УСТРОЙСТВО РЕГУЛИРОВКИ ДАВЛЕНИЯ ДЛЯ УСТРОЙСТВА ИНЖЕКЦИОННОГО ФОРМОВАНИЯ С НИЗКИМ ПОСТОЯННЫМ ДАВЛЕНИЕМ
DEVICE FOR PRESSURE REGULATING FOR INJECTION FORMATION DEVICE WITH LOW PERMANENT PRESSURE

Область применения
Настоящее изобретение относится к устройствам и способам для инжекционного формования, в частности к устройствам и способам для изготовления деталей способом инжекционного формования при низком постоянном давлении.
Уровень техники
Инжекционное формование является технологией, широко используемой для крупносерийного производства деталей из плавких материалов, и наиболее часто - для изготовления деталей из термопластических полимеров. В процессе инжекционного формования, который является периодическим, пластичную смолу, как правило, в форме мелких гранул, подают в машину инжекционного формования, в которой гранулы смолы расплавляются под действием давления, температуры и сдвигового перемешивания. Расплавленная смола принудительно впрыскивается в полость формы. Впрыснутая пластическая масса выдерживается в полости формы под давлением, охлаждается и извлекается из формы в виде затвердевшей детали, форма которой в сущности повторяет форму полости. Пресс-форма может иметь единственную полость или множество полостей. Каждая из полостей может сообщаться с каналом подачи расплава через впуск, который направляет поток расплавленной смолы в полость. Типичная процедура инжекционного формования включает четыре основные операции: (1) нагревание пластической массы в машине инжекционного формования до состояния, в котором она становится текучей под давлением; (2) впрыск расплавленной пластической массы в одну или более полостей, образованных между половинами закрытой пресс-формы; (3) остывание и отвердевание пластической массы, находящейся под давлением, в одной или более полостях; и (4) раскрытие половин пресс-формы для извлечения из нее полученной детали.
Расплавленную пластическую смолу впрыскивают в полость пресс-формы, и она толкается устройством впуска под давлением через полость, пока смола не достигнет самой дальней точки полости от впуска. Длина и толщина стенок получаемой детали зависят от геометрии полости пресс-формы.
Хотя для многих деталей, изготавливаемых способом инжекционного формования, может быть целесообразным снизить толщину их стенок для снижения расхода пластической массы и, следовательно, себестоимости детали, однако снижение толщины стенок детали при обычном процессе инжекционного формования может быть достаточно дорогой и нетривиальной задачей, особенно если требуется получить толщину стенки менее чем 1,0 мм. Дело в том, что при введении пластической смолы в пресс-форму в обычном процессе инжекционного формования материал, находящийся вблизи стенок полости, немедленно начинает застывать, то есть отвердевать. По мере течения материала через пресс-форму на ее поверхности образуется граничный слой материала. По мере наполнения формы толщина граничного слоя увеличивается, и в конце концов он перекрывает канал течения потока расплавленного материала в форму. Накопление застывшей пластической смолы на стенках пресс-формы становится еще более серьезной проблемой, если пресс-формы охлаждаемые, что иногда применяется для сокращения времени цикла формования одной детали и повышения производительности машины.
Для решения данной проблемы может быть целесообразным спроектировать изготавливаемую деталь и соответствующую ей пресс-форму таким образом, чтобы расплавленная пластическая смола при заполнении формы текла от областей с наибольшей толщиной стенки к областям, имеющим наименьшую толщину стенки. Повышение толщины полости формы в некоторых ее областях может быть полезным, позволяя подать большее количество материала в области, где требуются большая толщина и повышенная прочность детали, но очень часто такой метод течения пластической массы «от толстого к тонкому» приводит к неэффективному расходованию пластмассы и соответственно к росту затрат производителя в пересчете на изготовление одной детали, поскольку приходится отливать большее количество материала в тех частях детали, в которых такое количество материала не требуется.
Одним из способов уменьшения толщины стенки детали является повышение давления жидкой пластической смолы, подаваемой в форму. При повышении давления впрыска машина инжекционного формования может дольше подавать жидкий материал в пресс-форму, прежде чем застывающий материал перекроет канал подачи расплава. Однако повышение давления приводит к повышению затрат и понижению производительности процесса. Дело в том, что при повышении давления формования детали формовочное оборудование должно быть более прочным, чтобы оно могло выдержать возросшее давление, и соответственно, как правило, будет более дорогим. Для работы под более высоким давлением производителю может потребоваться приобрести новое оборудование. Поэтому уменьшение толщины стенок данной детали при использовании обычного процесса инжекционного формования может привести к значительным капитальным затратам производителя.
Кроме того, если жидкий пластический материал, затекающий в форму, быстро застывает, полимерные цепи сохраняют высокий уровень напряжений, которые имеют место, когда полимер находится в жидком состоянии. При этом молекулы застывшего полимера в значительной степени сохраняют ориентацию, соответствующую ориентации потока расплавленного полимера, и таким образом возникает состояние «застывшего напряжения». Такие «застывшие» напряжения могут приводить к тому, что получаемые детали после формования дают усадку или коробятся, имеют худшие механические свойства и пониженную устойчивость против воздействия химических веществ. В то же время характеристики механической прочности могут быть особенно важны для таких изделий и деталей, как емкости с тонкими стенками, элементы структурных шарниров и элементы закрытия, и ухудшение механических свойств таких частей крайне нежелательно.
Во избежание некоторых из перечисленных выше недостатков в большинстве случаях для инжекционного формования используются пластические материалы, вязкость которых уменьшается при сдвиговых деформациях, что улучшает затекание пластического материала в полость формы. Когда такой материал впрыскивается в полость формы, сдвиговые силы, возникающие между пластическим материалом и стенками полости формы, уменьшают вязкость пластического материала, что делает пластический материал более текучим и позволяет ему легче затекать в полость формы. В результате этого становится возможным быстро заполнить места формирования тонких стенок детали и избежать застывания материала до полного заполнения формы.
