Tim Tcm Indrumar Proiectare 2010-2011-Prof.opran c.

TEHNOLOGII DE INJECŢIE ÎN MATRIŢĂ ÎNDRUMAR PROIECTARE

Îndrumar proiectare

Tehnologii de injecţie în matriţă

Universitatea POLITEHNICA Bucureşti Facultatea Ingineria şi Managementul Sistemelor Tehnologice CatedraTehnologia Construcţilor de Maşini

TEHNOLOGII DE INJECŢIE ÎN MATRIŢĂ Îndrumar proiectare

2009

© 2009; UPB-TCM

1/33

Prof.univ.OPRAN Constantin



TEMA PROIECTULUI Să se proiecteze matriţa de injectat pentru produse din materiale polimerice inginereşti sau materiale compozite cu matrice polimerică ranforsate cu particule/fibre scurte tăiate, pentru: a) denumirea piesei: ............................... b) desen de execuţie: .............................. c) volum de producţie: .............................buc/zi d) regim de lucru: .................................schimburi/zi. Proiectul va fi compus din două părţi: A) Memoriu tehnico-economic; B) Partea grafică. A. MEMORIU TEHNICO-ECONOMIC 1. Elemente constructiv funcţionale ale piesei 1.1. Schiţa piesei 1.2. Caracteristici ale materialului piesei 1.3. Condiţii tehnice 1.4. Rolul funcţional al piesei 1.5. Analiza tehnologicităţii piesei 2. Analiza tehnologica a tipologiilor matriţelor de injecţie pentru produse din materiale polimerice 3. Alegerea tipului de matriţă de injecţie pentru produse din materiale polimerice 4. Alegerea tipului de maşină de injecţie materiale polimerice 5. Proiectarea sistemului de injectare 5.1. Modul de injectare cu dimensionarea reţelelor de injectare 5.2. Calculul numărului de cuiburi 5.3. Dimensionarea cuiburilor funcţie de contracţia materialului utilizat 5.4. Calculul deformărilor prin contracţie ale piesei matriţate prin injecţie 5.5. Calculul de referinţă al plăcilor de formare a matriţei de injecţie 5.6. Verificarea suprafeţelor de închidere ale plăcilor de formare 5.7. Verificarea plăcilor de formare la rigiditate 6. Proiectarea sistemului de aruncare a produsului injectat 7. Proiectarea sistemului de control al temperaturii pentru elementele componente ale matriţei de injecţie pentru produse din materiale polimerice 8. Proiectarea elementelor pentru conducerea şi centrarea matriţei de injecţie pentru produse din materiale polimerice 9. Proiectarea sistemului de ventilaţie-aerisire a matriţei de injecţie pentru produse din materiale polimerice 10 Alegerea materialelor corespunzătoare pentru piesele componente ale matriţei de injecţie pentru produse din materiale polimerice 11. Stabilirea toleranţelor şi ajustajelor pentru piesele componente ale matriţei de injecţie pentru produse din materiale polimerice 12. Analiza economică a matriţei de injecţie proiectate şi calculul seriei de fabricaţie economice B) PARTEA GRAFICĂ 1. Desenul de execuţie a produsului polimeric. 2. Desenul de ansamblu al matriţei de injecţie pentru produse din materiale polimerice. 3. Desenul de execuţie al unui reper component al matriţei de injecţie pentru produse din materiale polimerice

© 2009; UPB-TCM

2/33




I. INTRODUCERE Îndrumarul „Tehnologii de injecţie în matriţă – Îndrumar de proiectare” serveşte pentru aplicaţii industriale cit şi studenţilor Facultăţii „Ingineria şi Managementul Sistemelor Tehnologice” din Universitatea POLITEHNICA din Bucureşti pentru elaborarea proiectului la disciplina „Tehnologii de Injecţie în Matriţă”. Îndrumarul cuprinde informaţiile necesare rezolvării temei de proiectare, în succesiunea logică a elaborării proiectului. Pentru rezolvare temei de proiectare, se face o eşalonare în timp a activităţilor, rezolvarea fiecărei activităţi fiind evaluată şi apreciată în funcţie de gradul de rezolvare, corectitudinea soluţiilor propuse şi de respectarea termenelor impuse. Şedinţa Activităţi

Planificarea activităţilor de proiectare 1 2 3 A1,2,3,4 /B1 B2 A5;6,7/B2 A8,9,1011,12 /B2,3

II. MEMORIU TEHNICO-ECONOMIC 1. Elemente constructiv funcţionale ale piesei 1.1. Schiţa piesei Se execută schiţa piesei şi se numerotează suprafeţele cu SK (K= 1,2,...). 1.2. Caracteristici ale materialului piesei Se evidenţiază caracteristicile fizico-mecanice, chimice ale materialului termoplastic sau termorigid şi după caz a elementelor de ranforsare utilizate pentru obţinerea prin injecţie în matriţă a piesei respective. Pentru alegerea corectă a materialelor polimerice pentru realizarea unei piese injectate în matriţă trebuie să se ţină seama de factori tehnico-funcţionali ai produsului şi de factori tehnologici la realizare produs.         

1. Factori tehnico-funcţionali: durata de viaţă a produsului injectat; configuraţia piesei; calităţile optice şi de transparenţă; solicitări termice în exploatare; solicitări mecanice; solicitări de natură electrică; solicitări de natură chimică; prelucrările ulterioare la care sunt supuse piesele; costul materialului.

© 2009; UPB-TCM

3/33



   


2. Factori tehnologici: uniformitatea granulelor; conţinutul de apă redus în granule stabilitate termică şi chimică contracţii mici la piesele injectate.

Caracteristicile fizico-mecanice şi chimice ale materialelor polimerice sunt prezentate în anexa 2 1.3. Condiţii tehnice Condiţiile tehnice prescrise suprafeţelor SK se prezintă tabelar conform modelului de mai jos: Sk

Forma

Dimensiuni

Si

-

-

Rugozitate Ra -

Toleranţe de formă -

Poziţie reciprocă -

Obs. -

1.4. Rolul funcţional al piesei Atunci când nu se cunoaşte ansamblul din care face parte piesa se stabileşte rolul funcţional posibil al piesei folosind metoda de analiză morfofuncţională a suprafeţelor, parcurgând următoarele etape [A1]: 1. descompunerea piesei în suprafeţe simple; 2. numerotarea suprafeţelor în sens trigonometric; 3. analizarea suprafeţelor din punct de vedere al formei geometrice, preciziei dimensionale, de formă, de poziţie, rugozităţii etc.; 4. întocmirea unui graf “suprafeţe – caracteristici”; 5. stabilirea rolului funcţional al suprafeţelor. Din punct de vedere al rolului funcţional, suprafeţele pot fi clasificate astfel:  suprafeţe tehnologice - ajută la poziţionarea piesei în vederea prelucrării;  suprafeţe funcţionale – caracterizate prin precizie dimensională ridicată, rugozitate mică, prescripţii referitoare la forma geometrică a suprafeţei etc.;  suprafeţe de asamblare – caracterizate prin o anumită configuraţie geometrică, precizie dimensională ridicată, rugozitate mică, prescripţii referitoare la poziţia suprafeţei în raport cu alte suprafeţe etc.;  suprafeţe de legătură – fac legătura între suprafeţele funcţionale şi cele de asamblare. Se caracterizează prin: precizie dimensională scăzută, rugozitate mare, fără prescripţii referitoare la precizia de formă şi de poziţie. 1.5. Analiza tehnologicităţii piesei Se analizează şi se precizează următoarele: concordanţa dintre caracteristicile constructive ale piesei şi cele impuse de rolul funcţional, posibilitatea realizării piesei prin matriţare de injecţie, etc. Elementele constructive sau condiţiile tehnice de execuţie care contravin asupra tehnologicităţii piesei, vor fi menţionate şi se vor face © 2009; UPB-TCM

