Оборудование для термоформования листовых термопластичных материалов

Сущность методов термоформования и их классификация

Несмотря на то что переработка термопластичных листов и пленок в объемные изделия впервые в промышленных масштабах началась еще в конце XIX в. (первыми изделиями были лица кукол, отформованные из листового целлулоида), до сих пор отсутствует единый термин для обозначения самого процесса формования. Используются различные термины: «вторичное формование», «вакуумное формование», «термоформование» и др. Однако ни один из них полностью не отвечает сути процесса.

Термин «вторичное формование» говорит лишь о том, что в данном процессе в качестве сырья используется заранее оформленная из гранулированного или порошкообразного полимера листовая или пленочная заготовка. Но то же имеет место и в производстве изделий методом раздувного формования из экструдированных или отлитых под давлением заготовок.

Термин «вакуумное формование» отражает лишь одну из разновидностей формования и не учитывает возможности применения пневматической и механической вытяжки заготовок, а между тем современное технологическое оборудование, как правило, позволяет использовать все три способа вытяжки одновременно.

Термин «термоформование» может быть использован по отношению к большинству методов получения изделий из пластмасс, в которых непосредственно перед формованием изделия полимер нагревается до той или иной температуры.

В связи со сказанным в этой книге мы будем использовать именно термин «термоформование».

Метод термоформования объемных изделий из термопластичных листовых и пленочных заготовок в настоящее время занимает одно из ведущих мест в промышленности переработки пластических масс по объемам производимой продукции.

Преимуществами метода термоформования изделий из листов и пленок по сравнению с другими методами переработки пластмасс являются меньшая стоимость оборудования, возможность изготовления тонкостенных изделий, высокая степень автоматизации процесса, а также относительно низкая стоимость формующего инструмента.

Наряду с достоинствами метод термоформования листовых термопластов имеет и недостатки, к которым в первую очередь относятся значительная по сравнению с другими методами переработки разнотолщинность получаемых изделий и недостаточная стабильность размеров деталей, эксплуатируемых в условиях повышенных температур. Кроме того, листы и пленки всегда дороже гранулированного или порошкообразного сырья.

Появившись в конце девятнадцатого столетия, способ переработки листовых и пленочных термопластичных материалов термоформованием просуществовал практически в неизменном виде более века. Совершенствовались технология и оборудование, процесс механизировался и автоматизировался, но суть его оставалась неизменной.

Плоская заготовка из термопласта тем или иным способом нагревается до температуры, соответствующей высокоэластическому состоянию (при переработке аморфных термопластов), или до температуры начала плавления кристаллов (при переработке термопластов с различной степенью кристалличности). Затем нагретая заготовка подвижно или неподвижно закрепляется по контуру в зажимном устройстве и устанавливается над формующим инструментом. Оформление заготовки в изделие происходит под действием разности давлений над свободной поверхностью заготовки и в полости, образованной заготовкой и оформляющей поверхностью формующего инструмента. Перепад давления может быть создан различными способами: вакуумированием полости между оформляющей поверхностью формующего инструмента и заготовкой (вакуум-формование), созданием избыточного пневматического (пневмоформование) или гидравлического (гидроформование) давления на поверхность заготовки и, наконец, давлением на заготовку специальных механических пуансонов (механоформование).

При оформлении изделия происходят вытяжка термопласта и возникновение в нем напряжений, упругая составляющая которых после снятия давления формования стремится вернуть изделие к первоначальной плоской форме заготовки. Чтобы зафиксировать конфигурацию отформованного изделия, температуру термопласта опускают ниже точки стеклования (для аморфных термопластов) или ниже температуры начала плавления кристаллов (для кристаллических полимеров).

Такова традиционная схема термоформования, доминирующая, как уже было сказано, в течение многих лет.

Внутри этой общей схемы разработано множество вариантов, каждый из которых позволяет проще, экономичнее и качественнее изготовить то или иное конкретное изделие, полнее использовать возможности формующего оборудования. Все эти разновидности метода термоформования можно подразделить по следующим признакам:

— по способу нагрева заготовки;

• — по виду устройства для зажима заготовки;
• — по способу создания давления формования;
• — по виду формования;
• — по применяемому формующему инструменту;
• — по методу фиксирования формы изделия.

Нагрев заготовок — одна из наиболее длительных и ответственных операций в процессе термоформования листовых полимеров. Наиболее распространены четыре способа нагрева:

• — конвективный;
• — теплорадиационный;
• — контактный;
• — смешанный.

Конвективный нагрев дает наилучшие результаты с точки зрения равномерности нагрева. Самым распространенным теплоносителем в такого рода нагревателях является воздух.

Наиболее распространен теплорадиационный нагрев. В зависимости от толщины заготовок и желаемой производительности процесса нагрев может быть одноили двухсторонним, кроме того, процесс нагрева может осуществляться на одной или двух позициях. По сравнению с конвективным теплорадиационный нагрев дает менее равномерное температурное поле по поверхности заготовки, но снижает длительность цикла процесса формования.

Контактный нагрев для переработки листовых термопластов применяется относительно редко. Как и теплорадиационный, он может быть одноили двухсторонним.

Смешанный нагрев представляет собой сочетание конвективного и теплорадиационного и обладает преимуществами обоих, но конструктивное решение оборудования в этом случае усложняется.