2
2
2
2
2
2
2
Уменьшение вязкости непосредственно связано с величиной сдвиговых сил, возникающих между пластическим материалом и системой подачи, а также между пластическим материалом и стенками полости формы. Поэтому производители таких материалов, вязкость которых уменьшается при сдвиговых деформациях, рекомендуют проводить инжекционное формование при как можно более высоком давлении впрыска, чтобы как можно больше усилить сдвиговые деформации и соответственно уменьшить вязкость. В аппаратах инжекционного формования впрыск пластического материала в полость формы, как правило, осуществляется под давлением, составляющим 15000 фунтов/дюйм или более. Дело в том, что производители пластических материалов, вязкость которых уменьшается под действием сдвиговых деформаций, рекомендуют проводить операции инжекционного формования деталей из таких материалов при давлении впрыска расплавленного материала в форму, превышающем некоторое минимальное давление. Так, например, впрыск полипропиленовой смолы, как правило, проводят при давлении, превышающем 6000 фунтов/дюйм (диапазон давлений, рекомендуемый производителями полипропиленовых смол, как правило составляет от 6000 фунтов/дюйм до примерно 15000 фунтов/дюйм). Производители смол рекомендуют не использовать давлений, превышающих верхней границы данного диапазона. В то же время производители оборудования для инжекционного формования и инженеры-технологи рекомендуют проводить впрыск полимеров с вязкостью, уменьшающейся при сдвиговых деформациях, при давлениях, близких к верхней границе указанного диапазона, или даже более высоких, то есть, как правило, выше 15000 фунтов/дюйм, для максимального уменьшения вязкости и достижения лучшей текучести пластического материала. Поэтому литье термопластических полимеров с вязкостью, уменьшающейся при сдвиговых деформациях, как правило, проводится при давлениях впрыска от примерно 6000 фунтов/дюйм до примерно 30000 фунтов/дюйм.
Поэтому формы, используемые в автоматах инжекционного формования, должны выдерживать такие высокие значения давления расплава. Более того, материал, из которого изготовлена форма, должен иметь усталостный предел, который должен выдерживать циклические нагрузки напряжения с числом циклов, ожидаемым для всего срока службы формы. Поэтому производители форм, как правило, изготавливают их из материалов, имеющих повышенную твердость, как правило, больше 30 Rc, и еще более типично - более чем 50 Rc. Материалы, имеющие такую твердость, являются достаточно стойкими к износу и способны выдержать высокие сжимающие давления, под которым компоненты формы прижимают друг к другу в процессе инжекционного формования. Кроме того, такие материалы с высокой твердостью более устойчивы к износу под действием повторяющегося контакта внутренней поверхности формы с потоком расплавленного полимера.
В высокопроизводительных машинах инжекционного формования (например, классов 101 и 102), на которых изготавливают потребительские товары с тонкими стенками или их компоненты, используются исключительно формы, основные части которых изготовлены из материалов, имеющих высокую твердость. Высокопроизводительные машины инжекционного формования, как правило, рассчитаны на 500000 циклов инжекционного формования в год или даже более. Промышленные установки инжекционного формования, предназначенные для изготовления высококачественных изделий, должны выдерживать по меньшей мере 500000 циклов работы в год, предпочтительно свыше 1000000 циклов работы в год, предпочтительно свыше 5000000 циклов работы в год, и еще более предпочтительно - свыше 10000000 циклов работы в год. В таких автоматах, как правило, используются формы с множеством полостей и сложные системы охлаждения для повышения производительности. Материалы, имеющие высокую твердость, лучше выдерживают повторяющиеся нагрузки, возникающие при сжатии компонентов формы под высоким давлением, чем материалы с меньшей твердостью. Однако с другой стороны, материалы, имеющие высокую твердость, такие, как большинство инструментальных сталей, имеют относительно низкую теплопроводность, как правило, менее 20 британских тепловых единиц/(час×фут×°F), что требует большего времени охлаждения, поскольку тепло, от расплавленного пластического материала должно пройти через имеющий малую теплопроводность материал формы.
Поэтому чтобы уменьшить время цикла формования, формы высокопроизводительных машин инжекционного формования, изготовленные из материалов с высокой твердостью, имеют достаточно сложные системы внутреннего охлаждения с циркулирующим внутри формы хладагентом. Такие системы охлаждения ускоряют охлаждение формуемых деталей, благодаря чему машина может совершить больше циклов формования за единицу времени, то есть может быть повышена ее производительность и предельное количество изготавливаемых на форме деталей. В некоторых машинах класса 101 формы допускают от 1 до 2 миллионов циклов формования в год (такие формы иногда именуют формами сверхвысокой производительности, или формами класса 401).
Еще одним недостатком использования материалов с высокой твердостью для изготовления форм является то, что такие материалы, как например, инструментальные стали, как правило, трудно поддаются механической обработке. Поэтому в типичных высокопроизводительных автоматах инжекционного формования изготовление форм резанием требует больших затрат времени, сложного и дорогого оборудования, а также дорогих и трудоемких этапов снятия напряжения и доводки твердости поверхности после этапов обработки резанием.
Краткое описание чертежей
Воплощения, представленные на чертежах, являются по своей природе чисто иллюстративными, и не подразумевается, что они ограничивают масштаб настоящего изобретения, определяемый прилагаемой формулой. Приводимое ниже подробное описание данных воплощений будет более понятным из прилагаемых чертежей, на которых аналогичные элементы обозначены аналогичными номерами позиций.
Фиг. 1. Схема машины инжекционного формования в соответствии с настоящим изобретением.
Фиг. 2. Воплощение тонкостенной детали, изготовленной на машине инжекционного формования, изображенной на фиг.1.
Фиг. 3. График зависимости давления в полости формы от времени для устройства инжекционного формования, изображенного на фиг.1.
Фиг. 4. Разрез одного из воплощений пресс-формы для машины инжекционного формования, изображенной на фиг.1.
Фиг. 5. Аксонометрический вид системы подачи расплава.
Фиг. 6А и 6В. Виды сверху и спереди системы подачи расплава с естественным балансом.
Фиг. 7А и 7В. Виды сверху и спереди еще одной системы подачи расплава с естественным балансом.
Фиг. 8. Вид сверху системы подачи расплава с искусственным балансом, которая может использоваться в машине инжекционного формования, изображенной на фиг.1.
Фиг. 9А и 9В. Виды сверху систем несбалансированных систем подачи расплава, которые могут использоваться в машине инжекционного формования, изображенной на фиг.1.
