Деформационные процессы в полимерах при механопневмоформовании осесимметричных изделий

Среди большого разнообразия используемых в настоящее время в мировой практике химических технологий вполне определенное место принадлежит и технологиям производства изделий из полимерных материалов. С интенсивным развитием этой области химических технологий все больший удельный вес в ней занимают процессы переработки термопластичных полимеров в полые та-роупаковочные средства: различного рода емкости открытого (лотки, поддоны, посуда разового пользования и т. п.) или укупориваемого (бутылки, бочки, канистры, флаконы и т. п.) типов [24, 41, 54, 71, 76]. Это обусловлено всё возрастающими потребностями в полых полимерных изделиях, которые используются для транспортировки и хранения пищевых продуктов, различных товаров химической, нефтеперерабатывающей, фармацевтической, парфюмерно-косметической и ряда других отраслей промышленности. Последние 25−30 лет мировой потребительский рынок характеризуется стабильной тенденцией увеличения реализации различных товаров, материалом упаковки для которых служат полимеры [17, 25, 26, 36, 43, 47, 55]. Рост объёмов производства различных видов продукции, затариваемых или упаковываемых в полимерные материалы, связан с переориентацией на более эффективные и экономичные виды используемого для этих целей сырья [41], что в условиях рыночной экономики обеспечивает конкурентоспособность их производителей.

Значительная доля полых полимерных изделий, используемых в качестве тароупаковочных средств открытого типа, производится путем реализации разнообразных методов их термоформования с использованием плоских (листовых или пленочных) полимерных заготовок [56, 61, 62], при этом многие виды изделий, например крупногабаритные или тонкостенные сложной конфигурации, можно изготовить только с использованием этих методов. Широкое распространение технологий термоформования объясняется их преимуществами по сравнению с альтернативными: простотой реализации, компактностью и относительной дешевизной используемого оборудования и технологической оснастки [13, 16, 43]. Анализ структуры используемых в настоящее время в мировой практике технологий термоформования полых полимерных изделий [8, 9, 13, 39, 40, 48, 56, 58, 61, 62] и оборудования для их реализации [10, 11, 37, 44, 60] показывает, что одними из них являются комбинированные технологии меха-нопневматического формования. Существо таких технологий состоит в последовательной реализации двух механических процессов: вытяжке жестким пуансоном предварительно нагретой до определенной температуры плоской полимерной заготовки и последующем ее формовании в изделие за счет создания перепада давления между наружной и внутренней ее поверхностями, при этом технологическая оснастка (матрицы, пуансоны и т. п. [59]) используемого оборудования обеспечивает формообразование изделия необходимой конфигурации. Практическая востребованность этих технологий обусловлена тем, что они имеют известное преимущество по сравнению с рядом других: хотя получаемые изделия и обладают разнотолщинностью, но несколько меньшей, чем при реализации альтернативных технологических методов термоформования [44]. Последнее обстоятельство является весьма важным, поскольку снижение раз-нотолщинности формуемых изделий улучшает не только их эксплуатационные физико-механические характеристики (прочность, жесткость), но и характеристики газои паронепроницаемости, обеспечивающие необходимую длительность гарантийной сохранности затариваемой продукции.

Вместе с тем, следует отметить, что наряду с отмеченными преимуществами комбинированные технологии термоформования полых полимерных изделий имеют и свои недостатки, приводящие к возникновению вполне определенных практических проблем. Эти проблемы связаны, во-первых, с проявлением с той или иной частотой специфического дефекта в виде разрушения полимерной заготовки (разрыв заготовки) в процессе ее формования в изделие [39, 40], что ухудшает экономическую эффективность производства, а во-вторых, с тем, что в процессе эксплуатации изделий, особенно в условиях повышенных температур (например, при затаривании в них горячих продуктов), они проявляют вполне ощутимую склонность к короблению [40], что существенно ограничивает диапазон их практического использования. Третья проблема связана с практической невозможностью на данном этапе прогнозировать качество формуемых изделий по критерию ожидаемой их разнотолщинности. Очевидно, что первые две из указанных выше проблем обусловлены спецификой протекающих в структуре полимеров деформационных процессов, а их решение возможно за счет целенаправленного управления протеканием этих процессов. Такое управление можно обеспечить только путем регулирования режимных параметров процесса механопневмоформования, что автоматически приводит к необходимости решения проблем не только в части практического обеспечения конкретных режимов работы оборудования, но и в части обеспечения его работоспособности при реализации этих режимов. Однако, отсутствие научно обоснованной методологической базы пока не позволяет эффективно решать эти проблемы.

Причины явно недостаточного методического обеспечения в решении указанных выше практических проблем заключаются, прежде всего, в отсутствии адекватных научно обоснованных представлений о специфике деформационных процессов, протекающих в полимерной среде при реализации данных технологий формования изделий, влиянии параметров этих процессов на текущее напряженно-деформационное состояние полимерной среды и конечные свойства готовой продукции, а также о динамике силового взаимодействия рабочих органов оборудования с перерабатываемой средой.

