Конструкторско-технологическая оптимизация литьевой детали «крышка»

Краткая характеристика объекта оптимизации

Объектом оптимизации служила литьевая деталь «крышка» массой 320 г, усиленная в двух местах закладными латунными резьбовыми втулками диаметром 29,5 мм, расположенными по оси z симметрично относительно впускного литника (см. рис. 1 и титульное фото). Еще одна, внешняя, резьба диаметром 100 мм имеется на основании крышки, которая завинчивается в цилиндрический корпус с картриджем для фильтрации нагретой до 90° воды с последующей ее транспортировкой через отверстия с резьбовыми втулками под давлением 25–30 атм.

В качестве полимерного материала был выбран полиамид ПА6, наполненный стеклянными волокнами в количестве 20 % (ПА6 СВ-20) и, с точки зрения его прочности и теплостойкости, удовлетворявший условиям эксплуатации. Деталь отливали в одногнездной холодноканальной форме по режиму, рекомендованному для выбранного полимерного материала.

Анализ возможных причин возникновения брака и мероприятия по его устранению

Необходимость проведения конструкторско-технологической оптимизации этой детали была связана с недопустимо большим количеством необратимого брака по критерию «капельная течь», которая проявляется при испытании на гидравлическом стенде. Брак с этим видом дефекта составляли 22 % деталей. Вода под указанным выше большим внутренним давлением просачивалась, очевидно, через поверхность контакта полимерного материала с втулками и на наружной торцевой поверхности вокруг втулок выступала в виде мелких капелек, напоминая запотевание.

В начале анализа было сделано предположение, что причиной утечек и, соответственно, негерметичности крышек является плохая адгезия полимерного материала к латуни, даже при наличии кольцевых выступов на наружной цилиндрической поверхности втулок для усиления места соединения. И что именно по границе между втулкой и полимерным материалом происходит просачивание воды при подаче давления изнутри корпуса с крышкой, о чем свидетельствует запотевание на наружной торцевой поверхности вокруг втулок в процессе гидравлических испытаний крышек. Поэтому первой, относительно простой, мерой по повышению герметичности соединения было выбрано нанесение краски-адгезива на наружную поверхность латунных закладных деталей перед их размещением в форме. Эта мера, действительно, позволила уменьшить количество брака, но всего лишь до 17 %, что, с одной стороны, не могло устроить производителя, а с другой стороны, подтвердило предположение о том, что наиболее слабым местом в конструкции крышки с точки зрения ее негерметичности является именно место соединения полимерного материала и втулки.

Очевидно, наиболее вероятной причиной капельной течи является трещинообразование в приповерхностном слое полимерного материала, прилегающем к втулке, вызываемое высоким уровнем остаточных напряжений в этом слое. В качестве объекта дальнейшего анализа был выбран некий объем полимерного материала рядом с втулкой (рис. 2). А затем, опираясь на литературные данные и собственный опыт автора [1–5], были выделены нижеперечисленные, наиболее опасные для качества детали, три вида остаточных напряжений (см. рис. 2).

Напряжения I вида (s_I) – тангенциальные макронапряжения растяжения в полимерном материале как сплошном теле, обусловленные различием термоупругих свойств полимерного материала и латунной втулки и вызванные при охлаждении отливки стеснением термической усадки полимера латунной втулкой, у которой значение коэффициента термического линейного расширения (КТЛР) почти в 5 раз меньше, чем у полимерного материала.

Напряжения II вида (s_II) – тангенциальные макронапряжения сжатия-растяжения в полимерном материале как сплошном теле, характерные для любой отливки, возникающие из-за ее неравномерного охлаждения по сечению [4, с. 177–180].

Напряжения III вида (s_III) – тангенциальные микронапряжения растяжения в межволоконном объеме полимерной матрицы. Их происхождение практически аналогично происхождению напряжений I вида, только объектом, стесняющим деформации полимера при его термической усадке, является не втулка, а армирующие стеклянные волокна, ориентированные при литье в направлении оси z, если учесть расположение точки впрыска (см. рис. 1 и 2).

Наиболее опасными напряжения s_I и s_III выглядят по своему знаку (+), поскольку являются растягивающими, что, как известно, провоцирует трещинообразование в полимерном материале. Сложнее с остаточными напряжениями s_II, которые в срединной части отливки растягивающие (+), а в поверхностных слоях – сжимающие (–) (см. рис. 2). Их количественное определение сопряжено с необходимостью использования сложных расчетных схем и прецизионных бесконтактных измерительных средств. Что касается остаточных микронапряжений растяжения s_III, то, по результатам ориентировочного расчета, их максимальная величина может превышать 40 МПа, что немногим меньше половины прочности при растяжении ПА6. Следует учитывать также и тот факт, что, поскольку стекловолокна при литье ориентируются вдоль оси z, эти напряжения действуют в самом невыгодном для прочности полимера направлении – тангенциальном, как и напряжения s_I и s_II. И поскольку все три вида описанных остаточных напряжений имеют одну направленность – тангенциальную (окружную), их можно векторно складывать, т.е. суммировать по величине.

