Литье пластмасс под давлением



            Injection Molding Handbook


Edited by

Tim A. Osswald, Lih-Sheng (Tom) Turng, and
Paul J. Gramann






with contributions from

J. Beaumont, J. Bozzelli, N. Castano, B. Davis, M. De Greiff, R. Farrell, P. Gramann. G. Holden, R. Lee, T. Osswald. C. Rauwendaal. A. Rios, M. Sepe, T. Springctt, L. Turng, R. Vadlamudi, J. Wickmann







        HANSER

Hanscr Publishers, Munich

Hanser Gardner Publications, Inc., Cincinnati

                Литье пластмасс под давлением






Редакторы'. Т. Оссвальд, Л.-Ш. Тунг, П. Дж. Грэманн

Авторы разделов'. Дж. Бемон, Дж. Боцелли, Н. Кастаньо, Б. Дэвис, М. ДеГрейфф, Р. Фарелл, П. Дж. Грэманн, Дж. Холден, Р. Ли., Т. Оссвальд, К. Раувендааль, А. Риос, М. Сепе, Т. Спрингет, Л.-Ш. Тунг, Р. Вадламуди, Дж. Уикманн



Перевод с английского под общ. ред. д-ра техн, наук, проф. Э. Л. Калинчева










Санкт-Петербург

2008

УДК 678.5:621.74.043=20
ББК35.710Англ
072




072 Литье пластмасс под давлением /Т.А. Оссвальд, Л.-Ш. Тунг. 11. Дж. Грэманн: под ред. Э. Л. Калинчсва — СПб.: Профессия, 2008. — 712 стр., ил.

     ISBN 5-93913-067-4
     ISBN 1-56990-318-2 (англ.)

          В русском переводе второго издания руководст ва 11|юанализированы основные аспекты литья под давлением: технологический процесс и материалы, узлы пластикации, смыкания и впрыска, конструкции литьевых форм. Рассмотрены вопросы конструирования изделий и методы оценки их стоимост и, схемы контроля и управления технологическим процессом с подробным анализом проблем, возникающих при работе с материалами и оборудованием, предложены варианты их решения. Подробно описаны специальные технологии литья пол давлением и компьютерный анализ.
          Книга адресована инженерам, технологам, конструкторам и руководителям предприятий, занимающихся литьем под давлением.


УДК 678.5:621.74.043=20
                                                 ББК35.710Англ



All right reserved. Carl Hanscr Vcrlag. Munich/FRG.
Authorized translation from the original English language edition published by Carl Hanscr Vcrlag. Muliich/FRG


Все права затшпепы.
Никакая часть данной книги не может был. поспроилпелепа в какой бы то ни было форме бед письменного разрешения владельцев авторских прав.










ISBN 5-93913-067-4
ISBN 1-56990-318-2 (англ.)

                 © Carl 1 lanser Vcrlag. Munich, 2002
                 © Никитина И., перевод, гл. 1-5, 2006
                                           © Бондаренко Б., перевод, гл. 6. 6-13, 2006
                                           © Изд-во «Профессия». 2006

