АНАЛИЗ МЕТОДОВ ВЛИЯНИЯ НА ДВИЖЕНИЕ ПОЛИМЕРНЫХ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ ПРИ ЗАПОЛНЕНИИ ПРЕСС-ФОРМ

ANALYSIS OF METHODS OF INFLUENCING THE MOVEMENT OF POLYMER COMPOSITE MATERIALS WHEN FILLING MOLDS

Sergey Kozhevnikov

Graduate student, Perm National Research Polytechnic Institute,

Russia, Perm

АННОТАЦИЯ

В статье рассматриваются методы влияния на движение полимерных композиционных материалов при заполнении пресс-форм. Исследованные методы литья под давлением с оптимизацией процесса армирования с применением виртуального моделирования CAE, применение численных методов конечных элементов, исследование влияния особенностей гидродинамического поведения формы свободной поверхности движущейся массы, выявление математической зависимости между усадкой и параметрами процесса литья не позволяет в полной мере влиять на процесс движения полимерных композиционных материалов при заполнении пресс-форм в целях улучшения качества литьевых изделий и улучшения технологического цикла литья.

ABSTRACT

The article discusses methods of influencing the movement of polymer composite materials when filling molds. The investigated methods of injection molding with the optimization of the reinforcement process using virtual CAE modeling, use to numerical finite element methods, the study of the influence of the features of the hydrodynamic behavior of the shape of the free surface of a moving mass, the identification of the mathematical relationship between shrinkage and the parameters of the mold process does not allow to fully influence the motion process polymer composite materials when filling molds in order to improve the quality of molded products and improve the technological cycle of molding.

Ключевые слова: Полимерные композиционные материалы; Пресс-форма.

Keywords: Polymer composite materials; mold.

В настоящее время детали из полимерных композиционных материалов применяются почти во всех сферах машиностроения в связи с их низкой материалоемкостью и высокими эксплуатационными и физико-механическими характеристиками, поэтому задача изучения методов влияния на движение полимерных композиционных материалов при заполнении пресс-форм является приоритетной для машиностроительной отрасли. В работе [1] рассматривается такой метод литья под давлением в пресс-формы при котором в качестве основной характеристики процесса оптимизации был выбран тензор ориентации внутренних волокон материала, для определения параметров технологического цикла литья и оптимизации процесса армирования. Результаты оптимизации ориентации армирующего волокна для различных режимов литья показаны на рисунке 1.

Рисунок 1. Результаты ориентации армирующего волокна для различных режимов литья

В работе применена технология виртуального моделирования в CAE системе, что позволило получить распределение армирующего волокна по объему литьевой детали в зависимости от технологических режимов литьевого процесса. Разработана методика оценки качества исходя из конструкционной прочности литьевой детали на основе анализа расположения армирующего волокна.

Исследование процесса движения ПКМ при заполнении пресс-форм является одним из приоритетных направлений в области машиностроения. При влиянии на процесс заполнения в закрытых полостях можно влиять на конструкционные и физико-механические характеристики изготавливаемых литьевых деталей из ПКМ. В работе [2] исследована статорная лопатка компрессора из ПКМ и ее процесс заполнения. Показано, что процесс заполнения пресс-форм описывается численными методами конечных элементов на основе уравнения Навье-Стокса, состоящего из двух уравнений, уравнения движения и уравнения неразрывности, которые в векторном виде записываются следующим образом:

;                                   (1)

,                                                      (2)

где    ▽ – оператор набла;

∆ - оператор Лапласа;

t – время;

v – коэффициент кинематической вязкости;

ρ – плотность;

p – давление;

v – векторное поле скоростей;

f – векторное поле массовых сил.