4/33




propuneri de îmbunătăţire a tehnologicităţii piesei prin modificarea soluţiilor constructive. Forma şi dimensiunile pieselor injectate se concep în corelaţie cu natura materialului, caracteristicile matriţei şi tipul maşinii de injectat. Se recomandă ca: - piesa injectată să aibă o configuraţie cât mai simplă; - dimensiunile şi masa piesei să fie menţinute la minim; - configuraţia piesei să permită extragerea acesteia din matriţă; - să se evite muchiile ascuţite. Pentru realizarea acestor condiţii, se vor analiza următorii factori: a) Planul de separaţie este planul de delimitare a pachetului mobil de cel fix. Un plan de separaţie în trepte este mai dificil de realizat decât unul neted. Există şi matriţe cu mai multe plane de separaţie, paralele sau perpendiculare, dar arhitectura acestor matriţe este complicată. Planul de separaţie se regăseşte pe piesă, poziţia sa relativ la piesă fiind impus de condiţia extragerii uşoare a piesei din matriţă. În planul de separaţie apar bavuri şi este necesar ca, prin localizarea judicioasă a planului de separaţie, să se minimizeze influenţa bavurilor asupra funcţionalităţii Fig. 1 şi aspectului piesei. În figura 1, poziţia planului de separaţie este impusă de prezenţa suprafeţei cilindrice de diametru maxim. b) Punctul de injectare determină, de asemenea, apariţia pe piesă a unei bavuri, îngustă de această dată. De aceea, punctul de injectare nu se plasează pe suprafeţele funcţionale şi nici pe cele care vin în contact vizual sau tactil cu utilizatorul. De obicei, punctul de injecţie se plasează pe axa de simetrie a piesei, în partea cu o cantitate de material mai mare. Punctul de injectare trebuie poziţionat astfel încât să permită umplerea completă a cuibului şi fără a se naşte turbulenţe în masa vâscoasă. Punctul de injectare nu trebuie să determine curgerea materialului direct spre poansoanele subţiri, astfel riscând deformarea lor. De asemenea, punctul de injecţie trebuie astfel ales încât să nu determine schimbări bruşte de direcţie ale materialului semilichid în cuibul de injecţie. Această cerinţă trebuie respectată mai ales în cazul materialelor termorigide, care astfel ar ajunge să polimerizeze prematur. Punctul de injectare şi zona diametral opusă pe piesă (zona de sudură a materialului parţial răcit - fig. 2 a) sunt caracterizate de proprietăţi mecanice diminuate. Acest neajuns se înlătură prin utilizarea mai multor puncte de injectare pentru aceeaşi piesă (fig. 2 b). Soluţia cea mai eficientă este ca injecţia să se efectueze prin zona centrală a pieselor (fig. 2 c).

© 2009; UPB-TCM

5/33




a

b

c

Fig. 2 c) Grosimea pereţilor este determinată de condiţiile de rezistenţă impuse piesei în exploatare şi de necesităţile reologice impuse de tehnologie. Grosimea pereţilor trebuie să fie constantă, mai ales în cazul g materialelor plastice cu tendinţă mare de cristalizare. Se vor evita îngroşările nejustificate ale pereţilor, deoarece, în aceste zone, cantitatea de material este mai mare şi, la răcire, vor apărea retasuri şi Fig. 3 goluri, cu influenţe negative asupra calităţii piesei injectate. Se recomandă următoarele domenii ale grosimii pereţilor:  g = 0,5 - 5 mm (pentru materiale nearmate);  g = 0,75 - 3 mm (pentru materiale armate). În figura 3 este prezentată o piesă proiectată greşit şi dedesubt aceeaşi piesă r concepută corect. d) Razele de racordare „r” trebuie să fie r Fig. 4 > 0,6g, unde g este grosimea peretelui racordat (fig. 3). Pentru condiţii generale de exploatare, razele minime de racordare sunt în intervalul (1 - 1,5) mm. Absenţa razelor de racordare (fig. 4) conduce la producerea de turbulenţe la injectare, cu scăderea semnificativă a rezistenţei în zona de Fig. 5 trecere. e) Bordul superior al pieselor de mari dimensiuni are o construcţie specială pentru a preveni deformarea pereţilor în urma contracţiilor puternice la răcire. În figura 5 sunt prezentate câteva forme recomandate ale bordului superior. O altă soluţie pentru evitarea deformării pereţilor este nervurarea acestora. © 2009; UPB-TCM

6/33




© 2009; UPB-TCM

Fig. 6

d

h

d

h

f) Baza pieselor injectate este supusă puternic deformării datorită contracţiei la răcire. Pentru a reduce acest efect, baza primeşte o formă lenticulară sau o construcţie cu treaptă (fig. 6). g) Găurile din pereţii piesei ridică probleme deosebite prin faptul că poansoanele care le materializează stânjenesc curgerea materialului semilichid în matriţă, iar în zona din spatele poansoanelor apar linii de sudură caracterizate de scăderea rezistenţei. În cazul găurilor lungi, poansoanele care le materializează sunt supuse deformării şi, de aceea, înălţimea lor trebuie limitată. Se recomandă (fig. 7):  pentru găurile străpunse hs  (8 … 12)ds;  pentru găurile înfundate hi  (5 … 6)di. În cazul materialelor plastice, şi mai ales termorigide, găurile filetate nu trebuie să aibă pasul sub 1 mm. h) Înclinarea pereţilor piesei se recomandă pentru extragerea de pe poansoane, pe care piesele se strâng în urma contracţiei la răcire. Unghiurile de înclinare variază între 30’ şi 3 (fig. 8). i) Nervurile au rolul de a rigidiza piesa injectată, atât pentru mărirea rezistenţei mecanice în funcţionare, dar şi pentru a preveni deformarea piesei datorită contracţiei post-injecţie. Dimensiunile recomandate pentru secţiunea unei nervuri sunt indicate în figura 8. Trebuie evitate acumulările de material de la intersecţia nervurilor. Există două soluţii propuse, respectiv prevederea de găuri la intersecţii sau decalarea nervurilor (fig. 9). j) Inserţiile din materiale metalice sunt prevăzute pentru ca anumite zone ale piesei injectate să prezinte proprietăţi mecanice, electrice etc. diferite de ale materialului de bază.

7/33

Fig. 7 30’-1°30’ (0,3-0,5) D (2-6) g

(0,5-0,8) g

g

D

Fig. 8

Fig. 9 2/5 d

d

2/5 d

Fig. 10 Prof.univ.OPRAN Constantin



Construcţia şi plasarea inserţiei în piesă trebuie să prevină desprinderea acesteia din piesă şi, de asemenea, să prevină umplerea acesteia cu material plastic în caz că inserţia prezintă cavităţi. Pentru ca inserţia să fie înglobată eficient în materialul plastic, se recomandă respectarea dimensiunilor din figura 10 şi randalinarea suprafeţelor exterioare ale piesei metalice. k) Suprafeţele lucioase nu se obţin la injecţia prin compresie sau transfer, deoarece suprafeţele lucioase ale matriţei nu permit distribuţia uniformă a aerului rămas în cuib şi apar defecte de suprafaţă.

2. Analiza tehnologica a tipologiilor matriţelor de injecţie materiale polimerice Funcţie de tipodimensiunea piesei, volumul de producţie, tipul de material polimeric, se analizează tehnologic matriţele de injecţie. În funcţie de tipodimensiunea piesei, caracteristicile materialului de injectat, de tipul maşinii de injectat etc. există o mare varietate constructivă de matriţe. O deosebită importanţă o prezintă condiţiile impuse pentru matriţele de injectat utilizate pentru obţinerea produselor din materiale polimerice, în condiţii tehnico-economice optime, dintre care cele mai importante sunt următoarele: - să permită obţinerea de produse injectate pentru care pierderile de material sa fie minime, cu respectarea condiţiilor tehnice impuse, astfel încât, să nu produsul sa nu mai fie supus unor prelucrări suplimentare; - să corespundă maşinii de injectat pentru care a fost proiectată; - să permită realizarea unui număr cât mai mare de piesei fără reparaţii sau înlocuiri ale elementelor active; - la realizarea matriţei să se utilizeze cât mai multe componente tipizate interschimbabile; - să aibă un preţ cât mai scăzut. 2.1. Tehnologia de injecţie în matriţă 2.1.1. Elementele de bază privind caracterizarea tehnologiei de injecţie în matriţă a materialelor polimerice Formarea prin injecţie în matriţă a produselor din materiale plastice inginereşti, reprezintă procedeul de prelucrare prin care un material macromolecular, adus in stare vâscoelastică sub acţiunea căldurii, este injectat sub presiune ridicată în cavitatea unei matriţe (cuibul matriţei), unde are loc răcirea şi solidificarea lui. Odată cu încercarea forţei de presare, materialul răcit păstrează forma cavităţii interioare a matriţei în care a fost injectat şi din care, după un anumit timp, produsul final este îndepărtat. În condiţii industriale, procesul se repetă în cadrul unui ciclu de injectare, care începe în poziţia închisă a matriţei şi care conţine următoarele faze mai importante: 1. alimentarea cu material (granule sau pulbere) 2. comprimarea (compactizarea) materialului © 2009; UPB-TCM

