Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
Тема 15. ФОРМОВАНИЕ НА ВНУТРЕННЕЙ ПОВЕРХНОСТИ ФОРМЫ
(Пневмо-, вакуум-формование)
Для формования используют полимерные материалы, имеющие выраженную область высокоэластического состояния. Наиболее легко формируются изделия из аморфных полимеров.
Физико-химические основы процесса формования аналогичны рассмотренным ранее для экструзии и литья под давлением термопластов, однако в отличие от этих процессов, при формовании листов отсутствует сдвиговое течение (за исключением экструзионно-выдувного формования).
При пневмо- и вакуум-формовании изготовление изделий происходит из листовых полимерных материалов, которые первоначально нагревают до температуры размягчения, потом подвергают вытяжке, придавая ему необходимую конфигурацию, затем проводят охлаждение.
Методом формования изготавливают изделия различной конфигурации, имеющих одинаковую толщину стенок, особенно при изготовлении крупногабаритных изделий или тонкостенных изделий (упаковочная тара), когда литье под давлением неприменимо. Выгодно использовать при мелкосерийном производстве, т.к. технологическая оснастка проще и дешевле, чем литьевая форма.
Нагрев листовой заготовки:
1. Нагревание в сушильных шкафах. Процесс достаточно длительный и применяется в основном для полимеров чувствительных к перегреванию (например, ПММА, у которого температура размягчения близка к температуре химической деструкции).
2. Высокочастотный нагрев. Применяется для полярных полимеров. Однако, его трудно применять для нагревания больших листов или заготовок, т.к. при предшествующем изготовлении листов методом экструзии макромолекулы ориентируются преимущественно вдоль течения расплава и при высокочастотном нагревании происходит дезориентация макромолекул и размеры листа изменяются несимметрично.
3. Инфракрасное нагревание. Используется наиболее часто. По толщине листа возникает большой температурный градиент (Т), обусловленный теплопроводностью материала. Разность температур на поверхностях листа зависит от мощности нагревателя, толщины листа () и теплопроводности (). Количество теплоты проходящей через лист при одностороннем нагреве (W) равно: (15.1) , где S – площадь листа.
Количество переданной теплоты расходуется на нагревание полимера: (15.2).
Приравняв оба уравнения, получим, что время нагревания листа (tн) равно: (15.3),
где Т0 – начальная температура листа; Тф – температура формования, равная средней температуры листа после нагревания, Тф = (Тв + Тн)/2; Тв и Тн – температура на верхней и нижней поверхности листа.
Обычно формование проводится когда нижняя температура листа аморфных полимеров нагревается больше Тс , а кристаллических – выше Тпл .
Обогреваемая поверхность имеет более высокую температуру, которая не должна быть выше теплостойкости (температуры деструкции - Тg). Разница температур по толщине обуславливает температурный градиент Т = Тв - Тн и зависит от интенсивности нагревания. Т увеличивается при уменьшении tн и увеличении толщины листа. При большом градиенте температур по толщине полимер на обогреваемой поверхности может перегреться, и возможна термическая деструкция и изменение окраски. Поэтому толстые листовые заготовки нагревают при двухстороннем расположении нагревателей; при этом tн уменьшается в 4 раза.
Интенсивность нагревания во всех случаях выбирается из условия :
(15.4).
Температура формования обычно определяется экспериментально, т.к. она зависит от свойств полимера, толщины листа, конфигурации изделия и его размеров. Она также влияет на прочность и усадку изделия.
Низкая температура формования: требует более высокого давления (усилия) для вытяжки; уменьшается способность полимера к вытяжке, но при этом достигается более высокая степень ориентации макромолекул и, следовательно, увеличивается прочность изделия вдоль направления вытяжки.
Высокая температура формования: может произойти вытяжка листа под действием веса заготовки и ее сильное провисание. Чем больше размеры листа, тем сильнее провисание. Начало провисания можно определить из равновесия сил. Например, для круглой зажимной рамы:
(15.5),
где R – радиус зажимной рамы; σт – предел текучести полимера.
Тогда провисание исключается, если выполняется следующее условие : (15.6). С увеличением молекулярной массы полимера провисание уменьшается.
