Технології та устаткування для виробництва пластмасових та гумотехнічних виробів

  Найбільш крупним споживачем гумотехнічних виробів (ГТВ) є автомобільна промисловість. У складі механізмів і агрегатів сучасних автомобілів є сотні найменувань і до тисячі штук гумових деталей, причому одночасно із збільшенням виробництва машин зростає їх гумоємкість.

Технологія  виготовлення гуми та ГТВ  складається з чотирьох стадій:

 

• різання каучуку на куски і приготування інгредієнтів (подрібнення,

просіювання, сортування, зважування);

 

• приготування гумової суміші в герметичних гумозмішувачах і на

каландрах (валках);

 

• формування (на валках для листової гуми, або в пресформах для штучних виробів);

 

• вулканізація – завершальна і дуже відповідальна операція, яка може

відбуватися в пресах, котлах і автоклавах при температурі 130-160°C і

тиску 18-20 МПа, але може відбуватись  і при тиску 3-6 МПа. Існує також

вулканізація з використанням  високочастотних коливань та радіації.

Якість гуми про цьому  покращується, але цей спосіб занадто  дорогий.

При вулканізації сірка з’єднується з молекулами каучуку, зшиваючи їх у

трьохмірну структуру, яка  називається гумою. Саме при вулканізації гума

набуває основної якості –  можливості подовжуватись. [5]

 

      Гумові вироби отримують з допомогою певної техніки. За допомогою

каландрів отримують листову  гуму; за допомогою черв’ячних пресів –

труби, шланги, шнури, гумовані кабелі; за допомогою пресів та пресформ –

штучні вироби: ущільнювачі, штепселі, прокладки тощо.

 

Існують також спеціальні машини та пристрої для виготовлення складних

виробів, наприклад ізоляційних  рукавиць, взуття, спецодягу тощо.

 

2. Технологія виробництва гумотехнічних та пластмасових виробів

 

1. Лиття під тиском  

Це найпродуктивніший метод. Використовується у масовому виробництві. Виконується на спеціальних машинах, призначених для розплавлення матеріалу і подавання його під поршнем (тиск 50-250 МПа) в закриту охолоджувану прес-форму, при розкритті якої виріб автоматично виштовхується. Прес-форма – це збірний металевий пристрій, всередині якого знаходиться порожнина, яка за формою відповідає формі майбутньої деталі. Наступна операція – обрізання ливника, який знов іде на переплавку. Далі – механічна обробка, якщо вона потрібна.

Схема отримання виробів  методом лиття під тиском наведена на рис. 1.

 

 

Рисунок 1 – Схема отримання виробів методом лиття під тиском

1 – розігріта термоформуєма композиційна суміш; 2 – розігрітий робочий циліндр; 3 –гідроциліндр для подачі під тиском виміряної кількості суміші в форму; 4 – ливарна форма; 5 – виріб.

  Для кожного виробу необхідно виготовляти свою прес-форму.

Наприклад, на рис. 2 зображена  прес-форма для виготовлення вішаків, а на рис. 3 прес-форма для автомобільних шин.

 

 

Рисунок 2 – Прес-форма (вішаки)

 

 

Рисунок 3 – прес-форма (шини )

 

2.    Компресійне (пряме) пресування

     Пресування полягає в тому, що вихідний матеріал у вигляді гранул або волокон укладається у прес-форму, підігріту до температури 130-180ºC. Потім укладена маса стискається пуансоном на гідравлічних пресах зусиллям від 10 до 1000 т. Унаслідок зовнішнього тиску в пресованому матеріалі, відбувається його ущільнення, часткове руйнування попередньої структури. Під час ущільнення і деформації в результаті тертя між частинками матеріалу відбувається виділення теплової енергії, яка спільно із зовнішнім обігрівом елементів, що формують, приводить до плавлення зв’язуючого. Після того, як матеріал перейшов у в’язкопластичний стан, він під дією тиску розподіляється в прес-формі утворюючи монолітну і ущільнену структуру.

