CC BY
32
ТЕХНОЛОГИИ МАТЕРИАЛОВ
УДК 678.5
В. В. Курносов, Ю. В. Перухин, Т. В. Захарова
КОМПЬЮТЕРНЫЙ АНАЛИЗ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ИЗДЕЛИЯ «ТАЗ» ИЗ ПЛАСТМАСС
ЛИТЬЕМ ПОД Д АВЛЕНИЕМ
Ключевые слова: Компьютерный анализ, процесс изготовления изделий из пластмасс литьем под давлением.
Проведен компьютерный анализ процесса изготовления изделия «таз» методом литья под давлением с пользованием системы Autodesk Moldflow Insight. Изучено влияние основных технологических параметров процесса (времени впрыска, температуры расплава и формы) на свойства формуемого изделия, при использовании для изготовления трех марок полипропилена с различной вязкостью расплава.
Keywords: Computer analysis of the process of manufacturing products from plastic by injection molding.
A computer analysis of the process of manufacturing the product "pelvis" molding with the use of Autodesk Moldflow Insight. The effect of the main process parameters (time of injection, the melt temperature and mold) on the properties of the molded articles, when used for the manufacture of three grades ofpolypropylene with different melt viscosity.
Анализируемое изделие - таз, бытового назначения, изготовленный из полипропилена. Прототип изделия выпускался ограниченным тиражом для тестирования фирмой «Самвел». В процессе освоения промышленного производства изделия "таз" возник целый ряд проблем, связанных с его конструкцией, конструкцией оснастки, выбором материала и режимами формования. Несмотря на невысокие требования к размерной точности изделия, брак при опытных отливках составляет свыше 20% и связан в основном с высокой разнотолщинностью и размерным колебанием, достигающим на некоторых участках 30 и более процентов. Это вызывает наличие встречных потоков, высокий перепад температур фронта расплава и, как следствие, неравномерную усадку и коробление отливки и требует коррекции литьевой формы и детального анализа материала и технологических параметров процесса формования.
С целью оценки влияния основных факторов на процесс изготовления изделия был выполнен его компьютерный анализ с использованием Autodesk Moldflow Insight [1-5]. С учетом минимальной доработки формующих деталей был скорректирован чертеж изделия и заново построена его модель, учитывающая недостатки существующего варианта.
Для проведения анализов в базе данных MoldFlow были выбраны три марки полипропилена (изотактические, среднего давления) с различной вязкостью расплава в условиях переработки: Chisso K5028F (вязкость - 59 Па*с при скорости сдвига 1000 с-1 и температуре 240°С), Chisso K4017H (вязкость 93 Па*с при скорости сдвига 1000 с-1 и температуре 240°С, индекс вязкости расплава - 12 г/10минут, при температуре 230°С и массе груза 2.16 кг) и Chisso K7714 (вязкость 127 Па*с при скорости сдвига 1000 с-1 и температуре 2400С). Данные полимеры имеют высокую стойкость к термоокислительному старению, повышенную устойчивость к выцветанию и устойчивость при контакте с моющими средствами.
Твердотельная модель изделия была передана в Autodesk MoldFlow Insight, где по ней была построена поверхностная сетка конечных элементов для выполнения анализа с использованием метода Dual-Domain [6], сетка была проверена на наличие дефектов и исправлена с помощью соответствующих инструментов программы. Сетка для литниковой системы и системы охлаждения строилась в Autodesk MoldFlow Insight.
Рис. 1 - Области оценки объемной усадки при извлечении изделия
Для оценки влияния на качество изделия таких факторов как формуемость (вязкость расплава полимера), конфигурация литниковой системы, время заполнения, выдержка под давлением, температура формы и расплава в Autodesk MoldFlow Insight выполнялся анализ FLOW/WARP. В данном виде анализа моделируются все стадии литья, а также коробление сформированного изделия, при этом предполагается, что охлаждение происходит по всей поверхности равномерно. При рассмотрении результатов анализа основное внимание уделялось короблению изделия, а также объемной усадке при извлечении изделия (области 1, 2, 3, рис. 2). При оценке влияния того или иного фактора, остальные факторы фиксировались.
Для выбора типа литниковой системы для изготовления изделия «таз» были построены холодноканальная (ХКС) и горячеканальная (ГКС)
литниковые системы. Литники были построены с учетом рекомендаций [7]. Для анализа были установлены следующие параметры литья: температура формы 55°С, температура расплава 225°С, время заполнения 3.2 секунды, времени выдержки под давлением 30 секунд при давлении 70 МПа, используемый полимер: Chisso K4017H. Проведенный анализ FLOW/WARP показал, что в случае использования ГКС заполнение проходит при несколько более низком давлении (80.1 МПа для ГКС и 85.6 МПа для ХКС), при этом наблюдается снижение коробления (2.1 мм для ГКС и 2.9 мм для ХКС), а также объемной усадки во всех анализируемых областях изделия, причем объемная усадка наиболее значительно меньше в самой удаленной от точки впрыска области 3 (2.91% для ГКС и 3.58% для системы с ХКС).
