Методы формования изделий из ненаполненных и наполненных полимерных материалов Формование под давлением.

Прямое прессование применяют для изготовления изделий разнообразных форм, размеров и толщин преим. из реактопластов, выпускаемых в виде порошков, гранул, волокнитов, слоистых заготовок из армированных П.м., а также заготовок из резиновой смеси. П.м. перед прессованием подвергают подготовке (сушка, таблетирование, предварит. нагрев), улучшающей их технол. св-ва и качество получаемых изделий. Подготовл. материалы перед прессованием обычно дозируют. Заданное кол-во перерабатываемого полуфабриката помещают в установленную на прессе нагретую прессформу, конфигурация оформляющей полости к-рой соответствует конфигурации детали (рис. 1). Прессформу смыкают. Материал нагревается, переходит в вязкотекучее состояние, под давлением 7-50 МПа заполняет оформляющую полость и уплотняется. В прессформе материал выдерживают под давлением до завершения отверждения П.м. или вулканизации сырой резиновой смеси, чем обеспечивается фиксация приданной материалу конфигурации. Готовое изделие выталкивают или извлекают из прессформы, как правило, при т-ре прессования.

Рис. 1. Изготовление изделий прессованием: а -загрузка прессматериала в нагретую прессформу; б -прессование; в - выталкивание изделия; 1-пуансон; 2-матрица; 3 - выталкиватель; 4-прессматериал; 5-готовое изделие.

 

В процессе прессования для повышения качества изделий применяют подпрессовки (попеременные подача и снятие давления) и задержку подачи давления. Подпрессовки способствуют удалению из реактопластов летучих в-в (продуктов р-ции, адсорбир. влаги, остатков р-рителей). Эта же цель достигается предварит. вакуумированием материала в оформляющей полости прессформы (прессование с вакуумированием). Задержку подачи давления применяют для снижения текучести реактопластов, имеющих при т-ре формования очень низкую вязкость, с тем чтобы предотвратить их вытекание через зазоры прессформы в процессе уплотнения.

При переработке термопластов прессование применяют для изготовления деталей толщиной >10-15 мм, если при т-ре переработки материал имеет слишком высокую вязкость, а также если т-ра текучести П.м. близка к т-ре его деструкции.

Литьевое (трансферное) прессование применяют гл. обр. для переработки реактопластов. Формование осуществляют в прессформах, оформляющая полость к-рых отделена от загрузочной камеры и соединяется с ней литниковыми каналами (рис. 2). В процессе прессования материал, помещенный в загрузочную камеру нагретой прессформы, переходит в вязкотекучее состояние и под давлением 60-200 МПа по литниковому каналу перетекает в оформляющую полость прессформы, где материал дополнительно прогревается и отверждается.

Рис. 2. Изготовление изделий литьевым прессованием: а -прессформа нагрета и закрыта; б -передавливание расплавл. материала в оформляющую полость и отверждение его; в -разъем прессформы; 1-пуансон; 2-матрица; 3-выталкиватель; 4-прессматериал; 5-готовое изделие; 6-загрузочная камера; 7-остаток прессматериала, отверлившегося в литьевом канале прессформы; 8-литьевой пуансон.

 

Преимущество литьевого прессования-возможность изготовления изделий сложных форм с глубокими сквозными отверстиями малого диаметра или с малопрочной внутр. (внеш.) арматурой. Изделия, полученные этим методом, характеризуются меньшим напряжением, чем при прямом прессовании, т.к. процесс отверждения в оформляющей полости идет одновременно по всему объему детали, а при заполнении формы создаются условия, обеспечивающие удаление из материала летучих продуктов.

