Содержание к диссертации
Введение
1. Литературный обзор
1.1. Влияние основных технологических параметров переработки на структуру и свойства материала в изделии 7-22
1.2. Влияние конструкций на структуру и свойства материала в изделии . 22-26
2. Объект и методы исследования
2.1. Методы оценки свойств изделий 27-31
2.2. Конструкции изделий, оборудование и оснастка 31-36
2.3. Характеристика исследуемых материалов 36
2.4..Режимы литья под давлением 36-44
2.5. Средства и методы изменения технологических параметров литья под давлением и физико-механических показателей свойств изделий 45-48
3. Экспериментальная часть
3.1. Определение корреляционной связи между
избранными показателями качества изделий и их физико-механическими показателями свойств 49-72
3.2. Связь избранных показателей качества изделий с критерием массы 72-82
3.3. Определение критериальных уравнений для избранных показателей качества изделий 82-86
3.4. Связь критериев конструкции изделия с критерием массы и показателями свойств изделия 86-93
3.5. Сравнения результатов исследований 93-106
3.6. Методика определения оптимального реаима литья под давлением изделий из термопластов 106-108
4. Выводы
5. Литература
- Влияние конструкций на структуру и свойства материала в изделии .
- Конструкции изделий, оборудование и оснастка
- Средства и методы изменения технологических параметров литья под давлением и физико-механических показателей свойств изделий
- Определение критериальных уравнений для избранных показателей качества изделий
Введение к работе
В проекте ЦК КПСС к ХХУІ съезду партии "Основные направления экономического и социального развития СССР на І98ІТ-І985 гг. и на период до 1990 года" предусмотрен значительный рост производства пластических масс. Актуальными проблемами переработки пластических масс в изделия, кроме расширения ассортимента и областей применения, являются совершенствование технологии, повышение эффективности и качества производства, а также, снижение себестоимости получаемой продукции.
В настоящее время трудно представить какую-либо отрасль производства без применения пластических материалов, обладающих многими ценными технологическими свойствами... При гаком росте, производства и применении пластических материалов большое значение приобретает качество выпускаемых изделий, т.к. высокое качество продукции равноценно увеличению объема выпускаемой продукции.
Современные представления о технологии переработки пластмасс сводятся к тому, что этот процесс очень сложен и зависит от ряда факторов. В частности, при расчете литья под. давлением пластмасс уже сейчас используют более 20 параметров, в том числе толщина изделия и наибольшая длина заливки расплава, т.е. параметры, определяемые размерами изделия. В целом конструкция изделия не учитывается, хотя совершенно очевидно, что конструкция изделия должна определять: направление потоков расплава при заполнении формы; скорости течения; места стыков потоков; величину ориентация полимерного материала в потоке; равномерность распределения .давления и температуры по объему изделия; скорости протекания релаксационных процессов и формирования конечных структур в изделии и, следователь-
но, эксплуатационные характеристики изделий.
Комплексное влияние всех упомянутых факторов пока не удается связать едиными зависимостями, которые можно было бы использовать в технологии литья под давлением и существенно улучшить качество изделия.
В последние годы в области переработки пластических масс достигнуты большие успехи. Разработаны многочисленные рекомендации по правильному выбору технологических параметров переработки, обеспечивающих выпуск изделий с высокими эксплуатационными свойствами. Изучено влияние отдельных технологических параметров переработки на качество готового изделия. Однако необходимо отметить, что влияние конструктивных особенностей изделий на качество изготовления изучено недостаточно. Недостаточно отработан также контроль технологических параметров процесса производства изделий и, следовательно, стабильности их качества. С учетом имеющихся колебаний технологических параметров текущий (операционный) контроль качества готовых изделий приобретает немаловажное значение.
Исходя из вышеизложенного, настоящая диссертационная работа посвящена изучению влияния конструкции изделия на процессы формирования структуры и свойства готовых изделий, отработке оптимальной технологии литья с учетом конструкции изделия, разработке методов операционного (оперативного) контроля процесса литья под давлением изделий из термопластов.
