 Среди актуальных инженерных задач, которые должны быть решены при проектировании, изготовлении и эксплуатации любой формы для литья под давлением конкретного изделия, одними из первоочередных являются стабилизация и интенсификация теплообмена между литьевой формой и охлаждаемой отливкой.
Как известно, суммарная продолжительность цикла литья под давлением изделий из термопластичных ПМ в значительной степени определяется временем их охлаждения в форме. Поэтому в целях повышения производительности процесса скорость отвода теплоты от отливки должна быть максимально допустимой для конкретного изделия. Основной вклад в общий процесс теплообмена вносит теплообмен собственно в литьевой форме, точнее, в системе ее термостатирования (фактически — в системе охлаждения). При литье под давлением изделий из ПМ система охлаждения должна обеспечивать интенсивный отбор тепла, циклически поступающего с расплавом материала в зону формования изделия. Принципиально важно при этом провести расчет системы охлаждения литьевой формы: прогнозный, проектный и (при необходимости) проверочный. Реальная сложность заключается в том, что каждая из известных методик расчетов (в силу принимаемых допущений) позволяет получить рекомендации лишь оценочного, сравнительного характера. Это относится и к давно апробированным инженерным методикам [1, 2], и к современным программным САЕ-системам (например, программным продуктам фирмы Moldflow: MPI/FLOW, MPI/WARP, MPT/SHRINKAGE, МPI/COOL и др.), главное преимущество которых — возможность быстрого перебора вариантов и нахождения среди них наиболее рационального. Однако и в этом случае, даже при четком исполнении рекомендаций по расчету системы охлаждения, объективные технологические особенности литья под давлением в условиях производства, вариабельность теплофизических свойств перерабатываемых ПМ и индивидуальные особенности конструкции конкретного изделия влияют на то, что практически всегда, в большей или меньшей степени, нарушается требуемый расчетный тепловой режим охлаждения в форме, а следовательно, и в отливке. В итоге возникают сложные, часто неуправляемые ситуации, влияющие на режим теплообмена во всех элементах системы охлаждения литьевой формы, существенно осложненные образованием на поверхности каналов охлаждения непостоянного слоя отложений, состоящих из продуктов коррозии поверхностных слоев каналов и имеющихся в хладоносителе (например, в воде) солей разного вида и в различном количестве в зависимости от состава и жесткости воды (условно — «солей жесткости»). Значения коэффициентов теплопередачи от отливок к хладоносителю увеличиваются при больших значениях числа Рейнольдса, т. е. при низкой вязкости и высокой скорости течения хладоносителя в каналах охлаждения литьевых форм. Вода как хладоноситель — почти универсальное термостатирующее средство. Кроме главного достоинства воды — высоких теплофизических свойств, — следует иметь в виду ее доступность и низкую стоимость (по сравнению с другими известными хладоносителями), нетоксичность, пожаро- и взрывобезопасность, экологичность. В системах охлаждения литьевых форм вода циркулирует по специально сконструированному контуру. Однако в процессе эксплуатации литьевых форм активно проявляются и негативные особенности воды как хладоносителя: высокая степень коррозионного воздействия на металлы (в первую очередь — на «черные» стали) и значительная склонность к образованию на поверхностях каналов охлаждения отложений в виде продуктов коррозии и солей жесткости. Это приводит к существенному снижению теплопроводности, увеличению гидравлического сопротивления течению воды. Скорость выпадения осадков и толщина образовавшегося слоя отложений в различных участках системы охлаждения неодинаковы. Это затрудняет, нарушает и дестабилизирует теплообмен между расплавом ПМ и хладоносителем. Накипно-коррозионные отложения сужают проходное сечение канала охлаждения, что приводит к снижению скорости течения хладоносителя и, следовательно, к ухудшению теплообмена. Так, простые расчеты показывают, что образование на поверхности канала охлаждения слоя отложений толщиной, равной 10 % от диаметра канала, приводит к снижению скорости течения воды (при прочих равных условиях) на 36 %. Негативно влияя на температурное поле в литьевой форме, накипно-коррозионные отложения в определенной мере «ответственны» за возникающую в последующем структурную неоднородность поверхностных слоев отливки, неравномерное распределение усадки и остаточных напряжений в этих слоях, возникновение утяжин, коробления, возможное ухудшение оптических и других свойств изделий. Опыт показывает, что наиболее удобный и эффективный путь предотвращения этих негативных эффектов заключается в применении в составе воды ингибиторов коррозии и добавок для замедления выпадения из воды солей жесткости. Основываясь на известных законах теплофизики, проведем качественный анализ закономерностей теплоотвода от отливки к каналу охлаждения. Непосредственно перед впрыском расплава ПМ температура Т формующей поверхности имеет достаточно низкое (условно) значение — Tmin , но при впрыске расплава ПМ, нагретого до гораздо более высоких температур, она быстро повышается до некоего значения Тмах, а затем плавно снижается до значения Тюв извлечения изделия из формы и, наконец, до значения Tmin. Наличие накипно-коррозионных отложений на поверхности каналов охлаждения ухудшает теплопередачу от расплава хладоносителю. что приводит к увеличению длительности охлаждения отливки и соответственно к снижению производительности процесса, а также к увеличению перепада температур А Т как между расплавом ПМ и хладоносителем, так и по оформляющей поверхности формы.
|
