Сайт И.А. Барвинского
 

    Перейти в раздел:    
Все публикации

Предыдущая страница:
Выбор материалов для литьевых корпусов

Следующая страница:
Moldex3D (версия 15)

  

Влияние места впуска на коробление литьевого изделия из материала, наполненного стекловолокном

Барвинский И.А., Барвинская И.Е.

Пластические массы. 2001. № 6. С. 57-58

    Работа выполнена по заказу компании "Полипластик"

     Типичной проблемой при литье под давлением термопластов, наполненных коротким стекловолокном, является коробление изделий. Ориентация стекловолокна в композите - важнейший фактор, влияющий на усадку, коробление и механические характеристики литьевого изделия /1/. Ориентация стекловолокна во многом определяется выбором мест впуска. Методы конечно-элементного анализа позволяют смоделировать ориентацию волокнистого наполнителя в полимерной матрице, а также  усадочное и деформационное поведение отливки /2-5/. Точность такого моделирования оказывается вполне приемлемой, несмотря на существенное упрощение процессов, происходящих в полости формы (в частности, предполагается отсутствие повреждения частиц волокна при переработке, игнорируется наличие межфазного слоя, не учитывается влияние надмолекулярной структуры и т.д.).
     Представляло интерес изучение методами компьютерного моделирования ориентации стекловолокна и коробления одной из типовых конструкций автомобильного бачка радиатора при различных вариантах мест впуска (рис. 1). Моделирование процесса литья проводилось с помощью программных продуктов фирмы Moldflow. Расчет ориентации стекловолокна на стадиях впрыска и выдержки под давлением выполнялся в программном продукте MPI/FIBER статистическими методами на основе модифицированного уравнения Фольгара – Такера /5/. При этом учитывалось взаимодействие частиц волокна друг с другом. Коробление  рассчитывалось в программном продукте MPI/WARP с использованием линейного анализа напряженно-деформированного состояния детали под действием усадочных деформаций. Величины общего коробления и коробления по оси Z, ориентированной вдоль оси пресс-формы, определялись по максимальному абсолютному отклонению прогнозируемой геометрии детали от исходной геометрии за вычетом усадочных деформаций. Коробление вдоль оси Y рассчитывалось по максимальному прогибу длинных стенок детали. Анализ проводился при равномерном и неравномерном охлаждении пресс-формы. При равномерном охлаждении температура пуансона (Тп) и матрицы (Тм) составляла 40 оС. Неравномерность охлаждения моделировалась в программном продукте MPI/COOL на модели пресс-формы с охлаждающими каналами. Разница средних температур пуансона и матрицы обеспечивалась заданием различной температуры воды на входе в каналы охлаждения.

Рис. 1. Конечноэлементная модель бачка радиатора с литниковой системой: а – радиальный впуск, б – впуск в торец, в – боковой впуск 
     В качестве материала детали была использована композиция на основе полипропилена производства НПП "Полипластик" марки Армлен ПП СВ 2Т, содержащая 34% стекловолокна. По данным изготовителя диаметр волокна был равен 0.013 мм, средняя длина частиц стекловолокна составляла 0.247 мм. Конечно-элементная модель детали (рис. 1), построенная по "средней линии", содержала 1823 элемента и 963 узла. Толщина основной части детали равнялась 3 мм, толщина других частей находилась в пределах 1.5 – 4.0 мм. Были рассмотрены 3 варианта мест впуска с соответствующими типовыми конструкциями необогреваемой литниковой системы. Технологический режим литья оптимизировался для каждого варианта конструкции по методике /6/.
    
Ориентация частиц волокна в литьевом изделии определяется конкуренцией двух процессов: сдвигового течения и высокоэластических деформаций /3-4/. Сдвиговое течение выстраивает волокно вдоль потока, тогда как высокоэластические деформации разворачивают его перпендикулярно потоку. Ориентация волокна неравномерна по сечению литьевого канала. Вблизи стенки канала, где наблюдаются максимальные значения скоростей сдвига, волокно обычно ориентировано вдоль потока даже при наличии больших высокоэластических деформаций. 
     При радиальном впуске значителен вклад высокоэластических деформаций, поэтому существенная часть стекловолокна ориентирована перпендикулярно направлению растекания расплава (рис. 2а), что создает большую неравномерность ориентации стекловолокна. Самая неравномерная ориентация наблюдается при боковом впуске (рис. 2в). Впуск в торец детали обеспечивает равномерную ориентацию стекловолокна вдоль детали (рис. 2б).