8/33




3. termoplastifierea materialului 4. injectarea materialului în stare topită 5. răcirea piesei injectate 6. deschiderea matriţei şi evacuarea piesei injectate 7. închiderea matriţei si începerea unui nou ciclu În timpul procesului se dezvoltă o serie de forţe care exercită presiuni importante asupra materialului. Dintre acestea, cinci sunt hotărâtoare determinând nivelul calităţii produsului finit: presiunea exterioară, presiunea interioară, presiunea ulterioară, presiunea de sigilare, presiunea interioară remanentă. Ciclul de injectare al materialului sub forma unei topituri vâscoase şi relativ omogene cuprinde următoarele faze: 1. începerea injectării prin înaintarea pistonului şi compactizarea materialului, cavitatea matriţei fiind încă neumplută 2. creşterea presiunii şi umplerea cavităţii matriţei 3. creşterea în continuare a presiunii până la atingerea valorii maxime a acesteia 4. exercitarea presiunii ulterioare care face ca materialul plastifiat din cavitatea matriţei să ramână sub presiune continuă în timpul procesului de solidificare 5. începerea solidificării materialului şi scăderea presiunii o dată cu sigilarea canalelor de umplere a matriţei 6. răcirea piesei injectate 7. deschiderea matriţei şi eliminarea din matriţă a piesei injectate Factorii semnificativi care permit utilizarea capacităţii unui material plastic ingineresc de a fi folosit pentru diverse aplicaţii sunt: - rezistenţa la tracţiune - alungirea la rupere prin tracţiune - modulul de elasticitate - rezistenţa la şoc - duritatea. Aceşti factori sunt determinaţi nu numai de natura polimerului respectiv ci şi de acţiunea chimică a unor substanţe, radiaţii, aditivi, etc. 2.1.2. Tehnologia produselor din materiale polimerice injectate în matriţă În timpul procesului de injecţie se dezvoltă o serie de forţe care exercită presiuni importante asupra materialului. Dintre acestea, cinci sunt hotărâtoare, determinând nivelul calităţii produsului finit: 1) presiunea exterioară, reprezentând presiunea exercitată asupra materialului termoplastifiat în cilindrul de injectare al maşinii; 2) presiunea interioară, respectiv presiunea din cavitatea matriţei închise (presiunea interioară este mai mică decât cea exterioară datorită pierderilor de presiune care apar la trecerea materialului prin secţiuni înguste cum sunt: duza, reţeaua de injecţie, pereţii interiori din cuibul matriţei, etc.); valori medii experimentale: ABSpolistiren-Copolimer-acrilonitril-butadien-stiren-250-350 barr, PC-policarbonat300-500 barr, PA-poliamide-250-700 barr, poliester-PBT-polibutilentereftalat-250© 2009; UPB-TCM

9/33




700 barr; valorile maxime sunt la materiale termoplastice semi-cristaline cu caracteristici bune de curgere şi pentru prevenirea bavurilor. 3) presiunea ulterioară, respectiv presiunea exercitată de pistonul de injectare asupra materialului injectat în cavitatea matriţei (această presiune compensează contracţia rezultată în urma răcirii materialului); 4) presiunea de sigilare definită prin presiunea exercitată asupra materialului din cavitatea matriţei în momentul solidificării materialului piesei din starea vâscoelastică în stare solidă (acestei presiuni îi corespunde punctul de sigilare); 5) presiune interioară remanentă, respectiv presiunea care acţionează asupra piesei injectate în momentul începerii deschiderii matriţei (după sigilare, materialul se contractă datorită răcirii şi presiunea scade fără a atinge însă valoarea zero). Conform etapelor componente ciclului de injectare, la început presiunea interioară creşte brusc, apoi după încetarea presiunii ulterioare, respectiv după sigilare, scade treptat la valoarea presiunii remanente. Diferenţa de presiune între presiunea exterioară de injectare şi presiunea interioară din cavitatea matriţei depinde de proprietăţile materialului plastic, de temperatura de injectare, de parametrii reţelei de injectare (dimensiunile duzei de injectare, canalelor de injectare şi a cavităţii piesei de injectat). Astfel, la temperaturi ridicate, vâscozitatea topiturii este mai mică, căderea de presiune va fi mai mică, presiunea interioară creşte, scăzând presiunea de injectare necesară asigurării aceleaşi presiuni interioare. Presiunea interioară dă naştere la o forţă care tinde să deschidă matriţa în timpul injectării. Ca urmare, forţa de închidere a maşinii de injectat trebuie să fie mai mare decât forţa interioară, definită prin produsul dintre presiunea interioară şi suprafaţa cavităţii matriţei în planul de separaţie. Cu cât vâscozitatea topiturii este mai mică, cu atât diferenţa dintre forţa de închidere şi forţa interioară trebuie să fie mai mare. În cazul injectării cu duza punctiformă, secţiunea mică prin care materialul plastic pătrunde în cavitatea matriţei, provoacă o supraîncălzire a acestuia cu scăderea presiunii interioare. Ca urmare, matriţa se sigilează mai repede decât în cazul sistemelor de injectare cu duză normală. Presiunea interioară mai mică nu poate compensa contracţia piesei provocată de răcirea acesteia având în vedere încălzirea la o temperatură mai mare a materialului datorită trecerii prin secţiunea redusă a duzei punctiforme. Ca urmare, contracţia piesei este mare, lucru de care trebuie să se ţină seama la proiectarea matriţei pentru a nu se obţine deformări nedorite ale produsului. Datorită contracţiei în timpul răcirii, pe suprafaţa piesei pot apărea retasuri. Pentru compensarea acestora, prin acţiunea presiunii ulterioare matriţa se mai alimentează cu material plastifiat. Până la terminarea sigilării matriţei, pe durata presiunii ulterioare, presiunea exterioară de injectare trebuie să aibă valoarea maximă. La injectarea pieselor cu pereţi groşi, datorită fenomenului de apariţie a retasurilor, trebuie să se aplice o temperatură de injectare mai mică şi o presiune de injectare mai mare, concomitent cu mărirea duratei presiunii ulterioare. La injectarea pieselor cu pereţi subţiri, trebuie să se micşoreze atât presiunea de injectare, cât şi durata presiunii ulterioare, deoarece în acest caz piesa se răceşte mai repede, de regulă mai înainte ca presiunea interioară să scadă la valoarea ei minimă. La deschiderea matriţei, din această cauză apar tensiuni interne în piesele injectate, care pot provoca © 2009; UPB-TCM

10/33




fisurarea pieselor (în cazul materialelor termoplastice amorfe mai rigide precum PAS-polistirenul rezistent la şoc) sau deformarea lor (în cazul materialelor termoplastice semi-cristaline mai flexibile precum PE-polietilena 2.2. Trepte de proces Întregul proces de injectare poate fi cuprins în următoarele trepte de proces [S2]: 1. plastifierea - cuprinde, pentru masa injectată necesară unui reper, întregul timp de reţinere în maşina de injectare, care are o durata de mai multe cicluri de injectare în cadrul căruia au loc mai multe rotaţii şi staţionari ale melcului. Pentru plastifiere se definesc următoarele limite: - început: intrarea materialului plastic din pâlnia de alimentare în canalul melcului; - sfârşit: injectarea materialului plastic topit din spaţiu de acumulare o dată cu începutul mişcării de avansare a melcului-piston la umplerea matriţei. Durata procesului de plastifiere se caracterizează prin timpul de reţinere tR. 2. umplerea matriţei - cuprinde transportul materialului plastic din spaţiul de acumulare al maşinii de injectat în cavitatea matriţei. Pentru umplerea matriţei se stabilesc următoarele limite: - început: startul mişcării de translaţie a melcului în direcţia duzei. Simultan se sfârşeşte treapta de proces plastifiere. - sfârşit: momentul umplerii volumetrice (materialul de formare ajunge în punctul cel mai îndepărtat faţă de punctul de injectare). Simultan este începutul treptelor de compactare şi răcire. Durata treptei de umplere a matriţei este timpul de umplere tu al matriţei. 3. compactizarea este acea parte a procesului de injectare în timpul căreia în cavitatea matriţei există o presiune aproape hidrostatică care este influenţată de melcul piston al maşinii de injectare. Pentru compactizarea materialului se stabilesc următoarele stadii: - început: momentul umplerii volumetrice (masa de formare atinge punctul cel mai îndepărtat de la locul de injectare). Simultan se sfârşeşte umplerea matriţei, exprimat prin expirarea timpului de umplere tu şi începutul treptei de răcire; - sfârşit: punctul de sigilare. Durata treptei de compactizare rezultă în esenţă din varianta constructivă a matriţei de injectare utilizata, sistemul de injectare, temperatura materialului plastic topit si a matriţei. Ea este stabilita prin determinarea timpului de sigilare. In durata treptei de compactizare se deosebeşte timpul presiunii ulterioare tul. Începutul acestui timp coincide cu cel al timpului de compactizare, insă sfârşitul poate să se afle, în funcţie de reglaj, înainte sau după apariţia punctului de sigilare. 4. răcirea este considerată partea procesului de răcire care are loc în matriţa. Din modelul structurii procesului de injectare pentru durata treptei de proces răcire, şi prin aceasta şi a timpului de răcire tr, se definesc următoarele limite: - început: momentul încheierii procesului de umplere volumetrică a matriţei (masa de formare ajunge în punctul cel mai îndepărtat de locul de injectare din matriţă). Fenomenul se petrece simultan cu sfârşitul treptei de proces umplere matriţă, exprimat prin sfârşitul timpului de umplere tu. © 2009; UPB-TCM

11/33




- sfârşit: începerea procesului de deschidere a matriţei simultan cu începutul treptei de proces demulare. Timpul de răcire tr nu se poate regla direct pe maşinile de injectat. În majoritatea cazurilor este reglabil un timp parţial de ciclu, numit timp de staţionare, care începe la sfârşitul timpului de presiune ulterioară şi se termină odată cu timpul de răcire la începutul procesului de deschidere a matriţei. 3. Alegerea tipului de maşină de injecţie Se adoptă maşina de injecţie pentru care parametrii tehnici.

