Содержание к диссертации
Введение
1 Анализ проблем литьевого формования и пути совершенствования метода в обувном производстве 15
1.1 Специфические особенности и проблемы литьевого формования в обувном производстве 15
1.2 Анализ проблемы течения вязких жидкостей в охлаждаемых каналах 22
1.3 Современные представления о направленном регулировании свойств литьевых изделий 26
1.4 Проблемы прочности литьевых соединений и эффективность прямого литья низа на обувь 31
1.5 Постановка задач исследований 34
2 Развитие теории процесса заполнения литьевых форм затвердевающими полимерными расплавами 38
2.1 Разработка моделей течения полимерных жидкостей и постановка задачи теоретических исследований : 38
2.1.1 Модели течения затвердевающих жидкостей 39
2.1.2 Постановка задачи теоретического исследования
2.2 Нестационарный процесс затвердевания расплава в плоскощелевом канале 45
2.3 Затвердевание расплавов в круглых каналах 69
2.4 Предельное время течения затвердевающих расплавов при литьевом формовании \. 86
2.5 Анализ адекватности теоретических результатов
2.5.1 Оценка по предельному времени течения низковязкой ньютоновской жидкости 96
2.5.2 Предельное время течения подошвенных композиций 102
2.5.3 Оценка по кинетике затвердевания 106
Выводы по главе 115
3 Процесс литьевого формования и свойства литьевых деталей обуви 118
3.1 Совершенствование метода расчета элементов формующего инструмента : 122
3.2 Анализ механических свойств литьевых деталей обуви
3.2.1 Анизотропия механических свойств 129
3.2.2 Влияние рисунков и рифлений 136
3.2.3 Анизотропия усадки литьевых изделий 143
3.3 Влияние структуры поверхностного слоя литьевых подошв на прочность их клеевого крепления 146
3.4 Повышение адгезионной способности формованных подошв 156
3.5 Вторичная переработка подошвенных композиций
.5.1 Показатель текучести расплава 162
3.5.2 Физические свойства 164
3.5.3 Механические свойства 166
3.5.4 Прочность клеевых и литьевых соединений 169
Выводы по главе 172
4 Прочность литьевых соединений обувных материалов 174
4.1 Методологические вопросы оценки прочности литьевых соединений 175
4.1.1 Формирование литьевых соединений и факторы их прочности 175
4.1.2 Вероятностный анализ нестабильных факторов прочности литьевых соединений 185
4.1.3 Оценка прочности литьевых соединений
4.2 Химическая природа материалов верха обуви и прочность их литьевых соединений 194
4.3 Поверхностная структура материалов верха обуви и параметры механической адгезии литьевых соединений
2 4.3.1 Математическая модель диффундирования полимерных расплавов в структуру материалов верха обуви 204
4.3.2 Особенности адгезионного контакта в литьевых соединениях 212
4.3.3 Параметры механической адгезии в литьевых соединениях 216
4.4 Влияние структуры подошвенных композиций и режимов формования на прочность литьевых соединений 224
4.4.1 Прочность литьевых соединений пористых подошвенных композиций 225
4.4.2 Влияние режимов литья на прочность литьевых соединений 231
4.5 Математические модели прогнозирования прочности литьевых соединений 238
Выводы по главе 254
5 Совершенствование технологий прямого литья низа на обувь 257
5.1 Повышение прочности литьевого крепления низа к обуви и предотвращение выпрессовок 257
5.1.1 Факторы образования выпрессовок 258
5.1.2 Предотвращение выпрессовок и повышение прочности литьевого крепления 262
5.1.3 Повышение формоустойчивости обуви строчечно-литьевого метода крепления низа 268 5.2 Повышение прочности литьевого крепления низа к текстильной обуви.. 272
5.3 Повышение прочности литьевого крепления пористых подошвенных композиций 276
5.4 Совершенствование технологии изготовления обуви шнуровой затяжки литьевого метода крепления низа 280
Выводы по главе : 284
Заключение 286
Список использованных источников
- Современные представления о направленном регулировании свойств литьевых изделий
- Постановка задачи теоретического исследования
- Анизотропия механических свойств
- Формирование литьевых соединений и факторы их прочности
Введение к работе
з ,
Актуальность проблемы. К настоящему времени литье под давлением в производстве обуви располагает развитой технической базой и широким ассортиментом полимерных композиций. Это стало возможным, благодаря научной базе переработки полимеров и теоретическим положениям клеевого крепления низа обуви.