Фиг. 10. Схема первого альтернативного воплощения устройства инжекционного формования в соответствии с настоящим изобретением, включающего клапан регулировки давления, используемый для регулировки давления расплава.
Фиг. 11. Сечение клапана регулировки давления, используемого в воплощении, изображенном на фиг.10.
Фиг. 12. Схема второго альтернативного воплощения устройства для инжекционного формования в соответствии с настоящим изобретением, включающего клапан сброса давления, используемый для регулировки давления расплава.
Подробное описание изобретения
Воплощения настоящего изобретения в целом относятся к устройствам для инжекционного формования, способам инжекционного формования и изделиям, изготавливаемым с помощью таких устройств и такими способами, и в более частном смысле - к устройствам и способам для инжекционного формования при низком постоянном давлении, а также к изделиям, изготавливаемым с помощью таких устройств и такими способами.
2
Термин «низкое давление» в контексте настоящего описания, используемый в отношении давления расплава термопластического материала, означает давление расплава в окрестности сопла машины инжекционного формования, составляющее примерно 6000 фунтов/дюйм и менее.
2
2
2
2
2
Термин «в сущности постоянное давление» в контексте настоящего описания, используемый в отношении давления расплава термопластического материала, означает, что отклонения от требуемого значения давления расплава не вызывают значительных изменений физических свойств термопластического материала. Так, например, «в сущности постоянное давление» включает, но не ограничивается ими, возможные отклонения давления, при которых вязкость расплава термопластического материала не претерпевает значительных изменений. Термин «в сущности постоянное давление» в данном контексте предусматривает отклонения давления, составляющие примерно 30% требуемого значения давления расплава. Так, например, термин «в сущности постоянное давление, составляющее примерно 4600 фунтов/дюйм», предусматривает возможные отклонения давления в пределах от примерно 3200 фунтов/дюйм (на 30% ниже чем 4600 фунтов/дюйм) до примерно 6000 фунтов/дюйм (на 30% выше чем 4600 фунтов/дюйм). Давление расплава считается в сущности постоянным, если его отклонения составляют не более 30% от требуемого значения давления.
Так, на фиг.1 показано одно из воплощений устройства 10 для инжекционного формования под постоянным давлением низким, которое может использоваться для изготовления тонкостенных деталей с большой производительностью (машина инжекционного формования класса 101 или 102, именуемые также машинами сверхвысокой производительности). Устройство 10 для инжекционного формования в целом включает систему 12 впрыска и зажимную систему 14. Термопластический материал может подаваться в систему 12 впрыска в форме термопластических гранул 16. Термопластические гранулы могут быть засыпаны в бункер 18, из которого они поступают в нагретый барабан 20 с помощью винта 22, совершающего возвратно-поступательное движение. Повышенная температура барабана 20 в совокупности с давлением со стороны винта 22, совершающего возвратно-поступательное движение, вызывает плавление термопластических гранул 16, в результате чего образуется расплавленный термопластический материал 24. Отлив из термопластического материала изделий производится при температуре расплава от примерно 130°C до примерно 410°C.
2
Совершающий возвратно-поступательное движение винт 22 толкает расплавленный термопластический материал 24 в сторону сопла 26, для последующего впрыска порции термопластического материала в полость 32 формы 28. Расплавленный термопластический материал 24 может впрыскиваться через впуск 30, который направляет поток расплавленного термопластического материала 24 в полость 32 формы. Полость 32 сформирована между первой и второй частями 25, 27 формы 28. Первая и вторая части 25, 27 удерживаются вместе под давлением, оказываемым сжимающим устройством (прессом) 34. Сжимающее устройство (пресс) 34 развивает усилие, удерживающее части 25, 27 формы друг с другом при впрыскивании расплавленного термопластического материала 24 в полость 32 и способное противостоять давлению расплава в диапазоне от примерно 1000 фунтов/дюйм до примерно 6000 фунтов/дюйм Для обеспечения таких сжимающих усилий зажимная система 14 может включать основание формы и раму формы, выполненные из материала, имеющего твердость поверхности более чем примерно 165 по Бринеллю, но предпочтительно менее, чем 260 по Бринеллю, хотя могут использоваться и материалы с твердостью поверхности, превышающей 260 по Бринеллю, при условии, что данные материалы легко поддаются обработке резанием, как будет подробно обсуждаться далее.
После того как порция расплавленного термопластического материала 24 впрыснута в полость 32 формы, винт 32 прекращает движение вперед. Расплавленный термопластический материал 24 принимает форму полости 32 и охлаждается внутри формы 28 до полного затвердевания. Как только расплавленный термопластический материал 24 затвердел, пресс 34 освобождает первую и вторую части 25, 27 формы, данные части отделяют друг от друга, и готовая отливка может быть извлечена из формы 28. Форма 28 может включать множество полостей 32 для увеличения производительности процесса формования.
Контроллер 50 функционально связан с управляющим устройством 36 винта и датчиком 52. Контроллер 50 может включать микропроцессор и один или более каналов связи. Так, например, контроллер 50 может быть связан с управляющим устройством 36 винта и датчиком 52 посредством проводов 56, 54 соответственно. В других воплощениях контроллер 50 может быть связан с управляющим устройством 36 винта и датчиком 52 каналами беспроводной связи, механически, гидравлически или любыми другими подходящими способами, известными сведущим в данной области техники, которые обеспечивают взаимодействие контроллера 50 с датчиком 53 и управляющим устройством 36 винта.
В воплощении на фиг. 1 датчик 52 является датчиком давления, который измеряет (прямым или косвенным образом) давление расплавленного термопластического материала 24 в сопле 26. Датчик 52 вырабатывает электрический сигнал, который передается на контроллер 50. После этого контроллер 50 подает команду управляющему устройству 36 винта продвигать винт 22 со скоростью, обеспечивающей в сущности постоянное давление расплавленного термопластического материала 24 в сопле 26. Датчик 52 может непосредственно измерять давление расплава, или он может измерять иную характеристику расплавленного термопластического материала 24, например его температуру, вязкость, расход или иную, на основании которой может быть определено давление расплава. Кроме того, датчик 52 не обязательно должен быть расположен в сопле 26, а на самом деле он может быть расположен в любом месте системы 12 впрыска или формы 28, которое связано по текучей среде с соплом 26. В случае если датчик 52 не расположен внутри сопла 26, могут применяться соответствующие поправочные коэффициенты для расчета давления расплава в сопле 26. Еще в некоторых воплощениях датчик 52 не связан с соплом по текучей среде. Вместо этого датчик может измерять силу сжатия, вырабатываемую зажимной системой 14, на границе первой и второй частей 25, 27 формы.