В ходе работы было показано, что качество изделия существенно связано с его конструкцией. Изделия сложной конструкции не всегда можно получить с такими показателями свойств, как у изделий с простой конструкцией. Для улучшения качества сложных изделий необходимо технологию литья отрабатывать применительно к каж-
дому изделию, конструкции литьевой формы и конкретной литьевой машины.
Для оперативной оценки параметров процесса литья и качества получаемых изделий был введен безразмерный критерий массы изделия <Х. Установлена корреляционная связь критерия массы с основными показателями свойств изделия (усадка, твердость и шероховатость поверхности).
В качестве критерия оценки сложности конструкции изделия предложено использовать коэффициент разнотолщинности и удельную поверхность изделия. Установлена взаимосвязь указанных критериев с показателем ОС и свойствами готового изделия.
Предложен комбинационно-синтезирующий метод определения оптимальных технологических параметров процесса литья под давлением по уравнениям регрессии для конкретных условий (конкретного изделия, литьевой машины, формы, материала).
Влияние конструкций на структуру и свойства материала в изделии .
Литье под давлением, несмотря на известные другие способы переработки пластических масс, остается самым распространенным и перспективным способом переработки полимерных материалов в изделия.
Изучению процесса переработки термопластов литьем под давлением посвящены многочисленные работы советских и зарубежных исследователей. В начале 50-60-х годов этого столетия значительный вклад в области теории литья под давлением внесли Спенсер и Гиль-мор [2,4] , Баллман [5-7], И.В.Канавец [8,12], Г.В.Сагалаев [13-16], В.В.Лапшин [17-20], М.С.Акутин [21-24]. В последующие годы в работах Э.Л.Калинчева [23-26] , В.В.Абрамова [27-29] и других была сделана попытка объяснить ряд интересных и СЛОЕНЫХ явлений, связанных с различными стадиями процесса литья под давлением.
Большинство проблем, возникающих при литье под давлением, связано с сильным изменением плотности полимера в зависимости от технологических параметров, влияющих на качество изделия.
Известно, что качество изделий предопределяется структурой материала в изделии, их конструкцией, технологией изготовления и свойствами применяемого материала [26,30].
Критерием высокого качества литьевых изделий принято считать отсутствие следующих дефектов: коробления, вмятин, усадочных раковин, шероховатости поверхности и трещин [Зі]. Изделия без указанных дефектов можно получить только в случае впрыска в форму строго дозированного количества полимера при оптимальных значениях температуры и давления.
В последние годы в литературе [ 32-34 ] приводится большое количество рекомендаций по определению оптимальных значений основных параметров процесса переработки литья под давлением. Однако необходимо отметить, что все они решают отдельные, частные вопросы для конкретных изделий и описывают отдельные стадии процесса формирования изделия.
Большой опыт, накопленный в области литья под давлением термопластов в последнее время, привел к созданию различных методов, с помощью которых можно рассчитывать основные стадии, кинетику и параметры процесса литья. Однако эти расчетные методы громоздки, в связи с чем не нашли широкого применения [35].
С нашей точки зрения, для установления оптимальных технологических режимов необходимо рассмотреть комплексное влияние этих параметров на процесс переработки пластмасс и установить их взаимосвязь с качеством изделий. В работах многих исследователей нашей страны, а также зарубежных ученых дан ряд закономерностей процесса литья под давлением, способствующих раскрытию важных явлений процесса, таких как зависимость плотности и давления от времени или же зависимость температуры отливки от времени и др. Благодаря исследованиям Спенсера и Гильмора показано, что связь между давлением, температурой материала и занимаемым им объемом для многих полимеров можно представить видоизмененным уравнением состояния Ван-дер-Ваальса. Это исключает необходимость экспериментального определения каждого из них где универсальная газовая постоянная; / - молекулярная масса мономера; - удельный объем полимера, м /Н; г - внешнее давление, МПа; - абсолютная температура полимера, К; ш - константа свободного объема, м3/Н; JL - константа внутреннего давления, МПа. Методы определения константЛ и й) приводятся в [36-38]. Значения констант оцениваются для обычного состояния полимера, находящегося в состоянии, близком к равновесному, и достаточно хорошо характеризуют перерабатываемость полимерного материала, его податливость под действием внешних факторов (давление и температура), а также возможность получения в изделии структуры, отличной от структуры материала, охлажденного изравновесного расплава, находившегося без давления. Изменение плотности материала (без учета наличия микропор и трещин) идет за счет изменения свободного межмолекулярного объема. Наличие большого свободного межмолекулярного объема (около 10$ [39] ) создает условия, при которых расплавы полимеров подчиняются газовому закону Вад-дер-Ваальса. Из работ [30,40-45] следует, что в процессе литья изделия под давлением из одной и той же формы могут получаться изделия с массой, отличающейся друг от друга до 20$. Такое большое изменение не может являться следствием изменения только свободного межмолекулярного объема, который характеризуется константой о) Изменение массы изделия может возникнуть вследствие создания в изделии структуры, далекой от равновесной.
