Содержание статьи
- Физическая природа усадки полимеров
- Коэффициенты усадки различных термопластов
- Факторы, влияющие на величину усадки
- Анизотропия усадки и направление течения
- Основные формулы расчета размеров формы
- Методика расчета по ГОСТ 15947-70
- Практические примеры расчета
- Современные методы прогнозирования усадки
- Часто задаваемые вопросы
Физическая природа усадки полимеров
Усадка пластмасс представляет собой уменьшение размеров изделия в процессе охлаждения и затвердевания после литья под давлением или прессования. Это явление обусловлено фундаментальными физическими процессами, происходящими в полимерном материале при переходе из вязкотекучего состояния в твердое.
При охлаждении расплавленного полимера происходит уменьшение объема вследствие термического сжатия и изменения молекулярной структуры. Для аморфных полимеров усадка связана главным образом с уменьшением межмолекулярных расстояний при понижении температуры. У кристаллизующихся полимеров процесс усложняется образованием упорядоченных кристаллических структур, которые имеют большую плотность по сравнению с аморфными участками.
Усадка проявляется не только в изменении линейных размеров, но и может приводить к короблению изделий, образованию внутренних напряжений, появлению усадочных раковин и пустот. Понимание механизмов усадки критически важно для точного расчета размеров формообразующих деталей пресс-формы.
Коэффициенты усадки различных термопластов
Коэффициент усадки является одной из ключевых характеристик полимерного материала, которую необходимо учитывать при проектировании пресс-форм. Различные термопласты имеют существенно отличающиеся значения усадки, что обусловлено их молекулярной структурой и физико-химическими свойствами.
| Тип полимера | Обозначение | Усадка, % | Тип структуры |
|---|---|---|---|
| Полиэтилен низкой плотности | LDPE (ПВД) | 2,0-5,0 | Кристаллизующийся |
| Полиэтилен высокой плотности | HDPE (ПНД) | 1,5-3,5 | Кристаллизующийся |
| Полипропилен | PP (ПП) | 1,7-2,5 | Кристаллизующийся |
| Полипропилен с тальком (30%) | PP+Talc | 0,6-0,8 | Наполненный |
| Полиамид 6 | PA 6 (ПА 6) | 1,0-2,0 | Кристаллизующийся |
| Полиамид 66 | PA 66 (ПА 66) | 1,5-2,5 | Кристаллизующийся |
| Полиамид со стекловолокном | PA+GF | 0,3-0,8 | Наполненный |
| АБС-пластик | ABS (АБС) | 0,4-0,7 | Аморфный |
| Полистирол | PS (ПС) | 0,4-0,8 | Аморфный |
| Поликарбонат | PC (ПК) | 0,5-0,7 | Аморфный |
| Полиэтилентерефталат | PET (ПЭТФ) | 1,5-2,5 | Кристаллизующийся |
| PETG | PETG | 0,5-0,8 | Аморфный |
| Полиоксиметилен | POM (ПОМ) | 2,0-3,5 | Кристаллизующийся |
Влияние наполнителей на усадку
Введение наполнителей в полимерную матрицу существенно снижает усадку материала. Минеральные наполнители (тальк, карбонат кальция, слюда) и волокнистые наполнители (стекловолокно, углеродное волокно) препятствуют усадке полимерной матрицы за счет жесткого каркаса. При добавлении 30% стекловолокна усадка может снижаться в 2-3 раза по сравнению с ненаполненным материалом.
Факторы, влияющие на величину усадки
Усадка полимерного изделия определяется комплексом взаимосвязанных факторов, которые можно разделить на три основные группы: материальные характеристики, конструкция изделия и технологические параметры процесса литья.
Технологические параметры процесса
Режимы переработки оказывают значительное влияние на конечную усадку изделия. Основными параметрами являются:
| Параметр | Влияние на усадку | Механизм воздействия |
|---|---|---|
| Давление впрыска | Повышение давления снижает усадку | Увеличение плотности упаковки материала в форме |
| Давление выдержки | Повышение давления снижает усадку | Компенсация объемной усадки путем подпитки материала |
| Время выдержки | Увеличение времени снижает усадку | Более полная компенсация усадки до затвердевания литника |
| Температура расплава | Повышение температуры увеличивает усадку | Больший перепад температур при охлаждении |
| Температура формы | Повышение температуры увеличивает усадку | Медленное охлаждение, увеличение степени кристалличности |
| Скорость впрыска | Слабое влияние | Косвенное воздействие через разогрев расплава |
Конструктивные факторы
Геометрия изделия оказывает существенное влияние на распределение и величину усадки:
Толщина стенки: При увеличении толщины стенки усадка возрастает, так как толстые сечения охлаждаются медленнее, что создает условия для большей релаксации напряжений и кристаллизации. В толстостенных изделиях часто наблюдается образование усадочных раковин.