Несмотря на то, что на фиг. 1 показан замкнутый контур подключения контроллера с активной обратной связью, вместо этого могут использоваться и другие системы регулирования давления. Так, например, для регулирования давления расплавленного термопластического материала 24 могут использоваться клапан регулировки давления или клапан сброса давления (не показаны). А именно клапан регулировки давления или клапан сброса давления могут использоваться для предотвращения чрезмерного повышения давления в форме 28. Альтернативным механизмом предотвращения чрезмерного повышения давления в форме 28 является включение сигнала тревоги, если отмечено состояние, близкое с критически высокому давлению.
На фиг.2 показано воплощение формованной детали 100. Формованная деталь 100 имеет тонкие стенки. Формованные детали считаются тонкостенными, если длина канала L течения расплава более чем в сто раз превышает ширину T канала (L/T>100). В некоторых областях производства деталей способом инжекционного формования тонкостенные детали определяются как детали с пропорцией L/T>200 или L/T>250. Длина канала L течения расплава измеряется от впуска 102 до конца 104 канала. Тонкостенные детали наиболее часто используются при изготовлении различных товаров потребления.
2
Изготовление тонкостенных деталей является достаточно сложной задачей в инжекционном формовании по ряду причин. Во-первых, из-за малой ширины каналов возникает угроза застывания расплавленного термопластического материала до достижения им конца 104 канала. Если это произошло, термопластический материал не будет двигаться дальше в канале, и получится неполная деталь. Для решения данной проблемы в обычных машинах инжекционного формования впрыск расплавленного термопластического материала производится под очень большим давлением, как правило, превышающем 15000 фунтов/дюйм, в результате чего расплавленный термопластический материал быстро заполняет полость формы, не успевая охладиться и застыть. Это является одной из причин, по которой производители термопластических материалов рекомендуют проводить их литье под очень большим давлением. Второй причиной, по которой в обычных машинах инжекционного формования производится впрыск под очень большим давлением, является происходящий при этом рост сдвиговых деформаций, которые делают материал более текучим, как обсуждалось выше. Однако использование таких высоких давлений впрыска требует использования очень твердых материалов при изготовлении формы 28 и системы подачи расплава.
В обычных машинах инжекционного формования для изготовления форм используются инструментальная сталь или иные твердые материалы. И хотя такие виды стали довольно устойчивы к износу и действительно выдерживают очень высокие давления впрыска, они являются относительно плохими проводниками тепла. В результате этого в формах приходится выполнять очень сложные системы охлаждения, позволяющие сократить время охлаждения детали после заполнения формы и соответственно повысить производительность пресс-формы. Однако вырезание таких систем охлаждения требует значительных затрат времени и повышает себестоимость изготовления детали.
Изобретатели обнаружили, что термопластические материалы, вязкость которых уменьшается вследствие сдвиговых деформаций (даже если она уменьшается в самой минимальной степени), могут впрыскиваться в форму 28 при низком в сущности постоянном давлении без значительных негативных последствий. Примеры таких материалов включают, но не ограничиваются ими, полимеры и сополимеры, содержащие полипропилен, полиэтилен, термопластические эластомеры, полимеры сложных эфиров, полистирол, поликарбонат, полимолочную кислоту, поли(акрилонитрил-бутадиен-стирол), полигидроксиалканоат, полиамиды, полиацетали, этилен-α-олефиновые каучуки и стирол-бутадиен-стирольные блок-сополимеры. Детали, формованные при низком в сущности постоянном давлении, имеют характеристики, иногда превосходящие свойства тех же деталей, формованных при обычных условиях высокого давления. Данная находка вступает в прямое противоречие с общепринятой в данной области техники точкой зрения, что чем выше давление впрыска, тем лучше. И хотя теоретически это не обязательно, авторы считают, что впрыск расплавленного термопластического материала в форму 28 при низком в сущности постоянном давлении создает непрерывный поток, который устойчивым фронтом продвигается через форму от впуска к самым дальним частям полостей формы. За счет поддержания низкого уровня сдвиговых деформаций термопластический материал остается жидким и текучим при значительно более низких температурах и давлениях по сравнению с используемыми в обычных системах инжекционного формования. Кроме того, уменьшенное давление внутри формы может способствовать лучшей защите хрупких элементов формы, таких как уплотнения, стыки частей формы или движущиеся механизмы формы. В некоторых случаях может быть известно максимальное (пороговое) значение давления для таких хрупких элементов формы, и механизм регулировки давления может быть настроен таким образом, чтобы давление расплава не превышало данного порогового значения давления.
На фиг.3 пунктирной линией 200 показана типичная кривая зависимости давления от времени для обычного процесса инжекционного формования под высоким давлением. Сплошной линией 210 показана кривая зависимости давления от времени для предлагаемого способа инжекционного формования при низком постоянном давлении.
2
2
2
При обычном способе формирования давление расплава резко увеличивают до уровня, значительно превышающего 15000 фунтов/дюйм, и затем выдерживают его при относительно высоком давлении, также превышающем 15000 фунтов/дюйм, в течение первого периода времени 220. Первый период времени 220 представляет собой время заполнения, в течение которого расплавленный пластический материал затекает в полость формы. После этого давление расплава уменьшают и поддерживают на более низком, но в абсолютном значении по-прежнему на достаточно высоком уровне, составляющем 10000 фунтов/дюйм или более, в течение второго периода времени 230. Второй период времени 230 представляет собой время уплотнения, в течение которого расплав выдерживается под давлением, чтобы за счет возникающего противодавления заполнить все возможные зазоры в полости формы. Наполнение полости формы пластической массой в обычной системе инжекционного формования под высоким давлением происходит от конца канала подачи расплава к впуску. В результате этого пластическая масса на различных стадиях отвердевания уплотняется сама на себя, в результате чего возможно неидеальное распределение свойств материала в готовом изделии, как обсуждалось выше. Более того, такой обычный способ уплотнения пластической массы, находящейся на различных этапах отвердевания, приводит и к прочим ухудшениям качества материала отливаемой детали, таким, как, например, «застывшие» напряжения, усадку, неоднородность оптических свойств и так далее.
