Список тематических статей

Управление процессом литья под давлением

Для обеспечения высокого, стабильного качества изделий и минимального количества брака при литье под давлением в ходе производственного процесса следует применять различные методы контроля свойств отливок. Это связано со значительными затратами и необходимостью проведения некоторых испытаний в лабораторных условиях, на основе результатов которых можно корректировать процесс литья. Сложная взаимосвязь отдельных технологических параметров затрудняет выбор соответствующего управляющего воздействия для устранения отклонения показателей отливок от заданных значений. Особенно трудно добиться заданного уровня качества во время пускового периода при возобновлении производства после остановки машины. Пусковой период в зависимости от вида отливки может длиться несколько часов. В течение всего этого времени выпускается брак, а квалифицированный персонал занят непрерывной корректировкой параметров процесса.

Для сокращения числа проверок, направленных на поддержание заданного качества отливки, необходимы контроль и регулировка тех параметров, которые непосредственно определяют свойства отливки и поддаются измерению в ходе процесса.

Параметры процесса, определяющие качество отливки. Исследования, проведенные в последние годы, показали, что непосредственное влияние на качество отливки оказывают: температура расплава в зоне перед шнеком; температура стенки формы; скорость впрыска, давление в форме, деформация т герметичность формы. Все они легко поддаются измерению [1, 2]. Стабилизировать их можно двумя способами: поддержанием постоянства вторичных параметров, оказывающих на них влияние, и непосредственным регулированием. При этом возмущающие воздействия по степени их влияния на качество отливки можно условно разделить на 2 категории. Категория А: качество ухудшается медленно, но неизменно в течение длительного периода времени. Основные причины - изменение температуры стенки формы, масла и расплава; геометрии  сопла, разводящих и впускных каналов под действием подаваемого материала; вязкости масла в результате старения и загрязнения; условий вентиляции формы; давления в нагревательном цилиндре у машин с предпластикацией. Категория Б: качество изменяется от цикла к циклу. Основные причины - колебания момента переключения, быстроты срабатывания обратного клапана, длительности пластикации, скорости впрыска, давления в нагревательном цилиндре у машин с предпластикацией.

Температура расплава в зоне перед шнеком. Колебания этого параметра определяют колебания температуры расплава в форме и, соответственно, скорости охлаждения, а также динамических и статистических потерь давления. Причем именно изменение потерь давления  оказывает особенно сильное влияние на воспроизводимость качества отливки.

Основными условиями поддержания постоянного уровня температуры расплава перед шнеком являются: точная настройка регулятора температуры стенки цилиндра; неизменность частоты вращения шнека, скоростного напора и длительности пластикации; небольшие колебания навески материала.

Температура стенки формы. Колебания этого параметра обусловливают неоднородность структуры отливаемых изделий, а также изменения их массы и размеров. Они вызваны значительной теплоотдачей через крепежные плиты машины (в период пуска); изменением температуры окружающей среды и расхода охлаждающей жидкости (вследствие изменения частоты вращения центробежного насоса термостата при колебании напряжения в сети или в результате уменьшения диаметра каналов охлаждения при отложении солей жесткости) и т.д. Регистрация температуры стенки позволяет также выявить влияние прерывания цикла на этот параметр и качество отливки (рис. 1). Причины отклонения температуры стенки формы от заданного значения можно установить путем непрерывного ее контроля. Например, циклические колебания среднего уровня температуры так же, как и большие колебания температуры расплава, указывают на их неустойчивость режима регулирования в системе охлаждения. Нерегулярные или длительные изменения свидетельствуют о колебаниях расхода охлаждающей воды, ее температуры, температуры окружающей среды или продолжительности цикла. 
 
 

 Рис. 1. Зависимость изменения температуры стенки формы от времени после остановки машины на 1 цикл (а), 3 цикла (б), увеличении длительности цикла с 50 до 60 с (в), замены материала (г), понижения температуры окружающей среды (д), повышения температуры расплава (е).
 - кривые изменения температуры окружающей среды;
 - кривые изменения температуры расплава.

Поскольку многие возмущающие воздействия влияют на температурное поле формы в течение длительного периода времени, воспроизводимость температуры ее стенки при отсутствии постоянного контроля практически недостижима. Это относится, в частности к формам с несколькими контурами охлаждения, а также к большим формам.