Конструкции изделий, оборудование и оснастка
Качественная взаимосвязь твердости с другими физико-механическими показателями описана в [123-126].
В работе [H9J показано, что с изменением давления литья твердость изделий из наполненного полиамида АТМ-2 меняется от 170 до 250 МПа. Вместе с тем, в [127] указывается, что между показателями твердости и другими характеристиками механических свойств пластмасс трудно установить прямую взаимосвязь.
Твердость - легко определяемый показатель свойств изделий без разрушения, поэтому он принят нами для исследования. Твердость определялась по ГОСТу 4670-77. шероховатость поверхности характеризует качество изделия и зависит от технологии формования.
Исследования шероховатости поверхности изделий из полиэтилена [129J показали, что в зависимости от свойств материала, конструкции изделия и технологии формования шероховатость поверхности изменяется. Авторы работы [129] предлагают чисто технологические рекомендации по улучшению качества поверхности отливаемых деталей - метод литья с противодавлением, позволяющий устранить возможность появления поверхностных дефектов. Исследованиями установлено, что ухудшение состояния поверхности пластмассовых деталей приводит к значительному уменьшению (до 40%) прочности в условиях знакопеременной нагрузки.
По мнению А.А.Штурмана и А.П.Берлина [130-132], чем ниже шероховатость поверхности пластмассовых деталей, тем ниже их износ и его интенсивность. Детали с повышенной чистотой поверхности обладают более высокими прочностными характеристиками, и влияние высоты микронеровностей на износ специфично для каждого полимерного материала.
Из работ [133-136] явствует, что шероховатость поверхности является одним из основных параметров, определяющих долговечность сопряженных пар. 0днаков[137] шероховатости поверхности отводится второстепенная роль.
Учитывая неоднозначность литературных данных о связи показателей твердости и шероховатости изделий с их физико-механическими свойствами, нами были поставлены эксперименты с целью установления корреляционной связи этих показателей с сопротивлением статическому изгибу и сжатию на стандартных образцах.
Шероховатость поверхности образцов измерялась на профило-графе-профилометре модели 201. Шероховатость зубчатых колес из мерялось на рабочих поверхностях, а для образцов с различными геометрическими сочетаниями - на внутренних и наружных поверхностях. Измерения проводились согласно инструкции по эксплуатации профилографа-профидометра модели 201, разработанной заводом "Калибр". Значение шероховатости поверхности определялось по ГОСТу 2789-73.
Кроме того, многие полученные нами оптимальные результаты просчитывались в соответствии с рекомендациями [ 89 J на оптимальную структуру и нагрузочную способность [119].
Для исследований были взяты образцы конструкции и размеры, которые указаны в табл.2.1. При выборе конструкции изделий исходили из следующих соображений: - провести испытание изделий с плавными и резкими переходами от одной геометрической формы к другой по сечению; - с тонкими и толстыми стенками; - с гладкой и ребристой поверхностью; - с большими и меньшими габаритными размерами.
С другой стороны, первые четыре типа конструкции изделий (модельные) представляют собой наиболее часто встречаемые сочетания геометрических форм по сечению, применяемые в нефтяном машиностроении и приборостроении. Шестерня - представитель реального типа изделия, работающего в жестких условиях эксплуатации.
Средства и методы изменения технологических параметров литья под давлением и физико-механических показателей свойств изделий
Для обычных трех-, четырехфакторных наиболее распространенных процессов литья применялся метод ортогонального планирования.