2
В устройстве для инжекционного формования под постоянным низким давлением, предлагаемом в настоящем изобретении, впрыск расплавленного пластического материала в полость формы производится под в сущности постоянным низким давлением в течение одного периода времени 240. Давление впрыска при этом составляет менее 6000 фунтов/дюйм. За счет использования в сущности постоянного низкого давления впрыска сохраняется устойчивый фронт расплавленного термопластического материала, продвигающийся через канал течения расплава от впуска к концу канала. За счет этого пластический материал остается относительно однородным в любой точке по длине канала, в результате чего получается однородный и более качественный конечный продукт. За счет заполнения формы относительно однородным пластическим материалом готовые формованные детали имеют кристаллическую структуру, которая обеспечивает лучшие механические и оптические свойства, чем у деталей, формуемых обычным способом. Кроме того, наружные «корковые» слои деталей, формуемых при постоянном давлении, имеют характеристики, отличные от характеристик корковых слоев деталей, формуемых обычным способом. В частности, «корковые» слои деталей, формованных при низком постоянном давлении, могут иметь лучшие оптические свойства по сравнению с корковыми слоями деталей, формуемых обычным способом.
2
За счет поддержания в сущности постоянного и низкого давления расплава в сопле (менее 6000 фунтов/дюйм) для изготовления формы 28 могут использоваться материалы, легче поддающиеся механической обработке. Так, например, форма 28, изображенная на фиг.1, может быть изготовлена из материала, имеющего показатель обрабатываемости фрезерованием более 100%, показатель обрабатываемости сверлением более 100%, показатель обрабатываемости способом электроразрядной обработки с проволочным электродом более 100%, показатель обрабатываемости электроразрядным способом с графитовым электродом более 200% и показатель обрабатываемости электроразрядным способом с медным электродом более 150%. Приведенные выше показатели обрабатываемости получены на основе испытаний, проведенных для различных материалов, при их обработке фрезерованием, сверлением и электроразрядными способами. Методы определения данных показателей будут более подробно обсуждаться ниже. Примеры показателей обрабатываемости для подборки материалов приведены в Таблице 1 ниже.
Таблица 1
Технология обработки
Материал
Фрезерование
Сверление
Электроразрядная, проволочный электрод
Электроразрядная, графитовый электрод
Электроразрядная, медный электрод
Усилие в патроне
показатель %
Усилие в патроне
показатель %
время
показатель %
время
показатель %
время
показатель %
1117*
0.72
100%
0.32
100%
9:34
100%
0:14:48
100%
0:24:00
100%
6061 Al
0.50
144%
0.20
160%
4:46
201%
0:05:58
248%
0:15:36
154%
7075 Al
0.55
131%
0.24
133%
4:48
199%
0:05:20
278%
0:12:27
193%
Alcoa QC-l0 Al
0.56
129%
0.24
133%
4:47
200%
0:05:11
286%
0:12:21
194%
4140
0.92
78%
0.37
86%
9:28
101%
0:09:36
154%
0:19:20
124%
420 SS
1.36
53%
0.39
82%
8:30
113%
0:10:12
145%
0:23:20
103%
A2
0.97
74%
0.45
71%
8:52
108%
0:08:00
185%
0:20:12
119%
S7
1.20
60%
0.43
74%
9:03
106%
0:12:53
115%
0:20:58
114%
P20
1.10
65%
0.38
84%
9:26
101%
0:11:47
126%
0:20:30
117%
PX5
1.12
64%
0.37
86%
9:22
102%
0:12:37
117%
0:23:18
103%
Moldmax HH
0.80
90%
0.36
89%
6:00
159%
6:59:35
4%
<sup>1</sup>
0:43:38
55%
<sup>3</sup>
Ampcoloy 944
0.62
116%
0.32
100%
6:53
139%
3:13:41
8%
<sup>2</sup>
0:30:21
79%
<sup>4</sup>
Примечания:* Сталь 1117 использовалась для данного теста в качестве стандартного материала для относительных оценок. В публикациях в качестве стандарта используется обычно углеродистая сталь 1212, но нам на момент проведения экспериментов не удалось приобрести сталь 1212, поэтому на основании опубликованных данных мы выбрали сталь 1117 как самую близкую к ней по составу и показателю обрабатываемости механическими способами (91%).
<sup>1</sup> Значительный износ графитового электрода (примерно 20%).
<sup>2</sup> Износ графитового электрода примерно 15%.
<sup>3</sup> Износ медного электрода примерно 15%.
<sup>4</sup> Износ медного электрода примерно 3%.
Использование для изготовления формы 28 материалов, легче поддающихся механической обработке, позволяет значительно снизить затраты времени на изготовление формы и соответственно себестоимость изготавливаемых деталей. Более того, такие материалы, легче поддающиеся механической обработке, как правило, имеют лучшие показатели теплопроводности, чем инструментальные стали, что повышает эффективность их охлаждения и устраняется необходимость в сложных системах охлаждения.
Преимуществом изготовления формы 28 из таких материалов, легче поддающихся механической обработке, является то, что это одновременно позволяет подобрать материалы, имеющие лучшие характеристики теплопроводности. Наиболее предпочтительными являются материалы, имеющие теплопроводность более 30 британских тепловых единиц/(час×фут×°F). Не ограничивающими примерами материалов, легче поддающихся механической обработке и обладающих хорошими характеристиками теплопроводности, являются материалы Alcoa QC-10, Alcan Duramold 500 и Hokotol (производства Aleris). Материалы с теплопроводностью обеспечивают более эффективное выведение тепла термопластического материала из формы. Соответственно могут использоваться более простые системы охлаждения. Кроме того, в устройствах для инжекционного формования при низком постоянном давлении в соответствии с настоящим изобретением возможно использование систем подачи расплава без естественного баланса.
