36. Фізична сутність методів термоформування виробів з листів, математична модель операції нагріву заготовки.
Изготовление изделий формованием представляет собой процесс, при котором лист (рулонный материал) из термопластичного полимера, нагретый до температуры размягчения, подвергают вытяжке, придавая ему необходимую конфигурацию, а затем производят охлаждение. Для формования используют полимерные материалы, имеющие выраженную область высокоэластичного состояния. Наиболее легко формуются изделия из аморфных полимеров и несколько сложнее кристаллических. Особенно это относится к полиэтилентерефталату, который в момент вытяжки должен находиться в аморфном состоянии. Если полиэтилентерефталат перегреть, он кристаллизуется и формование становится невозможным. Широко используются также кристаллизующиеся полимеры, такие, как полиэтилен и полипропилен, с небольшими значениями показателя текучести расплава, т.е. имеющие сравнительно высокую вязкость.
В процессе формования нагретая заготовка прижимается к поверхности формы под действием разрежения (вакуума) и/или избыточного внешнего давления. Толстые заготовки для облегчения формования могут дополнительно прижиматься к поверхности формы с помощью механического давления пуансона (штампование). Тонкие, легко деформируемые заготовки формуются либо с применением только вакуума (вакуум-формование), либо только давлением воздуха (пневмоформование).
Лист, пленка из термопластов, применяемые для получения изделий методом пневмовакуум-формования, должны иметь достаточную прочность и вязкость в широком интервале температур, не деформироваться под действием собственного веса. Материал должен иметь такое сопротивление деформированию, чтобы при прогреве в формовочной машине он не провисал, имел блестящую поверхность, не отличался анизотропией свойств.
В зависимости от конструкции формы и способа придания изделию окончательной конфигурации различают несколько основных методов формования (рис. 1): свободное формование, при котором нагретой заготовке придают сферическую форму, создавая перепад давлений на ее поверхности (рис. 1, а); негативное вакуумформование, когда нагретая заготовка втягивается в форму под действием разности между атмосферным давлением и остаточным давлением в вакуумируемой полости формы (рис. 1, б); негативное вакуумформование с предварительной вытяжкой пуансоном, при котором нагретую заготовку вначале вытягивают при помощи специального пуансона, а затем придают ей окончательную конфигурацию, создавая разрежение в полости формы (рис. 1, в); позитивное вакуумформование, при котором нагретый лист прижимается к пуансону перепадом давлений, возникающим из-за разности давлений, действующих на противоположных сторонах листа (атмосферное на наружной и остаточное – на вакуумируемой) (рис. 1, г); позитивное с предварительной вытяжкой воздухом (рис. 1, д); позитивное с предварительной вытяжкой пуансоном (рис. 1, е).
Рис. 1 Основные методы формования из листа.
При негативном формовании толщина стенок изделия по мере приближения к основанию уменьшается. Применение предварительной механической вытяжки позволяет увеличить равностенность изделий с глубокой вытяжкой. Однако дно таких изделий будет иметь несколько увеличенную толщину, потому что в зоне контакта пуансона с заготовкой формуемый лист охлаждается и практически не растягивается. Если необходимо получить равностенное изделие, то применяют формование с предварительной пневматической вытяжкой.
При позитивном формовании с предварительной механической вытяжкой лист термопласта зажимается в раме над расположенным под ней пуансоном. Пуансон поднимается, и нагретый до температуры формования лист плотно обтягивает его. Затем под листом создается разрежение, и атмосферное давление плотно прижимает лист к поверхности пуансона, точно воспроизводя его форму. Получаемые этим методом изделия имеют более толстое дно и равномерно вытянутые боковые стенки.
Математическая модель
Нагрев заготовки. Наиболее часто для нагревания листов применяют инфракрасные нагреватели. Однако при инфракрасном нагреве по толщине листа возникает большой температурный градиент Т, обусловленный теплопроводностью полимера. Разность температур на поверхностях листа зависит от мощности нагревателя, толщины листа и его теплопроводности . Количество теплогы, проходящей через лист при одностороннем нагреве, W равно:
(11.2)
где S – площадь листа; – толщина листа.
Количество переданной теплоты расходуется на нагревание полимера, поэтому можно записать:
(11.3)
Приравняв уравнения (11.2) и (11.3), получаем время нагревания листа tн:
(11.4)
где
Т0
– начальная температура листа; Тф
– температура формования, равная средней
температуре листа после нагревания,
(здесь Тв
и Тн
– температура на верхней и нижней
поверхностях листа).
Обычно формование проводится при условии, когда нижняя сторона листа аморфных полимеров нагревается выше температуры стеклования Тс, а кристаллических выше температуры плавления Тпл. Обогреваемая поверхность обычно имеет более высокую температуру, но она не должна быть выше термостойкости (температуры деструкции Тд). Разница температур по толщине листа обусловливает температурный градиент Т = Тв – Тн, зависящий от интенсивности нагревания. При уменьшении времени нагревания разность температур на поверхностях листа увеличивается, то же происходит при увеличении толщины листа. При большом градиенте температур по толщине полимер на обогреваемой поверхности может перегреться, что может вызвать его термическую деструкцию или изменение окраски. Поэтому толстые листовые заготовки обычно нагревают при двухстороннем расположении нагревателей. В этом случае время нагревания уменьшается в 4 раза.
Интенсивность нагревания во всех случаях выбирается из условия:
(11.5)
Температуру формования обычно определяют экспериментально, так как она зависит от свойств полимера, толщины листа, конфигурации изделия и его размеров. Эта температура оказывает влияние на прочность и усадку изделия. Так, при очень низкой температуре формование листа затрудняется и требуется более высокое давление (усилие) для вытяжки, а при высокой температуре может произойти вытяжка листа под действием веса заготовки и ее сильное провисание. Чем больше размеры листа, тем сильнее провисание. Начало появления провисания листа можно определить из равновесия сил. Например, для круглой зажимной рамы это равенство имеет вид:
где R – радиус зажимной рамы; т – предел текучести полимера.
Провисание для круглой зажимной рамы исключается, если выполняется неравенство:
(11.6)