С ростом температуры формования способность полимера к вытяжке проходит через максимум. Максимальная кратность вытяжки обеспечивается в определенной области температур, которая зависит от интенсивности нагревания (см.рис.15.1). Максимальная вытяжка означает, что при увеличении коэффициента растяжения больше определенного значения происходит разрыв листовой заготовки.
Повышение температуры формования уменьшает анизотропию свойств, уменьшается усадка и прочность изделий (за счет снижения степени ориентации макромолекул) (см.рис.15.2).
Формование изделия происходит вследствие вытяжки листа под действием усилия пресса сжатого воздуха или вакуума.
Скорость деформации листовой заготовки обеспечивается скоростью опускания плит пресса или давлением и в каждом конкретном случае выбирается с учетом свойств полимера и температуры формования. Скорость деформации должна быть такой, чтобы звенья макромолекул могли переходить в новое положение без разрушения основной цепи. Максимальная скорость деформации реализуется только при определенной температуре полимера, при этом снижается разнотолщинность и происходит очень сильная ориентация макромолекул.
Коэффициент вытяжки зависит от размеров и конфигурации изделия. Коэффициент вытяжки по площади листовой заготовки может быть различным и рассчитывается по уравнению: (15.7),
где л и и – толщина листовой заготовки и стенки изделия.
Коэффициент вытяжки (как и скорость деформации) влияет на ориентацию макромолекул и прочность изделия.
Рис.15.3
Охлаждение изделия осуществляется отводом теплоты стенками формы, обдувом сжатым воздухом или комбинированным способом.
Время охлаждения изделия зависит от температуры формы, температуропроводности полимера и толщины стенки изделия.
Чем ниже температура охлаждающей поверхности, тем время охлаждения уменьшается. Однако, при резком охлаждении возможно коробление изделия.
Температура формы при переработке кристаллизующихся полимеров влияет на скорость кристаллизации, степень кристалличности и, следовательно, на качество изделий.
Время охлаждения изделия при двухстороннем теплоотводе рассчитывается:
(15.8),
где Тл – температура листовой заготовки; Тохл – температура охлаждающей поверхности.
При одностороннем теплоотводе время охлаждения увеличивается в 4 раза.
Методы формования
1. Штампование. Способ применяется для изготовления изделий сложной конфигурации, т.к. с помощью пресса можно создать большое усилие формования (Nф).
Недостатки: высокая стоимость формы (должно быть точное соответствие размеров матрицы и пуансона; при отклонении сопрягаемых размеров может произойти пережатие листа или недооформление изделия).
В данном методе формование листовых заготовок происходит с использованием штампов на прессах, с помощью которых создается необходимое усилие.
2. Пневмоформование. Вытяжка полимерного листа осуществляется за усилия, создаваемого сжатым воздухом.
Существуют следующие разновидности способа:
- свободное выдувание; высота изделия регулируется давлением, охлаждение проводится за счет обдува струей воздуха;
- пневмоформование в матрицу; можно изготавливать изделия сложной конструкции с большой толщиной стенок;
- пневмоформование в матрицу с вытяжкой листа толкателем; применяется при изготовлении глубоких изделий; температура толкателя поддерживается на (20-30)0С ниже, чем температура листовой заготовки.
3. Вакуумформование. Наиболее простой метод изготовленияизделий из листовых заготовок; применяется менее сложная конструкция формы, а за вытяжкой листа можно наблюдать визуально. Процесс осуществляется в результате вытяжки под действием вакуума.
Разновидности способа:
- вакуумформование в матрицу;
- вакуумформование с вытяжкой толкателем (применяется при изготовлении глубоких изделий, когда нужна незначительная разнотолщинность;
- вакуумформование на пуансоне. Пуансон при этом должен иметь повышенную температуру, поэтому охлаждение изделия замедляется. Этот метод имеет широкое применение;
- вакуумформование на пунсоне с предварительной вытяжкой сжатым воздухом. Применяется в тех случаях, когда полимер очень чувствителен к охлаждению: чтобы в момент вытяжки лист не качался холодного пуансона, под листом создают давление и лист вытягивается, как при свободном выдувании. Охлаждение осуществляют на пунсоне и за счет обдува снаружи воздухом;
- вакуумформование с вытяжкой воздушной подушкой; используется в тех случаях, когда требуется изготовить глубокое изделие и обеспечить разнотолщинность стенок.