Матрица планирования разрабатывалась на основании литературных источников и предварительных наших экспериментов [30, 47, 145], проводимых на литьевой машине ТП-І25 с варьированием трех технологических параметров.
При наличии многих технологических параметров процесса литья под давлением (характеристика материала и машины; конструкция формы и литниковой системы, температура расплава и по зонам машины; температура формы; давление впрыска, охлаждения; объем отливки и др.) нами выбраны в качестве переменных (варьируемых) три величины:
1. Давление впрыска (по манометру), т.к. большинство работающих в промышленности машин не имеют переключения давления с первичного на вторичное.
2. Температура расплава. Исключили контроль температуры по зонам машины с целью сокращения переменных параметров и оставили только выходной температурный параметр - температуру расплава.
3. Время выдержки под давлением и охлаждение изделия в форме определялось расчетным путем по известным формулам, при расчете которых исходили из тех предпосылок, чтобы обеспечить необходимое время для застывания литника и охлаждения изделия в форме, в свою очередь обеспечивающего извлечение изделий из формы без коробления. Выбранные параметры изменялись в широком диапазоне в целях определения нижнего предела параметров, обеспечивающих полное оформление изделия, и верхнего предела лимитиро ванного начала термомеханодеструкции полимера. В частности, давление литья для изделий из ПЭШ и УПМ-ОЗЛ варьировалось от 60 до 100 МПа, температура расплава изменялась в диапазоне 433-493 К, а для зубчатых колес из АТМ-2 давление и температура расплава изменялись соответственно в пределах 55-125 МПа и 508-553 К. Остальные параметры процесаа не варьировались с целью сокращения необходимого числа экспериментов, которое определялось по формуле: т.е. каждый тип изделия отливался в количестве 27 шт, на установившемся режиме машины.
Характеристика материала не изменялась, т.к. влияние материала на свойства исследуемых нами изделий проверялось выбором трех принципиально разных материалов. Характеристика машины, конструкция формы и литниковой системы для каждого изделия в процессе эксперимента существенно не изменялись. Температура по зонам машины задавалась возрастающей по зонам с разницей в 5-ЮС так, чтобы на выходе из сопла иметь за-данную температуру расплава.
Температура формы поддерживалась постоянной для ПЭШ - 1 = 60С; для УПМ-ОЗЛ -"= 60С; для АТМ-2 -Т = 90С; Объем отливки для каждого изделия во время экспериментов оставался постоянным. Показатели свойств изделий измерялись через 24 ч после извлечения из формы.
Абсолютные величины и колебания технологических режимов измерялись следующими средствами: а) температура литья - электронным регулирующим автомати ческим потенциометром типа 3QB-2-IIA и термопарой типа ТКК-ХШ; б) давление литья определяли по давлению гидрожидкости, создаваемому гидронасосом (по манометру машины). Оценка механических свойств достигалась определением твердости по Бринеллю (Нв), временного сопротивления статическому изгибу зуба шестерни4 на стенде (С) и удельной нагрузки () на шестерни на стенде [119] Определение твердости осуществлялось согласно ГОСТу 4670-77.
Исследования антифрикционной и нагрузочной способности зубчатых колес из графитопласта АТМ-2 проводились на машинах типа Амслера (МИ-ІМ) и на стенде с реактивным нагружателем СУ (рис. 2.4) по методике, разработанной Институтом механики металлополи-мерных систем АН БССР [133]. Износ измерялся при помощи штанген-зубомера на четырех зубьях в трех точках, в начале и через каждые 2 млн.цикдов нагружения. Окончательная величина износа определялась на универсальном эвольвенометре КЭУ-I (с увеличением в 500 раз), т.е. после переработки и испытания. Исследования износостойкости зубчатых колес проводились в условиях смазки и без смазки.
Определение критериальных уравнений для избранных показателей качества изделий
Аналогичные явления имеют место при изменений усадки и шероховатости от давления, а также от изменения температуры и давления у изделий из полистирола.