При термоформовании применяются два вида устройств для зажима заготовок. Первый обеспечивает жесткое закрепление заготовок по их периметру. Второй позволяет заготовке в момент ее формования проскальзывать, вовлекая, таким образом, в процесс образования изделия объем материала, находившийся в начальный момент вне контура зажимного устройства.

В зависимости от конструктивного оформления процесса те и другие зажимные устройства могут выполняться подвижными или стационарными.

Способы создания давления формования листовой заготовки

могут быть различными. В зависимости от этого можно выделить следующие виды термоформования: вакуумное, пневматическое, гидравлическое, механическое, комбинированное.

При вакуумном формовании (вакуум-формовании) герметизируется полость под разогретой заготовкой и из этой полости откачивается воздух. Давление под заготовкой постепенно уменьшается, в то время как над заготовкой давление воздуха по-прежнему будет примерно ОД МПа. На термопласт воздействует усилие, равное площади заготовки, помноженной на разницу давлений над заготовкой и под ней (давление формования). Заготовка начинает втягиваться в полость, из которой откачан воздух, и если в этой полости расположить какую-либо форму, заготовка примет ее вид. По мере увеличения разрежения под заготовкой будет расти давление формования, однако это давление никогда не сможет превысить 0,1 МПа. Практически оно составляет 0,06—0,085 МПа.

Чтобы увеличить давление формования, можно герметизировать полость над заготовкой и подать в нее сжатый воздух, а нижнюю полость соединить с атмосферой. Как и в первом случае, заготовка примет вид формы, расположенной в нижней полости, однако давление формования при таком методе будет равно разности давления сжатого воздуха и атмосферного давления. На практике давление формования сжатым воздухом берется в пределах 0,15—1,0 МПа. В очень редких случаях используется давление воздуха до 2,5 МПа. Такой метод формования называют пневматическим (пневмоформованием).

Пневмоформование обладает следующими преимуществами перед вакуум-формованием: возможность переработки толстолистовых заготовок и получения крупногабаритных изделий; некоторое уменьшение времени цикла за счет ускорения процесса формообразования изделия; большая, чем при вакуум-формовании, точность размеров изделий и четкость контура.

Основным недостатком пневмоформования является значительное усложнение, а следовательно, и удорожание оборудования и невозможность визуального наблюдения за процессом оформления листовой заготовки в изделие.

Иногда вместо сжатого воздуха для формования используют жидкость, нагнетаемую под давлением в полость над листовой заготовкой (гидроформование). В этом случае жидкость часто является и теплоносителем, обогревающим заготовку. Как правило, при гидравлическом формовании во избежание прямого контакта жидкости с термопластом между заготовкой и рабочей жидкостью прокладывают эластичную мембрану. Гидравлическое формование используется очень редко, и стандартного оборудования для его реализации не выпускается.

В ряде случаев усилие, необходимое для оформления изделия, создается механически с помощью специального толкателя. Этот способ формования часто в литературе называется штамповкой, однако такое название, заимствованное скорее всего из металлообрабатывающей промышленности, не раскрывает всех возможностей механического формования листовых полимеров, так как этим способом могут быть осуществлены следующие виды формования:

• — вытяжка на пуансоне (или протяжка);
• — гибка;
• — механическое формование инструментом с сопряженными матрицей и пуансоном;
• — механическое формование эластичным пуансоном;
• — механическое объемное формование.

В производственных процессах значительное распространение получили различные комбинации вакуумного, пневматического и механического формования. Так, разработана и широко используется механопневматическая технология. Во многих процессах сочетается применение пневматики с вакуумом. Нередки примеры механовакуумного формования.

Вне зависимости от способа создания формующего перепада давления формование листовых материалов подразделяют на негативное, позитивное, свободное и негативно-позитивное.

Негативное формование (формование в матрице) обеспечивает получение изделий, наружная поверхность которых воспроизводит форму и тиснение внутренней поверхности матрицы. При позитивном формовании (формование на пуансоне) внутренняя поверхность формуемого изделия повторяет форму и тиснение внешней поверхности пуансона. Свободное формование происходит без соприкосновения материала заготовки с формующим инструментом. Негативно-позитивное формование сочетает элементы формования как в матрице, так и на пуансоне. Возможны варианты сочетания свободного формования с негативным или позитивным.

Как уже упоминалось при описании принципиальной схемы процесса термоформования, фиксирование формы изделия после окончания его оформления производится за счет охлаждения изделия.

Рассмотрим подробнее основные методы термоформования, переходя от самых простых к более сложным вариантам.

Свободное формование происходит без соприкосновения материала заготовки с формующим инструментом. Чаще всего последний просто отсутствует. Его заменяет специальная рама (пройма), которая наряду с величиной перепада давления и определяет конфигурацию будущего изделия. При свободном формовании заготовка закрепляется в пройме (рис. 5.1), установленной над вакуумной или пневматической камерой, нагревается и затем формуется, не касаясь, однако, стенок камеры. При этом деформация заготовки продолжается до тех пор, пока не наступит равновесие между действующим на лист усилием формования и напряжением, возникающим при этом в самом термопласте. Если равновесного напряженного состояния не наступает, то деформация заготовки будет продолжаться вплоть до разрыва формуемого листа. Обычно при свободном формовании применяются круглые, овальные и прямоугольные проймы.