Литье под давлением применяют преим. для изготовления изделий из термопластов. Осуществляют под давлением 80-140 МПа на литьевых машинах поршневого или винтового типа, имеющих высокую степень механизации и автоматизации (рис. 3). Литьевые машины осуществляют дозирование гранулир. материала, перевод его в вязкотекучее состояние, впрыск (инжекцию) дозы расплава в литьевую форму, выдержку в форме под давлением до его затвердевания или отверждения, размыкание формы и выталкивание готового изделия. При переработке термопластов литьевую форму термостатируют (т-ра ее не должна превышать т-ры стеклования или т-ры кристаллизации), а при переработке реактопластов нагревают до т-ры отверждения. Давление литья зависит от вязкости расплава материала, конструкции литьевой формы, размеров литниковой системы и формуемых изделий. Литье при сверхвысоких давлениях (до 500 МПа) уменьшает остаточные напряжения в материале, увеличивает степень ориентации кристаллизующихся полимеров, что способствует упрочнению материала и обеспечивает более точное воспроизведение размеров деталей.

Рис. 3. Литьевая машина: 1 -материальный цилиндр; 2 - нагревательные элементы; 3-винт (шнек); 4-каналы охлаждения; 5-бункер для материала; 6-гидродвигатель; 7-редуктор; 8-гидроцилиндр узла впрыска; 9-манометр; 10, 17-неподвижные плиты; 11 - направляющие колонки; 12-литьевая форма; 13-подвижная плита; 14-колесно-рычажный механизм; 15-гидро-цилиндр узла смыкания; 16-гайки; 18-упор; 19-сопло.

 

Давление в литьевой форме при заполнении расплавом полимера повышается постепенно (в конце выдержки под давлением достигает 30-50% от давления литья) и распределяется по длине оформляющей полости неравномерно вследствие высокой вязкости расплава и быстрого ее нарастания при охлаждении или отверждении.

Литье под давлением позволяет изготовлять детали массой от долей грамма до неск. килограммов. При выборе машины для формования изделия учитывают объем расплава, необходимый для его изготовления, и усилие смыкания, требующееся для удержания формы в замкнутом состоянии в процессе заполнения расплавом оформляющей полости.

Для выравнивания давления и улучшения условий заполнения формы применяют литье под давлением с предварит. сжатием расплава, инжекционное прессование, литье под давлением с наложением мех. колебаний и др. методы.

Литье под давлением с предварит. сжатием расплава осуществляют на литьевой машине, сопловый блок к-рой снабжен краном. При закрытом кране производят сжатие расплава полимера в нагреват. цилиндре машины до давления литья. После открытия крана расплав под высоким давлением с большой скоростью заполняет полость литьевой формы и дополнительно нагревается за счет работы сил трения. Для предотвращения механодеструкции П.м. скорость течения расплава по литниковым каналам иногда ограничивают. Предварит. сжатие расплава позволяет в 1,5-2 раза уменьшить время заполнения формы и увеличить путь течения расплава до момента его застывания, что позволяет отливать длинномерные тонкостенные детали.

Инжекционное прессование отличается от обычного литья под давлением тем, что впрыск дозы расплава П.м. производят в не полностью сомкнутую форму. Уплотнение материала осуществляют при окончат. смыкании формы (прессование). Метод позволяет получать как очень тонкостенные, так и толстостенные детали из термо- и реактопластов. Изделия, изготовленные этим методом, имеют меньшую анизотропию мех. св-в и меньшую усадку.

Литье под давлением с наложением мех. колебаний применяют для изготовления изделий из П.м., расплавы к-рых обладают ярко выраженными св-вами псевдопластичных жидкостей. Воздействие мех. колебаний вызывает резкое снижение вязкости таких расплавов, в результате чего уменьшается время заполнения формы и происходит более равномерное распределение давления по длине оформляющей полости.

Интрузия-метод формования толстостенных изделий на винтовых литьевых машинах, объем впрыска к-рых м. б. значительно меньше объема формуемого изделия. В процессе заполнения формы литьевая машина работает в режиме экструдера (см. ниже), нагнетая расплав полимера через широкие литниковые каналы в оформляющую полость при сравнительно невысоком давлении; после заполнения формы винт под действием гидроцилиндра движется как поршень вперед и подает в форму под более высоким давлением кол-во расплава, необходимое для оформления детали и компенсации усадки материала.

