CC BY
34
УДК 678.027.7
О.В. Никифорова, А.Е. Шерышев, М.А. Шерышев
Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева, Москва, Россия
Российский государственный технологический университет им. К.Э. Циолковского (МАТИ), Москва,
Россия
ВЛИЯНИЕ ШЕРОХОВАТОСТИ ПОВЕРХНОСТЕЙ ФОРМООБРАЗУЮЩИХ ДЕТАЛЕЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ИНСТРУМЕНТА НА ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТЬ ПРОЦЕССА ТЕРМОФОРМОВАНИЯ
Process of forming articles with thin walls (thickness of half-finished articles at most 1 mm) using machines which provide production in the case of cycle time about 2 seconds was considered. The recourses of intensification of heat transfer while heated half-finished articles are in contact with cooled surface of the walls of the mould were analysed. Influence of surface of the walls roughness and molding pressure during articles cooling on cooling time of the articles were considered. The possibility to raise output of the equipment for 5-9% was shown.
Рассмотрен процесс формования изделий с тонкими стенками (толщина заготовки 1 мм и менее) на машинах, обеспечивающих производство при продолжительности цикла формования около 2 секунд. Анализируются возможность интенсификации теплопередачи при контакте нагретой заготовки с поверхностью охлаждаемой стенки формы. Рассмотрено влияние шероховатости поверхностей формы и давления формования на время охлаждения изделия. Показана возможность повышения производительности формующего оборудования на 5-9%.
В работе рассматривается процесс термоформования тонкостенных изделий (например, одноразовой посуды) из листового термопласта толщиной 0,8-1,2 мм. В настоящее время производство подобных изделий осуществляется на высокопроизводительных машинах, которые в течение одной минуты выполняют около 30 циклов формования при 18-гнездной форме. Нагрев заготовки на используемых для этих целей машинах происходит не на позиции формования, а потому не влияет на продолжительность цикла. Время цикла определяет время закрепления (прижатия) заготовки, время непосредственного формования, время охлаждения изделия, время раскрытия прижимного устройства и, наконец, время съема готового изделия.
Практически все составляющие времени цикла кроме времен формования и охлаждения изделия можно отнести к категории машинного времени.
Что касается возможностей сокращения машинного времени, то, во-первых, это находится вне компетенции производственников, эксплуатирующих формовочное оборудование, а, во-вторых, передовые машиностроительные фирмы такие как «Иллиг», «Кифель», «Грайнер ферпакунг» сделали уже все возможное для быстроходности узлов и механизмов, работа которых определяет продолжительность тех или иных вспомогательных операций.
Время формования при переработке полипропилена и ударопрочных сополимеров полистирола давно минимизировано и определяется только свойствами формуемых материалов. Увеличение скорости формования практически невозможно, учитывая способность к деформированию этих полимеров в пределах температур их высокоэластического состояния.
Таким образом, авторы работы считают, что основным резервом увеличения производительности формующего оборудования в данном случае является сокращение времени охлаждения готового изделия. Однако, ставя перед собой подобную цель, надо понимать, что простое понижение температуры хладагента, циркулирующего в каналах формующего инструмента, не даст положительного эффекта, так как наряду с сокращением времени охлаждения приведет к резкому снижению качества изделий за счет «замороженных» в нем остаточных напряжений.
Итак, рассмотрим процесс передачи тепла от формуемой заготовки к стенке формы. При этом примем ряд допущений.
1. Рассматривается плоская задача, то есть мы предполагаем, что стенки формы и заготовки являются плоскими. Это допущение можно считать вполне корректным, так как один из радиусов кривизны формы и будущего изделия (например, одноразового стаканчика) равен бесконечности, а второй - существенно больше толщины заготовки. Кроме того, периметр и высота стенки будущего изделия гораздо больше его толщины.
2. Считается, что после соприкосновения заготовки с формующим инструментом, заготовка и форма остаются неподвижными друг относительно друга. Это допущение принимается на том основании, что в момент касания заготовки и стенки формующего инструмента на поверхности заготовки образуется твердая тонкая корка, препятствующая дальнейшей вытяжке заготовки в месте контакта. Причем, чем тоньше заготовка, тем этот эффект проявляется наиболее ярко.