2
Одно из воплощений многополостной формы 28 показано на фиг.4. Большинство многополостных форм имеет систему 60 подачи расплава, которая направляет поток расплавленного термопластического материала от сопла 26 к отдельным полостям 32 формы. Система 60 подачи расплава включает стояк 62, который направляет расплавленный термопластический материал в один или более каналов подачи расплава (литниковых каналов) 64. Каждый из литниковых каналов может подавать расплав в множество полостей 32 формы. В большинстве высокопроизводительных машин инжекционного формования литниковые каналы являются подогреваемыми для повышения текучести расплавленного термопластического материала. Поскольку вязкость расплавленного термопластического материала при больших давлениях (свыше 10000 фунтов/дюйм) очень чувствительна к сдвиговым деформациям и перепадам давления, в обычных машинах инжекционного формования система подачи расплава является естественно сбалансированной, чтобы обеспечить однородный профиль вязкости расплава. Естественно сбалансированные системы подачи расплава представляют собой системы, в которых расплавленный термопластический материал проходит одинаковое расстояние от основного литника до каждой из полостей формы. Кроме того, поперечные сечения каждого из литниковых каналов идентичны, идентичны также типы поворотов и их количество, а также температурные режимы всех литниковых каналов. Естественно сбалансированные системы подачи расплава обеспечивают одновременное заполнение полостей формы, в результате чего каждая из формуемых деталей находится в одинаковых условиях обработки, и все изготовленные детали имеют одинаковые свойства материала. Естественно сбалансированные системы подачи расплава дороги в изготовлении и несколько ограничивают возможные конфигурации формы.
На фиг.5 показан пример естественно сбалансированной системы 60 подачи расплава. Естественно сбалансированная система 60 подачи расплава включает первый литниковый канал 70, идущий от стояка 62 до первого Т-образного разветвления 72, на котором первый литниковый канал 70 разделяется на второй и третий литниковые каналы 74, 76. Второй литниковый канал 74 оканчивается вторым впуском 78a, а третий литниковый канал 76 заканчивается третьим впуском 78b. Каждый из впусков служит для наполнения отдельной полости формы (на фиг.5 не показаны). Расплавленный термопластический материал на пути от стояка 62 ко второму впуску 78a или третьему впуску 78b проходит одинаковое расстояние, находится в одном и том же температурном режиме и проходит через отрезки каналов с одинаковым поперечным сечением. В результате этого каждая полость формы одновременно наполняется расплавленным термопластическим материалом, имеющим одинаковые физические свойства.
На фиг.6А и 6В схематически показана естественно сбалансированная система 60 подачи расплава. Данная естественно сбалансированная система 60 подачи расплава представляет собой многоярусную систему. Каждый из литниковых каналов 74, 76 имеет идентичные характеристики в соответствующих точках по длине каналов. Так, например, после Т-образного разветвления 72 каждый из литниковых каналов сужается через одно и то же определенное расстояние. Кроме того, каждый из литниковых каналов обслуживает одинаковое количество полостей 32 формы. Использование естественно сбалансированных систем 60 подачи расплава критически важно для работы машин инжекционного формования, работающих под высоким давлением, чтобы обеспечить идентичные характеристики потоков расплава и соответственно одинаковые характеристики отливаемых деталей.
На фиг.7А и 7В показана еще одна естественно сбалансированная система 60 подачи расплава. Данная система является одноярусной.
Кроме систем с естественным балансом подачи расплава существуют системы, не сбалансированные естественным образом. Примеры таких систем показаны на фиг.8, 9А и 9В. Так, на фиг.8 показана искусственно сбалансированная система подачи расплава, а на фиг.9А и 9В показаны несбалансированные системы подачи расплава.
Устройство для инжекционного формования при низком постоянном давлении, предлагаемое в настоящем изобретении, позволяет использовать системы подачи расплава с искусственной балансировкой, и даже несбалансированные системы подачи расплава, поскольку термопластические материалы, впрыскиваемые под низким постоянным давлением, не настолько чувствительны к изменениям давления или величинам сдвиговых деформаций, возникающим из-за различий характеристик литниковых каналов. Иными словами, термопластические материалы, впрыскиваемые при низком постоянном давлении, сохраняют практически идентичные характеристики текучести и прочие свойства материала, несмотря на различия в длине литниковых каналов, их поперечных сечениях или температуре. Благодаря этому полости формы можно наполнять последовательно, а не одновременно.
Искусственно сбалансированная система 160 подачи расплава, показанная на фиг.8, включает стояк 62, первый литниковый канал 174 и второй литниковый канал 176. Первый литниковый канал 174 заканчивается первым впуском 178а, а второй литниковый канал 176 заканчивается вторым впуском 178b. В данном воплощении первый литниковый канал 174 короче, чем второй литниковый канал 176. В искусственно сбалансированной системе 160 подачи расплава варьируется некоторый параметр литникового канала (например, площадь его сечения или температура) и подбирается таким образом, чтобы расплавленный материал подавался с одинаковым расходом в каждую полость, как в естественно сбалансированной системе. Иными словами, в такой системе расплавленный термопластический материал, текущий через первый литниковый канал 174, имеет практически такое же давление, как и термопластический материал, текущий через второй литниковый канал 176. Поскольку искусственно сбалансированные или несбалансированные системы подачи расплава могут включать литниковые каналы различной длины, такие системы могут обеспечивать более эффективное использование пространства формы. Более того, это позволяет более эффективно вырезать в форме каналы подачи расплава и соответствующие каналы для теплоносителя. И наконец, число полостей формы с естественно сбалансированной системой подачи ограничено только определенными значениями (как правило, 2, 4, 8, 16, 32 и так далее). Системы с искусственной балансировкой или несбалансированные системы могут быть спроектированы таким образом, что расплавленный термопластический материал будет эффективно подаваться практически к любому количеству полостей формы.
Искусственно сбалансированная система 160 подачи расплава также может быть выполнена из материала, имеющего высокую теплопроводность, что позволяет усилить передачу тепла к расплавленному термопластическому материалу в горячих литниках, что в свою очередь повышает текучесть термопластического материала. В частности, искусственно сбалансированная система 160 подачи расплава может быть изготовлена из того же самого материала, что и сама форма, что позволяет дополнительно снизить затраты на материалы и сделать более эффективными процессы теплопередачи во всей системе.
На фиг.9А и 9В показана несбалансированная система 260 подачи расплава. Несбалансированная система 260 подачи расплава может включать любое, даже нечетное число полостей 232 формы, и/или литниковые каналы, имеющие различные формы поперечного сечения, различные типы поворотов и их количество, и/или каналы с различной температурой. Кроме того, несбалансированная система 260 может обеспечивать подачу расплава в полости формы, имеющие различные размеры или различную форму, как показано на фиг.9В.
