Прессовое оборудование. 
Оборудование и инструменты для изготовления изделий из полимерных композитов. 
Часть 2

Методы прессования

Первым методом промышленного производства изделий из пластмасс было прессование, а первым оборудованием — прессы.

Прессование — это воздействие на тот или иной материал давлением с целью придания ему требуемой формы. Характерной чертой этого процесса, в отличие, например, от ковки металла или его штамповки, являются относительно низкие рабочие скорости движения рабочего инструмента.

В зависимости от технологической задачи прессование может производиться при комнатной температуре (холодное прессование), при повышенной температуре (прессование с нагревом, или горячее прессование) и при нагреве с последующим охлаждением.

В промышленности переработки пластмасс холодное прессование применяется, например, при таблетировании пресс-материалов и в технологии изготовления деталей методом спекания; прессование с нагревом используется при производстве изделий из термореактивных материалов, а прессование с нагревом и последующим охлаждением при получении изделий из термопластов.

Процесс прессования начинается с перераспределения частиц материала и их более плотной упаковки. По мере увеличения давления прессования частицы начинают деформироваться. Наибольшая деформация частиц происходит в местах их контакта. Дальнейшее увеличение давления чаще всего приводит к разрушению первоначальных частиц. В зависимости от свойств перерабатываемого материала процесс разрушения протекает с преобладанием либо пластической деформации, либо хрупкого разрушения.

Изделия, полученные холодным прессованием, не имеют гладкой поверхности и блеска в отличие от изделий, прессованных в горячем состоянии. Даже применение высоких давлений, необходимых для компенсации отсутствия пластической деформации у материалов, не обеспечивает точного оформления сложных прессованных конструкций. Поэтому методом холодного прессования изготавливают изделия, для которых внешний вид не имеет большого значения.

При холодном прессовании прочность готового изделия в конечном итоге определяется давлением прессования и свойствами самого материала; при очень высоких давлениях прочность прессованного изделия приближается к прочности монолитного (компактного) изделия.

Прочность и плотность полимерных изделий, полученных прессованием с нагревом, зависят от свойств наполнителя и связующего. В данном случае давление используется лишь для обеспечения заполнения формующего инструмента (пресс-формы) высоковязким расплавом термореактивного материала. Прессование с нагревом при производстве изделий из реактопластов сопровождается необратимым химическим процессом сшивания макромолекул и переводом материала в неплавкое и нерастворимое состояние.

Прессование с нагревом и последующим охлаждением позволяет перевести термопластичный полимер в вязкотекучее состояние, под давлением заполнить им формующий инструмент, а затем, охлаждая пресс-форму, перевести полимер в твердое состояние. Сразу нужно оговориться, что переработка термопластов методом прессования экономически невыгодна и применяется достаточно редко.

Прессование реактопластов осуществляется тремя возможными методами:

• — прямое, или компрессионное;
• — литьевое, или трансферное;
• — профильное.

Кроме того, как отдельный метод можно выделить производство с помощью прессового оборудования различных листовых материалов.

Для прямого и литьевого прессования характерна циклическая повторяемость отдельных операций, необходимых для изготовления каждого последующего изделия. При этом должно соблюдаться постоянство технологических параметров, таких, как давление прессования, температура, скорость движения плит пресса, продолжительность каждой операции. Оба процесса имеют периодический характер и с их помощью производится только штучная продукция.

При профильном прессовании получаются изделия постоянного сечения: ленты, прутки, трубы, различные другие профили. Профильное прессование является непрерывным процессом. Длина изделий зависит от требований заказчика, условий их эксплуатации и транспортировки.

Прямое прессование начинается с загрузки материала в прессформу, которая после этого начинает смыкаться, в прессуемом материале постепенно нарастает давление (рис. 4.1). Полное смыкание прессформы происходит в момент окончательного оформления изделия. При переработке реактопластов форма всегда предварительно нагрета. При формовании большинства изделий нагрет предварительно и прессматериал (либо в установках ТВЧ предварительно нагреты таблетки, либо материал подается из шнекового пластикатора). При получении тонкостенных изделий небольшой массы пресс-порошок загружается в пресс-форму при температуре окружающего воздуха.

Рис. 4.1. Схема прямого прессования:

а — заполнение формы пресс-материалом; 6 — прессование; в — съем изделия; 1 — пуансон; 2 — пресс-материал; 3 — матрица;

4 — выталкиватель; 5 — изделие В зависимости от природы и свойств перерабатываемого материала возникает необходимость освободить оформляющую полость прессформы от выделяющихся из расплавленного материала паров и газов. С этой целью пресс-форма размыкается на небольшую высоту, достаточную для выхода газов, и снова смыкается. При прессовании быстроотверждающихся материалов пресс-форма находится в разомкнутом состоянии 3—5 с, а при медленно отверждающихся — до 10 с. Подобная операция называется подпрессовкой. Подпрессовки могут повторяться в течение цикла прессования несколько раз.

