Методы формования изделий из

Технология конструкционных материалов

Лекция 1

МЕТОДЫ ФОРМОВАНИЯ (ПЕРЕРАБОТКИ)

ПОЛИМЕРНЫХ МАТЕРИАЛОВ В ИЗДЕЛИЯ

Переработка полимерных материалов - комплекс процессов, обеспечи-вающий получение изделий или полуфабрикатов из пластмасс с заданными свойствами на специальном оборудовании. Переработке предшествует: 1) проектирование рациональной конструкции изделия и формующего инструмента (формы, головки); 2) выбор оптимального метода переработки; 3) разработка рецептуры материала, наиболее пригодного для данного метода. Переработка включает приготовление материала и подготовку его к формованию (гранули­рование, таблетирование), сушку, формование изделий и их последующую обработку с целью улучшения свойств готовых изделий (термическая обработка, радиационное сшивание и др.).

Процессы переработки чаще всего классифицируются по организационно-технологическим признакам, то есть выделяются подготовительные, основные, завершающие и вспомогательные процессы.

К подготовительным процессам относятся: смешение, предварительный нагрев и сушка, таблетирование, гранулирование и др.

Основными процессами переработки являются прессование, экструзия, литье под давлением и др.

К завершающим процессам относятся механическая обработка и доделка отформованных деталей, сварка и склейка, окрашивание и металлизация изделий и др.

Вспомогательные процессы связаны, главным образом, с переработкой отходов, образующихся при изготовлении изделий.

При переработке термореактивные материалы (реактопласты) испытывают физико-химические превращения, а термопластичные материалы (термо­пласты), в основном, только физические превращения, связанные с расплавлением материала и охлаждением изделий.

Прессование

Прессование - это формование изделий под давлением из мате­ри­а­лов, нагретых до вязкотекучего состояния непосредственно в полости формующего инструмента (пресс-форме) - между матрицей и пуансоном. В течение короткого времени пребывания в вязкотекучем состоянии к материалу прикладывается давление, действующее вплоть до окончательного отверждения расплава и оформления детали. В результате отверждения образуется сетчатая пространственная структура материала, и вследствие этого изделие может быть извлечено из матрицы при температуре прессования.

Прессование термопластичных материалов нерентабельно, т.к. извлечение отпрессованного изделия возможно лишь после охлаждения его вместе с формой до температуры стеклования. Вследствие этого снижается производительность и увеличиваются энергетические затраты.

Прессование осуществляется двумя основными способами - прямым (компрессионным) и литьевым (трансферным).

Прямое прессование - наиболее распространенный способ. При этом способе предварительно нагретый или ненагретый, таблетированный или порошкообразный материал загружают в пресс-форму, которая замыкается, и материал подвергается давлению и нагреву. Давление передается непосредственно на прессуемый материал вплоть до полного замыкания пресс-формы. В зависимости от природы и свойств перерабатываемого материала обычно возникает необходимость выпуска из формы паров и газов, выделяющихся из прессуемого материала в процессе реакции отверждения. Для этого в процессе прессования выполняют операцию подпрессовки, заключающуюся в переключении гидропресса после определенной выдержки на обратный ход, в подъеме пуансона на высоту, достаточную для выпуска газов (5-30 мм) и выдержке его в таком положении в течение 3-10 с. После этого пресс-форма снова замыкается. При прессовании крупных толстостенных деталей из материалов с повышенной влажностью подпрессовку проводят 2-3 раза.

Схема компрессионного прессования представлена на рис.1,а.

В полость матрицы раскрытой пресс-формы загружают перерабатываемый материал. При замыкании пресс-формы под действием усилия пресса пуансон создает давление на прессуемый материал. Под действием этого давления и теплоты от нагретой пресс-формы материал пластицируется (переходит в вязкотекучее состояние), заполняет формообразующую полость пресс-формы и отверждается. После определенной выдержки пресс-форма раскрывается и с помощью выталкивателя из нее извлекается готовая деталь.