*

Содержание

1  Введение (ПДж. Граманн, ТА. Оссвальд)........................................ 14
   1.1  История появления и развития литья под давлением........................ 14
   1.2  Литьевая машина с возвратно-поступательным движением шнека.............. 23
       1.2.1  Узел пластикации и впрыска........................................ 23
       1.2.2  Узел смыкания..................................................... 24
       1.2.3  Литьевая форма.................................................... 25
   1.3  Технологический цикл литья под давлением................................ 28
   1.4  Смежные технологии литья пол давлением.................................. 33
       Литература............................................................... 33
2  Материалы, используемые в литье под давлением (ТА. Оссвальд)................. 34
   2.1  Исторические сведения................................................... 34
   2.2  Макромолекулярная структура полимеров................................... 39
   2.3  Молекулярная масса...................................................... 43
   2.4  Конформация и конфигурация молекул полимеров............................ 47
   2.5  Термопластичные полимеры................................................ 48
       2.5.1  Аморфные термопласты.............................................. 50
       2.5.2  Частично кристаллизующиеся термопласты............................ 51
       2.5.3  Примеры распространенных термопластов............................. 01
   2.6  Термореактивные полимеры................................................ 04
       2.6.1  Реакция отверждения............................................... 04
       2.6.2  Примеры наиболее распространенных термореактивных полимеров.....   64
   2.7  Сополимеры и смеси полимеров............................................ 66
   2.8  Эластомеры.............................................................. 68
   2.9  Системы вулканизации с заданной частотой сетки.......................... 70
   2.10 Термоэластопласты.....................................................
       2.10.1 Температуры переработки.........................................
       2.10.2 Примеры распространенных термоэластопластов....................... 73
       Литература............................................................... 80
3  Основы процесса переработки (ТА. Оссвальд)................................... 82
   3.1  Характеристики процесса переработки..................................... 82
       3.1.1  Температурные режимы.............................................. 83
       3.1.2  Давление па расплав при впрыске и выдержке под нагрузкой в форме .... 85
       3.1.3  Сушка............................................................. 85
       3.1.4  Данные по переработке термоэластопластов.......................... 89
       3.1.5  Данные по переработке реактопластов............................... 93
       3.1.6  Данные по переработке эластомеров................................. 95
   3.2  Реология расплавов полимеров..........................................
        3.2.1 Поведение полимера при сдвиге..................................... 95
        3.2.2 Упрощенные потоки, применяемые при анализе процессов литья под давлением............................................................ 97
        3.2.3 Опенка давления при литье и величины усилия смыкания (модель Стивенсона)..................................................... 160
        3.2.4 Неизотермические потоки в процессах переработки полимеров........ 106
       3.2.5  Нормальные напряжения при сдвиговом течении...................... 106
       3.2.6  Число Деборы..................................................... 108
       3.2.7  Реология отверждающихся реактопластов............................ 109
       3.2.8  Реология суспензий................................................ ИО
   3.2 Реометрня................................................................. Ш
       3.3.1  Прибор для измерения показателя текучести расплава............... 111

ЛИТЬЕ ПЛАСТМАСС ПОД ДАВЛЕНИЕМ

        3.3.2 Капиллярный вискозиметр........................................... 111
   3.4  Развитие анизотропии в процессе переработки............................. 114
        3.4.1 Ориентация в полученном изделии................................... 114
        3.4.2 Разрушение волокна................................................ 120
   3.5  Процессы затвердевания и отверждения.................................... 122
        3.5.1 Затвердевание термопластов........................................ 124
        3.5.2 Отверждение реактопластов......................................... 133
        3.5.3 Остаточные напряжения, усадка и коробление........................ 138
        Литература.............................................................. 144
4  Пластикация {К. Раувендааль, П. Дж. Грэманн)................................. 146
   4.1  Узел пластикации........................................................ 146
        4.1.1 Плунжерный экструдер.............................................. 147
        4.1.2 Шнек с возвратно-поступательным движением......................... 148
   4.2  Функции узла пластикации................................................ 160
        4.2.1 Перемещение твердого материала.................................... 160
        4.2.2 Плавление или пластикация......................................... 165
        4.2.3 Перемещение расплава.............................................. 172
        4.2.4 Дегазация, или удаление летучих веществ........................... 178
        4.2.5 Смешение.......................................................... 179
   4.3  Заключение.............................................................. 196
        Литература.............................................................. 196
5  Узел смыкания (Р. Фаррелл)................................................... 198
   5.1  Усталость металла и ее значение при конструировании узла смыкания....... 198
        5.1.1 Значение при конструировании...................................... 198
        5.1.2 Краткие исторические сведения..................................... 199
        5.1.3 Три фазы усталости металла........................................ 199
        5.1.4 Определение расчетной величины усталостного напряжения металла .... 200
        5.1.5 Определение коэффициента безотказности............................ 209
   5.2  Функции узла смыкания................................................... 211
   5.3  Три типа узлов смыкания................................................. 212
        5.3.1 Гидравлический узел смыкания...................................... 212
        5.3.2 Гидромеханический узел смыкания................................... 212
        5.3.3 Механический узел смыкания........................................ 214
        5.3.4 Виды рычажно-коленчатых систем.................................... 215
   5.4  Основные элементы узла смыкания......................................... 216
        5.4.1 Плиты............................................................. 216
        5.4.2 Направляющие колонны и гайки...................................... 226
        5.4.3 Оси и втулки коленчатых рычагов................................... 235
        5.4.4 Втулки колонн..................................................... 238
        5.4.5 Опоры скольжения плит............................................. 238
        5.4.6 Регулировка хода смыкания......................................... 242
        5.4.7 Системы выталкивания.............................................. 243
   5.5  Детальное обсуждение конструкции направляющих колонн.................... 245
        5.5.1 Почему этот элемент так важен..................................... 245
        5.5.2 Распределение нагрузки в резьбе................................... 247
        5.5.3 Изгибающие напряжения на резьбе................................... 249
        5.5.4 Осевое напряжение на резьбе....................................... 250
        5.5.5 Комбинированные напряжения........................................ 250
        5.5.6 Дополнительные факторы............................................ 251
        5.5.7 Пути улучшения конструкции........................................ 252
   5.6  Жесткость узла смыкания................................................. 255
        5.6.1 Как определить коэффициент жесткости узла смыкания................ 255