Еще в некоторых воплощениях искусственно сбалансированные и/или не сбалансированные системы могут обеспечивать подачу расплава в формах, в которых полости расположены отдельными слоями (друг над другом), и соответствующие системы могут подавать расплавленный термопластический материал в полости одного, двух или более слоев. В таких системах расплавленный термопластический материал может подаваться в одну и ту же полость формы более чем через один впуск, или через один и тот же впуск в одну и ту же полость формы может последовательно подаваться более чем один материал. Кроме того, может использоваться более чем одна система подачи расплавленного термопластического материала, и полость в форме может быть вращающейся, так что при одном положении полости в нее может подаваться первый материал, а при втором положении - второй материал.
Как обсуждалось выше, давление полимерного расплава в устройстве 10 инжекционного формования может регулироваться устройством регулировки давления, что является альтернативой системе управления с обратной связью. Один из вариантов такого устройства регулировки давления, а именно клапан 280 регулировки давления, показан на фиг.10. Клапан 280 регулировки давления может быть расположен в сопле 26, в системе 60 подачи расплава в форму или в любом месте между соплом 26 и системой 60 подачи расплава для обеспечения в сущности постоянного давления расплава полимерного материала за клапаном 280 регулировки давления. Клапан 280 регулировки давления устраняет необходимость в контроллере 50, используемом в воплощении на фиг.1.
Одно из воплощений клапана 280 регулировки давления, показанное на фиг.11, включает корпус 281 клапана, входной патрубок 283 для расплавленной пластической массы и выходной патрубок 285 для расплавленной пластической массы, связанные между собой каналом 286 для прохождения расплавленной пластической массы, который имеет расширенный участок 287. В расширенном участке 287 расположен затвор 288 клапана, соединенный с ножкой 289. Расширенный участок канала содержит также седло 290 клапана, так что затвор 288 клапана и седло 290 клапана, взаимодействуя друг с другом, обеспечивают регулировку расхода расплавленной пластической массы, проходящей через расширенный участок 287. С ножкой 289 клапана связан приводной элемент 292, перемещающий ножку 289 клапана и затвор 288 клапана в направлении к седлу 290 или от седла, обеспечивая тем самым регулировку расхода расплавленной пластической массы, протекающей через расширенный участок 287. Приводной элемент может быть клапаном с автоматическим регулированием, использующим давление расплава после клапана 280 регулировки давления для регулировки расхода расплавленной пластической массы. Приводной элемент управляет положением затвора 288 клапана и обеспечивает в сущности постоянное давление расплава ниже по потоку за клапаном 280 регулировки давления.
Канал 286 для прохождения расплавленной пластической массы является протяженным в сущности по прямой между входным патрубком 283 для расплавленной пластической массы и выходным патрубком 285 для расплавленной пластической массы. За счет в сущности прямой протяженности канала 286 для прохождения расплавленной пластической массы сводятся к минимуму сдвиговые деформации, возникающие в расплавленной пластической массе при ее движении через канал 286. Минимальное количество изменений направления потока обеспечивает меньшие потери давления в системе подачи расплава.
2
И хотя на фиг. 11 показано, что клапан 280 регулировки давления расположен в сопле 26, в других воплощениях клапан 280 регулировки давления может быть расположен в системе 60 подачи расплава, вблизи впуска в полость формы. Кроме того, расплавленная пластическая масса из клапана 280 регулировки давления может направляться в множество впусков 30, так что один клапан 280 регулировки давления будет подавать расплав в множество полостей 32 формы. Такой клапан 280 регулировки давления может быть расположен в горячем литнике системы подачи расплава. В одном из воплощений обеспечивается в сущности постоянное давление расплава ниже по потоку за клапаном 280 регулировки давления, меньшее чем 6000 фунтов/дюйм.
2
2
2
На фиг. 12 показано воплощение, в котором для поддержания в сущности постоянного давления может использоваться клапан 380 сброса давления. В данном случае значение давления срабатывания клапана 380 сброса давления задается меньшим, чем давление расплава на стороне резервуара с расплавом. В результате этого часть расплавленной пластической массы выпускается из клапана 380 сброса давления через перепускное отверстие 382. Давление расплава выше по потоку относительно клапана 380 сброса давления необходимо поддерживать по меньшей мере на 20 фунтов/дюйм большим, чем значение срабатывания клапана 380 сброса давления, чтобы давление расплава никогда не падало ниже установленного значения срабатывания клапана сброса давления. Предпочтительно даже поддерживать давление расплава выше по потоку относительно клапана по меньшей мере на 100 фунтов/дюйм большим, чем значение давления срабатывания клапана 380 сброса давления, и еще более предпочтительно - более, чем на 150 фунтов/дюйм большим, чем значение давления срабатывания клапана 380 сброса давления.
Расплавленная пластическая масса, отводимая из клапана 380 сброса давления через перепускное отверстие 382, по обратному контуру 384 может подаваться обратно в резервуар 18 для повторного использования. Отводимая масса может поддерживаться в обратном контуре 384 в расплавленном состоянии. В качестве альтернативы, может допускаться охлаждение и застывание отводимой пластической массы, и в этом случае обратный контур 384 может представлять собой ленту транспортера или любой другой подходящий механизм, обеспечивающий транспортировку затвердевшей пластической массы обратно в резервуар 18.
Еще в некоторых воплощениях устройство инжекционного формования может включать клапан регулировки давления и клапан сброса давления, установленные последовательно. В частности, клапан регулировки давления может быть установлен выше по потоку относительно клапана сброса давления, в результате чего клапан сброса давления может работать, как предохранительный механизм в случае отказа клапана регулировки давления.
Методы определения показателей обрабатываемости сверлением и фрезерованием
Показатели обрабатываемости сверлением и фрезерованием, приведенные в Таблице 1, были определены по методу, описанному ниже, при строгом соблюдении условий проведения измерений.
