Облой при Литье под Давлением — Причины, Усилие Смыкания и Контроль Технологического Окна

Технолог-наладчик производителя электрических компонентов стоит перед термопластавтоматом усилием 250 тонн, работающим с 4-гнёздной формой для корпусов разъёмов из ПК/АБС. Детали выходят с тонкой плёнкой пластика по линии разъёма — толщиной примерно 0,08–0,15 мм, выступающей на 3–5 мм от края детали в каждой из четырёх полостей. Облой приходится удалять вручную оператором с помощью ножа для зачистки, что добавляет примерно 6 секунд ручного труда на каждый впрыск — 4,500 впрысков в день — что составляет 7,5 часов дополнительной работы в смену, или примерно ¥24,000 в месяц при местных ставках оплаты труда.

Технолог увеличивает усилие смыкания с 200 до 240 тонн. Облой становится тоньше — с 0,15 мм до 0,08 мм — но не исчезает. При 250 тоннах, максимальном усилии машины, облой всё ещё присутствует на уровне 0,05–0,06 мм. Спецификация входного контроля заказчика допускает линию разъёма не толще 0,03 мм без выступающего материала. При 0,05 мм каждый впрыск является косметическим браком.

Коренная причина — не недостаточное усилие смыкания. Коренная причина — несовпадение плоскости разъёма на 0,04 мм, вызванное локальным износом формы по краям полостей после примерно 180,000 циклов, усугублённое температурой расплава на 18 °C выше рекомендованного поставщиком материала максимума — что снизило вязкость ПК/АБС с заданных 240 Па·с до примерно 160 Па·с, позволив низковязкому расплаву проникнуть в зазор плоскости разъёма, в который расплав с нормальной вязкостью не вошёл бы.

Что такое облой — и о чём он говорит

Облой — это пластиковый материал, который выходит из полости формы и застывает в плоскости разъёма, вокруг толкателей, вдоль поверхностей ползунов или в вентиляционных каналах. Он выглядит как тонкая плёнка, заусенец или паутинка материала, прикреплённая к детали на поверхности разъёма формы. В отличие от недолива (недостаточно материала) или утяжин (слишком большая локальная усадка), облой — это материал, попавший туда, куда он не должен был попасть — он покинул замкнутый объём полости и вошёл в пространство, которое должно было быть герметичным.

Облой — это сигнал. Он говорит вам, что в какой-то момент цикла литья давление в полости в конкретном месте превысило уплотняющее усилие, удерживающее форму закрытой. Это уплотняющее усилие исходит из двух источников: усилия смыкания, удерживающего половины формы вместе, и механической жёсткости стали формы, сопротивляющейся локальному прогибу. Когда давление в полости в любой точке превышает комбинацию распределения усилия смыкания и локальной жёсткости формы, поверхности формы микроскопически расходятся — и расплавленный пластик под давлением впрыска затекает в зазор.

Зазор, необходимый для образования облоя, на удивление мал. Для низковязкого материала, такого как ПА6 при стандартной температуре переработки, зазор плоскости разъёма 0,01–0,02 мм достаточен для образования облоя. Для материалов с более высокой вязкостью, таких как ПК или ПК/АБС, порог составляет примерно 0,03–0,05 мм. Для высоконаполненных материалов с пастообразной вязкостью (ППС 30 % СВ, высоконаполненные компаунды ПЭЭК) порог зазора может составлять 0,05–0,08 мм — наполненный материал слишком вязок для проникновения в очень малые зазоры.

Физика: давление в полости против усилия смыкания

Во время впрыска и подпитки давление пластика внутри полости действует на каждую поверхность полости. Сила, пытающаяся открыть форму — это давление в полости, умноженное на проекцию площади детали (плюс литниковая система) на плоскость разъёма. Сила, удерживающая форму закрытой — это усилие смыкания термопластавтомата.

Фундаментальное условие облоя:

Давление в полости (МПа) × Проекция площади (см²) > Эффективное усилие смыкания (кН) в данном месте

Но это не простая проверка «да/нет» на уровне машины. Усилие смыкания распределяется неравномерно по поверхности формы. Усилие прикладывается рычажным или гидравлическим механизмом смыкания через крепёжную плиту, и плита прогибается под нагрузкой — центр плиты выгибается наружу под усилием смыкания, снижая эффективное смыкание в центре формы. Колонны машины растягиваются, плиты формы изгибаются, и локальное давление смыкания у края полости может быть значительно ниже номинального давления, рассчитанного делением тоннажа смыкания на площадь основания формы.