Давление в форме оказывает наибольшее влияние  на качество отливки. К контролируемым параметрам в данном случае относятся давление расплава в самой форме, в зоне перед шнеком и давление масла в гидросистеме. Отклонение давления в форме от заданного значения на разных стадиях процесса формирования отливки может быть вызвано изменением скорости  впрыска, температуры расплава и формы, моментов переключения давления, поскольку эти факторы определяют условия заполнения формы, подпитки и охлаждения расплава.

Недостатком измерения давления в форме является то, что получаемые данные справедливы только для конкретной точки замера. В некоторых случаях можно найти корреляционные зависимости характеристик материала в разным местах отливки от давления, вблизи литникового канала. Чем ближе чувствительный элемент датчика расположен к литниковому каналу, тем более точно можно судить о процессе заполнения.

Измерение давления расплава в зоне перед шнеком и масла в гидросистеме не дает представления о давлении непосредственно в форме (рис. 2). Однако величина этих параметров в момент впрыска характеризует сопротивление течению расплава и влияет на давление в форме. Колебания температуры расплава, скорости и навески могут быть скорее обнаружены по изменению давления в зоне перед шнеком и в гидросистеме, чем по изменению давления в форме.    
 

 Рис. 2. Диаграммы изменения давления масла в гидросистеме машины и расплава перед шнеком )а), давления расплава в различных точках формы (б) во время цикла литья.
Давление масла: 1 - в гидроприводе, 2 - в гидроцилиндре; давление расплава: 3 - перед шнеком; 4-6 - в форме. 
 
Основным недостатком контроля процесса по этим параметрам является отсутствие информации о квазистатической фазе формирования отливки, которая в значительной мере определяет точность ее размеров. Кроме того, при переходе с одной машины на другую для установки оптимального давления масла в гидросистеме или расплава в зоне перед шнеком приходится искать новую эталонную кривую давления. При измерении давления в форме получают оптимальную кривую для формы, не зависящую от типа машины.

Необходимо также отметить, что значительного уменьшения колебаний давления и скорости, а также массы и размеров отливки можно добиться путем контроля температуры масла. Благодаря предварительному его нагреву и термостатированию достигается значительное снижение доли брака во время пуска машины.

Деформация и герметичность формы. При впрыске расплава в оформляющую полость форма деформируется, в некоторых случаях наблюдается нарушение ее герметичности. Поэтому деформацию формы или те параметры, которые ее определяют, следует контролировать (рис. 3).  
 

 Рис. 3. Зависимость деформации формы в верхней (а) и нижней части (б), растяжение траверсы (в) и давления в форме (г) от времени цикла.
Усилие смыкания, кН: 1 - 886; 2 - 665.
 

Измерение растяжения на траверсах и козырьке блока замыкания имеет большое значение прежде всего для воспроизведения усилия замыкания формы на машине с коленчато-рычажным приводом. В случае гидравлических систем замыкания соответствующее усилие можно легко контролировать по  по показаниям манометра, измеряющего давление в гидроцилиндре. Применимость и достоверность результатов измерения  деформации в решающей степени зависит от места замера. На сигналы, полученные при деформировании наружной поверхности формы, часто влияют усилия изгиба, что снижает надежность оценки.

Контроль качества отливок. Для контроля процесса достаточно вместо непрерывного измерения всех перечисленных параметров производить дискретное считывание их значений в отдельные моменты времени. Наиболее простым является сбор следующих данных: длительности пластикации, цикла и изменения давления в форме во времени. Поскольку масса отливки зависит от объема формы, давления и температуры расплава в ней, она может служить контрольным параметром, характеризующим качество отливки, при проведении замеров в лаборатории. Однако его нельзя использовать для автоматического контроля процесса, так как помехи, вызванные встряхиванием весов и движением воздуха слишком велики для достижения требуемой точности измерения непосредственно у литьевой машины.

Способы управления процессом. Для некоторых отливок и определенных условий обработки улучшения качества можно достичь путем целенаправленного регулирования отдельных технологических параметров: давления в форме, скорости перемещения шнека и режима подпитки. Регулирование давления в форме применяется главным образом для контроля степени заполнения формы, а при работе машин на предельной мощности - переключения вследствие утечек расплава через обратный клапан и зазор между клапаном и цилиндром, а также колебания времени срабатывания обратного клапана, которые наблюдаются, например, при управлении по пути, в большинстве случаев частично или полностью компенсируются.

