Материал: [SHipinsky_V.G.]_Oborudovanie_i_osnastka_upakovoch2(z-lib.org)
Этим способом получают оболочки, работающие при высоких поперечных и продольных нагрузках, причем за счет изменения угла намотки можно обеспечить и требуемое соотношение между их кольцевой и продольной прочностью.
При сложнопрофильной намотке зависимость между вращающейся в двух плоскостях по заданной траектории оправкой и перемещающимся раскладчиком должна быть таковой, чтобы наполнитель наматывался на оправку по требуемой схеме раскладки в состоянии естественного равновесия, то есть без проскальзывания по ее поверхности от натяжения укладки. Таким способом на конструктивно более сложных машинах обычно изготовляют оболочки с замкнутыми (закрытыми) торцами.
В частности станок, обеспечивающий формование, как замкнутых оболочек, так и корпусов с открытыми торцами их спиральной навивкой, состоит из станины 1 (рис.15.1), несущей стойки 2 и 3 во вращающихся шпинделях которых устанавливается съемная оправка 4. По направляющим же станины возвратно-поступательно перемещаются две каретки 5, каждая из которых содержит шпулярник 6, в котором устанавливается взаимодействующая с фрикционным тормозом сменная катушка 7 с намотанным армирующим материалом, а также ванну 8, заполненную полимерным связующим. От привода станка, расположенного внутри станины, через соответствующие передаточные и настроечные механизмы осуществляется вращение оправки 4 и взаимосвязанные с ней возвратнопоступательные перемещения кареток 5 по направляющим.
Рис.15.1. Станок для спиральной намотки замкнутых оболочек
В процессе работы этого станка непрерывный стекловолокнистый армирующий материал, разматывающийся с катушек 7, проходит через ванну 8, где пропитывается связующим, и после отжима его излишков наматывается под определенным натяжением на вращающуюся оправку 4, а каретки 5 возвратнопоступательно перемешаются при этом по направляющим станины, обеспечивая тем самым спиральную или более сложную схему его раскладки по поверхности оправки. После нанесения на оправку заданного количества слоев материала, зависящего от требуемой толщины и прочности оболочки, намотка прекращается, и сформированная оболочка подвергается отверждению холодному или при повышенной температуре, создаваемой, например, инфракрасными излучателями. Вместо мокрой пропитки в машине могут применяться и предварительно пропитанные ровинги, которые размягчают перед намоткой на оправку 4 между направляющими валками. После отверждения отформованной оболочки, она удаляется со снятой оправки 4 и
126
цикл повторяется. Для формования изделий намоткой применяются и другие разнообразные станки, как с горизонтальной, так и вертикальной осями вращения оправок.
Оправки являются важнейшим элементом намоточных станков. Их размеры, конфигурация и конструктивное исполнение определяются размерами
иформой внутренней поверхности изготовляемых изделий, а также схемой намотки на нее армирующего наполнителя; они должны иметь достаточную для формования прочность, а также легко отделяться от изготовляемого изделия без какого-либо его повреждения. При проектировании оправок необходимо учитывать все усилия и напряжения, воздействующие на них в процессе формования, в том числе: усилие и давление, создаваемые натяжением наматываемого наполнителя; сжатия, обусловленные усадкой оболочки в процессе отверждения полимерного связующего; а также силовые воздействия
инапряжения, связанные с выполнением различных доводочных операций (шлифование наружной поверхности отформованного изделия, обработка его торцов и т. д.). В зависимости от этих факторов оправки могут состоять:
из деревянной или металлической формы, которая выпрессовывается из изготовленного изделия по завершении его отверждения;
из надувных (например, резиновых) форм, в которых по окончании операций формования снимают давление для их удаления;
из сердечников, изготовленных из металлического сплава с низкой температурой плавления, специального воска или твердых легкорастворимых солей; после завершения отверждения такой сердечник удаляется из отформованной оболочки путем плавления при повышении температуры или путем промывки;
из тонкостенных форм, которые остаются в изделии.