Экструзионно-вакуумное формование – наиболее простой по конструктивному оформлению, легко автоматизируемый и довольно производительный метод. Этим методом изготавливают емкости, бутыли флаконы, сосуды и др. произвольной конфигурации. Объем и масса изделий может изменяться в широких пределах (объем от 0,5 10-6 до 0,6 м3 и выше).
Обычно перерабатывают термопластичные полимеры с высокой вязкостью расплава, обладающие вязкоупругими свойствами (ПЭ, ПП, ПК, ПВХ и др.).
Технологический процесс состоит из следующих операций:
1) Плавление гранул и гомогенизация расплава – осуществляется в шнековых или дисковых экструдерах. В отличие от процесса экструзии расплав в момент операции дозирования и гомогенизации не выдавливается через формующую головку, а накапливается в передней части цилиндра. Накопление определенного количества расплава (дозирование) осуществляется при отводе шнека на заданное расстояние, после чего его вращение прекращается. Доза материала определяется массой трубчатой заготовки. При работе экструзионного выдувного агрегата по такой схеме изменяется длина зоны загрузки. Перемещение шнека вдоль цилиндра изменяет граничные условия при определении температуры расплава и производительности агрегата. При расчете производительности выдувного агрегата значение осевой скорости зависит от скорости отвода шнека (): (15.10),
где - скорость движения полимера вдоль оси цилиндра в зоне загрузки (см. тему Экструзия).
Скорость перемещения шнека равна: (15.11),
где Q – производительность агрегата; R3 – радиус цилиндра.
При этом (15.12),
где Кд – коэффициент, учитывающий осевое перемещение шнека и равен:
(15.13).
При расчете зоны дозирования используются уравнения, рассмотренные в разделе Экструзия, однако граничные условия в данном случае другие: при r = R3 vz = 0; а при r = R2 (15.14),
где G – масса трубчатой заготовки; tд – время дозирования полимера.
При выборе типоразмера агрегата и его производительности используется неравенство: (15.15), где m – число формующих каналов в головке; tв – время выдавливания трубчатой заготовки, которое выбирается с учетом условий, исключающих ее охлаждение окружающим потоком воздуха; обычно tв 15 с.
В целом стадии плавления и гомогенизации осуществляются аналогично процесса экструзии. Вязкость расплава должна быть такой же или несколько выше, чем при производстве труб, поэтому по зонам экструдера устанавливается меньшая температура.
2) Выдавливание трубчатой заготовки. Заготовка выдавливается вниз без калибрования и охлаждения, при этом происходит эластическое восстановление («разбухание»), изменяющие размеры трубчатой заготовки. Коэффициент эластического восстановления зависит от скорости сдвига, вязкости расплава, длины формующих каналов и реологических свойств полимера.
При экструзии, для описания зависимости нормальных напряжений от конусности и реологических свойств, используется уравнение:
(15.16-а),
где р – вязкость расплава при сложном растяжении; V – объемная производительность экструдера; r и - текущие значения радиуса рукава и стенки.
Проводя решение для случая, когда изменяется радиус дорна, а глубина канала по длине остается постоянной, т.е. , имеем:
(15.16-б),
где р – вязкость расплава полимера при растяжении; z – расстояние вдоль оси конического канала; R1 и R2 – радиусы канала мундштука на входе и выходе; h – глубина канала головки; V – объемный расход расплава.
Проинтегрируем и заменим координату для кольцевых каналов с линейным изменением радиуса канала z длиной заготовки:
(15.17) .
Определив и (коэффициенты эластического восстановления по диаметру и толщине) можно рассчитать диаметр трубчатой заготовки и ее толщину :
(15.18) и (15.19),
где h – зазор формующего канала; Dм – диаметр мундштука головки.