Содержание

7

        5.6.2 Значение коэффициента жесткости узла смыкания......................... 256
   5.7  Математическая модель для механического узла смыкания....................... 257
   5.8  Правило квадратного корня Фаррелла.......................................... 262
        5.8.1 Соотношения, которые следуют из правила квадратного корня Фаррелла . . 262
        5.8.2 Машина целиком может соответствовать правилу квадратного корня..       263
        Литература.................................................................. 264
б  Подготовка сырья и дополнительное оборудование (Р. Ли)........................... 265
   6.1  Сушка....................................................................... 265
   6.2  Загрузка бункера............................................................ 268
   6.3  Чистота помещении........................................................... 271
   6.4  Дозирование и смешение...................................................... 272
   6.5  Конвейерные системы......................................................... 275
   6.6  Охлаждение и отвод тепла.................................................... 276
7  Специальные технологии литья под давлением {Л.-III. Тунг)........................ 279
   7.1  Двухко.мпонентное (сэндвич) литье под давлением............................. 282
        7.1.1 Описание процесса..................................................... 282
        7.1.2 Преимущества.......................................................... 286
        7.1.3 Недостатки............................................................ 288
        7.1.4 Материалы............................................................. 288
        7.1.5 Типичные варианты применения.......................................... 290
   7.2  Литье под давлением с использованием легкоплавких (извлекаемых, растворимых) пуансонов................................................................... 290
        7.2.1 Описание технологического процесса.................................... 291
        7.2.2 Преимущества.......................................................... 292
        7.2.3 Недостатки............................................................ 293
        7.2.4 Материалы............................................................. 293
        7.2.5 Типичные варианты применения.......................................... 294
   7.3  Литье с газом............................................................... 294
        7.3.1 Описание технологического процесса.................................... 295
        7.3.2 Преимущества.......................................................... 298
        7.3.3 Недостатки............................................................ 299
        7.3.4 Материалы............................................................. 300
        7.3.5 Типичные варианты применения.......................................... 300
   7.4  Литьевое прессование (компрессионное формование)............................ 301
        7.4.1 Описание технологического процесса.................................... 302
        7.4.2 Преимущества.......................................................... 303
        7.4.3 Недостатки............................................................ 304
        7.4.4 Материалы............................................................. 304
        7.4.5 Типичные варианты применения.......................................... 305
        7.4.6 Компьютерный анализ литьевого прессования............................. 305
   7.5  Литье с декорированием и ламинированием в форме (литье на подложку)...       305
        7.5.1 Описание технологического процесса.................................... 306
        7.5.2 Преимущества.......................................................... 307
        7.5.3 Недостатки............................................................ 308
        7.5.4 Конструкция литьевой формы и особенности технологического процесса . . 309
        7.5.5 Материалы............................................................. 310
        7.5.6 Типичные варианты применения.......................................... 311
   7.6  Литье под давлением со вставкой и на металлическое основание................ 313
        7.6.1 Литье под давлением со вставкой....................................... 313
        7.6.2 Литье на металлическое основание (Outsert Molding)...................  314
   7.7  Микрослоистое литье под давлением........................................... 315
        7.7.1 Описание технологического процесса.................................... 316

