Водорастворимый сердечник для производства полых изделий, полученных методом литья под давлением.

1. Обзор:

Рисунок 1. Процедура подготовки полого изделия с использованием водорастворимого сердечника и (а) оболочки (б): изготавливается водорастворимый сердечник с оболочкой; (в) изготавливается оболочка из двух сердечниковых оболочек, помещенных в полость формы; (г) формуется поверхностный слой; (д) изделие извлекается из формы; (е) обрезаются концы оболочки; (ж) изделие погружается в водяную ванну для растворения сердечника; и (з) получается конечный продукт.

2. Аннотации или введение

Аннотация: Изготовление сложных полых изделий без каких-либо процессов сборки, например, пластикового впускного коллектора, затруднительно при использовании традиционных методов. литье под давлениемДля решения этой проблемы была разработана технология плавкого сердечника, в которой в качестве жертвенного сердечника используется низкоплавкий сплав; однако ограниченный выбор типов смол и огромные капиталовложения привели к медленному распространению этой технологии. В данной работе разработан новый метод, позволяющий производить аналогичные изделия без ограничений по типу смолы, а также с меньшим энергопотреблением. Здесь предлагается концепция оболочечного сердечника, образованного водорастворимым сердечником, собранным с оболочкой; он обеспечивает как жесткость, так и прочность для сопротивления давлению во время процесса. литье под давлениемПроцесс. Форма обернутого сердечника соответствует внутреннему контуру заданного изделия. Для покрытия обернутого сердечника слоем оболочки был применен метод литья под давлением. Конец обернутого сердечника обрезают и погружают в водяную ванну. Когда водорастворимый сердечник внутри оболочки растворяется, получается изделие со специальным внутренним контуром. Для демонстрации применения предложенного метода представлено Т-образное соединение. Оптимальный состав сердечника и параметры обработки определяются методом Тагучи. Результаты показывают, что предложенное изделие успешно формуется, когда прочность на сжатие сердечника превышает 2 МПа. Кроме того, измерение эксцентриситета внутреннего контура оптимального образца демонстрирует улучшение на 56%, а время, необходимое для удаления сердечника, составляет менее 154 с.

3. Предпосылки исследования:

Предпосылки исследования:

Производство сложных полых изделий, таких как пластиковые впускные коллекторы, с использованием традиционных методов. литье под давлениемЭти методы представляют собой значительные проблемы. Традиционные методы часто требуют разделения изделия на субкомпоненты, за которыми следуют процессы сборки, такие как механическое крепление или клеевое соединение. Эти этапы сборки увеличивают производственные затраты, накапливают погрешности размеров [5,6] и создают слабые места в конечном изделии, потенциально приводя к отказам при высоком давлении или больших нагрузках. Кроме того, процессы склеивания могут включать химические растворители, которые «загрязняют окружающую среду».

Состояние существующих исследований:

Существующие технологии производства полых изделий включают в себя «технологию съемного или разрушающегося стержня», например, песчаные стержни для литья металлов [7] и полимерные стержни, такие как полиоксиметилен (ПОМ) или пенополистирол (ПС), для литья под давлением смолы (RTM). Солевые стержни также используются благодаря их «хорошей растворимости в воде» [7-11]. Однако «давление, создаваемое процессом RTM, значительно ниже, чем в процессе литья пластмасс под давлением», что делает хрупкие солевые стержни восприимчивыми к растрескиванию и смещению стержня во время литье под давлениемМетод «плавкого сердечника» с использованием низкоплавких сплавов в качестве жертвенных сердечников [12] превосходит эти методы, но страдает от «ограниченного выбора типа смолы и огромных капиталовложений». Существует еще один метод с использованием «шаблонов из водорастворимого поливинилового спирта (ПВС)» [13], но он отличается от методов плавкого сердечника механизмом поддержки внутри полости формы.

Необходимость исследования:

Несмотря на существующие методы изготовления полых изделий, существует необходимость в их усовершенствовании, особенно в следующих областях: литье под давлениемдля производства «специальных полых изделий». Существующие методы, такие как технологии плавких стержней, имеют ограничения по совместимости со смолами и стоимости, а солевые стержни сложно использовать непосредственно в литье под давлениемиз-за их хрупкости. Поэтому необходим новый метод для преодоления этих ограничений и обеспечения эффективного и универсального производства сложных полых деталей. литье под давлением.