Вместе с тем, очевидны пробелы в теоретических основах метода в обувном производстве, которые обусловлены спецификой требований к деталям обуви, особенностями процесса их формования и технологий крепления низа. Недостаточно проработанная теоретическая база не позволяет полностью использовать потенциальные возможности метода в производстве обуви и расширить область его применения в отрасли.
Частая смена моделей и фасонов обуви требует оперативной замены парка литьевой оснастки, в результате чего оказывается неизбежной экспериментальная доводка формующего инструмента и подбор режимов литья. Такое положение свидетельствует о недостаточном знании процессов, происходящих при заполнении литьевых форм затвердевающими расплавами подошвенных полимеров. К тому же эти процессы не только определяют формуемость подошвенных композиций, но и обусловливают показатели свойств литьевых изделий.
До сих пор основным критерием качества формованных деталей обуви считается отсутствие видимых дефектов. Однако теоретические основы переработки полимеров указывают на возможности существенного улучшения свойств литьевых изделий за счет целенаправленного регулирования режимов формования и оформления изделий. За счет этого возможно и повышение адгезионной способности формованных деталей обуви, что требует всестороннего изучения ввиду важности этой проблемы.
При обеспечении прочности литьевого крепления низа обуви руководствуются теоретическими основами и практическими рекомендациями, разработанными для клеевых соединений. Однако они не всегда применимы для решения проблем литьевого крепления низа обуви, поскольку процессы
формирования КЛееВЫХ И ЛИТЬеВЫХ СОеДИНеНИЙ ВО рпгп^ рачттояоттгд
эдь&й
о»
Отсутствие научных основ обеспечения прочности литьевых соединений ограничивает ассортимент материалов верха обуви и сдерживает развитие новых технологий литьевого крепления низа.
. На основании изложенного вытекает необходимость и актуальность углубления и развития теоретических основ метода литья под давлением в производстве обуви, чему и посвящена настоящая диссертационная работа.
Целью работы является совершенствование технологий литьевого формования в производстве обуви на базе развития теоретических основ метода.
Для достижения поставленной цели в работе решены следующие задачи:
обоснованы модели течения затвердевающих полимерных жидкостей в каналах литьевой оснастки;
проведено теоретическое исследование процесса затвердевания полимерных расплавов в элементах формующего инструмента и выявлена взаимосвязь основных параметров заполнения литьевых форм;
усовершенствован метод расчета элементов формующего инструмента и параметров литьевого формования;
определены методологические аспекты анализа и оптимизации .свойств формованных деталей обуви;
разработаны пути повышения адгезионной способности поверхностей литьевых деталей обуви;
исследованы свойства многократно переработанных подошвенных композиций;
выявлен механизм формирования литьевых соединений обувных материалов;
созданы математические модели прогнозирования прочности литьевого крепления низа обуви;
разработаны основные направления совершенствования технологий литьевого формования в производстве обуви.
Методология и методы исследования. Методология исследований
базируется на теоретических основах переработки полимеров, современных
теоретических представлениях об явлении адгезии, научных основах
формирования поверхности полимерных материалов, теории
теплопроводности, методах математической физики, элементах теории
вероятностей и математической статистики, математических методах планирования и анализа эксперимента.
Исследования физико-механических свойств литьевых, изделий и
прочности литьевых соединений проведены разрушающими методами в
соответствии с нормативно-технической документацией. Для
микроскопического анализа объектов исследования применена оптическая и электронная микроскопия с использованием лабораторной базы института химии твердого тела и механохимии СО РАН.
Объекты исследований: процесс затвердевания полимерных расплавов при заполнении литьевых форм, элементы формующего инструмента и параметры литьевого формования, формованные детали обуви, технологические отходы подошвенных композиций, литьевые соединения обувных материалов, технологии литьевого формования в производстве обуви.
Научную новизну работы составляют следующие положения, которые выносятся на защиту:
теоретические модели затвердевания полимерных жидкостей в литьевой оснастке, устанавливающие взаимосвязь основных факторов процесса;
закономерности предельного времени течения затвердевающих жидкостей;
методология анализа и оптимизации свойств формованных деталей обуви;
теоретическое обоснование путей повышения адгезионной способности поверхности деталей низа обуви на стадии их литьевого формования;
теоретические представления о процессе формирования литьевых соединений обувных материалов;
математические модели прогнозирования прочности литьевого крепления низа обуви;
обоснование основных направлений совершенствования технологий литьевого формования в производстве обуви.
Достоверность научных положений работы подтверждается соответствием теоретических результатов известным данным, которые получили всеобщее признание, экспериментальными исследованиями,
эффективностью внедренных в производство технологий, разработанных на основе теоретических обобщений, проведенных в диссертации.
Практическое значение работы. На основе научных результатов
работы решен комплекс проблем прикладного характера, что позволило устранить большинство принципиальных недостатков литья под давлением в производстве обуви и повысить эффективность метода. Основными практическими результатами работы являются следующие:
номограммный метод расчета параметров оснастки и режимов литьевого формования деталей обуви;
.методы оптимизации свойств формованных деталей обуви на основе предъявляемых к ним и к обуви в целом требований;
способы повышения адгезионной способности поверхности литьевых подошв в зоне их клеевого крепления к верху обуви;
рекомендации по использованию вторичных подошвенных композиций при литьевом формовании подошв к прямом литье низа на обувь;
способы и устройства для повышения прочности литьевого крепления пористого низа к обуви;
способы предотвращения выпрессовок при одновременном повышении прочности литьевого крепления низа к обуви из кож с лицевым покрытием;
технология прямого литья низа обуви из материалов верха, не обеспечивающих достаточную прочность литьевого крепления;
способы повышения формоустойчивости обуви литьевых методов крепления низа.
Реализация результатов работы. Научные положения работы применимы как для решения общих проблем совершенствования процессов литьевого формования, так и частных задач технологического характера. К ним относятся: номограммный метод расчета оснастки и параметров формования; метод оптимизации свойств формованных подошв; повышение адгезионной способности поверхности формованных деталей низа; рекомендации по использованию технологических отходов подошвенных композиций; расчетные методы прогнозирования прочности литьевогокрепления низа обуви; способы предотвращения выпрессовок и повышения прочности литьевого крепления; решение проблемы обеспечения прочности крепления пористого низа обуви; технология прямого литья низа на обувь, предусматривающая двукратное нанесение клеевого слоя и его термоактивацию перед приливанием низа;
7 технология производства обуви шнуровой затяжки литьевого метода крепления низа.
Практическая значимость - работы подтверждена применением разработанных технологий, способов и устройств при литьевом формовании подошв из термоэластопластов на ЗАО СОК «Вестфалика» и при прямом литье низа на обувь на ЗАО «Коре» (г. Новосибирск). Суммарный годовой экономический эффект реализованных разработок составил 1 млн. 76 тыс. рублей в ценах 2003 г., что подтверждено соответствующими актами внедрения.
Помимо решения отдельных задач результаты работы определяют перспективные направления совершенствования литьевых методов в производстве обуви и с этих позиций являются методологической базой развития литьевого формования в отрасли.
Теоретические положения и прикладные разработки широко используются в учебном процессе, в частности, в лекционных курсах «Технология изделий из кожи», «Основы переработки полимерных материалов»; «Технологические процессы производства изделий из кожи», в курсовом и дипломном проектировании по специальности 281100 «Технология изделий из кожи», составляют основу авторского.курса лекций «Полимеры в изделиях из кожи».