Рис. 5.7. Схема свободного формования:

а — до начала формования; б — отформованное изделие Для регулирования глубины вытяжки используют два метода. Первый метод основан на установке фотоэлементов, настраиваемых на определенную глубину вытяжки материала и управляющих клапаном, прекращающим подачу сжатого воздуха или дальнейшее создание разрежения. При втором методе формуемая заготовка по достижении определенной глубины вытяжки нажимает на рычаг или скобу, обеспечивающие закрытие воздушного или вакуумного клапана. При использовании второго метода надо иметь в виду, что усилие, необходимое для поворота рычага или скобы, должно быть минимальным. Усилие поворота, отнесенное к поверхности контакта формуемого изделия с рычагом или скобой, не должно превышать 10% от давления формования. В противном случае поверхность изделия может быть повреждена.

Методом свободного формования можно получать изделия с плоским и частично плоским днищем. Для этого на некотором расстоянии от проймы на пути формуемого изделия устанавливают опорную площадку, создающую преграду заготовке на определенной высоте. Эта разновидность метода формования носит название «свободное формование с ограничителем» (рис. 5.2). Формально такой способ формования нельзя назвать свободным, так как материал входит в контакт с опорной площадкой, однако в литературе его обычно относят именно к этому методу.

Рис. 5.2. Схема свободного формования с ограничителем:

а — до начала формования; б — отформованное изделие Недостатки метода свободного формования — ограниченные возможности выбора конфигурации изделия, высокие требования к равномерности нагрева термопласта и к толщине исходной заготовки. Несоблюдение этих требований приводит к неравномерной вытяжке и, следовательно, к неправильной форме готового изделия. Метод свободного формования применяют, как правило, для производства изделий с хорошими оптическими свойствами. Высокие оптические свойства изделий объясняются тем, что нагретая заготовка не входит в контакт с холодным формующим инструментом. Ведь в случае такого контакта вследствие плохой теплопроводности полимера возникает большой перепад температур по толщине заготовки, что приводит, в свою очередь, к образованию в слое, коснувшемся холодного инструмента, значительных остаточных напряжений. Эти напряжения способствуют образованию сетки микроскопических трещин, снижающих оптические свойства материала.

Негативное формование (формование в матрице) обеспечивает получение изделий, наружная поверхность которых точно воспроизводит форму и тиснение внутренней поверхности матрицы. Этот метод имеет большое распространение. Над матрицей устанавливается заготовка, предварительно нагретая до высокоэластического состояния (рис. 5.3, а). На первой стадии негативного формования (рис. 5.3, б) из матрицы откачивается воздух, создается разность давлений над листом термопласта и под ним, и заготовка начинает деформироваться. Она прогибается и принимает форму, требующую наименьших энергетических затрат.

Рис. 5.3. Схема негативного формования:

а — до начала формования; б — стадия свободного формования; в — оформление верхней части стенок изделия; г — оформление нижней части стенок изделия и его дна; д — отформованное изделие Для матриц с круглым поперечным сечением заготовка имеет вид поверхности шарового сегмента, для матрицы с эллипсным сечением — вид поверхности сегмента эллипсоида вращения, для матрицы с прямоугольным сечением — вид поверхности, образованной пересечением элементов кругового и эллиптического цилиндров, и т. д.

Такого рода деформация заготовки будет происходить до тех пор, пока термопласт прикасается только к верхней кромке матрицы. Эту стадию называют стадией свободного формования. Характерно, что температура термопласта остается в это время практически постоянной. Понятно, что площадь поверхности заготовки в конце свободной стадии формования больше, чем начальная площадь поверхности заготовки. Объем термопласта в конце формования остается неизменным. Из этого следует, что толщина заготовки в конце периода свободного формования меньше толщины исходного листа. Как показывает опыт, толщина в разных точках заготовки по окончании периода свободного формования неодинакова.

За стадией свободного формования следует стадия формования на инструменте. Эта стадия характерна тем, что часть формуемой заготовки входит в контакт с рабочими поверхностями матрицы, а часть ее по-прежнему формуется свободно. Так как температура формы поддерживается достаточно низкой, то температура формуемого термопласта на этой стадии понижается, и форма изделия фиксируется. Стадия формования на инструменте может быть, в свою очередь, разбита на две части: оформление боковых стенок и оформление днища. При формовании глубоких изделий сначала оформляются боковые стенки, а затем днище, при формовании мелких — наоборот. На рис. 5.3, в показано оформление стенок у глубокого изделия. При этом объем материала заготовки расходуется на оформление боковых стенок и образование новых поверхностей, свободных от соприкосновения с оформляющим инструментом. Площадь свободных поверхностей в процессе формования стенок может оставаться постоянной, если боковые стенки матрицы параллельны одна другой; может уменьшаться, если боковые стенки сходятся, и может увеличиваться, если боковые стенки матрицы книзу расходятся. Однако толщина оболочки, образованной свободной поверхностью, постоянно уменьшается. Это связано с тем, что из-за резкого охлаждения поверхности заготовки, соприкасающейся с оформляющим инструментом, на этой поверхности образуется тонкая прочная пленка охлажденного термопласта. Эта пленка значительно снижает способность термопласта к деформированию, и образование нового участка боковой стенки идет почти полностью за счет объема материала, еще не коснувшегося оформляющего инструмента. Последнее обстоятельство приводит к постоянному уменьшению толщины оболочки, подвергающейся свободному формованию и, следовательно, к утонению стенки изделия от горловины к днищу.