На рис. 4.2 приведены различные варианты прессования с подпрессовками и без них. Режим без подпрессовок (см. рис. 4.2, а) применяется при изготовлении небольших изделий с металлической арматурой или знаками. Подпрессовки без паузы см. (рис. 4.2, б) используются при прессовании больших изделий без арматуры и знаков. Вариант подпрессовки после паузы (см. рис. 4.2, в) чаще всего реализуется при производстве крупногабаритных изделий. Пауза перед подпрессовками обеспечивает прогрев материала, достаточный для возможно полного выделения паров и газов. Подпрессовка после паузы с выстоем в раскрытом состоянии (см. рис. 4.2, г) применяется для больших деталей с арматурой. Режим с подогревом материала в пресс-форме (см. рис. 4.2, д) реализуется для прессования материалов с низкой текучестью.

Литьевое прессование отличается от прямого тем, что перерабатываемый материал загружается в отдельную обогреваемую инжекционную камеру. Переведенный в вязкотекучее состояние материал под действием пуансона впрыскивается из инжекционной камеры через литниковые каналы в замкнутую пресс-форму. В процессе течения за счет выделения диссипативного тепла материал дополнительно прогревается. Отверждение материала происходит в оформляющей полости пресс-формы.

Рис. 4.2. Диаграммы различных режимов прямого прессования.

реактопластов:

а — без подпрессовок; б — подпрессовка без паузы; в — подпрессовка после паузы; г — подпрессовка после паузы с выстоем в раскрытом состоянии; д — режим подогрева материала в пресс-форме;

• 1 — ход на низком давлении; 2 — ход на высоком давлении;
• 3 — пауза перед под прессовкой; 4 — подпрессовка; 5 — выдержка под давлением; 6 — разъем пресса; h — высота раскрытия пресс-формы

при подпрессовке Способ литьевого прессования имеет две разновидности.

Особенности плунжерного литьевого прессования показаны на рис. 4.3. Этот метод чаще применяется на прессах нижнего давления или для привода поршня (плунжера) 3 используется гидроцилиндр выталкивания.

Вариант литьевого прессования на прессе с верхним гидроцилиндром (верхней загрузочной камерой) показан на рис. 4.4.

Так как при литьевом прессовании сомкнутая пресс-форма заполняется материалом с относительно небольшой скоростью, то давление в разных частях формы распределяется равномерно, что исключает деформирование или порчу знаков и арматуры. Этим способом можно получать сложные изделия с разной толщиной стенок, глубокими отверстиями и сложной и тонкой арматурой.

Рис. 4.3. Схема плунжерного литьевого прессования:

а — загрузка сырья в инжекционную камеру и смыкание формы; б — подача материала в оформляющую полость формы; в — размыкание формы и выталкивание изделия;

• 1 — пуансон; 2 — пресс-материал; 3 — поршень; 4 — матрица;
• 5 — оформляющая полость; 6 — литниковые каналы; 7 — литник; 8 — изделие

Рис. 4.4. Схема литьевого прессования с верхним гцдроцилицдром (слева от оси — до смыкания формы, справа — после смыкания):

I — пресс-материал; 2 — пуансон; 3 — литниковый канал; 4 — изделие При литьевом прессовании отпадает необходимость в подпрессовках, так как пары и газы выходят из расплавленного материала через специальные вентиляционные каналы.

При литьевом прессовании с горизонтальным разъемом формы на стандартных гидравлических прессах, предназначенных для переработки пластмасс, можно для литья использовать выталкивающий цилиндр. Но так как усилие этого цилиндра составляет всего лишь 10—20% от усилия главного цилиндра, то не удается полностью использовать энергетические возможности пресса. Попытки осуществить и смыкание формы, и впрыск от главного рабочего цилиндра пресса сталкиваются с необходимостью обеспечивать разъем формы минимум по трем плоскостям, что, во-первых, существенно удорожает формующий инструмент, а во-вторых, делает его неудобным в эксплуатации.

Непрерывное профильное прессование (поршневая экструзия) — метод получения изделий практически неограниченной длины путем продавливания материала через пресс-форму с открытыми входным и выходным отверстиями. Этим методом могут перерабатываться как термопластичные, так и термореактивные материалы, однако при переработке термопластов предпочтение в подавляющем большинстве случаев отдается шнековым экструдерам.

Профильное прессование производится, как правило, на специальных горизонтальных гидравлических прессах. Принципиальная схема непрерывного профильного прессования приведена на рис. 4.5.

Рис. 4.5. Схема непрерывного профильного прессования:

1 — инжекционный цилиндр; 2 — плунжер; 3 — мундштук; 4 — система обогрева; 5 — торпеда.

Прессование листовых материалов (слоистых пластиков, древесно-стружечных и древесно-волокнистых плит, сверхтолстых листов из термопластов и т. д.) осуществляется на специализированных этажных, короткотактных или ленточных прессах. Все эти прессы, как правило, снабжены рядом вспомогательных механизмов, обеспечивающих их бесперебойное питание и отбор готовой продукции. Подобные прессы не нуждаются в пресс-формах, последние заменяются в этажных и короткотактных прессах так называемыми пресс-листами, а в прессах ленточного типа — бесконечными металлическими лентами.

В связи с отсутствием пресс-форм нагрев материала происходит за счет тепла, подводимого непосредственно к рабочим плитам пресса (у этажных и короткотактных прессов) или к специальным нагревательным плитам (в прессах ленточного типа).