se vor prezenta principalii

Pentru realizarea pieselor injectate în condiţii tehnico - economice optime, o importanţă deosebită o are alegerea celei mai adecvate maşini de injectat. Criteriul de bază în alegerea maşinii de injectat trebuie să îl constituie concordanţa cât mai bună a performanţelor maşinii cu caracteristicile piesei care urmează a fi obţinută Pentru realizarea piesei prin injecţie în matriţă din materiale polimerice se va alege o maşină de injecţie pentru care se vor prezenta următorii parametrii tehnici: Tabelul 3.1. Parametrii tehnici ai unei maşini de injectat Caracteristica diametrul melcului raportul L/D presiunea maxima de injectare volumul teoretic de injectare viteza de rotaţie a melcului Unitatea de injectare forţa de presare a duzei capacitatea de plastifiere rata de injectare cursa melcului cursa duzei forţa de închidere a matriţei forţa de deschidere a matriţei Unitatea de închidere cursa platoului port-matriţă distanta între coloane înălţimea de montare a matriţei puterea instalata Caracteristici dimensiuni de gabarit generale ale maşinii masa maşinii

© 2009; UPB-TCM

12/33

Valoarea

U.M. [mm] [bar] [cm3] [min-1] [kN] [kg/h] [cm3/s] [mm] [mm] [kN] [kN] [mm] [mm] [mm] [kW] [mm] [kg]




Unitatea de închidere Echipament de control

Sistem de senzori pentru protecţia matriţei

Echipament de comandă hidraulic pentru ejectori

Echipament pentru controlul presiunii

Figura 3.1 Schema de principiu a maşinii de injecţie 3.1. Unitatea de injectare Unitatea de injectare - serveşte la plastifierea materialului, introducerea acestuia sub presiune în matriţă şi menţinerea presiunii în stadiul de compresie. Duza - este ajustajul din capul cilindrului de injectare prin care materialul plastic trece din cilindru în matriţa de injectat. Melcul - este organul activ al maşinii de injectat şi este construit în mai multe variante. Melcul unei maşini de injectat se compune din: cap, corp şi coada melcului. Corpul melcului se caracterizează prin următoarele mărimi [S2]:  diametrul melcului D, dependent de tipul maşinii;  lungimea relativă Lr, se defineşte ca raport între lungimea activă L a melcului şi diametrul melcului D;  numărul zonelor funcţionale şi lungimea lor. Se disting următoarele zone funcţionale:  zona de alimentare care are lungimea La;  zona de tranziţie care are lungimea Lt;  zona de dozare care are lungimea Ld. © 2009; UPB-TCM

13/33




 raportul de compresie rc, se defineşte ca raport între volumul cuprins în primul pas din zona de alimentare şi cel cuprins în ultimul pas al zonei de pompare: rc=Vi/Ve=Si/Se (2.1) unde: Si – secţiunea la ieşire; Se– secţiunea la intrare.  geometria canalului melcului se adaptează proprietarilor materialelor prelucrate:  capul melcului are un rol important in procesul de injectare: - orientează materialul dozat spre centrul cilindrului de injectare; - omogenizează temperatura materialului topit ieşit din zona de dozare a melcului; - împiedică materialul plastic ramas în cilindru să fie antrenat în mişcare de rotaţie la o nouă cursă de dozare, ceea ce ar conduce la degradarea sa termică.  coada melcului este partea constructivă a melcului care se pune în legătură cu sistemele de acţionare, care determina mişcările melcului. Coada melcului îndeplineşte mai multe funcţii : - preia mişcarea de rotaţie de la sistemul de acţionare; - preia mişcarea de translaţie de la sistemul de acţionare; - serveşte la rezemarea melcului. Cilindrul - împreună cu melcul cilindrul formează cuplul activ al maşinii de injectat. El trebuie să asigure încălzirea şi omogenizarea materialului, precum şi generarea presiunii necesare. Pâlnia de alimentare - a unei maşini de injectat este aşezata pe cilindrul maşinii de injectat în zona găurii de alimentare a melcului. Masa maşinii de injectat este un ansamblu mecanic pe care se montează unitatea de injectare, pâlnia de alimentare, aparatura de măsura şi control, etc. Masa maşinii are ca rol principal punerea în legătură a cilindrului de injectare cu matriţa de injectare astfel încât materialul plastic topit din cilindru să ajungă, ca urmare a presiunii de injectare, în matriţa de injectat. 3.2. Unitatea de închidere - deschidere Unitatea de închidere - deschidere a unei maşini de injectat îndeplineşte următoarele funcţii:  realizează închiderea celor două părţi ale matriţei;  asigură forţa de închidere a matriţei în timpul injectării cu presiune ridicată a materialului plastic în matriţă;  realizează deschiderea matriţei după solidificarea piesei în matriţă;  asigură eliminarea piesei injectate din matriţă. Părţile principale ale unei unităţi de închidere deschidere sunt: - sistemul de închidere; - sistemul de reglare a cursei de închidere; - coloanele de ghidare; - platourile de prindere; - sistemul de aruncare a piesei din matriţă. © 2009; UPB-TCM

14/33




Sistemul de închidere poate fi un sistem cu acţionare hidromecanică. La aceste sisteme acţionarea este hidraulica, iar închiderea şi deschiderea matriţei se realizează prin elemente constructive mecanice. Aceste sisteme se aplica atât la maşinile mici cât şi la maşinile mari atunci când nu este necesară o cursa mare a platoului mobil. Sistemul de reglare a cursei de închidere. La o maşină de injectat este strict necesară reglarea distantei între platoul mobil şi platoul fix ca urmare a folosirii matriţelor de injectat care au înălţime diferită. Coloanele de ghidare si platourile de prindere. O mare importanta asupra calităţii constructive a unei maşini de injectat o au coloanele de ghidare şi platourile de prindere. Ele transmit forţe de închidere între platouri fiind solicitate în principal la întindere datorită forţei de închidere maxime. Platoul fix al maşinii este aşezat în partea cilindrului de injectare. În platou se fixează cele patru coloane de ghidare cu ajutorul unor piuliţe filetate. Platoul mobil al maşinii se mişcă în coloanele de ghidare fiind acţionat de mecanismul de închidere. În zona centrala, platoul este prevăzut cu o gaura de centrare pentru inelul parţii mobile a matriţei de injectat. Platoul de capăt al maşinii este sprijinit pe batiul maşinii, pe ghidaje, pe care poate să se mişte acţionat de sistemul de reglare al cursei de închidere. Mişcarea platoului pe coloane se face pe bucşe de ghidare confecţionate din bronz. Sistemul de aruncare. În timpul cursei de închidere trebuie realizată şi aruncare piesei injectate din matriţă. Sistemul de aruncare cu acţionare hidraulică prezintă o serie de avantaje:  permite executarea cursei de aruncare după deschiderea completă a matriţei;  permite executarea unor mişcări programate suplimentar;  asigură funcţionarea în ciclu automat a maşinii de injectat. © 2009; UPB-TCM

15/33




3.3. Batiul maşinii Batiul maşinii este construcţia mecanică care serveşte ca suport subansamblurilor componente ale maşinii. Batiul susţine sistemul de injectare, sistemul de închidere, sistemul de acţionare hidrostatic, bazinul de ulei, sistemul de acţionare electric, sistemul de comandă electric, aparatura de măsură şi control. 3.4. Elemente auxiliare ale maşinii de injectat În arară de părţile principale ale maşinii de injectat, maşina necesită şi ale instalaţii , dispozitive necesare procesului tehnologic: sistemul de protecţie, dispozitivele de prindere a matriţei, dispozitive de transport şi uscare a granulelor.

4. Alegerea tipului de matriţă de injecţie În funcţie de tipodimensiunea piesei şi volumul de producţie se alege sistemul de amplasare a cuiburilor în matriţă, planul de separaţie al matriţei, numărul de plăci cu poansoane, numărul de planuri de separaţie, tipul deschiderii, modul de prindere pe maşina de injectat.

5. Proiectarea sistemului de injectare       

În funcţie de tipodimensiunea piesei şi a tipului de matriţă se proiectează: modul de injectare cu dimensionarea reţelelor de injectare; calculul numărului de cuiburi; dimensionarea cuiburilor funcţie de contracţia materialului plastic utilizat; calculul deformărilor prin contracţie ale piesei matriţate prin injecţie; calculul de referinţă al plăcilor de formare a matriţei de injecţie; verificarea suprafeţelor de închidere ale plăcilor de formare; verificarea plăcilor de formare la rigiditate.

5.1. Modul de injectare cu dimensionarea reţelelor de injectare: În vederea unui proces optim de injecţie trebuie sa se respecte următoarele reguli:  drumul de curgere al materialului plastic prin canalele de distribuţie trebuie să fie cât mai scurt posibil;  injectarea trebuie să fie echilibrată astfel încât sa nu apară forţe reactive în matriţă care ar putea determina ruperea acesteia. Dimensionarea canalelor de distribuţie este influenţată de anumiţii factori care depind de:  configuraţia matriţei;  maşina de injectat;  materialul injectat;  modalitatea de lucru. Cele mai cunoscute sisteme de injectare sunt: © 2009; UPB-TCM

16/33



-


injectarea directă; injectarea prin canale de distribuţie; injectarea punctiformă; injectarea peliculară; injectarea de tip umbrelă; injectarea inelară; injectarea cu canal tunel;injectarea cu canale izolate; injectarea cu canale încălzite.