Экструзию (шприцевание, выдавливание) применяют для формования из термо- и реактопластов разл. длинномерных изделий-волокон, пленок, листов, труб, профилей разнообразного поперечного сечения. Переработка термопластов осуществляется на поршневых и винтовых машинах (экструдерах) путем выдавливания материала, переведенного в нагреват. цилиндре экструдера в вязкотекучее состояние, через формообразующую головку проходного типа (рис. 4). Выходящее из головки изделие охлаждается, отводится тянущим устройством и сматывается в бухты или разрезается на отрезки необходимой длины. Скорость отвода изделия м. б. больше скорости выхода из головки, тогда происходит ориентация материала в направлении оси изделия. С помощью спец. устройств возможна поперечная ориентация материала. Методом экструзии можно также наносить на провода и кабели полимерную изоляцию.

Рис. 4. Винтовой экструдер: 1 - бункер для материала; 2 - каналы охлаждения; 3 - нагревательные элементы; 4-винт (шнек); 5-сетка; 6 - формообразующая головка; 7-изделие; 8-станина экструдера; 9-узел подшипников; 10-редуктор; 11 -электродвигатель привода; 12-форсунка для охлаждения изделия; 13-тянущее устройство.

 

Экструзию термопластов можно совмещать с др. методами формования, напр, раздуванием (т. наз. экструзионно-раздувное формование), в результате чего из экструдир. заготовки получают крупногабаритные тонкостенные полые изделия (рис. 5).

Рис. 5. Производство изделий эк-струзионно-раздувным формованием: а-получение заготовки; б- раздувание заготовки и оформление изделия; в - извлечение изделия из формы; 1 - винт экструдера; 2 - материальный цилиндр экструдера; 3-кран для подачи сжатого воздуха; 4-дорн; 5-угловая головка; 6-заготовка; 7, 8-полуформы для раздува; 9-привод полуформы; 10-изделие.

 

Формование экструзией деталей из наполненных реакто-пластов осуществляют гл. обр. на поршневых машинах (штранг-прессование), т. к. расплав материала имеет слишком высокую вязкость. Конструкцию головки и распределение т-ры по ее длине выбирают таким образом, чтобы материал был достаточно уплотнен и на выходе из головки имел степень отверждения, обеспечивающую формуемому изделию товарный вид и технол. прочность. Окончат. отверждение материала м. б. проведено в трубчатых печах.

Центробежное формование применяют для изготовления изделий, имеющих форму тел вращения (втулки, трубы, полые сферы и др.), под действием центробежных сил. Таким способом перерабатывают вязкотекучие термореактивные компаунды, расплавы полимеров и пластизоли, как ненаполненные, так и содержащие порошкообразные и волокнистые наполнители. При центробежном формовании расплав полимера или термореактивный компаунд заливают в нагретую форму, закрепленную на валу центрифуги, к-рую приводят во вращение. Под действием центробежных сил перерабатываемый материал распределяется равномерным слоем по оформляющей пов-сти формы и уплотняется. После охлаждения формы ее останавливают и извлекают готовое изделие. Для изготовления невысоких втулок и изделий, имеющих геометрию параболоида вращения, применяют форму с вертикальной осью вращения; длинные трубы получают в формах с горизонтальной осью вращения, полые сферы - одноврем. вращением формы вокруг двух взаимно перпендикулярных осей. Величина развивающегося в процессе формования давления определяется частотой вращения формы и радиусом ее оформляющей полости и достигает 0,3-0,5 МПа. Этим методом получают обычно тонко- и толстостенные изделия, изготовление к-рых др. методами затруднительно или невозможно.