Разнотолщинность: Неравномерная толщина стенок приводит к различной усадке в разных зонах изделия, что вызывает коробление и внутренние напряжения.
Расположение литников: Удаленные от литника зоны имеют большую усадку из-за падения давления подпитки и раннего затвердевания материала в литниковом канале.
Конструкция пресс-формы
Конструктивные особенности пресс-формы влияют на усадку через температурный режим и условия течения:
Система охлаждения: Неравномерное охлаждение создает температурные градиенты, приводящие к различной усадке по зонам изделия. Оптимальная конструкция охлаждающих каналов обеспечивает равномерное охлаждение.
Литниковая система: Размер и расположение литников влияют на эффективность подпитки и распределение давления в полости формы.
Анизотропия усадки и направление течения
Анизотропия усадки представляет собой неодинаковость усадки в различных направлениях внутри изделия. Это явление характерно для всех литьевых изделий, но особенно выражено у материалов с волокнистыми наполнителями.
Продольная и поперечная усадка
В процессе заполнения формы расплав течет по определенным траекториям, что приводит к ориентации макромолекул полимера и волокон наполнителя вдоль направления течения. Это вызывает различие между продольной и поперечной усадкой:
Продольная усадка (S∥): Усадка в направлении течения расплава (вдоль ориентации макромолекул или волокон). Для ненаполненных полимеров обычно больше, чем поперечная.
Поперечная усадка (S⊥): Усадка в направлении, перпендикулярном течению расплава. Для материалов с волокнистым наполнителем может быть значительно больше продольной.
| Тип материала | Продольная усадка S∥, % | Поперечная усадка S⊥, % | Коэффициент анизотропии S⊥/S∥ |
|---|---|---|---|
| Полипропилен ненаполненный | 1,8-2,2 | 1,6-2,0 | 0,85-0,95 |
| ПП + 30% тальк | 0,4-0,6 | 0,8-1,2 | 1,8-2,2 |
| ПА 66 ненаполненный | 1,5-2,0 | 1,3-1,8 | 0,85-0,95 |
| ПА 66 + 30% стекловолокно | 0,2-0,4 | 0,8-1,2 | 2,5-4,0 |
| ABS ненаполненный | 0,5-0,6 | 0,5-0,6 | 0,95-1,05 |
Усадка по толщине
Усадка в направлении толщины стенки может быть рассчитана по формуле:
Sтолщ = SV - (S∥ + S⊥)
где SV — объемная усадка материала
Ориентация макромолекул и волокон происходит преимущественно в плоскости течения, поэтому усадка по толщине обычно больше, чем в плоскости изделия.
Основные формулы расчета размеров формы
Точный расчет размеров формообразующих деталей пресс-формы является критически важным этапом проектирования. Существует несколько методов расчета, различающихся по степени точности и сложности.
Базовая формула расчета
Основное уравнение связывает размер полости формы D с требуемым размером изделия M и коэффициентом усадки материала S:
Точная формула:
D = M / (1 - S/100)
где:
- D — размер формообразующей детали (полости или стержня), мм
- M — требуемый размер изделия, мм
- S — коэффициент усадки материала, %
Упрощенная формула
Для практических расчетов часто используется упрощенное линейное приближение, которое дает достаточную точность при значениях усадки до 3%:
Упрощенная формула:
D = M + M × S/100
или
D = M × (1 + S/100)
Уточненная формула с учетом квадратичного члена
Для более точных расчетов, особенно при больших значениях усадки, применяется формула с квадратичным членом:
Уточненная формула:
D = M + M × S/100 + M × (S/100)2
Сравнение методов расчета
Рассчитаем размер формы для изделия M = 100 мм из полипропилена с усадкой S = 2%:
Точная формула:
D = 100 / (1 - 0,02) = 100 / 0,98 = 102,04 мм
Упрощенная формула:
D = 100 + 100 × 0,02 = 100 + 2 = 102,00 мм
Уточненная формула:
D = 100 + 100 × 0,02 + 100 × (0,02)2 = 100 + 2 + 0,04 = 102,04 мм
Вывод: Для усадки 2% разница между методами составляет всего 0,04 мм. Упрощенная формула дает приемлемую точность.