4. Цель исследования и исследовательские вопросы:

Цель исследования:

Целью данного исследования является разработка нового метода изготовления сложных полых изделий с использованием литье под давлениемПредлагается метод, учитывающий ограничения существующих технологий. Он фокусируется на «оболочечном сердечнике, образованном водорастворимым ядром, соединенным с оболочкой», с целью получения изделий «без ограничений по типу смолы, а также с использованием процесса с меньшим энергопотреблением». Метод призван обеспечить сердечник, обладающий «как жесткостью, так и прочностью, чтобы противостоять давлению во время процесса». литье под давлениемпроцесс".

Ключевые исследования:

Основные направления исследований включают:

1. Разработка и характеристика водорастворимого основного материала, состоящего из NaCl (соль) и трегалозы (связующее вещество).
2. Разработка и внедрение системы "оболочечного сердечника" с использованием водорастворимого сердечника и пластиковой оболочки.
3. Оптимизация «состава сердцевины и параметров обработки» с использованием метода Тагучи для достижения достаточной прочности сердцевины.
4. Демонстрация осуществимости предложенного метода путем изготовления Т-образного соединения со сложным внутренним контуром.
5. Оценка влияния содержания связующего вещества, приложенного давления, температуры и времени обработки на прочность стержня и точность размеров формованного изделия, а также на скорость удаления материала из стержня.

Исследовательские гипотезы:

В исследовании выдвигается гипотеза о том, что:

1. Оболочка, состоящая из водорастворимого сердечника и пластиковой оболочки, способна выдерживать давление. литье под давлениемв отличие от простого водорастворимого ядра.
2. Оптимизация состава (соотношение соли и связующего вещества) и параметров обработки (давление, температура, время) водорастворимого керна с использованием метода Тагучи позволит получить керны с достаточной прочностью на сжатие. литье под давлением.
3. Предложенный метод изготовления полых стержней позволит производить полые изделия со сложной внутренней геометрией, такие как Т-образные соединения, с улучшенной точностью размеров и эффективным удалением стержней.

5. Методология исследования

Методология исследования:

В исследовании используется экспериментальный подход, основанный на методе Тагучи, для оптимизации состава водорастворимого стержня и параметров обработки. Исследование включает изготовление водорастворимых стержней с различным составом и в разных условиях обработки, за которым следуют механические испытания и оценка полученных формованных изделий. В качестве демонстрационного примера предложенного метода был выбран тройник.

Метод сбора данных:

Сбор данных осуществлялся следующими методами:

1. Испытание на сжатие:Прочность на сжатие водорастворимых образцов измеряли с помощью испытательной машины HongTa (HT-2402, Тайчжун, Тайвань) в соответствии со стандартами ASTM D695-15 и C473-15. Образцы имели цилиндрическую форму с размерами 35 мм × 35 мм в диаметре и высоте.
2. Измерение размеров:Геометрическая точность формованных Т-образных соединений оценивалась с помощью координатно-измерительной машины (Brown & Sharpe Co., Ltd., Inspector classic, North Kingston, RI, USA). Для количественной оценки точности размеров рассчитывался эксцентриситет внутреннего контура.
3. Измерение скорости извлечения керна:Скорость удаления керна определялась путем измерения изменения проводимости водяной бани по мере растворения солевого керна с использованием кондуктометра (DFRobot SEN0244), датчика общего содержания растворенных твердых веществ (TDS) и платы сбора данных (DFRduino UNO R3).

Метод анализа:

Собранные данные были проанализированы с использованием следующих методов:

1. Метод Тагучи:An "L9(3⁴Для планирования экспериментов и определения оптимальных параметров подготовки керна использовалась ортогональная матрица. Для анализа результатов и выявления значимых факторов применялись «отношение сигнал/шум» и «ANOVA».
2. Расчет эксцентриситета:Эксцентриситет рассчитывался с использованием уравнений (2) и (3) для количественной оценки отклонения внутреннего контура от идеальной окружности.
3. Расчет скорости извлечения керна:Скорость извлечения керна рассчитывалась с использованием уравнения (4) на основе измерений проводимости.

