Литниковые системы. 
Общие положения

Основное назначение литниковой системы:

• — транспортирование расплава от сопла к форме за минимально короткое время;
• — создание наиболее благоприятных условий для интенсивного и качественного заполнения расплавом оформляющей полости.

От конструкции литниковой системы зависят:

производительность процесса (возможно, изменение времени впрыска материала);

качество изделия (ориентация материала, линии холодного спая, однородность температуры расплава);

• — экономия полимера;
• — экономия затрат на механическую обработку.

Классификацию литниковых систем принято проводить по следующим квалификационным признакам.

• 1. По агрегатному состоянию литников:
  • — с затвердевающими литниками (холодноканальные формы); незатвердевающими литниками (горячеканальные формы);
  • — частично затвердевающими литниками (комбинированные формы).
• 2. По структуре элементов литниковой системы (рис. 4.28):
  • — основной литник (центральный);
  • — разводящий литник (ответвляющийся от основного в сторону изделия);
  • — впускной литник (соединяющий разводящий литник и форму).

Рис. 4.28. Основные элементы литниковой системы:

1 — литниковая втулка с основным каналом; 2 — основной или центральный литник; 3 — плита литниковая; 4 — разводящий литник; 5 — впускной литник; 6 — изделие В зависимости от характера изделия могут быть либо все три элемента, либо:

• — основной и впускной литники;
• — только основной литник;
• — только впускной литник.
• 3. По расположению разводящих и впускных каналов:
  • — прямолинейное расположение (рис. 4.29, а) характеризуется большим числом гнезд при малой массе литников, заполнение гнезд происходит неравномерно, вследствие чего изделия получаются разного качества;
  • — радиальное расположение (рис. 4.29, б) характеризуется одновременным заполнением всех гнезд, что обеспечивает одинаковое качество изделий, при увеличении числа гнезд резко увеличиваются разводящие литники, данное расположение не всегда конструктивно удобно;

Рис. 4.29. Схемы расположения литниковых каналов при производстве изделий с близкими размерами по длине и ширине:

а — прямолинейное; б — радиальное; в — радиальное с разветвляющимися разводящими каналами; г — комбинированное; д — рядное.

— радиальное с разветвляющимися разводящими каналами (рис. 4.29, в) во многом аналогично радиальному расположению, однако частично компенсирует главный недостаток этого расположения — резкое увеличение разводящих литников при увеличении числа гнезд;

комбинированное (рис. 4.29, г) — обеспечивает одновременное заполнение всех гнезд и, следовательно, одинаковое качество изделий, при большом количестве гнезд более экономично, чем радиальное расположение;

параллельное (рис. 4.30) — это расположение применяется только для деталей вытянутой формы;

• — рядное (рис. 4.29, д) — применяется для мелких неответственных изделий, так как характеризуется не одновременным заполнением гнезд и различными свойствами получаемых изделий.
• 4. По сбалансированности системы:
  • — сбалансированные литниковые системы, которые характеризуются одновременным заполнением всех гнезд формы расплавом полимера;
  • — несбалансированные системы.

Необходимо различать многогнездные и семейные формы. В многогнездных формах одновременно формуются несколько одинаковых изделий. В семейных формуются несколько различных изделий, собранных в одну форму по какому-либо признаку.

Рис. 430. Схемы расположения литниковых каналов при производстве изделий, у которых длина значительно превышает ширину:

а — для двухгнездной формы; б — для четырехгнездной формы Литниковые системы с разводящими каналами могут применяться не только при получении изделий в многогнездных формах, но и при формовании одного изделия с большими габаритами. Это помогает уменьшить длину течения материала, понизить давление впрыска материала, а во многих случаях и улучшить свойства формуемого изделия.

При создании литниковых систем необходимо иметь в виду, что на основании большого практического опыта выработаны следующие основные правила организации потоков течения полимера в формах.

1. Однонаправленность потока и его контролируемость. Принцип однонаправленности течения предполагает, что расплав полимера должен течь в одном направлении на протяжении всего процесса заполнения формы. Это приводит к однонаправленной ориентации макромолекул в готовом изделии и повышает его физико-механические показатели.

Рассмотрим возможность формования большой прямоугольной коробки, схематически представленной на рис. 4.31, а (слишком большой для того, чтобы формующую полость можно было бы заполнить из одного впуска). Одна из возможных схем — размещение впусков в каждом углу (рис. 4.31, б). В этом случае сразу возникает проблема с воздушной «ловушкой» в центре. Выход может быть найден при использовании дополнительного впуска, как показано на рис. 4.31, в. Рассмотрим картину заполнения в этом случае. Представим себе ранние этапы фазы заполнения, когда «диски» расплава разрастаются из каждого впуска. В некоторый момент центральный впускной литник будет блокирован потоками из литников, расположенных по углам. Таким образом, возникнет очень сложный характер течения с изменением направления потоков. А это приводит к нежелательным ориентационным явлениям. Наиболее оптимальным образом формующая полость может быть заполнена через ряд впусков, расположенных поперек верхней стороны (рис. 4.31, г). Правда, в этом случае необходимо использовать отклоняющие толщины для достижения сбалансированного течения. О методе отклоняющих толщин будет рассказано ниже (см. правило 8).

