Производство изделий из армированных полимерных материалов

Оснастка

Конструктивные особенности оснастки зависят от выбранного метода изготовления изделий из АПМ и поэтому весьма разнообразны. Общими являются требования, предъявляемые к материалу оснастки, выбор которого зависит от объема производства, технологии (в основном от давления, развиваемого при формовании), необходимой точности и чистоты поверхности изделия, его формы и размеров. При этом доминируют экономические требования — материал формующего инструмента должен быть по возможности дешевым, технологичным, достаточно прочным, жестким, коррозионностойким, теплостойким. Все это особенно важно потому, что основная область применения АПМ — крупногабаритные изделия, для формования которых не всегда целесообразно изготавливать дорогостоящую оснастку, часто одноразового действия. Поэтому в опытном, индивидуальном и мелкосерийном производствах формующий инструмент следует изготавливать из дерева, фанеры, гипса, цемента, железобетона, различных полимерных композиций (в том числе из стеклопластика), металлических сплавов, реже — из металла, применение которого рационально лишь в массовом производстве. В ряде случаев для изготовления отдельных элементов формующего инструмента используются даже композиции из воска, парафина и канифоли; для уменьшения усадки таких композиций вводят значительное количество тонкодисперсного (обычно алюминиевого) порошка.

Оснастка из дерева, несмотря на ее очевидные преимущества и простоту, имеет ограниченное применение, обусловленное значительным влиянием температуры и влажности воздуха на форму и размеры формующих элементов. Влажность деревянной оснастки не должна быть выше 12-15%. На одной деревянной форме можно изготовить не более 10 изделий.

Формы из гипса, как показывает опыт, пригодны для методов формования при низком давлении, однако малая поверхностная твердость является причиной ограниченного срока службы этих форм (до 10 малогабаритных изделий, одно изделие средних габаритов размерами 2-3 м). Рабочую поверхность гипсовых форм из-за сильно развитой пористости обычно покрывают восковыми композициями. Присутствие влаги в гипсе может ингибировать (замедлять) процесс отверждения полимерного материала, поэтому такие формы рекомендуется тщательно просушивать.

Монолитные гипсовые формы изготавливают заливкой. Гипсовый раствор заполняет контрформу, выполненную из дерева и покрытую специальным разделительным слоем. В раствор можно добавлять куски отвержденного гипса, деревянные бруски. Уплотнение получаемой массы на вибростенде позволяет получать более качественную формующую поверхность. Отверждение гипса происходит примерно в течение 1 ч, затем форму выдерживают в термокамере в течение 18-20 ч при 40-50 0С. После сушки формующую поверхность покрывают твердой восковой композицией или лаком на основе шеллака. Лаковые покрытия наносят на прошкуренную поверхность формы в один или несколько слоев, после чего тщательно шлифуют наждачной бумагой и полируют.

При изготовлении гипсовых пуансонов контрформа может только приблизительно иметь контуры будущего изделия. Доводка элемента формы (иногда еще сырой) производится механической обработкой. Сердцевина гипсовой формы однократного использования (разрушаемой при извлечении изделия) должна изготавливаться из малопрочного крупнозернистого материала. Гипсовые формы, состоящие из нескольких элементов (разборные формы), применяются крайне редко.

Формующие поверхности деревянной, фанерной и гипсовой оснастки при повышенных требованиях к качеству поверхности изделий зашпаклевывают нитрошпатлевкой, зачищают под окраску и покрывают эмалевой краской. В такой последовательности обработка поверхности производится дважды.

Оснастка из бетона и подобных твердеющих композиций на неорганической основе используется для изготовления, например, крупногабаритных станин станков. Оснастка из стеклопластиков изготавливается на основе различных полиэфирных и эпоксидных смол с наполнителями из стеклотканей, стеклохолстов, стекложгутов. В эпоксидные смолы добавляются — по опыту разных отраслей промышленности — минеральные порошкообразные наполнители (кварц, каолин, асбестовая мука), органические наполнители (деревянные опилки, очесы, джутовое и льняное волокно), металлические наполнители в виде железного, медного или алюминиевого порошка, тонкой проволоки. Металлические наполнители значительно (до 10-12 раз, по сравнению с ненаполненным полимером) увеличивают теплопроводность формующего инструмента. Оснастка из стеклопластиков применяется в основном для изготовления крупногабаритных стеклопластиковых изделий методами формования без давления. В качестве примеров для изготовления стеклопластиковой оснастки можно привести следующие рекомендуемые композиции: смола ЭД-16 35%, дибутилфталат 3,5%, полиэтиленполиамин 3,5%, железный порошок 58%; смола ЭД-16 40%, дибутилфталат 4%, полиэтиленполиамин 4,0%, маршаллит 52%; смола ЭД-20 40%, полиэтиленполиамин 4,0%, железный порошок 56%.

