1

CURS 3 „Proiectarea asistată a maşinilor pentru prelucrarea materialelor polimerice”

An universitar 2014-2015, semestrul I/ Master an II TEPI Titular curs: Prof. univ.dr.ing. Mariana-Florentina ŞTEFĂNESCU

e - Sistemul de centrare şi conducere are un rol vital în funcţionarea formei.

Ca urmare a faptului că, de-a lungul funcţionării forma este închisă şi deschisă de mii

sau sute de mii de ori, ea trebuie să fie ghidată astfel încât semiformele să poată fi

ermetic închise, toate părţile componente ale formei să fie foarte corect aliniate şi

forma să fie poziţionată cu exactitate faţă de unitatea de injecţie. Centrarea şi

conducerea incorectă pot provoca, pe de-o parte, deteriorarea formei, iar pe de altă

parte, apariţia unor defecte ale piesei formate, ca de exemplu: deplasări în planul de

separaţie, bavuri, grosimi neuniforme etc.

Semiformele de injecţie se montează pe platourile agregatului de

închidere/deschidere al maşinii de injecţie. Platoul mobil se apropie şi se depărtează

de cel fix la fiecare ciclu de formare. Această deplasare trebuie să se repete identic, iar

capul de injecţie al maşinii trebuie să atingă forma de injecţie, de fiecare dată, în

acelaşi loc, şi anume în centrul ajutajului din formă. Această aliniere a centrului

semiformelor şi capului de injecţie al maşinii (practic, cu axa cilindrului de plastifiere

şi injecţie) se realizează extern printr-un inel de centrare, iar intern, centrarea plăcilor

semiformelor este asigurată cu ajutorul ştifturilor de centrare şi centrarea şi

conducerea semiformelor este asigurată prin coloane şi bucşe de ghidare cu umăr,

precum şi bucşe de poziţionare.

Inelul de centrare este o flanşe care se montează pe semiforma fixă, centrând

duza de injecţie şi blocându-i deplasarea (Fig.2.10.3). Geometria inelelor de centrare

variază (Fig.2.12), iar în cazul prelucrării materialelor termorigide acestea sunt

formate din două bucăţi care permit montarea unui strat izolator între formă şi capul

de injecţie al maşinii.

a) b) c)

Fig.2.12 Inele de centrare

a)- cu secţiune în L, b)- cu secţiune dreptunghiulară, c)- cu secţiune în L la interior

Centrarea se referă pe de-o parte, la plăcile care alcătuiesc semiformele şi pe de

altă parte, la semiforme între ele.

Centrarea plăcilor care alcătuiesc semiformele se realizează cu ştifturi de

centrare, iar fixarea diferitelor plăci, se face cu şuruburi de prindere (Fig.2.12.1).

2

Fig.2.12.1 Centrarea internă a formei

1- şurub de prindere a plăcilor sistemului de aruncare, 2- coloană de ghidare, 3- bucşă

de ghidare, 4- şurub de prindere, 5- placă fixă de formare, 6- placă mobilă de formare,

7- şurub de prindere, 8- ştifturi de centrare

Semiformele trebuie foarte bine ghidate, astfel încât toate piesele care le

alcătuiesc să se alinieze perfect şi semiformele să poată fi strânse foarte bine.

Conducerea se realizează prin coloanele şi bucşele de ghidare şi prin bucşe de centrare

sau de poziţionare (Fig.2.12.1), în număr de patru din fiecare, care formează unitatea

de conducere internă. La deschiderea formei, coloanele de ghidare rămân fie în

jumătatea fixă, fie în cea mobilă.

Coloanele se poziţionează cât mai aproape de marginea formei. Pentru a exista

o centrare bună, între bolţuri şi bucşele de ghidare trebuie să existe toleranţe strânse,

iar găurile coaxiale să fie executate simultan în toate plăcile.

3

Fig.2.12.2 Centrarea cu coloanele de ghidare în jumătatea mobilă

1- placă dezbrăcătoare, 2- reper, 3- placă de formare (cavitate), 4- bucşă de

ghidare, 5- coloană de ghidare

f - Sistemul de prindere şi transmitere a forţelor face posibilă montarea

formei pe platourile maşinii. Există două variante ale sistemului: direct, prin bolţuri,

sau indirect, prin cleme (agrafe) şi bolţuri.