В тот момент, когда часть формуемой заготовки соприкасается с дном матрицы, начинается стадия оформления днища изделия (рис. 5.3, г). Как и при соприкосновении со стенками матрицы, на термопласте, контактирующим с ее дном, образуется корка охлажденного материала, препятствующая его дальнейшей вытяжке. Вытяжка по-прежнему идет на участках заготовки, не коснувшихся поверхности матрицы. Объем материала, находящегося на этих участках, уменьшается, уменьшается их толщина, утончаются стенки изделия. Наиболее тонкими они получаются в углах между стенками и днищем изделия. На рис. 5.3, д показано отформованное изделие во время его охлаждения в матрице. Аналогичное явление наблюдается и при получении изделий малой глубины. При оформлении деталей сложной конфигурации значительное утоныиение наблюдается также в местах резких переходов поверхностей, образующих данные изделия.

Таким образом, недостатком негативного метода формования является значительная разнотолщинность изделия при глубокой вытяжке, особенно в углах и в местах переходов (при малой глубине изделия разнотолщинность не столь значительна).

Позитивное формование (формование на пуансоне) обеспечивает получение изделий, внутренняя поверхность которых точно воспроизводит форму и тиснение наружной поверхности пуансона. При формовании этим методом (рис. 5.4) разогретый лист соприкасается в первую очередь с верхним торцом пуансона, на котором образуется днище будущего изделия. Это и обусловливает то, что при позитивном формовании наибольшая толщина изделия — на его днище. Дальнейшее изменение формы заготовки происходит за счет вытяжки материала, образующего боковые стенки изделия. Это приводит к тому, что наиболее тонкой получается горловина изделия.

Рис. 5.4. Схема позитивного формования:

а — до начала формования; б — отформованное изделие Применение позитивного метода формования ограничивается большими отходами материала (на образование стенки вдоль формовочной камеры). Кроме того, можно формовать только листы материала, дающие при нагреве малый прогиб под действием собственного веса. В противном случае лист прилипает к верхней части пуансона и при формовании изделие получается с еще большей разнотолщинностью. Для устранения этого недостатка при формовании листов, дающих большой прогиб при нагреве, можно применять подвижную прижимную раму. Лист, поднятый на некоторое расстояние от формы, нагревается, а затем вручную или механически опускается к форме. Как и негативным методом, позитивным формованием можно получать изделия небольшой глубины и без острых углов.

Каждый из рассмотренных методов переработки листовых и пленочных материалов в объемные изделия (свободное, негативное и позитивное формование) имеет особенности, не позволяющие производить изделия сложной конфигурации или глубокой вытяжки. В связи с этим разработаны методы, сочетающие в себе методы негативного, позитивного и свободного формования, а также применение специальных технологических приемов (предварительной механической или пневматической вытяжки, использование воздушной подушки, аэродинамического эффекта и т. п.).

Негативное формование с предварительной пневматической вытяжкой (сочетание негативного и свободного формования) показано на рис. 5.5.

Рис. 5.5. Схема негативного формования с предварительной пневматической вытяжкой:

а — до начала формования; б — стадия предварительной пневматической вытяжки; в — отформованное изделие; Р — давление сжатого воздуха Под листом термопласта, закрепленным в зажимном устройстве и разогретым до высокоэластического состояния, с помощью сжатого воздуха создается избыточное давление. Лист деформируется, как в процессе свободного формования, при этом его толщина равномерно уменьшается. После достижения листом необходимой степени вытяжки подача сжатого воздуха в матрицу прекращается и создается формующий перепад давлений, обеспечивающий вхождение раздутой заготовки внутрь матрицы и плотное прижатие термопласта к рабочим поверхностям формы. Предварительная пневматическая вытяжка обеспечивает меньшую разнотолщинность изделий и позволяет получать изделия более глубокие, чем при простом негативном формовании. По сравнению с предварительной механической вытяжкой при негативном формовании пневмовытяжка экономичнее, так как не требует специальных механизмов, обеспечивающих движение пуансона.

Следует заметить, что негативное формование с предварительной пневматической вытяжкой нельзя применять, если глубина изделия в разных местах значительно различается, так как в этом случае в местах с наименьшей глубиной могут образоваться складки материала.

Величину предварительной пневматической вытяжки подбирают для каждого вида изделия экспериментально с таким расчетом, чтобы на изделии не появлялись складки от «излишков» материала.

При определенной конфигурации изделия (например, с большим отношением его глубины к условному диаметру) придания заготовке полусферической формы в момент пневматической вытяжки недостаточно. Лучшие результаты дает предварительная вытяжка «пузыря» продолговатой формы. Для этого над зажимной рамой устанавливают специальный цилиндр. Во избежание контакта пузыря с внутренними стенками цилиндра и, следовательно, залипания и появления разнотолщинности стенки цилиндра перфорированы и через отверстия подается под небольшим давлением теплый воздух, который препятствует контакту термопласта со стенками.