Рис. 2. Средняя ориентация стекловолокна: а – радиальный впуск, б – впуск в торец, в – боковой впуск    
     Неравномерность ориентации стекловолокна приводит к неравномерности усадочных деформаций и, как следствие, к короблению детали. При одинаковой температуре пуансона и матрицы наименьшее общее коробление и коробление по оси Z наблюдаются для впуска в торец детали, а наибольшее – для бокового впуска  (таблица 1). Эти результаты хорошо коррелируют с рассчитанной ориентацией стекловолокна. 

Рис. 3. Коробление детали при неравномерном охлаждении (Тп-Тм = 17.5 оС). Деформации сетки увеличены в 7 раз.
Таблица 1.
Место впуска Тп, оС Тп-Тм, оС Коробление,  мм
по оси Y по оси Z Общее
Равномерное охлаждение
Радиальный впуск 40 0 0.79 1.18 1.33
Впуск в торец 40 0 0.73 0.70 0.92
Боковой впуск 40 0 0.40 2.13 2.39

Неравномерное охлаждение

Радиальный впуск 59.5 17.5 2.71 1.43 2.09
Впуск в торец 60 17.5 3.94 0.99 2.27
Боковой впуск 60 17.5 2.32 2.33 3.30 
     Повышение температуры пуансона относительно температуры матрицы значительно увеличивает коробление для всех вариантов конструкций (рис. 4). Особенно сильное увеличение общего коробления и коробления вдоль оси Z наблюдается для бокового впуска. Впуск в торец вызывает наибольшее коробление вдоль оси Y при неравномерном охлаждении. Этот тип коробления создает особые проблемы при изготовлении детали. Такое деформационное поведение детали можно объяснить влиянием ориентации стекловолокна на жесткость конструкции. Продольная ориентация стекловолокна при впуске в торец обеспечивает высокую продольную жесткость детали. Одновременно с этим поперечная жесткость конструкции понижается. При радиальном впуске неравномерность ориентации стекловолокна повышает поперечную жесткость. Хотя впуск в торец бачка радиатора дает более равномерную ориентацию стекловолокна, такая конструкция оказывается менее предпочтительной при невозможности обеспечить равномерное охлаждение пресс-формы. В последнем случае радиальный впуск дает наименьшее коробление  изделия. 

Рис. 4. Зависимость общего коробления детали от разницы температур пуансона и матрицы для радиального впуска
     Как показывают расчеты, поперечная жесткость бачка радиатора может быть значительно повышена, а коробление по оси Y уменьшено, при введении поперечных внутренних или наружных ребер. Однако добавление ребер требует учета направления ориентации стекловолокна. Изменение ориентации стекловолокна в месте соединения ребра с основной стенкой детали может быть причиной увеличения коробления, а также может приводить к растрескиванию изделия /1/. Оптимальные конструктивные решения могут быть выбраны с помощью технологии компьютерного анализа.

Литература

     1. Tutorial on polymer composite molding. Michigan State University, 1999.
     2.
Gupta M., Wang  K.K. Fiber orientation and mechanical properties of short-fiber-reinforced injection-molded composites: simulated and experimental results // Polym. Compos. 1993. V. 14. P. 367-382.
     3.
Zollner O., Sagenschneider U. Shrinkage and deformation of glass fibre-reinforced thermoplastics may be calculated // Kunstst. Plast Eur. 1994. Aug. P. 72-77.
     4.
Sherman R., Calder A. Predicting shrinkage and warpage of fiber-reinforced injection molded plastics // PM&E. 1994. May. P. 31-32.
     5.
Zheng R., McCaffrey N., Winch K., Yu K., Kennedy P. J. Predicting warpage of injection molded fiber-reinforced plastics // Thermoplast. Comp. Mat. 1996.  V. 9. P. 90-106.
     6. Moldflow theory manual for Windows. Moldflow Pty. Ltd., 1994.

    
           
Rambler's Top100 Copyright (C) Барвинский И.А., Барвинская И.Е., 2000-2018

Перепечатка публикаций сайта допускается только с разрешения авторов