   Процес затвердіння полягає в протіканні реакції зшивання макромолекул унаслідок поліконденсації між вільними функціональними групами зв’язуючого або затверджувача і зв’язуючого (двокомпонентні системи). Реакція відбувається під дією тепла, з виділенням низькомолекулярних, летючих речовин: вода, формальдегід, аміак, метанол і ін.[3]

  

   Пластмаса (гума) при цьому сплющується і стає однорідним матеріалом, який повністю заповнює порожнину прес-форми. Після відходу пуансону деталь виштовхується, оскільки вона розігріта, але тверда. Ливника  у цьому випадку немає, тобто матеріал використовується більш економно, ніж при виготовленні деталі литтям під тиском.

Схема прямого пресування наведена на рисунку 4.

 

Рисунок 4 – Схема прямого пресування

а) – завантаження прес-матеріалу; б) – пресування; в) – розмикання форми і витягання виробу; 1 – пуансон; 2 – прес-матеріал; 3 – матриця; 4 – виштовхувач; 5 – виріб.

Технологічні параметри компресійного  пресування:

– температура попереднього підігріву;

– температура пресування;

– тиск пресування;

– параметри підпресовок;

– час витримки під тиском.

При прямому пресуванні тиск безпосередньо діє на матеріал, який знаходиться в оформляючій порожнині  форми, тому деталі форми передчасно зношуються. Цього недоліку позбавлений  метод трансферного пресування.

3. Ливарне (трансферне) пресування

     Цей спосіб переробки відрізняється від компресійного пресування тим, що матеріал завантажується в завантажувальну камеру прес форми, де він переходить у в’язкопластичний стан, а потім під дією тиску передавлюється через ливарний канал в оформляючу порожнину. Завдяки наявності завантажувальної камери, матеріал проходить попереднє розігрівання і вже, будучи прогрітим, до температури близької до температури форми, під дією пуансона перетікає в оформляючу частину форми. Під час течії по ливарним каналам відбувається його гомогенізація. Розплав подається в заздалегідь зімкнуту форму, яка нагріта до температури пресування. Під час ливарного пресування не використовують підпресовки.

  Для формування виробів даним методом використовують прес-матеріали з порівняно великим часом перебування у в’язкопластичному стані  і підвищеною текучістю. Використовують попереднє прогрівання матеріалу перед дозуванням, можна скоротити цикл пресування.

Цей метод доцільно застосовувати, коли необхідно формувати вироби різної товщини, за наявності тонкої прохідної арматури, а також оформляючих знаків.

  При потраплянні розплаву в порожнину прес-форми відбувається випаровування вологи і летючих речовин, для цього конструкцією передбачаються наявність вентиляційних (відвідних) каналів. Відведення летючих речовин значно прискорює процес затвердіння матеріалу.

   Технологічний процес відбувається, як і при прямому пресуванні, з відмінностями, обумовленими складною конструкцією форми. Як правило, для ливарного пресування застосовують пакетні форми, що складаються як мінімум з 3-х частин: нижня півформа, верхня півформа і вхідна в них завантажувальна камера. Проте більшість форм є ще складнішими за своєю будовою і можуть містити проміжні втулки, знімні ливарні канали, елементи для кріплення знаків і так далі. Такий підхід пов’язаний не тільки з складністю виготовлення цілісних частин, але і спрощує процес експлуатації форми. Зі всього вище описаного витікає тривала технологічна стадія процесу пресування – збірка і розбирання «пакету» включаючи ускладнене витягання виробу. При ливарному пресуванні відсутня стадія підпресовки  оскільки відведення летючих відбувається ще на етапі уприскування в прес-форму.

Схема литтєвого пресування пластмас наведена на рис. 5.

 

 

Рисунок 5 – Схема литтєвого пресування пластмас

 

1 – плунжер; 2 – циліндр для лиття; 3 – нагрітий матеріал; 4 –замкнута  форма; 5 – оформлююча порожнина форми; 6 – виріб

 

 

Технологічні  параметри ливарного пресування:

– температура пресування;

– питомий тиск формування;

– зусилля пресування;

– час витримки під тиском;

– зусилля замикання форми.

   Перевагами литного пресування є не тільки знижений знос деталей форми, але і швидке і інтенсивне прогрівання матеріалу за рахунок дисипативного тепловиділення перебігу в’язкопластичного матеріалу, що утворюється в результаті, через канали літників. Покращувана гомогенізація розплаву – знижує викривлення виробів. Конструкцією форм передбачені дренажні канали для відведення пари і летючих компонентів це виключає з процесу підпресовування. Вища точність виробів. Відсутність облою на виробах.