Прямым прессованием получают детали средней сложности и небольших габаритных размеров из термореактивных материалов с порошкообразным и волокнистым наполнителем.

Рис.1. Схема формования изделий из реактопластов (а - компрессионное прессование; б - литьевое прессование): 1 - верхний плунжер; 2 - оформляющие гнезда прессформы; 3 - перерабатываемый материал; 4 - поршень; 5 - трансферный цилиндр; 6 - загрузочное отверстие; 7 - изделие; 8 - литниковые каналы; 9 - пресс-форма

Недостатки компрессионного прессования - появление облоя (грата) по линии разъема пресс-формы, необходимость повышенных усилий прессования.

Литьевое прессование отличается от прямого тем, что прессуемый материал загружают не в полость пресс-формы, а в специальный обогреваемый трансферный цилиндр (рис.1,б). Размягченный материал впрыскивается материальным поршнем из трансферного цилиндра через литниковые каналы в замкнутую пресс-форму. После отверждения материала в оформляющей полости пресс-формы, ее разъединяют и извлекают готовые изделия.

Литьевое прессование рационально применять для изготовления деталей сложной конфигурации, с тонкими стенками, глубокими отверстиями, в том числе резьбовыми, к которым предъявляются повышенные требования по точности размеров.

В процессе перетекания через литниковые каналы материал прогревается равномерно, что обеспечивает более оптимальную структуру прессуемой детали, и снижает внутренние напряжения. При литьевом прессовании отпадает необходимость в подпрессовках, так как образующиеся газы могут выходить через зазоры между поршнем, цилиндром и полуформами. В процессе литьевого прессования пресс-формы работают в более благоприятных условиях, чем при компрессионном прессовании, где они подвергаются износу неуравновешен- ным потоком еще не размягченного материала.

Недостатком литьевого прессования является повышенный расход материала, так как в загрузочной камере и литниковых каналах остается часть необратимого пресс-материала. Поскольку при литьевом прессовании пластицированный материал впрыскивается в замкнутую пресс-форму, то по линии разъема формы отсутствует облой. Кроме того, пресс-формы для литьевого прессования сложнее по конструкции и дороже пресс-форм для прямого прессования.

Листы и плиты из термореактивных материалов прессуют пакетами на прессах. Заготовки материала ( из стеклоткани, хлопчатобумажной ткани и т.д.) пропитывают смолой и укладывают между горячими плитами прессов. Число уложенных слоев ткани определяет толщину листов и плит. Габаритные размеры прессуемых деталей ограничиваются мощностью гидравлического пресса.

Методы прессования классифициуются также по величине удельного давления: прессование при высоком ( более 4 МПа) и низком (менее 4 МПа) давлениях и по температуре: холодное (20 ⁰С), горячее прессование (130- 180 ⁰С для пресс-материалов на основе фенолоформальдегидных смол), высокотемпературное 200-210 ⁰С для тех же материалов).

Литье под давлением

Литье под давлением - один из основных методов переработки, широко применяющихся при производстве изделий из полимерных материалов.

При формовании методом литья под давлением перерабатываемый материал нагревается до вязкотекучего состояния (пластицируется) в обогреваемом цилиндре, из которого впрыскивается под действием поршня или червяка в предварительно замкнутую литьевую форму, где материал затвердевает при изменении температуры, приобретая конфигурацию внутренней полости формы.

При литье термопластичных материалов расплав, заполнивший форму, охлаждается и затвердевает, затем форма открывается и готовое изделие удаляется из гнезда формы. При переработке термореактивных материалов впрыснутый в форму материал нагревается до температуры отверждения и выдерживается в течение времени, необходимого для полного отверждения изделия.

Переработка материалов литьем под давлением состоит из операций подготовки материала и формования. Подготовка материала в литьевой машине заключается в разогреве его до вязкотекучего состояния. Процессы пластикации в червячных и поршневых машинах существенно различаются: в поршневых машинах пластикация осуществляется только в результате прогрева, а пластикация в червячных машинах осуществляется как в результате прогрева (от нагревателей цилиндра), так и в результате выделения тепла трения в витке червяка сдвиговыми усилиями. В червячных конструкциях материал подвергается интенсивному перемеши-ванию, что позволяет выровнить температуру в объеме материала, подготовленного для впрыска.

