма для получения корпусных элементов горнолыжных креплений из сополимеров полиациталей.



Рис. 3. Четырехгнездная горячеканальная литьевая форма для получения корпусных элементов горнолыжных креплений из сополимеров полиациталей

Эти изделия должны обладать большой прочностью так как испытывают при эксплуатации очень большие нагрузки. Благодаря применению гибких трубчатых нагревателей 12, заложенных в пазы, равномерно огибающие с двух сторон контур всех четырех лучевых отростков горячеканального блока 17, обеспечивается одинаковый подвод тепла ко всем участкам впрыска термопласта. Торпеды имеют почти одинаковую температуру. Благодаря этому достигается почти одинаковое заполнение всех гнезд формы. Это позволяет поддерживать жесткие допуска на размеры, вес и механические свойства отлитых деталей. Регулирование мощности нагрева горячеканального блока осуществляется при помощи термопары 35, установленной в нем рядом с одной из торпед.

Для исключения перегрева нагревателей 12 их крепление с блоком 1 7 осуществляется при помощи теплопроводного цемента. Полированные алюминиевые листы 26 уменьшают теплопотери блока путем излучения. Четыре теплопроводящие торпеды изготовлены из бериллиевой бронзы и установлены в блоке 17 с помощью втулок 20. Застойные зоны при течении расплава исключаются заглушками 13 с скругленными поворотами. Воздушные зазоры, изолирующие горячеканальный распределительный блок, обеспечиваются опорами 21, проставками 18 и 27, втулками 20. Все они, кроме втулок, изготовлены из титанового сплава, имеющего очень низкую теплопроводность. Втулки 20, так же как промежуточные втулки 23, изготовлены из закаленной стали. Наружная поверхность изделий оформляется деталями 33, полуматрицами 28 и вставками 24, в которых выполнены предкамеры с коническими впускными каналами, куда заводятся наконечники торпед 22. Внутренняя поверхность изделий оформляется горизонтальными пуансонами 7, установленными в ползунах 6, приводимыми в движение непоказанными гидроцилиндрами. При раскрытии формы сначала изделия с помощью лекал 27 освобождают полуматрицы 28, а затем с применением гидравлики извлекаются пуансоны 7. Все оформляющие детали имеют эффективную систему водяного охлаждения.

Применение данной формы с описанной горячеканальной системой, дало 20% экономии материала по сравнению с ее аналогом, имеющим отрывные отверждаемые литники, сбрасываемые в дополнительный разъем. Значительно сократилось время литьевого цикла, так как уменьшилось время пластикации термопласта и охлаждения отливки. Было обеспечено стабильное получение качественных изделий, соответствующих четвертому квалитету точности.

Однако, при всех своих достоинствах горячеканальные системы с косвенно обогреваемыми торпедами не могли соответствовать большинству требований, которые предъявлялись современным производством пластмассовых изделий. Необходимо было обеспечить рывок на новый уровень производительности литьевой оснастки. Например, потребности в массовых выпусках различных пробок для пищевой, фармацевтической, химической промышленности и товаров бытовой химии могли удовлетворить только многогнездные горячеканальные формы новой формации, работающие с ранее не достижимым минимальным циклом литья. При этом часто должны были использоваться термопласты, переработка которых в изделия сопровождалась большими сложностями. С целью увеличения производительности оснастки возникла необходимость в создании многоуровневых форм, которые нужны была и для литья крупногабаритных изделий небольшого веса для увеличения коэффициента использования мощности имеющегося литьевого оборудования. Горячеканальные формы должны были обеспечить стабильное производство качественных изделий с ранее недостижимыми габаритами и толщинами стенок. Возникла острая необходимость в получении многокомпонентных изделий и изделий отлитых из термопластов разного цвета. Для обеспечения новых функциональных возможностей и значительного улучшения внешнего вида ряда изделий потребовалось осуществить их заливку с внутренней стороны на любую глубину. Для повышения механической прочности, точности размеров, исключения коробления и, опять же, для улучшения внешнего вида ответственных изделий необходимо было иметь горячеканальную оснастку с заливкой изделий с помощью запорных игл в одну или несколько точек.

Перечень потребностей бурно развивающейся экономики можно было продолжить. Все эти задачи постепенно решались ведущими мировыми производителями литьевой оснастки только путем создания новых горячеканальных систем, имеющих эффективные и надежные нагреватели распределительных блоков и впрыскивающих сопел, с точной регулировкой мощности нагрева на всем пути следования расплава (особенно в зонах его впрыска). Конструкции этих систем совершенствовались с обеспечением надежного уплотнения сопел и с ликвидацией застойных зон и мест с повышенным сопротивлением течению расплава термопласта. Без создания или использования появившихся унифицированных обогреваемых сопел, способных осуществить различные способы впрыска расплава, любая попытка внедрения высокопроизводительной горячеканальной оснастки была обречена на неудачу.

Полный текст читайте в книге "Горячеканальная литьевая оснастка. Новые возможности и задачи."  

Издательство: Научные основы и технологии