Литниковый канал — это наименьшее поперечное сечение в системе подачи литьевой формы, и, соответственно, наиболее значимый. Неправильно расположенный или слишком маленький литниковый канал приводит к образованию сварочных швов, струй, усадочных раковин и следов пригорания, которые невозможно исправить никакими корректировками процесса. Правильно спроектированный литниковый канал, напротив, равномерно заполняет полость, равномерно уплотняет деталь и оставляет настолько незначительный след, что заказчик его никогда не заметит. В этой статье рассматриваются шесть наиболее распространенных типов литниковых каналов, физические принципы, определяющие их размеры, и пошаговая схема выбора, применимая к литью термопластов, термореактивных пластмасс и эластомеров.
Основные принципы работы затвора: падение давления, скорость сдвига и замерзание.
На работу литникового канала влияют три физических явления. Во-первых, падение давления на литниковом канале — меньшие по размеру каналы создают более высокие скорости сдвига, что способствует заполнению тонких стенок, но увеличивает требуемое давление впрыска. Во-вторых, нагрев при сдвиге — полимер, протекающий через ограниченный литниковый канал, испытывает повышение температуры на 10-30°C за счет вязкостной диссипации, что временно снижает вязкость и улучшает текучесть. В-третьих, замерзание литникового канала — литниковый канал должен оставаться расплавленным достаточно долго, чтобы передавать удерживающее давление для заполнения, а затем замерзнуть до того, как шнек отступит, чтобы предотвратить обратный поток.
Время застывания литникового канала для круглого канала можно аппроксимировать формулой: t_freeze ≈ (d² / (π² × α)) × ln[(4/π) × (T_melt – T_mold) / (T_eject – T_mold)], где d — диаметр литникового канала, α — коэффициент теплопроводности (~0.08 мм²/с для большинства термопластов), T_melt — температура расплава, T_mold — температура стенки формы, а T_eject — температура отсутствия текучести. Для литникового канала диаметром 1.5 мм, используемого при обработке АБС-пластика при температуре расплава 230°C и температуре формы 50°C, время застывания составляет приблизительно 2-3 секунды.
| Тип ворот | Типичный диапазон размеров | Падение давления | Качество Вестиджа | Для каких задач |
|---|---|---|---|---|
| Краевой/литниковый затвор | диаметр 0.8-3.0 мм | Низкий | Плохое качество (ручная регулировка) | Крупные детали, толстые стенки |
| Штифт/Подводные ворота | диаметр 0.5-1.5 мм | Средняя | Хорошо (автоматические ножницы) | Многокамерная автоматизированная установка |
| Вентиляторные ворота | толщиной 0.5-2.0 мм | Низкий | Хорошая | Плоские детали, оптические |
| Мембранные ворота | толщиной 0.5-1.5 мм | Низкий | Средняя | Цилиндрический, концентрический |
| Горячий наконечник (клапан) | диаметр 0.8-3.0 мм | Очень низкий | Прекрасно | Высококачественный косметический эффект, большой объем |
| Кешью/банановый скандал | диаметр 0.5-1.5 мм | Средняя | Отлично (скрыто) | Декоративные поверхности |
Краевой затвор: универсальный инструмент для обработки крупных деталей.
Краевые литники подают материал в полость со стороны линии разъема, входя в деталь по ее периметру. Это самый простой в обработке литник, и он наиболее щадящий с точки зрения ширины технологического окна. Участок перед полостью — короткая параллельная часть литника — должен иметь длину 0.5–1.0 мм, чтобы предотвратить образование заусенцев и обеспечить ровную точку излома.
Размеры литниковых каналов по краям определяются простым правилом: глубина канала = 0.5-0.8 × толщина стенки детали в месте расположения канала. Для толщины стенки 3 мм начните с глубины канала 1.5-2.0 мм. Ширина канала должна быть в 1.5-3.0 раза больше глубины для обеспечения достаточного потока. Основным ограничением литниковых каналов по краям является этап ручного удаления канала — напряжение, возникающее вокруг края канала, может привести к растрескиванию, если оператор скручивает, а не срезает литник. Автоматизированное удаление канала горячим ножом повышает стабильность, но увеличивает время цикла.
Штифтовые и подводные затворы: автоматическое размыкание затворов
Штифтовые литники (также называемые туннельными или подводными литниками) вводят деталь в полость формы через наклонный канал, выточенный в одной из половин формы. Когда форма открывается или деталь извлекается, литник автоматически срезается у стенки полости, оставляя небольшой след. Угол наклона литника имеет решающее значение: 30-45° от плоскости разъема для стандартных подводных литников и 40-60° для банановидных/кешью литников, которые вводятся со стороны, противоположной видимой части детали.
Диаметр литникового канала для распространенных термопластов определяется формулой: d = C × (W_fill)^(1/3), где W_fill — масса впрыска в граммах, а C — константа материала (0.6 для PE/PP, 0.7 для ABS/PS, 0.8 для PC, 0.9 для POM, 1.0 для PA). Для 50 г впрыска ABS: d ≈ 0.7 × (50)^(1/3) ≈ 2.6 мм. Эта эмпирическая формула обеспечивает безопасную отправную точку, которая уравновешивает падение давления со временем застывания.
Размещение ворот: пять правил
Расположение затвора определяет характер потока, а характер потока определяет качество детали. Пять правил регулируют размещение:
1. Заслонка должна располагаться в самой толстой секции. Полимер течет от толстой стенки к тонкой, а не наоборот. Заслонка в тонкой секции заставляет расплав стремиться заполнить более толстую секцию ниже по потоку, создавая полосы задержки и плохое уплотнение. Всегда располагайте заслонку в самой толстой секции стенки и позволяйте фронту потока продвигаться в постепенно более тонкие области.
2. Избегайте расположения литникового канала непосредственно напротив сердечников или штифтов. Разделение потока расплава вокруг сердечника создает сварочный шов на стороне, расположенной ниже по потоку. Если это неизбежно, расположите литниковый канал так, чтобы сварочный шов формировался в зоне с низким уровнем напряжения и не имеющей эстетического значения, — и используйте более широкий литниковый канал, чтобы уменьшить перепад температур в зоне разъема.
3. Соотношение длины заполнения литникового канала к длине потока (правило L/t). Для большинства неармированных термопластов максимальная длина потока от литникового канала до самого дальнего края полости не должна превышать 150-200 толщин стенки. Для детали из АБС-пластика со стенкой толщиной 2 мм практический предел заполнения из одного литникового канала составляет 300-400 мм. Для стеклонаполненных марок этот показатель снижается до 80-120:1 из-за более высокой вязкости расплава.
4. Учитывайте расположение остатков литникового канала на готовой детали. Для поверхностей, контактирующих с потребителем (класс А), следует выбрать подводный литниковый канал с входом со стороны B или горячеканальный канал с клапанным затвором. Увеличение стоимости горячего наконечника — приблизительно 1,500–3,000 долларов за сопло — часто оправдывается исключением вторичных операций по удалению заусенцев на деталях, выпускаемых в больших объемах и имеющих декоративный характер.
5. Сбалансированное заполнение многогнездных форм. В многогнездной форме заполнение всех полостей должно происходить одновременно. Система литниковых каналов должна быть спроектирована с одинаковой длиной потока (естественно сбалансированная компоновка), а не полагаться на искусственно сбалансированные литники, работающие только при одном наборе технологических условий. Для форм с 4 и более полостями радиальная или H-образная компоновка литниковых каналов обеспечивает равномерное заполнение от полости к полости.