Таким образом, можно сделать вывод, что горячеканальная система дает возможность формовать более качественные изделия. Все последующие анализы были выполнены с горечеканальной литниковой системой.
Реологические свойства полимера в значительной степени определяют процесс заполнения и качество формуемого изделия. Для оценки этого влияния был проведен анализ заполнения и выдержки под давлением для выбранных марок полипропилена, различающихся вязкостью расплава в условиях переработки. Для анализа были установлены следующие параметры литья: температура формы 55°С, температура расплава 225°С, время заполнения 2.5 секунды, время выдержки под давлением 30 секунд при давлении в 70 МПа. Анализ FLOW/WARP показал, что для полимеров с большей вязкостью расплава наблюдается повышение максимального давления литья (52 МПа для Chisso K5028F, 85 МПа для Chisso K4017H, 101 МПа для Chisso K-7714), при этом наблюдается увеличение коробления, особенно существенное для Chisso K-7714 (2.0 мм для Chisso K5028F, 2.7 мм для Chisso K4017H и 4.9 мм для Chisso K-7714) а также увеличивается усадка во всех анализируемых точках (1, 2, 3 рисунок.1), причем наиболее значительно в удаленных областях изделия и наиболее значительно для Chisso K-7714, обладающего наибольшей вязкостью расплава. При этом, начальное значение усадки сразу после заполнения больше у полимера с наименьшей вязкостью, что связано с тем, что давление литья для него меньше, чем у более вязких полимеров. Однако в процессе выдержки под давлением, усадка во всех анализируемых точках компенсируется значительно эффективнее именно в случае полимера с меньшей вязкостью.
Таким образом, для снижения коробления и разброса усадки в изделии, рекомендуется использовать полимер с более низкой вязкостью.
С целью определения влияние времени заполнения на процесс формования были выполнены анализы FLOW/WARP для времен заполнения в интервале от 2.4 до 3.3 с. Анализы проводились при одинаковых условиях: температура формы 55°С температура расплава
225°С , время выдержки 30 секунд при давлении 70 МПа, используемый полимер: СЫббо К4017Н.
При увеличении времени заполнения в выбранном нами диапазоне, наблюдается повышение максимального давления литья (с 84.1 МПа для времени заполнения 2.4 секунды и до 85.8 МПа для 3.3 секунды). Температура фронта потока расплава в конце заполнения при увеличении времени заполнения снижается (218.4°С для времени заполнения 2.4 секунды и 1930С для времени заполнения 3.3 секунды). Это говорит о существенном влиянии охлаждения расплава в процессе течения в оформляющей полости. При увеличении времени заполнения наблюдается увеличение усадки в наиболее удаленных областях от точки впуска (особенно в наиболее удаленной зоне 1). В тоже время в области близких к точке впуска наблюдается даже некоторое снижение усадки (рис. 2).
б
Рис. 2 - Значение объемной усадки в анализируемых точках при разных значениях времени заполнения: а - 2.4 секунды; б - 3.3 секунды
Такой характер зависимости объясняется тем, что хотя при малых временах заполнения усадка сразу после заполнения выше, чем при больших временах заполнения (вследствие меньшего давления литья при малых временах заполнения), в процессе выдержки под давлением усадка уменьшается быстрее в случае малых времен заполнения, особенно в удаленных от точки впрыска расплава областях вследствие более высокой температуры расплава этих областей. Таким образом, лучшее качество изделия достигается при небольших временах заполнения (от 2.4 с до 2.8 с). Следует отметить, что при таких временах скорость заполнения достаточно высока (175 см3/с -150 см3/с) и не любая литьевая машина может ее обеспечить.
С целью определения влияния температуры расплава на качество изделия был проведен анализ FLOW/WARP при температурах расплава 200°С,
2250С, 2400С; температуре формы 550С температуре расплава 225°С, времени выдержки под давлением 30 секунд при давлении 70 МПа, используемый полимер: СЫббо К4017Н.
При увеличении температуры расплава максимальное давление литья снижается (с 105 МПа для 2000С и до 75 МПа для 2400С) в результате уменьшения вязкости расплава. Разница температур фронта потока расплава в начале и конце заполнения с увеличением температуры расплава несколько возрастает (с 20°С для 1800С и 360С для 2400С температуры расплава), также несколько увеличивается время охлаждения изделия. При этом наблюдается уменьшение усадки во всех областях, особенно существенное в удаленных от точки впрыска расплава, так же уменьшается коробление (3.6 мм для 2000С. и 2.6 мм для 2400С), что объясняется повышением эффективности выдержки под давлением, особенно в удаленных от точки впрыска расплава областях при повышении температуры расплава (рис. 3).