Расчет с учетом допусков
При расчете размеров формы необходимо учитывать допуски на размеры изделия и разброс значений усадки. В реальной практике используются минимальное, максимальное и среднее значения усадки материала.
Методика расчета по ГОСТ 15947-70
ГОСТ 15947-70 устанавливает методику расчета исполнительных размеров гладких формообразующих деталей (матриц и стержней) пресс-форм для прессования и литья под давлением изделий из пластмасс. Стандарт предусматривает использование минимальных, максимальных и средних значений усадки.
Основные расчетные формулы по ГОСТ
| Тип размера | Формула расчета для матрицы | Формула расчета для стержня |
|---|---|---|
| Наибольший предельный размер | Dmax = Mmax × (1 + Sср/100) + Δи/2 + K | dmin = mmin × (1 + Sср/100) - Δи/2 - K |
| Наименьший предельный размер | Dmin = Mmax × (1 + Sср/100) - Δи/2 + K | dmax = mmin × (1 + Sср/100) + Δи/2 - K |
где:
- Mmax, mmin — наибольший и наименьший предельные размеры изделия, мм
- Sср = (Smax + Smin) / 2 — средняя усадка пластмассы, %
- Δи — допуск размера изделия, мм
- K — поправочная величина для прессования (для литья под давлением K = 0)
Определение допуска формообразующей детали
Допуск размера формообразующей детали определяется по формуле:
δф = Δи - Mном × (Smax - Smin) / 100 - Δα
где:
- δф — допуск размера формообразующей детали, мм
- Mном — номинальный размер изделия, мм
- Smax, Smin — максимальная и минимальная усадки, %
- Δα — часть допуска, учитывающая уклон поверхности, мм
Округление исполнительных размеров
Рассчитанные размеры округляют с определенной кратностью:
| Диапазон размеров, мм | Кратность округления, мм |
|---|---|
| До 6 | 0,01 |
| Св. 6 до 30 | 0,02 |
| Св. 30 до 120 | 0,05 |
| Св. 120 до 315 | 0,1 |
| Св. 315 | 0,2 |
Практические примеры расчета
Пример 1: Простой расчет для цилиндрической детали
Исходные данные:
- Требуемый наружный диаметр изделия: M = 50 мм
- Материал: полипропилен
- Усадка полипропилена: S = 2,0%
- Допуск на диаметр изделия: ±0,2 мм
Расчет размера матрицы:
Используем упрощенную формулу:
D = M × (1 + S/100) = 50 × (1 + 2,0/100) = 50 × 1,02 = 51,00 мм
Исполнительный размер матрицы с округлением: 51,00 мм
Предельные отклонения: +0,10 / 0 мм (согласно ГОСТ для охватывающих размеров)
Итоговый размер: Ø51,00+0,100 мм
Пример 2: Расчет с учетом анизотропии усадки
Исходные данные:
- Прямоугольная деталь: 100 мм × 50 мм
- Материал: полиамид 66 + 30% стекловолокно
- Продольная усадка (вдоль длины): S∥ = 0,3%
- Поперечная усадка (вдоль ширины): S⊥ = 1,0%
- Направление впрыска: по длине детали
Расчет:
Длина формы (вдоль течения):
DL = 100 × (1 + 0,3/100) = 100 × 1,003 = 100,30 мм
Ширина формы (поперек течения):
DW = 50 × (1 + 1,0/100) = 50 × 1,01 = 50,50 мм
Исполнительные размеры формы: 100,30 мм × 50,50 мм
Без учета анизотропии усадки деталь получилась бы неправильной геометрии.