Зависимость от плоской или трехмерной области в которой движется жидкость имеет давление и скорость, которые являются функциями времени. По модели Кросса-Вильямса-Ландела-Ферри, определяют вязкость расплава, которая описывает зависимость вязкости от температуры, скорости сдвига и давления, и описывается следующим уравнением:

,                                           (3)

где    η – вязкость расплава (Па*с);

η ₀ – вязкость при нулевом сдвиге;

γ – скорость сдвига (1/с);

τ – критический уровень напряжения в начале сдвиговой деформации;

Вязкость при нулевом сдвиге определяется по формуле:

,                                   (4)

где    T – температура;

Т^* - температура стеклования равная D2+ D3p;

А₂ – коэффициент равный А3+D3p;

D₁, D₂, A₁, A₃, D₃ – коэффициенты полученные из экспериментальных данных;

p – давление.

В процессе работы [2] с помощью CAE моделирования выявлено что требуемая ориентация волокна зависит от скорости впрыска расплава, были определены режимы, которые обеспечивают полное заполнение и предполагаемую ориентацию волокна.

Однако решение уравнения Навье-Стокса является одной из семи «проблем тысячелетия», за решение которых назначена премия в размере 1млн. долларов США и на данный момент никому не удалось доказать или опровергнуть существование решения. Для пространственного трехмерного потока и плоского потока, нахождение общего аналитического решения осложняется тем, что оно не является линейным и значительно зависит от граничных условий.

В работе [3] рассмотрены вопросы влияния определяющих параметров на основные характеристики процесса заполнения пресс-формы и особенности гидродинамического поведения формы свободной поверхности движущейся массы. Выполнено CAE моделирование крупногабаритных пресс-форм и проведено исследование процесса заполнения. Выявлено, что для исследования течений высоковязких материалов типа ПКМ наиболее подходящей является реологическая модель З.П. Шульмана. Имеется решение задачи о заполнении круглой трубы и соосно-цилиндрического канала и выявлено что при решении каждой задачи существуют свои характерные особенности течения, и гидродинамическая картина потока меняется в зависимости от их влияния.

Заполнение пресс-форм ПКМ является сложным и многофакторным, а его исследование является приоритетной задачей при выборе характеристик технологического процесса литья. В работах [4, 5, 6] при моделировании процесса литья выявлена зависимость между усадкой и параметрами процесса литья, такими как температура пресс-формы, температура расплава, давление в пресс-форме и время охлаждения, а также рассмотрены вопросы определения оптимального положения частей пресс-формы в виде литниковых каналов.

Представленные исследования не позволяют в полной мере влиять на процесс движения полимерных композиционных материалов при заполнении пресс-форм в целях улучшения качества литьевых изделий и улучшения технологического цикла литья, уравнения не учитывают шероховатость формообразующих поверхностей пресс-формы и ее влияние на процесс заполнения пресс-формы.

Литье под давлением предусматривает получение качественных изделий в серийном или крупносерийном производстве, таким образом формирование научно обусловленных требований к технологическому процессу заполнения вязко текучими материалами пресс-форм и изучение реологических характеристик полимерных материалов является перспективным направлением для исследований.

Список литературы:

1. Оптимизация процесса армирования полимерного композиционного материала по тензору ориентации: / Е. А. Ковалькова, И. Н. Хаймович // Современные проблемы науки и образования., 2015. - №2 (часть 3).
2. Исследование процесса заполнения пресс-формы при инжекционном литье лопаток из композитных материалов / И. С. Степаненко, И.Н. Хаймович // Фундаментальные исследования., 2015. - №7 (часть 2) – С.293-297.
3. Численное исследование процесса заполнения цилиндрических пресс-форм полимерной массой методом литья под давлением / А. Н. Козлобородов // Известия Томского политехнического университете., 2007. Т. 310. № 2. – С. 172-177.
4. Min B.H. A study on quality monitoring of injection-molded parts // Journal of Materials Processing Technology. – 2003. – Vol. 136. - № 1-3. – P. 1-6.
5. Wang, Y., et al. Injection molding simulation of plastic impeller and process parameters optimization // Journal of Drainage and Irrigation Machinery Engineering. – 2013. - Vol. 31. - № 9. – P. 747-751.
6. Yin Y.F. Modeling and Analysis of Process Parameters for Plastic Injection Molding of Base-Cover // Advanced Materials Research. – 2012. - Vol. 602-604. – P. 1930-1933.