2.5 Материальный расчет производства

В основу материальных расчетов производств переработки термопластич-ных полимеров методом литья под давлением положены предельно-допустимые нормы расхода сырья, технологических потерь и отходов.

Норма расхода сырья в промышленности переработки пластических масс рассчитывается по формуле [3, с.17]:

Н_р = Р_д  К_р (2.3)

где К_р=К_i – коэффициент расхода сырья без учета использования технологических отходов; К₁ – коэффициент, характеризующий безвозвратные потери на выгорание и механическую обработку; К₂ – возвратные отходы; К₃ – безвозвратные отходы при подготовке сырья; К₄ – безвозвратные отходы в процессе литья под давлением; К₅ – безвозвратные потери при сушке сырья.

Однако этот коэффициент расхода сырья не учитывает потерь сырья при транспортировке, расфасовке и хранении. Поэтому с учетом потерь сырья при транспортировке, расфасовке и хранении К₆ норма расхода сырья рассчитывается по формуле [4, с.4]:

Н^_р = Р_д  К^_р (2.4)

где К^_р = К_р + К₆

При использовании возвратных отходов коэффициент расхода материала определяется по формуле [3,с. 20]:

(2.5)

где а – количество использованных возвратных отходов, % (100%).

С учетом использования возвратных отходов норма расхода материала равна [4, с.11]:

Н^_р = Р_д (К_р +К₆ –) (2.6)

Масса готовой продукции, выпускаемой за год, определяется по формуле [4, с.13]:

G_с = Р_д ·П ∙ 10^-6 (2.7)

где Р_д – масса отливаемой детали, г; П – план выпуска деталей за год.

Расход сырья за год равен [3, с.20]:

G_с = Н_р ·П ∙10^-6 (2.8)

Расчет производился в ручную. Данные результатов материального расчета сведены в таблицы 2.5.

Таблица 2.5 - Материальный расчет изготовления детали литьем под давлением

Наименование детали	Гр. Сложности	P,г	Коэффициенты потерь материала					Kp		Kp+K6		Kp`		Hp`
			K1	K2	K3	K4
1	2	3	4	5	6	7	8		9		10		11
ПС-525
Барьер-полка ПР 9.0.0.0.0.02	3	204	0,007	0,023	0,0004	0,014	1,046		1,048		1,025		209,1
Основание сосуда ПР 9.4.0.0.0.01	3	170	0,007	0,023	0,0004	0,014	1,046		1,048		1,025		174,3
Крышка сосуда ПР 9.4.0.0.0.02	3	150	0,007	0,023	0,0004	0,014	1,046		1,048		1,025		153,8
Сосуд для фруктов и овощей ПР 9.4.0.0.0.04	3	620	0,007	0,023	0,0004	0,014	1,046		1,048		1,025		635,5
Барьер-полка высокая ПР 9.0.0.0.0.03	3	260	0,007	0,023	0,0004	0,014	1,046		1,048		1,025		266,5
АБС-2332
Ручка ПР 9.3.0.0.0.02	5	160	0,011	0,051	0,0008	0,020	1,087		1,091		1,040		166,4
Фальш панель ПР 9.3.0.0.0.03	5	230	0,011	0,051	0,0008	0,020	1,087		1,091		1,040		239,2
Панель управления 235.0.0.0.0.01	5	270	0,011	0,051	0,0008	0,020	1,087		1,091		1,040		280,8
Накладка 128.6.1.0.0.05	3	170	0,011	0,047	0,0008	0,018	1,081		1,085		1,038		176,5
Кронштейн 244.0.0.0.0.10	6	131	0,011	0,044	0,0008	0,019	1,079		1,083		1,039		136,1