Таблица размеров ворот по материалам
| Материал | Глубина затвора (мм) | Диаметр штырькового затвора (мм) | Максимальное соотношение л/т | Предельная скорость сдвига (1/с) |
|---|---|---|---|---|
| ПП (без наполнителя) | 0.8-2.5 | 0.6-2.0 | 250:1 | 100,000 |
| ABS | 1.0-2.5 | 0.8-2.0 | 200:1 | 50,000 |
| PC | 1.5-3.0 | 0.8-2.5 | 100:1 | 40,000 |
| PA66 (без наполнителя) | 1.0-2.5 | 0.5-1.8 | 200:1 | 60,000 |
| ПОМ | 1.0-2.5 | 0.8-2.0 | 150:1 | 40,000 |
| ПП+30% ГЛ | 1.5-3.0 | 1.0-2.5 | 100:1 | 30,000 |
| ПА66+30% GF | 1.5-3.0 | 1.0-2.5 | 80:1 | 25,000 |
| Смесь ПК/АБС | 1.2-2.5 | 0.8-2.0 | 150:1 | 40,000 |
Часто задаваемые вопросы
Как выбрать между системой холодного и горячего литья?
Анализ точки безубыточности прост: системы горячего литья исключают необходимость повторной шлифовки литников и сокращают время цикла (отсутствует охлаждение литников), но увеличивают стоимость оснастки на 1,500-3,000 долларов на каждую форсунку. При крупносерийном производстве (>100 000 циклов в год) с использованием дорогостоящих конструкционных смол системы горячего литья окупаются за 6-12 месяцев. Для небольших партий или стандартных смол (ПП, ПЭ) более экономически выгодны системы холодного литья с краевыми или подводными литниками. Горячие наконечники с клапанными литниками увеличивают стоимость примерно на 500-800 долларов на каждый литник по сравнению с открытыми горячими наконечниками, но исключают образование остатков литника и нитей на поверхности детали.
Почему на моих деталях остались следы от форсунки?
Образование струи происходит, когда поток расплава прорывается через литниковый канал в виде высокоскоростной струи, а не плавно расширяется в полость. Существует три причины: (1) слишком малый размер литникового канала для заданной скорости заполнения, что приводит к чрезмерной скорости сдвига; (2) слишком короткая ширина литникового канала, препятствующая формированию фонтанного фронта потока расплава; (3) слишком близкое соприкосновение литникового канала со стенкой полости. Для разрушения струи можно увеличить размер литникового канала, удлинить его ширину до 1.0-1.5 мм или расположить стержень сердечника непосредственно напротив литникового канала.
Каков наименьший практически осуществимый диаметр затвора?
Для ненаполненных термопластов практическая минимальная толщина литникового канала составляет 0.5 мм — при меньшей толщине сдвиговый нагрев разрушает полимер до завершения заполнения. Для LSR (жидкого силиконового каучука) возможны литниковые каналы размером всего 0.1–0.2 мм из-за низкой вязкости материала. Компромисс при использовании очень маленьких литниковых каналов заключается в более высоких требованиях к давлению впрыска и более узком технологическом диапазоне для времени застывания.
Можно ли изменить размер литникового канала без модификации пресс-формы?
Только в системах горячего литья со сменными литниковыми вставками. В пресс-формах с холодным литьем размеры литниковых каналов вытачиваются непосредственно в стали — увеличение размера литниковых каналов требует дополнительной обработки, а уменьшение обычно требует сварки и повторной обработки или установки вставки. Именно поэтому консервативный подход к размерам литниковых каналов с возможностью их последующего расширения является стандартной практикой проектирования пресс-форм: начинать с размеров на 10-15% меньше стандартных и расширять их при возникновении проблем с заполнением или уплотнением.
Для более подробного ознакомления с выбором профильной стали для литниковых систем и каналов см. наше руководство по выбору профильной стали.
Стандартные отраслевые рекомендации по проектированию литниковых каналов и технические условия изготовления пресс-форм можно найти в Отделе технологий пресс-форм Общества инженеров-пластиков (SPE).
Стандарты и ссылки
В данной статье приводятся ссылки на следующие отраслевые стандарты: