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 полимерных материалов, а также заготовок из резиновой смеси. Полимерные материалы перед прессованием подвергают подготовке (сушка, таблетирование. предварительный нагрев), улучшающей их технологические свойства и качество получаемых изделий. Подготовленные материалы перед прессованием обычно дозируют. Заданное кол-во перерабатываемого полуфабриката помещают в установленную на прессе нагретую прессформу, конфигурация оформляющей полости которой 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 полимерных материалов или вулканизации сырой резиновой смеси, чем обеспечивается фиксация приданной материалу конфигурации. Готовое изделие выталкивают или извлекают из прессформы, как правило, при температуре прессования.

В процессе прессования для повышения качества изделий применяют подпрессовки (попеременные подача и снятие давления) и задержку подачи давления. Подпрессовки способствуют удалению из реактопластов летучих веществ (продуктов реакции, адсорбированной влаги, остатков растворителей). Эта же цель достигается предварительным вакуумированием материала в оформляющей полости прессформы (прессование с вакуумированием). Задержку подачи давления применяют для снижения текучести реактопластов, имеющих при температуре 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 температуре переработки материал имеет слишком высокую вязкость. а также если температура текучести полимерных материалоа близка к температуре его деструкции.

Литьевое (трансферное) прессование применяют главным образом для переработки реактопластов. Формование осуществляют в прессформах, оформляющая полость которых 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.

Преимущество литьевого прессования - возможность изготовления изделий сложных форм с глубокими сквозными отверстиями малого диаметра или с малопрочной внутренней (внешней) арматурой. Изделия, полученные этим методом, характеризуются меньшим напряжением, чем при прямом прессовании, так как 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 преимущественно 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 (температура ее не должна превышать температуры стеклования или температуры кристаллизации), а при переработке реактопластов нагревают до температуры 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.

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 нескольких 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 предварительным сжатием расплава, инжекционное прессование, литье под давлением с наложением механических колебаний и другие методы.

Литье под давлением с предварит. сжатием расплава осуществляют на литьевой машине, сопловый блок которой снабжен краном. При закрытом кране производят сжатие расплава полимера в нагревательном 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 полимерных материалов скорость течения расплава по литниковым каналам иногда ограничивают. Предварительное 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 механических свойств и меньшую усадку.

Литье под давлением с наложением механических колебаний применяют для изготовления изделий из полимерных материалов, расплавы которых обладают ярко выраженными свойствами псевдопластичных жидкостей. Воздействие механических 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 которых 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 нагревательнгом 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 может быть 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.

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

Формование экструзией деталей из наполненных реактопластов осуществляют главным образом на поршневых машинах (штранг-прессование), т. к. расплав материала имеет слишком высокую вязкость. Конструкцию головки и распределение температуры 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 технологическую прочность. Окончательное отверждение материала может быть 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, которую приводят во вращение. Под действием центробежных сил перерабатываемый материал распределяется равномерным слоем по оформляющей поверхности 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 - одновременным 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 которых др. методами затруднительно или невозможно.

Вальцевание применяют для смешивания компонентов сырых резиновых смесей и пластических масс на стадии их приготовления или улучшения технологических свойств 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 различных скоростью. В зависимости от аппаратурного оформления метода материал с вальцов может сниматься в виде листа или узкой непрерывной ленты.

Каландрование применяют для непрерывного формования различных пленочных или листовых полимерных материалов, нанесения на поверхность листовых материалов рельефного рисунка, дублирования предварительно отформованных ленточных заготовок, армирования полимерных материалов тканями или сеткой при температуре выше температуры текучести или температуры плавления. Осуществляют на агрегатах непрерывного действия, основной частью которых 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 поверхностью каландр делают многовалковым, что позволяет последовательно пропускать материал через два или три зазора разного размера. В процессе каландрования полимерных материалов в зазоре между валками подвергается интенсивной деформации сдвига, в нем в направлении движения развиваются значительные эластические деформации, которые фиксируются в изделии последующим охлаждением. Продольная ориентация обусловливает значительную анизотропию свойств материала (каландровый эффект).

Каландровые агрегаты могут быть снабжены дополнительными устройствами для одно- или двухосной ориентации пленки.

Прокатку применяют для обработки листовых термопластичных полуфабрикатов с целью придания им требуемых размеров поперечного сечения или повышения механических свойств в направлении прокатки. В отличие от каландрования ее осуществляют на валковых машинах, валки которых вращаются навстречу друг другу с одинаковой скоростью, при температурах, не превышающих температуры стеклования и температуры 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 преимущемственно 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 температуру ниже температуры стеклования полимерных материалов. 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 температуры стеклования, подвергают штамповке. В зависимости от конструкции применяемого оборудования и оснастки, формы и размеров заготовки и изделий применяют различные виды штамповки.

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

Механическую штамповку пуансоном (рис. 8, а) через протяжное кольцо и механопневмоформование (рис. 8,б) применяют для изготовления изделий с резко выраженной разнотолщинностью, например, если дно изделия должно быть значительно толще стенок. При получении изделий, на одну из поверхностей которых необходимо нанести рисунок с мелкими элементами, применяют главным образом штамповку в матрицу эластичным пуансоном, выполненным из губчатой или мягкой монолитной резины.

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 которой 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.

В процессе штамповки-вырубки производят изготовление плоских изделий различных конфигурации, имеющих в плоскости детали отверстия различного 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 отверждающихся компаундов на основе мономеров, олигомеров. смол, полимер-мономерных композиций или расплавов полимеров, имеющих консистенцию вязкой жидкости. Компаунд при нормальной или повышенной температуре заливают в технологическую оснастку (форму), в которой происходит его отверждение или затвердевание. Для обеспечения извлечения изделия из формы стенки формы покрывают слоем антиадгезива, например отверждающейся силиконовой смазкой. Литьем изготовляют листы, плиты, блоки, различного рода машиностроительные детали (шестерни, шкивы, кулачки, шаблоны), технологическую оснастку для штамповки, литья под давлением и др. методов формования.

При капсулировании компаундом заливают какой-либо элемент, который фиксируют в форме. После отверждения компаунда элемент, покрытый с поверхности слоем полимера, извлекают из формы.

Метод заливки подобен литью; отличается тем, что компаунд заливают в оболочку (кожух, корпус), в которую предварительно помещают различного рода узлы или элементы (трансформаторы, индуктивные катушки, электронные или электрические системы и т. п.). Внутреннюю поверхность оболочки тщательно обезжиривают для обеспечения ее прочного сцепления с компаундом.

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

Методом полива изготовляют тонкие пленки или пленочные клеи из компаундов или растворов полимеров, например 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.

Во всех перечисленных 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 свойства.

Методы окунания и декантации применяют для изготовления тонкостенных деталей разнообразной формы из вязких компаундов, а также для нанесения на поверхность изделий электроизоляционных, антифрикционных, антикоррозионных или декоративных покрытий. При изготовлении деталей окунанием применяют оснастку по форме изделия позитивного типа (пуансоны), которую окунают в компаунд, залитый в к.-л. емкость. Слой компаунда, оставшийся на поверхности 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 поверхности 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 ротационного формования изготовляют тонкостенные полые изделия, а также наносят покрытия на внутренней поверхности различных емкостей из порошкообразных полимеров и пластизолей. Порцию полимерных материалов загружают в полую металлическую 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 поверхность формы и распределяется по ней равномерным слоем. Частоту вращения подбирают так, чтобы линейная скорость движения точек, лежащих на оформляющей поверхности, была равна скорости стекания расплава с этой поверхности 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 полимерных материалов на поверхность форм применяют для изготовления тонкостенных изделий или нанесения полимерных покрытий на детали различного назначения. Процесс состоит в нанесении порошка на поверхность оснастки и последующего спекания образовавшегося слоя при нагревании его выше температуры плавления или температуры текучести полимерных материалов. Порошок полимера на поверхность формы наносят в псевдоожиженном ("кипящем") слое или струйным методом с помощью пистолета-распылителя.

При изготовлении изделий методом засыпки в ограничительную оснастку засыпают порошок или гранулы термопласта. Загрузочное отверстие закрывают теплоизолирующей крышкой; оснастку нагревают выше температуры текучести или температуры 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.).

123	Поделиться:

Воспользуйтесь поиском по сайту: