Литейная машина под давлением

Машины для литья под давлением по принципу действия узла прессования подразделяют на два класса — с горячей или холодной камерой прессования. В свою очередь, машины с горячей камерой в зависимости от способа запрессовки металла в форму могут быть поршневыми и компрессорными. Поршневые машины имеют вертикальную или горизонтальную камеру прессования.

При наличии вертикальной камеры их подразделяют на машины с вертикальной (рис. 3.3, а), наклонной (рис. 3.3, б) и горизонтальной (рис. 3.3, в) плоскостями разъема пресс-формы. В современной практике поршневые горячекамерные машины с горизонтальной плоскостью разъема пресс-формы применяют крайне редко.

Преимущество вертикальной камеры прессования обусловлено особенностями расположения поршня: он доступен для осмотра и усилие привода кратчайшим путем передается на металл. Недостатки такой камеры состоят в том, что для погружения поршня в металл необходимо иметь высокий тигель и, следовательно, довольно длинный канал металлопровода.

Этих недостатков лишены машины с горизонтальной горячей камерой прессования. Схемы камеры машин с вертикальной и горизонтальной плоскостями разъема пресс-формы приведены соответственно на рис. 3.3, г и д.

Однако горизонтальное расположение камеры прессования ухудшило условия для осмотра прессующего поршня и увеличило число быстроизнашивающихся деталей.

Машины для литья, в которых движение металла осуществляется под действием сжатого воздуха, называются компрессорными. Машины с неподвижным металлопроводом, имеющие пресс-форму с вертикальной (рис. 3.3, е) или горизонтальной (рис. 3.3, ж) плоскостью разъема, в настоящее время выделились в отдельную группу машин для литья под низким давлением.

В компрессорных машинах с подвижным металлопроводом (рис. 3.3, з), называемым гузнеком, в отличие от машин с неподвижным металлопроводом (в которых давление сжатого воздуха на металл не превышает 0,3—0,6 МПа) воздух давит на небольшую поверхность металла, находящегося в гузнеке, что позволило повысить давление до 3,5—4,0 МПа. Кроме того, в гузнеке существенно уменьшилась поверхность окисления жидкого металла. Однако эти машины не обеспечивали высокого качества отливок из сплавов на основе алюминия и быстро выходили из строя из-за разъедания стальных подвижных деталей камеры прессования. Их применяли для литья главным образом цинковых сплавов.

Из всего многообразия конструкций машин с горячей камерой прессования наибольшее распространение получили поршневые машины с вертикальной камерой прессования и вертикальной или наклонной плоскостью разъема пресс-формы. Чаще всего они имеют

Рис. 3.3. Типы горячих камер прессования:

а-в — вертикальные камеры поршневых машин с вертикальной (а), наклонной (б) и горизонтальной (в) плоскостями разъема пресс-формы; г, д — горизонтальные камеры прессования поршневых машин с вертикальной (г) и горизонтальной (д) плоскостями разъема; ей ж— камеры компрессорных машин с неподвижным металлопроводом, вертикальной (е) и горизонтальной (ж) плоскостями разъема; з — камера компрессионной машины с подвижным металлопроводом и вертикальной плоскостью разъема гидравлический привод. Пневматический привод используют в машинах с усилием запирания до 1 МН. Давление металла в камере прессования горячекамерных машин составляет 11,5—55,0 МПа. Некоторые конструкции машин изготавливают с комбинированным приводом. Последние имеют, как правило, гидравлический запирающий и пневматический прессующий механизмы. Машины большинства типов имеют жесткое соединение пресс-формы и мундштука. Иногда применяют машины, обеспечивающие подвод пресс-формы к мундштуку в каждом литейном цикле.

Для литья под давлением алюминиевых, магниевых и медных сплавов наиболее широко применяют машины с холодными камерами прессования, которые могут быть расположены вертикально или горизонтально.

Принцип действия машин с вертикальными камерами прессования заключается в том, что металл (рис. 3.4, а) заливается в камеру прессования 2 с подвижным дном 3, называемым пяткой. Прессующий поршень / в момент заполнения камеры находится в верхнем положении. В процессе запрессовки (рис. 3.4, б) поршень давит на металл, перемещая подвижное дно вниз и открывая отверстие в литниковой втулке 6, через которую металл поступает в части 4 и 5 формы. После затвердевания металла пятка поднимается, отделяя литник от пресс-остатка 9, а отливка 8 вместе с литниковой системой удаляется (рис. 3.4, в) из подвижной части 4 формы выталкивателями 7.

