Отчет по практике на ОДО «КВАЗАР»

 

 

           а                                                       б

Рисунок 1 – Схема реализации процесса вакуумного формования: 1 – нагревательное устройство; 2 – прижимная рама; 3 – плоская полимерная заготовка; 4 – формующая матрица; 5 – отформованное изделие

Реализация  процессов пневмоформования отличается от вакуумного формования только тем, что перепад давления создают за счёт использования в качестве рабочей среды сжатого газа, как правило, сжатого воздуха, с избыточным давлением до 2,5 МПа.

При гидравлическом формовании роль рабочей среды выполняет  подогретая жидкость, нагнетаемая насосом  под давлением 0,15–2,5 МПа.

Механическое  формование (механотермоформование) (рис.2) отличается от процессов пневматического формования тем, что придание плоской разогретой заготовке 3 формы готового изделия 5 осуществляется за счёт её механической вытяжки металлическим пуансоном 4.

аб

Рисунок 2 – Схема реализации процесса механотермоформования: 1 – нагревательное устройство; 2 – прижимная рама; 3 – плоская полимерная заготовка; 4 – формующий пуансон;  5 – отформованное изделие

Следует отметить, что современные технологии производства предусматривают и совмещение разных методов формования изделий, например пневмовакуумное, пневмомеханическое и т.п.

Среди всех видов пневмо- и вакуум-формования можно выделить три основных: позитивное, негативное и свободное. При позитивном формовании (формование на пуансоне) внутренняя поверхность изделия в точности воспроизводит форму или рисунок формующего инструмента. Негативное формование (формование в матрице) даёт возможность получать изделия, наружная поверхность которых в точности воспроизводит форму или рисунок внутренней поверхности матрицы. Свободное формование осуществляют в пройме прижимной рамы машины без использования формующего инструмента. Кроме перечисленных основных, существуют и другие разновидности технологических процессов термоформования изделий из плоских полимерных заготовок [1].

Всю номенклатуру формовочных машин, реализующих технологические процессы термоформования изделий из плоских полимерных заготовок, разделяют по следующим признакам: методу формования, виду управления, виду перерабатываемого материала, назначению, числу позиций.

Метод формования, как уже отмечалось, определяется способом создания движущей силы процесса деформирования исходной заготовки в готовое изделие.

Вид управления формовочным оборудованием определяет степень автоматизации процесса формования пластмасс. Различают три основных вида управления: машины с ручным управлением, машины-полуавтоматы, машины-автоматы.

Машины с  ручным управлением используют в  мелкосерийном производстве. Все  необходимые операции (вырезка и  закрепление заготовки, её нагревание, формование, охлаждение и съем изделия) осуществляет оператор.

В машинах-полуавтоматах  зажим заготовки и извлечение готового изделия производят вручную, а остальные операции (нагрев, формование, охлаждение) выполняются по заранее  заданной программе.

Машины-автоматы не требуют присутствия оператора, и все операции осуществляются автоматически.

По виду перерабатываемого  материала (виду используемых плоских  полимерных заготовок) формовочное  оборудование разделяют на классы: машины, работающие с отдельными листовыми  или пленочными заготовками; машины, работающие с рулонным материалом; машины, питаемые листом или пленкой, поступающей непосредственно с каландра или экструдера. Следует отметить, что питание машин отдельными плоскими заготовками требует введения в технологический цикл дополнительной операции – предварительной нарезки заготовок, что увеличивает общее время цикла. Обычно питание отдельными заготовками осуществляется на машинах с ручным или полуавтоматическим управлением.

Рулонные  заготовки питают формовочное оборудование, работающее в автоматическом режиме.

Формовочные машины, питаемые листом или пленкой, поступающей непосредственно с  каландра или экструдера, входят, как  правило, в состав автоматических линий. Поступающую с каландра плоскую  заготовку из полимерного материала  перерабатывают на формовочном оборудовании и направляют на дальнейшую обработку  или на склад.

По назначению формовочные машины разделяют на универсальные, специализированные, комбинированные.

На универсальных  машинах малыми сериями изготавливают  широкий спектр изделий всевозможных габаритов. Они предназначены для  работы с одно- и многогнездными формами и перерабатывают различные термопластичные материалы.