Апробация работы. Результаты работы докладывались и получили положительную оценку на: Всесоюзном семинаре «Повышение эффективности производства легкой промышленности» (Москва, 1991г.), Российской научно-практической конференции «Образование в условиях реформ: опыт, проблемы, научные исследования», (Кемерово, 1997 г.), Всероссийской научно-практической конференции «Интеграция науки, производства и оборудования» (Новосибирск, 1999г.); Международной научно-технической конференции «Актуальные проблемы науки, техники и экономики легкой промышленности» (Москва, 2000 г.), Всероссийской научно-практической конференции «Новые технологии в научных исследованиях и образовании» (Юрга, 2002 г.); Межрегиональной научно-методической конференции «Высшая школа России: развитие традиций» (Новосибирск, 2002 г.); Международной научной конференции «Роль предметов личного потребления в формировании среды жизнедеятельности человека» (Москва, 2002г.); Международной научно-практической конференции «Новое в дизайне, моделировании,
конструировании и технологии изделий из кожи» (Шахты,- 2003г.); Всероссийской научно-практической конференции «Достижения науки и практики в деятельности образовательных учреждений» (Кемерово, 2003г.), Международной научно-технической конференции «Ресурсо- и энергосберегающие технологии промышленного производства» (Витебск, 2003 г.), технических Советах ЗАО «КОРС» (Новосибирск, 1992 и 2003 гг.), ЗАО СОК «Вестфалика» (Новосибирск, 2003г.); научном семинаре НТИ МГУДТ (Новосибирск, 2004 г.); заседании кафедры ТИК МГУДТ (Москва, 2004 г.).
Публикации. Основные положения диссертации опубликованы в 64 научных работах, среди которых 8 авторских свидетельств и патентов, учебное пособие и монография.
Диссертационная работа подготовлена по результатам научных исследований по госбюджетной теме «Совершенствование конструкторско-технологической подготовки и химических методов производства изделий и кожи», выполняемой в НТИ МГУДТ, хоздоговорных НИР с АО «Рослегпром», ЗАО «КОРС» (г. Новосибирск), ПТФ «СибАрс» (г. Киселевск), ООО «Рабочая одежда» (г. Новосибирск), ЗАО СОК «Вестфалика» (г. Новосибирск) и внутривузовскому гранту НТИ МГУДГ.
Личный вклад автора состоит в постановке и обосновании проблемы, разработке, идей работы, проведении теоретических исследований, постановке экспериментов, анализе полученных результатов и их обобщении, организации внедрения на предприятиях прикладных разработок. Автору принадлежат основные идеи работ, опубликованных в соавторстве, и теоретическое обобщение их результатов.
Объем и структура диссертации. Работа состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературных источников и приложения. Диссертация изложена на 290 страницах основного текста, включающего 115 рисунков и 22 таблицы. Библиографический список содержит 224 источника.
Современные представления о направленном регулировании свойств литьевых изделий
Эта специфика заключается в многообразии фасонов и размеров формуемых изделий, наличием разнообразных декоративных элементов на изделиях, частой сменяемостью моделей и фасонов в соответствии с модой. При этом влияние моды и дизайнерское оформление изделий часто превалируют над их рациональностью с точки зрения формуемости, оптимизации процесса литьевого формования и изготовления оснастки. Это обстоятельство вносит затруднения при освоении литьевых форм для новых изделий и отработке технологических режимов литья под давлением.
Формованные детали обуви, как и обувь в целом, являются сезонными изделиями, конструкция которых часто видоизменяется в соответствии с тенденциями моды. Поэтому к литьевым формам для их формования не предъявляют жесткие требования долговечности. В настоящее время литьевая оснастка изготавливается из алюминиевых сплавов методом точного литья с последующей механической обработкой. С целью снижения затрат на изготовление широко используются унифицированные конструкции литьевых форм и литниковых систем. Последнее приводит к разному характеру заполнения полостей форм при формовании различных изделий. Именно этим обусловлена необходимость экспериментальной доводки литниковых систем и корректировка режимов литья.
Однако, даже обеспечив свободное заполнение формы, внешний вид изделий не всегда удовлетворителен. На поверхности отформованных изделий могут быть недопустимо явные линии спаев потоков расплава, следы его течения, пятна и помутнения. Основные причины этих дефектов связаны с чрезмерным охлаждением расплава при заполнении формы, а также с нарушением сплошности потока и сложным движением фронта его свободной поверхности [40]. Это свидетельствует не только о том, что при проектировании оснастки часто пренебрегают известными рекомендациями, но и о необходимости углубленного изучения процесса затвердевания полимерных расплавов в охлаждаемых элементах формующего инструмента.
