CC BY
1105
УДК 678.6/7:678.5
В. Г. Бортников
ОСНОВНЫЕ ПРИНЦИПЫ ВЫБОРА ЛИТЬЕВЫХ МАШИН
Ключевые слова: литьевая машина, усилие смыкания, объём впрыска, гнёздность, коэффициент эффективной
мощности, выбор литьевой машины.
В данной статье на основе обобщения и дополнения накопленного в этой области опыта предлагается типовой алгоритм выбора литьевой машины при переработке полимеров с использованием найденного автором коэффициента эффективности.
Key words: injection molding machine, clamping force, injection volume, number of the form nests, the effective power
coefficient, the choice of the molding machine.
Injection molding is the most widespread method of plastics processing. The basic criteria and the order ofa injection molding machines choice are discussed here.
Выбор типа термопластавтомата (ТПА) производиться по усилию смыкания, объему впрыска, давлению литья, скорости впрыска расплава, удельному расходу электроэнергии, стоимости агрегата и уровню его автоматизации, обеспечивающей комплектность всех технологических операций. Выполнять его целесообразно в следующей последовательности:
Выбор ТПА с учетом усилия смыкания и объема отливки
Усилие смыкания необходимо для исключения раскрытия формы в момент заполнения ее расплавом. Для форм с туннельными или щелевыми впускными литниковыми каналами определяется по формуле:
N см * Рф • (РИзд • N ф + Fn), КН (1)
где Nф - гнездность формы; Рф = 50МПа - давление в форме, усредненное по площади отливки [1]; F^ и Fn - площади изделия и литников в плоскости разъема формы, м .
Для одногнездных форм и многогнездных форма с отрывными и горячеканальными литниками расчет усилия производится по уравнению:
N см * Рф • ^зд • N ф - кН (2)
В формах с отрывным литником усилие смыкания дополнительно проверяется по усло-
вию размыкания плит, между которыми расположена литниковая система:
Nсм * Рф • F - кН (3)
Объем отливки будет равен:
Q отл = G ИЗД ' N ф + G л - см 3 (4)
Р р
где G^ - масса изделия, г; Gn - масса литниковой системы, г; Nф - гнездность формы; р -плотность расплава при температуре литья, г/см3.
В одногнездных формах с точечным литником и в формах с горячеканальными литниковыми каналами Gn = 0, а в остальных случаях при предварительном расчете, когда еще не определены размеры литниковых каналов, масса их предварительно находиться по уравнению:
Gл = 0-05 • ^зд • ^ . (5)
Гнездность определить приближённо можно из условия, что годовая программа изделий изготавливается на одной форме и на одном термопластавтомате. В этом варианте предполагается полная загрузка литьевой машины и, соответственно, можно предположить, что экономические показатели также будут близки к оптимальным.
В этом случае число гнездности будет равно:
Nфр 4ц -Пг)/(60.0ф) (6)
где 1 ц — время цикла, это время, затрачиваемое на изготовление одной отливки, мин; П Г - го-
довая программа выпуска изделий; ОФ - годовой фонд времени работы литьевой машины с учетом сменности, выходных и остановок на ремонт, ч/год.
Время цикла равно:
1Ц = К СЕР 'К ЛН • (1о + 1ВН ^мин (7)
где К СЕР - коэффициент, учитывающий серийность производства, К СЕР = 1 для крупносерийного производства, когда применяется стационарная форма, и К СЕР = 1,3 - для мелкосерийного, при работе на съемных формах; К ЛН - коэффициент, учитывающий время на личные надобности, КЛН =1; 10 - основное время; 1ВН - вспомогательное неперекрываемое время.
Основное (технологическое) время рассчитывается по формуле:
^0 _ 1см + 1пд + 1вп + ^8 + 1охл + ^, мин (8)
где 1см + 1рз - время на смыкание и размыкание формы, мин; 1пд - время на подвод и отвод сопла, мин; 1вп - время на впрыск расплава в форму, мин; 1в + 1охл - время выдержки под давлением и охлаждения (см. расчет технологических параметров).
