Литье под давлением термопластов


Ю. П.ЛОЖЕЧКО






                ЛИТЬЕ ПОД ДАВЛЕНИЕМ ТЕРМОПЛАСТОВ




2-е издание, исправленное и дополненное

изд □ тельство



            [лПЖМЮЗИ



Санкт- Петербург
2019

^ПРОФЕССИЯ

ББК 678.027.74
УДК 35.710
Л71





     Ложечко Ю. П.
Л71 Литье под давлением термопластов / Ю. П. Ложечко. — 2-е изд. — СПб. : ЦОП «Профессия» 2019. — 240 с., ил.

         ISBN 978-5-91884-104-4


         В обновленном издании рассматриваются основы процесса литья под давлением изделий из термопластов, приведено описание 24 в идо в разновидностей литья. Дается описание конструкции литьевых машин, литьевых форм, добавлен раздел по периферийному оборудованию. Особое внимание уделяется выбору технологических параметров литья, их влиянию на свойства изделий, даны практические рекомендации по устранению дефектов. Отдельный раздел посвящен вопросам организации литьевого производства с учетом нормативной базы по проектированию, строительству, эксплуатации и техники безопасности.
         Информация учеб но-с прав оч но го характера, иллюстрации, таблицы, описания стадий процесса литья помогут цеховому персоналу в практической работе, а также будут полезны при подготовке и обучении мастеров, наладчиков, литейщиков.

ББК 678.027.74
УДК 35.710









       права, защищены Никакая часть этой книги не может быть воспроизведена в какой бы то ни было форме без письменного разрешения владельцев авторских прав.

Информация, содержащаяся в данной книге, получена из источников, рассматриваемых издательством как надежные. Тем не менее, имея в виду возможные человеческие или технические ошибки, издательство не можетгарантировать абсолютную точность и полноту приводимых сведений и не несет ответственности за возможные ошибки, связанные с использованием книги.






ISBN 978-5-91884-104-4

                                                       © Ложечко Ю. П.,2019
                              © ЦОП «Профессия», 2019
                              © Оформление:

ЦОП «Профессия», 2019

Оглавление

     Предисловие........................................8
     Предисловие ко второму изданию....................10

     СВОЙСТВА ЛИТЬЕВЫХ ТЕРМОПЛАСТОВ....................11
     1.1. Химическое строение термон ластов .... <.....11
     1.2. Молекулярный вес и молекулярно-массовое распределение.....................................13
     1.3. Разветвленность макромолекул.................14
     1.4. Химические и межмолекулярные связи в полимерах ... 14
     1.5. Аморфные и кристаллизующиеся термопласты.....16
     1.6. Композиционные материалы и полимерные добавки-модификаторы .....................................17
     1.7. Физическое состояние термопластов............21
     1.8. Эксплуатационные свойства термопластов.......23
     1.9. Технологические свойства термопластов........26
         1.9.1. Теплофизические свойства...............26
         1.9.2. Реологические свойства.................27
         1.9.3. Влажность..............................30
         1.9.4. Удельный объем и плотность.............31
         1.9.5. Усадка.................................34
     Список литературы ...................................... 37

     ОСНОВНЫЕ ВИДЫ И ЗАКОНОМЕРНОСТИ ПРОЦЕССА ЛИТЬЯ ПОД ДАВЛЕНИЕМ......................38
     2.1. Разновидности технологии литья под давлением термопластов......................................38
     2.2. Процессы, протекающие при литье..............42
     2.3. Ц и к л огра м м а р аб оты тер моп л а ста втом ата.43
     2.4. Традиционное литье под давлением.............47
     2.5. Скоростное тонкостенное литье................52
     Список литературы.................................58

Оглавление

3.  ЛИТЬЕВЫЕ МАШИНЫ..........................................59
     3.1. Основные компоновки и параметры литьевых машин..............................................59
     3.2. Гидравлические литьевые машины.....................62
         3.2.1. Узел смыкания................................66
         3.2.2. Узел впрыска.................................68
               3.2.2.1. Цилиндр..............................69
               3.2.2.2. Стандартный трехзонный шнек..........70
               3.2.2.3. Смесительные и диспергирующие элементы................................77
               3.2.2.4. Шнеки с улучшенным смешиванием ...79
               3.2.2.5. Запорный клапан шнека................80
               3.2.2.6. Сопло............................... 82
     3.3. Электрические и гибридные литьевые машины.....85
     Спис ок литературы...................................... 91