Негативное формование с предварительной механической вытяжкой (рис. 5.6) заключается в том, что закрепленный над матрицей лист термопласта вдавливается в нее толкателем. Толкатель, опускаясь, придает листу форму, приблизительно соответствующую форме матрицы, и производит предварительную механическую вытяжку листа. Как только толкатель приходит в нижнее положение, в матрице производится пневматическое (вакуумное) формование — лист прижимается к внутренней поверхности матрицы, воспроизводя рисунок формы.

При механической вытяжке утончаются боковые стенки формуемой заготовки, а толщина дна почти не изменяется. При пневмовакуумном формовании больше всего вытягиваются дно изделия и прилегающие к дну углы. Каждая из этих операций в отдельности дает изделие с неравномерной толщиной стенок. При правильном сочетании этих двух операций в одном методе эта неравномерность компенсируется.

Преимуществом негативного формования с предварительной механической вытяжкой является возможность получения более глубоких изделий с равномерной толщиной стенок, чем при чисто негативном формовании. К недостаткам процесса следует отнести усложнение оборудования и увеличение числа технологических параметров, которые нужно контролировать в ходе процесса.

Рис. 5.6. Схема негативного формования с предварительной механической вытяжкой:

а — до начала формования; б — стадия предварительной механической вытяжки; в — отформованное изделие; F — усилие пуансона Предварительная механическая вытяжка может осуществляться при негативном формовании не только жестким, но и эластичным пуансоном, изготавливаемым, как правило, из резины. При предварительной вытяжке эластичным пуансоном разнотолщинность изделия меньше, чем при работе с жестким толкателем. Это объясняется тем, что при соприкосновении заготовки с резиной не происходит резкого охлаждения термопласта и он продолжает деформироваться, как бы обтекая пуансон.

Негативное формование с предварительной пневматической и механической вытяжкой показано на рис. 5.7. Зажатый в прижимной раме лист нагревается и затем под действием подаваемого в матрицу сжатого воздуха раздувается в пузырь. Избыточный воздух выходит через стык листа и матрицы. Сверху в пузырь опускается пуансон, придающий заготовке форму, близкую к форме готового изделия. Затем в матрице создают формующий перепад давления, и лист плотно прилегает к ее поверхности.

Рис. 5.7. Схема негативного формования с предварительной пневматической и механической вытяжкой:

а — до начала формования; б — стадия предварительной пневматической вытяжки; в — стадия предварительной механической вытяжки; г — отформованное изделие; F — усилие пуансона; р — давление сжатого воздуха При рассматриваемом способе формования изделие получается почти равнотолщинным. Однако для таких термопластов, как полиэтилен и поливинилхлорид, этот способ следует несколько видоизменить, так как перечисленные материалы могут прилипать к оформляющему инструменту. Нагрев и раздув вверх заготовок из этих материалов производятся так же, как и при описанном выше способе. Но вдавливаемый в пузырь термопласта толкатель в данном случае снабжен отверстиями, через которые подается горячий воздух. Таким образом, лист находится между двумя воздушными подушками (со стороны матрицы и со стороны толкателя). Затем подачу воздуха в матрицу и толкатель прекращают, создают формующий перепад давлений и окончательно оформляют изделие.

Такая разновидность формования называется негативным формованием с предварительной механической вытяжкой с применением воздушной подушки (рис. 5.8).

Рис. 5.8. Схема негативного формования с предварительной механической вытяжкой с применением воздушной подушки:

а — до начала формования; б — создание воздушной подушки; в — стадия предварительной механической вытяжки; г — отформованное изделие;

F — усилие пуансона; р — давление сжатого воздуха.

Позитивное формование с предварительной механической вытяжкой. При этом методе лист термопласта зажимается в раме над расположенным под ней пуансоном и нагревается (рис. 5.9). По достижении температуры формования пуансон поднимается и разогретый лист плотно его обтягивает. Затем создается перепад давления, благодаря которому заготовка еще плотнее обжимает пуансон, точно воспроизводя его форму. При таком методе формования самым толстым получается дно изделия. Боковые стенки получают более или менее равномерную вытяжку.

Наиболее пригодны для такого метода переработки листы из органического стекла, ударопрочного полистирола, АБС-пластика, наименее — листы из полиэтилена. Это связано с тем, что полиэтилен прилипает к верхней торцовой части пуансона.

К преимуществам позитивного формования с предварительной механической вытяжкой следует отнести возможность получения более глубоких по сравнению с простым позитивным формованием изделий и сокращение количества отходов, к недостаткам — ограниченность номенклатуры перерабатываемых материалов и недостаточную равнотолщинность изделий.

Рис. 5.9. Схема позитивного формования с предварительной механической вытяжкой:

а — до начала формования; б — отформованное изделие; F — усилие пуансона.

Позитивное формование с предварительной механической вытяжкой иногда сочетают с использованием аэродинамического эффекта (рис. 5.10), который основан на том, что при подъеме пуансона в пространстве между ним и заготовкой пропускается подогретый воздух. Это делается для того, чтобы исключить преждевременный контакт нагретой заготовки с холодными стенками формы. Изменением скорости потока воздуха, его направления и температуры можно управлять равнотолщинностью изделий. Кроме того, такой метод формования позволяет получать изделия весьма сложной конфигурации.

