31Пресс-формы

Литьевые формы предназначены для непосредственного получения изделий из расплава, подготовленного в узле пластикации ТПА. Поэтому их функция состоит в приеме расплава, его распределении по формообразующим объектам, в формовании изделий и затем в их выталкивании. Конструкции литьевых форм весьма разнообразны, что вызвано двумя главными причинами: широчайшим ассортиментом получаемых изделий и разнообразием перерабатываемых полимерных материалов. Кроме того, на конструкцию литьевых форм влияет вид материала (термо- или реактопласт), тип оборудования, характер производства, особые требования к изделиям и пр.

С точки зрения состояния полимерного материала в течение цикла производства изделия литьевые формы для термопластов подразделяются на холодно- и горячеканальные. В холодноканальных формах во время цикла формования затвердевает весь объем поступившего в форму материала. В горячеканальных — определенная зона формы, горячая, постоянно заполнена расплавом, часть которого периодически поступает в формующие полости, расположенные в охлаждаемой зоне.

Формы для реактопластов принципиально сходны с холодноканальными с тем отличием, что вместо охлаждающей системы они имеют нагревательные устройства, поддерживающие в формующей камере температуру, требуемую условиями отверждения полимера (160-200 °С).

По числу оформляющих гнезд литьевые формы могут быть одно- и многогнездными (до 720), что, в свою очередь, определяет особенности литниковых систем.

Холодноканальные формы

Этот тип форм наиболее распространен в литье под давлением. До 90 % изделий, получаемых на ТПА, приходится на холодноканальную технологию. Достоинства подобных литьевых форм: сравнительно невысокая стоимость, простота изготовления и обслуживания, сравнительно невысокая стоимость ремонтно-восстановительных операций и универсальность по виду перерабатываемых полимеров.

Принципиальное устройство холодноканальной формы следующее.

Формообразующими деталями являются матрица, пуансон и литниковая втулка, выталкиватели. Все эти детали в той или иной мере соприкасаются с расплавленным полимером, участвуют в оформлении отливки и являются технологическими, то есть непосредственно участвующими в технологии процесса.

Конструктивные детали, то есть такие, которые обеспечивают взаимодействие элементов литьевой формы, ее прикрепление к ползуну и стойке узла смыкания, терморегулирование формы и др., — это центрующая шайба, плиты, пластина и направляющие колонки с втулками. В матрице и пуансоне выполнены цилиндрические каналы для охлаждающей жидкости.

Вентиляционные каналы соединяют оформляющую полость с атмосферой. Они служат для удаления воздуха и летучих веществ из объема, заполненного расплавом. Максимальная глубина каналов определяется материалом изделия и составляет от 0,04 до 0,06 мм. Число каналов выбирается конструктивно. Нередко, особенно в случае тонкостенных изделий, газообразные вещества из формующей камеры удаляются через зазоры в сопрягаемых элементах формы.

При работе плита прикрепляется болтами к передней стойке ТПА и штифуется, а плита таким же способом прикрепляется к ползуну. Поэтому матричная часть формы неподвижна, а пуансонная перемещается возвратно-поступательно, открывая (размыкая) и запирая (смыкая) форму. При отходе пуансона влево шток упирается в неподвижную заднюю стойку ТПА, вследствие чего узел выталкивателя смещается относительно пуансона, его штоки упираются в изделие и литник и выбрасывают их из формы.

Горячеканальные формы

В настоящее время в различных странах, в зависимости от уровня их технического развития, горячеканальными формами перерабатывают от 10 до 30 % термопластов. Горячеканальная технология считается перспективной и ее применение расширяется. Суть этой технологии довольно проста. Форма состоит из двух частей: холодной матрицы, в которой происходит формообразование изделий, и значительно более сложной горячей части. Обогреваемые горячие каналы формы постоянно заполнены расплавленным полимерным материалом. Горячеканальная часть формы оснащена усовершенствованными предкамерными узлами впрыска с точечным впуском.

Усовершенствование состоит, в частности, в использовании автономно управляемых игольчатых клапанов с индивидуальным пневматическим или иным приводом. В заданный момент игольчатый клапан перекрывает впускное отверстие, что не только прекращает течение расплава, но и позволяет практически исключить образование на поверхности изделия неровностей от литников. При работе инжекционный узел ТПА постоянно сомкнут с формой, действие ее игольчатых клапанов согласовано с движением пластикатора.

Достоинства горячеканальной технологии:

1. Полное отсутствие литниковых отходов.

2. Исключена операция отрыва литника от изделия.

3. Расплав полимера предельно приближен к формообразующей камере, что способствует повышению качества изделий.

4. Это же обстоятельство позволяет получать крупные по размеру изделия (пластмассовая мебель) с минимальной толщиной стенки и, следовательно, более эффективно использовать дорогостоящий полимерный материал. Недостатки:
1. Ассортимент перерабатываемых полимеров ограничен требованиями термостабильности.

2. Расплав полимера должен быть маловязким (ПТР > 8 г/10′).

3. Инжектирование расплава требует увеличения усилия впрыска в пластикаторе.

4. Горячий блок формы оснащен высокоточными устройствами терморегулирования и управления.
Конструкция, устройство и обслуживание формы существенно сложнее по сравнению с холодноканальными. Все это является причинами высокой стоимости горячека.нальных форм, применение которых требует тщательного технико-экономического обоснования (тираж изделий, их рыночная стоимость, продолжительность спроса и др.).

Экструзионно-выдувное формование

Для производства полых и объемных изделий из термопластов — канистр, бочек, бутылей, флаконов, игрушек и т. п. — наибольшее распространение получил метод раздувного формования. Производство изделий этим методом осуществляется в две стадии: сначала получают трубную заготовку с температурой несколько ниже температуры плавления, которую затем раздувают сжатым воздухом. В отличие от большинства методов получения изделий из пластмасс, где формование осуществляется из расплава, в основе этой технологии лежит использование не только пластической, но и преимущественно высокоэластической деформации, которая присуща только полимерам и является результатом перехода свернутых в клубок или собранных в пачки макромолекул в вытянутую форму под воздействием механических сил.

В зависимости от выбранного способа получения заготовки различают два метода раздувного формования: экструзионный и литьевой.

В первом случае с помощью экструдера формуется заготовка в виде трубки (рукава), которая затем поступает в форму, где и происходит собственно процесс формования изделия за счет создания внутри заготовки повышенного давления воздуха.

Благодаря большой производительности и высокому уровню автоматизации этот метод является в настоящее время основным способом формования полых изделий и, в результате ряда усовершенствований, позволяет получать изделия объёмом от единиц миллилитров до нескольких десятков и даже сотен литров.

Для приготовления полых изделий применяются, как правило, экструдеры сравнительно небольших размеров, с диаметром шнека 50-90 мм. Поскольку сопротивление головки сравнительно невелико, а основным требованием является получение расплава с высокой однородностью, длина шнека также не превышает 15-18 D. Схематически процесс производства полых изделий можно представить следующим образом.

Расплавленный и гомогенизированный в экструдере материал выдавливается из головки вниз в виде трубчатой заготовки, которая попадает в открытую к этому моменту форму. После того, как длина заготовки достигнет необходимой величины, полуформы смыкаются, зажимая нижний и верхний края заготовки своими бортами. При этом происходит сварка нижнего конца заготовки и оформление отверстия на ее верхнем конце (или наоборот; об этом ниже). После смыкания формы в нее через дорн пли ниппель подается сжатый воздух, под действием которого размягченный материал рукава принимает конфигурацию внутренней полости формы. В результате соприкосновения с холодными стенками формы полимер затвердевает; далее форма раскрывается, готовое изделие извлекается и направляется на окончательную обработку (удаление приливов, снятие заусенцев и т. п.). Производство полых изделий осуществляется на специальных агрегатах, снабженных (помимо экструдера) механизмом перемещения, разъема и смыкания формы с гидравлическим или пневматическим приводом. Так как процесс формования распадается на две неравные по продолжительности стадии: короткую стадию выдавливания заготовки и длительную — формования и охлаждения изделия, то для повышения производительности большинство агрегатов выполняется либо многопозиционными, с несколькими формами, либо — особенно при производстве изделий небольшого объема — снабжается двух- и более канальной формующей головкой, иногда с несколькими мундштуками на каждом из каналов. В первом случае процессы получения заготовки и оформления изделия разобщены и происходят в одной форме, но в различных позициях агрегата; во втором -материала из экструдера поступает периодически в один или группу соединенных параллельно мундштуков, через которые заготовки попадают в форму. За время формования и охлаждения готовых изделий в этой форме в остальные подаются заготовки, начинается процесс формования и т. д. Для этого специальный кран, соединенный с приводом полуформ, направляет поток расплава последовательно в каждый из каналов, ведущих к формующей головке. Для нормальной работы агрегата скорость выдавливания всех заготовок должна быть одинаковой, поскольку смыкание всех форм происходит одновременно.

Формование заготовки является важнейшей операцией, которая во многом предопределяет свойства и качества готового изделия. Поступающий в мундштук расплав должен быть гомогенным, иметь постоянную температуру по всему периметру заготовки и выдавливаться совершенно равномерно (без пульсации). При получении изделий, имеющих в сечении форму прямоугольника, эллипса и т. п., а также изделий сложной конфигурации, сечение формующей щели делают неодинаковым — для получения готового изделия со стенками одинаковой толщины участки заготовки, которые раздуваются больше, должны иметь большую толщину. Следует иметь в виду, что выдавливаемая заготовка имеет большую толщину, чем сечение формующего зазора вследствие так называемого «разбухания» экструдата, носящего релаксационный характер.

«Разбухание» зависит от скорости сдвига, длины формующего канала и вязкости расплава, что затрудняет управление процессом.

Кроме того, при формовании продолговатых и длинных изделий было отмечено, что из-за вытягивания пластичной заготовки под действием собственного веса толщина стенок верхней части изделия оказывается меньшей, чем нижней части.

Разнотолщинность заготовки зависит от скорости выдавливания расплава, его вязкости и веса заготовки. Обычно формование заготовки ведут при минимально возможной температуре расплава и высокой скорости экструзии. Поэтому в современных машинах для управления формой, размерами и толщиной стенок заготовки используются микропроцессоры, позволяющие за счет изменения скорости подачи расплава и осевого перемещения конического дорна формировать заготовку с необходимой степенью разнотолщинности. Минимальная разнотолщинность достигается при коэффициенте раздува 3-3,5.

Соответствующая программа составляется заранее с учетом геометрии изделия, температурных параметров процесса и реологических характеристик расплава полимера. Перед началом формования следующей заготовки дорн автоматически возвращается в исходное положение.

В зависимости от конструкции изделия и формующего инструмента подача сжатого воздуха для формования изделия может производиться через дорн (сверху), через специальный ниппель (снизу) или через полую иглу (рис. 9.2). Последний способ применяется главным образом при производстве замкнутых изделий (без отверстия), так как формующее отверстие в этом случае очень мало и затягивается после удаления иглы разогретым материалом.

При необходимости изготовления больших по массе изделий обычный экструдер не может обеспечить выдавливание заготовки с достаточной скоростью, а установка высокопроизводительного экструдера (с большим диаметром шнека) невыгодна, так как из-за периодичности процесса формования изделия он будет использоваться весьма непроизводительно. Поэтому агрегат для производства крупногабаритных изделий, как правило, снабжается копильником — горизонтальным или вертикальным гидравлическим прессом, материальный цилиндр которого оснащен обогревателями.

После заполнения копильника экструдер останавливают, в прессовой гидросистеме копильника создается давление, под действием которого его поршень с заданной скоростью выдавливает через угловую головку необходимую порцию расплава полимера (рис. 9.3). Трубчатая заготовка попадает в форму, установленную на специальной раме; после смыкания формы включается привод экструдера, который подает в копильник новую порцию расплава, в то время как в форме происходит оформление и охлаждение изделия. Формование изделий производится воздухом с давлением до 0,5 МПа, для выдавливания заготовки давление в гидросистеме может достигать 15 МПа.

Готовые отформованные изделия нуждаются в дополнительной обработке, поскольку на торцевых стенках (а иногда и на боковых) имеется избыточный материал, отжатый бортом формы. Удаление таких прибылей, обрезка пресс-кантов, горловин или ниппелей осуществляется с помощью приспособлений или вручную.

Итак, технологический процесс получения изделий методом экструзионно-выдувного формования складывается из следующих операций:

— гомогенизация расплава и выдавливание рукавной заготовки;

— раздув заготовки в форме и формование изделия;

— охлаждения изделия и его удаление из формы;

— окончательная обработка готовых изделий.

При правильном выборе конструкции экструзионного агрегата он обеспечивает необходимое качество расплава полимера (температура, гомогенность). Использование копильника должно лишь способствовать более высокой скорости формования заготовки большой массы.

Как уже отмечалось выше, формование заготовки связано с возникновением ее разнотолщинности в результате разбухания экструдата и растяжения под действием собственного веса. Разбухание экструдата определяется геометрией формующего канала, скоростью выдавливания заготовки и в значительной степени может быть учтено на стадии выбора технологом формующего инструмента. В целом, разбухание рукава уменьшается с увеличением длины канала в головке, ростом температуры расплава. При увеличении скорости выдавливания заготовки разбухание возрастает. Изменение толщины стенки заготовки в результате растяжения можно уменьшить за счет снижения температуры расплава, однако лишь до определенных пределов, так как это вызывает необходимость повышения давления на стадии формования изделия и сопровождается ухудшением качества поверхности готовых изделий.

В процессе получения изделий прямоугольной формы для компенсации разницы степени вытяжки прибегают к использованию эллиптического мундштука в сочетании с цилиндрическим дорном.

Применение микропроцессоров не только полностью автоматизирует стадию формования заготовки, но и позволяет добиться высокой стабильности работы агрегата, при выпуске высококачественных изделий.

Стадия раздува заготовки начинается после смыкания полуформ и защемления части контура будущего изделия пресс-кантами формы; одновременно трубчатая заготовка отделяется от формующей головки. Раздув заготовки первоначально носит «свободный» характер — изменение толщины происходит достаточно равномерно, и раздуваемый рукав имеет форму «пузыря».

После контакта расширяющейся заготовки с формой эта равномерность нарушается — деформация контактирующих с формой
участков заготовки прекращается в результате более быстрого охлаждения (толщина стенки равна ), и формование остальных частей изделия происходит лишь за счет ориентации при продольной вытяжке в неохлажденных частях заготовки (участок k-k). В этом случае толщина стенки уменьшается. На качество изделия на этой стадии процесса формования решающее влияние оказывают давление воздуха и температура заготовки. С увеличением давления улучшается качество поверхности, снижается коробление, уменьшается время охлаждения. Отметим, однако, что формование с избыточным давлением требует значительного повышения усилия смыкания формы.

Стадия охлаждения начинается с момента контакта заготовки с поверхностью охлаждаемой формы и заканчивается после охлаждения наиболее толстых участков изделия, примыкающих к горловине или днищу. Преждевременное извлечение изделий сопровождается размягчением соседних с горловиной участков и их необратимым деформированием.

Для сохранения изделием приобретенной формы Гизд должна быть ниже Тр·.
Основным фактором на этой стадии является температура формы. Она не только отражается на качестве готовых изделий, но и определяет производительность процесса, так как охлаждение составляет от 50 до 75 % времени цикла формования. Поэтому широко используют интенсивное охлаждение форм различными хладагентами, подачу в полость изделия охлажденного воздуха, водяного тумана, жидкого азота и углекислоты. Однако охлаждение формы ниже 0-5 °С нецелесообразно из-за опасности ухудшения качества поверхности готовых изделий вследствие отпотевания поверхности формы.

Время охлаждения можно сократить понижением температуры расплава (может сопровождаться ухудшением качества поверхности готовых изделий) и повышением давления воздуха, что способствует улучшению теплоотдачи от изделия к стенке формы.

В результате охлаждения изделий их объем уменьшается вследствие естественной усадки. Наибольшая усадка наблюдается в диаметральном направлении, поскольку здесь развивается максимальная деформация при формовании изделия. Для получения выдувных изделий с одинаковой усадкой в продольном и поперечном направлениях необходимо, чтобы степень вытяжки была равна коэффициенту раздува.

Производство изделий методом экструзии с раздувом сопровождается образованием значительного количества отходов (до 35 %). Большая их часть вполне пригодна. Для повторной переработки на тех же агрегатах после соответствующей трансформации в гранулы. При этом количество добавляемых к свежему сырью отходов не должно превышать 30-40 %.

Литьевой метод раздувного формования предполагает получение заготовки методом литья под давлением.

В этом случае расплав из цилиндра термопластавтомата впрыскивается в литьевую форму и трубчатая заготовка оформляется в зазоре между стенками формы и внутренним пустотелым сердечником. Заготовке может быть придана необходимая форма, причем горловина, ручки, необходимые приливы на наружной поверхности оформляются сразу при литье. После окончания процесса литья форма размыкается, и сердечник вместе с горячей заготовкой перемещается в другую форму, где после смыкания полуформ осуществляется процесс раздува за счет подачи сжатого воздуха во внутреннюю полость. При этом размер изделия увеличивается, а толщина стенок уменьшается. Так как геометрическая форма заготовки задается заранее, этот метод позволяет получать сложные по конфигурации изделия, изделия с равномерной толщиной стенок и необходимым соотношением толщины стенок в разных его частях, но из-за необходимости переоборудования литьевых машин, а также из-за высокой стоимости литьевых и раздувных форм этот метод находит ограниченное применение.

В последние годы получил распространение вариант этой технологии, когда стадии отливки заготовки и ее раздува разделены. Заготовка, называемая преформой, отливается в многогнездной форме на термопластавтомате и полностью охлаждается. Нередко преформы являются самостоятельной товарной продукцией. Раздув заготовки осуществляется воздухом на специальном агрегате после ее предварительного разогрева, с последующим охлаждением в форме.

Изготовление пустотелых изделий раздуванием позволяет уменьшить толщину их стенки, сокращает расход дорогостоящего полимерного материала (например ПЭТФ) вследствие отсутствия пресс-кантов и приливов, увеличивает прочность и улучшает внешний вид продукции.

Следует, однако, подчеркнуть, что все изделия, изготовленные за счет реализации высокоэластической деформации, обладают способностью необратимо утрачивать свою форму при повышении температуры выше определенного предела, что накладывает ограничения на температурный интервал их эксплуатации. Таким пределом является температура размягчения.