Так что можно с полным основанием предположить, что суммарное действие этих напряжений является причиной трещинообразования в приповерхностном слое полимерного материала, прилегающем к втулке, и, как следствие, негерметичности крышки. К ним следовало бы добавить и осевые остаточные напряжения растяжения в том же слое – в направлении оси z (см. рис. 2), причиной которых является та же термическая усадка, что в случае s_II [2]. Об их величине сказать затруднительно, но в любом случае они наверняка усиливают отрицательный эффект действия упомянутых. Существуют и остаточные радиальные напряжения сжатия в полимерном материале, охватывающем втулку, а также в полимере, охватывающем волокно. Однако было решено не принимать их во внимание ввиду их знака, благоприятного, как известно, для трещиностойкости материала.

Возвращаясь к остаточным напряжениям s_I, следует заметить, что их величина может быть приблизительно рассчитана, исходя из разности КТЛР полимерного материала и латуни с учетом литьевой усадки ПА6 СВ-20, равной 1,1 %. По мере охлаждения от температуры литья до 20 °С слой полимерного материала стремится уменьшить свои размеры, но латунная втулка препятствует его свободной усадке. Поскольку КТЛР латуни, как упоминалось выше, почти в пять раз меньше, чем у ПА6 СВ-20, а модуль упругости латуни гораздо выше, можно в первом приближении допустить, что латунная втулка не меняет свои размеры. Согласно формулам Ламе – Гадолина для определения окружных напряжений в толстостенных сосудах, максимальные напряжения в полимерном материале возникают в зоне, прилегающей к наружной поверхности несжимаемой втулки. В этом слое относительная окружная деформация растяжения ПМ, сдерживаемая втулкой, составляет 1,35 % Отсюда, зная модуль упругости при растяжении ПА6 СВ-20, можно рассчитать максимальное значение s_I, которое оказалось равным достаточно большой величине – около 37 МПа.

Для локализации и прекращения роста трещин в полимерной среде часто используют принцип эластифицирования с использованием частиц каучука (например, в АБС-пластике, ударопрочном ПС, морозостойком ПП и др.). После ознакомления с марочным ассортиментом стеклонаполненных полиамидов нескольких компаний-производителей была подобрана каучукосодержащая композиция, выпускаемая НПП «Полипластик» с 15 % стекловолокна. Опытная партия крышек, отлитых с использованием этого полимерного компаунда, дала положительный результат – брак снизился сразу с 17 до 5 %. Частицы каучука, несомненно, уменьшили трещинообразование от всех трех видов напряжений, но не исключили брак полностью. Вместе с тем эти результаты подтвердили наше предположение о том, что первопричиной негерметичности крышек с латунными втулками являются именно остаточные напряжения в полимерном материале, обжимающем втулки.

Если проанализировать происхождение всех трех видов остаточных напряжений (s_I–s_III) и их эпюры (см. рис. 2), то напрашивается вывод о том, что лишь напряжения s_I могут быть полностью устранены путем кардинального изменения конструкции детали – отказа от использования металлических втулок и формирования резьбы при литье непосредственно в полимерном материале (рис. 3). Правда, это был довольно непростой шаг, так как для этого пришлось спроектировать и изготовить новую литьевую форму с вывинчиваемыми знаками под две резьбы, что потребовало больших затрат времени и средств. Два других вида остаточных напряжений в нашем случае были неустранимы, да в этом, как оказалось, и не было необходимости.

Затем была проведена работа по модернизации формы, и в итоге, после отработки технологии литья крышек в новой форме с тремя резьбовыми знаками, брак, вызываемый капельной течью, исчез полностью.

Выводы

1. Успешно проведена работа по снижению уровня брака, вызываемого дефектом «капельная течь» при литье под давлением в цеховых условиях деталей «крышка» из стеклонаполненного полиамида ПА6-СВ20 с закладными резьбовыми деталями из латуни.
2. При изготовлении данных деталей возникают три вида остаточных напряжений – s_I–s_III, из которых наиболее опасными и приводящим к трещинообразованию и потере герметичности крышек являются тангенциальные напряжения растяжения s_I в поверхностном слое полимерного материала, прилегающем к втулкам.
3. В результате реализации комплекса мер по повышению адгезии полимерного материала к втулкам, изменению состава полимерной композиции и, наконец, оптимизации конструкции детали и литьевой формы удалось поэтапно снизить брак с 22 до 0 %.
4. Наряду с повышением качества продукции была снижена ее себестоимость благодаря отказу от покупных латунных закладных элементов и снижению трудозатрат на их установку в форму, что позволило компенсировать затраты на модернизацию литьевой формы.

Литература

1. Виноградов В. М. Остаточные напряжения в изделиях из пластмасс / В книге «Термопласты конструкционного назначения». – М: Химия, 1975. – 240 с.
2. Виноградов В. М. Технологические напряжения и способы управления ими / В книге «Полимерные композиционные материалы: структура, свойства, технология» под ред. А. А. Берлина. – СПб: Профессия, 2014.– 592 с.
3. Ложечко Ю. П. Исследование остаточно-напряженного состояния отливок из пластмасс (на примере литья под давлением полистирола), Кандидатская диссертация, Л, ЛТИ имени Ленсовета, 1973 – 179 с.
4. Ложечко Ю. П. Литье под давлением термопластов. СПб: Профессия, 2019. – 240 с.
5. Ложечко Ю. П. Остаточно-напряженное состояние отливок из пластмасс (ч. 1 и 2). – Портал Polyprofi.ru, 2021.

Опубликовано в журнале «Полимерные материалы» № 1 (308) 2025 г., с. 18-22.