Продолжение табл. 2.5

Наименование детали	П, шт/год	Gc, т/год	G, т/год	Безвозвратные потери материала, т/год
				K1G	K2G	K3G	K4G
1	2	3	4	5	6	7	8
ПС-525
Барьер-полка ПР 9.0.0.0.0.02	80000	16,73	16,32	0,114	0,375	0,007	0,228
Основание сосуда ПР 9.4.0.0.0.01	40000	6,96	6,8	0,048	0,156	0,003	0,095
Крышка сосуда ПР 9.4.0.0.0.02	40000	6,15	6,0	0,042	0,138	0,002	0,084
Сосуд для фруктов и овощей ПР 9.4.0.0.0.04	80000	50,84	49,6	0,342	1,141	0,019	0,694
Барьер-полка высокая ПР 9.0.0.0.0.03	40000	10,66	10,4	0,073	0,239	0,004	0,146
	Итого:	91,34	89,12	0,619	2,049	0,035	1,247
АБС-2332
Ручка ПР 9.3.0.0.0.02	80000	13,31	12,8	0,141	0,653	0,010	0,256
Фальш панель ПР 9.3.0.0.0.03	40000	9,57	9,2	0,101	0,469	0,007	0,184
Панель управления 235.0.0.0.0.01	15000	4,21	4,05	0,045	0,207	0,003	0,081
Накладка 128.6.1.0.0.05	15000	2,65	2,55	0,028	0,119	0,002	0,046
Кронштейн 244.0.0.0.0.10	15000	2,04	1,97	0,022	0,087	0,002	0,037
	Итого:	31,78	30,57	0,337	1,535	0,024	0,604

2.6 Описание технологической схемы производства

С центрального склада полиэтиленовые мешки, в которых содержится сырье (гранулы ПС-525, АБС-2332) поступают на цеховой склад, где они располагаются на стеллажах (поз.1). С помощью электропогрузчика (поз. 2) сырье транспортируется на растаривающее устройство (поз.3), откуда сырье подается при помощи пневмотранспорта (поз.4) в бункер-сушилку (поз.5), снабженную дозирующим устройством. Далее полимер подается в литьевую машину (поз.6). Технологический процесс литья под давлением состоит из следующих операций:

1. Плавление, гомогенизация и дозирование расплава осуществляется периодически через равные промежутки времени с постоянной частотой вращения шнека.

2. Смыкание формы осуществляется в результате перемещения подвижной плиты ТПА с закреплённой на ней разъёмной частью формы и созданием определённого усилия.

3. Подвод узла впрыска и впрыск расплава форму.

В момент впрыска расплава и выдержки его под давлением цилиндр литьевой машины подведен к литьевой форме и сопло соединено с литниковым каналом формы. Шнек под действием поршня узла впрыска перемещается к форме, и расплав впрыскивается в формующую полость.

4. Выдержка под давлением обычно продолжается до тех пор, пока расплав в центральной части впускного литника не охладится ниже температуры текучести.

5. Выдержка при охлаждении необходима для окончательного затвердевания расплава полимера и достижения определённой конструктивной жёсткости изделия, исключающее их деформацию при извлечении из формы. Во время охлаждения изделия, когда расплав в литнике достаточно охлажден, узел впрыска отводится от формы и начинается дозирование новой порции расплава, при этом шнек вращаясь, отходит вправо. В конце операции дозирования, когда накопится заданная масса расплава, вращение шнека прекращается.

6. Раскрытие формы и извлечение изделия.

Отрыв литников происходит вручную, на столе механической обработки (поз.7). Разбраковка изделий производится на участке контроля и сортировки (поз. 8), где качественные изделия упаковываются в полиэтиленовые мешки, с соответствующей маркировкой. Далее упакованные изделия транспортируются на стеллаж готовой продукции (поз.9). Бракованные изделия, облой и литники при помощи внутрицехового транспорта поступают на участок переработки отходов для загрузки в дробилку (поз.11).

Измельченные отходы с помощью пневмотранспорта (поз.4), поступают в

гранулятор (поз.10), гранулированные отходы попадают в технологическую ёмкость. Далее на электрокаре (поз.2) вторичное сырье отправляют на склад сырья.

