ОЦЕНКА КАЧЕСТВА ЛИТЬЯ ИЗДЕЛИЙ ИЗ ПОЛИМЕРНЫХ МАТЕРИАЛОВ НА ЭТАПЕ КОНСТРУКТОРСКО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ ПОДГОТОВКИ ПРОИЗВОДСТВА СРЕДСТВАМИ САЕ- АНАЛИЗА

Полный текст

ВВЕДЕНИЕ Технология литья термопластичных полимерных материалов (ТПМ) под давлением является одной из самых массовых технологий производства современных изделий. Пластиковые детали содержатся практически в любом изделии и степень их использования возрастает. При этом процесс подготовки производства средств технологической оснастки для литья достаточно трудоемок и требует существенных временных затрат, которые могут не только повлиять на коммерческую успешность новых продуктов, но и поставить под сомнение целесообразность выпуска изделия как такового. Одним из важных факторов инжекционного литья является эффективность системы охлаждения литьевых форм. Сокращение времени охлаждения всего на одну или две секунды может привести к увеличению производительности на 10-20%. Это уже оказывает непосредственное влияние на экономическую эффективность производственного процесса [1]. Но экономия времени является не единственной важной задачей, решение которой обеспечивает правильно спроектированная система охлаждения. Контролируемое охлаждение всей детали имеет во многом решающее значение для обеспечения точности размеров и механических свойств детали. Оптимизированное охлаждение деталей позволяет уменьшать их коробление, снизить остаточные напряжения в материале отливки [2]. Зачастую процесс охлаждения занимает большую часть цикла литья и поэтому является главным аспектом возможности экономии и увеличения производительности. Очевидно, что правильно спроектированная система охлаждения является ключевым компонентом конструкции литьевой пресс-формы, способствует повышению качества литых деталей, обеспечивает снижение времени литейного цикла и, следовательно, повышению рентабельности литейного производства. Наиболее эффективный вариант конструкции системы охлаждения пресс-формы - это конформная система охлаждения. При конформном охлаждении формообразующих деталей пресс-формы система охлаждения образуют распределенную сеть каналов расположенных эквидистантно поверхности отливаемой детали [3]. При такой топологии каналов обеспечивается равномерная и эффективная теплопередача со всей формообразующей поверхности пресс-формы. Геометрию каналов охлаждения не всегда возможно получить в металле механической обработкой с помощью стандартных инструментов. Поэтому производство формообразующих деталей пресс-форм (матрицы, пуансоны, профильные вставки) с конформной системой охлаждения стало возможным главным образом с помощью аддитивных технологий. Аддитивное производство позволяет создавать охлаждающие каналы сложной геометрической формы в точном соответствии с расчетами, без ограничений, свойственных обычным методам механической обработки [4]. Современные системы компьютерного анализа инжекционного литья методом конечных элементов [5-7], таких как Moldflow или Moldex, позволяют проектировщику получить «цифровой двойник» для анализа технологических параметров инжекционного литья и проектных решений по конструкции пресс-формы. Встроенные инструменты анализа позволяют получить распределения температур, напряжений, усадки, короблений и прочих полевых параметров на всех этапах процесса. Однако, четкие численные сравнительные характеристики эффективности различных вариантов реализации системы охлаждения, которые позволили бы сформулировать оптимизационную задачу, в технической литературе не приводятся [8]. В настоящей статье предлагается к практическому использованию ряд таких сравнительных характеристик. Целью исследования является разработка численных критериев оценки качества инжекционного литья на этапе проектирования пресс-формы для сравнительного анализа вариантов ее конструкции, в частности оценки эффективности системы охлаждения с помощью ряда характеристик, которые можно получить с помощью «цифрового двойника» процесса. Под качеством инжекционного литья в контексте настоящей статьи понимается обеспечение условий формообразования в пресс-форме, способствующих получению качественной отливки при минимальном времени цикла. 1. КРИТЕРИИ ОЦЕНКИ КАЧЕСТВА ИНЖЕКЦИОННОГО ЛИТЬЯ И ЭФФЕКТИВНОСТИ СИСТЕМЫ ОХЛАЖДЕНИЯ ПРЕСС-ФОРМЫ Для разработки критериев оценки качества инжекционного литья было проведено сравнение двух вариантов систем охлаждения пресс-формы - конформной и традиционной. Для оценки качества и эффективности были выбраны следующие характеристики: равномерность охлаждения, средняя скорость охлаждения, коэффициент искажения формы отливки и ее неплоскостность. Кроме того эффективность охлаждения оценивалась дифференцированно для каждого канала по интенсивности теплоотдачи канала. 1. Равномерность охлаждения (по температурному полю) обеспечивает равномерность усадки и, следовательно, ведет к минимальным искажениям формы отливки. В качестве числовой характеристики равномерности охлаждения целесообразно принять сравнение изменения градиента температуры во времени в различных точках отливки после заполнения формообразующей полости пресс-формы. Иными словами постоянство градиента температуры при охлаждении отливки в пресс-форме в любых ее точках должно обеспечить равномерность усадки и отсутствие усадочных напряжений. Обозначим: S - серединная поверхность отливки, т.е. поверхность равноудаленная от точек внешней поверхности отливки; - локальный минимум температуры; - локальный максимум температуры; - кривая наименьшей длины между точками и ; - среднее изменение температурного поля между названными точками в период . Среднее за период времени изменение градиента температуры вдоль серединной плоскости между любыми точками определится зависимостью (1) . (1) Сформулируем условие равномерности усадки в зависимости от температурного фактора, способствующего минимальным короблениям. (2) для множества пар характерных точек ; при ограничениях: - ограничение по времени цикла; - ограничение по максимально допустимому значению локальной усадки. Для оценки параметра между двумя характерными точками в настоящем исследовании использовались две величины и : , (3) где t1 - время окончания заполнения пресс-формы; L - расстояние между точками с максимальной Tmax и минимальной Tmin температурами в отливке. Параметр характеризует неравномерность температуры в отливке в момент времени завершения выдержки под давлением. Очевидно, что параметр р2 должен стремиться к минимуму к моменту времени . При этом чем выше - интенсивность выравнивания температуры между сопоставимыми точками отливки с наибольшей и наименьшей температурами - тем более эффективная система охлаждения пресс-формы. Чем больше параметр р1, тем качественнее отливка. Средняя скорость охлаждения отливки определяет среднюю по объему отливки интенсивность теплоотдачи. Vср, где W - объем отливки. Чем выше , тем интенсивнее остывает отливка и, следовательно, уменьшается и время цикла. Следует обратить внимание, что параметр р2 при этом должен быть минимальным. Для оценки Vср в данном исследовании использовали локальные значения , которые измерялись в трех точках: в центре отливки, на краю отливки и на среднем радиусе отливки. 2. Искажение формы отливки возникает из-за того, что геометрия формообразующей полости пресс-формы обычно получается масштабированием геометрии отливки на усредненный коэффициент объемной усадки. На самом деле коэффициент усадки - величина не постоянная, а вариативная в зависимости от характера охлаждения каждой локальной области отливки. Локальный линейный коэффициент усадки в окрестности точки i определяется зависимостью: , где - расстояние от нуля системы координат, расположенной в центре отливки до рассматриваемой точки; - смещение точки i отливки от ее номинального положения в пресс-форме. Средний коэффициент линейной усадки , где - средний радиус отливки; Dср - среднее смещение. ; - среднее смещение точек отливки между значениями и для интервала ; - отнесенное к N количество значений смещений попадающих в интервал . определяются по гистограмме смещений точек отливки при усадке. Действительное и расчетное расстояния до некоторой точки i на отливке определяются зависимостями вида: Численно искажение геометрии отливки вследствие неравномерности ее усадки можно оценить с помощью коэффициента искажения формы отливки. С учетом изложенного определим коэффициент искажения геометрии как средне взвешенную величину модуля относительной погрешности расчетного значения . . При «качественной» системе охлаждения гистограмма смещений точек отливки при усадке не должна иметь провалов. Параметр неплоскностости оценивается по результатам CAE- анализа. Величина теплосъема определяется количеством теплоты, которое передается каждому каналу системы охлаждения. Для апробации методики оценки качества изделий была взята тонкостенная отливка типа «Крышка», получаемая методом инжекционного литья с применением конформной системы охлаждения. 2. АПРОБАЦИЯ МЕТОДИКИ ОЦЕНКИ КАЧЕСТВА ИЗДЕЛИЙ Для апробации методики оценки качества изделий была взята тонкостенная отливка типа «Крышка», получаемая методом инжекционного литья с применением конформной системы охлаждения и традиционной системы охлаждения (рисунок 1). Для конформной системы охлаждения сеть каналов охлаждения была смоделирована по форме, приближенной к форме изделия. Для оценки системы охлаждения был использован метод численного имитационного моделирования процесса литья в программном продукте Moldex3DR13. Для этого в программном продукте Moldex 3D designer были смоделированы отливка, система подачи расплава, система охлаждающих каналов и наложена сетка конечных элементов, необходимая для дальнейших расчетов. Материал отливки - полипропилен (PP) выбирался из базы данных реологических и механических свойств Moldex 3D аналогичный по свойствам марке материала («Болен»), из которого должна быть получена натурная деталь. РАСЧЕТ КРИТЕРИЕВ ОЦЕНКИ КАЧЕСТВА ОТЛИВКИ Для расчета равномерности охлаждения необходимо разбить деталь на локальные области: первая - область постоянной толщины детали, вторая - область фланца (утолщения). Разделение детали на локальные области представлены на рисунке 2. Результаты расчета представлены в таблице 1. ЗАКЛЮЧЕНИЕ В результате исследования была апробирована методика оценки качества изделий на примере тонкостенной отливки типа «Крышка», получаемой методом инжекционного литья с применением конформной и традиционной систем охлаждения. Был предложен ряд численных критериев оценки качества инжекционного литья на этапе проектирования пресс-формы для сравнительного анализа вариантов ее конструкции по результатам процесса симуляции инжекционного литья в СAE-системе. Предложенные критерии позволяют произвести количественный анализ эффективности и равномерного охлаждения отливки, обеспечивающие минимальные коробления и неплоскостность отливки. Сравнительный анализ с использованием разработанных критериев оценки качества в программном продукте Moldex3DR13 показал эффективность конформной системы охлаждения выполненной в виде зигзагообразной спирали. Рис. 1. Смоделированные системы охлаждения Рис. 2. Разделение детали на локальные области Таблица 1. Результаты расчета критериев оценки качества при различных вариантах систем охлаждения Таблица 1. Результаты расчета критериев оценки качества при различных вариантах систем охлаждения (окончание)

Об авторах

Александр Исаакович Хаймович

Самарский национальный исследовательский университет имени академика С.П. Королёва

Email: berill_samara@bk.ru
доктор технических наук, профессор кафедры технологий производства двигателей

Наталья Викторовна Галкина

Самарский национальный исследовательский университет имени академика С.П. Королёва

Email: nata12_92@mail.ru
аспирант, старший преподаватель кафедры инженерной графики

Список литературы

Дополнительные файлы