МАШИНОСТРОЕНИЕ

ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ РОТАЦИОННОГО И ЦЕНТРОБЕЖНОГО ФОРМОВАНИЯ

Методы формования жидких и порош­кообразных материалов. Ротационное и цен­тробежное формование заключается в получе­нии изделий из пластмасс во вращающихся формах. В качестве исходного полимерного материала используют твердые вещества раз­ного дисперсного состава (гранулы, порошки) и жидкие различной вязкости. При кажущейся схожести процессов эти два метода имеют су­щественные отличия. При центробежном фор­мовании распределение вещества по поверхно­сти вращающейся формы происходит за счет центробежных сил и центробежные силы влияют на структуру образующихся полиме­ров. При ротационном формовании центро­бежные силы невелики и распределение поли­мера на поверхности формы происходит за счет других физических процессов. При этом вращение формы может быть вокруг как одной оси, так и двух. Во время вращения форма по­гружается в «болото», из которого постепенно как бы вычерпывается вещество независимо от того, является оно твердым или жидким.

В качестве примера возьмем два разных исходных вещества, которые используются в процессе ротационного формования: 1) поро­шок полиэтилена с частицами размером около 0,5 мм; 2) расплав капролактама, полимери - зующийся по анионному механизму и имею­щий начальную вязкость, близкую к вязкости воды. В первом случае в закрытую полую хо­лодную форму засыпается порошок полиэти­лена, форма приводится во вращение и поме­щается в камеру нагрева. Форма нагревается и происходит плавление частиц полиэтилена, которые находятся на стенке формы. Расплав­ленный полимер налипает на поверхности формы. Поскольку вязкость расплавленного полимера чрезвычайно высокая, он не стекает под воздействием сил гравитации в «болото». Постепенно расплавляясь весь порошок нали­пает на поверхности формы. Важное значение имеет распределение температуры по поверх­ности формы. Наиболее сильно нагретые уча­стки формы быстрей «забирают» полиэтилен и в этом месте образуется более толстая стенка изделия. При равномерном нагреве формы толщина стенки изделия получается одинако­вой [50].

Во втором случае горячий расплав капро­лактама с активирующими добавками залива­ется в предварительно нагретую форму и про­цесс полимеризации капролактама протекает уже во вращающейся форме. В процессе нарас­тания вязкости образующегося полимера про­исходит его налипание на поверхности формы и постепенно весь образующийся полимер распределяется по поверхности формы. Нали­пание и распределение образующегося поли­мера по поверхности формы становится воз­можным, когда сила адгезии вязкого полимера будет больше силы гравитации.

Выбор частоты вращения формы необхо­димо согласовывать со скоростью нарастания вязкости. Если скорость полимеризации, а сле­довательно, скорость нарастания вязкости ве­лики, то при низких частотах вращения весь полимер не сумеет из «болота» равномерно распределиться по поверхности формы. Как правило, частота вращения форм при исполь­зовании жидких компонентов в 1,5-2 раза вы­ше, чем при формовании изделий из твердых веществ. Этим методом формования получают изделия и на основе полиэфирных и эпоксид­ных смол [44]. Принципиальная схема ротаци­онного формования показана на рис. 7.4.10.

Центробежное формование - метод из­готовления изделий в виде тел вращения под действием центробежных сил. Этот метод применяется преимущественно для производ­ства труб, втулок, подшипников скольжения, зубчатых колес и различных заготовок из тер­мопластов и термореактивных смол, в том чис­ле наполненных стекловолокном [44]. Центро­бежное формование - длительный, периодиче­ский процесс, который применяется обычно в тех случаях, когда изделие необходимых раз­меров и качества не может быть изготовлено другим методом.

При производстве изделий засыпка или заливка жидких компонентов производится во вращающуюся форму и за счет центробежных сил происходит равномерное распределение полимерного материала (жидких компонентов) по внутренней поверхности формы. За счет подвода теплоты через стенку формы происхо­дит спекание (полимеризация) полимерных материалов. В случае использования термопла­стов в виде гранул или порошка, плавление полимера и его гомогенизация осуществляются во вращающейся обогреваемой форме, на что требуется дополнительное время. Кроме того, при использовании гранулированного сырья очень трудно получить изделие с толщиной стенки более 4 мм, не содержащего газовых включений. Центробежные силы могут суще­ственно влиять на структуру образующегося полимера: структура полимера получается бо­лее равномерной. Частота вращения формы будет определяться наружным диаметром из­делия и толщиной стенки. Ось вращения может быть расположена как в горизонтальном на­правлении (при получении трубы), так и верти­кальном (при производстве шкивов, зубчатых колес).

