УЛЬТРАЗВУКОВОЕ СОПЛО К ЛИТЬЕВОЙ МАШИНЕ ДЛЯ ПЕРЕРАБОТКИ ТЕРМОПЛАСТОВ Российский патент 1998 года по МПК B29C45/20 

Изобретение относится к литью под давлением изделий из термопластов. Данное устройство может найти широкое применение в различных отраслях промышленности при виброформовании, например, различных пастообразных материалов и т.п.

Известно сопло к литьевой машине для переработки термопластов, содержащее корпус, мундштук с наконечником и запирающий элемент (авт. св. СССР N 551184, кл. B 29 F 1/03, 1975).

Недостатком этого сопла является то, что оно обеспечивает незначительную формуемость термопластов и не является эффективным из-за отсутствия вибрационного воздействия на перерабатываемый материал.

Известно сопло к литьевой машине для переработки термопластов, содержащее мундштук с наконечником и ультразвуковой преобразователь, смонтированный на мундштуке. В этой конструкции сопла продольные колебания ультразвуковой частоты сообщаются полимерному материалу непосредственно в канале сопла за счет колебаний его стенки. Скорость впрыска формуемости массы повышается за счет снижения внешнего трения в канале мундштука (Басов Н.И., Любартович С. А., Любартович В.А. Виброформование полимеров, Л.: Химия, 1979, с. 84-85).

Описанное выше устройство к литьевой машине обеспечивает недостаточную формуемость материала, низкую излучаемую мощность, а также обладает недостаточной эффективностью и надежностью в работе. Объясняется это тем, что пьезокерамический элемент ультразвукового преобразователя находится в самом сопло-мундштуке. Он крепится на материальном цилиндре литьевой машины с одной стороны, с другой - упирается в литниковую втулку пресс-формы и испытывает при литье под давлением сжатие, что приводит к снижению амплитуды колебаний, снижению излучаемой мощности. Высокая температура материального цилиндра, дополнительный электрообогрев наконечника сопла снижают эффективность и надежность в работе.

Известно ультразвуковое сопло к литьевой машине для переработки термопластов, содержащее мундштук с наконечником и смонтированный на мундштуке ультразвуковой преобразователь, установленный под углом 30 - 60^o к продольной оси мундштука на расстоянии от наконечника, не превышающем λ/8 , где λ - длина ультразвуковой волны (авт. св. N 1154096 кл. B 29 C 45/20, B 29 K 101/00, 1985 - выбран за прототип).

Данное ультразвуковое сопло к литьевой машине для переработки термопластов обеспечивает недостаточную формуемость материала, обладает невысокой излучаемой мощностью, а также невысокой эффективностью и надежностью в работе. Данное устройство является полуволновой колебательной системой, где равномерное распределение волноводов - преобразователей по периметру мундштука на расстоянии не более λ/8 от наконечника создает амплитуду лишь на его торце 3 - 5 мкм, при времени действия на расплав 40 - 60 с. Ультразвуковые колебания воздействуют на расплав термопласта лишь на ограниченной части отверстия внутренней поверхности мундштука, а именно в зоне наконечника 0 - λ/8 . На остальной же части внутренней поверхности отверстия мундштука происходит резкое снижение излучаемой мощности и амплитуды, а следовательно, снижение формуемости термопластов.

Известное ультразвуковое сопло является полуволновой системой и с одной стороны крепится на материальном цилиндре литьевой машины. Это приводит к значительному снижению излучаемой мощности и амплитуды, а также к снижению эффективности и надежности в работе из-за большой присоединенной массы материального цилиндра. Колебания торца мундштука гаснут также в результате того, что сопло упирается в литниковую втулку пресс-формы и испытывает сильное сжатие.

Дополнительный электрообогрев наконечника сопла и высокая температура выходной зоны материального цилиндра (250 - 550^oC) из-за достаточно близкого расположения снижает пьезоэлектрический эффект ультразвуковых преобразователей, установленных под углом к продольной оси мундштука на расстоянии от наконечника, не превышающем λ/8 .

Цель изобретения - увеличение формуемости материала, повышение излучаемой мощности, повышение надежности и эффективности в работе сопла.