Поскольку заготовка при выдувании изделия преимущественно увеличивается по диаметру (концы зафиксированы и вытяжка по длине не происходит), тогда:
; (15.20),
где Кр – коэффициент раздува, Кр =2 – 3,5; Dизд и изд – диаметр и толщина изделия.
Кроме того, при выдавливании трубчатой заготовки происходит ее вытяжка под действием силы тяжести, и чем длиннее заготовка, тем с большей скоростью идет вытяжка заготовки, которая служит причиной разнотолщинности изделия по высоте. Чтобы уменьшить вытяжку по высоте, понижают температуру расплава. Однако, при низкой температуре расплава ухудшается качество заготовки (проявляется шероховатость, затрудняется свариваемость швов, уменьшается блеск), а также возрастает давление в головке.
Разнотолщинность заготовки зависит от скорости выдавливания расплава, вязкости, массы заготовки и напряжения сдвига. Для описания процесса вытяжки составим уравнение равновесия сил:
(15.21),
где - нормальные напряжения, обусловленные напряжениями сдвига при течении расплава в головке, ; - напряжения, вызванные продольным растяжением; z – длина заготовки; g – ускорение силы тяжести; - напряжение сдвига на стенке канала; Rср – средний радиус заготовки; G - модуль сдвига.
Так как отношение диаметра мундштука и дорна примерно равно 1, тогда при эластическом восстановлении и вытяжке средний радиус заготовки не изменяется. Тогда для одноосного растяжения цилиндрической заготовки можно записать:
(15.22).
Разделим переменные и проинтегрируем уравнение. Постоянную интегрирования определим при следующих граничных условиях: при z=0, =0 . Тогда
(15.23).
Координату (z) заменяем длиной заготовки (l), а толщину заготовки в нижней части .
Тогда скорость выдавливания заготовки (vэ):
(15.24).
Чтобы обеспечить заданную разнотолщинность заготовки с уменьшением вязкости и увеличением длины заготовки скорость экструзии необходимо увеличить.
При расчетах разнотолщинность заготовки можно заменить разнотолщинностью изделия:
(15.25).
Для обеспечения небольшой разнотолщинности коэффициент раздува должен быть равен Кр = 3,0 – 3,5. При большем его значении повышается разнотолщинность изделия по периметру.
Рассчитав скорость экструзии с учетом допустимой разнотолщинности изделия и коэффициента раздува заготовки, можно определить производительность агрегата с учетом остальных параметров процесса:
(15.26).
3) Смыкание формы и формование изделия. Усилие смыкания формы не должно допускать раскрытие формы под действием сжатого воздуха в момент формования изделия: (15.27),
где Рв – давление воздуха; Fд – площадь изделия в плоскости разъема; n – гнездность формы.
При формовании изделия под действием сжатого воздуха с увеличением давления понижается шероховатость и коробление, однако при большом давлении требуется большое усилие смыкания форм. Обычно давление выбирается в пределах 0,2 – 1,0 МПа.
4) Охлаждение изделия. Температуру формы выбирают исходя из строения полимера и требований, предъявляемых к изделию.
С увеличением Тф повышается блеск изделия, снижается коробление и уменьшается анизотропия свойств, но увеличивается время охлаждения и снижается производительность агрегата.
При уменьшении Тф снижается усадка выдувных изделий, т.к. охлаждение протекает с высокой скоростью и степень кристалличности снижается и, следовательно, меньше изменяется объем изделия по отношению к объему расплава полимера.
Способы охлаждения изделия: использование вместо воды различных хладоагентов; во внутреннюю полость изделия можно подавать смесь воздуха с водой; циркуляция во внутренней полости холодного воздуха; подача жидкого азота (сокращает длительность охлаждения, позволяет улучшить качество и повышает стойкость к растрескиванию).
Время охлаждения при одностороннем отводе теплоты в форму:
(15.28),
где - наибольшая толщина стенки изделия; Тохл – температура охлаждаемой поверхности изделия в конце охлаждения; Тр – температура расплава полимера.
Для обеспечения жесткости и исключения деформации после извлечения принимаем, что температура в конце выдержки при охлаждении должна быть не выше Тс (Тизд Тс) для аморфных полимеров и теплостойкости по Мартенсу (Тизд Тм) для кристаллических полимеров.