Оправки диаметром до 600 мм выполняются, как правило, монолитными, а превышающие этот размер – складными или разборными. При изготовлении же закрытых оболочек применяют оправки надувные, а также разборные или удаляемые разрушением (выплавляемые, вымываемые и т. д.). Оставляемые в изделии тонкостенные формы в зависимости от их назначения могут изготовляться из резины, поливинилхлорида, нержавеющей стали, а также алюминия и его сплавов. В этом случае получаются изделия с двухслойными стенками, где оставляемая форма обеспечивает герметичность, химическую или коррозионную стойкость их внутренней поверхности, а внешняя оболочка, сформированная, например, из стеклопластика придает корпусу необходимую механическую прочность. Для повышения адгезии наружную поверхность оставляемых форм при необходимости покрывают соответствующими клеями или специальными смолами.
Центробежное формование применяется для изготовления корпусов крупногабаритной тары и других изделий, имеющих форму тел вращения (цилиндрическую, бочкообразную, усеченного конуса и т. п.). При изготовлении изделий этим способом в нагретую форму, торцы которой закрыты фланцами, загружают порцию расплава термопластов или жидкой смолы с отвердителем реактопластов, а затем форму приводят во вращение со скоростью в пределах от 280 до 1000 оборотов в минуту. При этом находящийся
127
вней материал под действием центробежных сил равномерно распределяется по поверхности формы и, прижимаясь к стенкам, уплотняется, а затем в процессе охлаждения термопластов или полимеризации реактопластов затвердевает, образуя отливку. Так как процесс осуществляется при высоких частотах вращения формы, то под действием центробежных сил в материале развивается достаточно большое давление и поэтому усадка изготовляемого изделия невелика. После этого вращение прекращается, с формы снимаются торцевые фланцы, полученная отливка удаляется из нее и цикл повторяется. Обычно внутренний слой у изготовленного таким образом изделия имеет более рыхлую структуру, чем наружный, поэтому его при необходимости механически обрабатывают для получения требуемого внутреннего диаметра. С учетом такой обработки порция загружаемого в форму материала увеличивается на 10 – 15%. При загрузке в форму термопластичного материала
ввиде порошка или гранул продолжительность формования изделия существенно возрастает, так как затрачивается дополнительное время на его плавление и гомогенизацию в обогреваемой форме.
Этим способом обычно изготовляют изделия из полиамидов, полиэфиров и других термопластов с низкой вязкостью расплава, при этом из-за склонности
этих полимеров к окислению полость формы заполняют защитным газом (СО2, аргоном, азотом). Полуавтоматические установки центробежного формования применяются, в частности, для изготовления крупногабаритных изделий из стеклопластиков на полиэфирных смолах, а в качестве армирующего наполнителя используется при этом рубленое стекловолокно.
Наиболее же рациональным и экономичным способом, обеспечивающим получение самых крупногабаритных объемных полых изделий, в том числе предназначенных для упаковывания и пакетирования продукции, является ротационное формование, которое было разработано и впервые применено в Италии в 50-е годы ХХ века.
15.1. Ротационное формование
Ротационным формованием изготовляют крупногабаритные емкости (баки, цистерны, чаны, бочки, фляги, канистры, контейнер-цистерны, бункерные поддоны, поддон-резервуары) и разнообразные другие изделия, представляющие
собой замкнутые оболочки (рис.15.2) объемом от 0,25 до 40 м3 и более (рекорд
150 м3).
Рис.15.2. Примеры тары, изготовляемой ротационным формованием
128
К изготовляемым этим способом оболочкам с помощью сварки и склеивания присоединяются затем горловины, люки, сливные и наполнительные штуцеры, превращающие их в тару, а также сегменты, шпангоуты, опорные лапы и другие конструктивные элементы, повышающие прочность, жесткость и устойчивость этих изделий. К другим изготовляемым этим способом изделиям можно отнести, например, корпуса приборов, детские игрушки, манекены, буи и поплавки, дорожные ограждения, кабины биотуалетов, корпуса лодок и т. д.
Ротационное формование – способ изготовления тонкостенных полых изделий из пластмасс, при котором герметично закрытую металлическую форму, загруженную порцией полимерного материала, в зависимости от конфигурации изготовляемого изделия вращают в одной или двух взаимно перпендикулярных плоскостях с одновременным ее нагревом и последующим охлаждением. При этом материал, нагреваясь от стенок формы, плавится, гомогенизируется и равномерным слоем распределяется по ее поверхности, а затем в процессе охлаждения переходит в твердое состояние и образует полое изделие, удаляемое из раскрываемой формы после ее остановки. Приемлемая же равнотолщинность стенок у формуемых изделий достигается при оптимальной частоте вращения формы. Она должна быть таковой, при которой окружная скорость движения точек, лежащих на оформляющей поверхности формы, была бы равна скорости стекания находящегося расплава под воздействием сил тяжести. При этом полимерный материал удерживается на стенках полости формы преимущественно силами адгезии и инерции, в отличие от центробежного формования, при котором он прижимается и удерживается на стенках центробежными силами.
Этим способом формуют полые изделия из термопластичных и термореактивных пластмасс, изготовляют емкости с двух- и трехслойными стенками, а также наносят покрытия из порошкообразных полимеров и пластизолей на их внутренние поверхности. При этом изделия можно изготовлять практически из любого полимерного сырья, которое при нагревании переходит в вязкотекучее состояние или которое в исходном состоянии представляет собой пасту (пластизоли) или жидкость. В формы могут загружаться порошки с размером частиц 50 – 200 мкм или мелкие гранулы (размерами менее 1 мм) термопластов (полиэтилена, поливинилхлорида, полиамида, полистирола, поликарбоната, акрилонитрилбутадиенстирола и т. д.) и реактопластов, а также пластизоли, жидкие термореактивные олигомеры и даже мономерные композиции с инициаторами или катализаторами полимеризации.
Доминирующее же положение занимает полиэтилен, из которого выполняется 70 – 75 % от всех изготовляемых этим способом изделий, причем применение находят практически все виды этого полимера, в том числе сшивающийся. Широкое применение полиэтилена обусловлено, прежде всего, его относительно низкой стоимостью, высокой термостабильностью при формовании, хорошей перерабатываемостью гранул в порошок в специальных мельницах, а также приемлемыми эксплуатационными свойствами. Разработана, например, специальная марка полиэтилена, показатель текучести расплава которой при переработке уменьшается с 5 до 1,5. Этот материал также характеризуется повышенным значением ударной вязкости при низких температурах (до -30°С). За порошкообразным полиэтиленом следуют
129
пластизоли на основе поливинилхлорида, (от 10 до 13%), среди которых имеются марки, специально предназначенные для ротационного формования. Для ротационного формования разработаны также специальные марки полиамидов, поликарбонатов, полипропилена, полистирола. Возможно изготовление этим методом изделий из термореактивных полимеров – полиуретанов, эпоксидных композиций и др., а также совмещение процесса полимеризации и формования (например, при полимеризации капролактама). В этом случае в форму загружают композицию на основе капролактама и катализатор.
Из смесей полимеров, отличающихся друг от друга значениями температуры плавления, получают двухслойные изделия с различными свойствами слоев. Для предотвращения окисления некоторых термопластов (например, полиамидов) в форму нагнетают инертный газ. Для модификации свойств материалов, перерабатываемых ротационным формованием, широко используются различные добавки, такие как термо- и светостабилизаторы, вспенивающие агенты, наполнители (в том числе волокнистые) и др. Иногда ротационное формование осуществляют с применением жестких металлических и пластмассовых закладных элементов, различных вкладышей и вставок.
Процесс изготовления изделий ротационным формованием включает нанесение на поверхность полости формы антиадгезива, дозирование сырья, загрузку отмеренной дозы в форму и ее закрытие, приведение формы во вращение, нагрев формы и материала, охлаждение формы и находящегося в ней изделия, остановку и раскрытие формы, а также извлечение из нее отформованного изделия. Весь этот процесс обычно разделяют на следующих четыре характерных этапа.
На первом этапе на поверхность полости формы наносится антиадгезив, затем дозируется порошкообразный или жидкий полимерный материал 3 (рис.15.3а), загружается в полую форму 2, закрепленную на шпинделе 1 формовочной машины, и форма герметично закрывается. Толщина же стенок у изготовляемого изделия будет зависеть при этом от количества находящегося в форме материала.
Рис.15.3. Этапы изготовления изделий ротационным формованием
На втором этапе производится формование изделия. Для этого форма 2 (рис.15.3б) шпинделем 1 формовочной машины приводится во вращение относительно двух взаимоперпендикулярных осей и одновременно нагревается. При этом материал, нагреваясь от стенок формы, плавится, гомогенизируется и распределяется равномерным слоем по ее поверхности, формируя изделие,
130