ЛИТЬЕ ПЛАСТМАСС ПОД ДАВЛЕНИЕМ

       7.7.2  Преимущества ..................................................   316
       7.7.3  Недостатки....................................................... 318
       7.7.4  Материалы........................................................ 318
       7.7.5  Типичные направления применения.................................. 318
   7.8 Литье при низком давлении............................................... 319
       7.8.1  Описание технологического процесса............................. 320
       7.8.2  Преимущества................................................... 323
       7.8.3  Недостатки..................................................... 324
       7.8.4  Материалы...................................................... 324
       7.8.5  Типичные варианты применения................................... 324
   7.9 Микролитье.............................................................. 324
       7.9.1  Описание технологического процесса............................. 326
       7.9.2  Преимущества................................................... 328
       7.9.3  Недостатки..................................................... 329
       7.9.4  Материалы...................................................... 329
       7.9.5  Типичные варианты применения................................... 329
   7.10 Литье по технологии MuCell............................................. 329
       7.10.1 Описание технологического процесса............................. 330
       7.10.2 Преимущества..................................................... 332
       7.10.3 Недостатки..................................................... 333
       7.10.4 Материалы........................................................ 333
       7.10.5 Типичные варианты применения................................... 334
   7.11 Многокомпонентное литье................................................ 334
       7.11.1 Описание технологического процесса............................. 334
       7.11.2 Преимущества..................................................... 336
       7.11.3 Недостатки..................................................... 337
       7.11.4 Материалы........................................................ 337
       7.11.5 Типичные варианты применения..................................... 337
   7.12 Технология Live-Feed Injection Molding................................. 338
       7.12.1 Описание технологического процесса............................... 338
       7.12.2 Преимущества..................................................... 341
       7.12.3 Недостатки....................................................... 342
       7.12.4 Материалы........................................................ 342
       7.12.5 Типичные направления применения.................................. 342
   7.13 Технология Push-Pull Injection Molding................................. 343
       7.13.1 Описание технологического п|х>цесса.............................. 343
       7.13.2 Преимущества и недостатки........................................ 344
       7.13.3 Материалы........................................................ 345
       7.13.4 Типичные варианты применения..................................... 345
   7.14 Литье с добавлением неполимерных порошковых материалов................. 345
       7.14.1 Описание процесса................................................ 346
       7.14.2 Преимущества процесса............................................ 348
       7.14.3 Недостатки процесса.............................................. 348
       7.14.4 Типичные направления применения.................................. 349
   7.15 Литье по технологии Reaction Injection Molding......................... 349
       7.15.1 Описание процесса................................................ 350
       7.15.2 Преимущества..................................................... 351
       7.15.3 Недостатки....................................................... 351
       7.15.4 Материалы........................................................ 352
       7.15.5 Типичные варианты применения..................................... 352
   7.16 Литьевое прессование смол и структурное реакционное литье.............. 352
       7.16.1 Описание процесса................................................ 352

Содержание

9

       7.16.2 Преимущества.................................................... 354
       7.16.3 Недостатки...................................................... 354
       7.16.4 Материалы....................................................... 354
       7.16.5 Типичные варианты применения.................................... 355
   7.17 Рсоформованис......................................................... 356
       7.17.1 Описание процесса............................................... 356
       7.17.2 Преимущества.................................................... 357
       7.173  Недостатки...................................................... 358
   7.18 Вспенивание термопластов при переработке литьем пол давлением......... 358
       7.18.1 Описание процесса............................................... 358
       7.18.2 Преимущества.................................................... 361
       7.183  Недостатки...................................................... 362
       7.18.4 Материалы....................................................... 362
       7.18.5 Типичные варианты применения.................................... 363
   7.19 Литье тонкостенных изделий............................................ 363
       7.19.1 Описание процесса............................................... 365
       7.19.2 Преимущества.................................................... 366
       7.19.3 Недостатки...................................................... 368
       7.19.4 Материалы....................................................... 368
       7.19.5 Типичные направления применения................................. 368
   7.20 Вибрационное литье под давлением с газом.............................. 368
       7.20.1 Описание процесса............................................... 369
   7.21 Литье каучуков........................................................ 369
       7.21.1 Процессы лнтья каучуков......................................... 369
       Литература............................................................. 376
8  Конструкция формы (Дж. Бемом).............................................. 377
   8.1 Сборка стандартной формы............................................... 378
   8.2 Холодноканальные формы................................................. 380
       8.2.1  Холодноканальная форма с двумя плитами.......................... 380
       8.2.2 Холодноканальная (|х>рма с тремя плитами......................... 382
   8.3 Горячеканальные формы.................................................. 385
       8.3.1 Коллекторы и сопла с внешним нагревом............................ 387
       8.3.2 Коллектор с внешним нагревом и соплами с внутренним нагревом....  387
       8.3.3 Коллекторы и сопла с внутренним нагревом......................... 389
       8.3.4 Изолированные коллекторы и сопла................................. 390
       8.3.5 Конструкция смешанной ГКС........................................ 391
       8.3.6 Центральные литники ГКС.......................................... 392
       8.3.7 Сопла ГКС........................................................ 392
       8.3.8 Специальные вопросы при эксплуатации горячеканальных форм........ 395
       8.3.9 Двухэтажные литьевые формы....................................... 399
   8.4 Конструирование литниковых систем...................................... 400
       8.4.1 Конструкция XКС.................................................. 402
       8.4.2  Уравновешивание каналов в геометрически сбалансированных литниковых системах (холодно- и горячеканальных).................................. 403
       8.4.3  Схемы негеометрически сбалансированных литниковых систем........ 411
   8.5 Конструкция впускных литников.......................................... 413
       8.5.1  Типы впускных литников.......................................... 413
       8.5.2  Расположение впускных литников.................................. 421
   8.6 Конструктивные решения литьевых форм, обеспечивающие длительный срок
       службы................................................................. 423
       8.6.1  Выбор материала формы........................................... 423
       8.6.2  Усталосп........................................................ 424