Рис. 5.10. Схема позитивного формования с предварительной механической вытяжкой с использованием аэродинамического эффекта.

Позитивное формование с предварительной пневматической вытяжкой (сочетание позитивного и свободного методов формования) показано на рис. 5.11.

Рис. 5.11. Схема позитивного формования с предварительной пневматической вытяжкой:

а — до начала формования; б — стадия предварительной пневматической вытяжки; в — отформованное изделие; р — давление сжатого воздуха Иногда этот метод реализуют с поднятием пуансона и происходит позитивное формование с предварительной пневматической и механической вытяжкой (рис. 5.12). В этом случае после пневматической вытяжки листа на достаточную глубину в камеру вводится пуансон.

Рис. 5.12. Схема позитивного формования с предварительной пневматической и механической вытяжкой:

а — до начала формования; б — стадия предварительной пневматической вытяжки; в — стадия предварительной механической вытяжки; г — отформованное изделие; F — усилие пуансона; р — давление сжатого воздуха Перепад давления, обеспечивающий предварительную вытяжку листа, снимается, и не успевшая еще охладиться заготовка действием внутренних упругих сил стремится вернуться в первоначальное положение, однако при соприкосновении с холодным пуансоном облегает его и застывает, образуя изделие заданной формы. Для лучшего облегания заготовкой пуансона термопласт поджимается к нему или сжатым воздухом, подаваемым в камеру, или за счет разрежения, создаваемого в каналах пуансона.

Часто конфигурация формуемого изделия бывает такой, что форма для его изготовления сочетает в себе элементы матрицы с элементами пуансона. Такой метод формования называется негативно-позитивным формованием. Так как формование по этому методу происходит путем сочетания элементов позитивного и негативного формования, то и характер разнотолщинности имеет признаки, типичные для этих методов. При наличии сильно выступающих позитивных элементов на форме рекомендуется предусмотреть подогрев. Наиболее типичным изделием, изготавливаемым этим методом формования, является внутренняя панель дверей бытовых холодильников.

При негативно-позитивном формовании, как и при других способах формования, может быть применен тот или иной вид предварительной вытяжки. На рис. 5.13 в качестве примера дана схема негативнопозитивного формования с предварительной механической вытяжкой в негативной части формующего инструмента.

Формование с проскальзыванием в зажимной раме (рис. 5.14) может быть использовано при негативном, позитивном или комплексном методах формования. Оно позволяет получать изделия с более толстыми стенками, чем при формовании другими методами. Это связано с тем, что при формовании с плотным прижатием заготовки в зажимной раме вытяжка изделия ведется в основном лишь за счет материала, расположенного непосредственно над (или под) оформляющим инструментом.

Рис. 5.13. Схема негативно-позитивного формования:

F — усилие пуансона.

Рис. 5.14. Схема формования с проскальзыванием в зажимной раме:

а — до начала формования; б — формование с проскальзыванием в зажимной раме; F — усилие пуансона При формовании с проскальзыванием листа в зажимной раме для образования стенок изделия используется также материал, находящийся в зажимном устройстве. Такое формование наиболее широко применяют при изготовлении мелкой тары из рулонного материала. Чтобы обеспечить проскальзывание материала в зажимах, последние изготавливают обычно в виде валков, свободно вращающихся на своих осях.

На рис. 5.14 показана схема позитивного формования с предварительной механической вытяжкой и проскальзыванием заготовки в зажимной раме. Проскальзывание заготовки в зависимости от технологической необходимости может происходить в течение всего процесса формообразования готового изделия. В этом случае прижимная рама регулируется на определенное постоянное усилие, а количество материала, увлекаемое в зону формования по периметру прижимной рамы, будет пропорционально напряжениям, возникающим в заготовке в тот или иной момент ее формования. В других случаях проскальзывание заготовки может быть использовано в технологическом процессе лишь в определенные моменты формообразования изделия. Для этого конструкция прижимной рамы может предусматривать скачкообразное изменение усилия зажима заготовки. Кроме того, существуют установки, усилие зажима в которых может изменяться в течение всего процесса по определенной программе, обеспечивающей получение изделий с минимальной разнотолщинностью.

Значительное распространение в промышленности получило пневматическое формование в сочетании с различными видами механической вытяжки (механоттевмоформование).

В этом процессе на одной позиции формующего оборудования осуществляются формование изделия, его вырубка, пробивка отверстий, отгиб канта и т. д. Этот способ является производительным и экономичным, так как позволяет получать довольно сложные изделия за один цикл.

Для механопневмоформования разработаны универсальные пневмокамеры. В них можно изготавливать самые сложные изделия, создавая давление воздуха сначала в одной, а затем в другой части, используя протяжку, элементы механического формования жестким или эластичным пуансоном, свободное формование и вырубку.

Возможности механопневмоформования в универсальной камере видны из рис. 5.15. На рис. 5.15, а показано получение конического изделия с помощью протяжки без использования пневматики. Если при этом создать небольшое давление сжатого воздуха в нижней камере, то у изделия будет получена не коническая, а вогнутая боковая поверхность.

