Способ центробежного формования изделия из полимерной композиции и устройство для его осуществления

 

Назначение: изобретение предназначено для центробежного формования изделий из полимерных композиций. Сущность изобретения: при формовании производят многократное чередование периодов вращения формы 14 сначала с высокой скоростью, а затем с низкой. Рабочие поверхности планшайб 10 и 12 под торцевые крышки 15 формы 14 выполнены ступенчатыми. Опорная стойка 6 установлена на станине с возможностью осевого перемещения относительно стойки 5. Средство для установки планшайбы 12 в стойке 6 выполнено в виде пиноли 10. 2 с.п. ф-лы, 2 табл., 5 ил.

Изобретение относится к способам и устройствам для центробежного формования изделий из полимерных композиций и может найти применение в машиностроении, в промышленности пластических масс и других отраслях промышленного производства.

Известен способ центробежного формования изделия из полимерной композиции, включающий операцию загрузки композиции в дозировочный стакан, установленный концентрично в форме, закрепленной на вертикальном опорном валу без привода, перемешивание смеси в дозировочном стакане шнековой мешалкой, опущенной в него сверху и придвинутой к его стенке, вращение стакана вместе с формой за счет возникающего крутящего момента от действия вязких сил трения компаунда о стенку стакана при перемешивании, переливание смеси через верхний край дозировочного стакана в форму за счет образования в стакане воронки из композиции под действием центробежных сил, раскручивающих стакан с формой до ускорений 1,2-1,8 на внутренней поверхности стакана (после чего вращение мешалки прекращают), отверждение перелившейся в форму композиции и выгрузку изделия из формы по окончании вращения и полимеризации (1).

К недостаткам известного способа формования изделий из полимерных композиций следует отнести нерегулируемый период отверждения композиции при отключении мешалки, т.е. формирование изделия при снижении и затухании угловой скорости, что не способствует поддержанию качественных показателей изделия за счет возможной ликвации при высокой скорости и седиментации наполнителей при ее затухании. Кроме того, переливание смеси полимеров с концевыми изоцианитными и эпоксидными группами, через верхний край дозировочного стакана под действием значительных ускорений, способствующее удалению газовых включений, не обеспечивает полноты использования композиции для формования изделия ввиду ее высокой вязкости и адгезии к поверхности дозировочного стакана.

Известно устройство для центробежного формования изделия из полимерной композиции, содержащее станину, кожух термокамеры с обогревательной системой, опорные стойки для поддержания приводного вала, соединенного ременной передачей с электродвигателем, и прижимного вала, размещенные на них центрирующей форму планшайбы (2). В этом устройстве центрирующие планшайбы снабжены кольцевыми концентричными проточками, в которых размещается и центрируется сменная форма, а приводной вал выполнен полым для введения заливочного устройства подачи смеси внутрь формы. Закрепление формы между центрирующими планшайбами предусмотрено с помощью системы осевого перемещения центрирующей планшайбы прижимным валом, связанным через гильзу подшипников опорной стойки со штоком гидроцилиндра, рабочие полости которого соединены с гидросистемой, состоящей из насоса, бака с рабочей жидкостью, крана управления, предохранительного клапана, реверсивного золотника и показывающего манометра контроля давления. Кроме того, в верхней части кожуха термокамеры размещены электронагреватели, а в нижней установлено устройство для центрирования сменных форм, состоящее из двух призм, разнесенных по длине формы и расположенных на своих стойках, имеющих возможность регулирования расположения по высоте в зависимости от диаметра поддерживаемой сменной формы с помощью предусмотренной механической системы, состоящей из закрепленных на общей оси зубчатых секторов, имеющих зацепление с зубчатыми рейками, нарезанными на нижних концах стоек и соединенных общей осью, на которой жестко закреплена рукоятка с фиксатором, который устанавливается по отверстиям специального распределительного диска, снабженного предохранительным микровыключателем привода вращения формы.