ЛИТЬЕ ПЛАСТМАСС ПОД ДАВЛЕНИЕМ

       8.6.3  Деформация боковых стенок.......................................... 425
       8.6.4  Деформация пуансона................................................ 425
       8.6.5  Деформация опорных плит............................................ 426
   8.7  Охлаждение формы......................................................... 428
       8.7.1  Практические соображения........................................... 429
       8.7.2  Тепловое расширение................................................ 431
       8.7.3  Сравнение параллельных и последовательных систем охлаждения.....    431
       8.7.4  Перегородки и фонтанирующие трубки................................. 433
   8.8  Системы выталкивания..................................................... 434
       8.8.1  Основные проблемы выталкивания..................................... 434
       8.8.2  Детали системы выталкивания........................................ 438
       8.8.3  Практические соображения........................................... 440
       8.8.4  Конструкция систем выталкивания.................................... 441
   8.9  Система вентилирования формы............................................. 445
       Литература................................................................ 447
9  Конструирование изделий (Дж. Бемом)........................................... 448
   9.1  Процесс конструирования.................................................. 448
   9.2  Четыре основных элемента конструирования изделий из полимерных материалов 452
       9.2.1  Материал........................................................... 453
       9.2.2  Конструкция изделия................................................ 463
       9.2.3  Проектирование литьевой формы и ее механическая обработка.......... 465
       9.2.4  Технологический процесс............................................ 467
   93 Базовые принципы конструирования изделий................................... 479
       9.3.1  Проектирование стенки изделия...................................... 481
       9.3.2  Элементы жесткости, ребра и бобышки................................ 484
       9.3.3  Углы, закругления и радиусы........................................ 489
       9.3.4  Конусность и углы сужения.......................................... 489
       9.3.5  Поднутрения и отверстия............................................ 490
       9.3.6  Замечания о расположении мест впуска............................... 493
       93.7   Пунсоны и знаки.................................................... 494
       9.3.8  Как избежать проблем с «кадровой рамкой»........................... 494
   9.4  Пример конструкции изделия............................................... 495
   9.5  Оценка стоимости изделия................................................. 498
       Литература................................................................ 502
10  Анализ литья под давлением (Б. Дэвис, А. Риос)............................... 503
   10.1 История развития средств САЕ............................................. 504
   10.2 Определяющие уравнения................................................... 507
       10.2.1 Модели потоков..................................................... 508
       10.2.2 Модели ориентации.................................................. 510
       10.2.3 Модели переноса тепла.............................................. 512
       10.2.4 Уравнения состояния................................................ 513
   10.3 Численные методы......................................................... 516
       10.3.1 Метод конечных разностей........................................... 516
       10.3.2 Метод конечных элементов........................................... 517
       10.33  Метод граничных элементов.......................................... 518
   10.4 Упрошенный анализ........................................................ 519
       10.4.1 Анализ на основе метода конечных разностей......................... 519
       10.4.2 Анализ на основе твердотельной модели.............................. 520
       10.43  Анализ на основе литьевой формы.................................... 523
   10.5 Экспертный анализ........................................................ 524
       10.5.1 Коммерческое программное обеспечение............................... 526
       10.5.2 Специальные расчеты................................................ 528