3. Предполагается, что температура стенки формующего инструмента до момента соприкосновения с ней формуемой заготовки одинакова как по толщине стенки формы, так и по всей ее поверхности.
4. Температуру воздуха, омывающего поверхность заготовки, не обращенную к формующему инструменту, будем считать равной температуре окружающей среды. Так как конструкция всех без исключения типов формующих машин, предназначенных для высокопроизводительного формования тонкостенных изделий, предусматривает нагрев и охлаждение заготовки на различных позициях, то температура нагревательного устройства не оказывает влияния на температуру воздуха, омывающего поверхность заготовки, не обращенную к формующему инструменту. Что же касается нагрева этого воздуха за счет конвективного тепла, исходящего от самой заготовки, то им вполне можно пренебречь, учитывая высокую скорость формования и малую массу заготовки.
5. Считается, что за время транспортировки заготовки с позиции нагрева на позицию формования, закрепления заготовки и ее формования температура низа заготовки остается равной температуре верха заготовки, естественно при условии двухстороннего нагрева заготовки, при котором обеспечивается равенство температур двух поверхностей заготовки.
6. Пренебрегаем (в связи с малой толщиной заготовки) перепадом температуры по толщине нагретой заготовки, имеющимся до момента касания заготовки со стенкой формы.
Если принять во внимание все изложенные выше допущения, то задача сведется к рассмотрению теплопередачи теплопроводностью плоской стенки в неподвижной среде. Стенка состоит из двух слоев, отличающихся друг от друга теплопроводностью ^ и толщиной стенки & .
Воспользуемся уравнением Фурье, которое определяет температуру в любой точке тела, через которое тепло передается теплопроводностью. Тогда, считая процесс теплопередачи установившимся и имея в виду одномерность температурного поля, воспользуемся граничными условиями:
при х = 0 ' = '1, при х = & ' = *2.
Затем подставляем значение полученного температурного градиента в уравнение теплопроводности и определяем количество передаваемого тепла Q:
б = £ ('1 - '2 ) FTo &
где х - координата по толщине заготовки и стенки формы; Л - коэффициент теплопро-
& (' - ) водности материала заготовки; 1 - толщина заготовки; 41 2 7 - разность температур
поверхностей заготовки; F - площадь поверхности контакта стенки формы и заготовки; т0
0 - время охлаждения заготовки. Так как в нашем случае рассматривается двухслойная стенка, то в итоге получаем
(
б
Т0 =■
Л Л2
Л
Р ('1 - 'з)
(1)
и
и
где 1 - температура листовой заготовки; 3 - температура жидкости, охлаждающей
формующий инструмент; 2 - расстояние от оформляющей поверхности стенки инструмента до каналов для циркуляции охлаждающей жидкости.
Последнее уравнение можно считать справедливым только в случае абсолютно плотного контакта формуемой заготовки с оформляющей поверхностью формы. Однако в действительности такой надежный контакт отсутствует из-за шероховатости как поверхности формы, так и поверхности заготовки (рис. 1).
Рис. 1. Схема контакта формуемой заготовки и формующего инструмента
В настоящей работе мы пренебрегли шероховатостью поверхности заготовки, так как ее исходная шероховатость, зависящая от качества обработки гладильных валков каландра, очень мала. Кроме того, сглаживанию неровностей на поверхности заготовки способствует ее нагрев до высокоэластичного состояния и вытяжка в процессе формования.