Dimensionarea reţelelor de injectare O importanţă deosebită o are dimensionarea corectă a reţelei de injectare, dimensionarea incorectă conducând la nerespectarea condiţiilor tehnice impuse piesei. Pentru dimensionarea reţelei de injectare se parcurg următoarele etape: Pentru determinarea diametrului D al canalului de distribuţie se procedează astfel:  se determină masa netă şi grosimea peretelui piesei injectate. Masa netă a piesei poate fi determinată în urma modelarii tridimensionale a piesei prin determinarea volumului acesteia. Prin înmulţirea cu densitatea materialului polimeric folosit pentru realizarea piesei , se determină masa netă a piesei: M=ρ x V [Kg]

(5.1)

Se multiplică masa netă a piesei cu un coeficient de corecţie indicat în tabelul 4.1. Tabelul 4.1. Coeficienţii de corecţie pentru calculul masei piesei injectate [C1]. Masa netă a piesei [g] Coeficient de corecţie 0,3 ÷ 0,5 1,5 0,5÷1 1,4 1÷3 1,3 3÷5 1,25 5÷10 1,20 10÷20 1,15 20÷50 1,1 Peste 50 1,05 Din desenul de execuţie al piesei rezultă grosimea g peretelui piesei injectate.  se alege diametrul duzei de injectat în raport cu masa pieselor injectate şi în funcţie de materialul polimeric injectat.  se determină lungimea culeei de injectare. Se recomandă respectarea relaţiei: l  59 d

(5.2)

unde: l – reprezintă lungimea culeei; © 2009; UPB-TCM

17/33




d – diametrul ei la contactul cu piesa injectată.  se alege traseul şi geometria secţiunii (canalelor de alimentare figura5.1):

Figura 5.1. secţiuni ale canalelor de distribuţie

Valoarea orientativă a diametrului canalului este prezentată în tabelul 5.2. Tabelul 5.2. Diametrul orientativ al canalului de alimentare [C1] Tipul materialului Diametrul [mm] Polistiren 1,6÷9,5 ABS 14,75÷9,54 Poliester 4,7÷11,1 Poliamidă 1,6÷9,5 Policarbonat 4,75÷9,5 PVC 3,15÷9,52 Acetat de celuloză 4,7÷11,1  se stabileşte modul de amplasare a cuiburilor în plăcile de formare ale matriţei astfel încât să fie satisfăcută condiţia de umplere simultană cu material polimeric în timpul injectării. Se reprezintă schema modului de amplasare a cuiburilor.  Se stabilesc dimensiunile digurilor conform recomandărilor prezentate în tabelul 5.3. Tabelul 5.3. Dimensiunile orientative ale digului în funcţie de masa piesei [C1] Masa piesei m, [g] Diametrul digului d, [mm] Lungimea digului L, [mm] 0÷10 0,3÷0,5 1,5 10÷20 0,5÷0,8 2 20÷40 0,8÷1,2 2 40÷150 1,2÷1,8 2,5 150÷300 1,8÷2,5 3 300÷500 2,5÷3 4

© 2009; UPB-TCM

18/33




5.2. Calculul numărului de cuiburi Se determină în funcţie de capacitatea de injectare a maşinii pentru care se proiectează matriţa cu relaţia:. n  3.6

G t m

(5.3)

unde G = capacitatea de plastifiere reală a maşinii de injectat [kg/h] m = masa unei piese injectate [g]

5.3. Dimensionarea cuiburilor funcţie de contracţia materialului polimeric utilizat În cazul proiectării matriţelor de injectat, dimensiunile parţilor active trebuie să asigure dimensiunile prescrise ale piesei injectate, după răcirea ei completă. Fenomenul de contracţie se manifestă practic prin aceea că, dimensiunile piesei măsurate după injectare sunt mai mici decât dimensiunile corespunzătoare ale parţilor active (cuiburi şi poansoane) ale matriţei, chiar în situaţia în care construcţia tehnologica a matriţei de injectat este corectă, maşina de injectare este în bună stare de funcţionare şi corect reglată, iar parametrii tehnologici de injectare sunt corect stabiliţi şi respectaţi întocmai în exploatare. Notând o dimensiune nominala h si toleranta ei ±δ, dimensiunea efectivă a piesei va fi h±δ. În mod similar, notând dimensiunea nominală corespunzătoare cuibului H şi toleranta ei cu ±Δ, dimensiunea efectivă a cuibului va fi H±Δ. Notând Cmin contracţia minimă a piesei şi Cmax contracţia maximă a piesei rezultă: (H+Δ)-(H+Δ)Cmin=h+δ ,

(5.4)

(H- Δ)-(H- Δ)Cmax=h+ δ . C med 

C max  C min 2

(5.5)

După adunarea, respectiv scăderea celor două ecuaţii rezultă:

H= h 1-Cmed

(5.6)

Δ=δ -H(Cmax -Cmin ) 2

(5.7)

În tabelul 5.4. sunt prezentate valorile contracţiei pentru tipurile uzuale de materiale termoplastice [C1].

© 2009; UPB-TCM

19/33




Tabelul 5.4. Valorile contracţiei pentru tipurile uzuale de materiale termoplastice Material Valoarea contracţiei [%] Polistiren de uz general 0,2÷0,6 Polistiren rezistent la şoc 0,2÷0,6 Polietilenă de mare densitate 2÷5 Polietilenă de mică densitate 1,5÷5 Polipropilenă 1÷2,5 Poliamidă 6 0,6÷1,4 Policarbonat 0,5÷0,7 PVC 1÷5 Acetat de celuloză 0,3÷1 Polimetacrilat 0,2÷0,8

5.4. Calculul de referinţă al plăcilor de formare a matriţei de injecţie Calculul de rezistenţă al plăcilor de formare ale matriţei de injecţie se realizează în funcţie de forma geometrică a plăcilor şi a cavităţilor practicate în plăci. Pentru simplificarea calculelor se consideră că placa de formare este dreptunghiulară sau rotundă. În mod obişnuit, dimensiunile interioare şi exterioare ale plăcii de formare dreptunghiulare se determină constructiv şi apoi, se verifica prin calcul la solicitarea compusă de întindere şi încovoiere. Pentru simplificarea calculului, peretele plăcii de formare se consideră ca o grindă uniform încărcata, încastrată la capete. Se consideră secţiunile periculoase, respectiv secţiunea I – I şi secţiunea II – II, dispuse la distante egale de colturile interioare ale plăcii de formare conform figurii 5.2.

Figura 5.2. Eforturile care acţionează asupra plăcilor de formare dreptunghiulare © 2009; UPB-TCM

20/33




Pentru calculul rezistenţei plăcii de formare dreptunghiulare la solicitarea compusă de întindere şi încovoiere, se utilizează relaţia: max σ=2FSp +MW [daN/cm²]

(5.8)

unde: F – forţa care solicită peretele la întindere, în daN; S – aria secţiunii peretelui, în cm²; Mmax – momentul de încovoiere maxim, în daN x cm; W – modulul de rezistentă, în cm3. Conform notaţiilor din figura 5.2. se poate scrie pentru secţiunea I – I : W

h  ² 6

p i  h  l² M max  24

[cm3]

(5.9)

[daN·cm]

(5.10)

[cm3]

(5.11)

iar pentru secţiunea II – II :

W

h  ² 6

M max 

p i  h  l² 24

[daN·cm]

(5.12)

unde: pi – este presiunea interioară de injectare , în [daN/cm²]; h –înălţimea plăcii de formare, în [cm]; L – distanta dintre reazeme, în [cm]; l – distanta dintre reazeme, în [cm]. Rezistenţele calculate trebuie să fie mai mici decât rezistenţa admisibilă pentru oţelul din care este realizată placa de formare, respectiv: σef < σa

5.5. Verificarea suprafeţelor de închidere ale plăcilor de formare Notând cu St suprafaţa totală a plăcii de formare, cu Sc suprafaţa totală a cuibului şi Si, suprafaţa de închidere, se poate scrie relaţia: St=Sc+Si

(5.13)

De unde: Si=St-Sc © 2009; UPB-TCM

21/33

[cm²]

(5.14) Prof.univ.OPRAN Constantin



Verificarea se face cu formula: Si=Fi/σa, În care: Si – este suprafaţa de închidere necesară, în [cm²]; σa – rezistenta admisibilă a otelului, în daN/cm2.