Применение установочных призм и сложного прижимного устройства формы со специальной гидросистемой, компенсирующей линейные температурные деформации формы, усложняет конструкцию известного устройства. При этом радиальные температурные деформации формы не компенсируются, так как форма жестко закрепляется в кольцевых проточках центрирующих планшайб, радиальные деформации которых не совпадают с радиальными деформациями цилиндрических пустотелых сменных форм переменных диаметров. В результате этого весьма возможна овальность формуемого изделия и неизбежны температурные и значительные усадочные напряжения в изделиях при охлаждении форм.

Ближайшим к предложенному способу является известный способ центробежного формования изделия из полимерной композиции, при котором загружают композицию в форму, нагревают ее до заданной температуры и осуществляют формования изделия при вращении формы в течение заданных периодов с низкой и высокой скоростями (3).

В известном способе вращение формы ведется сначала с низкой, а затем с высокой скоростью, что не обеспечивает высокого качества изделий. Ближайшим к предложенному устройству является известное устройство для формования изделия из полимерной композиции, содержащее запираемую торцовыми крышками форму, установленные на станине опорные стойки, смонтированный в одной из них приводной вал для вращения формы и имеющие рабочие поверхности под торцовые крышки формы планшайбы, одна из которых связана с приводным валом, а другая снабжена средством для установки во второй опорной стойке (4).

Известное устройство не обеспечивает возможность получения изделий различных габаритов.

Техническим результатом изобретения является повышение качества изделий за счет равномерного распределения композиционного материала по толщине изделия и по его периметру в процессе формования, уменьшения образования внутренних дефектов и снижения внутренних напряжений в стенке изделия после полимеризации, а также обеспечение возможности формования изделий различных по диаметру и длине.

Для достижения указанного технического результата в способе центробежного формования изделия из полимерной композиции, при котором загружают композицию в форму, нагревают ее до заданной температуры и осуществляют формование изделия при вращении формы в течение заданных периодов с низкой и высокой скоростями, при формовании производят многократное чередование периодов вращения формы сначала с высокой скоростью, а затем с низкой.

Для достижения указанного технического результата в устройстве для центробежного формования изделий из полимерной композиции, содержащем запираемую торцовыми крышками форму, установленные на станине опорные стойки, смонтированный в одной из них приводной вал для вращения формы и имеющие рабочие поверхности под торцовые крышки формы планшайбы, одна из которых связана с приводным валом, а другая снабжена средством для установки во второй стойке, рабочие поверхности планшайб выполнены ступенчатыми, вторая опорная стойка установлена на станине с возможностью осевого перемещения относительно первой стойки, а средство для установки второй планшайбы во второй опорной стойке выполнено в виде пиноли.

На фиг.1 изображено предлагаемое устройство для центробежного формования изделия из полимерной композиции (продольный разрез), на фиг.2 то же, вид сверху, на фиг.3 форма в сборе, на фиг.4 то же, вариант выполнения, на фиг.5 график режима формования.

Устройство для центробежного формования изделия из полимерной композиции содержит станину 1 термокамеру 3 с кожухом и обогревательной системой 4 и установленные на станине опорные стойки 5 и 6 и смонтированный в стойке 5 приводной вал 7 для вращения формы 14. Форма 14 запирается торцовыми крышками 15 с прокладками 16.

Для установки и центрирования формы 14 предназначены планшайбы 11 и 12, имеющие ступенчатые рабочие поверхности под торцовые крышки 15.

Планшайба 11 связана с приводным валом 7, а планшайба 12 снабжена средством для установки в опорной стойке 6, которое выполнено в виде пиноли 10 с центром 13.

Стойка 6 установлена с возможностью осевого перемещения относительно стойки 5.

Приводной вал 7 связан посредством ременной передачи 8 с электродвигателем 9.

При работе устройства предлагаемый способ центробежного формования изделия из полимерной композиции осуществляется следующим образом.

В приготовленную прогретую форму 14, вставленную вертикально в посадочную поверхность торцовой крышки 15 с прокладкой 16, заливают полимерную композицию и закрывают второй торцовой крышкой 15 с прокладкой 16, собранную форму 14 устанавливают между планшайбами 11 и 12 и поджимают центром 13 пиноли. При изготовлении коротких изделий возможен набор нескольких форм 14 с торцовыми крышками 15 и прокладками 16 в виде кассеты (фиг.4). Затем термокамеру 3 закрывают кожухом 2, включают обогревательную систему 4 и форму 14 приводят во вращение от электродвигателя 9 через ременную передачу 8 приводным валом 7 с центрирующей планшайбой 11.