После этих операций цикл повторяется.

2.7 Расчет технологических параметров

Основными параметрами литья под давлением являются: температура расплава в цилиндре машины, температура формы, время выдержки под давлением, время охлаждения, давление литья, усилие смыкания формы, объем отливки.

2.7.1 Расчет технологических параметров для сосуда для фруктов и овощей ПР 9.4.0.0.0.04

Исходные данные:

• наименование изделия – « Сосуд для фруктов и овощей ПР 9.4.0.0.0.04»;

• полимер – ПС - 525;

• показатель текучести расплава ПТР=9.0 г/10мин. по ГОСТ 11645-73

• габариты изделия:

средняя толщина стенки изделия δ = 5 мм

длина изделия L=240.38 мм

ширина изделия S=273.54 мм

масса изделия G_g=620 гр.;

• масса литникового остатка G_ло= 9.8 гр.;

• гнездность формы N_ф=1.

2.7.1.1 Определение температуры расплава

Расчет температуры литья производится с использованием реологических характеристик полимера.

,

где Е_у - энегия активации при скорости сдвига γ_i, Е_у =40000;

T_i- температура определения показателя текучести расплава,

T_i=200º+273=473К;

τ_i – напряжение сдвига при определении показателя текучести расплава

τ_i =2.0*10⁴ = 20000 Па;

τ_п - напряжение сдвига в области переработки при скорости сдвига равное γ_i

τ_п=2.1*10⁴ = 21000 Па

2.7.1.2 Расчет площади основного изделия – Сосуд для фруктов и овощей ПР 9.4.0.0.0.04 в плоскости разъема формы

, (3.1)

2.7.1.3 Расчет основных параметров литниковой системы

Расчетный участок 1

Центральный конический (стержневой) канал

Радиус минимальный = 4 мм;

Радиус максимальный = 7 мм;

Длина канала = 78 мм.

Определяем скорость сдвига на первом участке [5, с.173]:

(3.4)

Показатель степени может быть найден из расчетной номограммы по средней линии для области, соответствующей методу переработки. Для этого, взяв 2 точки на средней линии этой области, по скорости сдвига и напряжению сдвига, соответствующих этим точкам, производят расчет по уравнению [2, с.14]:

(3.5)

где координаты точки А – ,

_{координаты точки В –} ,

Находим напряжение сдвига [5, с.170]:

(3.7)

где К=4,3∙10³ – усредненное значение коэффициента реологического уравнения для 5 области переработки [1, с.170].

Потери давления будут равны [1, с.173]:

(3.8)

где m₁ = 0 – входной коэффициент (на данном участке имеется один канал, и расплав из канала мундштука в него входит без резкого изменения скорости);

–средний радиус канала

Суммарный перепад давления в литниковой системе:

(3.16)

2.7.1.4 Определение температуры расплава после впрыска и сжатия расплава полимера

Температуру расплава после впрыска и сжатия полимера можно найти по уравнению [1, с.282]:

(3.17)

где = 0,704 МПа – суммарные потери давления в мундштуке [7,с.169];

МПа (3.18)

–суммарные потери давления в каналах литниковой системы, определенные исходя из количества расчетных участков и их длины;

М=0,104 кг/моль;

П=180 МПа – коэффициенты уравнения термодинамики [1, с.91];

0,41 ккал/г·град = 1717,9 Дж/кг·К – удельная теплоемкость, при температуре Т_л=197 °С [6, с.19];

= 963 кг/м³– плотность расплава полимера при температуре Т_л=197 °С [6,с.28];

= 99МПа – давление в полости формы

МПа (3.19)

где = 132 МПа – удельное давление литья;

= 0,75 – коэффициент, который при литье тонкостенных изделий [1,с.261].