Содержание

11

   10.6 Технология полного трехмерного анализа литья под давлением............... 529
   10.7 Заключение............................................................... 530
       Литература................................................................ 530
11  Процесс выявления  и устранения дефектов..................................... 532
   11.1 Введение в методику выявления и устранения дефектов (Дж. Уикманн)........ 532
   11.2 Руководство по выявлению и устранению дефектов........................... 538
       11.2.1 Перечень де<|к,ктов и способы их устранения (Дж. Боцелли).......... 538
        11.2.2 Методы выявления и устранения дефектов в процессах литья под давлением каучуков (Л/. ДсГрвйфф).................................................. 579
       11.2.3 Важные аспекты выявления и устранения дефектов (Г. Оссвальд)....... 584
   11.3 Процесс выявления и устранения дефектов (Дж. Вайдеманн).................. 585
       11.3.1 Программное обеспечение............................................ 586
       11.3.2 Датчики............................................................ 587
       11.3.3 Датчики давления................................................... 588
       11.3.4 Температурные датчики.............................................. 590
       11.3.5 Мониторинг процесса................................................ 591
       11.3.6 Автоматические методы выявления и устранения дефектов.............. 592
       11.3.7 Планирование экспериментов......................................... 592
       11.3.8 Факторный план экспериментов....................................... 593
   11.4 Заключение............................................................... 595
       Литература................................................................ 595
12  Методы выявления и устранения проблем с материалами (Л/. Сепе)............... 596
   12.1 Проблемы, связанные с химическим составом................................ 597
       12.1.1 Средства диагностики полимеров..................................... 598
       12.1.2 Диагностические средства для наполнителей и армирующих добавок...   619
       12.1.3 Средства диагностики добавок....................................... 626
   12.2 П роблемы молекулярной массы............................................. 633
   12.3 Проблемы, связанные с эксплуатационными характеристиками................. 655
       12.3.1 Процесс выбора материала........................................... 656
       12.3.2 Использование наполнителей....................................... 661
       12.3.3 Температура отклонения под нагрузкой............................... 664
   12.4 Заключение............................................................... 667
       Литература................................................................ 667
13  Система статистического контроля производственных процессов (К. Раувеидаалъ)................................................................. 668
   13.1 Система статистического контроля......................................... 669
       13.1.1 Реализация системы статистического контроля........................ 669
       13.1.2 Базовые статистические понятия..................................... 671
   13.2 Контрольные карты........................................................ 678
       13.2.1 Введение........................................................... 678
       13.2.2 Контрольные карты для переменных данных............................ 678
       13.2.3 Контрольные карты для атрибутов.................................... 685
   13.3 Пригодность технологического процесса и специальные системы статистического контроля для литья............................................ 687
       13.3.1 Введение........................................................... 687
       13.3.2 Индексы (показатели) пригодности................................... 688
       13.3.3 Использование компьютеров.......................................... 690
       13.3.4 Специальные системы статистического контроля для литья............. 692
       Литература................................................................ 697
       Предметный указатель...................................................... 700

Предисловие к русскому изданию


Предлагаемая читателю книга «Литье пластмасс под давлением» написана большим коллективом авторов — известных специалистов в области полимерных материалов, технологии их переработки, литьевого оборудования, организации литьевых производств, проектирования полимерных деталей и литьевых форм, математических методов моделирования процессов литья. В авторский коллектив привлечены специалисты по статистическим методам анализа, владеющие литьевой технологией, а также по физико-химическим методам анализа полимерных материалов. Коллектив авторов и научные редакторы книги Тим Оссвальд, Ли Тунг и Пол Грэманн сумели создать серьезную монографию по переработке пластмасс литьем под давлением, включив в се содержание основные вопросы, которые в целом должны сформировать у читателя стройное понимание многофакторной и сложной технологии литья под давлением.
   Описываемый способ переработки активно развивается, однако современной литературы недостаточно. Многие специалисты воспринимают литье с разных позиций. Для одних преобладают механические процессы, для других главное место занимает технология, для третьих наиболее важны перерабатываемые материалы и их свойства и т.д. В книге делается четкий акцент на многообразии факторов процесса литья, которые взаимосвязано определяют качество продукции, производительность и эффективность производства в целом.
   Достоинством книги является то, что в ней подытожены результаты большого объема практических работ и научных исследований в области литьевой технологии. Па основании этого авторы сформулировали основной круг вопросов о литье, в которых должен разбираться современный специалист. При этом редакторам удалось достигнуть соответствия между глубоким практическим подходом к содержанию книги с корректным научным обоснованием основных технологических принципов литья.
   В книге впервые систематизированы и описаны разработанные и применяемые в настоящее время различные специальные технологии изготовления деталей. Этот очень познавательный раздел призван расширить представления о литье под давлением; он даст переработчикам конкретные практические сведения о современных возможностях индустрии.
   Стремление сделать книгу полезной для самого широкого круга специалистов в области литья (технологов, наладчиков, конструкторов по оснастке) достигнуто