Формование производится в вязкотекучем состоянии, в которое материал переходит при повышенной температуре. При этом основное значение имеет выбор температуры переработки и времени пребывания при повышенной температуре до разложения или отверждения полимера. При увеличении температуры переработки выше определенного предела, характерного для каждого полимера, может произойти его термодеструкция (разложение) или преждевременное отверждение (для термореактивных полимеров). При пониженной температуре переработки материал обладает высокой вязкостью, что затрудняет формование готовых изделий.

При переработке термопластов цилиндр нагревают до 200-350°С, при переработке реактопластов - до 80-120°С. В литьевой форме термопласты в зависимости от их природы и требований, предъявляемых к изделию, охлаж- даются до 20-40°С (полистирол, полиэтилен) или до 80-120°С (поликарбонат, полиформальдегид), а реактопласты нагреваются до 160-200°С. В форме материал выдерживается под давлением для уплотнения, что значительно снижает последующую усадку при охлаждении изделия вне формы.

Литьевая машина состоит из устройства для дозирования материала, механизмов замыкания формы и инжекции, привода, пультов для управления машиной, а также для контроля и регулирования температуры.

Механизм замыкания формы поршневой литьевой машины (рис.2) состоит из гидравлического цилиндра 1 и плунжера 2 для привода подвижной плиты 3 (при замыкании и размыкании литьевой формы 4), а также неподвижной плиты 5, с расположенным в ней соплом 6.

Инжекционный механизм состоит из рассекателя (торпеды) 7, расположенного в инжекционном обогреваемом цилиндре 8, бункера 9 с весовым или объемным дозатором для перерабатываемого материала и инжекционного поршня 10, который перемещается под действием плунжера 11, расположенного в гидравлическом цилиндре 12. Обогрев инжекционного цилиндра осуществляется электрическим обогревателем 13.

Рис.2. Литьевая машина поршневого типа

Перемещение инжекционного механизма для прижатия инжекционого сопла к литниковой втулке формы или отодвигания сопла осуществляется плунжером 11 гидравлического цилиндра 12.

Червячная литьевая машина в отличие от поршневой оснащена червяком и двигателем для вращения червяка.

Процесс литья под давлением включает стадии: объемного и весового дозирования порошкообразного или гранулированного материала, загрузки материала в обогреваемый инжекционный цилиндр, пластикации материала, смыкания и запирания формы, подвода инжекционного механизма к форме, впрыска материала из сопла инжекционнного цилиндра в полость закрытой формы, выдержки под давлением, возвращения червяка или поршня и инжекционнного механизма в исходное положение, охлаждения в форме, размыкания формы и удаления из нее изделий.

Экструзия

Значительная часть термопластичных полимеров перерабатывается в изделия методом экструзии с использованием экструзионных машин (червячных прессов) различных типов. При переработке гранулированных или порошкообразных термопластов экструдеры предназначаются для непрерывной пластикации и гомогенизации полимера, получения однородного расплава, перемешивания его и выдавливания через формующие головки в виде спрофилированного изделия. С помощью экструдеров производится нанесение тонкослойных покрытий на бумагу, ткани, картон, нанесение изоляции на провода и кабели. Экструдеры применяются и для дегазации, окрашивания, обезвоживания, смешения, пластикации термопластов, реактопластов и эластомеров.

Непрерывность и высокая производительность процесса экструзии создают возможность максимальной автоматизации и поэтому червячные экструдеры - это один из наиболее распространенных и перспективных видов оборудования для переработки полимерных материалов.

Основные особенности экструзионной машины на примере одночервячного экструдера представлены на рис.3.

