Выбор марки полимера с учётом геометрических размеров изделий Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

УДК 678.6/7:678.5

В. Г. Бортников

ВЫБОР МАРКИ ПОЛИМЕРА С УЧЁТОМ ГЕОМЕТРИЧЕСКИХ РАЗМЕРОВ ИЗДЕЛИЙ

Ключевые слова: полимеры, литьё под давлением, показатель текучести расплава, формующая полость формы,

толщина стенки изделия.

Выбор полимерного материала (ПМ) производится с учетом в первую очередь технических требований, предъявляемых к изделию. Но при этом принимаются во внимание и требования к физико-механическим, теплофизическим и диэлектрическим свойствам ПМ, а также его стоимость и возможность приобретения (его доступность). Предлагаемая методика выбора предлагает определить показатель текучести полимер, используя условия течения расплава в формующей полости формы.

Key words: polymers, injection molding, melt flow rate, shape of the cavity, the wall thickness of the product.

A polymer material is selected, first of all based on technical reguirements set for the product and the material melt fluidity. It is demonstrated how a reguired melt flow index can be calculated beforehand so that a product of certain geometrical parameters could be manufactured by injection molding.

Возникающие в элементах изделия (после его изготовления) остаточные напряжения непосредственно зависят от его геометрических характеристик, а также от технологических параметров процесса изготовления (температуры, давления, скорости течения расплава, скорости охлаждения и др.). Прочность ПМ в изделии, изготавливаемом, например, литьем под давлением, во многом зависит от технологических параметров процесса, а также от конструкции технологической оснастки, в частности - от месторасположения точки впрыска расплава термопластичного ПМ. При выборе ПМ учитываются его эстетические и декоративные характеристики (цвет, блеск поверхности, прозрачность и др.) и, не в последнюю очередь, его технологические свойства, особенно текучесть расплава. Таким образом, в результате многофакторного анализа из возможных вариантов ПМ, удовлетворяющих эксплуатационным требованиям, выбирается наиболее технологичный и экономичный.

Для литья под давлением обычно используют ПМ с высоким значением показателя текучести расплава (ПТР). Однако можно перерабатывать полимеры и с меньшей текучестью, но при этом требуется более высокая температура, что не всегда допустимо из-за возможной термической деструкции. Литье под давлением ПМ с малыми значениями ПТР становится менее проблемным для изделий с большой толщиной стенки (меньше гидравлическое сопротивление) и соответственно повышенными механическими характеристиками. Формы в этом случае имеют укороченные литниковые каналы с достаточно большой площадью их сечения. При литье же тонкостенных изделий используют ПМ со значением ПТР не менее 7 г/10 мин. Однако эти рас-

суждения субъективны, и для выбора конкретной марки ПМ с требуемой текучестью необходимо использовать реологические характеристики, такие как зависимость напряжения или вязкости от скорости сдвига.

Известно, что к моменту окончания впрыска расплава в оформляющую полость литьевой формы давление литья Рл будет равно сумме потерь давления в сопле материального цилиндра (АРс), литниковых каналах (ЕРлк) и собственно в оформляющей полости формы (Рф):

Рл = АРс + !АРлк + АРф. (1)

Потери давления на всех участках течения расплава зависят от объемной скорости впрыска и вязкости расплава. Если потери давления будут слишком велики, то объемная скорость впрыска уменьшается, и за счет преждевременного охлаждения расплава изделия получаются недооформленными. Расчет потерь давления АРф в оформляющей полости производится по уравнениям, учитывающим реологические свойства расплава ПМ [1]. Так, для отливки, имеющей форму пластины или втулки значение АРф составит:

/1 + 2п 1" ( 21 У*"

Ы • (2)

где К [Па-сп] и П - коэффициенты реологического уравнения; 3 - глубина формующей полости (толщина стенки изделия), имеющей форму плоской или кольцевой щели, с учетом образовавшегося на ее поверхностях твердых слоев полимера [1]; tв - время впрыска; I - длина пути течения расплава по длине участку оформляющей полости с постоянной геометрией сечения.

ДРф = К

nt

в J

В тех случаях, когда по траектории течения расплава толщина или другие геометрические характеристики канала оформляющей полости изменяются, рассчитывают потери давления на отдельных участках с постоянной геометрией полости, а затем находят суммарные потери. Для упрощения последующих расчетов давления литья Рл, обеспечивающего требуемую скорость впрыска расплава, потери давления АРф в форме обычно принимают, АРф ~ 0,6 Рл.

Как видно из уравнения (2), при заданном значении ^ величина АРф возрастает с увеличением отношения 21/3, т.е. с увеличением габаритов и уменьшением толщины стенки изделия. Поэтому, чем больше площадь поверхности изделия и чем меньше толщина стенки, тем больше должна быть текучесть полимера. Для удобства дальнейших расчетов время 4 впрыска, заменить отношением объема отливки О к объемной скорости впрыска V и решить уравнение (2) относительно коэффициента К реологического уравне-

ния:

К = ДР.

пУ

_ 0(1 + п)_

|+п

(3)

Рассчитанное по выражению (3) значение К имеет смысл максимально допустимого для того, чтобы расплав полимера, впрыскиваемый с объемной скоростью О в оформляющую полость полностью заполнил оформляющую полость объемом V и толщиной 5 при длине пути течения, равной I, и потерях давления, равных Рф.

Полученное уравнение учитывает не только реологические свойства расплава полимера, но и геометрические характеристики литьевого изделия. Наконец, чтобы количественно связать реологические свойства полимера с требуемым значением J ПТР [г/10 мин] выбираемого полимера, используем уравнения, приведенные в [2], и получим:

J =

1 600япрр

К1

1 + 3п

1

2(1] + mRj) • Рш

(4)

где И] и I] - радиус и длина сопла прибора для определения ПТР, см; р - плотность расплава полимера при температуре Ту определения ПТР, г/см3; Рш - площадь штока прибора, м2; g - ускорение свободного падения, м/с2; - масса груза,

кг; т - входной поправочный коэффициент.

Плотность рр можно выбрать из справочных даны при температуре Т а показатель степени вначале принимается равным равной П = 0, 5, а затем используя уравнения, приведенные в [2], находится его уточненное значение. При выборе марки полимера величина его ПТР должна быть не меньше, чем найденная по уравнению (4). Тогда рассчитанное по выражению (4) значение J будет гарантированно выше необходимого, так как литье под давлением изделий из ПМ производится при более высокой температуре, чем температура 7]', поэтому вязкость расплава будет соответственно меньше, а это будет дополнительно гарантировать успешное заполнение формы полимером.

Таким образом, не затрагивая вопросы проектирования и расчета литниковых каналов, процесс заполнения формы расплавом полимера функционально можно описать с использованием ПТР, который может быть определен с учетом геометрических параметров литьевого изделия еще на стадиях выбора полимера, проектирования литьевой формы и расчета режима литья.

Литература

1. 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.

2. Бортников В. Г. Метод расчета режимов течения расплавов полимеров с использованием ПТР// Полимерные материалы. - 2007, № 10 (101). С. 20 -23.

© В. Г. Бортников - проф. каф. технологии переработки пластических масс и композиционных материалов КНИТУ, wlbortnikov@rambler.ru.

п