Предисловие к русскому изданию

13

введением большого раздела по обобщению влияния технологии, свойств материалов. конструкции изделия, параметров оборудования на качество литьевых деталей. В отдельно!! главе приведены основные виды брака и даются практические рекомендации по их устранению.
   В предлагаемом читателю издании впервые обобщены сведения по технологии литья, конструкции оборудования, свойствам материалов, принципал! конструирования оснастки и разработке литьевых изделий. Такой подход полезен и развивает у конструкторов оснастки и технологов общие представления о конструировании литьевых деталей, проектировании литьевых форм и разработке технологических режимов литья.
   В книге в доступной форме для специалистов но технологии литья и конструкторов излагаются основные принципы математического моделирования процессов литья, даются краткие рекомендации по методам компьютерного анализа. Опираясь на глубокие знания современных возможностей математического моделирования и на профессиональный подход к реальным технологическим процессам литья, авторы подчеркивают большое значение методов конечных разностей, перспективность экспертного анализа, а также использования отдельных модулей программных продуктов для моделирования различных стадий процесса литья.
   Читателю предлагается большая и содержательная книга политью под давлением. Однако она требует от читателя определенных усилий, чтобы понять и погрузиться в разнойлановый мир технологии литья. Взамен она гарантирует приобретение более стройного и глубокого представления о многообразных факторах технологии литья под давлением. Авторы не претендуют на обобщение мирового опыта в области технологии литья, но их труд представляет уникальный пример коллективного взгляда на безбрежный объем знаний, который лежит в основе современной технологии литья под давлением. Изложенная в книге информация о литье и методологический подход к анализу процессов литья соответствуют уровню требований, которые сегодня предъявляют специалисту эффективные производства по переработке пластмасс.
   Авторы книги написали эту монографию, чтобы передать свой опыт читателю. Он может представлять интерес для широкой аудитории: научных работников и преподавателей, специалистов различного звена, занятых непосредственно в производственных процессах, а также студентов, которые решили связать свою производственную судьбу с этой очень широкой и перспективной областью деятельности.

1Научный редактор русского издания Калинчев Э. Л.,
                                    Заслуженный деятель науки и техники РФ доктор технических наук, профессор

ВВЕДЕНИЕ

      П. Дж. Грэманн, Т. А. Оссвальд



Важнейшей технологией в производстве пластмассовых изделий является литье под давлением. Таким способом в наши дни производится более трети от общего объема штучных изделий из полимерных материалов. Больше половины номенклатуры оборудования, применяемого в переработке полимеров, предназначено для литья поддавленном. Технология литья идеально соответствует массовому производству изделий сложной формы, важным требованием к которым является точное соответствие размерам.


1.1 История появления и развития литья под давлением

По общему мнению, разработка и усовершенствование оборудования для производства пластмассовых изделий имеет столь же важное значение, как и изобретение самих полимеров. Большинство серьезных препятствий, с которыми за свою историю сталкивалось промышленное производство пластмасс, удалось преодолеть с помощью совершенствования именно способов переработки и создания новых разновидностей оборудования. Изобретателями целлюлозных пластмасс, известных под такими названиями, как целлулоид, паркезин, ксилонит или айворнд, считаются трое: профессор из Швейцарии Кристиан Шонбейн, английский изобретатель Александр Паркс и американский предприниматель Джон Уэсли Хайат, организовавший предприятие, в результате развития которого появилась новая отрасль промышленности — производство пластмасс.
   Считается, что все началось в 1865 году, когда компания Phelan & Collendar, производившая биллиардные шары, объявила о вознаграждении в 10 000 долларов тому, кто найдет новый материал, способный заменить слоновую кость. Приз в десять тысяч привлек внимание Хайата, и в 1869 году у него возникла идея использовать нитроцеллюлозу, материал, над которым ранее работали Паркс и Шонбейн. Хайат, тщательно перемешивая компоненты, ждал, когда разбавители полностью испарятся из полученной массы, которую он использовал, не дав ей окончательно затвердеть; вскоре он начал производство биллиардных шаров высокого качества. Вместо того чтобы получить обещанное вознаграждение в 10 000 долларов, Джон Хайат вместе со своим братом Исайей основал компанию Albany Billiard Ball, ставшую конкурентом Phelan & Collendar, — этот момент можно считать началом промышленного производства пластмасс.
   Одной из первых задач, стоявшей перед братьями, было найти способ производства изделий из целлулоида в форме пластин и стержней. На основе патента на