(5.15)

Suprafaţa de închidere efectivă Sie trebuie să fie mai mare decât suprafaţa de închidere necesară calculată, respectiv: Sie > Si

5.6. Verificarea plăcilor de formare la rigiditate Verificarea la rigiditate se face prin calculul săgeţii efective, care trebuie să fie mai mică decât săgeata admisibilă. Calculul la rigiditate se face numai pentru unul din pereţii plăcii, în cazul plăcilor de formare dreptunghiulare, şi anume pentru peretele care are lungimea cea mai mare. Săgeata se va calcula cu formula: f

5p i hL4 [cm] 384EI

în care:  pi – presiunea de injectare, daN/cm²;  L – distanţa maximă între reazeme, cm;  E – modulul de elasticitate, daN/cm²;  h – înălţimea plăcii de formare, cm;  I – momentul de inerţie, cm4. Momentul de inerţie se calculează cu formula: h 3 [cm4] I 12

Sageata efectivă calculată nu poate depăşi 0,02....0,06 mm.

6. Proiectarea sistemului de aruncare a piesei injectate În funcţie de tipodimensiunea piesei injectate şi caracteristicile maşinii de injecţie se alege unul din sistemele de aruncare pentru scoaterea pieselor injectate din matriţă: aruncare mecanică, aruncare pneumatică, aruncare hidraulică. 6.1. Forţa de aruncare Deschiderea matriţei de injectat trebuie să se facă cu o forţa de deschidere cat mai mică, astfel încât să se respecte relaţia: © 2009; UPB-TCM

22/33




F1< F2 Unde:  F1 – forţa necesară deschiderii matriţei;  F2 – forţa de deschidere a maşinii. La eliminarea piesei injectate din matriţă, trebuie să se respecte relaţia: FA< F2 Unde:  FA – forţa de aruncare din matriţă;  F2 – forţa de deschidere a maşinii. Pentru forţa de aruncare se poate scrie următoarea relaţie: FA=FD+ΣFR Unde:  FD – forţa de demulare;  FR – forţele de fricţiune în sistemul matriţei. Forţa de demulare se calculează cu relaţia: FD= μpA =N Unde:  μ – coeficientul de frecare între miez şi piesa injectată;  p – presiunea de contact între piesă şi miez, N/m²;  A – suprafaţa de contact între piesă şi miez , m². 6.2. Tipul sistemului de aruncare Modul de rezolvare constructivă, precum şi durata în timp a aruncării au o importantă influentă asupra calităţii şi economicităţii piesei injectate. Soluţia optimă pentru aruncarea piesei injectate presupune scoaterea automată a acesteia, din matriţa de injectat deschisă, cu ajutorul unui sistem de aruncare adecvat. 7. Proiectarea sistemului de control al temperaturii pentru elementele

componente ale matriţei Se va proiecta sistemul de menţinere a unei temperaturi optime de lucru a materialului plastic în piesele componente ale matriei cât şi în plăcile cu poansoane de formare. Sistemul poate fi de răcire pentru obţinerea de contracţii minime ale piesei injectate în zona poansoanelor de formare şi de încălzire în zona de curgere a materialului.

© 2009; UPB-TCM

23/33




7.1. Transferul de căldura material polimeric – matriţă Materialul polimeric din cuibul matriţei cedează în cursul unui ciclu de injectare, corpului matriţei, cantitatea de căldura Q, care se calculează cu relaţia: Q=m(i2-i1)

kcal

Unde: m – masa piesei injectate , kg; i2 – entalpia materialului plastic la intrarea în matriţă; i1 – entalpia materialului plastic la demulare. Entalpia materialului plastic se calculează cu relaţia : Δi= i2- i1=cp(TMp-TD) [kcal/kg) Unde:  cp – caldura specifica a materialului plastic kcal/kg°C;  TMp – temperatura materialului în cuib;  TD – temperatura de demulare; Cantitatea de căldura evacuată de piesă este preluată prin conducţie de către matriţa şi transportată la mediul de temperare. Cantitatea de căldura Q se determină cu relaţia: Q

M S(Tpc - TpT ) [W] 

unde:  λM – conductibilitatea termica a matriţei =0,197 [W/m·K]  δ – distanta canalului de temperare fata de suprafaţa matriţei ,[m]  S – suprafaţa transversală activă a matriţei ,[m²]  Tpc – temperatura medie la peretele cavitaţii =433 [k°]  TpT – temperatura medie la peretele canalului de temperare =333 [K°] 7.2.

Transferul de căldura între matriţă şi mediul de temperare

Transferul termic de la matriţa (mediul solid) la mediul de temperare (mediul lichid) se face prin convecţie şi se poate exprima prin relaţia: Q=αTST(TpT – TT) [W] Unde:  αT – coeficientul de transfer de căldura al mediului de temperare =1310 [w/m²K]  ST – suprafaţa activă a canalelor de temperare , [m²]  TpT - temperatura la peretele canalului de temperare, =433 [k°]  TT - temperatura mediului de temperare =393 [k°] Coeficientul de transfer de căldura se calculează cu relaţia: © 2009; UPB-TCM

24/33




dc Lc   T  [3,65  ] [w/m²K] dc dc 1  0,045(p e )² Lc 0,0668p e

unde: dc – diametrul canalului de temperare , [m] Lc – lungimea canalului de temperare, [m] Criteriul lui Peclet se calculează cu relaţia: pe 

w T d cc pT T

Unde:  WT – viteza fluidului în canale, m/h; 7.3. Transferul de căldura în interiorul matriţei Cantitatea de căldura Qe dintre matriţă şi mediul înconjurător: QE=QC+QR [Wm²/K3] Unde: Qc – pierderi de căldura prin convecţie =0 QR - pierderi de căldura prin radiatie =364,5 [Wm²/K3] Datorita faptului ca pierderile de căldura prin convecţie sunt nesemnificative chiar la temperaturi ridicate ale matriţei, ele pot fi neglijate, Qc=0. Transferul termic prin radiaţie de la matriţă către exterior se calculează cu relaţia: QR=SMeCo(TMs/100)4 [Wm²/K3] Unde:  SM – suprafaţa libera a matriţei în contact cu aerul înconjurător , [m²]  e – coeficientul de emisie =0,52 [m²]  Co – constanta lui Stefan-Boltzman =5,76 [W/m²K4]  TMs – temperatura la suprafaţa unei matriţe =433 [K°] 7.4. Determinarea timpului de răcire Pentru materialele polimerice cu grosimi s< 5 mm avem următoarea relaţie: tr=As²/4a [s] unde: A – coeficient =0,61 S – grosimea peretelui piesei injectate [cm]; a – coeficient de difuzivitate termica =7,6·10-4[cm²/s] © 2009; UPB-TCM

25/33



7.5.


Amplasarea si dimensionarea practica a sistemelor de temperare a matriţei

Calculul simplificat al lungimii canalelor de răcire. Se calculează cantitatea de căldura cedată de o piesa injectată a matriţei cu formula: Q

3600 m(i 2 - i1 ) tT

Unde: tT – durata ciclului de injectare, s; m – masa piesei injectate, kg. Se neglijează pierderile matriţei în exterior, prin convecţie şi radiaţie. Cantitatea de căldura se consideră, în acest caz, în totalitate evacuată prin circuitul de temperare. Se scrie: Q=kS(T2 – T1) Unde:  S – suprafaţa canalelor de temperare, [m²]  T2 – temperatura materialului la injectare, [K°]  T1 – temperatura mediului de temperare, [K°]  k – coeficient global de schimb de căldura =10,98. Coeficientul global de schimb de căldura se calculează cu relaţia: 1 1    k  

Unde:  δ – distanţa dintre piesă şi canalul de răcire , m;  α – coeficient de convecţie a fluidului,  λ – coeficientul de conductibilitate termica [W/mK°] Coeficientul de convecţie a fluidului se calculează cu formula: α = 19,37+0,27TiVT0,95 Unde:  Ti – temperatura la intrarea în circuitul de temperare , [K°]  VT – debitul circuitului de temperare [kg/m²h]  ρ – densitatea lichidului de răcire, kg/m3. Debitul se calculează cu formula: VT =10-4 w ρ [kg/m²h] Se foloseşte viteza fluidului în canale w=2500 m/h. Lungimea canalelor se calculează cu formula: 1     lQ

d c (T2 - T1 )

- unde dc este diametrul canalului de temperare ales. © 2009; UPB-TCM

26/33




Amplasare sistemelor de temperare în matriţa. La proiectare dimensionării şi amplasării sistemului de temperare trebuie să se tină seama de următoarele principii:  temperarea uniformă a întregii suprafeţe a cuibului matriţei;  amplasarea canalelor în lungul drumului de curgere al materialului plastic în matriţă;  numărul schimburilor de direcţie al circuitului de răcire să fie cât mai mic;  asigurarea etanşeităţii circuitelor de temperare.

