Влияние разнотолщинности на качество литьевых изделий из термопластичных материалов

Для оценки разнотолщинности используют коэффициент разнотолщинности (Кт), равный отношению максимальной и минимальной толщин изделия /1/.

Разнотолщинность влияет на поведение полимерного материала в полости и формирование дефектов изделий на стадиях впрыска, подпитки и выдержки на охлаждение. Поэтому для определения допустимых пределов разнотолщинности необходимо рассмотреть эти стадии литьевого процесса.

Влияние разнотолщинности литьевого изделия на его качество имеет сложный характер. Количественные критерии допустимой разнотолщинности могут быть сформулированы только применительно к определенному классу изделий с подобной геометрией и конкретному материалу. 

Влияние разнотолщинности на процесс впрыска

Одним из следствий разнотолщинности является появление опережающих потоков расплава, которые могут приводить к запиранию воздуха («воздушная ловушка») и несбалансированному заполнению. 

На рис. 1 приведены расчеты процесса впрыска в программном продукте MPI/Flow компании Moldflow для модельного изделия в виде пластины 100 х 100 мм с основной толщиной 4 мм, имеющей утоньшение в центральной области. Температуры расплава и формы соответствовали средним значениям рекомендуемого диапазона переработки полимера. Скорость впрыска оптимизировалась по методике Moldflow. Материал изделия - ненаполненный полипропилен HD120M (изготовитель Borealis). 

При толщинах средней области, превышающих 1.6 мм, наблюдается искажение фронта расплава, однако «воздушная ловушка» в центральной части изделия не образуется. При толщинах центральной области меньше 1.6 мм образуется «воздушная ловушка» в средней части изделия. Таким образом, критическое значение коэффициента разнотолщинности ( ) равно 2.5. Данное значение   получено при средней скорости впрыска – скорости, при которой температура фронта расплава остается постоянной. Повышение скорости впрыска способствует увеличению .

Расчеты показывают, что практически любое изменение геометрических параметров конструкции (размеров тонкой области, основной толщины и др.) приводит к изменению  . При смене марки материала   также может изменяться. В этой связи отметим, что процесс литья равнотолщинного изделия обладает большей «устойчивостью» к изменению реологических характеристик материала.

Другим следствием разнотолщинности может быть проявление эффекта «замедленного течения» расплава, часто являющегося причиной недолива /2/. Данный эффект проявляется в наибольшей степени на тонких участках изделия, расположенных вблизи впусков. Повышение давления впрыска практически не оказывает влияния на величину недолива, вызванного эффектом «замедленного течения». Для каждой группы подобных конструкций при варьировании толщин могут быть определены значения  , при превышении которых действие эффекта «замедленного течения» приводит к недоливу.

Рис. 1. Положение фронта расплава при впрыске для пластины с утоньшением
а) толщина в центральной области 3 мм - «воздушная ловушка» не образуется, б) толщина в центральной области 1.6 мм - образуется «воздушная ловушка».

Разнотолщинность часто является причиной несбалансированного заполнения, оказывающего негативное влияние на качество изделия. Однако изменение толщин отдельных участков изделия, может применяться для достижения баланса потоков и способствовать повышению качества изделия. Для расчета таких конструкций эффективно применение компьютерного анализа. 

Влияние разнотолщинности на процесс уплотнения

На стадии подпитки разнотолщинность создает ряд дополнительных проблем. Одной из проблем является недоуплотнение (высокая объемная усадка) толстостенных областей при впуске в более тонкие области, а также когда область впуска отделена от толстостенного участка тонкой перемычкой. Быстрое остывание области меньшей толщины препятствует передаче давления в области с большей толщиной. Недоуплотнение приводит к появлению утяжек, внутренних усадочных полостей, дефектов текстуры и др. При толщинах до 5-6 мм область впуска легко уплотняется. Наличие утяжек в этой области свидетельствует о преждевременном снятии давления выдержки, либо об ошибках конструкции литниковой системы.

На рис. 2 показаны результаты расчетов уплотнения пластины 100 х 30 мм, имеющей участки толщиной 2.5 и 5 мм с холодноканальной литниковой системой для материала Stylac ABS 100 (изготовитель Asahi Kasei). Время выдержки под давлением превышало время, необходимое для застывания впускного литника. Время выдержки на охлаждение соответствовало времени полного застывания центрального литника.

Вариант «б» конструкции с утолщением в конце потока характеризуется большим уровнем объемной усадки в толстой области (наблюдается значительное недоуплотнение) и высоким разбросом усадки по изделию. В пределах области толщиной 2.5 мм, имеющей значительную протяженность, усадка увеличивается по мере удаления от впуска, т.к. передача давления подпитки с увеличением длины потока затрудняется.