Clasificarea maşinilor de formare prin injecţie se face în funcţie de cantitatea

maximă de topitură pe care o pot injecta, numită „volum maxim injectat pe cursă” sau

„capacitate de injecţie”. Şi cum acest volum depinde de densitatea topiturii, pentru

clasificarea maşinilor s-a admis ca etalon polistirenul (PS). Volum maxim injectat pe

cursă este cuprins între 20 grame şi 20 kg.

Există două modalităţi de montarea a formei pe platourile unităţii de închidere:

direct (Fig.2.13) şi indirect (Fig.2.13.1, Fig.2.13.2). Primul sistem prinde forma prin

bolţuri sau magnetic (Fig.2.13.3), iar cel de-al doilea, prin cleme (agrafe) şi bolţuri.

Bolţurile se dispun în colţurile platoului, dacă acesta este pătrat, sau de-a lungul unei

circumferinţe, pentru platourile/formele circulare.

Fig.2.13 Prelucrări ale

formei necesare

pentru prinderea

directă pe platoul

unităţii de

închidere

4

a) b)

c)

a) b)

Fig.2.13.3 Sistem magnetic pentru fixarea formei

a)- platourile magnetice, b)- platourile magnetice în procesul de formare; 1- sistem

magnetic de prindere, 2- semiforma mobilă, 3- reper tip coş

Fig.2.13.1 Prinderea

formei pe platourile

unităţii de închidere

1- platou, 2- piesă

distanţieră, 3- placă de

strângere, 4- bolţ,

5- formă

Fig.2.13.2 Prinderea directă a formei: a) şi

b)- secţiuni, c)- vedre pentru secţiunea a)

1- clemă, 2- bolţ, 3- piesă de legătură,

4- formă, 5- platoul unităţii de închidere,

6- şurub de ajustare (reglare), 7- şaibă, 8- bolţ

cu cap în T, 9- piuliţă, 10- tijă pivotantă,

11- placă de asamblare

5

Sistemul magnetic de prindere (Fig.2. 13.3) pe platouri este ideal în cazul

operării la temperaturi ridicate. Este un sistem care necesită 1-2 secunde pentru a

realiza fixarea sau desfacerea formei, este sigur şi eficient chiar în condiţiile în care

forma este fierbinte în momentul demontării.

2.2 Factorii cu efect termic asupra cantităţii de material topit

Referitor la realizarea topiturii şi omogenizarea ei se poate aprecia că

proiectarea şi construcţia unităţilor de plastifiere s-au dezvoltat iniţial pe aceeaşi bază

cu cea a agregatelor de extrudere cu melc, la care s-au adus îmbunătăţiri ca urmare a

particularităţilor procesului, care includ: rotirea intermitentă a melcului, posibilitatea

controlului şi modificării presiunii la retragerea melcului în faza de plastifiere, şi

influenţarea fazei de injecţie în care apar reopante ridicate la trecerea topiturii prin

duza de injecţie şi, ca urmare, încălzirea suplimentară a materialului.

Sursele de încălzire ale materialului polimeric sunt reprezentate de transferul de

căldură de la cilindru şi disiparea vâscoasă a energiei mecanice în canalul melcului şi

în ajutaje. Primul mod de încălzire este preponderent în faza de plastifiere în timp ce,

în cea de injecţie, preponderentă este încălzirea prin frecare vâscoasă.

Fluxul de căldură prin interfaţa dintre cilindru şi material, QC, este dat de

relaţia:

tCC TTAαQ (2.1)

unde este coeficientul parţial de transfer termic la interfaţă, A este aria prin care

polimerul primeşte căldură de la cilindru (de diametru D şi lungime L ), TC este

temperatura cilindrului şi Tt este temperatura materialului termoplastic ce se

încălzeşte (topitura).