Рис.3. Одночервячный экструдер (а) и червяк (б): 1 - двигатель, 2 - канал для охлаждения зоны бункера, 3 - канал для выхода расплава в профилирующую головку, 4 - нагреватели цилиндра, 5 - цилиндр, 6 - червяк, 7 - загрузочная камера, 8 - бункер, 9 - упорный подшипник, 10 - редуктор; зоны червяка: I - питания, II - плавления, III - дозирования. D - диаметр, L - длина, h₁, h₃ - глубина винтового канала, e - ширина гребня витка, t - шаг нарезки

Установка состоит из червяка, вращающегося внутри обогреваемого цилиндрического корпуса, на конце которого устанавливается головка с профилирующим инструментом. Между червяком и головкой располагается решетка с пакетом фильтрующих сеток. Материал поступает в загрузочное отверстие, где захватывается червяком и, продвигаясь по каналу червяка, разогревается за счет тепла, выделяющегося вследствие вязкого трения и тепла, подводимого от расположенных на корпусе нагревателей. В процессе уплотнения из материала удаляется захваченный вместе с гранулами воздух, и удельный объем композиции уменьшается. Для компенсации уменьшения удельного объема композиции канал червяка выполняют с уменьшающимся объемом витка (шнек с переменным шагом нарезки или шнек с переменной глубиной нарезки).

Одной из наиболее важных характеристик пресса является отношение длины червяка к диаметру, которое равно отношению длины червяка от края загрузочного отверстия, на наружный диаметр червяка (L/D).

Соответственно характеру процессов, протекающих на каждом участке червяка, его можно разделить по длине на три основные зоны: I - питания, II - плавления, III - дозирования (рис.3,б).

Зона питания - участок, в котором материал находится в твердом состоянии. Зона плавления - участок, в котором почти полностью происходит плавление материала. Дозирующая зона - участок, в котором материал находится в вязкотекучем состоянии.

Червячные экструдеры классифицируются по ряду признаков и разделяются следующим образом: одночервячные и многочервячные; одностадийные и многостадийные; одноцилиндровые и многоцилиндровые; с простым профилем червяка или со сложным.

По величине скорости вращения червяка различаются нормальные (до 150 об/мин.) и скоростные (свыше 150 об/мин.). На большинстве экструдеров червяки неподвижны в осевом направлении, однако на некоторых машинах кроме вращательного движения червяк осуществляет возвратно-поступа­тель­ное (осциллирующее).

В зависимости от конструктивного исполнения различаются экструдеры горизонтальные и вертикальные, стационарные и вращающиеся.

Одночервячные экструдеры применяют, главным образом, при получении труб, пленок, листов. Многочервячные экструдеры используют, прежде всего, в грануляционных установках.

В соответствии с многообразием изделий имеются различные типы формующих головок: прутковые (гранулирующие), профильные, трубные, кабельные, плоскощелевые (листовые, ленточные), пленочные (кольцевые и плоскощелевые). По конструкционным признакам головки делятся на прямоточные и поперечные (угловые и др.).

Термоформование

Термоформование - метод получения изделий или полуфабрикатов из листовых или пленочных материалов при повышенных температурах в ре-зультате высокоэластических деформаций.

К достоинствам термоформования относятся: возможность изго-товления крупногабаритных изделий; достаточно высокая произво-дительность и экономичность. Основной недостаток термоформования – наличие определенного температурного интервала стабильности размеров и формы изделий (ниже температуры стеклования), что обусловлено неравномерным характером реализуемых при термоформовании деформаций.

Разновидностями термоформования являются: вакуумформование и пнев­­мо­­формрвание.

Вакуумформование производится под действием силы, возникающей из-за разности между атмосферными давлениями воздуха и разряжением, создаваемым внутри полости формы.

При вакуумоформовании наиболее четко оформляется поверхность, соприкасающаяся с формой. Поэтому при повышенных требованиях к внутренней поверхности изделия выбирают выпуклую форму - пуансон (позитивный метод), а при повышенных требованиях к внешней поверхности используют вогнутую форму- матрицу (негативный метод).