Указанная цель достигается тем, что ультразвуковое сопло к литьевой машине для переработки термопластов, содержащее мундштук с наконечником и смонтированные на мундштуке ультразвуковые преобразователи, установленные под углом к продольной оси мундштука, снабжено втулкой, выполненной в виде сепаратора с отверстиями, оси которых перпендикулярны оси мундштука, и закрепленными в них шариками, увеличивающими площадь его внутренней поверхности и имеющими возможность вращения, расположенного концентрично оси мундштука и жестко закрепленного в нем, причем, ультразвуковые преобразователи расположены на расстоянии от вершин наконечника мундштука в интервале λ/8 - (5/8) λ, λ - длина ультразвуковой волны.

В сепараторе выполнены отверстия, например, цилиндрические, оси которых не пересекают ось мундштука, с закрепленными в них роликами, увеличивающими площадь его внутренней поверхности и имеющими возможность вращения. Длина активных накладок ультразвуковых преобразователей выполнена не менее (3/8) λ и не более (5/8) λ .

Для эффективной работы сопла в сепараторе с отверстиями устанавливаются шарики различного диаметра, причем размер диаметра отверстия на внутренней поверхности сепаратора, расположенной концентрично оси мундштука, не превышает диаметра шарика, а ультразвуковые преобразователи установлены под углом 30-90^o к продольной оси мундштука.

Кроме того, внутри сепаратора с отверстиями, оси которых перпендикулярны оси мундштука, между установленными в них шариками закреплено дополнительно по крайней мере по одному шарику, расположенному вдоль оси мундштука, а внутри сепаратора с отверстиями, оси которых не пересекают ось мундштука, между установленными в них, например цилиндрическими роликами, закреплено дополнительно по крайней мере по одному шарику, расположенному вдоль осей цилиндрических отверстий.

Предлагаемая конструкция сопла обеспечивает дальнейшее выведение ультразвуковых преобразователей из зоны смыкания пресс-формы с мундштуком и из области высоких температур, а также увеличивает формуемость материала, повышает излучаемую мощность, надежность и эффективность в работе. Расположение сепаратора с отверстиями вдоль оси мундштука и установленными в них вращающимися элементами и их размеры увеличивают площадь контакта с расплавом термопласта. Расположение ультразвуковых преобразователей, определение длин их активных накладок, углов расположения обеспечивает оптимальный вариант возбуждения ультразвуковых колебаний в сопле.

Размещение и закрепление внутри сепаратора с отверстиями, оси которых перпендикулярны оси мундштука, и установленными в них шариками, дополнительно по крайней мере по одному шарику, позволяет дополнительно воздействовать ультразвуковой энергией на расплав термопласта. Аналогично закрепление внутри сепаратора с отверстиями, оси которых не пересекают ось мундштука, и установленными в них, например цилиндрическими роликами, по крайней мере по одному дополнительному шарику, расположенному вдоль осей цилиндрических отверстий, позволяет воздействовать еще большей ультразвуковой энергией на расплав. Все сказанное выше способствует реализации выше названных целей.

На фиг. 1 показано ультразвуковое сопло, общий вид; на фиг. 2 - разрез А-А на фиг. 1; на фиг. 3,4 - разрез В-В на фиг. 1; на фиг. 5 - разрез Г-Г на фиг. 3; на фиг. 6 - разрез Д-Д на фиг. 4; на фиг. 7 -10 - мундштук в разрезе.

Ультразвуковое сопло состоит из обогреваемого элемента 1, монтируемого на наконечнике 2 мундштука 3, имеющего теплоизолирующий кожух 4. Ультразвуковые преобразователи 5 и 6 расположены по периметру мундштука 3 в разных плоскостях под углом 30 - 90^o (на чертеже - под углом 60^o к продольной оси мундштука 3 и под углом 180^o один относительно другого). От наконечника 2 ультразвуковые преобразователи 5,6 размещены на расстоянии λ/8 , где λ - длина ультразвуковой волны.

Ультразвуковые преобразователи 6 и 7 расположены также по периметру мундштука 3 в разных плоскостях под углом 30 - 90^o (на чертеже - под углом 60^o к продольной оси мундштука 3 и под углом 180^o- один относительно другого), однако от наконечника 2 они размещены на расстоянии (5/8) λ , где λ - длина ультразвуковой волны.