Показатели обрабатываемости сверлением и фрезерованием для каждого материала определялись путем измерения усилия в патроне, необходимого для сверления или фрезерования различных материалов при всех прочих равных условиях обработки (скорость подачи материала, обороты шпинделя и прочие). Крутящий момент патрона записывали в виде относительной величины, по отношению в максимальному крутящему моменту 75 футов × фунт при скорости вращения патрона 1400 об/мин сверлильного или фрезеровального станка. Показатель обрабатываемости материала (в процентах) рассчитывали, как отношение крутящего момента патрона при обработке стали 1117 по отношению к крутящему моменту на шпинделе при обработке исследуемого материала.
В качестве сверлильного и фрезеровального станка использовали многофункциональный станок Hass VF-3 Machining Center.
Таблица 2
Условия сверления
Сверло для засверливания
Угол 120°, диаметр 0,5 дюйма, глубина засверливания 0,0693 дюйма
Сверло для основного сверления
Диаметр 15/32 дюйма, быстрорежущая сталь без покрытия, для средней глубины сверления
Скорость вращения патрона
1200 об/мин
Глубина сверления
0,5 дюйма
Скорость сверления
3 дюйма/мин
Примечания
Технология «chip break» не использовалась
Таблица 3
Условия фрезерования
Фреза
Карбидная фреза с плоским концом, 4 канавки, диаметр 0,5 дюйма, без покрытия (производства SGS, номер по каталогу 36432 www.sgstool.com)
Скорость вращения патрона
1200 об/мин
Глубина резания
0,5 дюйма
Скорость подачи материала
20 дюймов/мин
Во всех испытаниях использовали систему охлаждения «flood blast» с хладагентом Koolrite 2290.
Методы определения показателей обрабатываемости при электроразрядной обработке
Показатели обрабатываемости при способах электроразрядной обработки с различными электродами, приведенные в Таблице 1, были определены по методу, описанному ниже, при строгом соблюдении условий проведения измерений.
Показатели обрабатываемости при способах электроразрядной обработки для различных материалов определяли путем измерения времени, требующегося для выжигания в испытуемом материале участка, размеры которого приведены в таблицах ниже. Показатель обрабатываемости материала (в процентах) рассчитывали как отношение времени, требующегося для прожигания указанного участка в стали 1117, к времени, необходимому для прожигания того же участка в исследуемом материале.
Таблица 4
Электроразрядная обработка с проволочным электродом
Оборудование
Fanuc OB
Проволока
Твердая латунь диаметром 0,25 мм
Вырез
Ширина 1 дюйм × глубина 1 дюйм (площадь 1 дюйм<sup>2</sup>)
Примечания
Использовали штатную программу автоматического управления с коррекцией 100%
Таблица 5
Электроразрядная обработка с графитовым электродом
Оборудование
Ingersoll Gantry 800 с контроллером Mitsubishi EX
Электрод
Графитовый неразборный System 3R Росо EDM 3, диаметр 25 мм
Вырез
Цилиндрический 0,1 дюйма по оси Z
Примечания
Использовали технологии управления процессом Mitsubishi CNC и FAP ЕХ
Таблица 6
Электроразрядная обработка с медным электродом
Оборудование
Ingersoll Gantry 800 с контроллером Mitsubishi EX
Электрод
Теллуриево-медный неразборный System 3R, диаметр 25 мм
Вырез
Цилиндрический 0,1 дюйма по оси Z
Примечания
Использовали технологии управления процессом Mitsubishi CNC и FAP ЕХ
Преимуществом предлагаемых в настоящем изобретении устройств инжекционного формования при низком постоянном давлении является то, что в них используются формы, изготавливаемые из легко поддающихся обработке материалов. Поэтому предлагаемые устройства инжекционного формования при низком постоянном давлении быстрее и легче в изготовлении. Кроме того, для транспортировки и установки предлагаемых устройств инжекционного формования могут использоваться более легкие, трансформируемые и удобные в пользовании опорные структуры и механизмы, например более широкие столы, с большим расстоянием между поперечными балками или совсем без поперечных балок. За счет этого предлагаемые устройства инжекционного формования при низком постоянном давлении легче в переноске, изменении компоновки и перенастройке под конкретные виды формуемых деталей.
Следует отметить, что термины «в сущности», «примерно» и «приблизительно», если явно не указано иное, в контексте настоящего описания могут использоваться для обозначения внутренней степени неопределенности, которая неизбежно присуща значениям величин при их измерении, количественном сравнении или ином представлении. Данные термины в контексте настоящего описания используются также для обозначения степени, с которой количественное представление может отличаться от приведенного значения величины без изменения основных функций объекта, к которому они относятся. Если явно не указано иное, термины «в сущности», «примерно» и «приблизительно» означают результат количественного сравнения, величина, результат измерения или иное представление, которые могут отличаться в пределах до 20% от указанной величины.
Как следует из приведенного выше описания, с помощью предлагаемых способов инжекционного формования при низком постоянном давлении могут быть изготовлены воплощения различных изделий, примеры которых были упомянуты выше. И хотя в приведенном выше описании особо подчеркивается, что предлагаемые устройства и способы могут использоваться для изготовления тары для потребительских товаров или самих потребительских товаров, сведущим в данной области техники будет очевидно, что предлагаемые устройства и способы инжекционного формования при постоянном низком давлении могут использоваться для изготовления самых различных изделий, относящихся к областям потребительских товаров, пищевой промышленности, транспорта, медицины, производства игрушек и им подобным.
Все документы, цитируемые в подробном описании настоящего изобретения в части, относящейся к настоящему изобретению, упоминаются только для ссылки. Цитирование какого-либо документа не должно рассматриваться как признание того, что цитируемый документ должен быть включен в уровень техники по отношению к настоящему изобретению. Если какое-либо значение или определение понятия в настоящем документе не совпадает со значением или определением данного понятия в документе, на который дается ссылка, следует руководствоваться значением или определением данного понятия, содержащимся в настоящем документе.
Несмотря на то, что в данном документе иллюстрируются и описываются конкретные воплощения настоящего изобретения, сведущим в данной области техники будет очевидно, что возможно внесение прочих изменений и модификаций, не нарушающих идею и назначение изобретения. Кроме того, несмотря на то, что в настоящей заявке приводится описание различных элементов изобретения, подразумевается, что при реализации изобретения такие элементы не обязательно должны использоваться одновременно. С этой целью имелось в виду в прилагаемой формуле изобретения представить все возможные подобные изменения и модификации в объеме настоящего изобретения.