2.7.1.5 Время выдержки под давлением

Время выдержки под давлением находят с учетом условий:

– находят время, когда температура расплав в середине центрального литника или на каком-либо другом участке понижается до температуры текучести Т_т;

–находят время, при котором температура изделия около впускного литника понижается до температуры текучести [1, с.285].

За время выдержки под давлением принимается минимальное значе­ние из всех найденных величин [1, с.286].

Расчетный участок 1

Центральный конический (стержневой) канал

Радиус минимальный = 4 мм;

Радиус максимальный = 7 мм;

Длина канала = 78 мм.

Средний радиус канала = 5,5 мм.

Время выдержки под давлением [1, с.285]:

(3.20)

где Т₀ = 64˚С – температура охлаждающей поверхности формы;

а = 0,001013 см²/с – коэффициент температуропроводности расплава;

Т₃ =248,6 ˚С – температура расплава после впрыска и сжатия;

R_ср1 = 0,55 см – средний радиус конического литника.

Температура охлаждающей поверхности формы определяется по формуле [1, с.285]:

, (3.21)

где Т_ф – температура формы.

Для ПС температура формы 60-80 ˚С [1,с.267].

Коэффициент температуропроводности:

см²/с, (3.22)

где кал/см·с·град – теплопроводность расплава полимера при температуре Т_л =197 °С [6, с.20];

= 0,963 г/см³ – плотность расплава полимера при температуре Т_л = 197 °С [6, с.28];

= 0,41 кал/г·град – теплоемкость расплава полимера при температуре Т_л = 197 °С [6, с.19].

Поправочный коэффициент К_л1, учитывающий течение расплава через литник в момент подпитки формы расплавом [7, с.58]:

(3.23)

где – объем расплава, нагнетаемый в форму во время выдержки под давлением;

–объем литника на расчетном участке.

Объем подпитки равен [7, с.60]:

(3.24)

где = 248,6 °С – температура расплава после впрыска;

Т_т=165 °С – температура текучести;

М=0,104 кг/моль,

П =180 МПа – коэффициенты уравнения состояния;

G_изд =620 г – масса изделия;

N_f =1 – гнездность формы;

= 99 МПа– давление в полости формы;

С₁=1 – количество параллельных каналов на расчетном участке.

Объем центрального конического литника:

(3.25)

Время выдержки также может быть обусловлено временем охлаждения расплава в формующей полости. В этом случае время выдержки под давлением

для изделия в виде пластины или втулки определяют по формуле [1, с.28]:

(3.30)

где = 5 мм = 0,5 см – толщина изделия;

0,001013 см²/с – коэффициент температуропроводности при средней температуре;

За время выдержки под давлением принимаем = 11,15 с

2.7.1.6 Определение времени выдержки при охлаждении

При литье втулок, крышек, колпачков, т.е. цилиндрических изделий, имеющих внутреннюю полость, время охлаждения рассчитывается так же, как для пластины, поскольку время охлаждения зависит от размеров изделия, через которое происходит теплопередача [6, с.62]:

(3.31)

где = 0,5 см– толщина изделия,

Т_д – средняя температура изделия по толщине стенки после извлечения его из формы;

а – коэффициент температуропроводности, находится при средней температуре

. (3.32)

Для кристаллических полимеров средняя температура изделия по толщине стенки после извлечения его из формы [7, с.287]:

, (3.33)

Средняя температура:

Коэффициент температуропроводности при :

см²/с,

где кал/см·с·град – теплопроводность расплава полимера при температуре Т_ср =176,8 °С [6, с.20];

= 0,985 г/см³ – плотность расплава полимера при температуре

Т_ср = 176,8 °С [6, с.28];

= 0,41 кал/г·град – теплоемкость расплава полимера при температуре Т_ср = 176,8 °С [8, с.43].