Вальцевание применяют для смешивания компонентов сырых резиновых смесей и пластич. масс на стадии их приготовления или улучшения технол. св-в материала перед формованием изделий, а также для изготовления полуфабрикатов (листов, пленки). Вальцевание осуществляют в зазоре между валками (охлаждаемыми или нагреваемыми), вращающимися навстречу друг другу с разл. скоростью. В зависимости от аппаратурного оформления метода материал с вальцов может сниматься в виде листа или узкой непрерывной ленты.

Каландрование применяют для непрерывного формования разл. пленочных или листовых П. м., нанесения на пов-сть листовых материалов рельефного рисунка, дублирования предварительно отформованных ленточных заготовок, армирования П. м. тканями или сеткой при т-ре выше т-ры текучести или т-ры плавления. Осуществляют на агрегатах непрерывного действия, осн. частью к-рых является многовалковый каландр (рис. 6). Полимерная или резиновая композиция непрерывно поступает на каландр с питательных вальцов или экструдера. В отличие от вальцевания при каландровании материал проходит через зазор между парой валков только один раз. Для получения листа заданной толщины и с гладкой пов-стью каландр делают многовалковым, что позволяет последовательно пропускать материал через два или три зазора разного размера. В процессе каландрования П. м. в зазоре между валками подвергается интенсивной деформации сдвига, в нем в направлении движения развиваются значит. эластические деформации, к-рые фиксируются в изделии послед. охлаждением. Продольная ориентация обусловливает значит. анизотропию св-в материала (каландровый эффект).

Каландровые агрегаты м. б. снабжены дополнит. устройствами для одно- или двухосной ориентации пленки.

Рис. 6. Производство изделий каландрованием: 1 - смеситель; 2 - вальцы; 3 - детектор металла; 4-5-образный наклонный каландр; 5 - охлаждающие барабаны; 6-толщиномер; 7-устройство для обрезания кромок; 8-закаточное устройство.

 

Прокатку применяют для обработки листовых термопластичных полуфабрикатов с целью придания им требуемых размеров поперечного сечения или повышения мех. св-в в направлении прокатки. В отличие от каландрования ее осуществляют на валковых машинах, валки к-рых вращаются навстречу друг другу с одинаковой скоростью, при т-рах, не превышающих т-ры стеклования и т-ры плавления. В зазоре между валками происходит уплотнение материала и ориентация его в направлении прокатки вследствие развивающихся в материале вынужденных эластических деформаций.

Для формования монолитных тонкостенных изделий из заготовок термопластов (листов, труб и др.) применяют штамповку (штампование) и ее разновидности (механо-пневмоформование, пневмоформование, вакуум-формование и др.).

Штамповку используют преим. для формования крупногабаритных объемных изделий из заготовок, получаемых литьем, прессованием, литьем под давлением или экструзией и переведенных нагреванием в эластическое состояние. Нагретая заготовка под действием давления изменяет форму, заполняя оформляющую полость штампа, имеющего т-ру ниже т-ры стеклования П. м. Для фиксации полученной конфигурации отформованное изделие охлаждают под давлением. При штамповке можно совмещать операцию изготовления заготовки и получения из нее изделия. Заготовку в этом случае получают литьем под давлением или экструзией и, не давая ей охладиться ниже т-ры стеклования, подвергают штамповке. В зависимости от конструкции применяемого оборудования и оснастки, формы и размеров заготовки и изделий применяют разл. виды штамповки.

Детали со стенками переменной толщины или с рельефом на пов-сти изготовляют из сравнительно толстостенных заготовок в жестких штампах, имеющих пуансон и матрицу и устанавливаемых на гидравлич. или пневматич. прессах (рис. 7). Из всех видов штамповки этот метод наиб. дорог, т.к. требует сопряженных друг с другом пуансонов и матриц.

Рис. 7. Штамповка с помощью жесткого штампа, имеющего пуансон и матрицу: 1 - камера; 2 - матрица; 3 - заготовка; 4-прижимное кольцо; 5-пуансон.