Специализированные  машины предназначены для производства только определенного типа изделий  из конкретного полимерного материала.

На комбинированных  формующих машинах выпускают  средние и большие серии изделий. При изменении номенклатуры выпускаемых  изделий оборудование переналаживают.

По числу  позиций формовочные машины разделяют  на следующие классы: однопозиционные, двух- и трехпозиционные, многопозиционные.

На однопозиционном  оборудовании все технологические  операции осуществляют на одном и  том же участке машины.

Разделение  технологических операций на два  или три участка ускоряет процесс  выпуска изделий и выполняют его соответственно на двух- или трехпозиционных машинах.

На многопозиционных машинах одновременно осуществляют все технологические операции производства изделий. Такое оборудование наиболее применимо в промышленном производстве и характеризуется высокой производительностью. В свою очередь, многопозиционные машины разделяют на карусельные, ленточные и барабанные.

В карусельной  многопозиционной машине использован  принцип карусели. Заготовка движется по кругу, последовательно проходя  стадии от закрепления, нагрева и  формования до охлаждения и съема  готового изделия.

Ленточный принцип  обычно применяют в тех случаях, когда питание машины осуществляется рулонным материалом. Лента с отформованными изделиями после формовочной  машины движется дальше по конвейеру  на последующую обработку.

В машинах  барабанного типа также используют рулонный материал.

Формовочное оборудование для реализации процессов  термоформования часто снабжают дополнительными устройствами: для обрезки кромок, пробивки отверстий, вырубки, предварительной вытяжки и т.д. Такое оборудование может входить в состав технологических линий по производству и заполнению полимерной тары и упаковки.

Более подробные  сведения об устройстве и принципах  действия разнообразных видов оборудования, используемого для реализации технологических  процессов термоформования изделий из плоских полимерных заготовок, изложены в других литературных источниках [2].

 

 

4.2 Основные технологические процессы термоформования

 

Основными технологическими параметрами, определяющими протекание процессов термоформования изделий из плоских полимерных заготовок и влияющими в конечном итоге на качество готовой продукции, являются: температура используемой заготовки, температура формующего инструмента, рабочий перепад давления при формовании, скорость формования, скорость охлаждения отформованной заготовки, геометрия формуемого изделия, свойства используемого полимерного сырья, свойства и термодинамические параметры рабочих сред и др.

Поскольку процессы переработки полимеров в изделия  и детали являются, прежде всего, деформационными, то выбор оптимальной температуры  для каждого конкретного метода их переработки должен, учитывая его  специфику, основываться на особенностях деформационного поведения используемых материалов. Эти особенности легко  устанавливают из анализа термомеханической  кривой, типичный вид которой для  аморфного полимера представлен на рис.3. Анализ приведённой термомеханической кривой показывает, что для полимерных материалов характерны три ярко выраженные области, определяющие различную степень их деформируемости и соответствующие различным релаксационным (термомеханическим) состояниям полимеров: стеклообразному, высокоэластическому и вязкотекучему. Стеклообразное состояние полимеров характеризуется отсутствием движения макромолекулярных цепей или их сегментов. Тепловое движение в материале проявляется лишь в колебаниях атомов. Приложение в таких условиях к полимеру внешней нагрузки может приводить лишь к изменению в его макромолекулярной структуре средних межатомных расстояний и валентных углов химических связей. Поэтому деформационное поведение полимеров в таком состоянии и обычных упругих твёрдых тел ничем не отличается, а развивающиеся в таких условиях в полимерах деформации являются полностью упруго обратимыми.

 

Рисунок 3 – Термомеханическая кривая аморфного полимера: Т_С – температура стеклования; Т_Т – температура текучести; 1, 2, 3 – области стеклообразного, высоко- эластического и вязкотекучего релаксационных со- стояний полимера соответственно.