Свойства литьевых изделий определяются не только характеристиками перерабатываемых полимерных материалов, но и условиями их формования. Эта проблема хорошо изучена для литья под давлением пластмассовых изделий в фундаментальных [7, 11, 12] и прикладных [13, 14, 41-46] работах. Однако применительно к формованным деталям низа обуви систематизированный анализ этой проблемы отсутствует, и тем самым не реализованы возможности оптимизации их свойств. Добавим, что к деталям туристической, спортивной, специальной обуви предъявляются высокие требования к их прочности и долговечности, которые невозможно обеспечить без соответствующего регулирования условий литья.
Важнейшей проблемой технологии обуви является повышение прочности клеевого крепления формованных подошв. В рамках решения этой проблемы всесторонне исследованы вопросы оптимизации рецептуры применяемых адгезивов и технологического процесса склеивания [24, 25, 47]. При этом возможности повышения прочности клеевого крепления подошв за счет регулирования условий их литьевого формования не изучены.
Проблема формирования поверхности твердых тел, в том числе из полимерных материалов, имеет хорошо разработанную теоретическую базу [15, 48], которая позволяет определять условия получения поверхности с заданными функциональными характеристиками. Использование этой базы в процессах литьевого формования - важнейшая задача повышения надежности клеевого крепления формованных подошв.
Наиболее специфичным является прямое литье низа на обувь, представляющее собой симбиоз технологии обуви и переработки полимеров. В настоящее время очевидна ошибочность первоначальных прогнозов на счет того, что литье низа на обувь- в некоторой степени потеснит клеевой метод крепления низа. Основными причинами этого являются: - большие первоначальные затраты на оборудование и оснастку, требующие крупносерийного выпуска и реализации изделий, что в условиях обувного производства снижает его мобильность и способность следовать тенденциям моды; - невысокая эффективность традиционного литьевого метода крепления низа обуви обтяжно-затяжного способа формования заготовок верха; - трудности выполнения операций взъерошивания следа заготовок верха обуви параллельных внутреннего и внешнего способов формования на литьевых колодках, что ограничивает ассортимент материалов верха или усложняет технологический процесс; - невысокая формоустойчивость обуви строчечно-литьевого метода крепления низа и литьевого метода шнуровой затяжки верха, что ограничивает их применимость при производстве многих видов обуви; - более низкая по сравнению с клеевым методом прочность литьевого крепления большинства материалов верха к подошвенным композициям.
Хотя в последнее время появились сравнительно недорогие литьевые агрегаты, применимые и для мелкосерийного производства, разработаны экспресс-методы изготовления оснастки [49], литьевое оборудование все-таки остается капиталоемким. Это ориентирует прямое литье на производство обуви стабильного ассортимента [50]. К этому следует добавить, что из-за упомянутой малой эффективности литьевого крепления низа обуви обтяжно-затяжного способа формования верха, прямое литье развивается в направлении применения параллельных внутреннего и внешнего способов формования верха на литьевых колодках.
Постановка задачи теоретического исследования
Таким образом, наряду с известными данными о существенном влиянии режима течения жидкости на процесс ее затвердевания в каналах, нами разработаны модели "промежуточных" режимов течения. Очевидно, что для некоторых технологических процессов более корректно сводить течение к "промежуточным" моделям. В этой связи представляет интерес решение задачи затвердевания жидкостей в каналах для различных моделей течения. Постановка такой задачи изложена ниже.
В настоящем исследовании ставится задача анализа затвердевания термопластичных расплавов в плоскощелевых каналах (для которых в» 2 хк) и круглого сечений. Это обусловлено, во-первых, тем, что оформляющие полости литьевых форм для многих деталей обуви (подошв, каблуков, набоек и др.) имеют форму пластин. Во — вторых, обе эти формы сечений широко применяются в литниковых каналах литьевых форм. Кроме того, их рассмотрение представляет интерес для анализа влияния геометрии каналов на исследуемый процесс.
Процесс затвердевания текущих в каналах жидкостей определяется многочисленными факторами, полный учет которых при теоретических решениях невозможен. Поэтому для корректной постановки задачи выделим основные факторы, определяющие качественные и количественные характеристики процесса. Во-первых, необходим учет нестационарности процесса для получения данных об изменениях проходного сечения каналов во времени. Это важно еще и с тех позиций, что впрыск расплава в полость литьевой формы - кратковременный процесс, длительность которого составляет 1-30 с. При этом уменьшение проходного сечения каналов приводит к существенному изменению скорости потока расплава (см. рис. 2.1-2.2), что определяет формуемость полимера и возможность заполнения литьевой формы в целом.