Для формовании изделия из толстых листов часто комбинируют создание вакуума с механическим формованием и использованием сжатого воздуха.

Схема вакуумоформования без предварительной и с предварительной вытяжкой представлены на рис.4 и 5.

а б

Рис.4. Схемы вакуумформования без предварительной вытяжки: а - в матрице (негативное); б - на пуансоне (позитивное); 1 - нагреватель; 2 - лист; 3 - прижимная рама; 4 - вакуумная камера; 5 – форма

а б в

Рис.5. Схемы вакуумфор­мо­ва­­ния с предварительной вы­тяж­кой пуансоном: а - нагре­ва­ние; б - предварительная вытяжка листа; в - формование; 1 - нагрева­тель; 2 - лист;

3 - прижимная рама; 4 - пуансон; 5 - подвижный стол

Пневмоформование проводится под действием подогретого и сжатого воздуха, в результате чего лист оформляется в изделие. Для разогрева заготовок применяют теплорадиационные нагреватели (стационарные или подвижные).

Основными методами пневмоформования являются: негативное, позитивное и свободное.

При негативном формовании (рис.6) заготовку 5 закрепляют в зажимной раме 2 и нагревают. Затем под заготовкой устанавливают пневмокамеру 4, создают избыточное давление, под действием которого лист принимает форму изделия и проводят охлаждени. Негативное формование позволяет получать изделия, наружная поверхность которых воспроизводит форму, размер и рисунок внутренней поверхности матрицы.

Рис. 6. Схема негативного формования ; а - нагрев; б - формование (вытяжка); в - выталкивание; 1 - матрица; 2 - зажимная рама; 3 - нагреватель; 4 - пневмокамера; 5 - заготовка; 6 - каналы для воздуха

При позитивном формовании вместо матрицы в формовочную камеру устанавливают выпуклый оформляющий пуансон, форма, размер и рисунок воспроизводится на внутренней поверхности изделия.

При свободном формовании заготовка, предварительно нагретая и укрепленная над проймой (зажимной рамой, имеющей специальную прорезь), формуется не входя в контакт ни с оформляющим инструментом, ни с пневмокамерой. При достижении необходимой глубины вытяжки листа давление воздуха уменьшают и поддерживают постоянным до полного охлаждения изделия. Свободное формование применяют, как правело, для получения изделий с высокими оптическими свойствами.

Контрольные вопросы

1. В чем заключается суть процесса переработки полимерных материалов?

2.По каким организационно-технологическим приз-накам классифи-цируются процессы переработки?

3.Основные виды прессования.

4.Достоинства и недостатки компрессионного прессования.

5.Достоинства и недостатки литьевого прессования.

6.Принцип действия поршневой литьевой машины.

7.Принцип работы экструзионной машины.

8.На какие зоны можно разделить червяк по характеру процессов, протекающих в нем ?

9.Достоинства и недостатки процесса термоформования.

10.Разновидности термоформования.

Лекция 2

МЕТОДЫ ФОРМОВАНИЯ ИЗДЕЛИЙ ИЗ

АРМИРОВАННЫХ ПЛАСТИКОВ

Формование изделий из армированных пластиков имеет особенности, связанные с наличием в их составе армирующих наполнителей, совмещение которых со связующими может осуществляться как в процессе формования изделий, так и предварительно, причем самому наполнителю форму будущего изделия можно придавать до совмещения со связующим.

Основные технологические процессы формования делятся на методы открытого и закрытого формования.

При открытом формовании одна из поверхностей изделия оформляется в контакте с жесткой поверхностью формы, другая поверхность обычно остается свободной или формуется с помощью резиновой диафрагмы или других гибких элементов. К открытым способам относятся контактное формование, напыление, намотка и ряд других методов.

При использовании методов закрытого формования обе поверхности изделия формуются жесткими элементами формы таким образом, что толщина стенки изделия может быть выдержана с высокой точностью. К таким способам относятся прессование, пропитка наполнителей в замкнутой форме и др.