8. Proiectarea elementelor pentru conducerea şi centrarea matriţei de injecţie Se proiectează: sistemele de centrare şi conducere exterioară ale matriţei de injecţie; sistemele de centrare şi conducere interioară ale matriţei de injecţie . În procesul de injectare a materialelor, matriţele se montează pe platourile de prindere ale maşinii de injectat, folosind găurile practicate în plăcile de prindere ale matriţei de injectat, fie prin intermediul unor bride de fixare, asigurarea poziţiei corecte a celor două jumătăţi de matriţă fixate pe platourile de prindere ale maşinii de injectat, în raport cu capul de injectare al maşinii , respectiv cu tamponul opritor al ei, precum şi centrarea perfectă a celor două jumătăţii de matriţă au o importanţă deosebită. Centrarea şi conducerea incorectă a matriţelor pot provoca, în mod inevitabil, apariţia unor defecte ale pieselor injectate cum ar fi: deplasări în planul de separare, bavuri grosimi neuniforme, etc. Se poate vorbi de dou tipuri de centrări şi conduceri: exterioare şi interioare. Prin centrarea exterioara se înţelege poziţionarea matriţei de injectat în raport cu maşina de injectat, iar prin centrarea interioară poziţionarea celor două jumătăţi de matriţă şi a elementelor ei. 9. Proiectarea sistemului de ventilaţie-aerisire a matriţei de injecţie Se proiectează sistemul de evacuare a aerului din zona cuibului de injecţie pentru prevenirea arderii materialului injectat. În multe cazuri, după scoaterea din matriţă, piesele injectate prezintă pe suprafaţa lor zone arse sau cu lipsuri de materiale. Aceste zone incomplete şi cu urme de arderi pot avea la origine cauze tehnologice sau condiţii de aerisire necorespunzătoare ale matriţei de injectat. În cazul în care nu are nici o posibilitate de ieşire din matriţă aerul este comprimat şi supraîncălzit, determinând arderea materialului. La proiectarea matriţelor pentru injectarea anumitor piese este necesar sa fie luate măsuri speciale pentru asigurarea aerisirii corespunzătoare a cuibului. Jocul la montaj în matriţă a poansonului de aerisire se recomandă mai mic de 0,015 mm.

© 2009; UPB-TCM

27/33




10. Alegerea materialelor corespunzătoare pentru piesele componente ale matriţei de injecţie Se aleg materialele corespunzătoare, funcţie de rolul funcţional al pieselor componente: plăci de prindere; elemente de conducere şi ghidare; plăci port poanson; poansoane, etc. Oţeluri pentru matriţe - caracterizare generală Creşterea cererii de matriţe pentru prelucrarea materialelor plastice a determinat necesitatea obţinerii unor oţeluri de calitate, ce trebuie să satisfacă următoarele condiţii: prelucrarea mecanică economică, stabilitate dimensională, posibilitate de lustruire, rezistenţă la compresiune, rezistenţă la uzură, rezistenţă la coroziune, conductivitate termică, posibilitatea de sudură. Toate aceste condiţii impun utilizarea unei compoziţii chimice adecvate, în care elementele de aliere trebuie alese şi dozate pentru obţinerea efectului aşteptat. O privire generală asupra efectului elementelor de aliere asupra proprietăţilor oţelurilor este prezentată în tabelul următor: Element de aliere/ Simbol Carbon/C Mangan/Mn Siliciu/Si Aluminiu/Al Nichel/Ni Crom/Cr Molibden/Mo (de obicei în combinaţie cu Ni şi Cr) Vanadiu/V Wolfram/W (Tungsten) Cobalt/Co Cupru/Cu Sulf/S Fosfor/P

Creşterea ponderii determină Rezistenţă, rezistenţă termică până la 4000C, rezistenţă electrică Rezistenţă, ductilitate, maleabilitate, comportare bună la forjare şi la tratament termic, rezistenţă la uzură, reoxidare Rezistenţă, comportare bună la tratament termic, rezistenţă electrică, rezistenţă la oxidare Rezistenţă la oxidare Rezistenţă, ductilitate, rezistenţă electrică, rezistenţă la coroziune Rezistenţă, comportare bună la tratament termic, rezistenţă la coroziune, rezistenţă la temperatură Rezistenţă, rezistenţă la temperatură, comportare bună la tratament termic, rezistenţă la şoc, păstrare duritate, rezistenţă la acid sulfuric şi clorhidric, proprietăţi magnetice Rezistenţă, rezistenţă la temperatură, rezistenţă la şoc, de oxidare Rezistenţă, duritate, rezistenţă la coroziune, proprietăţi magnetice Rezistenţă , proprietăţi magnetice Rezistenţă, rezistenţă la acizi Prelucrabilitate Rezistenţă, rezistenţă la temperatură, fragilitate, fragilitate la tratament

© 2009; UPB-TCM

28/33

Scăderea ponderii determină

Compoziţ ie utilizată %

Alungire, ductilitate, maleabilitate

<1.2

Alungire (scăzută)

<8

Alungire (scăzută)

<1

Fragilitate Alungire (scăzută), Proprietăţi magnetice

<0.5

Alungire

<20

Alungire

<2

Fragilitate la tratament

<2

Alungire

<2

Fragilitate la tratament Tendinţă de oxidare

<2 <0.5 <0.5

<10

<0.5




Oţeluri pretratate (prehardened toolsteels, quenched and tempered tool steels) Pe măsură ce dimensiunile pieselor din plastic au devenit tot mai mari, utilizarea oţelurilor pentru cementare au făcut ca tratamentul termic să devină o mare problemă datorită deformaţiilor inerente. De asemenea, în cazul unor serii relativ scurte, nu este eficientă utilizarea unor oţeluri ieşite din comun. Din aceste motive, furnizorii oferă plăci şi profile din oţeluri călite şi revenite, ele urmând a se prelucra în această stare, fără a necesita un tratament termic ulterior. Aceste oţeluri au rezistenţe cuprinse între 1000 – 1400 MPa şi o duritate între 30 – 33 HRC. În funcţie de condiţiile impuse, se poate alege un oţel cu un conţinut foarte scăzut de sulf ( de exemplu Uddeholm pentru Impax Supreme garantează maxim 0,008%), ceea ce permite lustruire şi posibilitatea de texturare fotochimică sau cu un conţinut de sulf între 0,05 – 0,07%, ceea ce determină o prelucrabilitate bună. Dezavantajele conţinutului mare de sulf, pe lângă cele menţionate mai sus sunt: cromare/nichelare dificile şi posibilitate la sudură. Pentru obţinerea unei durităţi şi a unei rezistenţe la uzură suficiente, oţelurile pretratate se cromează sau se nitrurează (la temperaturi cuprinse între 450-6000C). Reprezentative sunt codurile 1.2311, 1.2738 şi 1.2312 (vezi tabel), primele tipuri de oţel fiind recomandate pentru cavităţi (lustruire bună, dar datorită lipsei sulfului din componenţă, prelucrabilitatea este mai dificilă) iar ultimul pentru poansoane, unde nu se impune lustruire deosebită sau texturare. Oţeluri pentru cementare (case-hardening steels) Sunt cele mai des utilizate oţeluri (80%), ţinând cont de preţul scăzut şi de proprietăţile bune ale acestora. Oţelurile pentru cementare au un conţinut scăzut de carbon (0,3%) care prin carburare ajunge la suprafaţă la 0,8-0,9% C, pe o adâncime de 0,6-1 mm (la o carburare de câteva zile se poate ajunge până la o adâncime de 2 mm). Duritatea stratului este între 58-62 HRC. Oţelurile de cementare pot fi lustruite cu rezultate foarte bune, au o rezistenţă mare la uzură şi în acelaşi timp păstrează tenacitatea miezului, cu rezistenţa bună la şoc şi la oboseală. Este de menţionat că, datorită temperaturii şi ciclului lung de tratament, anumite modificări dimensionale nu pot fi evitate; din acest motiv trebuie prevăzută o rezervă la dimensiuni şi la timp pentru finisare. Oţeluri pentru nitrurare (nitriding steels) În general toate oţelurile ce conţin crom, molibden, vanadiu şi în special aluminiu pot fi nitrurate – proces ce are loc în baie de săruri, în gaz, pulbere sau plasmă (nitrurare ionică), la o temperatură între 450 şi 5900C. Astfel oţelul capătă o duritate şi o rezistenţă la uzură excepţionale (850 – 1050 HV). Duritatea mare nu este la suprafaţă ci la câteva sutimi de milimetru în adâncime, motiv pentru care după nitrurare piesele respective trebuie rectificate sau lustruite (cu excepţia nitrurării ionice, când rectificarea nu mai este necesară). Un alt avantaj al nitrurării este eliminarea deformaţiilor şi a tensiunilor interne datorate © 2009; UPB-TCM