При этом сначала вращают форму с высокой скоростью, а затем с низкой.

В высокоскоростном периоде формования с повышенными частотами вращения происходит разгон и равномерное растекание композиции по внутренней поверхности формы, удаление газовых включений пор и пузырьков из слоя полимерной смеси и перераспределение наполнителей под действием центробежных сил в зависимости от их плотности, конфигурации и размеров включений, количества их содержания в смеси. Частота вращения и продолжительность высокоскоростного периода определяется комплексом параметров смеси: физико-механическими свойства компаунда и наполнителей, входящих в состав смеси, прежде всего вязкостных и адгезионных, а также и габаритами формуемого изделия (длины и толщины втулки). Продолжительность высокоскоростного периода формования с повышенными частотами вращения ограничивается процессом ликвации композиции быстро развивающимся процессом расслоения компонентов смеси в зависимости от их плотности под действием высоких центробежных сил. Поэтому для избежания эффекта ликвации необходимо введение низкоскоростного периода формования с пониженными частотами вращения, в котором происходит прежде всего полимеризация смеси с увеличением ее вязкости и фиксации достигнутого эффекта формования в предыдущем периоде. Частота вращения и продолжительность низкоскоростного периода также определяются указанным комплексом параметров смеси, а также и степенью ее полимеризации. Однако, продолжительность и этого периода также ограничена рядом факторов, прежде всего низкой вязкостью смеси, ее неспособностью, особенно в начальной стадии формования, сохранять достигнутые в предыдущем периоде заполнения форму и структуру слоя смеси. При формовании с пониженными частотами вращения происходит частичное оплывание композиции в нижнюю часть формы и переливание ее внутри формы с перемешиванием наполнителей смеси в компаунде. Если переливание смеси способствует улучшению структуры формуемого слоя перемешиванием компонентов смеси, то оплывание смеси нарушает заполнение формы и равномерность толщины слоя по внутренней поверхности формы, ухудшая качество формования. Поэтому требуется вновь введение высокоскоростного периода формования с повышенными частотами вращения для устранения влияния отмеченных отрицательных эффектов на структуру формуемого слоя и его качество перераспределением компонентов смеси в слое, растеканием и равномерным заполнением композицией внутренней поверхности формы. Для предотвращения развития эффекта ликвации расслоения компонентов смеси необходимо вновь введение низкоскоростного периода формования и т.д. до тех пор, пока вязкость полимеризующейся смеси не будет достаточной для поддержания структуры слоя и формы изделия. Таким образом, чередование высоко- и низкоскоростных периодов позволяет оптимизировать процесс формования, сочетать в компромиссном решении факторы антагонистического характера, достигнуть требуемого качества формуемого изделия и обеспечить равномерность внутренней структуры формуемого слоя.

При формовании изделий из многокомпонентных полимерных композиций, имеющих разнородные наполнители в различных соотношениях в составе компаундов, процесс формования регулируется путем составления его из ряда повторяющихся периодов, различных по скорости вращения формы (частоте) продолжительности и количеству циклов высокоскоростных (разгонных) и низкоскоростных (формующих) фиг.5. С помощью электронного блока управления (не показан) осуществляют управление технологическим процессом задают и контролируют тепловой и скоростной режим в зависимости от состава полимерной смеси и габаритов формуемых изделий. По окончании процесса формования отключают электродвигатель 9, выключают обогревательную систему 4, открывают кожух 2 термокамеры 3, отводят пиноль 10 с центром 13, снимают форму 14 и извлекают изделие. Далее изделие при необходимости направляют на окончательную термическую обработку в печь.