Рис. 3.4. Принцип действия машины для литья с вертикальной холодной камерой прессования:

о — заливка металла; б — запрессовка; в — удаление отливки; 7 — прессующий поршень; 2 — камера прессования; 3 — подвижное дно (пятка); 4, 5 — части формы; 6 — литниковая втулка; 7 — выталкиватель; 8 — отливка; 9 — пресс-

Литье под давлением является самым производительным способом изготовления тонкостенных деталей сложной конфигурации в серийном и массовом производстве.

Процесс литья заключается в заливке расплавленного металла в камеру сжатия машины и последующем выталкивании его через литниковую систему в полость металлической формы, которая заполняется под давлением. Заполнение полости происходит при высокой скорости впуска металла, которая обеспечивает высокую кинетическую энергию, поступающего в форму металла:

где m — масса расплавленного металла, v — скорость металла,

p — давление, g_m — удельная масса металла.

Энергия движения струи при резком замедлении ее скорости в форме до нуля частично переходит в тепловую энергию, повышающую температуру металла в его жидкотекучестъ и создает гидродинамическое давление на стенку формы:

Скорость выпуска при литье под давлением в зависимости от типа отливки и сплава может быть в пределах от 0,5 до 120 м/с. Различают три способа литья под давлением.

1. Литье с низкими скоростями впуска (0,5-2,5 м/с), обеспечивающее заполнение формы сплошным ламинарным потоком. Применяют этот способ для изготовления толстостенных отливок из алюминиевых сплавов и латуней.

2. Литье со средними скоростями впуска (2-15 м/с), обеспечивающее турбулентное движение расплавленного металла, при котором в результате срыв струй захватываются в поток металла пузырьки воздуха, оттесняемые затвердевающим сплавом к середине отливки. Это создает воздушную пористость, которую удалить почти невозможно, но можно уменьшить под действием высокого давления. Изготовляют при этом отливки средней сложности.

3. Литье с высокими скоростями впуска (более 30 м/с), обеспечивает заполнение только в режиме турбулентного течения истока расплава, но и со значительным его распылением, результатом которого является еще больший объем захваченного в полость отливки воздуха, для уменьшения воздушной пористости и в этом случае создают высокое давление [до 500МПа(н/мм 2 )] Этот способ применяют для тонкостенных отливок сложной конфигурации.

Для литья под давлением применяют литейные машины с горячей и холодной камерой прессования.

Машины с горячей камерой прессования применяют для отливок, материал которых имеет температуру плавления не более 450°С. Схема процесса литья на машине с горячей камерой прессования представлена на рис.10.

Рис. 10. Схема литья под давлением на машине с горячей камерой прессования.

Камера сжатия такой машины погружена всегда в расплав металла, а при поднятии вверх прессующего поршня заполняется расплавом и при рабочем ходе (вниз) прессующего поршня расплав из камеры сжатия вытесняется в рабочую полость литейной формы. После охлаждения отливки форму раскрывают и отливку из нее при этом удаляют.

Машины для литья под давлением с холодное камерой прессования применяет для отливок, материал которых имеет температуру плавления 450°С. В производстве применяют машины с вертикальной и горизонтальной камерой прессованиям Использование машин с горизонтальной камерой прессования предпочтительнее, так как в них меньше потери тепла, давления и металла из-за более короткой литниковой системы. Схема процесса литья на машине с горизонтальной камерой прессования представлена на рис.11.

Рис. 11. Схема литья под давлением на машине с холодной горизонтальной камерой прессования;

С помощью мерного ковша расплав заливают в камеру сжатия, откуда прессующий поршень вытесняет его в рабочую полость формы. Здесь расплав остывает и затем при раскрытии формы отливка автоматически удаляется из формы. Для поддержания температуры формы на определенном уровне (предупреждения перегрева) в форме предусмотрено охлаждение водой с помощью специальных каналов.

Требования и литейным сплавам для литья под давлением:

1. Достаточная прочность при высоких температурах, чтобы отливка не ломалась при выталкивании.

2. Минимальная усадка.

3. Высокая жидкотекучесть при небольшом перегреве.

4. Небольшой интервал кристаллизации

5. Этим требованиям удовлетворяют сплавы на основе цинка, алюминия, магния и меди.

Основными факторами, определяющими выбор того или иного способа литья под давлением (в зависимости от скорости впуска) и сплава является конфигурация отливки и требования к качеству.

1. При литье под давлением получают высокое качество отливок. Достижимая точность: 9-11 квалитет по размерам, получаемым в одной части литейной формы и 11-12 квалитет по размерам, получаемым в двух частях формы. Точность зависит от точности изготовления формы, обычно форму изготовляют на 1-2 квалитета точнее детали. Выше указана экономически достижимая в производстве точность.