Таким образом, разработка теоретических представлений о существе деформационных процессов, протекающих в структуре полимеров при реализации комбинированных технологий механопневмоформования из них осесим-метричных изделий, является актуальной научной проблемой, решение которой, в свою очередь, позволяет решить и целый ряд практических проблем: разработать методы расчёта режимных параметров процесса формования, обеспечивающих повышение эффективности производства и качества производимой продукцииразработать расчетные методы оценки качества формуемых изделийусовершенствовать расчетный метод по оценке характеристик силового взаимодействия рабочих органов оборудования с перерабатываемой средой, методологически обеспечивающий проектирование универсального термоформовочного оборудования, способного работать в различных режимах его силового нагружения. Решению этих актуальных научно-технических проблем и посвящена данная диссертационная работа. Представленные в ней теоретические разработки и экспериментальные исследования выполнены при непосредственном участии автора на кафедре «Полимерсервис» Московского государственного университета инженерной экологии.

Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, основных выводов, библиографического списка использованных в ходе выполнения работы литературных источников, списка принятых обозначений физических величин и параметров и приложения.

Выводы.

Результаты выполненного в данной работе комплекса теоретических и экспериментальных исследований позволяют сделать следующие выводы:

— стадия механической вытяжки плоских полимерных заготовок при меха-нопневмоформовании из них полых осесимметричных изделий характеризуется протеканием в структуре полимера с нестационарными скоростями процесса аномально вязкого течения, приводящего к развитию необратимых деформаций, и обусловливающего эту аномалию процесса ориентации макромолеку-лярной структуры (развития обратимых эластических деформаций), при этом кинетика протекания этих процессов не только существенным образом определяет принципиальную возможность реализации технологии механопневмоформования, но также влияет и на качество производимой продукции;

— целенаправленное управление протекающими в структуре полимера деформационными процессами на стадии механической вытяжки заготовок позволяет в рамках рассматриваемой технологии исключать условия, при которых проявляется дефект в виде разрушения последних при их формовании в изделия;

— управление протекающими в структуре полимеров деформационными процессами возможно за счет регулирования как температурного, так и скоростного режимов вытяжки заготовок, при этом в последнем случае привод механизма вытяжки заготовок должен обеспечивать бесступенчатое регулирование скорости рабочего хода вытягивающего пуансона;

— реализация в цикле работы термоформовочного оборудования технологической паузы (технологического выстоя) между стадией механической вытяжки полимерной заготовки и стадией ее дальнейшего пневмоформования в изделие, длительность которой определяется термомеханическим состоянием полимерной среды, в частных случаях обеспечивает повышение качества формуемых изделий, обладающих существенно пониженным уровнем их возможного коробления при эксплуатации в условиях повышенных температур;

— технологическое усилие, возникающее в результате взаимодействия рабочих органов оборудования с полимерной средой и воспринимаемое элементами механизма вытяжки заготовок термоформовочных машин, определяется геометрическими параметрами заготовок, скоростью рабочего хода вытягивающего пуансона, площадью поверхности его контакта с вытягиваемой заготовкой и реологическими параметрами используемых для формования полимеров, что необходимо учитывать при расчете и конструировании элементов этого механизма, а также при оценке необходимой мощности его привода.

Условные обозначения физических величин и параметров.

А — удельная работа;

А (?) — работа, затрачиваемая на реализацию процесса вытяжки заготовки пуансонома — коэффициент температуропроводности полимераа — безразмерный комплексный параметр, характеризующий скорость деформирования заготовки при ее вытяжке пуансоном, а а, — его критическое значениеВ — безразмерный коэффициент, характеризующий относительное изменение предела прочности полимера в зависимости от относительного изменения его температуры;

Ьбезразмерный параметр, характеризующий кратность меридионального растяжения заготовки пуансоном в плоскости z = 0- с — тензор эластических деформаций, определяемых в мере Фингера, a ctкомпоненты этого тензора в его главных осях (с^ - компоненты в произвольно выбранной системе координат) — c0{t, bim ф) — значение эластической деформации в заготовке (в мере Фингера) к моменту окончания ее вытяжки пуансоном в сечении z=0, а с, 0{?выт ф) — ее критическая величинатензор суммарных эластических деформаций (в мере Фингера), накапливаемых в полимере как на стадии вытяжки заготовки пуансоном, так и на стадии ее пневматического формования в изделиес* - критическое значение эластической деформации растяжения заготовки (в мере Фингера) в меридиональном направлении на стадии ее вытяжки пуансономc+j, с*2 — соответственно критические значения эластических деформаций (в мере Фингера) в полимерной заготовке в ее меридиональном и окружном направлениях на стадии пневмоформованияef — тензор скоростей деформаций теченияе — тензор скоростей деформаций средыЕ — безразмерная скорость деформации;

Етах — максимальное значение безразмерной скорости деформацииFebim — усилие вытяжки заготовки пуансономGu — объемный расход сжатого газа;

G0(T) — эластический модуль сдвига;