Что же касается поверхности формующего инструмента, то ее шероховатость зависит от технологии использованной механической обработки, в результате которой на поверхности инструмента неизбежно будут оставаться те или иные следы, мешающие плотному контакту оформляющей поверхности и заготовки. Поэтому для определения истинного значения 0 нужно ввести в уравнение (1) поправочный коэффициент К, который характеризовал бы микрогеометрические отклонения, определяющие шероховатость поверхности формы, и показал насколько площадь F приближена к идеальной:
(
б
+ &2 Л Л2
Л
КР (и1 - 'з) . (2)
Методика определения коэффициента К сводилась к следующему. Использовались специально изготовленные металлические пластины, воспроизводящие реальную поверхность формующего инструмента. При этом были соблюдены следующие два требования: пластины были изготовлены из тех же сталей, что и формующий инструмент; метод обработки поверхности пластин был аналогичен обработке поверхности формующего инструмента. Значение параметра шероховатости Ка поверхностей различных пластин варьировалось в пределах от 0,05 до 3,2 мкм. В качестве модели формуемой заготовки использовалась тонкая пленка из полиэтилентерефталата.
Пластина устанавливалась на ровную горизонтальную поверхность и с помощью микрошприца на нее подавалась строго определенное количество специально приготовленного красящего раствора. Поверх раствора укладывалась прозрачная пленка. Сверх нее - еще одна стальная пластина, поверхность которой, контактирующая с пленкой, имела
шероховатость Ra < . Верхняя пластина нагружалась на 15 секунд усилием, обеспечивающим необходимое в данном эксперименте давление на пленку (каждый из образцов
с определенным значением Ra испытывался при воздействии десяти значений давления от 0,07 до 0,5 МПа). Затем нагрузка снималась и убиралась верхняя пластина. Далее выполнялся цифровой фотоснимок образца. При этом соблюдался ряд условий, гарантирующих идентичность условий, в которых были получены фотоснимки всех образцов.
Каждый из полученных фотоснимков подвергался следующей процедуре. В программе PICASO 2 цветной снимок переводился в черно-белый с оттенками серого цвета. Далее в программе PAINT из каждого снимка вырезались от трех до пяти квадратов размером 100 х 100 пикселей. Файл с каждым из квадратов транслировался в программу DIS и в ней обрабатывался. Суть обработки сводилась к тому, что различался оттенок каждой из точек, составлявших квадрат (всего программа различает 256 оттенков), и подсчитывалось количество точек, каждого из оттенков. Полученные по нескольким квадратам данные усреднялись и строилась гистограмма, типичный вид которой представлен на рис.2. Очевидно, что полученные гистограммы являются графиками нормального распределения.
Рис. 2. Гистограмма плотности распределения условного коэффициента светоотражения
Следующим шагом обработки гистограмм являлся их перевод в безразмерные координаты по схеме, приведенной на рис. 3. В результате гистограмма, приведенная на рис. 2 преобразуется к виду, показанному на рис. 4.
Рис. 3. Схема перевода гистограммы к безразмерным величинам
Рис. 4. Пример гистограммы, отражающей реальную площадь контакта
При идеальном контакте заготовки с формой гистограмма, подобная изображенной на рис. 4, имела бы вид правильного прямоугольника со сторонами равными еди-
с = 1 с
нице и площадью под описывающей гистограмму прямой н . Площадь р под кривой, описывающей гистограмму, отражающую реальный контакт заготовки со стенками формы, определяется по упрощенной схеме приведенной на рис. 5.
Рис. 5 Схема к расчету площади р
( b - a )х 1
Sр — S1 + S2 — ■
2
- +
(1 - b )х 1
Тогда искомый коэффициент К Ср/Сн .
Далее, воспользовавшись уравнением (2), можно проанализировать изменение
т
времени охлаждения изделия 0 в зависимости от качества обработки оформляющих поверхностей формующего инструмента и давления формования. Что, в свою очередь, позволяет повысить производительность процесса формования на 5 - 9 %.
УДК 678
Осама аль Хело, В.С. Осипчик, Т.П. Кравченко
Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева, Москва, Россия
ПОЛУЧЕНИЕ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ НА ОСНОВЕ НАПОЛНЕННОГО ПОЛИПРОПИЛЕНА С УЛУЧШЕННЫМИ
ЭКСПЛУАТАЦИОННЫМИ ХАРАКТЕРИСТИКАМИ
This Article is devoted to research of influence of the filler (Calcium carbonate) on technological properties of PP - compositions. The necessity of introducing the additions was shown. For this purpose the effective complex modifier was developed, which application has allowed considerably to improve technological properties of compositions.