Во-вторых, следует учитывать теплопередачу в осевом направлении из-за вынужденного течения жидкости, т.к. приток тепла в результате течения во многом определяет ход процесса затвердевания. При этом для более детального анализа следует рассмотреть различные режимы течения жидкости.
В третьих, необходимо учитывать теплообмен текущего расплава с холодными стенками каналов. Отметим, что при литье различных подошвенных композиций температура расплава составляет 130-210С, а температура литьевых форм поддерживается в пределах 5-20С. Во избежание математических трудностей обычно принимают, что температура стенки канала постоянна. Это допущение оправдано кратковременностью заполнения формы, высокими теплопроводностью и теплоемкостью металлических стенок каналов. И, наконец, представляет интерес оценить диссипативный разогрев высоковязкого расплава, поскольку скорость его течения в элементах формующей оснастки, особенно во впускных каналах, достигает высоких величин. Очевидно, что точный учет этого фактора приводит к существенному усложнению задачи, а также противоречит принятому допущению о стержневом характере течения. Поэтому диссипативный фактор может быть определен при допущении, что скорость сдвига жидкости постоянна по сечению потока и равна у = oy/h - для плоскощелевого и у = vy/z - для круглого каналов [137, 138]. При этом очевидно, что влияние диссипативного фактора на процесс затвердевания при таком допущении представляет интерес лишь для качественного анализа.
Что касается зависимости физических свойств полимера от температуры, то этими факторами приходится пренебрегать ввиду неразрешимости получающихся при их учете уравнений. Поэтому известные решения задач о затвердевании выполнены при допущении постоянства физических свойств жидкости и затвердевшего слоя.
Анизотропия механических свойств
Уравнения (2.61), (2.65) - (2.67) решали численным интегрированием на ПЭВМ. В связи с тем, что при Z=0 и Z=l имеет место сингулярность, величину Z вычисляли от 0,999 до 0,01. При этом расчеты проводили с относительной точностью, равной 10"4, тогда погрешность вычислений, которая максимальна при Z=0,01, не превысит 0,5%.
Сходимость рядов в уравнениях (2.61), (2.65) - (2.67) очевидна. Их оценка показала, что для расчетов с указанной точностью суммирование рядов достаточно проводить по 83 членам.
Результаты расчета зависимостей Z от т для различных режимов течения в функции параметров процесса представлены на рис. 2.14 - 2.23. Из иллюстраций следует, что качественная картина процесса затвердевания жидкостей в круглых каналах принципиально не отличается от таковой для плоскощелевых каналов и согласуется с известными результатами расчетов при течении в режиме Q = const [95]. Однако при этом выявлены следующие особенности процесса.
Во-первых, затвердевание жидкости в круглых каналах при P0=const происходит при меньших значениях параметра Y. Это обусловлено тем, что при прочих равных условиях скорость стержневого потока в круглых каналах значительно ниже, чем в плоскощелевых (см. выражения для ию для этих
каналов). Однако для Q = const даже при больших значениях параметра Y процесс затвердевания стремится к установившемуся, а полное затвердевание жидкости осуществляется при больших значениях Y, чем для плоскощелевых каналов (рис. 2.14, а - 2.16, а). Такая особенность процесса объясняется тем, что уменьшение проходного сечения в круглых каналах приводит к значительно большему росту скорости потока (пропорционально 1/Z2), чем в плоскощелевых (пропорционально 1/Н). Это становится более ясно, если сравнить конвективные члены в уравнениях энергии для движущейся жидкости в плоскощелевом (2.13) и круглом (2.45) каналах.
