Обработка термопластов давлением

 

Термопласты деформируют, в основном, тремя способами: пневматическая или вакуумная формовка, штамповка и прессование.

При пневмоформовке или вакуумформовке (рис.4.4) предварительно нагретую и зажатую в рамку 2 заготовку 3 плотно прижимают к матрице 4 верхней камерой 1 и формуют с помощью сжатого воздуха (при пневмоформовке) или под давлением атмосферного воздуха (при вакуумформовке). После охлаждения готовую деталь сжатым воздухом удаляют с матрицы 4. При пневмо- и вакуумформовке матрицу 4 предварительно подогревают до 40…60 °С.

Рисунок 4.4 – Схемы пневматической (а) и вакуумной (б) формовок

 

 

Листовые материалы нагревают главным образом с электрических шкафах, оснащенных контролирующими и автоматически регулирующими приборами. Необходимым условием является равномерный нагрев листовых заготовок. В противном случае на различных участках материала будет неодинаковая пластичность, что вызовет брак при формовке из-за разрывов, трещин, коробления и т.п. Для равномерного нагрева шкафы оснащают вентилятором для перемещения воздуха. Температура нагрева зависит от вида перерабатываемого материала (150…250, реже до 400 °С).

Особенностью вакуумформовки является простота установки и обслуживания. Однако небольшой перепад давления препятствует применению этого способа для получения толстостенных (более 2,5 мм) и сложных конфигураций деталей, а также деталей их жестких термопластов.

Пневмоформовка позволяет получать детали сложных пространственных конфигураций и различных толщин в зависимости от давления, подаваемого воздуха. Для предотвращения быстрого и неравномерного охлаждения, возможного возникновения внутренних напряжений термопласты формуют подогретым до 50…70 °С сжатым воздухом.

Разновидностью пневмоформовки является изготовление деталей без применения матрицы и пуансона. Разогретый лист зажимают в кольце и с помощью сжатого воздуха или под действием атмосферного давления получают сферическое изделие. Поскольку формуют без соприкосновения с формообразующими деталями, получаемые изделия имеют высокую прозрачность (колпаки кабин самолетов, детали для оптики и светотехники). В производственных условиях часто применяют комбинированное формообразование, при котором совмещают операции выдувания и пневматического обжима, а также, если необходимо, штамповки, опрессовки и т.д.

С обнаружением сверхпластичности в металлических материалах процессы пневмо- и вакуумформовки термопластов были заимствованы для деформирования металлов и сплавов в состоянии сверхпластичности и получили в металлообработке название «сверхпластическая формовка» (см. гл.2).

Штамповкой получают главным образом детали незамкнутой пространственной формы (козырьки, обтекатели, стекла кабин и т.д.). Листовой термопласт, разогретый до определенной температуры, формуют с помощью пуансона и матрицы. При штамповке изменяются форма и размеры листовых заготовок за счет перемещения и перераспределения объема материала.

Штампуют термопласты на обычных гидравлических или механических прессах. Модели прессов для штамповки пластмасс имеют в названии индекс П. Пуансоны и матрицы изготавливают из дерева и других неметаллических материалов при производстве небольшого числа деталей и из металлов – при массовом производстве.

В зависимости от материала, из которого изготавливают пуансоны, различают два основных вида штамповки: жестким и эластичным пуансоном.

Схема штамповки жестким пуансоном показана на рис.4.5а. Зазор между пуансоном 1 и матрицей 3 равен толщине штампуемого материала 2 с допуском ±10 %. Необходимое взаимное расположение пуансона 1 и матрицы 3 обеспечивается направляющими. В пуансоне 1 и матрице 3 выполняют отверстия для выхода воздуха и выделяющихся при нагреве термопласта газов.

Рисунок 4.5 – Схема штамповки термопластов жестким (а)

и эластичным (б) пуансонами

 

Штамповкой эластичным пуансоном получают детали из листовых термопластов, имеющих небольшие углубления и четкий рисунок. Предварительно разогретую заготовку 6 помещают в форму 7 (рия.11.5б). Плоский резиновый пуансон 5, вмонтированный в обойму 4, опускают на заготовку 6 и прилагают к нему давление, под действием которого пуансон 5, деформируясь сам в упругой области, передает давление на заготовку 6 и деформирует ее по гравюре формы 7.

При прямом прессовании (рис.4.6) термореактивный материал в виде порошка, композита или гранул 2 засыпают в пресс-форму 3, нагревают и деформируют пуансоном 1 с последующей выдержкой под давлением (без перемещения в полости пресс-формы 3). При этом пресс-материал 2 становится монолитным и приобретает форму зазора между рабочей частью пуансона 1 и гравюрой пресс-формы 3. После прессования процесс отвердевания детали сопровождается выделением летучих составляющих композиционного материала и паров влаги. Для удаления газов в процессе прессования выполняют подпрессовку, заключающуюся в переключении гидропресса после определенной выдержки на обратный ход, в подъеме пуансона 1 на 5…10 мм и выдержке его в таком положении в течение 2…3 с. После этого пресс-форма 3 и пуансон 1 снова смыкаются. При прессовании крупных толстостенных деталей из материалов с повышенной влажностью подпрессовку проводят дважды.

Температура и давление прессования зависят от вида перерабатываемого материала, формы и размеров изготавливаемой детали. Время выдержки под давлением зависит от скорости отверждения и толщины прессуемой детали. Для большинства материалов время выдержки выбирают из расчета 0,5…2 мин. на 1 мм толщины стенки. Технологическое время может быть сокращено вследствие предварительного подогрева материала в специальных шкафах. Давление зависит от текучести прессуемого материала, скорости отверждения, толщины прессуемых деталей и других факторов.