4.  ВСПО МОГАТЕЛЬНОЕ (ПЕРИФЕРИЙНОЕ)
     ОБОР   УДОВАНИЕ.........................................92
     4.1. Сушилки............................................92
     4.2. Смесители..........................................93
     4.3. Термостаты.........................................93
     4.4. Водоохладители (чиллеры)...........................95
     4.5. Дозаторы...........................................95
     4.6. Вакуум-загрузи ики.................................97
     4.7. Дробилки...........................................99
     4.8. Роботы и м а н и пул яторы.........................99
     4.9. Металлосепараторы.................................101
     Список литературы......................................101

5.  ЛИТЬЕВЫЕ ФОРМЫ......................................... 102
     5.1. Типовые конструкции форм и последовательность
         проектирования.....................................102
     5.2. Основные виды литьевых форм.......................105
     5.3. Хол од нока н а л ь н ые л итн и ков ые си сте мы.107
     5.4. Горячеканальные литниковые системы.................ПО

Оглавление

5

     5.5. Формообразующие детали......................114
     5.6. Си стем ы ох л аж де н и я..................115
     5.7. Вентиляционные системы......................118
     5.8. Системы выталкивания........................120
     5.9. Си стем ы ц е нтри р ов а н и я.............125
     5.10. Ресурс и техническое обслуживание форм.....128
     Список литературы................................130

6.   ПОДГОТОВКА ПОЛИМЕРА К ПЕРЕРАБОТКЕ.................131
     6.1. Сушка гранул................................131
     6.2. Предварительное смешение композиций.........134
     6.3. Транспортирование и загрузка сырья в машину.134
     Список литературы................................136

7.   ТЕХНОЛОГИЯ ПРОИЗВОДСТВА ИЗДЕЛИЙ ЛИТЬЕМ ПОД ДАВЛЕНИЕМ..........................137
     7.1. Выбор литьевой машины.......................137
     7.2. Технологические параметры литья.............139
         7.2.1. Температура литья.....................139
         7.2.2. Тем п ер ату ра фо рм ы...............140
         7.2.3. Давление литья при впрыске и подпитке.142
         7.2.4. Скорость впрыска......................145
         7.2.5. Усилие смыкания формы.................147
         7.2.6. Скорость вращения шнека при загрузке..148
         7.2.7. Противодавление при загрузке..........149
         7.2.8. Декомпрессия после загрузки...........149
         7.2.9. Положение шнека по окончании загрузки.149
         7.2.10. Положение шнека после декомпрессии...150
         7.2.11. Положение шнека в точке переключения.150
         7.2.12. Положение шнека по окончании подпитки (остаточная подушка)........................150
         7.2.13. Время выдержки под давлением.........150
         7.2.14. Время на охлаждение без давления.....151
     7.3. Технолога ческа я карта литья................153
    7.4.  Технологические параметры литья различных изделий из термопластов (примеры).................156

Оглавление

    7.5.  Порядок наладки литьевой машины.............159
     7.6. Неполадки в работе оборудования и способы их устранения...................................161
    Список литературы.................................165

8.   СВОЙСТВА И ОСОБЕННОСТИ ЛИТЬЕВЫХ ИЗДЕЛИЙ..................................... 166
    8.1.  Молекулярная ориентация при литье...........166
    8.2.  Анизотропия свойств литьевых изделий........171
    8.3.  Упругие остаточные напряжения в отливках....177
     8.4. Затвердевание и кристаллизация полимеров при литье.......................................181
    8.5.  Усадка и точность отливок из пластмасс......185
    Список литературы.................................193

9.   ДЕФЕКТЫ ЛИТЬЕВЫХ ИЗДЕЛИЙ И МЕРЫ ПО ИХ УСТРАНЕНИЮ.................................... 194
    9.1.  Дефекты внешнего вида.......................194
    9.2.  Термообработка литьевых изделий.............203
    Список литературы.................................204

10.  ОРГАНИЗАЦИЯ ЛИТЬЕВОГО ПРОИЗВОДСТВА И ТЕХНИКА БЕЗОПАСНОСТИ...............................205
    10.1. Составные элементы литьевого производства...205
    10.2. Правила проектирования, строительства и эксплуатации литьевых производств...............206
         10.2.1. Обоснование точки размещения.........206
         10.2.2. Проектирование производства..........208
         10.2.3. Строительство и сдача в эксплуатацию.209
         10.2.4. Документы, разрабатываемые на период эксплуатации.................................210
    10.3. Компоновка помещений и оборудования.........211
    10.4. Разделение труда в литьевом цеху............214
    10.5. Техника безопасности при литье..............216
         10.5.1. Требования к безопасности литьевого оборудования.................................219