Рис. 5.15. Схемы механопневмоформования в универсальной камере:

а — получение конического изделия за счет протяжки пуансоном;

6 — формование изделия с глубокой вытяжкой; в — свободное формование; г — негативно-позитивное формование с применением предварительной механопневматической вытяжки и разъемной формы; д — позитивное формование с предварительной механической вытяжкой На рис. 5.15, б показана схема формования в универсальной камере изделия с глубокой вытяжкой. Сначала используется предварительная пневматическая вытяжка (раздув сферы вверх), затем механическая вытяжка пуансоном и, наконец, формование изделия за счет создания давления воздуха в нижней камере.

Механопневматическая технология дает возможность осуществить свободное формование (рис. 5.15, в) и негативно-позитивное формование изделий особо сложной конфигурации с применением предварительной механопневматической вытяжки и использованием разъемной формы (рис. 5.15, г).

Вначале производится пневмовытяжка материала — заготовка свободно выдувается вверх, затем начинается вытяжка пуансоном, имеющим специальные отверстия для впуска сжатого воздуха. Пуансон опускает заготовку в матрицу, оформляет дно изделия и одновременно своей боковой поверхностью уплотняет заготовку в конической части разъемной матрицы. При поступлении сжатого воздуха через отверстия в пуансоне оформляется нижняя часть изделия, а для окончательного оформления верхней его части пневматическое давление создается в верхней камере. После охлаждения изделие вынимают из нижней камеры вместе с матрицей, после чего производится разъем последней.

На рис. 5.15, д показано использование универсальной камеры для позитивного формования с предварительной механической вытяжкой.

Формование в разъемной форме (рис. 5.16) мало отличается от негативного, однако оно позволяет получать изделия с поднутрениями. Из обычной формы извлечь такие изделия невозможно. Для получения равнотолщинных изделий при формовании в разъемной форме можно применять предварительную вытяжку (см. рис. 5.15, г). Стык полуформ должен быть тщательно подогнан, в противном случае на изделии останутся следы стыка.

Рис. 5.16. Схема формования в разъемной форме:

а — отформованное изделие; б — съем отформованного изделия Двухстороннее формование позволяет изготавливать из листовых материалов изделия закрытой формы. Между двумя негативными или негативно-позитивными формами закладывают два предварительно разогретых листа термопласта. Формы смыкаются с усилием, обеспечивающим удержание листа и сварку по контуру формуемых заготовок. Разность давлений, необходимая для оформления изделия, создается или сжатым воздухом через штуцер, расположенный между заготовками (рис. 5.17), или с помощью разрежения в матрицах. Для оформления изделий с горловинами применяется сжатый воздух. Одновременно листы заготовки обжимаются матрицами вокруг штуцера, что дает достаточное уплотнение и может быть использовано для формования резьб. После формования и охлаждения изделия из него удаляют штуцер, разводят матрицы и извлекают сваренное раздутое изделие. Таким образом можно изготавливать различные баки и канистры, горловины которых оформляются специальными штуцерами с отверстиями для впуска и выпуска воздуха; форма штуцера в этом случае должна отвечать форме горловины. С помощью вакуума можно оформить изделие с замкнутой внутренней полостью, например поплавок.

Рис. 5.17. Схема двухстороннего формования:

а — разомкнутая форма; б — сомкнутые полуформы до начала формования; в — отформованное изделие; F — усилие смыкания полуформ В случаях, когда не предусмотрена переналадка зажимного устройства при формовании мелких, несложных по конфигурации изделий, целесообразно воспользоваться методом формования с упругой мембраной (рис. 5.18). Зажимать заготовки такой мембраной можно при вакуумном формовании небольших серий изделий, так как резина из-за низкой теплостойкости быстро стареет и теряет эластичность (стремятся к тому, чтобы мембрана выдерживала не менее 50 циклов формования).

Рис. 5.18. Схема формования с упругой мембраной:

а — до начала формования; б — деформация мембраны и формование изделия; в — выпрямление мембраны после снятия давления формования;

1 — заготовка; 2 — мембрана; 3 — формовочная камера; 4 — матрица Форму, имеющую значительно меньшие размеры, чем зажимное устройство, устанавливают в формовочной камере так, чтобы верхняя плоскость матрицы была несколько выше плоскости разъема прижимной рамы. Затем на форму укладывают заготовку 1 и нагревают. Нагретая заготовка быстро прижимается спускающейся вместе с прижимной рамой резиновой мембраной 2. Так как заготовка расположена выше уровня разъема прижимной рамы, то мембрана натягивается, плотно закрепляя лист термопласта. Далее полость матрицы соединяют с вакуумной линией и начинается процесс формования, при котором мембрана деформируется совместно с заготовкой.

Еще одним преимуществом метода зажима заготовки мембраной является возможность формования изделия из перфорированной заготовки. Мембрану накладывают на нагретую заготовку и вместе с ней зажимают в прижимной раме. Мембрана герметизирует отверстия в заготовке и после создания формующего перепада давления формуется вместе с термопластом. После охлаждения давление формования снимают, упругая мембрана принимает исходную плоскую форму, изделие освобождают из рамы, а на его место закладывают новую заготовку. Такой метод формования иногда называют также формованием с помощью эластичной диафрагмы. Наиболее успешно он применяется при негативном, позитивном и свободном формовании. Основной недостаток формования этим методом — образование складок на изделиях сложного и глубокого профиля.