Облой обычно появляется в месте максимального давления в полости — которое не обязательно является центром детали. Это место, где локальное давление в полости превышает локальное давление смыкания плюс сопротивление стали формы прогибу. Форма с недостаточными опорными колоннами за полостью или с недостаточной толщиной плит будет локально прогибаться под давлением в полости, даже если общий тоннаж смыкания машины теоретически достаточен.

Шесть коренных причин облоя

Облой имеет множество независимых причин. Корректирующее действие зависит от определения доминирующей причины — борьба с облоем от изношенной плоскости разъёма путём увеличения усилия смыкания может временно уменьшить облой, но ускоряет вызвавший его износ.

Причина 1: Недостаточное усилие смыкания

Это первое, что проверяет каждый технолог, и не зря — это самая распространённая причина облоя в формах, работающих на машинах, близких к пределу их способности смыкания.

Требуемое усилие смыкания рассчитывается как:

Требуемое усилие смыкания (тонн) = Проекция площади (см²) × Давление в полости (бар) × 0,00102

Проекция площади — это площадь детали (плюс литниковая система), спроецированная на плоскость разъёма — не площадь поверхности детали. Для прямоугольной детали 150 × 100 мм с 4-гнёздной формой и литниковой системой диаметром 6 мм проекция площади составляет примерно:

Давление в полости зависит от материала и процесса. Типичные пиковые давления в полости:

Для примера с ПК/АБС, 4 гнезда и 640 см² проекции площади — при пиковом давлении в полости 480 бар — требуемое усилие смыкания:

640 × 480 × 0,00102 = 313 тонн

Если машина 250 тонн, усилие смыкания недостаточно примерно на 63 тонны. Эту форму вообще не следовало устанавливать на эту машину — она требует как минимум 350- или 400-тонную машину.

Правило коэффициента запаса: закладывайте усилие смыкания в 1,2–1,3× от расчётной потребности. Теоретическая потребность 313 тонн означает машину 380–400 тонн. Коэффициент запаса учитывает вариацию процесса, различия вязкости партий материала и неравномерное распределение усилия смыкания по поверхности формы.

Причина 2: Повреждение или износ плоскости разъёма

Плоскость разъёма формы — это прецизионная поверхность. Две половины формы отшлифованы плоско, и поверхности разъёма вокруг каждой полости обычно зачищены или отшлифованы до плоскостности 0,01–0,02 мм по площади уплотнения. После 100,000–500,000 циклов, в зависимости от стали формы, абразивности материала и практики смыкания, плоскость разъёма изнашивается — и износ неравномерен.

Износ концентрируется в определённых местах:

• Край полости, где ширина плоскости разъёма наиболее узкая
• Места, где облой от предыдущих циклов был впечатан в поверхность разъёма, создавая микровмятины
• Поверхности ползунов и выталкивателей, которые открываются и закрываются с каждым циклом
• Отверстия толкателей с изношенным зазором

Плоскость разъёма, отшлифованная до плоскостности 0,01 мм в новом состоянии, может развить локальный зазор 0,03–0,05 мм у края полости после 200,000 циклов. Зазор невидим невооружённым глазом при цеховом освещении, но он достаточно глубок, чтобы ПК проник под давлением впрыска.

Обнаружение: Остановите форму, очистите поверхности разъёма, нанесите тонкий слой берлинской лазури (тушь для притирки), закройте форму при полном усилии смыкания без впрыска, откройте и проверьте пятно контакта. Области, где лазурь не перенеслась, указывают на зазор в плоскости разъёма — эти места будут давать облой.

Корректирующее действие: При незначительном износе (зазоры <0,03 мм) локальная шлифовка или ручная доводка поверхности разъёма могут восстановить плоскостность. При зазорах >0,03 мм форму необходимо разобрать, а поверхности разъёма перешлифовать. При глубоком износе у края полости требуется ремонт сваркой с последующей механической обработкой и шлифовкой. Типичная стоимость: ¥3,000–8,000 за локальную шлифовку, ¥15,000–40,000 за ремонт сваркой и переобработку, в зависимости от размера формы и типа стали.