Введение повторяющихся высокоскоростных (разгонных) периодов способствует равномерному растеканию полимерной смеси по всей внутренней поверхности формы, адгезии полимерной смеси к поверхности формы и эффективному удалению газовых включений из слоя полимерной композиции, а введение повторяющихся низкоскоростных (формующих) периодов способствует предотвращению ликвации (расслоения по плотности) компонентов под действием больших величин центробежных сил. Назначение определенных величин частоты вращения и продолжительности высокоскоростных (разгонных) и низкоскоростных (формующих) периодов, а также количества циклов и температурного режима зависит от состава полимерной смеси и габаритных размеров формуемых изделий прежде всего их диаметров и толщины формуемого слоя.

Качество получаемых изделий оценивается визуально по количеству раковин от газовых пузырьков (пор) на 1 см поверхности изделия и экспериментально по поверхностной твердости отвержденного полимера на примере формования металлополимерных втулок для подшипников скольжения с антифрикционным покрытием после чистовой проточки по внутренней полимерной поверхности табл.1 и 2 (параметры визуальной оценки пористости не приводятся).

Пример 1. Осуществляли изготовление металлополимерной втулки для подшипника скольжения с внутренним диаметром 40 мм, равным длине втулки, и внутренним покрытием толщиной 3 мм из эпоксидографитофторопластового компаунда со следующим соотношением его компонентов, мас.

эпоксидное связующее 40-80 политетрафторэтилен 12-48 графит и/или дисульфид молибдена 3-10 стекловолокно рубленое 0,2-4.

Параметры формования и твердость полученных покрытий приведены в табл. 1.

Как видно из приведенного примера выполнения технологических параметров процесса формования эпоксидографитофторпластовым компаундом внутреннего покрытия металлополимерной втулки с диаметром 40 мм, равным длине втулки, с толщиной слоя 3 мм оптимальными являются величины, скоростей вращения при высокоскоростном и низкоскоростном периодах 7000 об/мин и 2000 об/мин при продолжительности 5 сек. и 60 сек. соответственно и при числе циклов повторений равном восьми.

Пример 2.

Осуществление изготовления металлополимерных втулок с различными диаметрами, равными длинам втулок, с различными толщинами слоев внутренних покрытий из компаундов с приведенным в примере 1 составом. Параметры формования и твердости полученных покрытий приведены в табл. 2.

Из анализа приведенных примеров выполнения оптимальных технологических параметров процессов формования внутренних покрытий металлополимерных втулок с различными диаметрами, равными длинам втулок, с различными толщинами слоев покрытий компаундами с указанными выше составами, следует, что с изменением габаритов изделия диаметров и толщины формуемого слоя оптимальные параметры центробежного формования изменяются по-разному. С увеличением диаметра формы уменьшаются оптимальные частоты вращения и в высокоскоростных и в низкоскоростных периодах формования. При постоянно малой продолжительности высокоскоростных периодов формования, ограниченной эффектом ликвации компонентов полимерной смеси данных составов, увеличивается оптимальная продолжительность низкоскоростных периодов. Общее количество циклов, ограничиваемое временем полимеризации смеси, изменяется незначительно. С увеличением толщины формуемого слоя увеличивается оптимальная продолжительность низкоскоростных периодов формования при сокращении общего количества циклов чередования периодов, ограниченного временем полимеризации смеси.

Формула изобретения

1. Способ центробежного формования изделия из полимерной композиции, при котором загружат композицию в форму, нагревают ее до заданной температуры и осуществляют формование изделия при вращении формы в течение заданных периодов с низкой и высокой скоростями, отличающийся тем, что при формовании производят многократное чередование периодов вращения формы сначала с высокой, а затем с низкой скоростями.

2. Устройство для центробежного формования изделия из полимерной композиции, содержащее запираемую торцевыми крышками форму, установленные на станине опорные стойки, смонтированный в одной из них приводной вал для вращения формы и имеющие рабочие поверхности под торцевые крышки формы планшайбы, одна из которых связана с приводным валом, а другая снабжена средством для установки во второй опорной стойке, отличающееся тем, что рабочие поверхности планшайб выполнены ступенчатыми, вторая опорная стойка установлена на станине с возможностью осевого перемещения относительно первой опоры, а средство для установки второй планшайбы во второй опорной стойке выполнено в виде пиноли.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7