Пример 3: Расчет по ГОСТ 15947-70 с учетом допусков
Исходные данные:
- Номинальный размер изделия: Mном = 75 мм
- Допуск изделия: ±0,3 мм (Δи = 0,6 мм)
- Материал: АБС-пластик
- Диапазон усадки: Smin = 0,4%, Smax = 0,7%
- Средняя усадка: Sср = 0,55%
Шаг 1: Расчет предельных размеров изделия
Mmax = 75 + 0,3 = 75,3 мм
Mmin = 75 - 0,3 = 74,7 мм
Шаг 2: Расчет предельных размеров матрицы
Dmax = 75,3 × 1,0055 + 0,3 = 75,71 + 0,3 = 76,01 мм
Dmin = 75,3 × 1,0055 - 0,3 = 75,71 - 0,3 = 75,41 мм
Шаг 3: Определение допуска формы
δф = 0,6 - 75 × (0,7 - 0,4)/100 = 0,6 - 0,225 = 0,375 мм
Шаг 4: Округление с кратностью 0,05 мм
Dmax = 76,05 мм (округление в большую сторону)
Dmin = 75,40 мм
Исполнительный размер матрицы: 75,70+0,350 мм
Пример 4: Расчет для толстостенной детали
Исходные данные:
- Внутренний диаметр изделия: m = 30 мм
- Толщина стенки: 6 мм (толстостенная деталь)
- Материал: полиэтилен низкой плотности
- Базовая усадка: S = 2,5%
- Поправка на толщину стенки: +0,5% (для стенки более 5 мм)
- Эффективная усадка: Sэфф = 3,0%
Расчет размера стержня:
d = m × (1 + Sэфф/100) = 30 × (1 + 3,0/100) = 30 × 1,03 = 30,90 мм
Округление: 30,90 мм → 30,85 мм (округление в меньшую сторону)
Исполнительный размер стержня: Ø30,850-0,10 мм
Важно: Для толстостенных деталей необходимо предусмотреть усиленную систему охлаждения для минимизации усадочных раковин в центральной части стенки.
Современные методы прогнозирования усадки
Современное проектирование пресс-форм использует компьютерное моделирование процесса литья с применением специализированных программных комплексов. Эти системы позволяют прогнозировать усадку с учетом всех влияющих факторов еще на стадии проектирования.
Метод конечно-элементного моделирования
Программные продукты для моделирования литья пластмасс (такие как Autodesk Moldflow, Cadmould и другие) позволяют моделировать все стадии процесса: заполнение формы, уплотнение материала, выдержку под давлением и охлаждение. Расчет усадки основывается на решении уравнений сохранения массы, импульса и энергии с использованием PVT-диаграмм материалов.
Метод остаточных деформаций
Полуэмпирический метод прогнозирования усадки определяет продольную и поперечную усадки как сумму пяти компонентов:
S∥ = a1FPVT + a2Fc + a3Fr + a4Fo∥ + a5Fo⊥
S⊥ = a6FPVT + a7Fc + a8Fr + a9Fo∥ + a10Fo⊥
где компоненты усадки связаны с:
- FPVT — равновесной объемной усадкой (PVT-свойства)
- Fc — степенью кристалличности
- Fr — релаксацией напряжений в форме
- Fo∥, Fo⊥ — молекулярной ориентацией или ориентацией волокнистого наполнителя
Преимущества компьютерного моделирования
| Возможность | Преимущество |
|---|---|
| Прогноз распределения усадки | Выявление зон повышенной усадки и коробления до изготовления формы |
| Оптимизация литниковой системы | Минимизация анизотропии усадки путем оптимального расположения литников |
| Подбор режимов литья | Определение оптимальных параметров для минимизации усадки |
| Учет сложной геометрии | Точный расчет для деталей со сложной формой и разнотолщинностью |
| Анализ волокнистых материалов | Прогноз ориентации волокон и связанной с ней анизотропии усадки |
Испытания и корректировка
Даже при использовании современных методов расчета часто требуется корректировка размеров формы после изготовления пробной партии изделий. Различие между расчетной и фактической усадкой может быть обусловлено:
- Отличием реальных режимов литья от расчетных
- Вариацией свойств материала в пределах одной марки
- Влиянием конструктивных особенностей изделия
- Условиями эксплуатации и хранения изделий
Согласно ГОСТ 18616-80 "Пластмассы. Метод определения усадки", усадку определяют как разницу размеров холодной пресс-формы и отформованных в ней охлажденных образцов, измеренных через 24 часа после формования при температуре 23±0,1°C и относительной влажности 50±5%. Данный стандарт является действующим и применяется для определения усадки термореактивных формовочных масс и термопластов.
Часто задаваемые вопросы
Усадка рассчитывается по формуле: S = [(D - M) / D] × 100%, где D — размер полости формы, M — размер готового изделия. Для проектирования формы используют обратную формулу: D = M / (1 - S/100) или упрощенную D = M × (1 + S/100). Значение коэффициента усадки S берется из технической документации на материал или справочных данных. Например, для полипропилена S = 1,7-2,5%, для АБС-пластика S = 0,4-0,7%.
