автореферат диссертации по химической технологии, 05.17.08, диссертация на тему:Моделирование формирования линий спая при литье термопластов под давлением

Введение.

Глава 1. Современное состояние проблемы линий спая при литье термопластов.

1.1. Причины возникновения линий спая. Виды спаев.

1.2. Исследования линий спая при литье под давлением.

1.2.1. Структурные исследования.

1.2.2. Прочностные исследования.

1.3. Современные представления о формировании спая и разработанные ранее математические описания процессов в литьевой форме, ответственных за это формирование.

1.4. Цель и задачи работы.

Глава 2. Математическое описание формирования линии спая.

2.1. Кинематика стыковки потоков расплава при обтекании преграды.

2.2. Прогнозирование длины линии спая.

2.2.1. Критерий, определяющий длину линии спая.

2.2.2. Вычисление критической длины линии спая.

2.3. Анализ кинематики течения в зоне поверхности стыковки методом маркеров течения.

2.3.1. Математическая модель движения маркеров.

2.3.2. Алгоритм вычисления траектории маркеров.

2.4. Процесс взаимодиффузии через стыковочную поверхность.

2.4.1. Математическая модель взаимодиффузии.

2.4.2. Рещение уравнения взаимодиффузии методом конечных разностей.

2.5. Предпосылки, необходимые для реализации разработанньос математических моделей стыковки потоков и взаимодиффузии.

2.6. Выводы.

Глава 3. Моделирование формирования спая у опытных образцов.

3.1. Введение.

3.2. Моделирование формирования "горячей" линии спая. 92 3.2.1. Моделирование образцов типа "пластина" и проведение анализа течения расплава в системе МОГВГГО\Л.

3.2.2. Результаты анализа течения расплава при литье образцов с "горячим" спаем в системе MOLDFLOW.

3.2.3. Результаты моделирования критической длины спая.

3.2.4. Результаты моделирования движения маркеров на стыковочной поверхности у образцов с "горячим" спаем и его результаты.

3.2.5. Результаты моделирования процесса взаимодиффузии материала потоков на стыковочной поверхности "горячего" спая.

3.3. Моделирование литья образцов с "холоднь»!" спаем в системе МОЬВГЬО\¥.

3.3.1. Моделирование образцов типа "лопатка для испытаний на растяжение" и проведение анализа течения расплава в системе MOLDFLOW.

3.3.2. Результаты анализа литья образцов с "холодным" спаем в системе MOLDFLOW.

3.3.3. Результаты моделирования процесса взаимо диффузии материала потоков через стыковочную поверхность "холодного" спая.

3.4. Выводы,

Глава 4. Экспериментальное исследование опытных образцов, содержащих линии спая.

4.1. Вискозиметр ические испытания использованного в экспериментах полимерного материала.

4.1.1. Выбор материала.

4.1.2. Вискозиметрические испытания материала.

4.2. Экспериментальное исследование "холодного" спая.

4.2.1. Опытный образец.

4.2.2. Отливка опытной партии образцов.

4.2.3. Испытание образцов на растяжение.

4.3. Экспериментальное исследование "горячего" спая.

4.3.1. Опытный образец.

4.3.2. Отливка опьггной партии пластин.

4.3.3. Испытание образцов на растяжение.

4.4. Результаты испытаний на растяжение опытных образцов.

4.4.1. Результаты испытаний образцов с "холодным" спаем.

4.4.2. Результаты испытаний образцов с "горячим" спаем.

4.5. Корреляционные соотношения между экспериментальными и расчётными данными.

4.5.1. Корреляционное соотношение между экспериментальным коэффициентом снижения прочности спая и расчётной глубиной "трещины".

4.5.2. Корреляционное соотношение между расчётной критической длиной и экспериментальной длиной линии спая.

4.6. Выводы.

Глава 5. Методы повышения и прогноза прочности изделий со спаями в практической технологии литья.

5.1. Методика расчёта оптимальнык параметров режима литья изделий со спаями.

5.2. Методика прогноза прочности образующегося спая. 161 5.3 Метод повышения прочности путём создания на стыковочной поверхности продолжающейся деформации, параллельной этой поверхности.

5.3.1. Сущность метода повышения прочности.

5.3.2. Экспериментальная проверка метода повышения прочности.

5.3.2.1. Изготовление и испытание опытных образцов.

5.3.2.2. Анализ результатов испытаний и выводы.

5.4. Пример хфактической реализации метода повышения прочности спая.

5.5. Методика расчёта дроссельного канала при использовании метода повышения прочности спая.

В настоящее время широкое применение в различных областях техники находят изделия из термопластов. Такие качества термопластов, как незначительный удельный вес, низкая теплопроводность, диэлектрические свойства и относительная простота переработки, делают их незаменимыми материалами для изделий и конструкций самого широкого назначения. Одним из основных методов переработки термопластов является литьё под давлением. Этим методом изготавливают разнообразные детали машин и аппаратов (корпуса, ручки, уплотнительные кольца, арматуру, шестерни, винты, гайки), детали, применяемые в электротехнике (выключатели, клеммы, плиты, кожухи приборов, кнопки) и автомобилестроении (отражатели фар, элементы внутреннего оборудования салонов и др.).

При последующей эксплуатации отформованных изделий из термопластов большое значение имеют такие свойства, определяющие их качество, как прочность, долговечность и эстетичный внешний вид. Эти свойства обьшно ухудшаются при наличии в изделиях каких-либо дефектов, вносимых при литье под давлением. К таким дефектам, в основном, относятся полосы на поверхности изделия, наличие нерасплавленных гранул термопласта, пригары, матовость, складки, утяжины и линии спая. Все эти дефекты, кроме последне- . го, могут быть полностью устранены при помощи подбора таких параметров режима литья, как температура расплава, температура формы, скорость впрыска, давление и время выдержки под давлением, время охлаждения. Последний дефект - линии спая, как правило, является неустранимым. Например, если в полости формы имеется вставка или знак, то при их обтекании расплавом неизбежно образуется линия спая. Без внесения каких-либо изменений в конструкцию формующего инструмента линии спая, в большинстве случаев, не могут быть полностью устранены. Однако, их свойства могут быть улучшены путём регулирования вышеперечисленных параметров режима литья.

Наличие линий спая, как правило, приводит к снижению прочности изделия в области спая и ухудшает внешний вид изделия, т.к. обьгано этот дефект бывает хорошо виден на поверхности изделий. Многие из выпускаемых в настояшее время изделий имеют сложную геометрию (наличие отверстий, перепады толгцин, сложная поверхность). Формы для их литья имеют вставки, знаки, арматуру, возможно, несколько впусков. Это приводит к тому, что в практике литья под давлением линии спая встречаются довольно часто. Сравнительно высокая частота появления и неустранимость этих дефектов сделали наличие линий спая серьёзной проблемой для технологов, конструкторов изделий и формуюш;его инструмента.

Высокая стоимость литьевых форм привела к необходимости создания методов предвьлисления, прогнозирования качества будущих изделий ещё на стадии разработки формующего инструмента. Такие методы позволяют устранить риск появления брака. Возможно более полная информация о наличии у изделия таких дефектов, как линии спая, нужна конструктору формы ещё до того, как она изготовлена, с тем, чтобы он мог внести соответствующие изменения в её конструкцию. Делая прогнозную оценку степени снижения прочности детали в окрестности линии спая, конструктор может не учитывать наличия линий спая, если снижение прочности не велико, и наоборот, обязан внести изменения в конструкцию формы и, может быть, в конструкцию изделия, чтобы избежать недопустимой степени снижения прочности. Правильно выбрав место впуска расплава в полость формы, конструктор может обеспечить расположение линии спая в наименее нагруженной при эксплуатации части изделия. Используя модель, прогнозирзоощую длину линии спая, он может подобрать такую толщину стенки изделия (или режим литья), при которой эта длина будет минимальной. Соответствующий математический инструмент, способный решать подобные задачи, до сих пор не был создан, хотя в нём существует большая потребность.

Линии спая бьши подвергнуты всестороннему изучению, в основном, зарубежными учёными. Исследовался механизм формирования спая, влияние параметров режима литья на прочность спая, структура материала в области спая. Были намечены пути возможного повышения прочности спая; сделаны попытки создания математических моделей, способных "выходить" на прогноз прочности возникающих спаев. Вместе с тем, эти работы имеют неполный, незавершённый характер, отражают лишь некоторые, частные свойства спаев. Наибольшее число работ посвящено прочностным исследованиям, но в них рассматривается влияние только некоторых параметров режима литья на прочность, без выявления механизма этого влияния, и относятся они, как правило, лишь к одному какому-либо сорту термопластов. Механизм формирования спаев известен лишь качественно, в основном, только для т.н. "холодного" спая. До сих пор не существует адекватной математической модели обтекания преграды и образования "горячего" спая, описывающей кинематику стыковки потоков. Существует потребность в создании работоспособной математической модели, прогнозирующей прочность материала в месте спая. Совершенно не разработана задача прогнозирования длины "горячей" линии спая, а решение этой задачи важно как с точки зрения прочности (микроканавка, являющаяся видимой частью поверхности спая, служит концентратором напряжений), так и с точки зрения эстетичности внешнего вида изделия.

Существующие диффузионные модели нарастания прочности спая не учитывают непостоянство температуры стенки полости, неравенство начальной температуры расплава и температуры фронтов перед стыковкой, наличие диссипативных тепловыделений в потоке, способных существенно изменять температурное распределение в расплаве, что не может не внести погрешность в определяемую степень снижения прочности. Эти модели одномерны: они учитывают только наличие температурного градиента в направлении толщины изделия и, по этой причине, могут быть использованы только для прогноза прочности "холодного" спая. Однако, в практике литья "горячие" линии спая встречаются не реже "холодных". В случае обтекания преграды, при образовании "горячего" спая, возникает поверхность стыковки, вдоль длины которой гидродинамические и тепловые условия могут значительно изменяться. Это приводит к необходимости создания двумерной модели взаимодиффузии потоков для "горячего" спая, с возможностью применения этой модели и для "холодного" спая, как частного случая "горячего".

В связи с вышеизложенным, основной целью данной работы является разработка математической модели процесса стыковки двух потоков расплава термопласта в полости литьевой формы, адекватно описывающей кинематику стыковки и процесс взаимодиффузии материала потоков на поверхности стыковки, что позволило бы прогнозировать прочность и длину спая уже на стадии проектирования формующего инструмента.

Актуальность настоящей диссертации заключается в том, что решаемые в ней задачи направлены на создание высокоэффективного программного обеспечения, которое способно прогнозировать параметры образующихся при литье линий спая и может служить конструктору формы одним из инструментов, способствующих принятию им правильных конструктивных решений. Такое обеспечение, будучи включённым в состав какого-либо из известных программных продуктов, моделирующих процесс литья под давлением, дало бы возможность технологам и конструкторам форм проводить предварительный анализ качества формуемого изделия. Его использование при проектировании форм позволило бы оптимизировать такие параметры возникающих линий спая, как их расположение, длина и прочность материала в области спая. При этом снижается риск появления брака из-за неправильно спроектированного формующего инструмента, любая переделка которого требует значительных финансовых затрат.

В I главе диссертации проводится литературный обзор экспериментальных и теоретических работ, существующих математических моделей и методов исследования линий спая.

Во II главе диссертации представлена разработанная математическая модель процесса стыковки потоков расплава при обтекании ими преграды. В этой модели учитывается наличие деформации на поверхности стыковки, протекающей по механизму сдвигового течения и "фонтанного эффекта" во фронтовой области потока. На основе разработанной кинематической модели стыковки выявлен критерий, определяющий длину линии спая. В модели использовался метод маркеров течения, позволяющий отслеживать координаты частиц расплава, находящихся на поверхности контакта потоков, в любой момент времени; при этом учитывалось наличие "фонтанного эффекта". Для каждого маркера решалась также задача о взаимодиффузии молекулярных цепей состыковавшихся потоков в направлении, перпендикулярном поверхности стыковки. Для решения этой задачи бьша создана математическая модель на основе II закона Фика с переменным во времени коэффициентом взаимодиффузии. Необходимые для работы этой модели поля скоростей и температур вьгаислялись с помощью известного программного продукта анализа литья под давлением MOLDFLOW.