29/33




tratamentului termic. Oţelurile pentru nitrurare sunt livrate în stare recoaptă, permiţând o prelucrare facilă. Oţelurile 34CrAIMo 5 şi 34CrAINi 7 (1.8550) sunt utilizate în special pentru cilindrii şi melcii de plastifiere ai maşinilor de injecţie. Oţeluri pentru călire (hardening steels) Aceste oţeluri îşi datorează calităţile martensitei, compus ce apare la răcirea rapida în apă, aer sau ulei. Viteza de răcire este determinată de mediu (apa având efectul cel mai drastic), de raportul suprafaţă/volum al piesei de tratat şi de elemente de aliere (nichelul, manganul, cromul şi siliciul permit călirea unur secţiuni mai mari). Călirea constă în încălzirea pieselor la o temperatură stabilită, menţinerea şi răcirea într-un mediu adecvat. După călire este obligatorie revenirea, care pe lângă rezistenţa deosebită în miez şi duritatea specifică elimină tensiunile interne. În acest moment, producătorii oferă oţeluri de călire cu proprietăţi deosebite: stabilitate dimensională la călire, rezistenţă deosebită, posibilitate de lustruire şi comportare bună la electroeroziune şi texturare foto-chimică. Oţelul 1.2767 are o tenacitate deosebită, fiind recomandat pentru cavităţile mari şi adânci, la injectarea materialelor plastice puţin abrazive. După călire şi revenire se poate atinge o duritate de 52 – 54 HRC. Oţeluri rezistente la coroziune La prelucrarea anumitor materiale plastice se degajă vapori de acid clorhidric, acetic sau formaldehidă. Pentru evitarea oxidării zonelor active ale matriţei se utilizează oţelurile rezistente la coroziune, cu conţinut de cel puţin 12% Cr (la prelucrarea PVC-ului se recomandă un conţinut de până la 16-17% Crom+Molibden). Rezistenţa la coroziune este determinată şi de calitatea prelucrării suprafeţelor. Un oţel cu un conţinut de 13% Cr poate oxida dacă suprafeţele sunt rugoase. Pe de altă parte, un conţinut mare de crom poate determina formarea unor zone feritice, cu rezistenţă scăzută. Oţeluri martensitice Sunt oţeluri speciale, dezvoltate iniţial pentru industria aero-spaţială, potrivite pentru matriţe cu cavităţi complicate. Sunt livrate în stare recoaptă, cu o rezistenţă de 1000 – 1100 MPa dar pot fi prelucrate relativ uşor. Avantajul constă într-un tratament termic simplu (încălzire la 489 – 4900C), astfel obţinând o rezistenţă de 1800 – 2200 MPa. Când prelucrarea mecanică este anterioară tratamentului, trebuie ţinut cont de o contracţie de aproximativ 0,05 – 0,1% la tratament. La prelucrarea unor materiale plastice armate trebuie aplicat un tratament de nitruare, duritatea superficială ajungând până la 1000HV. În tabelul următor veţi găsi recomandări de utilizare a oţelurilor pentru diferite părţi ale matriţelor de injecţie materiale plastice: © 2009; UPB-TCM

30/33


Îndrumar proiectare Element matriţă Cod Bloc matriţă/Elemente standard Plăci bază/Placă portpoanson/ Placă 1.1730 portcep/ Distanţieri 1.2344 Aruncători 1.2210 Coloane de ghidare/ 1.7131 Bucşe de ghidare 1.2842 Duză 1.2379 1.2842 Cep 1.7131 Zone active matriţă

Tehnologii de injecţie în matriţă Clasificare DIN

Furnizor Thyssen

Notă

Böler

D-M-E

C 45W

K 945

DME#1

THYRODUR 1730

UHB 11

X 40 CrMoV 5 1 115 CrV 3 16 MnCr 5 90 MnCrV 8 X155 CrMo 12 1 90 MnCrV 8 16 MnCr 5

W 302 K 510 E 410 K 720 K 110 K 720 E 410

1.2344 1.220 1.7131

THYROTERM 2344 EFS

Orvar Supreme

THYRODUR2842 THYRODUR 2379 THYRODUR 2842

Aros Sverker 21 Aros

DME#7 DME#3 DME#9

THYROPLAST 2311 THYROPLAST 2312 THYROPLAST 2738

Holdax Impax Supreme

DME#4

THYROPLAST 2162 THYROPLAST 2764

Oţeluri pretratate

1.2311 1.2312 1.2739

40 CrMnMo 7 40 CrMnMoS 8 6 40 CrNiMo 8 6

M 201 E M 200

Oţeluri pentru cementare

1.2162 1.2764

21 MnCr 5 X 19 NiCrMo 4

M 100 M 130

Oţeluri de călire

1.2343 1.2344 1.2767 1.2080

~X 38 CrMoV 5 1 X 40 CrMoV 5 1 X 45NiCrMo 4 X 210 Cr 12

W 300 W 320 K 600 K 100

Oţeluri rezistente la coroziune

1.2316 1.2083

~ X 36 CrMo 17 ~ X 40 Cr 113

M 300 M 310

Oţeluri martensitice

1.2709

X 3 NiCoMoTi 18 95

Uddeholm

1.7131

Prexi

DME#5 DME#6

THYROTERM 2343 EFS THYROTERM 2344 EFS THYRODUR 2767 THYRODUR 2080

Orvar 1 Orvar Supreme Grane 1 Sverker 1

DME#10 DME#11

THYROPLAST 2316 THYROPLAST 2083

Ramax S Stavax ESU

■● ■ ● ■ ■ ■ ● ,   , , , , , , , , , , , ,  ,  , 

THYRODUR 2709

Denumirile prezentate mai sus sunt mărci înregistrate ale companiilor: Böler, D-M-E, Thyssen şi respectiv Uddeholm

Legenda: ●nitrurat; ■călit; Lustruire; Prelucrabilitate; Rezistenţă; Rezistenţă la uzură; Rezistenţă

în miez; Tenacitate; Inox; Posibilitate de texturare (fotochimică)

10. Stabilirea toleranţelor şi ajustajelor pentru piesele şi subansamblele componente matriţei de injecţie 11. Analiza economică a matriţei proiectate şi calculul seriei de fabricaţie economice Produsul injectat dintr-un material polimeric poate fi fabricat cu matriţe de injecţie mai simple sau mai complexe. Matriţa de injecţie cu mai multe cuiburi, având o construcţie mai perfecţionata asigurî in mod evident condiţii de fabricaţie mai bune, insa necesită şi cheltuieli considerabil mai mari pentru executarea lor. Punând condiţia ca valoarea cheltuielilor de pregătire a fabricaţiei să fie proporţionala cu mărimea seriei de fabricaţie, se poate calcula seria de fabricaţie economica me cu ajutorul relaţiei de mai jos: me = (b-a)/(k1-k2) [buc.] , unde: a = costul matriţe simple; b = costul matriţei complexe k1 = costul manoperei de injectare a produsului cu matriţa simplă k2 = costul manoperei de injectare a produsului cu matriţa complexă.

© 2009; UPB-TCM

31/33




BIBLIOGRAFIE [A1] AMZA Gheorghe, Dumitru Gabriel, Rîndaşu Viorel; Tehnologia materialelor; Editura Tehnică, Bucureşti; 1999. [D1] DUMITRAŞ Constantin; OPRAN Constantin; Prelucrarea materialelor compozite, ceramice şi minerale; Editura Tehnică, Bucureşti; 1994. [D2] DUMITRESCU Andrei.; OPRAN Constantin.; Materiale polimerice, Caracterizare, Proprietati, Prelucrare; Oficiul de informare documentară pentru industrie, cercetare, management; Bucureşti, România, 2002. [F1] FETECĂU Cătălin, Tăbăcaru Valentin, Felicia Stan; Prelucrarea maselor plastice prin injectare; Oficiul de informare documentară pentru industria construcţiilor de maşini; Bucureşti; România, 1998. [G1] GASTROW Hans; 1992; Injection Molds-108 Proven Designs; Hanser Publishers, Munich; Germany. [I1] IONESCU Mircea Muscel Ianculescu; I.V.Şereş; E.Vasş; I.Rosenthal; A.Biro; Proiectarea matriţelor pentru produse injectate din materiale plastice; Editura Tehnică, Bucureşti; Romania, 1987. [M1] MICLĂUŞ Ion; Busuioc, D.; Tancou, T.; 1975; Album de matriţe pentru materiale plastice; Editura Tehnică, Bucureşti; Romania. [Ş1] ŞEREŞ Ion; Proiectarea matriţelor pentru produse injectate din materiale plastice; Editura Tehnică, Bucureşti; România, 1987. [S2] ŞEREŞ Ion; Injectarea Materialelor Termoplastice; Editura Imprimeriei de Vest, Oradea; România, 1996;. [S3] ŞEREŞ Ion; Matriţe de injectat Editura Imprimeriei de Vest, Oradea; România, 1999. [O1] OPRAN Constantin; NICOLAE Vasile; RACICOVSCHI Vasile; Biostructuri polimerice degrdabile in mediu natural; VASILE GOLDIS University Press; ARAD, Romania; ISBN 973-664-041-8 ; 2004 [R1] REES Herbert; 1995; Mold Engineering; Hanser Publishers,Munich; Germany. 11.***; 2003; HASCO; Documentaţie elemente normalizate şi standardizate pentru matriţe de injecţie materiale polimerice; Ludenscheid Im Wiesental, Germany. 12.***; 2003; DME; Documentaţie elemente normalizate şi standardizate pentru matriţe de injecţie materiale polimerice;DME Belgium C.V.B.A.; Mechelen, Belgium..

© 2009; UPB-TCM

32/33


Tim Tcm Indrumar Proiectare 2010-2011-Prof.opran c.

Recommend Documents