2.7.2.1 Расчет технологических параметров для Ручки ПР 9.3.0.0.0.02

Исходные данные:

• наименование изделия – « ручкаПР 9.3.0.0.0.02 »;

• полимер – АБС - 2332;

показатель текучести расплава ПТР=23 г/10мин

• габариты изделия: средняя толщина стенки изделия δ =2 мм.;

длина изделия L=594 мм;

ширина изделия S=57 мм;

• масса изделия G_g=160 гр;

• масса литникового остатка G_ло=10,9 гр;

• гнездность формы N_ф=2.

2.7.2.2 Расчет площади основного изделия « ручка ПР 9.3.0.0.0.02» в плоскости разъема формы

Расчет площади литниковой системы в плоскости разъема формы

Площадь литниковой системы в плоскости разъема формы будет равна:

2.7.2.3 Расчет основных параметров литниковой системы

Расчетный участок 1

Центральный конический (стержневой) канал

Радиус минимальный ;

Радиус максимальный ;

Длина канала

Определяем скорость сдвига на первом участке [1, с.202]:

Показатель степени n может быть найден из расчетной номограммы по средней линии для области, соответствующей методу переработки. Для этого, взяв 2 точки на средней линии этой области, по скорости сдвига и напряжению сдвига, соответствующих этим точкам, производят расчет по уравнению [1,с.41]:

,

где координаты точки А – ,

_{координаты точки В –} ,

В отличие от сбалансированной системы объемная скорость течения на отдельных участках непостоянная, поэтому объемный расход в каждой

расчетной ветви равен [7, с.179]:

,

где – объемная скорость машины;

–количество формующих полостей, питаемых данным участком литниковой системы;

N_ф =2– гнездность формы.

Находим напряжение сдвига [7, с.168]:

где К=4,3∙10³ – усредненное значение коэффициента реологического уравнения для 5 области переработки [2, с.196].

Потери давления будут равны [1, с.173]:

где m₁ =0 – входной коэффициент (на данном участке имеется один канал, и расплав из канала мундштука в него входит без резкого изменения скорости);

–средний радиус канала.

Расчетный участок 2

Разводящий прямоугольный канал

Глубина прямоугольной части канала h₂= 5 мм;

Ширина канала b₂=20 мм

Длина канала .

Определяем скорость сдвига на втором участке [7, с.173]:

,

Показатель степени n может быть найден из расчетной номограммы по средней линии для области, соответствующей методу переработки. Для этого, взяв 2 точки на средней линии этой области, по скорости сдвига и напряжению сдвига, соответствующих этим точкам, производят расчет по уравнению [1,с.41]:

где координаты точки А – ,

координаты точки В – ,

–объемный расход в расчетной ветви;

–объемная скорость машины;

–количество формующих полостей, питаемых данным участком литниковой системы;

N_ф =2– гнездность формы [7, с.179].

Находим напряжение сдвига [7, с.168]:

(3.7)

где К=4,3∙10³ – усредненное значение коэффициента реологического уравнения для 5 области переработки [7, с.170].

Потери давления будут равны [1, с.173]:

где – входной коэффициент [6, с.171] (на данном участке имеется поворот от предыдущего канала).

Расчетный участок 3

Конический канал

Радиус минимальный ;

Радиус максимальный ;

Длина канала .

Определяем скорость сдвига на пятом участке [7, с.173]:

,

Показатель степени n может быть найден из расчетной номограммы по средней линии для области, соответствующей методу переработки. Для этого, взяв 2 точки на средней линии этой области, по скорости сдвига и напряжению сдвига, соответствующих этим точкам, производят расчет по уравнению [1,с.41]:

где координаты точки А – ,

координаты точки В – ,

–объемный расход в расчетной ветви

–объемная скорость машины;

–количество формующих полостей, питаемых данным участком литниковой системы;

N_ф = 2 – гнездность формы) [7, с.179].

Находим напряжение сдвига [7, с.170]:

,

где К=4,3∙10³ – усредненное значение коэффициента реологического уравнения для 6 области переработки [7, с.170].