Решение задачи о диффузии для каждого маркера в отдельности позволило получать переменное во времени распределение глубины диффузии по всей поверхности стыковки потоков, изменяющей свою конфигурацию (двумерная задача). При этом имеется возможность отслеживать процесс взаимодиффузии в любой момент времени от начального момента контакта потоков на стадиях впрыска, выдержки под давлением и охлаждения, вплоть до полного застывания расплава. Конечное распределение глубины диффузии по поверхности спая определяет прочность спая.

В Ш главе описана реализация вычислений с помощью разработанной математической модели для конкретных изделий - опытных образцов. Проведено моделирование различных режимов литья для образцов, содержащих "горячие" и "холодные" линии спая. Приведены результаты проведённого анализа - установлены значения критерия, определяющего длину "горячей" линии спая, получены распределения глубины взаимодиффузии по поверхности спая. Принятое допущение о равенстве прочности стыка прочности "монолитного" материала при достигнутом значении глубины диффузии, равном VI радиуса инерции макромолекулы термопласта, позволило установить наличие и определить положение на поверхности стыковки двух зон с полной и неполной "сшивкой" макромолекул материала. При этом было обнаружено, что зона неполной "сшивки" фактически представляет собой узкую прилегающую к поверхности изделия область типа трещины, размеры которой оказались существенно зависящими от параметров режима литья. При разрушении изделия по месту спая эта трещина служит концентратором напряжений. Таким образом, разработанная модель принципиально позволяет осуществлять прогноз прочности спая. Модель формирования "горячего" спая была применена и для расчётов параметров "холодного" спая, являющегося частным случаем первого. в ГУ" главе диссертации представлены: методика и результаты определения реологических характеристик использованного в экспериментах материала; описание литьевой формы, в которой была осуществлена отливка опытных образцов, содержащих "горячие" и "холодные" линии спая, экспериментальных режимов литья; методика подготовки и испытаний образцов на растяжение. Представлены результаты, показывающие зависимость прочности спая от параметров режима литья, распределение прочности по длине "горячего" спая и экспериментально наблюдавшиеся длины спаев для разных режимов литья. Обнаружена корреляция расчетной координаты фронта, соответствующей моменту конца стыковки, с экспериментальными длинами спаев. Представлено также корреляционное соотношение между экспериментальными и расчётными данными, показывающее зависимость между экспериментальным коэффициентом снижения прочности спая и вьлисленными при помощи разработанной модели глубинами "трещин". Данное соотношение подтверждает достоверность разработанной модели.

В V главе диссертации рассмотрены методы повышения и прогноза прочности спая в практической технологии литья. Представлена разработанная на основе экспериментальньос и расчётных данньос методика определения оптимальных относительно прочности спая параметров режима литья, а также методика прогнозирования прочности спая. Кроме того, предлагается специальный метод упрочнения сформировавшегося спая, заключающийся в искусственном создании на поверхности стыковки продолжающейся деформации течения в направлении, параллельном этой поверхности. Для этого предлагается осуществить свободное истечение расплава из полости формы через специальный дроссельный канал. Были проведены эксперименты на опытных образцах типа "пластина", при которых наблюдалось повышение прочности спая на 15,6%, что показывает возможность использования данного метода для повышения прочности спая путём применения специальных конструктивных; решений при проектировании форм. Предлагается принципиальная методика расчёта размеров дроссельного канала; также представлен пример практической реализации упрочнения места спая при разработке формующего инструмента для производства изделия типа "прижим".

На защиту выносятся следующие результаты работы:

- математическая модель стыковки потоков расплава при обтекании ими преграды, в которой реализован метод маркеров течения и решается задача о неизотермической нестационарной взаимодиффузии макромолекул расплава на стыковочной поверхности на основе П закона Фика с переменным коэффициентом диффузии;

- результаты моделирования образования линий спая, полученные с помощью вышеуказанной модели, раскрывающие механизм этого процесса и принципиально позволяющие определять длину линии спая, а также зависимость её характеристик от геометрии оформляющей полости, расположения мест впуска расплава в полость и параметров режима литья.