 

Мех. штамповку пуансоном (рис. 8, а) через протяжное кольцо и механопневмоформование (рис. 8,б) применяют для изготовления изделий с резко выраженной разнотолщинностью, напр., если дно изделия должно быть значительно толще стенок. При получении изделий, на одну из пов-стей к-рых необходимо нанести рисунок с мелкими элементами, применяют гл. обр. штамповку в матрицу эластичным пуансоном, выполненным из губчатой или мягкой монолитной резины.

Рис. 8. Штамповка пуансоном: а -через протяжное кольцо; б -механопневмоформование; 1 -камера; 2-заготовка; 3-протяжное кольцо; 4-прижимное кольцо; 5-пуансон.

 

Вакуум-формованием через протяжное кольцо (рис. 9, а) из листовых заготовок получают изделия, имеющие форму тел вращения. Заготовку защемляют между прижимным и протяжным кольцом, закрепленными на торце герметичной емкости, в к-рой создают разряжение. Под действием атм. давления заготовка деформируется внутрь емкости, а при создании в емкости избыточного давления-в обратную сторону. Форма и размеры получаемого изделия определяются конфигурацией в плане протяжного кольца и степенью (глубиной) вытяжки заготовки, характеризующейся отношением высоты изделия к его ширине. Вакуум-формованием в матрицу (рис. 9,б)при давлении формования до 0,09 МПа получают изделия из тонкостенных заготовок. Если такого давления для оформления изделий недостаточно, применяют пневмоформование в матрицу (рис. 10). Этот метод позволяет также получать изделия более сложной конфигурации.

Рис.9. Вакуум-формование: а -через протяжное кольцо; б -в матрицу; 1-камера; 2-заготовка; 3-протяжное кольцо; 4-прижимное кольцо; 5-матрица.

Рис. 10. Пневмоформование в матрицу: 1-камера; 2-заготовка; 3-при жимное кольцо; 4-матрица.

 

В процессе штамповки-вырубки производят изготовление плоских изделий разл. конфигурации, имеющих в плоскости детали отверстия разл. диаметра. Вырубка изделий осуществляется в штампах, оснащенных режущими элементами (для отделения изделия от заготовки по контуру), прижимом, удерживающим заготовку в необходимом положении, пуансоном и матрицей, производящими пробивку отверстий в заготовке.

Формование без давления. В этом случае уплотнение материала и формование изделия осуществляется под действием силы тяжести и сил поверхностного натяжения.

Методом литья изготовляют изделия из отверждающих-ся компаундов на основе мономеров, олигомеров, смол, полимер-мономерных композиций или расплавов полимеров, имеющих консистенцию вязкой жидкости. Компаунд при нормальной или повыш. т-ре заливают в технол. оснастку (форму), в к-рой происходит его отверждение или затвердевание. Для обеспечения извлечения изделия из формы стенки формы покрывают слоем антиадгезива, напр. отвер-ждающейся силиконовой смазкой. Литьем изготовляют листы, плиты, блоки, разл. рода машиностроит. детали (шестерни, шкивы, кулачки, шаблоны), технол. оснастку для штамповки, литья под давлением и др. методов формования.

При капсулировании компаундом заливают к.-л. элемент, к-рый фиксируют в форме. После отверждения компаунда элемент, покрытый с пов-сти слоем полимера, извлекают из формы.

Метод заливки подобен литью; отличается тем, что компаунд заливают в оболочку (кожух, корпус), в к-рую предварительно помещают разл. рода узлы или элементы (трансформаторы, индуктивные катушки, электронные или электрич. системы и т. п.). Внутр. пов-сть оболочки тщательно обезжиривают для обеспечения ее прочного сцепления с компаундом.

При герметизации заливаемый элемент плотно вставляют в оболочку, а компаундом покрывают только его пов-сть. Так же, как и в методе заливки, необходимо обеспечить прочное сцепление компаунда с заливаемым узлом и пов-стью оболочки.