Причина 3: Давление и скорость впрыска вне технологического окна

Каждая комбинация материала, формы и машины имеет технологическое окно — диапазон давлений и скоростей впрыска, в пределах которого форма герметична и деталь полностью заполняется. Вне этого окна появляется облой.

Верхняя граница технологического окна — предел облоя — давление впрыска, при котором давление в полости в самом слабом месте плоскости разъёма превышает локальное усилие смыкания. Предел облоя специфичен для комбинации форма-машина-материал. Работа одной и той же формы на разных машинах может сдвигать предел облоя из-за различий в жёсткости плит и распределении усилия смыкания.

Факторы, сдвигающие процесс к пределу облоя:

1. Чрезмерная температура расплава. Более горячий расплав имеет меньшую вязкость, проникает в меньшие зазоры плоскости разъёма и требует меньшего давления для образования облоя. Вязкость ПК падает примерно на 35–50 % на каждые 20 °C повышения температуры расплава выше средней точки диапазона. Технолог, повышающий температуру расплава для улучшения заполнения тонких рёбер, одновременно снижает порог облоя.
2. Чрезмерная скорость впрыска. Более высокая скорость впрыска создаёт более высокий пик давления в полости в конце заполнения — внезапное торможение фронта расплава создаёт скачок давления, который может кратковременно превысить усилие смыкания, даже когда установившееся давление подпитки находится в допустимых пределах.
3. Чрезмерное давление подпитки (выдержки). Давление подпитки действует на весь объём полости. Давление выдержки 80 МПа (800 бар) на 640 см² проекции площади требует 522 тонны усилия смыкания — больше, чем могут обеспечить многие машины среднего тоннажа. Настройка давления выдержки должна учитывать доступное усилие смыкания.
4. Завышенный объём впрыска. Чрезмерная подушка (материал, остающийся в цилиндре после впрыска) или завышенный объём могут вызвать переуплотнение в конце заполнения, создавая скачок давления, вызывающий облой.

Диагностический тест: Проведите исследование застывания литника (варьируйте время выдержки, измеряйте вес детали) в сочетании с тестом снижения усилия смыкания (снижайте усилие шагами по 5 %, наблюдайте появление облоя при каждой настройке). Пересечение двух кривых определяет границы технологического окна.

Причина 4: Прогиб формы под давлением в полости

Форма не является бесконечно жёсткой. Под давлением в полости плиты формы изгибаются. Прогиб в центре полости — где неподдерживаемый пролёт наибольший — может составлять 0,02–0,10 мм в зависимости от толщины плит формы, расположения опорных колонн и давления в полости. Этот прогиб открывает зазор в плоскости разъёма, непосредственно у полости, где находится пластик.

Прогиб формы — наиболее частая причина облоя, который не поддаётся увеличению усилия смыкания. Если плита формы прогибается под давлением в полости, увеличение усилия смыкания с 200 до 250 тонн не устраняет прогиб — оно может немного уменьшить зазор, но плита формы продолжает прогибаться, поскольку усилие смыкания приложено к внешней стороне формы, а не непосредственно за полостью.

Решение проектирования формы — опорные колонны: закалённые стальные стойки, расположенные непосредственно за полостью, соединяющие плиту полости с задней плитой, обеспечивая прямую механическую опору в месте пикового давления в полости. Форма без опорных колонн за полостью полагается только на жёсткость изгиба плиты полости. Форма с опорными колоннами с шагом 60–80 мм передаёт давление в полости непосредственно на заднюю плиту через колонны, снижая прогиб на 60–80 %.

Сама задняя плита должна иметь адекватную толщину. Эмпирическое правило: толщина задней плиты должна составлять 1,5–2,0× максимального неподдерживаемого пролёта между опорными колоннами или крепёжными пазами, с минимумом 40 мм для форм до 400 × 400 мм и 60–80 мм для более крупных форм.

Причина 5: Слишком глубокая вентиляция

Вентиляционные каналы — это преднамеренные зазоры в плоскости разъёма — обычно глубиной 0,01–0,03 мм — которые позволяют воздуху выходить из полости во время заполнения. Если вентиляционный канал выполнен слишком глубоким, он сам становится путём для облоя: зазор достаточно велик, чтобы расплав вошёл и застыл, создавая тонкий ус материала в месте вентиляции.

Пределы глубины вентиляции по материалам:

Вентиляция, дающая облой, слишком глубока. Корректирующее действие — уменьшить глубину вентиляции — обычно путём переобработки вентиляционного уступа (плоский участок у края полости, перед тем как вентиляционный канал переходит в более глубокую разгрузку) до правильной глубины для материала.

Причина 6: Изношенный зазор толкателей или ползунов

Толкатели и ползуны имеют эксплуатационные зазоры — обычно 0,01–0,02 мм на сторону для толкателей и 0,02–0,04 мм для ползунов. После длительного циклирования зазор увеличивается из-за износа как толкателя/ползуна, так и отверстия/направляющей. Когда зазор превышает примерно 0,03 мм для низковязких материалов или 0,05 мм для материалов с более высокой вязкостью, облой может образовываться вокруг толкателя или вдоль поверхности ползуна.

Облой толкателя выглядит как тонкое кольцо материала вокруг головки толкателя на поверхности детали. Облой ползуна выглядит как ус вдоль линии разъёма ползуна, перпендикулярно основной линии разъёма.

Корректирующее действие: Заменить изношенные толкатели (¥50–200 за толкатель) и развернуть или запрессовать втулки в изношенные отверстия. Для ползунов переобработать поверхности износа и переподогнать ползун к его направляющей. В тяжёлых случаях наварить изношенные поверхности сваркой и переобработать до исходных размеров.

Последовательность диагностики

При появлении облоя систематический подход к устранению неисправностей:

Когда облой допустим?

Почти никогда. В отличие от утяжин, которые имеют косметические допуски по классам, или линий спая, которые можно разместить в зонах низких напряжений, облой — это фундаментальный дефект: материал, которого не должно быть на детали. Единственное исключение — применения, где линия разъёма допустима и деталь механически функциональна (Класс C или промышленный), в этом случае след линии разъёма (поверхностная метка, не выступающий ус) может быть приемлемым.

Однако облой никогда не допустим, когда:

• Деталь относится к косметическому классу A (видимая, критическая поверхность)
• Облой мешает сборке (препятствует правильной посадке деталей, блокирует крепёжные бобышки)
• Облой создаёт острую кромку, представляющую опасность при обращении или угрозу безопасности
• Место облоя является уплотнительной поверхностью (канавка под прокладку, поверхность под уплотнительное кольцо, сопрягаемый фланец)
• Облой попадает в функциональный зазор (зазор живого шарнира, фиксирующий элемент защёлки)

Технолог производителя электрических компонентов в итоге выявил две независимые причины с помощью последовательности диагностики. Во-первых, осмотр формы выявил зазор 0,04 мм в плоскости разъёма по краям полостей — локальный износ после 180,000 циклов от абразивной марки ПК/АБС. Поверхности разъёма были локально отшлифованы для восстановления плоскостности (¥5,000, два дня простоя). Во-вторых, температура расплава была снижена с 288 °C до 268 °C — в пределах рекомендованного поставщиком диапазона 260–280 °C — что увеличило вязкость расплава примерно на 40 % и подняло порог зазора для образования облоя с 0,04 мм до примерно 0,06 мм.

После ремонта и корректировки процесса форма производила безоблойные детали при усилии смыкания 200 тонн — значительно ниже возможностей 250-тонной машины. Оператор, выполнявший ручную зачистку облоя, был переведён на контроль качества, что сэкономило ¥24,000 в месяц затрат на рабочую силу. Прогнозируемый ресурс формы составил ещё 150,000–200,000 циклов до следующего обслуживания плоскости разъёма.

Облой — это не проблема усилия смыкания, которая случайно проявляется на линии разъёма. Это проблема зазора, которую выявляет усилие смыкания. Найдите зазор — будь то недостаточный тоннаж, износ формы, локальный прогиб или слишком глубокая вентиляция — и вы найдёте решение.

Обсудить проблему облоя на вашей форме →