- результаты экспериментов, подтверждающие достоверность разработанной математической модели и показывающие, что снижение прочности спая обусловлено наличием зоны с неполной "сшивкой" макромолекул (типа трещины), размеры которой существенно зависят от режима литья, и что экспериментально наблюдавшиеся длины видимой части спая зависят от расчётной интенсивности "фонтанного эффекта";

- экспериментальные результаты по применению специального метода повышения прочности возникающих при литье спаев.

Научная новизна данной работы заключается в создании двумерной математической модели взаимодиффузии потоков расплава на поверхности "горячего" спая, не имеющей аналогов. Впервые установлено, что интенсивность фонтанного эффекта, зависящая от соотношения скорости фронта и локальной скорости частиц расплава в ядре потока, определяет длину видимой на поверхности изделия части линии спая; в результате получена возможность прогнозирования длины видимой части линии спая. Впервые получены двумерные распределения глубины взаимодиффузии по поверхности спая для различных режимов литья и определена конфигурация зоны с неполной "сшивкой" макромолекул на этой поверхности.

Практическая ценность работы заключается в создании программного обеспечения, позволяющего прогнозировать обусловленное диффyзиoнньпvI процессом снижение прочности изделия в области спая и определять вероятную длину возникающих при литье линий спая на стадии проектирования формующего инструмента.

Основные результаты диссертационной работы опубликованы в периодических изданиях и доложены на конференциях:

- J.W.Kasankov, A.V.Yenikeyev, У.А.М1гопоу. Modeling of the strength of weld lines in injection molded articles. Kunststoffberater, №11,1997, p.22

- А.В.Еникеев, Ю.В.Казанков, В.А.Миронов. Формирование поверхности спая потоков при литье изделий из пластмасс. В книге: Труды МГАХМ. Выпуск 1. Состояние и перспективы научных работ в химическом машиностроении. Москва, 1997, стр. 95.

- А.В.Еникеев, Ю.В.Казанков, В.А.Миронов. Модельные представления о процессе стыковки потоков расплава полимера в литьевой форме. В книге: Тезисы докладов на международной конференции "Математические методы в химии и химической технологии", г. Тула, 1996, стр. 158

- А.В.Еникеев, Ю.В.Казанков, В.А.Миронов. Моделирование прочности спаев потоков при литье под давлением термопластов. В книге: Тезисы докладов на международной конференции "Математические методы в химии и химической технологии". Секция 1: Моделирование технологических процессов, г. Новомосковск, 1997, стр. 98

- J.W.Kasankov, V.A.Mironov, A.V.Yenikeyev. Modeling of the strength of weld Imes in injection molded articles. В книге: Тезисы докладов на международной конференции "TECHNOMER '97", г. Кемниц, Германия, 1997, стр. 15/1.

- А.В.Еникеев, Ю.В.Казанков, В.А.Миронов. Моделирование стыковки потоков при литье пластмасс под давлением. В книге: Труды МГУИЭ. Сборник статей студентов и аспирантов, т. П, М., 1998, стр. 113.

- А.В.Еникеев, Ю.В.Казанков, В.А.Миронов. Механизм образования линий спая при литье пластмасс под давлением. Химическое и нефтегазовое машиностроение, №2, 1999, стр. 40.

Основные выводы но диссертации.

1, В результате математического моделирования процесса стыковки потоков расплава, заполняющего оформляющую полость литьевой формы, установлено, что длина видимого на поверхности отлитой детали следа стыковки определяется временем достижения равенства между скоростью фронта потока у поверхности стыковки и скоростью расплава в центре потока в окрестности его фронта. Разработанная с учётом этого математическая модель процесса стыковки потоков позволяет прогнозировать режимы литья, при которых длина следа стыковки на поверхности деталей минимальна.

2. В результате моделирования взаимодиффузии макромолекул расплава через образующуюся стыковочную поверхность установлено влияние параметров режима литья на поле степеней взаимодиффузии на стыковочной поверхности, определяющее прочность материала в области спая потоков. Установлено, что при режимах литья, сохфовождаюпщхся интенсивными диссипативными тепловыделениями в оформляющей полости литьевой формы, в зонах этого поля, прилегающих к стенкам полости, возникают максимумы степени взаимодиффузии. Эти максимумы способствуют повышению прочности спая потоков в окрестности поверхностей формуемой детали.