  Метод ливарного пресування економічно більш витратний, це обумовлено збільшеною витратою матеріалу (система ливарного каналу, залишки матеріалу у форкамері), підвищеним тиском пресування для подолання опору системи літника (більше 100 МПа). Все вище перераховане вимагає застосування потужніших пресів, порівняно з прямим пресуванням, а також використання дорогого оснащення.

4. Штранг-пресування пластмас

    Штранг-пресування пластмас – безперервне профільне пресування, метод отримання виробів великої довжини (труб, стержнів і ін.), що полягає у витискуванні пластмаси через прес-форму, що обігрівається з відкритими вхідним і вихідним отворами. Прес-форму встановлюють на спеціальному горизонтальному пресі, плунжер якого здійснює повільний робочий хід, а потім швидко повертається в початкове положення. За один цикл пресування видавлюється не вся порція матеріалу; підігріта пластмаса, що залишилася від попереднього завантаження, «зварюється» з порцією, що знов поступила, дякуючи чому забезпечується безперервний процес.[4]

  Цим методом переробляють головним чином високонаповнені реактопласти, наприклад, прес-порошки (у виробництві виробів з термопластів метод практично повністю витиснений екструзією). Цикл переробки реактопластів включає розм’якшення матеріалу, його ущільнення для отримання виробів з високими показниками механічних властивостей (ущільнення досягається в результаті застосування прес-форми, площа пуансона якої у декілька разів перевищує площу вихідного отвору) і затвердіння виробу. Процес здійснюється при тискові 250-400 МН/м² (2500-4000 кгс/см²) і температурі від 65-80°С у завантажувальній камері прес-форми до 150-200 °С на виході виробу з її каналу. Продуктивність Ш.-п. п. 2-20 м/год.

5. Екструзія

    Найпоширенішим видом переробки пластмас є екструзія. Також екструзія застосовується і для гумотехнічних виробів. За допомогою цієї технології виготовляють довгомірні вироби – плити та профілі різної конфігурації, а також пустотілі профілі.

Схема отримання довгомірних  профілів методом екструзії наведена на рис. 6.

Рисунок 6 – Схема отримання довгомірних профілів методом екструзії

1 – розігріта термоформуєма композиційна суміш; 2 – робочий циліндр

екструдера; 3 – філь’єра; 4 – довгомірний виріб

    Екструзія – це видавлювання пластмаси (гуми) із порожнини через отвір під тиском. Пластмаса (гума) знаходиться у розплавленому стані, але після виходу через отвір миттєво  затвердіває і набуває форми отвору при необмеженій довжині. Здійснюють на спеціальних шнекових машинах, які призначені для виготовлення пластмасових труб, а також для нанесення ізоляції на дріт (рис. 7) (точно так наносять на дріт і гумову ізоляцію).

      Сутність даного технологічного процесу полягає в тому, що сформована та розігріта термоформуєма композиційна суміш витискується через профільний отвір філь’єри. Такий метод є досить продуктивним, але має недолік: невелике відхилення від технології порушує складні процеси течії та формування пластмасових виробів. Також ця технологія обмежена профільними виробами.

Рисунок 7 – нанесення ізоляції (Cable Coating Process)

 

На рисунку 8 показана схема установки для термоекструзії:

гранули пластика засипаються в воронку, а звідти надходять всередину трубчастої форми, по якій рухається гвинт Архімеда; форма нагрівається, гранули плавляться і пресуються, в результаті чого виходить пластикова трубка. Термоекструзія є безперервним процесом.

Холодна екструзія ( на рисунку 8 внизу ) полягає в видавлюванні деталі необхідної форми з металевої заготівки за допомогою форми. Для того, щоб полегшити виїмку готової деталі з форми, заготівку покривають мастилом, яке після екструзії видаляють.

 

Рисунок 8 - Схема установки для термоекструзії

 

 

6. Вакуумне формування

   Вакуумне формування – це метод формування виробів з пластмасових листів. При вакуумному формуванні листові матеріали на основі термопластичних полімерів завтовшки до 2 мм закріплюють на формі, нагрівають до температури розм’якшення і потім формують під дією атмосферного тиску, створюючи в порожнині, утвореній листом і поверхнею форми, розрідження (вакуум) близько 10 кН/м² ( 100 мм рт.ст.) (рис. 9).