Оглавление

7

          10.5.2. Техника безопасности работы литейщика.222
          10.5.3. Техника безопасности работы наладчика.224
     10.6. Требования безопасности воздушной среды......225
          10.6.1. Воздушная среда производственных помещений.....................................225
          10.6.2. Воздушная среда населенных мест.......227
          10.6.3. Вентиляция в литьевом производстве....229
     10.7. Основные технико-экономические показатели....230
     Список литературы..................................233

     Приложение 1. Экспресс идентификация термопластов... .234
     Приложение 2. Значения допусков (в мкм) в квалитетах точности......................................235
     Приложение 3. Назначение квалитетов точности размеров формующих элементов в зависимости от точности отливаемых пластмассовых изделий..............236

  Предисловие

  За последние 20 лет прогресс в области пластмасс не выявил появление принципиально новых видов полимеров> незначительно расширил марочный ассортимент уже известных пластмасс добавок, объем их производ-ства> переработки и потребления.
  Российскими предприятиями в 2007-2009 гг. ежегодно перерабатывалось в изделия более 3>5 млн т пластмасс> из которых литьевые изделия составляют примерно треть.
  Мировой прогресс в эти годы в области литьевых машин, оснастки и технологии литья в немалой степени связан с усовершенствованиями приводов, гидроаппаратуры и систем управления. Сегодня все литьвые машины оснащаются процессором, дисплеем, централизованной панелью управления, позволяющими осуществлять многопараметрическое управление и протоколирование производственного процесса.
  В эти же годы отечественная литьевая индустрия в силу экономических сложностей в переходный период столкнулась с новыми реалиями: с 1992 г. по настоящее время в стране отсутствует серийное производство литьевых машин, современного периферийного оборудования. За 20 лет техническая и кадровая оснащенность машиностроительных заводов и цехов, ориентированных на производство литьевых форм, снизилась. Переоснащение литьевых производств в стране происходит только за счет импортного оборудования, идет вымывание отечественной оснастки. Переработчики пластмасс по рабочим категориям и средне-технический персонал практически не готовятся. Ежегодное количество выпускников вузов по специальностям, связанным с переработкой пластмасс за этот период значительно снизилось техническая литература в области пластмасс с начала 1990-х годов примерно до 2004 года на русском языке практически не издавалась.
  Вновь приходящие в литьевое производство кадры зачастую не имеют базовой профессиональной подготовки, а доступной учебно-методической и технической литературы не хватает.
  Данное пособие предназначено в основном для цехового звена: технолога, начальника участка, мастера, начальника смены, наладчика, литейщика. Издание рассчитано на практических работников литьевого производства и в большой степени отражает 38-летний опыт работы автора книги как технолога и руководителя литьевых производств на разных предприятиях: НПО «Пластполимер», Охтинский химзавод, завод им. «Комсомольской правды», ООО «Би плант».
  В книге рассмотрены два основных вида литья: традиционное литье под давлением термопластов и скоростное тонкостенное литье. При этом дает-

Предисловие

9

ся описание по всей производственной цепочке: сырье-оборудование-ос-настка-технология-изделие.
  При подготовке издания большое внимание уделено выбору оптимальных технологических параметров> настройке литьевой машины^ устранению дефектов при литье> действиям наладчика и оператора-литейщика. Отдельный раздел посвящен организации литьевого производства и технике безопасности.
  Приведенный в конце список литературы позволяет читателю более подробно ознакомиться с различными аспектами литья термопластов.
  Автор надеется на полезность данной книги при обучении и подготовке персонала непосредственно на производстве и будет признателен за предложения от читателей по улучшению ее содержания.

Кандидат технических наук Ю. П. Ложечко

        Предисловие ко второму изданию

  За последние 10 лет наблюдаются позитивные сдвиги в отечественной индустрии пластмасс включая подотрасль переработки. Объем переработки и производства пластмассовых изделий в РФ за этот период вырос с 3>5 до б>5 млн т/roflj из которых более 2 млн т — литьевые изделия.
  Ежегодно отечественными предприятиями закупается из-за рубежа более 1200 литьевых машин различных моделей. На ряде отечественных предприятий внедрены и освоены высокотехно
  логичные литьевые процессы: литье с газом> литьеМи СеЦ с переключаемым впрыском» с вариотермической формой и др. Расширился выпуск технической литературы по переработке пластмасс особенно по технологической литьевой оснастке.
    Во второе издание книги введено краткое описание 24 разновидностей литья» раздел по периферийному оборудованию» раздел по анизотропии свойств литьевых изделий. Глава по организации литьевых производств дополнена сведениями о нормативной базе» регламентирующей проектирование» строительство и эксплуатацию литьевых производств. Список литературы дополнен книгами» вышедшими после 2010 года и сгруппирован тематически для удобства пользования.
    Второе издание книги» являясь учебно-справочным по своему содержанию» отражает 49-летний опыт работы автора в области литья под давлением. Она предназначена для обучения и подготовки персонала литьевых производств как в системе образования» так и непосредственно в производственных условиях. Книга будет полезна всем» кто на практике связан с литьем пластмасс под давлением.