Введение

15

метод изготовления под давлением металлических отливок, полученного в 1870 году Джоном Смитом и Джессом Доком, они разработали и в 1872 году запатентовали первую машину для литья пластмассы под давлением 11|. Три таких машины несколько десятилетий работали на одной из американских фабрик; выпускалась только продукция достаточно простой формы [2]. Изобретенная братьями Хайат уплотнительная машина (рис. 1.1) стала прототипом литьевой машины. Особого


Рис. 1.1. Чертеж уплотнительной машины, запатентованный братьями Хайат

ЛИТЬЕ ПЛАСТМАСС ПОД ДАВЛЕНИЕМ

внимания заслуживают два чертежа, на которых можно предположить наличие внутреннего дорна со штифтами. Задача этого элемента состояла в увеличении площади соприкосновения нагревательных элементов и литьевой массы, что позволило быстрее достигать температуры пластикации. Это устройство, несомненно, стало прототипом так называемой торпеды в более поздних видах машин. Поскольку единственным мате
                                        риалом, используемым для литья под
Рис. 1.2. Рабочий узел литьевой машины Гейлораа даплениеМ₁ был целлулоид. в течение последующих 50 лет в данной отрасли мало что изменилось. Однако в 1904 году англичанину Э. Л. Гейлорду удалось запатентовать саму технологию литья под давлением. Рабочий узел разработанной им машины показан на рис. 1.2. Он применял данную технологию для литья высококачественных готовых изделий из янтаря, но из-за высокой стоимости материала, по своим характеристикам напоминавшего полистирол, предприятию Гейлорда не удалось добиться особых успехов.
   Наконец в 1919 году немцу А. Эй хен грюну удалось установить технологические условия литья под давлением целлулоидных деталей сложной формы. Таким образом, процесс литья под давлением был уже в четвертый раз изобретен заново. Затем Эйхенгрюн усовершенствовал технологию и используемое оборудование и в 1923 году подал заявку на получение патента [3] в Германии, Англии и Соединенных Штатах. В США, где подобные машины с ручным управлением начал выпускать X. Бухгольц, патент был выдан только через 8 лет. За это время Grotelite Company приобрела патент Бухгольца, автоматизировала технологию и в 1933 году разработала первую литьевую машину с гидравлическим приводом. Однако в 1934 году были высказаны сомнения по поводу правомерности патента Бухгольца. В результате

началось повсеместное кустарное изготовление литьевых машин с ручным управлением. В 1942 году патент, выданный Бухгольцу, был окончательно признан недействительным, так как он повторял патент Хайата, и основным прототипом был признан патент семидесятилетней давности. Несмотря на все это, именно машина Эй-хенгрюна-Бухгольца, представленная на рис. 1.3 [3], послужила прообразом для большинства разработанных в дальнейшем литьевых машин.
   В 1926 году Л. Э. Шоу изобрел технологию литьевого прессования, которая до сих пор остается основным методом производства изделий из реактопластов [3). По этой технологии (рис. 1.4) материал поступает в загрузочную камеру, где и расплавляется. Далее движением поршня в камере создается повышенное давление, в результате чего расплавленный материал течет по центральному литниковому каналу, затем по разводящим каналам (литникам) и, наконец, через впускные литники по-

Введение

17

Рис. 1.3. Литьевая машина Эйхенгрюна-Бухгольца в патенте 1931 г. (на рисунке подписи изобретателя, свидетелей и адвоката)

ступает в формующие полости форм. После того как изобретение Шоу получило известность, многие машины компрессионного прессования были переоборудованы в машины литьевого прессования. В 1940 году Шоу разработал машину струнного формования для реактопластов (рис. 1.5. [3)). В этой машине имеется поршень, который служит для впрыска термореактивного полимера в полость литьевой формы через терморегулируемое сопло. Для быстрого нагрева сопла в момент впрыска полимера применяется нагреватель. После впрыска сопло охлаждается водой, что позволяет предотвратить затвердевание материала на его внутренней поверхности.