Потери давления будут равны [7, с.173]:

где – входной коэффициент на данном участке имеется резкое сужение канала [2, с.196]

–средний радиус канала.

Суммарный перепад давления в литниковой системе:

2.7.2.4 Определение температуры расплава после впрыска и сжатия расплава полимера

Температуру расплава после впрыска и сжатия полимера можно найти по уравнению [1, с.282]:

Расчет температуры литья производится с использованием реологических характеристик полимера.

где Е_у - энегия активации при скорости сдвига γ_i, Е_у =42000;

T_i- температура определения показателя текучести расплава,

T_i=220 ⁰С+273=493 К;

τ_i – напряжение сдвига при определении показателя текучести расплава

τ_i = 16000 Па;

τ_п - напряжение сдвига в области переработки при скорости сдвига равное γ_i

τ_п = 35000 Па

где – суммарные потери давления в мундштуке [7, с.169];

–суммарные потери давления в каналах литниковой системы, определенные исходя из количества расчетных участков и их длины;

М=0,104 кг/моль, П=180 МПа – коэффициенты уравнения термодинамики [1, с.91];

–удельная теплоемкость, при температуре Т_л=205 °С [6, с.49];

–плотность расплава полимера при температуре Т_л=205°С [6,с.50];

–давление в полости формы (где – удельное давление литья;

–коэффициент, который при литье тонкостенных изделий примерно равен 0,75 [1, с.261].

2.7.2.5 Определение времени выдержки под давлением

Время выдержки под давлением находят с учетом условий:

• находят время, когда температура расплав в середине центрального литника или на каком-либо другом участке понижается до температуры текучести Т_т;

• находят время, при котором температура изделия около впускного литника понижается до температуры текучести. [1, с.285].

За время выдержки под давлением принимается минимальное значение из всех найденных величин. [1, с.286]. Учитывая то, что применяются каналы довольно большого сечения относительно толщины стенки изделия, понятно, что их время выдержки под давлением намного больше, поэтому рассчитаем только самый узкий участок - туннельный конический впускной канал.

Расчетный участок 3

Конический впускной канал

Минимальный радиус R₁= 1 мм;

Максимальный радиус R₂=2,5 мм

Длина канала .

Время выдержки под давлением [1, с .285]:

где Т₀ = 64˚С – температура охлаждающей поверхности формы;

а = 0,001015см²/с – коэффициент температуропроводности расплава;

Т₃ =202,4 ˚С – температура расплава после впрыска и сжатия;

Температура охлаждающей поверхности формы определяется по формуле [1, с.285]:

,

где Т_ф – температура формы.

Для АБС температура формы 60 ˚С [1,с.267].

Коэффициент температуропроводности:

см²/с,

где кал/см·с·град – теплопроводность расплава полимера при температуре Т_л =205 °С [6, с.50];

–удельная теплоемкость, при температуре Т_л=205 °С [6, с.49];

–плотность расплава полимера при температуре Т_л=205 °С [6,с.51];

Поправочный коэффициент К_л2, учитывающий течение расплава через литник в момент подпитки формы расплавом [4, с.19]:

Объем подпитки равен [4, с.19]:

где С₂=1 – количество параллельных каналов на расчетном участке.

Объем литника:

Время выдержки также может быть обусловлено временем охлаждения расплава в формующей полости. В этом случае время выдержки под давлением для изделия в виде пластины или втулки определяют по формуле [1, с.285]:

где – толщина стенки изделия возле впускного литника (см. чертеж изделия).

За время выдержки под давлением принимаем .

2.7.2.6 Определение времени выдержки при охлаждении

При литье втулок, крышек, колпачков, т.е. цилиндрических изделий, имеющих внутреннюю полость, время охлаждения рассчитывается так же, как для пластины, поскольку время охлаждения зависит от размеров изделия, через которое происходит теплопередача [1, с.286]:

где – максимальная толщина изделия;