Если установка датчика давления в форме затруднена, то в качестве регулируемого параметра можно использовать давление масла в гидросистеме. Для достижении при высоком сопротивлении течению во время заполнения формы высокой надежности переключения часто требуется снижение скорости перемещения шнека перед моментом переключения. Регулировать скорость перемещения шнека наиболее целесообразно по ступенчатой схеме: медленно - быстро - медленно. При высоких скоростях впрыска двух- и трехпозиционные регуляторы потока вследствие инерционности непригодны для реализации такого режима. Вероятно, в этих случаях целесообразно использовать электронную следящую систему. Торможение шнека в конце стадии заполнения обычно обеспечивает более равномерное и стабильное переключение без пиков давления.

Поскольку по мере охлаждения отливки эффективность подпитки расплавом уменьшается, давление на шнек целесообразно снижать пропорционально падению давления в форме. Это позволяет уменьшить перегрузки и степень ориентации материала вблизи литника. Такое "программирование" можно осуществлять путем управления или регулирования (таблица). 
Влияние режима изменения давления на свойства отливки
 

 
 
Автоматическое регулирование. При выборе системы регулирования следует руководствоваться величиной и частотой выявленных колебаний и отклонений отдельных измеряемых параметров. Непосредственно регулировать температуру расплава перед шнеком, в принципе, возможно. Однако компенсации поддаются лишь остаточные или медленно изменяющиеся возмущающие воздействия. Для практического же применения данного метода затраты представляются слишком высокими, а эксплуатационная надежность - низкой.

Была предпринята попытка регулировать температуру стенки формы с помощью регулятора непрерывного или квазинепрерывного действия; при этом в качестве регулирующего параметра  использовали температуру охлаждающей среды. При таком способе точки замера должны находиться достаточно далеко от каналов кавитации для исключения влияния циклических колебаний температуры.

Как компромиссное решение этот способ вполне пригоден. Хорошие результаты дает регулирование на основе результатов периодических измерений температуры стенки непосредственно перед заполнением формы. Регулирующим воздействием в этом случае может служить средняя температура или расход охлаждающей среды. Во время остановки регулятор должен работать по измененным критериям.

Применение гидравлических двух- и трехпозиционных регуляторов потока с компенсацией давления обычно гарантирует удовлетворительное поддержание скорости перемещения шнека независимо от изменения сопротивления течению в цилиндре и форме. При небольшом времени впрыска вследствие инерционности, эти регуляторы работают очень короткое время или вообще не работают и не обеспечивают воспроизводимости скорости перемещения шнека. В этом случае целесообразно использовать быстроходные сервоклапаны. Однако применение только быстроходного исполнительного органа недостаточно. Для получения хороших временных характеристик необходимы короткие соединительные трубопроводы в гидросистеме, а также установка исполнительного органа как можно ближе к гидравлическому инжекционному цилиндру.

Значительному уменьшению разброса качественных показателей отливок и снижению количества брака во время пуска способствует параллельное регулирование скорости перемещения  шнека и давления в гидросистеме на квазистатической фазе. Преимуществом такой схемы является и сравнительная простота обслуживания.

Минимальный разброс качественных показателей и частичная компенсация колебаний температуры могут быть достигнуты путем регулирования давления внутри формы. Однако затраты на реализацию этого способа сравнительно велики. Поэтому такую систему регулирования следует применять  лишь в особых случаях при производстве прецизионных изделий.

Таким образом, современные литьевые машины рекомендуется оснащать следующими приборами и механизмами:
     - индикаторами и приборами для контроля температуры стенки цилиндра и масла в гидросистеме, длительности пластикации и цикла, усилия замыкания и давления;
     - быстроходными клапанами высокой точности;
     - регуляторами объемного потока с компенсацией давления;
     - устройствами с цифровой индикацией для регулирования давления, времени, скорости, температуры и пути.
    Кроме того, следует предусматривать возможность установки без больших затрат различных дополнительных блоков. например датчиков для измерения давления и температуры,  мониторов, самописцев; блоков для регулирования давления, программирования скорости перемещения шнека и давления внутри формы и др. Заказчикам будет легче выбирать отвечающее их требованиям оборудование, если они будут иметь возможность ознакомится с принципом действия отдельных дополнительных устройств на конкретных примерах и с результатами испытаний. 

Х.А. Хенгесбах

ПластЭксперт рекомендует: 

, как выбрать изготовителя прессформы для литья пластмасс?