Кандидат технических наук Ю. П. Ложечко

                1. Свойства литьевых термопластов





  К термопластам относятся состоящие из макромолекул высокомолекулярные органические материалы (полимеры)> которые при нагревании размягчаются> переходят в вязкотекучее состояние и способны при течении обратимо изменять свою форму под действием сжимающие растягивающих и сдвиговых напряжений. При охлаждении термопласты затвердевают и принимают заданную форму. Другим видом полимеров являются реактопласты^ которые в процессе переработки в изделия химически сшиваются> после чего не могут размягчаться> плавиться и повторно перерабатываться.

        1.1. Химическое строение термопластов

  Молекулы полимеров состоят из отдельных звеньев (молекул мономера)> химически связанных в длинные цепочки (рис. 1.1)> размеры которых вдоль цепи в тысячи раз превосходят поперечные размеры.

         —СН₂—СН—
I

[-СН-СН-], Полиэтилен

—сн₂—СН—■ I сн₃ J„
  Полипропилен

—сн₂—СН—
I
       Cl J п
Поливинилхлорид
  о
       ,СН=СН

СН СН

СН СН
   Z


Полистирол [-NH(CH₂)₅CO-]„
            Полиамид 6
О
II

          —с—с            с—с—о—сн₂—сн₂—О—
^'СН—сн^ L                                      J п
П ол и эт и л е нте ре фтал ат
Рис. 1.1. Хи ми чес кая структура термопластов: С —углерод, Н — водород, О—кислород, CI — хлор, N — азот, п — число мономерных звеньев в молекуле полимера (степень полимеризации)

1. Свойства литьевых термопластов

    Наряду с гомополимерамщ состоящими из одинаковых мономерныхзве-ньев> существуют термопласты^ состоящие из звеньев двух или трех мономеров: САН> АБС и др.
    В табл. 1.1 приведены перечень промышленных термопластов и их принятые сокращения



Таблица 11. Перечень промышленных термопластов

Название полимера               Сокращенное наименование    Тип   
                                  Русское     Английское  полимера
Полиэтилен                           ПЭ           РЕ      К       
Полиэтилен высокой плотности        пэвп         HDPE     К       
Полиэтилен низкой плотности     пэнп             LDPE     К       
Линейный полиэтилен низкой      ЛПЭНП (Л ПЭ) LLDPE (LPE)  к       
плотности                                                         
Полистирол                           ПС       PS (GPPS')     А    
Ударопрочный полистирол             УПС          HIPS        А    
Сополимер стирола с                 САН          SAN         А    
акрилонитрилом                                                    
Акрилонитрилбутэдиенсги рольный     АБС          ABS         А    
пластик                                                           
Поливинилхлорид                     пвх          PVC         А    
Поливинилхлорид твердый            ПВХтв.    PVCU            А    
                                             (PVC-h)              
Поливинилхлорид мягкий            ПВХмягк.       PVCP        А    
                                               (PVC-w)            
Полиамид б                          ПА б         PA 6     К       
Полиамид бб                        ПА бб        PA 66     К       
Полипропилен                         ПП           PP      К       
Поликарбонат                         ПК           PC         А    
П ол им ети лм ет акр ил ат         ПММА         PMMA        А    
Полиэтилентерефталат             ПЭТФ (ПЭТ)      PET        К +А  
Полибу ти лентере фталат         ПБТФ (ПЕТ)      PBT      К       
Пол иэ фирке тон                    ПЭК          РЕК      К       
По л и сульф он                     ПСФ          PSU         А    
Полиоксиметилен                     ПОМ          POM      К       
(полиформальдегид)                                                
Термоэл а сто пласт (10 видов    ТПЭ (ТЭП)       TPE         А    
по химическому составу)                                           
Термопластичный полиуретан          ТПУ          TPU         А    
Поливинилиденфторид                 ПВДФ         PVDF     К       

1.2. Молекулярный веси молекулярно-массовое распределение

Таблица 1.1 (окончание)

13

 Название полимера  Сокращенное наименование  полимера
                    Русское    Английское             
Полиф енилен оксид    ПФО          РРО           А    
Полифенилен сульфид   ПФС          PFS           К    
Полиэ фирэ фиркетон  пээк         РЕЕК           К    
Полиэ фирсульф он    ПЭСФ         PESU           А    
Полиэфиримид          пэи          PEI           А    

Примечание. К — кристаллизующийся, А — аморфный.