2. Шероховатость поверхности отливки зависит от шероховатости поверхности рабочей поверхности формы, продолжительности ее эксплуатации и материала отливки. Обычно рабочую поверхность формы полируют (при этом достигают параметр R_a=0,16 мкм). При литье до 500 отливок получают шероховатость поверхности R_a=1,25-0,63 мкм — для отливок из цинковых сплавов. R_a =2,5-1,25 мкм — для отливок из алюминиевых сплавов и R_a =2,5- R_z мкм — для медных сплавов, а при изготовлении 10000 отливок соответственно получают R_a =2,5-1,25 мкм, R_a =2.5 — R_z =20 мкм, Rz = 160-80 мкм.

3. При питье под давлением механические свойства неравномерны по толщине отливки и отличаются в лучшую сторону по сравнению с этими свойствами отливок полученных другим способом. При быстром охлаждении у отливок образуется литейная корочка с мелкозернистой структурой, толщина которой не более 1-1-1,5мм. Поэтому тонкостенные отливки имеют мелкозернистую структуру, повышенную прочность (на 20-30%).

4. Важным показателем качества является пористость, вскрываемая при механической обработке и являющаяся причиной брака. Так как пористость всегда имеет место при литье сложных тонкостенных деталей, то необходимо применять конструктивные меры для предупреждения вскрытия пор. В этом случае для уменьшения влияния воздушной пористости на качество необходимо устранять механическую обработку отливок, предусматривать отливку отверстий. А при необходимости механообработки назначать припуск не более 0,5 мм.

Особенностью конструкции отливок при литье под давлением является наличие приливов для выталкивателей. Приливы для выталкивателей создают в тонкостенных отливках со стороны подвижной части формы для предупреждения деформации и прокола отливок выталкивателями.

Технологические требования к конструкции отливок

Одними из основных параметров, определяющих технологические требования к конструкции отливок, являются литейные свойства сплавов.

Эти свойства определяют следующее основные требования:

Устройство и работа литьевой машины

В течение полувека метод литья под давлением для получения изделий из термопластов и реактопластов является одним из самых распространенных в промышленности. Суть метода состоит в следующем: полимер, поступающий в гранулированном (реже в порошкообразном) виде в специальный инжекционный цилиндр, нагревается до вязкотекучего состояния, пластицируется, гомогенизируется, а затем под высоким давлением и с большой скоростью впрыскивается в сомкнутую литьевую форму; в форме полимер охлаждается (при литье термопластов) или отверждается (при литье реактопластов), переходит в твердое состояние, после чего готовое изделие извлекается из формы.

В настоящее время в промышленности реализуются различные технологические схемы процесса литья под давлением, что обусловливает большое разнообразие конструкций литьевого оборудования.

Остановимся на классической схеме работы литьевого оборудования. Перерабатываемый материал вручную или специальными транспортными устройствами подается в бункер 1 (рис. 3.1), установленный над загрузочным отверстием инжекционного (материального) цилиндра 2. Предпочтение отдается гранулированным материалам, так как по сравнению с порошкообразными они лучше транспортируются, не прилипают к стенкам бункера, не склонны к сводообразованию, менее гигроскопичны и легче дозируются.

В ряде случаев в бункере устанавливаются ворошитель, улучшающий подачу материала в материальный цилиндр, устройство для подсушки материала, датчики заполнения и другие устройства.

Из бункера материал через загрузочное отверстие поступает в материальный цилиндр. Современные машины в подавляющем большинстве случаев оборудованы шнековыми пластикаторами: в материальном цилиндре 2 находится шнек 3, имеющий приводы как для вращательного 7, так и для возвратно-поступательного 8 движения. В момент загрузки материала шнек вращается и обеспечивает продвижение полимера к соплу 4, находящемуся в конце материального цилиндра. Во время транспортировки от загрузоч-

Рис. 3.1. Схема литьевой машины с пластикатором шнекового типа

ного отверстия к соплу материал нагревается за счет тепла, подводимого от нагревателей, установленных на внешней поверхности материального цилиндра, плавится, гомогенизируется и пласти- цируется. Нагреватели (чаще всего это нагреватели сопротивления, реже — индукционные) распределяются вдоль материального цилиндра по зонам обогрева, причем каждая из зон имеет свои датчики и свою систему независимого регулирования температуры. Во избежание налипания материала на стенках загрузочного отверстия и вблизи его, в области соединения материального цилиндра с бункером предусматривается зона водяного охлаждения.

Сопло 4 материального цилиндра при переработке высоковязких материалов, обладающее значительным гидравлическим сопротивлением (сопло открытого типа), препятствует выходу расплава полимера, подаваемого шнеком, наружу. В области перед соплом начинается скапливаться доза полимера, а так как шнек продолжает вращаться, то в этой области создается давление (давление пластикации), которое, воздействуя на шнек, стремится отодвинуть его и таким образом увеличить свободный объем для набираемой дозы. Устройство машины позволяет шнеку перемещаться вдоль своей оси. Так продолжается до тех пор, пока не будет набран необходимый объем дозы. В случае переработки полимеров с низкой вязкостью расплава на время набора дозы сопло запирается специальным клапаном (сото закрытого типа).

После того как в шнековом пластикаторе набралась необходимая доза полимера, сопло материального цилиндра подводится с помощью привода 9 к предварительно сомкнутой форме 5. Создается осевое усилие на шнек, направленное в сторону сопла. В накопленном объеме полимера соответственно создается высокое давление (давление впрыска) и полимер, преодолевая гидравлическое сопротивление сопла открытого типа или через открывшийся клапан сопла закрытого типа, устремляется через литниковую систему 6 формы в ее оформляющую полость. После заполнения

б формы полимер в течение некоторого времени выдерживается под давлением, а затем происходит либо его охлаждение (при переработке термопластов), либо отверждение (при переработке реак- топластов), после чего форма размыкается и из нее извлекается готовое изделие.

Пока идет процесс охлаждения (отверждения) изделия, его извлечение из формы и смыкание формы для производства следующего изделия, в материальном цилиндре идет подготовка очередной дозы полимера.

В весьма ограниченном числе случаев используются литьевые машины с поршневой пластикацией. На этих машинах (рис. 3.2) материал из бункера 7 поступает в дозирующее устройство 2, которое отмеряет заданную дозу по объему (реже по массе). Из дозирующего устройства полимер через загрузочное окно 6 попадает в материальный цилиндр 4, внутри которого расположен поршень 3. Внутри цилиндра помещается 5—8 доз материала. Полимер нагревается, доводится до вязкотекучего состояния и с помощью поршня периодически впрыскивается в литьевую форму. Чтобы увеличить поверхность соприкосновения пластической массы с нагретым металлом, в материальном цилиндре устанавливают стержень-рассекатель 5, называемый торпедой. Средняя часть торпеды имеет или сквозные отверстия, или наружные открытые пазы, в которых материал разделяется на потоки. Для уменьшения потерь давления на трение передняя часть торпеды выполняется обтекаемой формы.

Выше был описан традиционный технологический процесс получения изделий методом литья под давлением. В то же время надо иметь в виду, что процесс литья непрерывно развивается, трансформируясь для производства новых, более сложных изделий, использования современных полимерных материалов и реализации возможностей, предоставляемых современными средствами автоматизации и робототехники. В настоящем учебном по-

Рис. 3.2. Схема литьевой машины с пластикатором поршневого типа собии мы не будем подробно останавливаться на каждой из технологий, появившихся за последние годы. Ниже приведем классификацию современных специальных технологий, предложенную Л.-Ш. Тунгом, основанную на используемых технологических приемах:

• — введение дополнительного материала(ов) или компонента(ов) в литое изделие;
• — изменение состава компонентов расплава;
• — физическое воздействие на расплав;
• — перемещение расплава;
• — технологические приемы, применяемые при изготовлении микродеталей и тонкостенных изделий.

Введение дополнительного материала(ов) или компонента(ов) в литое изделие предусматривает целый ряд технологических приемов. Например, добавление или впрыск другого полимерного материала. При этом различаются двухкомпонентное, или «сэндвич- ное», литье; многокомпонентное литье и микрослоистое литье под давлением. Может производиться заливка металлических вставок или наполнение их расплавом. В этом случае может использоваться либо литье под давлением со вставкой и на металлическое основание, либо литье с использованием легкоплавкого пуансона. Используется впрыск сжиженного газа в расплав полимера (так называемое «литье с газом») или впрыск газа в смесь полимера с порошковым металлом либо керамикой. Применяется впрыск жидкости, например сжиженного газа или воды (так называемое «литье с водой») в расплав полимера. Для декорирования внешней поверхности изделий используются вставки из пленки, фольги, ткани или текстолита (литье с декорированием в форме и литье при низком давлении). Достаточно часто отливаются изделия с металлической арматурой.

Изменение состава компонентов расплава также достигается различными технологическими приемами. Так, используются смешение полимера с жидкостями в сверхкритическом состоянии (литье по технологии MuCell), смешение расплава полимера с пенообразующими агентами (литье со вспениванием), смешение форполимеров (мономеров или реагентов) перед впрыском. В последнем случае можно реализовать литье по технологии RIM, структурированное реоформование, литье реактопластов.

