Литье пластмасс под давлением.
Важнейшей технологией в производстве пластмассовых изделий является литье под давлением. Таким способом в наши дни производится более трети от общего объема штучных изделий из полимерных материалов. Больше половины номенклатуры оборудования, применяемого в переработке полимеров, предназначено для литья под давлением. Технология литья идеально соответствует массовому производству изделий сложной формы, важным требованием к которым является точное соответствие размерам. По общему мнению, разработка и усовершенствование оборудования для производства пластмассовых изделий имеет столь же важное значение, как и изобретение самих полимеров. Большинство серьезных препятствий, с которыми за свою историю сталкивалось промышленное производство пластмасс, удалось преодолеть с помощью совершенствования именно способов переработки и создания новых разновидностей оборудования. Изобретателями целлюлозных пластмасс, известных под такими названиями, как целлулоид, паркезин, ксилонит или айворид, считаются трое: профессор из Швейцарии Кристиан Шонбейн, английский изобретатель Александр Парке и американский предприниматель Джон Уэсли Хайат, организовавший предприятие, в результате развития которого появилась новая отрасль промышленности — производство пластмасс. Считается, что все началось в 1865 году, когда компания Phelan & Collendar, производившая биллиардные шары, объявила о вознаграждении в 10 000 долларов тому, кто найдет новый материал, способный заменить слоновую кость. Приз в десять тысяч привлек внимание Хайата, и в 1869 году у него возникла идея использовать нитроцеллюлозу, материал, над которым ранее работали Парке и Шонбейн. Хайат, тщательно перемешивая компоненты, ждал, когда разбавители полностью испарятся из полученной массы, которую он использовал, не дав ей окончательно затвердеть; вскоре он начал производство биллиардных шаров высокого качества. Вместо того чтобы получить обещанное вознаграждение в 10 000 долларов, Джон Хайат вместе со своим братом Исайей основал компанию Albany Billiard Ball ставшую конкурентом Phelan & Collendar, — этот момент молено считать началом промышленного производства пластмасс. Одной из первых задач, стоявшей перед братьями, было найти способ производства изделий из целлулоида в форме пластин и стержней. На основе патента на метод изготовления под давлением металлических отливок, полученного в 1870 году Джоном Смитом и Джессом Локом, они разработали и в 1872 году запатентовали первую машину для литья пластмассы под давлением [1]. Три таких машины несколько десятилетий работали на одной из американских фабрик; выпускалась только продукция достаточно простой формы [2]. Изобретенная братьями Хайат уплотнительная машина (рис. 1.1) стала прототипом литьевой машины. Особого внимания заслуживают два чертежа, на которых можно предположить наличие внутреннего дорна со штифтами.
Рис. 1.1. Чертеж уплотнительной машины, запатентованный братьями Хайат
Рис. 1.2. Рабочий узел литьевой машины Гейлорда В течение последующих 50 лет в данной отрасли мало что изменилось. Однако в 1904 году англичанину Э. Л. Гейлорду удалось запатентовать саму технологию литья под давлением. Рабочий узел разработанной им машины показан на рис. 1.2. Он применял данную технологию для литья высококачественных готовых изделий из янтаря, но из-за высокой стоимости материала, по своим характеристикам напоминавшего полистирол, предприятию Гейлорда не удалось добиться особых успехов. Наконец в 1919 году немцу А. Эйхенгрюну удалось установить технологические условия литья под давлением целлулоидных деталей сложной формы. Таким образом, процесс литья под давлением был уже в четвертый раз изобретен заново. Затем Эйхенгрюн усовершенствовал технологию и используемое оборудование и в 1923 году подал заявку на получение патента [3] в Германии, Англии и Соединенных Штатах. В США, где подобные машины с ручным управлением начал выпускать X. Бухгольц, патент был выдан только через 8 лет. За это время Grotelite Company приобрела патент Бухгольца, автоматизировала технологию и в 1933 году разработала первую литьевую машину с гидравлическим приводом. Однако в 1934 году были высказаны сомнения по поводу правомерности патента Бухгольца. В результате началось повсеместное кустарное изготовление литьевых машин с ручным управлением. В 1942 году патент, выданный Бухгольцу, был окончательно признан недействительным, так как он повторял патент Хайата, и основным прототипом был признан патент семидесятилетней давности. Несмотря на все это, именно машина Эйхенгрюна-Бухгольца, представленная на рис. 1.3 [3], послужила прообразом для большинства разработанных в дальнейшем литьевых машин. В 1926 году Л. Э. Шоу изобрел технологию литьевого прессования, которая до сих пор остается основным методом производства изделий из реактопластов [3]. По этой технологии (рис. 1.4) материал поступает в загрузочную камеру, где и расплавляется. Далее движением поршня в камере создается повышенное давление, в результате чего расплавленный материал течет по центральному литниковому каналу, затем по разводящим каналам (литникам) и, наконец, через впускные литники поступает в формующие полости форм. После того как изобретение Шоу
Рис. 1.3. Литьевая машина Эйхенгрюна-Бухгольца в патенте 1931 г. (на рисунке подписи изобретателя, свидетелей и адвоката) получило известность, многие машины компрессионного прессования были переоборудованы в машины литьевого прессования. В 1940 году Шоу разработал машину струйного формования для реактопластов (рис. 1.5, [3]). В этой машине имеется поршень, который служит для впрыска термореактивного полимера в полость литьевой формы через терморегулируемое сопло. Для быстрого нагрева сопла в момент впрыска полимера применяется нагреватель. После впрыска сопло охлаждается водой, что позволяет предотвратить затвердевание материала на его внутренней поверхности.
Рис. 1.4. Технология литьевого прессования, разработанная Шоу в 1926 году (по материалам патентных документов); пресс-материал; 2 — пуансон; 3 — матрица; 4 — остаток пресс-материала; 5 — центральный литниковый канал; 6— впускной литник; 7—разводящий литник; 8— направление движения поршня; 9 —плита пуансона; 10 — пуансон загрузочной камеры; /1 — центральный литниковый канал; 12 — загрузочная камера; 13 - плавающая плита; 14 — литниковая втулка; 15 — впускной литник; 16 — формующая полость; 17— контртолкатели; 18 — стопорной штифт центрального литника; 19— плита матрицы; 20^~ отливка; 21 — разводящий литник; 22— пуансон; 23 —остаток пресс-материал а; 24 — приспособление для захвата отходов; 25— плита пуансона; 26— накладная загрузочная камера (тигель) Образование изделия происходит в результате процесса отверждения полимера в форме. В течение 1930-х и 1940-х годов литьевые машины производились несколькими компаниями в США и в Европе. Одно из важных усовершенствований было сделано в 1932 году, когда Г. Гастров впервые использовал торпеду в зоне плавления поршневой машины (рис. 1.6). В некотором роде это устройство сходно с дорном в машине, запатентованной Хайатом в 1872 году. С помощью торпеды, имевшей обтекаемую форму, у литьевых машин значительно повышалась производительность пластикации. Тем не менее процесс расплавления происходил недостаточно эффективно, несмотря на то что центральный пуансон увеличивал площадь поверхности и сдвиговые деформации расплава. Так, например, чтобы увеличить производительность
Рис. 1.5. Литьевая машина, созданная Шоу в 1940 году (по материалам патентных документов) выпускавшегося оборудования, компания Hydraulic Press Manufacturing Company (HPM) увеличила объем впрыска одной из своих машин до 36 унций, применив четыре пластикационных цилиндра объемом по 9 унций каждый (рис. 1.7). Достаточно быстро стало понятно, что шнековый экструдер — очень эффективный узел пластикации. В действительности использовать шнековые экструдеры в конструкции
Рис. 1.6. Литьевая машина торпедного типа, созданная Гастровым в 1932 году (по материалам патентных документов)
Рис. 1.7. Литьевая машина торпедного типа, рассчитанная на 36 унций и снабженная четырьмя цилиндрами впрыска объемом по 9 унций литьевых машин начали еще в 1930-е годы, когда такие компании, как Eckait & Ziegler, Foster-Wucher и Paul Troester стали использовать их для перемещения расплавленного полимера непосредственно в формующую полость литьевой формы. Однако, за исключением тех случаев, когда применялись достаточно мощные шнековые пластикаторы, большинство используемых систем создавало сравнительно низкое давление на расплав при весьма небольшой скорости впрыска, в результате чего оказывалось возможным изготовление лишь толстостенных деталей, причем с использованием впускных литников большого диаметра [4]. Для увеличения скорости и давления впрыска до уровня, позволяющего производить тонкостенные детали, в 1948 году компшпш jbckson and Church была создана шнековая литьевая машина с двухступенчатым силовым контуром [3,4]. Данная конструкция состояла из шнекового пластикатора и поршневого узла впрыска. Первой продукцией компании были литьевые машины"; рассчитанные на объем 48 и 64 унции. В 1943 году заявку на получение патента подал X. Бек, работавший на немецком предприятии
Рис. 1.8. Литьевая машина с возвратно-поступательным ходом шнека, созданная Беком в 1943 году (по материалам патентных документов) I. G. Farbenindustrie, который в качестве впрыскивающего поршня использовал сам пластицирующий шнек (рис. 1.8) [5]. Патент был выдан в 1952 году. В том же году заявку на получение патента на достаточно похожую технологию подал американец В. X. Уиллерт. Схематическое изображение машины Уиллерта показано на рис. 1.9. В машинах как Бека, так и Уиллерта шнек, вращавшийся при пластикации полимера, отодвигался назад под давлением расплава, накапливавшегося в дозирующей зоне цилиндра. После образования требуемого количества расплава шнек прекращал вращение и вновь продвигался вперед по оси, впрыскивая расплав в формующую полость литьевой формы. Впрыск осуществлялся до тех пор, пока литниковые каналы формы не перекрывались отвердевшим материалом. Уиллерт получил патент в 1956 году. Таким образом, можно говорить о втором рождении литьевой машины
Рис. 1.9. Литьевая машина с возвратно-поступательным ходом шнека, созданная Уиллертом в 1956 году (по материалам патентных документов)
Рис. 1.10. Схематическое изображение литьевой машины: 1 —узел смыкания; 2 — литьевая форма; 3 —узел пластикации; 4 —загрузочный бункер; 5— гидравлическая система; 6 — двигатель с возвратно-поступательным ходом шнека. Первой машиной, в которой использовались системы Бека и Уиллерта, была 600-тонная машина Reed Prentice, сконструированная в 1953 году. Несмотря на то что в промышленности производства пластмасс, весьма консервативной в то время отрасли, активно критиковали подобную конструкцию, машины такого типа оказались эффективнее машин с торпедно-поршневой системой, и именно эта технология стала наиболее распространенной в литье под давлением изделий из пластмасс. Современные литьевые машины являются прямыми потомками машин с возвратно-поступательным движением шнека, созданных Беком и Уиллертом. Современная литьевая машина и ее наиболее важные части показаны на рис. 1.10. В настоящее время литьевые машины классифицируются в соответствии со следующим международным соглашением*: Компания-производитель Т/Р, где Т - усилие смыкания в метрических тоннах, а Р определяется как P= VmaxPmax/1000, (1.1) где Vmax — максимальная доза впрыска, см3; Рmax — максимальное давление впрыска, бар. Усилие смыкания формы может составлять, например, одну метрическую тонну, как это бывает на машинах малых размеров, но может доходить и до 11 000 тонн**.
Материал взят из книги Т. А. Оссвальд, П. Дж. Грэманн “Литье пластмасс под давлением”, С-Пб, “Профессия”, 2006г. |
|
|