а
AT2037S ■ Т467
• Т6277
б
Рис. 4 - Значение объемной усадки в анализируемых точках при разных температурах расплава а - 2000С; б - 2400С
С целью определения влияния температуры формы на качество изделия были проведены анализы FLOW/WARP для полимера Chisso K4017H с температурами формы 45°С, 55°С, 65°С; при температуре расплава 225°С, времени заполнения 2.8 секунд, времени выдержки под давлением 30 секунд при давлении 70 МПа.
При повышении температуры формы с 45°С до 65°С снижается максимальное давление литья (с 87 МПа до 82 МПа); увеличивается время охлаждения (с 9.3 с до 15.5 с); при этом коробление изделия уменьшается (с 2.9 мм до 2.6 мм), а усадка снижается во всех областях и наиболее существенно в удаленной от точки впуска области (рис. 4).
Снижение усадки при повышении температуры формы, происходит вследствие большой эффективности процесса выдержки под давлением (рис. 4), особенно в удаленных от точки впуска
расплава областях. Таким образом, можно сделать вывод, что при повышении температуры формы, качество изделия увеличивается, однако надо учитывать, при этом имеет место увеличение длительности цикла из-за увеличения времени охлаждения изделия.
а
■ Г487 • T6J77
б
Рис. 4 - Значение объемной усадки в анализируемых точках при разных температурах формы: а - 450С; б -650С
Все рассмотренные виды анализа проводились без учета влияния системы охлаждения -предполагалось, что имеет место равномерный отвод тепла по всей поверхности формы. Система охлаждения форм для литья под давлением ответственна за равномерное и интенсивное охлаждение отливки по всему объему. Основные требования, предъявляемые к конструкции системы охлаждения - однородность температурного поля при максимальном отводе тепла из зоны отливки и минимальном из зоны литниковых каналов. С учетом геометрии изделия, распределения температурного поля по изделию, конструкции литниковой системы, была предложена конструкция системы охлаждения с 3 каналами в матрице, 3 каналами в пуансоне, позволяющая более эффективно охлаждать изделие.
Был проведен анализ без учета системы охлаждения (FLOW/WARP) и с учетом системы охлаждения (COOL/FLOW/WARP) при одинаковых условиях формования: температура расплава 225°С, температура формы 550С, время заполнения 2.8с, время выдержки под давлением 30 секунд, давление выдержки 70 МПа, полимер Chisso K4017H. Сравнение результатов этих анализов показало, что при сохранении показателей усадки и коробления, в случае использования предложенной системы охлаждения время охлаждения снижается с 13.7 секунд до 9.3 секунд.
Литература
1. Курносов В.В., Перухин Ю.В., Стоянов О.В.
Компьютерное моделирование процесса изготовления
изделий из пластмасс литьем под давлением. // Вестник Казан. технол. ун-та. 2012 Т15, №14. С. 111-114
2. Курносов В.В., Косолапов Д.С., Перухин Ю.В., Стоянов О.В. Компьютерное моделирование процесса изготовления изделия "лопатка" из пластмасс литьем под давлением. // Вестник Казан. технол. ун-та. 2013 Т.16, №10. С. 169-172
3. Курносов В.В. Перухин Ю.В., Хабибулина А.Р., Жуков Я.Р. Оптимизация конструктивных и технологических параметров процесса изготовления изделий "вешалка". // Вестник Казан. технол. ун-та. 2013 Т.16 .№17. С. 209-211
4. Курносов В.В., Мулдакашева Э.Б. Компьютерный анализ процесса литья под давлением при проектировании изделий из пластмасс // Вестник Казан. технол. ун-та. 2015 Т.18 .№7. С. 243-247
5. Курносов В.В., Маврина А.Ю. Компьютерный анализ изготовления изделия «блюдце универсальное» из пластмасс литьем под давлением // Вестник Казан. технол. ун-та. 2015 Т.18 .№17. С. 130-134
6. Autodesk Moldflow Insight 2012 Beta. What's new in this release. Autodesk, Inc., 2010. - 20 p.
7. Т. Оссвальд, Л.-Ш. Тунг, П. Дж. Грэманн Литье пластмасс под давлением. Профессия, СПб, 2006, С. 400-421.
© В. В. Курносов - канд. техн. наук, доц. каф. технологии переработки полимеров и композиционных материалов КНИТУ, vitaly99@mail.ru; Ю. В. Перухин - канд. хим. наук, проф. каф. технологии переработки полимеров и композиционных материалов КНИТУ, Т. В. Захарова - студентка гр. 523-М3, каф. технологии переработки полимеров и композиционных материалов КНИТУ.
© V. V. Kurnosov, Ph.D., assistant professor of technology for the processing of polymers and composites KNRTU, vitaly99@mail.ru; Yu. V. Peruhin - Ph.D, professor of. technology for processing of polymers and composites KNRTU, T. V. Zaharova - student group 523-M3 dep. technology for the processing of polymers and composites KNRTU.