Методом полива изготовляют тонкие пленки или пленочные клеи из компаундов или р-ров полимеров, напр. на плоской подложке или установке непрерывного типа (рис. 11). Компаунд из емкости через фильеру наносится на гибкую ленту транспортера, проходит через камеру сушки и (если необходимо) отверждения, отделяется от ленты и сматывается в рулон.

Рис. 11. Формование пленок поливом: 1 - фильера; 2 - емкость с р-ром полимера; 3-сушильная камера; 4-пленка полимера; 5 - сматывающее устройство; 6-барабан транспортера; 7 - транспортерная лента.

 

Во всех перечисл. методах во избежание образования в изделиях газовых включений компаунд предварительно нагревают или вакуумируют, а отверждение материала ведут в вакуумированной форме. В случае введения порошкообразных или волокнистых наполнителей компаундам придают тиксотропные св-ва.

Методы окунания и декантации применяют для изготовления тонкостенных деталей разнообразной формы из вязких компаундов, а также для нанесения на пов-сть изделий электроизоляц., антифрикц., антикоррозионных или декоративных покрытий. При изготовлении деталей окунанием применяют оснастку по форме изделия позитивного типа (пуансоны), к-рую окунают в компаунд, залитый в к.-л. емкость. Слой компаунда, оставшийся на пов-сти оснастки, отверждают и, если его толщина мала, окунание повторяют; полученную деталь снимают с оснастки. Декантацией изготовляют детали в оснастке негативного типа (матрица). В матрицу наливают необходимое кол-во компаунда и наклоняют (кантуют) ее так, чтобы все оформляющие пов-сти были покрыты слоем компаунда. Излишки компаунда выливают, а оставшуюся пленку охлаждают. Форму размыкают и извлекают готовое изделие. Для предотвращения стекания вязкого компаунда с наклонных стенок пуансонов и матриц применяют тиксотропные или быстроотверждающиеся компаунды.

Методом ротац. формования изготовляют тонкостенные полые изделия, а также наносят покрытия на внутр. пов-сти разл. емкостей из порошкообразных полимеров и пластизолей. Порцию П. м. загружают в полую металлич. форму, герметично закрывают ее и в зависимости от конфигурации детали вращают форму вокруг одной или двух взаимно перпендикулярных осей. Одновременно форму нагревают, для того чтобы полимер расплавился или набух в пластификаторе. Во время вращения расплав смачивает оформляющую пов-сть формы и распределяется по ней равномерным слоем. Частоту вращения подбирают так, чтобы линейная скорость движения точек, лежащих на оформляющей пов-сти, была равна скорости стекания расплава с этой пов-сти под действием сил тяжести. Такой режим вращения обеспечивает получение равнотолщинных изделий. В отличие от центробежного формования полимер удерживается на стенках преим. силами адгезии и инерции. После охлаждения вращающейся формы и затвердевания полимера вращение прекращают и извлекают из формы готовое изделие.

Напыление порошкообразных П. м. на пов-сть форм применяют для изготовления тонкостенных изделий или нанесения полимерных покрытий на детали разл. назначения. Процесс состоит в нанесении порошка на пов-сть оснастки и послед. спекания образовавшегося слоя при нагр. его выше т-ры плавления или т-ры текучести П. м. Порошок полимера на пов-сть формы наносят в псевдоожиженном ("кипящем") слое или струйным методом с помощью пистолета-распылителя.

При изготовлении изделий методом засыпки в ограничит. оснастку засыпают порошок или гранулы термопласта. Загрузочное отверстие закрывают теплоизолирующей крышкой; оснастку нагревают выше т-ры текучести или т-ры плавления полимера и выдерживают до тех пор, пока у ее стенок не расплавится слой полимера нужной толщины; извлекают из термостата, охлаждают и высыпают нерасплавившиеся гранулы. В дальнейшем производят окончат. оплавление слоя, нагревая материал в оснастке без теплоизолирующей крышки. Методом засыпки изготовляют сравнительно тонкостенные крупногабаритные изделия (прогулочные лодки, бидоны для хранения и транспортировки жидкостей и др.).