Рисунок 4.6 – Схемы прессования термопластов:

слева – засыпка термопласта в матрицу 3; в центре – прессование;

справа – подпрессовка и удаление детали из матрицы 3

 

Нагрев пресс-формы 3 осуществляют обычно электронагревателем. Рабочую температуру в процессе прессования поддерживают постоянной с помощью автоматически действующих приборов. Для загрузки в полость пресс-формы 3 определенного количества пресс-материала используют объемную дозировку или дозировку по массе. Применяют также поштучную дозировку (загружают определенное число таблеток). При выпуске деталей крупными партиями используют гидропрессы, работающие по автоматическому циклу.

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

Литьевое прессование отличается от прямого тем, что прессуемый материал загружаю не в полость пресс-формы, а в специальную загрузочную камеру 2 (рис.4.7). Под действием теплоты от всей пресс-формы прессуемый материал переходит в вязкотекучее состояние и под давлением со стороны пуансона 1 выжимается из загрузочной камеры 2 в полости матрицы 5 пресс-формы через специальное отверстие в литниковой плите 3. После отвердевания материала пресс-форму разъединяют, и готовые детали 4 извлекают от матрицы 5.

Литьевое прессование позволяет получать детали сложной формы, с глубокими отверстиями, в том числе резьбовыми. Возможна установка сложной и тонкой арматуры. В процессе протекания через литниковое отверстие пресс-материал прогревается одинаково, что обеспечивает более равномерную структуру прессуемой детали. При литьевом прессовании отпадает необходимость в подпрессовках, так как образующиеся газы могут выходить в зазор между литниковой плитой и матрицей.

Недостатком литьевого прессования является повышенный расход пресс-материала, так как в загрузочной камере и литниковых каналах остается часть отвержденного и неиспользуемого в дальнейшем пресс-материала. Кроме того, пресс-формы для литьевого прессования сложнее по конструкции и дороже пресс-форм для прямого прессования.

Рисунок 4.7 – Схема литьевого прессования

 

Для прессования применяют одно- и многогнездные пресс-формы. Многогнездные пресс-формы используют для получения деталей простой формы и небольших размеров.

 

Водорастворимые полимеры

 

Это один их перспективных классов высокомолекулярных соединений, находящий все более широкое применение в промышленности. Преимущества использования таких полимеров во многом связаны с экологическими факторами. Действительно, производство и применение водорастворимых полимеров не требует использования органических растворителей. В результате исключается огне- и взрывоопасность производственных операций и минимизируется загрязнение промышленных сточных вод и газовых выбросов. При этом некоторые области применения водорастворимых полимеров прямо связаны с процессами очистки природных и сточных вод.

С позиций практического использования водорастворимые полимеры делят на две группы: сохраняющие растворимость в воде и теряющий растворимость при изготовлении изделий. В первом случае полимеры, как правило, применяют в виде растворов. Основные направления использования растворов – регулирование дисперсных свойств систем (стабилизация или разрушение) и регулирование реологических свойств жидкостей (загустители или агенты для снижения гидравлического сопротивления при турбулентном течении). Применение водорастворимых полимеров в качестве клеев, адгезивов, связующих, а также упаковочных материалов связано с потерей растворимости в процессе переработки.

Водорастворимыми являются полимеры, в структуре которых содержатся звенья, способные к сольватации с водой (неионогенные водорастворимые полимеры) или к диссоциации (полиэлектролиты). В зависимости от знака заряда полииона полиэлектролиты делятся на катионные, анионные и амфолиты.

Области применения водорастворимых полимеров. Важным фактором интенсификации процессов очистки воды в последнее время стало применение для этих целей водорастворимых полимеров. Очистка сточных вод предполагает ряд технологических решений, основанных на биохимических и механических методах. Механической очисткой является операция выделения осадка путем отстаивания или фильтрования. Для фильтрования вводят полимерные коагулянты. Они вызывают укрупнение взвешенных частиц и ускоряют процесс разделения фаз при отстаивании и фильтровании. К примеру, использование флокулянта КФ-91 на фильтрационном оборудовании при обработке осадка на очистных сооружениях при дозировке 5 кг/т исключает необходимость применения хлорного железа (137, 5 кг/т) и извести (1800 кг/т).

Водорастворимые полимеры находят широкое применение в качестве регуляторов реологических свойств жидкостей. Увеличение вязкости раствора полимера по сравнению с чистым растворителем является хорошо известным явлением. В случае полиэлектролитов этот эффект выражен в десятки раз сильнее. Причем полиэлектролитное набухание рост вязкости происходят при достаточно малых концентрациях высокомолекулярных полиэлектролитов (С_п = 0,01…0,1 %). Однако неожиданным является тот факт, что в турбулентном режиме течения добавки водорастворимых полимеров вызывают снижение вязкости и, следовательно, гидравлического сопротивления течению. Этот эффект можно использовать в гидроцилиндрах прессов для снижения вероятности течи через сальники. Кроме того, перспективным является регулирование вязкости деформирующей жидкости при гидроштамповке листовых изделий с целью обеспечения заданного усилия подпора и отсутствия течей в штампах.

Перспективным направлением является добавление в воду полимеров, снижающих коэффициент трения и повышающих коррозионную стойкость металлов в воде. В этом случае появляется возможность в гидроцилиндрах прессов использовать воду с растворенными в них водорастворимыми полимерами вместо масла или эмульсола.

 

Контрольные вопросы

1. Что такое полимерные материалы?

2. Что такое термопласты?

3. В чем суть вакуумформования термопластов?

4. Что такое кристаллические полимеры?

5. Что такое органические полимеры?

6. Что такое неорганические полимеры?

7. Какие полимеры относятся к водорастворимым?

8. Какие преимущества у водорастворимых полимеров?

9. Область применения водорастворимых полимеров.

10. В чем суть литьевого прессования?