Рис. 4.31. Схема нескольких вариантов впусков материала для достижения однонаправленного движения расплава полимера.

• 2. Сбалансированность потоков. То есть надо стремиться к тому, чтобы все пути потоков были сбалансированы и заполнение всех гнезд в многогнездных формах или всего пространства одногнездных форм потоками расплава полимера происходило бы одновременно при одинаковом давлении.
• 3. Постоянный градиент давления. Конструкция литниковой системы должна способствовать тому, чтобы падение давления в потоке было постоянным по всему пути.
• 4. Ограничение уровня сдвиговых напряжений. Максимальные напряжения сдвига, возникающие при течении материала, не должны превышать критического уровня.
• 5. Единое время охлаждения (отверждения для реактопластов). Литниковая система наряду с системой термостатирования должна обеспечивать одинаковое время охлаждения по всему изделию.
• 6. Отсутствие эффектов замедления потоков. Конструкция литниковой системы должна по возможности не допускать эффектов замедления потоков, вызываемых резкими сужениями, поворотами и другими местными сопротивлениями.

Для понимания эффекта замедления потока рассмотрим пример, приведенный на рис. 4.32. Полимер поступает из впускного литника, и фронт потока достигает тонкой стенки. В этот момент давление еще не достаточно для заполнения этой тонкой области, а полимер имеет альтернативный путь по толстой стенке. Полимер, попавший в тонкую часть, останавливается и не продвигается дальше, пока заполняется остальная часть формы. Когда форма почти заполняется, полное давление впрыска позволяет заполнить тонкую стейку, но так как полимер уже остыл, тонкая область может быть заполнена только частично.

Рис. 432. Пример эффекта замедления потока:

внешний вид (а) и разрез детали (6)

• 7. Предотвращение появления дополнительных потоков, так как это приводит к нарушению структуры материала и ухудшению внешнего вида поверхности изделия. Пример возникновения дополнительного потока приведен на рис. 4.33.
• 8. Балансировка с помощью толщин направляющих и отклоняющих потоки. Рассмотрим для примера формование небольшой прямоугольной коробки (рис. 4.34, а). Наиболее очевидным решением является размещение единственного впуска в центре днища. В этом случае можно выделить три основных пути потока (рис. 4.34, б), причем потоки получаются несбалансированными. Давление потоков к углам должно быть выше, чем давление потоков к сторонам. Этого можно избежать, увеличивая толщину стенки (направляющая толщина) для ускорения течения к углам (рис. 4.34, в) или уменьшая толщину стенки (отклоняющая толщина) для ограничения потока к сторонам (рис. 4.34, г).

Рис. 4.33. Схема возникновения дополнительных потоков:

1 — места впрыска полимера; 2 — направление дополнительных потоков расплава полимера.

Рис. 4.34. Схема заполнения формы с использованием направляющих и отклоняющих толщин:

1, 2, 3 — направления потоков К недостатком использования направляющих толщин можно отнести:

• — увеличение затрат материала;
• — увеличение времени охлаждения (отверждения для реактопластов), что может привести к короблению изделия из-за неравномерного охлаждения (отверждения).

С другой стороны, применение направляющих толщин:

• — снижает уровень остаточных напряжений в районе впускного литника;
• — позволяет использовать более низкое давление литья;
• — улучшает балансировку.

Отклоняющие толщины снижают расход материала, улучшают балансировку, не изменяют время охлаждения (отверждения) в области впуска, однако требуют повышения давления литья.

• 9. Балансировка потоков расплава полимера с помощью литниковой системы. Подобная балансировка может быть достигнута следующим образом:
  • — увеличением сечения литников, наиболее удаленных от центрального литника;
  • — уменьшением длины разводящих литников, наиболее удаленных от центрального литника;
  • — вариацией двух перечисленных выше методов.
• 10. Учет диссипативных выделений тепла в литниковой системе.
• 11. Создание системы охлаждения, обеспечивающей своевременное застывание литников.
• 12. Приемлемое состояние литниковых каналов и оформляющих полостей форм.
• 13. Необходимость учета возможности возникновения линий холодного спая. Линии спая образуются, когда встречаются два фронта потоков, а следовательно, в формах с несколькими впусками линии спая неизбежны. Даже когда эти линии не влияют на внешний вид изделия, они создают в нем области пониженной прочности, так как действуют как концентраторы напряжений. Обычно линии спая стараются получить в наименее чувствительной области изделия с учетом как структурных, так и эстетических требований.
• 14. Необходимость учета возможности появления на изделии следов течения. Следы течения подобны линиям спая, но при этом фронты потоков полимера двигаются в параллельном направлении.