Вспомогательное неперекрываемое время при работе на стационарной форме равно:
1 вн _ ^сн + ^оч.с +1пс + 1пу, мин (9)
где 1сн - время на съем изделия с формы, мин; 1очс - время на очистку сопла и литниковых каналов, мин; 1пс - время на протирку и смазку формы масляной ветощью один цикл, мин; 1пу -время пуска или остановки машины, мин.
После этого, найденная гнёздность уточняется с учётом себестоимости выпуска продукции, при которой обеспечиваются минимальные затраты производства [2].
Выбор с учётом конфигурации изделия и точности его изготовления
Точность изготовления изделий в основном зависит от изменения усадки полимера, которая изменяется от колебания технологических параметров, а также от степени ориентации макромолекул и степени кристалличности полимеров. Чем больше давление, создаваемое в формующей полости и чем ниже температура расплава, тем меньше усадка. В связи с этим литье изделий из полимеров с большой величиной усадки (полиэтилен, полипропилен) должна выполняться на термопластавтоматах с большим удельным давлением литья 160 - 200 МПа.
В этом случае, варьируя давление в широких пределах, можно достигнуть нужных размеров изделия. Особенно высокое давление требуется при литье тонкостенных изделий, так как при недостаточном удельном давлении может произойти недолив. В этом случае применяются полимеры с высокой текучестью, а поскольку расплав в формующей полости быстро охлаждается, то необходимо обеспечить высокую скорость впрыска, в этом случае применяются литьевые машины с гидроаккумулятором.
Потери давления, которые возникают в формующей полости во время течения расплава, функционально связаны с объёмной скорость впрыска расплава АР = ф(\/)п . Использование гидроаккуммуляторов позволяет значительно увеличить объёмную скорость впрыска. При литье толстостенных изделий из высоковязких полимеров можно применить термопластавто-мат с давлением 160 - 200 МПа, но с небольшой объемной скоростью заполнения.
Располагая табличными данными технических характеристик ТПА и рассчитанными величинами, можно выбрать марку литьевой машины, которая должна соответствовать выпуску данной продукции. При наличии большого ассортимента литьевых машин, выпускаемых различными фирмами, по усилию смыкания и расчетному объему впрыска трудно выбрать оптимальный вариант. Для сравнительной оценки ТПА можно рекомендовать коэффициент эффективной мощности впрыска литьевой машины, найденный, как отношение мощности, которая обеспечивается во время впрыска, к объему впрыска:
руд -V — 3
Кэф =Г^^ = —, Вт / м3 (10)
эф V V
3
где Руд - давление впрыска, бар; V - объёмная скорость впрыска, см /с; V - объем впрыска, см (объём отливки); — - мощность, которая обеспечивается во время впрыска.
Коэффициент эффективной мощности впрыска литьевой машины уменьшается с ростом объёма отливки и численно отличается для различных типов машин. Для сравнительного анализа приведены данные по ТПА двух фирм Беша§ Е^^есЬ и ВайепГеЫ. Как видно из рис. 1 и рис. 2, наибольшими коэффициентами обладают литьевые машины Беша§ Е^^есЬ марки ЕЬ-ЕХТБ и ВайепГеЫ марки ТМБ.
10 100 1000 10000 100000
-•-НМ -е-ТМ -а-ЕМ -к-ТМБ
Рис. 1 - Зависимость коэффициента эффективной мощности от объема отливки литьевых машин фирмы ВаИепГеМ
Для производства целесообразно выбрать марку ТПА с максимальным значением Кэф, что позволит использовать его при литье полимеров с большим разбросом значений усадки и для более вязких полимеров. Выбранные марки ТПА затем уточняются с учетом удельного давления, возникающего в момент впрыска расплава в формующую полость:
РУд = 2 РЛ + 2 РМ + 2 РФ ,МПа
где ^АРм - суммарные потери давления в мундштуке, МПа; ^Арл - суммарные потери давления в каналах литниковой системы формы, определенные исходя из количества расчетных участков и их длины, МПа [2]; ^ АРф - суммарные потери давления в форме.