Физическое воздействие на расплав достигается либо за счет приложения вибрационных усилий к расплаву в процессе переработки (технологии LFIM и Push-Pull Injection Molding, технология рео- формования), либо изменением скорости вращения шнека и противодавления для управления температурой расплава (литье при низком давлении).

Перемещение расплава используется при литьевом прессовании.

Исторически принцип литья пластмасс под давлением был позаимствован из металлургии, где использовались машины с поршневым впрыском для литья изделий из цветных металлов. Поэтому первые машины литья термопластов были с поршневой пластикацией без торпед и по своему устройству очень походили на машины для литья цветных металлов.

Однако металлы являются в отличие от пластмасс хорошими проводниками тепла, и потому дозы цветных металлов, подготавливаемые для впрыска, равномерно прогревались во всем объеме даже при больших диаметрах материальных цилиндров. Полимеры же, обладая низкой теплопроводностью, медленно и неравномерно прогревались в материальных цилиндрах. Поэтому первым принципиальным новшеством, введенным в конструкцию машин для литья под давлением изделий из пластмасс, стала установка в материальном цилиндре торпеды (см. рис. 3.2), которая позволила прогревать полимер в более тонком слое, а значит, быстрее и равномернее.

Следующим шагом на пути модернизации литьевого оборудования для пластмасс стала установка на машинах так называемых предпластикаторов. Материал подавался из бункера в предпласти- катор, в нем нагревался до вязкотекучего состояния, а уже затем поступал в материальный цилиндр поршневого типа, из которого впрыскивался в форму. Предпластикаторы сначала были поршневого типа (рис. 3.3). Цилиндр 1 предпластикатора имел маленькое поперечное сечение при относительно большой длине, что способствовало более равномерному прогреву материала, подаваемого в материальный цилиндр 3. Для облегчения пластикации в цилиндре 1 часто устанавливалась торпеда 2.

Поршневые предпластикаторы были весьма быстро вытеснены шнековыми (рис. 3.4). Последние по своему устройству находи-

Рнс. 3.3. Схема материального цилиндра с предпластикатором поршневого типа

Рис. 3.4. Схема материального цилиндра с предпластикатором шнекового типа лись ближе всего к одношнековым или двухшнековым экструдерам и устанавливались под углом к материальному цилиндру 2 или параллельно ему. В шнековом пластикаторе 1 прогрев материала происходил достаточно равномерно и быстро. Кроме того, проходила еще и гомогенизация расплава полимера, которая при использовании поршневых предпластикаторов является явно недостаточной. Некоторые конструктивные осложнения вызывались лишь необходимостью совмещать непрерывный процесс шнековой пластикации с периодическим процессом впрыска материала в форму.

Именно шнековые предпластикаторы явились прообразом современных литьевых машин со шнековой пластикацией.

В конструкцию любой литьевой машины входят следующие основные узлы:

• — узел смыкания формующего инструмента;
• — узел пластикации и впрыска;
• — станина машины с системой привода и системой управления.

Узел смыкания отвечает за быстрое и надежное размыкание и

смыкание литьевой формы. Он должен обеспечивать создание усилия, необходимого для удержания формы в закрытом состоянии. Конструкция этого узла должна способствовать облегчению извлечения изделия из литьевой формы.

Усилие, необходимое для удержания литьевой формы в закрытом состоянии, может быть создано механическим способом с помощью коленчато-рычажного, винтового или какого-либо другого механизма. Используются в конструкциях узлов смыкания и гидравлические механизмы. Получили распространение и комбинированные — гидромеханические системы.

В задачи узла пластикации входит загрузка полимерного материала в материальный цилиндр через загрузочный бункер, его транспортировка за счет вращения шнека от загрузочного отверстия материального цилиндра к соплу. При этом должны происходить нагрев и переход полимера в вязкотекучее состояние, пластикация и гомогенизация расплава полимера, а также набор определенного количества пластицированного полимерного материала на участке цилиндра между наконечником шнека и соплом. После набора дозы за счет осевого перемещения шнека в направлении мундштука расплав полимера впрыскивается в формующую полость литьевой формы. Во время впрыска шнек действует аналогично поршню.

Станина служит для размещения на ней отдельных элементов конструкции литьевой машины и их надежного крепления.

Управление процессом осуществляется с помощью таймеров, электронных датчиков времени или микропроцессора.

Размещение дополнительных регулирующих устройств помогает контролировать заполнение формы и ее подпитку (например, в зависимости от давления массы в литьевой форме). Температура материального цилиндра, как правило, контролируется электронными датчиками.