Эластичная мембрана широко применяется при гидроформовании изделий, причем в некоторых случаях жидкость, заключенная в эластичную мембрану, выполняет лишь роль водяной подушки (работает аналогично эластичному пуансону при механическом формовании), а усилие создается за счет того или иного привода. Имеются две разновидности этого метода формования: формование гидравлическим пуансоном постоянного объема (рис. 5.19) и формование гидравлическим пуансоном переменного объема (рис. 5.20). При применении эластичного пуансона переменного объема можно использовать для заполнения пуансона не жидкость, а сжатый воздух.

Рис. 5.19. Схема формования гидравлическим пуансоном постоянного.

объема:

а — до начала формования; б — формование изделия; в — подъем пуансона;

F — усилие пуансона Формование листовых термопластов возможно и без специального формующего устройства. Этот способ нашел широкое применение при изготовлении герметичной упаковки изделий, которые при обтяжке их листом или пленкой термопласта сами играют роль формы.

На рис. 5.21 показана схема упаковки авторучки. Лист термопласта нагревается и под действием перепада давлений обтягивает авторучку, служащую в этом случае оформляющим инструментом. Под авторучку подложена подкладка из листа однородного термопласта. Одновременно с формованием может быть осуществлена сварка упаковки с подложкой. Такое формование называется формованием с применением прототипа.

Рис. 5.20. Схема формования гидравлическим (пневматическим) пуансоном переменного объема:

а — до начала формования; б — подача жидкости (воздуха) под давлением и формование изделия; в — подъем пуансона и съем изделия; F — усилие смыкания формующего инструмента.

Рис. 5.21. Схема формования с применением прототипа:

а — до начала формования; б — отформованное изделие; F — усилие подъема плиты с прототипом Метод, аналогичный описанному выше, используется для получения полимерных покрытий на дереве, металле и т. п. (рис. 5.22). Лист нагревают, покрываемую деталь (основу) механическим способом вдавливают в лист, а затем создают оформляющее давление и проводят формовку. В большинстве случаев при этом используют позитивное формование с предварительной механической вытяжкой. Для лучшего прилипания пластика к основе его поверхность перед формованием покрывают клеем (адгезивом). Этот метод называется формованием с применением несущих основ.

Рис. 5.22. Схема формования с применением несущих основ (с нанесением пленочного покрытия):

а — до начала формования; б — отформованное изделие; F — усилие пуансона Разновидностью формования с прототипом является упаковка штучных товаров в термоусадочную пленку (рис. 5.23). Предмет 1, подлежащий упаковке, заворачивают в пленку 2 или закладывают в рукав из усаживающейся пленки. Полученный пакет на поддоне 3 помещают в термошкаф 4, в котором пленка нагревается. Вследствие усадки пленка плотно облегает упаковываемый предмет. Для удаления из-под пленки воздуха в ней иногда делают проколы.

Рис. 5.23. Схема упаковки в термоусадочную пленку:

а — до начала формования; б — упакованное изделие Теперь рассмотрим основные методы механического формования.

Механическое формование может осуществляться формующим инструментом с сопряженными размерами пуансона и матрицы.

Схема такого процесса приведена на рис. 5.24. На нижнюю часть формы (матрицу) кладется разогретая заготовка. Пуансон опускается, обжимает ее и придает форму готового изделия. Для выпуска воздуха в матрице и пуансоне предусмотрены отверстия.

При механическом формовании может применяться также и несопряженный инструмент — эластичный пуансон и жесткая матрица. В этом случае (рис. 5.25) заготовка устанавливается над матрицей и оформляется в изделие благодаря обжатию ее эластичным пуансоном, закрепленным в специальной обойме. Воздух из-под листа удаляется через отверстия в матрице. Эластичный пуансон изготавливают из пористой резины. Такой вид формования называется механическим формованием с эластичным пуансоном и применяется в тех случаях, когда наиболее ответственными являются наружные размеры изделия.

Рис. 5.24. Схема механического формования сопряженными пуансоном и матрицей:

F — усилие формования.

Рис. 5.25. Схема механического формования эластичным пуансоном:

F — усилие формования Если же необходимо получить наиболее точные размеры внутренней поверхности изделий, то применяется механическое формование в эластичной матрице. В этом случае воздух из-под листа удаляется в отверстия, имеющиеся в пуансоне. Схема такого метода представлена на рис. 5.26.

Рис. 5.26. Схема механического формования в эластичной матрице:

F — усилие формования Еще один вид механического формования — вытяжка на пуансоне (иногда такой метод называют протяжкой). Заготовку помещают в зажимную раму и придают ей определенную форму, вдавливая в нее пуансон. При этом форма пуансона может не совпадать с внутренней формой изделия. Меняя относительные размеры рамы и пуансона, можно получать изделия с различным углом наклона стенок (до 90°). Схема механической протяжки представлена на рис. 5.27 (см. также рис. 5.15, а). С помощью механической протяжки можно получать изделия и более сложной формы.

Рис. 5.27. Схема механической протяжки:

F — усилие пуансона Для этого применяют одну или несколько профилирующих плит, обеспечивающих изменение наклона образующей боковой стенки изделия (рис. 5.28).

Рис. 5.28. Схема механической протяжки с применением профилирующей плиты:

F — усилие пуансона.