Оба варианта конструкции (рис. 2). характеризуются одинаковым значением Кт, но различным уровнем уплотнения. Представленные результаты иллюстрируют хорошо известный факт, что для разнотолщинного изделия положение впуска оказывает большее влияние на качество изделия, чем коэффициент разнотолщинности.

Рис. 2. Сверху - модели отливки, снизу - рассчитанные распределения объемной усадки (Sоб) по длине изделия в момент раскрытия формы. L – расстояние от впускного литника, Dцентр1 = 4.5 мм, Dцентр2 = 10 мм, Dразв = 8 мм,  Dвпуск = 2.5 мм, 1 – давление выдержки 30 МПа, 2 - давление выдержки 40 МПа.

Уплотнение можно улучшить, повышая давление выдержки. Здесь существуют, однако, несколько ограничений. Во-первых, повышение давления выдержки приводит к повышению распорного усилия, возникающего в полости формы. Высокое распорное усилие может приводить к раскрытию формы (чтобы этого избежать, необходимо обеспечить достаточно высокое усилие замыкания термопластавтомата), а также вызывать большие деформации плит пресс-формы. Во-вторых, при высоком давлении выдержки наблюдается нежелательное переуплотнение тонкостенных областей, характеризующееся отрицательной объемной усадкой полимера. Повышение давления подпитки позволяет уменьшить уровень объемной усадки в изделии, однако в областях с различной толщиной усадки будут различаться.

Зависимость усадки от толщины стенки

Зависимость линейной технологической усадки от толщины стенки - важнейший фактор, определяющий размеры литьевых изделий и их коробление. Эта зависимость – прямое следствие рассмотренной выше аналогичной зависимости для объемной усадки. При прочих равных условиях (расстояние от места впуска, технологический режим и др.) усадка повышается при увеличении толщины стенки.

Для кристаллизующихся материалов необходимо учитывать зависимость от толщины продольной и поперечной усадок. На зависимость усадок от толщины стенки в реальных изделиях влияет конструкция изделия, пресс-формы (литниковой системы, системы охлаждения и др.), технологический режим литья.

Разнотолщинность и коробление

Неравномерность усадочных процессов в литьевой полости, вызванная разнотолщинностью, приводит к короблению изделия. На рис. 3 показаны результаты расчетов коробления в программном продукте MPI/Warp компании Moldflow для равнотолщинного и разнотолщинного модельных изделий в виде пластины 200х30 с ребром высотой10 мм из материала Stylac ABS 100. Размеры литниковых каналов соответствуют рис. 2.

Рис. 3. Слева - модель отливки, справа – результаты расчета коробления (в мм). Для наглядности величина деформаций сетки увеличена в 10 раз.

Изменение толщин основной стенки и ребра (рис. 3)  не только ведет к изменению величины коробления, но и меняет направление прогиба.

На величину коробления влияет жесткость изделия: повышение жесткости снижает коробление. Жесткость изделия увеличивается при повышении модуля упругости материала, увеличении толщин стенок, добавлении ребер, при использовании специальных жестких конструктивных элементов. Для материалов, имеющих низкий модуль упругости, допустимые пределы разнотолщинности крайне малы.

Необходимо учитывать, однако, что введение ребер не всегда ведет к повышению размерной точности изделия. Коробление может увеличиваться из-за разницы толщин ребра и основной стенки изделия, а также при использовании слишком высоких ребер.

В общем случае с увеличением Кт коробление увеличивается.

Материалы, содержащие жесткий волокнистый наполнитель (стекловолокно, углеволокно), часто демонстрируют иной характер коробления, связанный с влиянием ориентации частиц волокна.

Разнотолщинность и остаточные напряжения

Неравномерность усадочных процессов приводит к высоким остаточным напряжением на границах областей разной толщины. Чтобы избежать концентрации напряжений в области перехода толщин, необходимо применять достаточно большие радиусы закруглений. Для уменьшения уровня напряжений рекомендуется использовать плавные переходы толщин.

Барвинский И.А., Барвинская И.Е. Опубликовано: 01.2005. Обновлено: 16.02.2006

Литература

1. Габибов И.А., Сагалаев Г.В., Рагимов А.М. «Влияние конструкции литьевых изделий на их свойства». Пласт. массы, 1990, № 9, с. 35-39.
2. Барвинский И.А., Барвинская И.Е. "Особенности литья крупногабаритных корпусных деталей с тонкостенными решетками". Пласт. массы, 2003, № 2, с. 3-4.

http://abuniversal.webzone.ru/library/library-art_01_thick-diff.htm