Ультразвуковые преобразователи 5 - 8 состоят из активных накладок 9, 10, 21, 22, пьезокерамических элементов 11, 12, 23, 24, токопроводящих шайб 13, 14, 25, 26, шпилек 15, 16, 27, 28, пассивных накладок 17, 18, 29, 30, токоизолирующих втулок 19, 20, 31, 32, соединительных шпилек 33 - 36 с мундштуком 3.

Наконечник 2 и мундштук 3 снабжен втулкой 37, выполненной в виде сепаратора с отверстиями 38 и 41, расположенного концентрично оси мундштука 3 и жестко закрепленного в нем. В отверстиях 38, оси которых перпендикулярны оси мундштука 3, нежестко закреплены шарики различного диаметра 39 и 40, имеющие возможность вращения.

В отверстиях 41, оси которых не пересекают ось мундштука 3, закреплены, например, цилиндрические ролики 42, имеющие возможность вращения вокруг центральной оси отверстия 41. В отверстиях, оси которых не пересекают ось мундштука, могут быть закреплены цилиндрические ролики различного диаметра.

Внутри сепаратора 37 с отверстиями 38, оси которых перпендикулярны оси мундштука 3, с установленными в них шариками 39, 40, дополнительно размещены по крайней мере по одному шарику 43, которые могут быть различного диаметра.

В другом случае в сепараторе 37 и отверстиями 41, оси которых не пересекают ось мундштука 3, закреплены, например, цилиндрические ролики 42, имеющие возможность вращения, а внутри центрального отверстия сепаратора закреплены по крайней мере по одному дополнительному шарику 44, расположенному вдоль осей цилиндрических отверстий 41.

Работа ультразвукового сопла к литьевой машине для переработки термопластов осуществляется следующим образом.

Расплав термопласта при включении литьевой машины поступает из материального цилиндра в мундштук 3, где ультразвуковые преобразователи 5 - 8 соединены с ультразвуковым генератором (на чертежах не показан), обеспечивает эффективное вибрационное воздействие на расплав термопласта.

Например, при переработке поликарбоната ПК-6 используют вариант, когда ультразвуковые преобразователи установлены под углом 30^o к продольной оси мундштука, при переработке ПК-М-2, - под углом 60^o, а при переработке ПК-НКС, - под углом 80^o, на расстоянии от наконечника 2 преобразователи 5,6, равном λ/8 , а преобразователи 7 и 8, равном (5/8) λ, работающие на частоте 22 кгу с амплитудой колебаний 5 - 10 мкм. Время действия на расплав составляет 30 - 60 с.

Ультразвуковые преобразователи возбуждают в мундштуке 3 продольные, поперечные и крутильные колебания от различного вида волн, которые возникают в сопле и имеют различную скорость распространения и длину. Колебания передаются сепаратору 37 с отверстиями 38 и 41, не жестко закрепленным в них, например шарикам 39 и 40 и цилиндрическим роликам 42, которые в свою очередь воздействуют ультразвуковой энергией на расплав термопласта. Дополнительной ультразвуковой энергией на расплав термопласта воздействуют шарики 43, расположенные вдоль оси мундштука 3, и шарики 44, расположенные вдоль осей цилиндрических отверстий, находящиеся внутри сепаратора 37.

Увеличение предлагаемого диапазона углов 30 - 90^o наклона ультразвуковых преобразователей относительно продольной оси мундштука 3 способствует при увеличении габаритных размеров сопла увеличению амплитуды колебаний в сопле до 10 мкм.

Использование различного диапазона углов позволяет не только создавать различные комбинации продольных, поперечных и крутильных колебаний, но и улучшить режим работы ультразвуковых преобразователей с температурной точки зрения, делая его стабильным и надежным в работе. Даже присоединенная масса материального цилиндра и усилия пружины к литниковой втулке сопла в целом мало оказывают воздействия на затухание амплитуды колебаний канала сопла, т. е. сепаратора, шариков и цилиндрических роликов. Увеличение площади контакта колеблющихся с ультразвуковой частотой сепаратора шариков, цилиндрических роликов с расплавленной массой термопласта приводит к увеличению формуемости термопласта и повышению излучаемой мощности, в том числе и за счет вращения под воздействием энергии шариков и роликов.