Во-вторых, критические значения ZKp., разделяющие процесс на переходящий в установившийся и область окончательного затвердевания, для Po=const выше, а для Q = const ниже, чем соответствующие величины Нк-р. для плоскощелевых каналов. Так, при А=5 (S=0, п=1,0) для Po=const ZKp. = 0,65 против Нкр. 0,55; для Q = const ZKp. 0,05 в сравнении с Нкр. а 0,15 ( рис. 2.5 и 2.15). Это различие также объясняется большей чувствительностью конвективного теплопереноса в круглых каналах при уменьшении их проходного сечения. В третьих, зависимости Z=f(r) отличаются от. соответствующих кривых Н= f(r) по интенсивности процесса затвердевания при равных параметрах А. 2,20917-10"6; 8 - 2,20919-10"6. Эта разница иллюстрируется на рисунке 2.17, где сопоставлены зависимости при примерно одинаковой длительности процесса. Из рис. 2.17, а следует, что затвердевание жидкости в круглых каналах на первом этапе и при окончательном затвердевании более интенсивно, чем в плоскощелевых, что также обусловлено большей чувствительностью процесса затвердевания в каналах круглого сечения к изменениям скорости потока. По этой же причине в плоскощелевых каналах возможно большее уменьшение проходного сечения Н до "срыва" процесса на окончательное быстропротекающее затвердевание жидкости. Сказанное более явно иллюстрируется зависимостями H=f(r) и Z=f(r) при меньшей длительности процесса (рис.2.17, б).
Из рис. 2.17 а, б очевидна высокая чувствительность процесса затвердевания в круглых каналах на изменение осевой координаты Y: при его повышении всего лишь с 3,92-10"4 до 3,922-10"4 время до полного затвердевания снизилось с 3,08 до 1,95. Для плоскощелевого же канала снижение времени полного затвердевания с 3,52 до 2,24 соответствует увеличению Y с ПО"3 до 5-Ю-3. Влияние режимов течения жидкости на процесс затвердевания представлено на рис. 2.18. Из рисунка следует, что для промежуточного режима течения oy=const, равного при п=1,0 режиму v0=J{z), кривые зависимости располагаются между кривыми для Q = const и Ро = const. При этом с увеличением параметра А и снижением Y кривые для u;,=const все в большей степени приближаются к зависимости для Q = const вследствие снижения роли конвективного теплопереноса в общем тепловом балансе системы.
Влияние диссипативного параметра S на процесс затвердевания, а также зависимости Z от г при фиксированном параметре S и вычисленном, исходя из величины Y, принципиально не отличается от соответствующей картины для плоскощелевых каналов. Эти зависимости представлены на рис. 2.19-2.21. Однако, оценивая количественные результаты, следует отметить, что при течении жидкости в круглых каналах диссипативный параметр S оказывает большее влияние на процесс затвердевания, чем в плоскощелевых. Это также объясняется большей чувствительностью скорости потока в круглых каналах на изменение их проходного сечения.
Зависимости Z от г при фиксированном индексе течения п=1,25 и при значениях этого параметра, увязанного с Y, представлены на рис. 2.22 и 2.23. Из этих иллюстраций очевидно, что влияние индекса течения на процесс затвердевания качественно не отличается от картины для плоскощелевых каналов.
Таким образом, процесс затвердевания жидкости, текущей в плоскощелевых и круглых каналах, качественно сходен. Однако количественные значения параметров, определяющих протекание процесса, различны вследствие разной геометрии каналов, обусловливающей различия в теплопереносе через их стенки и в конвективном теплопереносе из-за вынужденного течения жидкости.
Формирование литьевых соединений и факторы их прочности
При заполнении литьевых форм и последующем уплотнении полимерного материала формируется структура материала изделия, которая в той или иной мере фиксируется при охлаждении. Процессы формирования структуры литьевых изделий определяются многими факторами, которые рассмотрены в работах [7, 11, 12] и других. При литьевом формовании деталей низа обуви на структуру материала оказывают влияние и другие специфические факторы, которые не всегда учитываются при организации технологического процесса и проектировании формующих инструментов. Анализ этих факторов и пути оптимизации свойств литьевых изделий рассматриваются в настоящем подразделе.
Рассмотрим особенности заполнения литьевых форм для деталей обуви, определяющие их механические свойства.
Обычно при анализе процесса заполнения литьевых форм для деталей обуви полагают, что их форма близка к форме пластин. При таком допущении можно изучить качественную картину процесса заполнения и оценить свойства получаемых изделий. Однако большинство деталей обуви имеют различные рисунки, рифления, ребра жесткости, облегчающие полости. Соответствующие им элементы в полости формы нарушают регулярный поток расплава при заполнении формы, раздробляют его на отдельные ручьи, что приводит к образованию спаев потоков и других явных и скрытых дефектов, безусловно влияющих на свойства изделий. Эти обстоятельства сильно осложняют анализ процесса и оценку механических свойств формуемых изделий.