Cilindrul nu este încălzit pe toată lungimea. În zona de alimentare este răcit

pentru evitarea aderării, prin topire la suprafaţă, a granulelor polimerice şi înţepenirea

melcului. Dacă se notează cu f factorul ce ţine seama de proporţia din lungimea

cilindrului care este încălzită, atunci:

A f D L (2.2)

Fluxul de căldură, QC, poate fi exprimat şi prin intermediul variaţiei entalpiei

materialului încălzit:

MC QΔHQ (2.3)

unde H este creşterea entalpiei masei de material care s-a încălzit de la o

temperatură T0, cu care materialul a fost alimentat în cilindru, la temperatura pe care o

dorim; QM este debitul masic. Din relaţiile (2.1) şi (2.3) rezultă - într-o primă

aproximaţie - debitul masic de material polimeric prelucrat de maşină la un ciclu:

ΔH

TTαLDπfQ C

M

. (2.4)

Cu ajutorul relaţiei (2.4) se poate estima, cu aproximaţie, cea mai mică serie de

maşini care pot realiza un anumit debit.

O valoare exactă trebuie să ţină seama şi de efectele modificării parametrilor

dependenţi din relaţie ca efect al fenomenului de frecare vâscoasă. Astfel, cantitatea

6

de căldură generată prin frecare vâscoasă pe unitatea de volum, în unitate de timp,

pentru un material termoplastic care este supus unei tensiuni de forfecare şi unei

reopante constante

, este:

γτQvisc . (2.5)

Dacă se cunosc profilul vitezei şi, pe această bază, distribuţia reopantei de-a

lungul canalului, se poate stabili, prin integrare, creşterea de temperatură cauzată de

acest efect, atât în secţiunea canalului cât şi în lungul acestuia.

Să analizăm acum topitura în cele două faze prezentate anterior: plastifierea şi

injecţia. Pentru faza de plastifiere, relaţia (2.3) exprimă puterea maximă necesară

echipamentului pentru a încălzi materialul prelucrat. Atâta vreme cât sistemul de

încălzire al cilindrului este controlat în circuit închis şi fixat la o anumită temperatură

putem admite că, responsabilă de creşterea temperaturii peste valoarea stabilită este

forfecarea. Dacă, căldura generată de forfecare este excesivă (de exemplu, dacă turaţia

melcului creşte pentru a mări gradul de omogenizare) atunci, temperatura reală a

materialului poate uneori depăşi temperatura reglată pentru injecţie, situaţie pe care

sistemul de control al temperaturii nu o poate, de obicei, compensa. În faza de injecţie

temperatura locală (a formei de injecţie) determină valoarea vâscozităţii aparente (a)

şi a căderii de presiune, efecte ce trebuie compensate, ştiind că: vâscozitatea creşte

odată cu presiunea şi simultan topitura transferă căldură către pereţii cavităţii de

injecţie.

2.3 Stabilirea domeniului de funcţionare al formei de injecţie

Forma de injecţie conduce topitura printr-un traseu format prin înserierea unor

canale (ajutaje). Acestea trebuie bine proiectate pentru ca forma să funcţioneze corect.

Proiectarea are la bază interdependenţa factorilor care decid asupra procesului, şi

anume: temperatura topiturii, timpul de umplere şi cel de răcire şi geometria traseului.

Temperatura cu care topitura intră în formă, Tinj, suferă modificări în funcţie de timpul

de umplere, tuf. Astfel, la aceeaşi geometrie a traseului, temperatura topiturii creşte cu

atât mai mult cu cât timpul de umplere este mai scurt (Fig.2.12-a); o umplere foarte

rapidă (curba 1) poate creşte temperatura peste limita acceptată, Tmax,a, caz în care,

materialul poate chiar să depăşească temperatura de degradare termică, Td, sau

prelungeşte timpul de răcire, tr, peste valoarea economică. În cazul unei umpleri foarte

lente (curba 3) temperatura topiturii scade sub valoarea permisă unei formări reuşite,

Tmin,a. Pentru o umplere normală (curba 2) trebuie ca temperatura în formă să

îndeplinească condiţiile:

Tmin,a>Tc şi Tmax,a<Td.