3. С помопц>ю разработанной модели взаимодиффузии установлена конфигурация находящейся на стыковочной поверхности зоны с неполной "сшивкой" ма1 фомолекул типа трещины, прилегающей к поверхности изделия. Модель позволила вычислить глубину "трещины", зависящую от параметров режима литья. Показано, что "трещина" служит концентратором напряжений при разрушении изделия в месте спая, при этом получена корреляционное соотношение между расчётной глубиной "трещины" Ьф и экспериментальным коэффициентом снижения прочности спая Кед. С увеличением от 0,08 мм до 0,44 мм прочность при растяжении уменьшалась от 100% до 38%. Инвариантность данного соотношения от режимных условий формирования поверхности стыковки подтверждает достоверность разработанных моделей стыковки и взаимодиффузии.

На основе полученных экспериментальных и расчётных данных разработана методика определения оптимальных параметров режима литья изделий со спаями, позволяющих получать спай с максимальной прочностью, а также соответствующая методика прогнозирования прочности спая. Установлено, что максимальная прочность спая достигается при минимальной скорости вгфыска и максимальной температуре литья.

Установлена возможность упрочнения места спая путём инициации на стыковочной поверхности продолжающейся после заполнения формы деформации расплава в направлении, параллельном этой поверхности. Проведённые эксперименты показали возрастание прочности спая за преградой от 18,0 МПа до 20,8 МПа (на 15,6%). Предлагается соответствующий метод повышения прочности спая путём продавливания расплава через специальный дроссельный канал.

Показано применение способа угрочнения спаев на практике при про-мьппленном изготовлении конкретного изделия.

1. В.В. Лапшин. Основы переработки термопластов литьем под давлением. М, Химия, 1974.

2. В.В. Кузнецов, Н.Б. Ушакова, Т.П. Половинкина, В.Г. Паничев. «Спаи» при литье под давлением изделий из термопластов. Обзорная информация. М, НИИТЭХИМ, 1981.

3. Plast, tech. У.41, № 12,1995, p. 13.

4. J.L. Williams, K.J. Cleereman in; Styrene, Its Polymers, Copolymers and Derivatives, ed. by R.H. ВошЫу, R.F. Boyer. N.Y., 1952, ch. 10.

5. R.M. Ogorkiewicz. Thermoplastics: Effects of Processing. Iliffe, London, 1969.

6. E.M. Hagerman. Plast. Eng. У. 29, № 10,1973.

7. S.Y. Hobbs. Pol. Eng. and Sei. У. 14, № 9,1974.

8. Z. Tadmor. Joum. of Appl. Pol. Sei. У. 18, 1974, pp. 1753-1772.

9. К. Engberg, A. Knutsson, P.-E. Werner, U.W. Gedde. Pol. Eng. and Sei. У. 30, №24,1990.

10. R.C. Thamm. Rubber Chem. and Tech. У. 50, № 1,1977.

11. R.M. Criens, H.G. Mösle. Pol. Eng. and Sei. У. 23, № 10,1983.

12. R.M. Criens, H.G. Mösle, in: Failure of plastics. R.D. Comelliussen, W. Brostow; Manser Publishers, yienna, 1986.

13. S.C. Malguamera, A.I. Manisali, D.C. Riggs. Pol. Eng. and Sei. У. 21, № 17, 1981.

14. S.O. Kim, N.P. Suh. Pol. Eng. and Sei. У. 26, № 17,1986.

15. H. Mavridis, A.N. Hrymak, J. yiachopoulos. Pol. Eng. and Sei. У. 26, № 7, 1986, p. 449.

16. M.R. Kamal, E. Chu, P.O. Lafleur, M.E. Ryan. Pol. Eng. and Sei. V. 26, № 3,1986.

17. H.S. Lee. Pol. .Eng. and Sei. У. 37, № 3,1997.

18. B. H. Lee, B. H . Kim. Pol.-Plast. tech. and Eng. У. 35, № 2, 1996.

19. S.Hashemi, U.J. Din, P. Low. Pol. Eng. and Sei. У. 36, № 13,1996.

20. B.Brahmy, A. Ait-Kadi, A. Ajji. Pol. Eng. and Sei. У. 34, № 15,1994.44.