Если полимерный материал нагреть до температуры, превышающей  температуру его стеклования, то он переходит в следующее релаксационное состояние – высокоэластическое, когда появляется подвижность отдельных сегментов макромолекулярной цепи полимера, а материал становится более мягким и эластичным. Однако ещё стабильно существующие в его структуре надмолекулярные образования, например микроблоки, препятствуют относительному смещению молекулярных цепей в целом. Приложение в таком состоянии к полимеру внешней нагрузки приводит к изменению (уменьшению) конфигурационной энтропии состояния макромолекул, которые, "разворачиваясь" из статистического клубка, лишь ориентируются в направлении приложенной нагрузки, при этом тепловое движение звеньев цепи противодействует внешней нагрузке. При снятии нагрузки цепи возвращаются в исходное состояние, а следовательно, высокоэластическая деформация также, как и упругая, является полностью обратимой деформацией, но в отличие от последней имеет энтропийную природу.

При дальнейшем нагревании полимера выше некоторой  температуры, называемой температурой текучести, надмолекулярные образования становятся столь нестабильными, что появляется возможность в относительном смещении цепей макромолекул друг относительно друга при приложении к нему внешней нагрузки. Последнее обстоятельство и обеспечивает течение полимерных сред в этом состоянии, при этом деформации течения являются необратимыми, а само состояние полимера называют вязкотекучим. Особо следует отметить, что деформирование полимеров в вязкотекучем релаксационном состоянии вовсе не означает того, что развивающиеся в них деформации являются исключительно деформациями течения.

В зависимости  от режимов и кинематики деформирования, реологических свойств полимерных сред в последних, наряду с деформациями течения, развиваются и высокоэластические деформации определённого уровня.

Поскольку все  процессы термоформования предусматривают стадию разогрева заготовки, поверхность которой находится в свободном состоянии, то, чтобы заготовка не имела возможности сильно деформироваться на этой технологической стадии под действием гравитационных сил, её разогрев ведут до момента достижения полимером высокоэластического состояния. Нагревание заготовки до вязкотекучего состояния приводит к её достаточно быстрой гравитационной вытяжке (провисанию) и, как следствие, к невозможности реализации стадии формования изделия. С другой стороны, температура формуемой заготовки не должна находиться вблизи границы стеклообразного и высокоэластического состояний полимера, поскольку при формовании изделия в этом случае возможна неполная его проформовка. Таким образом, рабочая температура формуемой полимерной заготовки является одним из основных технологических параметров, определяющих реализацию процессов термоформования. В табл.1 приведены ориентировочные температурные режимы, при которых проводят термоформование полимерных изделий из плоских заготовок в промышленности.

Кроме того, следует отметить важность реализации самого процесса разогрева заготовок. Во-первых, этот процесс достаточно длителен и составляет примерно 50-80% общего времени цикла формования изделия. Во-вторых, разогрев заготовок следует вести так, чтобы температура во всех точках их поверхности в любой момент времени была одинакова. Неравномерный разогрев ведет к неравномерному деформированию заготовки в процессе её формования в изделие и образованию складок на поверхности последнего. В результате неравномерного разогрева на поверхности заготовки могут образовываться отдельные перегретые области, а при формовании в этих областях может произойти разрыв заготовки.

 

Таблица 1 – Ориентировочные температурные режимы, при которых проводят термоформование плоских изделий из полимерных материалов

Материал заготовки	Температура Формования,°С	Предел прочности на разрыв, МПа
Поливинилхлорид	100-160	13,7-18,6
Поликарбонат	190-230	50-70
Полиметилметакрилат	120-200	40-66
Полипропилен	150-200	29-40
Полистирол ударопрочный	110-150	40-46
Полиэтилен высокой плотности	120-135	18-26
Полиэтилен низкой плотности	90-135	6,8-14,7

 

Температура формующего инструмента влияет на процесс  охлаждения отформованного изделия. Очевидно, что она должна быть ниже температуры  стеклования полимера, иначе достаточного охлаждения заготовки не произойдет, и изделие может потерять свою форму. Также очевидно, что чем  ниже температура формующего инструмента, тем быстрее охлаждение и выше производительность формовочного оборудования. Но при очень низкой температуре формующего инструмента на поверхности отформованного изделия появляются пятна переохлаждения, и повышается его склонность к короблению.

При пневматических методах формования изделий такие  технологические параметры этих процессов, как текущие значения необходимого для их реализации перепада давления, скорости формования (формообразования) изделия, которое определяется временем, и давление сжатого газа, истекающего  в рабочую полость, являются взаимосвязанными.