На усадку влияют три группы факторов: материальные (тип полимера, наличие наполнителей, степень кристалличности), конструктивные (толщина стенки, геометрия изделия, расположение литников) и технологические (давление впрыска и выдержки, температура расплава и формы, время выдержки). Повышение давления и снижение температуры уменьшают усадку. Толстостенные детали имеют большую усадку. Наполнители снижают усадку в 2-3 раза.
Анизотропия усадки — это различие усадки в разных направлениях: вдоль и поперек направления течения расплава. Особенно выражена у материалов с волокнистыми наполнителями. Например, для полиамида со стекловолокном продольная усадка может быть 0,3%, а поперечная — 1,0%. При проектировании формы необходимо использовать разные коэффициенты усадки для разных направлений. Игнорирование анизотропии приводит к короблению изделий.
Кристаллизующиеся полимеры имеют высокую усадку: полиэтилен 2,0-5,0%, полипропилен 1,7-2,5%, полиамиды 1,5-2,5%, ПОМ 2,0-3,5%. Аморфные полимеры имеют низкую усадку: АБС-пластик 0,4-0,7%, полистирол 0,4-0,8%, поликарбонат 0,5-0,7%. Наполненные материалы: полипропилен с 30% тальком 0,6-0,8%, полиамид с 30% стекловолокном 0,3-0,8%. Выбор материала с низкой усадкой обеспечивает лучшую размерную стабильность изделий.
ГОСТ 15947-70 предусматривает использование минимального, максимального и среднего значений усадки материала. Размер формы рассчитывается по средней усадке: D = M × (1 + Sср/100). Допуск формы определяется с учетом разброса усадки и допуска изделия: δф = Δи - M × (Smax - Smin)/100. Охватывающие размеры (матрица) округляют в большую сторону, охватываемые (стержень) — в меньшую. Стандарт также устанавливает кратность округления в зависимости от диапазона размеров.
Толстостенные детали охлаждаются медленнее, что создает условия для большей усадки. Медленное охлаждение позволяет полимерным цепям больше релаксировать и упорядочиваться. Для кристаллизующихся полимеров увеличивается степень кристалличности, что повышает усадку. Кроме того, в толстых сечениях затруднена подпитка материалом при усадке, что приводит к образованию усадочных раковин. Рекомендуется проектировать изделия с равномерной толщиной стенки не более 5-7 мм.
Наполнители существенно снижают усадку полимеров. Минеральные наполнители (тальк, карбонат кальция, слюда) и волокнистые наполнители (стекловолокно, углеродное волокно) создают жесткий каркас, препятствующий усадке полимерной матрицы. При добавлении 30% стекловолокна усадка снижается в 2-3 раза. Однако наполнители усиливают анизотропию усадки — разницу между продольным и поперечным направлениями. Это необходимо учитывать при проектировании формы.
Современные программы (Autodesk Moldflow, Cadmould) позволяют точно прогнозировать усадку с учетом всех факторов. Они моделируют процессы заполнения формы, уплотнения, охлаждения и рассчитывают распределение усадки по всему изделию. Метод остаточных деформаций учитывает объемную усадку, кристалличность, релаксацию напряжений и молекулярную ориентацию. Компьютерное моделирование особенно эффективно для сложных изделий с разнотолщинностью и материалов с наполнителями. Результаты моделирования следует верифицировать пробными отливками.
Для минимизации усадки применяют комплекс мер: увеличение давления впрыска и выдержки, оптимальное время выдержки под давлением до затвердевания литника, равномерное охлаждение формы, правильное расположение литников для обеспечения эффективной подпитки. Конструктивно следует обеспечивать равномерную толщину стенок, избегать острых углов и резких переходов. Выбор материала с низкой усадкой (аморфные полимеры, наполненные материалы) также снижает проблему. Использование компьютерного моделирования помогает оптимизировать конструкцию изделия и режимы литья.
Корректировка формы часто требуется даже при тщательном расчете, так как фактическая усадка может отличаться от расчетной. Это связано с вариацией свойств материала в пределах одной марки, отличием реальных режимов литья от расчетных, влиянием сложной геометрии изделия. По ГОСТ 18616-80 усадку измеряют через 24 часа после формования. После изготовления пробной партии измеряют фактические размеры изделий и при необходимости корректируют размеры формы. Пресс-форма в этом случае выполняет функцию прототипа для отработки размеров.