Машины для ротационного и центро­бежного формования. Конструктивное оформ­ление машин для ротационного формования, определяемое необходимостью вращения фор­мы вокруг одной или двух осей, нагрева и ох­лаждения, разными фирмами выполняется по - разному [47]. Вращения форм от двигателей может быть клиноременным, цепным и фрик-

Td

Б)

Г)

Рис. 7.4.10. Схема ротационного формования:

А - загрузка; 6 - нагрев; в - охлаждение; г - извлечение

Ционным, при этом изменение частоты враще­ния формы может осуществляться либо через систему шкивов и зубчатых колес, либо с по­мощью вариаторов электродвигателя.

При производстве изделий используется прямой нагрев форм с помощью газовых горе­лок или через конвекцию горячего воздуха. Во втором случае нагрев воздуха* происходит в камере, в которой в качестве источника тепло­ты используется либо горение газа (жидкого топлива), либо электрическая энергия. При выборе конструкции камер горения и подачи горячего воздуха, а также камеры нагрева форм предпочтение отдается той, в которой достига­ется быстрый нагрев форм и наименьший рас­ход топлива. Отходящие газообразные продук­ты горения имеют высокую температуру и часто используются в теплообменниках для рекуперации теплоты и его последующего ис­пользования на производстве.

Охлаждение изделий может быть либо естественным, либо принудительным. Для принудительного охлаждения используют воз­душные вентиляторы, водяные форсунки или их комбинацию. Для того чтобы теплота и во­дяной пар от охлаждающихся форм не посту­пали в помещение, охлаждение форм произво­дится в закрытых камерах, снабженных систе­мой отвода теплоты и образующихся водяных паров.

Аппаратурное оформление ротационного формования может быть самым разнообраз­ным, в зависимости от типа изделия, объемов производства и т. д. Машины для ротационного формования выпускаются несколькими фир­мами: Ferry Industries Inc. (США), STP Equip­ment (Канада), Alan Yorke Engineering Ltd. (Ве­ликобритания), Ernst Reinhardt GmbH (Герма­ния), Polivinil S. p.a. and Cassia. S. p.a. (Италия) и др. [49]. В наиболее часто используемой ма­шине карусельного типа с независимыми «ру­ками», на которых крепятся формы, на первой позиции происходит подготовка формы и за­грузка исходного материала. В камере наїрева осуществляется формование изделия и его вы­держка, после чего форма, пройдя промежу­точную позицию, поступает в камеру на охла­ждение. Машины с независимыми «руками», смонтированными на тележках, позволяют получать изделия разные по габаритным раз­
мерам и толщине стенки. Управление «рука­ми» производится вариаторами, позволяющи­ми выполнять реверсивное вращение «рук» с переменной скоростью и их маятниковое дви­жение. Предусмотрена возможность подачи сжатого воздуха или инертного газа в форму через валы «руки».

Для получения длинномерных изделий, когда длина изделия существенно больше ши­рины, например, лодок, используют машины типа «гок & roll». В таких машинах одна из осей совершает колебательное движение, а вторая - вращательное.

Главными направлениями совершенство­вания ротационных машин является повыше­ние их производительности и уровня автомати­зации. При этом решается проблема автомати­ческой подачи порошкообразных полимеров в форму, раскрытие формы и извлечение изде­лий [49].

Машины (линии) для центробежного формования изделий из пластмасс машино­строительными фирмами не производятся и их, как правило, проектируют и изготовляют по заказу.

Проектирование изделий и форм для ро­тационного формования базируется на основе рекомендаций, изложенных в [47]. Форма для ротационного формования (рис. 7.4.11) состоит из следующих основных элементов: полости, рамы (каркаса) /, монтажной плиты и запи­рающих механизмов. Кроме того, она может иметь опорные пружины, подъемные кольца, вентиляционные трубы, зажимы для закладных деталей.

Формы изготовляют из металла литьем, механической обработкой, гальваническим ме­тодом и напылением. Выбор способа изготов­ления и материала формы определяется мно­гими факторами. Формы, полученные методом литья из алюминия, несмотря на их высокую стоимость, позволяют получать сложные изде­лия высокого качества. Стальные формы, изго­товленные сваркой из листа, являются наибо­лее распространенными вследствие низкой стоимости и возможности изготовления изде­лий больших размеров.