        1.2. Молекулярный вес и молекулярно-массовое распределение


    Свойства полимеров зависят от длины молекул. Длина макромолекул указывается через относительную молекулярную массу (молекулярный вес) или через степень полимеризации п.
    В силу статистического характера роста и обрыва цепи при полимеризации полимер имеет в своем составе цепи разного молекулярного веса> в этом случае говорят о молекулярно-массовом распределении (ММР) поли-мера> а также среднемассовой молекулярной массе (рис. 1.2).
    При синтезе можно получать молекулы разного молекулярного веса. Используемые при литье термопласты имеют высокую степень полимеризации от нескольких десятков тысяч до нескольких сотен тысяч.




Рис. 1.2. Молекулярно-массовое распределение (ММР)

1. Свойства литьевых термопластов


        1.3. Разветвленность макромолекул

    На свойства полимеров> наряду с химическим составом и ММР> оказывает влияние разветвленность молекул. Молекулы могут быть линейными или разветвленными^ когда наряду с главной цепью возникают разветвления коротко- или длинноцепочные.
    Так> три разновидности полиэтилена обладают различными типами разветвленности (рис. 1.3):
    ПЭВП имеет преимущественно короткоцепочные ответвления с двумя-шестью атомами углерода;
    ПЭНП имеет длинноцепочные ответвления;
    ЛПЭНП имеет только очень короткие боковые цепочки в большом количестве.


     Рис 1.3. Молекулярно-разветвленная структура различных видов полиэтилена:
а — линейные молекулы с 4-10 короткими ответвлениями на 1000 атомов С основной цепи; б — дл ин ные о тветвл ени я; в — л инейные мо лекул ы с 10-35 ко роткими ответвлениями на 1000 атомов С основной цепи


        1.4. Химические и межмолекулярные связи в полимерах

    Прочность сильных химических связей вдоль молекулярной цепи значительно превосходит прочность межмолекулярных физических связей — в этом заключается фундаментальное свойство всех термопластов> проявляющееся на стадии литья и в период эксплуатации литьевых изделий.
    Максимальная энергия связи между атомами углерода основной цепи карбоцепных полимеров> таких как полиэтилен» полипропилен» полистирол» поливинилхлорид и др. составляет 71 ккал/моль» а максимум энергии притяжения межмолекулярных связей 0>б8 ккал/моль (рис. 1.4)> т. е. химические связи примерно в 105 раз сильнее межмолекулярных связей. Зона

1.4. Химические и межмолекулярные связи в полимерах

15

  действия химических ковалентных связей притяжения между атомами углерода полимерной цепи составляет 1-2 А» зона действия межмолекулярных ван-дер-ваальсовых сил притяжения — 3-4 А.
    Атомы углерода полимерной цепи в исходном ненапряженном состоянии находятся друг от друга на расстоянии 1 А» что на рис. 1.4 соответствует нулевой энергии на кривой а. При растяжении расстояние между атомами углерода растет» при этом небходимо преодолеть энергию притяжения 71 ккал/моль» после чего при дальнейшем растяжении притяжение резко ослабевает и при 3 А снижается практически до нуля» предопределяя разрыв ковалентной связи при последующем увеличении расстояния.
    Нулевое значение межмолекулярного взаимодействия» как видно по кривой 6 приходится на расстоянии примерно 3 А между полимерными молекулами. При увеличении расстояния от 3 до 5 А энергия притяжения сначала достигает максимального значения при 3»5 А» а затем к 5 А практически падает до нуля» вследствие чего материал разрушается (делится на части).
    При нагреве выше температуры текучести для аморфных или выше температуры плавления для кристаллизующихся полимеров межмолекулярные связи ослабевают» макромолекулы и их сегменты теряют связь со своими соседями» вязкость с повышением температуры снижается» а текучесть увеличивается.


Ра ссгояние между элемента ми

Рис 1.4. Кривые потенциальной энергии межатомных и межмолекулярных взаимодействий: с? — ковалентная связь (химические межатомные связи C-Q; б — ван-дер-ваальсово взаимодействие (межмолекулярные связи)