При необходимости раковины и шероховатости формующих поверхностей оснастки из стеклопластиков заделывают шпаклевкой на основе связующего с наполнителем (20-60%), из которых изготовлена сама оснастка. Затем поверхности зашкуривают и полируют. Изготовление оснастки из неметаллических материалов для формования стеклопластиковых изделий, как правило, выполняется в несколько этапов: получение моде¬ли или контрформы, отдельных формующих элементов, формы в целом. Необходимые операции процесса изготовления неметаллической оснастки и их последовательность зависят от применяемого материала и требований, предъявляемых к точности размеров изделия, его форме и чистоте обработки поверхности. В ряде случаев используются возможности гальванотехники для образования поверхностного металлического слоя, непосредственно соприкасающегося с полимерным материалом. Для изготовления длинномерных стеклопластпковых изделий с внутренней полостью (трубы, профили) используются специальные оправки — дорны. Основное требование, предъявляемое к этим элементам оснастки, — жесткость в сочетании с легкостью. Этому требованию отвечают стальные, алюминиевые и неметаллические дорны. Материал выбирается в зависимости от конфигурации формуемого отверстия. Для прямолинейных участков могут быть применены стальные или алюминиевые трубы, покрываемые разделительным слоем из парафина толщиной 1,5-2 мм. Съем готового изделия с дорна облегчается благодаря пропусканию через него пара или горячей воды.

Криволинейные внутренние участки оформляются с помощью дорнов из воска и гипса. Эти дорны удаляются из полости готового изделия выплавлением или разрушением. Для тех же целей применяют резиновые шланги, заполненные мягкой алюминиевой проволокой. Для съема изделия из АПМ из шланга извлекают проволоку, а через него пропускают пар или горячую воду до расплавления разделительного парафинового слоя толщиной 2,0-2,5 мм, который предварительно наносят на шланг. После этого шланг свободно извлекается из изделия.

Оснастка из резины используется ограниченно, в основном только для изготовления изделий из АПМ методом формования с помощью эластичной диафрагмы, а также для получения резиновых чехлов и мешков. Наиболее важные требования к резинам — теплостойкость и химическая стойкость к связующему композиции. Такими свойствами обладают термостойкие резины на основе неопренового, силиконового и бутилкаучука. Элементы оснастки выклеивают на болванке последовательно из 3-4 слоев невулканизованной резины толщиной 0,8-1 мм, стыки соседних слоев резины не должны совпадать. Резину усиливают тканью, подклеиваемой изнутри чехла или мешка в местах перехода его на фланец, размер которого увеличивают до 8-10 мм. Ткань помещают также п тех местах, где она не мешает растяжению резины при эксплуатации оснастки. После выклеивания оснастку вулканизируют в автоклаве по режиму, предусмотренному для данной марки резины.

Оснастка из металлических сплавов и металлов обладает наилучшими прочностными показателями по сравнению с другими материалами, обеспечивая при этом высокое качество формующих поверхностей. Однако технологический процесс изготовления металлических форм является весьма трудоемким и дорогостоящим. Элементы форм из металлов изготавливаются в основном литьем с последующей механической обработкой. Такие формы целесообразно применять только при достаточно высоких давлениях формования. Экономически рационально использование металлической оснастки и при малых давлениях, но большой серийности производства. Независимо от типа материала, используемого для изготовления оснастки для изделий из АПМ, ее формующие поверхности обязательно покрывают разделительным слоем, облегчающим снятие готового изделия с формы. Для получения разделитель¬ных покрытий применяют растворы, эмульсии, смазки. Плоские и цилиндрические поверхности форм могут быть изолированы пленкой из целлофана, полиэтилена, по¬ливинилового спирта и других материалов. Гипсовые и деревянные формы обычно по¬крываются раствором ацетата целлюлозы. Растворы поливинилового спирта и полиизобутилена применяются для покрытия стеклопластиковых и металлических форм. Восковые и парафиновые эмульсии используются для обработки пористых неметаллических поверхностей с последующим нанесением поливинилового спирта. Кремнийорганические покрытия и особенно покрытия, образующие после термообработки твердую пленку, могут обеспечить многократный съем стеклопластиковых изделий.

Литература: «Производство изделий из полимерных материалов», издательство Профессия, 2004