Variaţia temperaturii materialului polimeric la trecerea prin j canale este suma

variaţiilor de temperatură pe fiecare canal astfel că în, final, se obţine:

Tfi = Tinj + Tj (2.6)

Tmax,a = Tinj + Tmax (2.7)

Tmin,a = Tinj + Tmin (2.8)

7

Valoarea temperaturii finale Tfi trebuie să îndeplinească condiţia TfiTmin,a;

Tmax,a pentru a menţine valoarea timpului de răcire în limite economice, ceea ce

înseamnă că atât temperatura de injecţie cât şi variaţiile de temperatură pentru fiecare

canal trebuie bine determinate. Temperatura de injecţie trebuie optimizată astfel încât

pentru un debit dat să rezulte o durată de răcire minimă.

Variaţiile de temperatură în lungul canalelor, Tj, depind de viteza medie de

deplasare a topiturii şi de geometria canalului. Lungimea L şi caracteristica D a

canalelor au efecte invers proporţionale asupra temperaturii finale (Fig.2.12-b) astfel,

odată cu mărirea valorii D variaţia temperaturii în canal scade, pe când creşterea

lungimii L a canalului determină până la o anumită valoare L1 (curba 1) o creştere a

temperaturii până la un maxim, după care scade.

Variaţia totală a temperaturii în canal se calculează cu relaţia generală:

T = T(p) + T(f,i) + T(f,e) + T() (2.9)

în care, T(p) este variaţia temperaturii ca urmare a variaţiei presiunii cu p,

T(f,i) - variaţia temperaturii ca urmare a frecării vâscoase interne,

T(f,e) - variaţia temperaturii ca urmare a frecării externe dintre topitură şi perete,

T() - variaţia temperaturii datorită transferului de căldură prin peretele metalic.

Într-un caz concret, pentru parcurgerea unui traseu de lungime Lt dată, se

întâlnesc următoarele situaţii: în cazul canalelor cu diametru mic (Fig. 2.12-b, curba 1)

se atinge o temperatură finală T1 mai mare ca Tmin,a, în timp ce, în cazul canalelor cu

diametru mare (fig. 2.12-b, curba 3), temperatura finală se situează sub valoarea

minimă admisibilă, Tmin,a. Cea mai economică soluţie pentru parcurgerea lungimii Lt

este cea reprezentată de curba 2 (Fig. 2.12-b), în care valoarea temperaturii finale T2

este egală cu valoarea Tmin,a.

Trebuie menţionat faptul că lungimea traseului este condiţionată din punct de

vedere tehnologic şi geometric.

Pentru realizarea produsului se impune tehnologic o succesiune de canale a

căror lungime, Lteh, reprezintă limita inferioară a traseului (de exemplu, la injecţia

punctiformă Lteh este suma lungimilor duzei, pragului şi cavităţii). Limita superioară,

Lgm, reprezintă valoarea maximă posibilă a traseului condiţionată de dispunerea

cavităţilor şi geometria platourilor de fixare ale formei.

8

a)

b)

Fig.2.12 Interdependenţa principalilor factori care influenţează stabilirea domeniului

de funcţionare al formei de injecţie; a)- evoluţia temperaturii finale, Tfi, în raport cu

timpul de umplere; b)- evoluţia temperaturii finale, Tfi, în raport cu lungimea, L, şi cu

dimensiunea caracteristică a canalelor, D; curbele au următoarele semnificaţii:

1- umplere foarte rapidă, 2- umplere normală, 3- umplere foarte lentă, 4- Tfi

corespunzătoare lui D1, 5- Tfi corespunzătoare lui D2>D1, 6- Tfi corespunzătoare lui

D3>D2, Lt – lungimea traseului de curgere a topiturii

În consecinţă, domeniul de funcţionare al formei de injecţie rezultă sub forma

dreptunghiului ABCD din figura 2.13 pe care se disting cele patru mărimi limitative

caracteristice: valorile minimă şi maximă ale temperaturii topiturii în canale şi

lungimile lor tehnologic şi geometric posibile.

9

Fig.2.13 Domeniul de funcţionare al FI

Lteh – lungimea L limitată tehnologic, Lgm – lungimea L limitată geometric