Темы и область исследования:

Исследование было сосредоточено на следующих аспектах:

1. Материалы:Водорастворимый основной материал, состоящий из «NaCl (соль)» и «трегалозы (связующее вещество)», а также «акрилонитрилбутадиенстирола (ABS, POLYLAC PA-757, CHIMEI Corp., Тайбэй, Тайвань)» для оболочки и поверхностного слоя.
2. Продукт:Т-образное соединение со специфическим внутренним контуром, как показано на рисунке 3.
3. Параметры процесса:Содержание связующего вещества, приложенное давление, время обработки и температура обработки для подготовки стержня, а также параметры формования оболочки и обшивки. литье под давлением
4. как указано в "Таблице 2".

6. Основные результаты исследования:

Основные результаты исследования:

1. Оптимальные параметры ядра:Метод Тагучи определил оптимальные параметры для приготовления водорастворимого стержня как "A3B3C2D3", соответствующие определенным уровням содержания связующего вещества, приложенному давлению, времени обработки и температуре обработки.
2. Прочность на сжатие:Оптимальный сердечник достиг прочности на сжатие в 3,2 МПа, что на 17,2% выше максимальной прочности эксперимента № 5, указанной в таблице 3. Предлагаемый продукт может быть успешно отформован, если прочность сердечника на сжатие превышает 2 МПа.
3. Повышение точности размеров:Измерение эксцентриситета внутреннего контура оптимального образца показало улучшение на 56% по сравнению с образцами, изготовленными с неоптимальными параметрами. Эксцентриситет снизился с 26,3% до 11,5%.
4. Время извлечения керна:Для извлечения оптимального образца керна потребовалось время "менее 154 секунд".

Анализ представленных данных:

• Рисунок 7Представлены «Кривые зависимости напряжения и деформации при сжатии для соляного керна от заданных параметров», демонстрирующие прочность на сжатие кернов, подготовленных с использованием различных комбинаций параметров.
• Рисунок 9На рисунке показано «Измерение эксцентриситета внутреннего контура образцов», сравнивающее эксцентриситет оптимального образца с эксцентриситетом разрушенного образца в пяти точках. Оптимальный образец демонстрирует более низкие значения эксцентриситета в большинстве точек.
• Рисунок 10На рисунке показаны «(а) скорость удаления кернов из группы с наименьшей прочностью и (б) скорость удаления кернов из группы с наибольшей прочностью», демонстрирующие скорость растворения кернов с различной прочностью на сжатие. Керны с большей прочностью растворяются дольше.

Список названий рисунков:

Рисунок 2. Схематическое изображение процесса проектирования: (a) предполагаемый продукт, (b) две половины модели оболочки, созданной на основе внутреннего контура продукта, (c) эскиз сердцевины, собранной в оболочки, (d) обернутая сердцевина, (e) модель обшивки, полностью покрывающая сердцевину, и (f) вырезанный опорный механизм.

Рисунок 3. Схематическое изображение обозначенного Т-образного соединения (K0), сердцевины (K1), модели оболочки (K2) и модели обшивки (K3).

Рисунок 4. (а) Схема вставок сердечника и полости, и (б) половина боковой стороны испытательной формы.

Рисунок 5. (а) Измерение эксцентриситета формованного изделия и (б) пять точек, определенных для каждого измерения образца.

Рисунок 6. Схематическое изображение измерения скорости удаления керна.

Рисунок 7. Кривые зависимости сжимающего напряжения от деформации для соляного керна в зависимости от параметров установки.

Рисунок 8. Продолжение.

Рисунок 8. Фотография (а) заданного изделия, Т-образного соединения; (б) поперечный разрез образца, изготовленного с использованием оптимальных параметров A3B3C2D3; и (в) поперечный разрез образца, изготовленного с использованием параметров A2B1C2D3.

Рисунок 9. Измерение эксцентриситета внутреннего контура образцов. Рисунок 10. (а) Скорость удаления керна в группе с наименьшей прочностью и (б) скорость удаления керна в группе с наибольшей прочностью.