Я — высота формуемого изделия, а Н — его безразмерное значениеh — толщина стенки в отформованном изделииhi — толщина стенки в вытянутой пуансоном заготовкеhmin шд ' h/пах изд ~ минимальная и максимальная толщина стенки изделия соответственноh0 — толщина стенки исходной полимерной заготовкиh (z) — функция распределения толщины стенки в отформованном изделиипервый и второй инварианты тензора эластических деформаций соответственно;

JT — изотермический модуль объёмного расширения;

К, к — показатель адиабаты исходной или рабочей газовых сред;

К'— безразмерный структурный коэффициент, связанный с разностью энергий различных поворотных изомеров полимерной цепикир — безразмерный коэффициент, интегрально характеризующий изменение размеров изделия в процессе его коробления, а [кир — его допускаемое значениед — длина длинного капилляра- 4 — длина короткого капилляра;

N — мощность, затрачиваемая на реализацию процесса вытяжки заготовки пуансоном;

Р0 — исходное давление газовой среды в рабочей полости формовочного оборудования;

Ридавление сжатого газа, истекающего в рабочую полость формовочного оборудования;

АР — среднеинтегральный перепад давления, реализующийся в процессе формования изделияр — множитель Лагранжа, определяемый из граничных условий;

Рист — перепад давления в капилляре с исключением входового эффекта;

Q' - удельная теплота;

Q — объемный расход испытуемой среды в капилляреR — универсальная газовая постоянная;

Rpгазовая постоянная заторможенного (находящегося в ресивере) сжатого газаг — радиус, 7 — его безразмерное значениегр — радиус пуансона, a J — его безразмерное значениег3 — радиус заготовкиrw — радиус капилляра;

Г/с — радиус пятна контакта деформируемой заготовки с поверхностью формующего инструмента, а7кего безразмерное значениеr (z), 7{z) — уравнение профиля поверхности деформируемой заготовки на стадии ее пневмоформования в размерных и безразмерных координатах соответственно;

— уравнение профиля боковой поверхности формующего инструмента в безразмерных координатах;

Ri, R2- радиусы кривизны деформируемой заготовки;

Г](г) — уравнение профиля поверхности вытянутой пуансоном заготовки;

S — суммарная площадь проходных поперечных сечений каналов;

S3 — площадь поверхности исходной заготовки;

Su — площадь поверхности отформованного изделия;

AS — изменение удельной энтропии состояния среды;

S (7) — текущая площади боковой поверхности коробящегося изделия;

S (7 = 7ф) — начальная площади боковой поверхности изделия;

Ттемпература;

Тв — теплостойкость (средняя температура размягчения) по ВикаТ3 — температура заготовки;

Титемпература, до которой охлаждается изделие в формующем инструментеТ р — температура заторможенного (находящегося в ресивере) сжатого газа;

Тс — температура стеклования;

Тт — температура текучести;

Тф температура формующего инструментаt — время, а 7 — безразмерное времяteblfn — конечное время вытяжки заготовкиtpn — длительность релаксационной паузы-^форм «вРемя формообразования изделия;

AU — удельное изменение внутренней энергииV — объем;

V0 — исходный объём газовой среды в рабочей полости формовочного оборудования;

Уф — объём полости, образовавшейся в результате формования изделияAVотносительное изменение объёма;

Vp — скорость перемещения пуансона, a V*P — его критическое значениеV (z) — скорость;

VU3d — объем полости формуемого изделия;

Узаг — объем полости вытянутой пуансоном заготовки;

W— эластический потенциал;

W — симметризованная функция эластического потенциалаz — координатаz — ее безразмерное значениеzK — безразмерная координата точки пограничного контакта деформируемой заготовки с боковой поверхностью формующего инструментаа — безразмерный коэффициента! — коэффициент объёмного теплового расширения;

Р — безразмерный параметр, характеризующий гибкость цепей полимерау — деформация сдвигау — скорость деформации сдвига;

А — критерия разнотолщинности- 8 > - среднеинтегральное значение толщины стенки формуемого изделия- 83 — толщина стенки исходной заготовкис? — девиатор тензора напряжений- 5 — единичный тензорен — деформация в мере Генкиj — тензор деформаций течения, определяемых в мере Генкие^ - эластическая деформация в мере Генкиё — скорость деформациив0(т) — время релаксации, зависящее от температурыв — угол, образованный осью симметрии и нормалью к поверхности деформируемой заготовки;

J]q (T) — наибольшая ньютоновская вязкость, зависящая от температуры;

Яекратность эластического растяжения;

Л- - кратность растяжения;

Ду — кратность вязкого растяжения;

Л1^ф), Л2^ф) — функции меридиональных и окружных кратностей растяжения, накопленных заготовкой в процессе ее формования в изделие- /Лр, // - безразмерный коэффициент расхода пневмокоммуникационной системы оборудованияр — коэффициент Пуассона-? — длина дуги меридиана заготовки;

7W — напряжение сдвига испытуемой среды на стенке капилляра- <�т* - критическое значения напряжения в заготовкетр (Г)] - предел прочности материала при растяженииТф — время формованият0 — время охлаждения отформованного изделияу/- безразмерный параметр, характеризующий снижение энергии активации вязкого течения полимерасW — тензор вихря;