Суммарные потери давления в формующей полости находятся с учетом толщины стенки и длины пути течения расплава (расстояние от впускного литника до удаленной части):
С . _ Лп /0|\1+п
Р ф2 = К
1 + 2п
п ' '.пр у
где К — коэффициент реологического уравнения; I - длина пути течения расплава на участке с определенной геометрией, м; 1 впр - время впрыска, с; 5- толщина стенки детали, м.
К, кВт/м
V, см*3
10
100
1000
10000
-о— ERGOTECH VIVA 25...100 -A-ERGOTECH CONCEPT/SYSTEM 125. -в—ERGOTECH maXX H—ERGOTECH EL-EXS E 60.350 ---ERGOTECH VERTICAL 35.650
-■—ERGOTECH CONCEPT/SYSTEM 25.110 350 ERGOTECH SYSTEM 420.2000 -•—ERGOTECH EL-EXS E 60.200 -------ERGOTECH MULTI 50.330 h/v
Рис. 2 - Зависимость коэффициента эффективной мощности от объема отливки литьевых машин фирмы Demag Ег«о(есИ
Коэффициент реологического уравнения К находится из рис. 1 на линии, соответствующей условиям литья полимеров, при этом он равен напряжению сдвига при скорости сдвига равной единице (К =
При выборе литьевых машин важнейшим параметром является также пластикационная производительность, которая линейно зависит от частоты вращения шнека и обратно пропорциональна давлению подпора. При этом она определяется характеристикой перерабатываемого материала и ходом (величиной смещения) шнека и рассчитывается с учетом объема отливки по формуле:
Опл = (!2)
1ОХЛ + 1Р
3
где /ОТЛ - объем отливки, см ; 1Р - время на размыкание и смыкание формы, с.
Пластикационная производительность машины должна быть больше или равна расчетной. Как показал анализ, технические характеристики ТПА с одинаковым значением диаметра шнека бшн, выпускаемых различными фирмами, отличаются между собой значением пласти-кационной производительности О, мощностью привода — и количеством оборотов шнека Ы, кроме того, они имеют различные отношения длины шнека к диаметру (Ь/й меняется от 20:1 до 25:1), что не позволяет количественно сравнивать их друг с другом.
В данном случае можно использовать критерий пластикации, который характеризует отношение мощности данного агрегата, к производительности пластикатора, приходящуюся на один оборот скорости вращения шнека с учетом его длины:
W • N
Клл = ^^,КВт°б/кг ■ <13>
где — - мощность привода, кВт; N - количество оборотов шнека, об/мин; О - производительность экструдера, кг/ч; 1-/0 - отношение диаметра шнека к его длине.
Выбранная литьевая машина должна отвечать всем параметрам одновременно, т.е. иметь наибольший коэффициент эффективной мощности впрыска, заданное значение объём-
ной скорости впрыска, удельное давление литья, а также наиболее высокий критерий пласти-кационной производительности. Окончательный выбор литьевой машины производится с учетом надежности её конструкции, стоимости изготовления, затрат на транспортировку и монтаж.
Литература
1. Бортников, В.Г. Производство изделий из пластических масс: Учебное пособие для вузов в трех томах. Том 2. Технология переработки пластических масс. Казань: Дом печати. - 2002. - 399 с.
2. Бортников, В.Г. Производство изделий из пластических масс: Учебное пособие в трех томах. Том 3. Теоретические основы проектирования изделий, дизайн и расчет на прочность. Казань: Дом печати, 2001. 246 с.
© В. Г. Бортников - канд. техн. наук, проф. каф. технологии переработки пластических масс и композиционных материалов КНИТУ, -^Ьо11шкоу@гатЫег.ги.