• Рисунок 1. Процедура подготовки полого изделия с использованием водорастворимого сердечника и (а) оболочки (б): изготавливается водорастворимый сердечник с оболочкой; (в) изготавливается оболочка из двух сердечниковых оболочек, помещенных в полость формы; (г) формуется поверхностный слой; (д) изделие извлекается из формы; (е) обрезаются концы оболочки; (ж) изделие погружается в водяную ванну для растворения сердечника; и (з) получается конечный продукт.
• Рисунок 2. Схематическое изображение процесса проектирования: (a) предполагаемый продукт, (b) две половины модели оболочки, созданной на основе внутреннего контура продукта, (c) эскиз сердцевины, собранной в оболочки, (d) обернутая сердцевина, (e) модель обшивки, полностью покрывающая сердцевину, и (f) вырезанный опорный механизм.
• Рисунок 3. Схематическое изображение обозначенного Т-образного соединения (K0), сердцевины (K1), модели оболочки (K2) и модели обшивки (K3).
• Рисунок 4. (а) Схема вставок сердечника и полости, и (б) половина боковой стороны испытательной формы.
• Рисунок 5. (а) Измерение эксцентриситета формованного изделия и (б) пять точек, определенных для каждого измерения образца.
• Рисунок 6. Схематическое изображение измерения скорости удаления керна.
• Рисунок 7. Кривые зависимости сжимающего напряжения от деформации для соляного керна в зависимости от параметров установки.
• Рисунок 8. Продолжение.
• Рисунок 9. Измерение эксцентриситета внутреннего контура образцов.
• Рисунок 10. (а) Скорость удаления керна в группе с наименьшей прочностью и (б) скорость удаления керна в группе с наибольшей прочностью.

7. Заключение:

Краткое изложение основных выводов:

Исследование успешно продемонстрировало новый метод производства полых изделий, полученных методом литья под давлением, с использованием водорастворимого сердечника в оболочке. Ключевые выводы: (1) Концепция сердечника в оболочке, сочетающая водорастворимый сердечник и оболочку, позволяет литье под давлениемсложных полых деталей. (2) Оптимизация с использованием метода Тагучи позволила определить оптимальные параметры для подготовки стержня, что привело к повышению прочности на сжатие. (3) Предложенный метод значительно улучшил точность размеров, уменьшив эксцентриситет на 56%. (4) Процесс извлечения стержня эффективен, время растворения для оптимального стержня составляет менее 154 секунд.

Академическая значимость исследования:

Данное исследование вносит вклад в область... литье под давлениемБлагодаря внедрению и подтверждению концепции водорастворимого сердечника в оболочке, расширяется область применения водорастворимых сердечников от процессов формования под низким давлением до процессов формования под высоким давлением. Исследование предоставляет ценную информацию о составе материала и параметрах обработки водорастворимых сердечников, оптимизированных для литье под давлениемПрименение метода Тагучи для оптимизации керна, а также детальная оценка точности размеров и скорости извлечения керна повышают научную строгость и практическую значимость исследования.

Практические последствия:

Предложенный метод представляет собой практическую альтернативу существующим технологиям изготовления сложных полых пластиковых деталей. Он преодолевает ограничения, связанные с плавкими стержнями, такие как ограничения по типу смолы и высокие капиталовложения. Использование легкодоступных и недорогих материалов (соли и сахара) для стержня в сочетании с меньшим энергопотреблением и простотой реализации делает этот метод привлекательным для промышленного применения. Он может быть использован для изготовления изделий со специальными внутренними контурами, таких как впускные коллекторы, экономичным и экологически безопасным способом. Эффективный процесс удаления стержня дополнительно повышает его практическую ценность.

Ограничения исследования и направления для будущих исследований:

В заключительной части статьи явно не указаны ограничения или направления будущих исследований. Однако, исходя из проведенного исследования, потенциальные ограничения и направления будущих исследований могут включать в себя:

1. Дальнейшее исследование диапазона применимых полимеров для оболочки и поверхностного слоя. Хотя в данном исследовании использовался АБС-пластик, изучение совместимости с другими конструкционными пластиками расширило бы область применения метода.
2. Исследование масштабируемости процесса для массового производства. Настоящее исследование демонстрирует осуществимость процесса в лабораторных условиях; необходимы дальнейшие исследования для оптимизации процесса для крупномасштабного производства.
3. Исследование возможности повторного использования и переработки материала раковин, а также потенциала извлечения соли и сахара из отходов для дальнейшего повышения экологической устойчивости.
4. Изучение более сложных геометрических форм изделий, выходящих за рамки Т-образного соединения, для полной демонстрации универсальности метода герметизации стержня.
5. Дальнейшая оптимизация процесса извлечения керна для сокращения времени растворения и потребления воды.