Выбранный интервал λ/8-(5/8)λ расположения ультразвуковых преобразователей связан с тем, что этим достигается стабильная амплитуда колебаний 5 - 10 мкм по всему каналу сепаратора мундштука, а не только на вершине наконечника, что обеспечивает увеличение формуемости термопластов по сравнению с известным техническим решением на 30 - 40%.

Распределение ультразвуковых волноводов от 4 до 8 штук по периметру мундштука сопла способствует повышению интенсивности и амплитуды по всему интервалу 0 - (5/8) λ , где λ - длина ультразвуковой волны.

Таким образом, предлагаемая конструкция ультразвукового сопла к литьевой машине для переработки термопластов улучшает процесс виброформирования, повышает излучаемую мощность, повышает надежность и эффективность в работе.

Сопло предназначено для виброформования материалов в пластичном состоянии. В мундштуке 3 концентрично закреплена втулка 37 в виде сепаратора с отверстиями 38, оси которых перпендикулярны оси мундштука. В отверстиях 37 закреплены с возможностью вращения шарики 39 и 40. Кроме того, в сепараторе имеются отверстия 41, оси которых не пересекают ось мундштука. В этих отверстиях с возможностью вращения установлены ролик 42. Шарики 39 и 40 выполнены различными по диаметру. Между отверстиями 38 в сепараторе может быть закреплено по меньшей мере по одному шарику, расположенному по оси мундштука. Между отверстиями 41 может быть закреплено по меньшей мере по одному шарику, расположенному по оси этих отверстий. От вершины наконечника 2 мундштука 3 на расстоянии λ/8-5/8λ (лямбда) расположены ультразвуковые преобразователи 5 и 6, где λ - длина ультразвуковой волны. Активные накладки 9 и 10 преобразователей выполнены длиной не менее 3/8λ и не более 5/8λ. Преобразователи установлены под углом 30 - 90^oC к продольной оси мундштука 3. Преобразователи возбуждают в мундштуке продольные, поперечные и крутильные колебания, которые передаются на расплав термопласта и на шарики и ролики сепаратора, последние оказывают дополнительное воздействие на термопласт. 5 з.п. ф-лы, 10 ил.

1. Ультразвуковое сопло к литьевой машине для переработки термопластов, содержащее мундштук с наконечником и смонтированные на мундштуке ультразвуковые преобразователи, установленные под углом к продольной оси мундштука, отличающееся тем, что, с целью увеличения формуемости материала и повышения излучаемой мощности, мундштук снабжен втулкой, выполненной в виде сепаратора с отверстиями, оси которых перпендикулярны оси мундштука, и закрепленными в них шариками, увеличивающими площадь его внутренней поверхности и имеющими возможность вращения, расположенного концентрично оси мундштука и жестко закрепленного в нем, причем ультразвуковые преобразователи расположены на расстоянии от вершины наконечника мундштука в интервале λ/8-5/8λ, где λ - длина ультразвуковой волны. 2. Сопло по п.1, отличающееся тем, что в сепараторе выполнены отверстия, например цилиндрические, оси которых не пересекают ось мундштука, с закрепленными в них роликами, увеличивающими площадь его внутренней поверхности и имеющими возможность вращения. 3. Сопло по пп.1 и 2, отличающееся тем, что, с целью повышения надежности в работе, длина активных накладок ультразвуковых преобразователей выполнена не менее 3/8λ и не более 5/8, где λ - длина ультразвуковой волны. 4. Сопло по пп.1 - 3, отличающееся тем, что, с целью повышения эффективности в работе, в сепараторе с отверстиями установлены шарики различного диаметра, причем размер диаметра отверстия на внутренней поверхности сепаратора, расположенной концентрично оси мундштука, не превышает диаметра шарика, а ультразвуковые преобразователи установлены под углом 30 - 90^o к продольной оси мундштука. 5. Сопло по пп.1 - 4, отличающееся тем, что внутри сепаратора с отверстиями, оси которых перпендикулярны оси мундштука, между установленными в них шариками закреплено дополнительно по крайней мере по одному шарику, расположенному вдоль оси мундштука. 6. Сопло по пп.1 - 5, отличающееся тем, что внутри сепаратора с отверстиями, оси которых не пересекают ось мундштука, между установленными в них, например, цилиндрическими роликами закреплены дополнительно по крайней мере по одному шарику, расположенному вдоль осей отверстий.