Другой специфической особенностью деталей низа обуви является их существенная разнотолщинность, что является нежелательным для литьевых изделий. Наибольшей разнотолщинностью обладают формованные подошвы с высокими массивными каблуками, что часто приводит к появлению утяжин. Однако подобные конструкции изделий — это неизбежная уступка, обусловленная обувной модой, когда техническая целесообразность вынуждена уступать дизайнерским замыслам модельеров.
Возникает вопрос - как оценивать механические свойства таких изделий, геометрическая форма которых отличается от простой пластины и которые имеют многочисленные декоративные и функциональные элементы. Очевидно, что оценку следует проводить в два этапа. На первом этапе определяют общие закономерности механических свойств изделий в виде гладких пластин. Затем, следует выявить наиболее характерные рисунки и рифления и установить их возмущающее влияние на свойства литьевых изделий.
При литьевом формовании деталей низа обуви происходит нарушение исходной относительно упорядоченной структуры подошвенных композиций, а вследствие значительных сдвиговых напряжений при течении в изделиях появляются ориентированные структурные образования [8, 153, 154]. Ориентация структуры полимерных материалов приводит к существенной анизотропии механических свойств литьевых изделий. Эти изменения свойств обусловлены способностью подошвенных композиций к ориентации, геометрическими параметрами формующего инструмента и режимами литья.
Исследовали литьевые изделия в виде пластин из композиций на основе термоэластопластов и ПВХ-пласти катов марки ПЛ-2, которые широко применяются для формования подошв и прямого литья низа на обувь. Отметим, что литьевые изделия из термоэластопластов из-за особенностей их молекулярной и надмолекулярной структур обладают ярко выраженной анизотропией свойств и с этих позиций представляют особый интерес для анализа.
Для изучения влияния компонентов композиции исследовали литьевые изделия из чистого термоэластопласта ДСТ-30 и композиции на основе смеси ДСТ-30 с полистиролом.
Анализ механических свойств литьевых изделий проводили путем испытания образцов на разрыв, определения усталостной выносливости при многократном растяжении и сопротивления многократному изгибу.
Для исследований отливали пластины размером 280x100x5 мм в литьевой форме без рисунков и рифлений на оформляющей поверхности. Пластины отливали на литьевом стенде СЛП (рисунок 2.33) в литьевой форме с горизонтальной плоскостью разъема и вертикальным расположением впускного канала. Это обеспечивало течение расплава и, следовательно, ориентацию структуры полимера вдоль оси пластины.
Для анализа топографии прочности литьевых изделий отливали пластины при давлении 30 МПа и двух крайних температурных режимах: температуре расплава ТР=190С, формы ТФ=30С и Тр=150С, ТФ=10С. Из отлитых пластин вырубали образцы (в форме лопатки) вдоль направления течения расплава и в перпендикулярном направлении на разных расстояниях от литника. Разрывную прочность о определяли по ГОСТ 270-75, при этом величину о оценивали по средним значениям прочности образцов, вырубленных вдоль течения Он и в поперечном направлении G . Степень анизотропии показателя определяли по формуле аа = (Он - а)1а [8]. Величину а определяли по результатам 8-ми параллельных опытов для ДСТ-30 и 12-ти для композиции на основе смеси ДСТ-30 с полистиролом, что обеспечивало доверительную ошибку среднего значения показателя не более 5 % (при доверительной вероятности 0,95).
Зависимости прочности образцов на разрыв а и степени анизотропии показателя аа от расстояния / испытываемых образцов до литника представлены на рисунке 3.6.
Поясним, что в области литника на первом этапе заполнения формы течение расплава осуществляется в радиальном направлении, и лишь при / 40-50 мм наблюдается движение фронта расплава вдоль большой оси полости формы. Поэтому для / 40-50 мм кривые зависимости CF=J{1) показаны пунктирными линиями, и степень анизотропии в этой области не определялась.
При исследовании анизотропии прочности литьевых изделий установлено, что их прочность в направлении ориентации структуры выше, чем в перпендикулярном направлении, что характерно для изделий из большинства полимерных материалов [11, с.186].