Изменение шероховатости происходит аналогично (симбатно) изменению усадки: максимальная - 0,98 1,70 мкм у изделий типа Г, минимальная - 0,53 1,35 мкм у изделий типа А. Изделия меньших размеров имеют меньшую шероховатость 0,53 0,98 мкм, изделия больших размеров - большую шероховатость 1,38 1,70 мкм. Колебание шероховатости от изменения температуры у одного изделия типа A-I - 0,53 0,76 мкм, а при изменении конструкции изделия при минимальной температуре - 0,72 мкм, при максимальной - 0,85 мкм.
Твердость изменяется антибатно изменению усадки: большую твердость имеют изделия типа А, а меньшую - типа Г. Что касается размеров изделий, то в общем можно говорить о тенденции уменьшения твердости с увеличением размеров изделия. Колебание твердости также в большей степени происходит при изменении конструкции, например у ПЭШ от изменения температуры 1,9 5,4 МПа, а от изменения конструкции 6,5 7,9 МПа.
С увеличением температуры расплава величины усадок и шероховатости падают, твердость - возрастает. Такое поведение показателей свойств в основном согласуется с известными представлениями об опыте эксплуатации. С увеличением температуры расплава время нахождения материала в форме при высокой температуре увеличивается и полнее проходят релаксационные процессы: снижается вязкость, уменьшается ориентация, повышается максимальное давлениє уплотнения расплава и его распределение становится более однородным. После извлечения изделия из формы усадка и ее колебания происходят в меньших размерах.
В изделиях, имеющих более резкие переходы от одних сечений к другим (типа Г и Б), отмечаются большие усадки, вследствие большого возбуждения потоков расплава на переходных участках, и более возбужденная (разрыхленная) структура расплава не успевает так полно отрелансировать в форме, как структура менее возбужденная (менее разрыхленная) в формах с плавными переходами (типа А и В). Следовательно, распределение массы силовых и тепловых полей внутри отливки происходит неравномерно. Создавшееся внутреннее напряжение в переходных участках отливки становится неуравновешенным. В данном случае ориентационные и релаксационные эффекты проявляются в меньшей степени.
Изделия, полученные в таких условиях, имеют значительно худшие свойства, чем изделия совершенной конструкции, которые создают условия полному прохождению релаксационных процессов и формированию оптимальной структуры.
В изделиях более толстостенных охлаждение идет медленнее; кристаллизация протекает при наличии высокой температуры.
Благоприятное поведение расплава в формах равнотолщинных с меньшими переходами отмечено опытом эксплуатации и нашло свое выражение в известных рекомендациях по конструированию изделий, равнотолщинных,с плавными переходами от одних граней к другим.
Аналогичное поведение показателя шероховатости с показателем усадки вытекает из самой природы образования шероховатости, как следствие неравномерной усадки в микрообъемах изделий, в частности объемах материала, находящегося на поверхностных слоях (на внешней поверхности изделия). Чем больше усадка, тем больше шероховатость.
Что касается твердости, то она изменяется антибатно изменению усадки. Это явление происходит вследствие того, что фиксируемая в эксперименте усадка есть усадка внешней формы. Если в форме релаксационные процессы прошли полнее, то вне формы они проявятся меньше. Следовательно, зафиксированная усадка также Судет меньше. Формирование структуры поверхности проходит в основном в форме, где имеет место и более интенсивное охлаждение и подпитка при наличии давления. В этих условиях плотность поверхностного слоя изделия (от чего зависит твердость) и показатель твердости оказываются выше.
На рис.3.1.6 - 3.1.9 представлены аналогичные зависимости для полиэтиленовых изделий при изменении давления литья. Из рисунков видно, что давление влияет на изменение свойств так же, как и температура. С увеличением давления литья усадка и шероховатость уменьшаются, а твердость увеличивается. Это объясняется тем, что повышение давления литья способствует более плотной упаковке макромолекул, вследствие чего увеличиваются механические показатели и размерная точность изделия.
Максимальное значение усадки имеют изделия типа Г (2,52 -3,56$), а минимальные - типа А (1,10 - 1,40$). С увеличением размеров изделий величина усадки увеличивается. Здесь диапазон значений усадки от изменения конструкции изделия также значительно больше, чем при изменении давления литья.
