SU1391935A1 - Способ изготовлени толстостенных бесшовных жестких профильных изделий из неориентированных полукристаллических термопластичных полимеров и устройство дл его осуществлени - Google Patents

Abstract

Изобретение относитс  к гидро- экструзионной переработке полимерных материалов в химической промышленности . Цель изобретени  - расширение технологических возможностей за счет получени  изделий фигурного профил  с многоосноориентированной структурой материала и повьшгение; их качества. Дл  этого полимерную заготовку деформируют в кольцевом канале устройства с п ;ременной степенью осевой выт жки в разных радиальных направлени х поперечного сечени . Полимерную заготовку в виде цилиндра с коаксиальным отверстием при температуре, меньшей температуры плавлени  материала, выпрессо- вьгоают из камеры под действием гидростатического давлени  рабочей жидкости через кольцевой канал, образованный рабочими поверхност ми мундштука и оправки и имеющий последовательно расположенные входную коническую зону, цилиндрическую уплотни- тельную зону, коническую расширительную зону, зону формовани  фигурного профил  и калибровочную зону. Кольцевой канал в поперечном сечении зоны формовани  фигурного профил  выбран переменным в различных радиальных направлени х, 2 с.п., 6 з.п.ф-лы, 7 ил. i (Л со со

Description

f1

Изобретение относитс  к переработке полимерных материалов в химической промышленности, в частности к получению изделий из термопластичных полимерных материалов с улучшенными характеристиками методом твердофазной гидростатической экструзии

Цель изобретени  - расширение технологических возможностей за счет получени  изделий фигурного профил  с многоосноориентированной структурой материала и повышение их качества .

На фиг. схематично изображено устройство дл  изготовлени  толстостенных бесшовных жестких профильны изделий из неориентированных полукристаллических термопластичных полимеров , продольный разрез; на фиг.2 - инструментальна  оснастка; на фиг,3 - сечение А-А на фиг,2; на фиг.4 - вариант выполнени  инструментальной оснастки; на фиг.5 - разрез Б-Б на фиг.4; на фиг.6 - второй вариант выполнени  инструментальной оснастки; на фиг.7 - разрез В-В на фиг.6.

Способ изготовлени  толстостенны бесшовных жестких профильных издели из неориентированных полукристаллических термопластичных полимеров включает гидроэкструзию в твердом состо нии полимерной заготовки через экструзионную зону с удлинением заготовки в осевом .направлении и одновременное ее расширение в окружно направлении и со смазкой поверхности полимера жидкостью под гидростатическим давлением. Заготовку деформируют с переменной степенью осевой выт жки в разных радиальных направлени х поперечного сечени . С целью получени  спиралеобразной структуры материала, каждое последующее поперечное сечение заготовки в направлении ее движени  разворачивают относительно предыдущего поперечного сечени  заготовки вокруг ее оси. Степень выт жки материала в осевом направлении периодически измен ют вдол образующей заготовки. Степень расширени  заготовки в окружном направлении выбирают равной дл  ее наружных и внутренних слоев.

Предлагаемый способ может быть осуществлен с помощью устройства дл изготовлени  толстостенных бесшовны жестких профильных изделий из неори

0

5

О

ентированных полукристаллических термопластичных полимеров.

Устройство содержит средства дл  креплени  инструментальной оснастки, котора  выполнена в виде гайки 1, цилиндрического наружного корпуса 2 и штока 3. Устройство содержит также контейнерный узел, который выполнен в виде камеры 4 снабженный элементами 5 термостатировани  и размещен в пределах средств дл  креплени  инструментальной оснастки, содержит также средство создани  давлени  в

5 контейнерном узле, выполненное в виде штуцера 6.

Кроме того, устройство содержит уплотнительные средства в контейнерном узле дл  поддержани  давлени  гидростатической жидкости и обеспечени  выдавливани  пленки гидростатической жидкости на заготовку (не показаны), содержит оправку 7 с рабочей поверхностью а. Оправка смонт рована с образованием с рабочей поверхностью б мундштука 8 кольцевого канала 9 с последовательно расположенными в нем конической входной зоной 10, цилиндрической уплотнитель- ной зоной i1, конической расширительной зоной 12, калибровочной зо- в:ой 13 и переходными зонами с плавными поверхност ми переходов. В кольцевом канале 9 между конической

, расширительной 12 и калибровочной 13 зонами выполнена зона формовани  фигурного профил  14. Профиль поперечного сечени  кольцевого канала 9 в калибровочной зоне 13 и зоне фор0 мовани  фигурного профил  14 выполнен измен ющимс  в радиальном направлении . Дл  чего рабочие поверхности а и б соответственно оправки 7 и мундштука 8 вьшолнены геометрически

5 неподобными. Площадь поперечного сечени  кольцевого канала 9 в зоне формовани  фигурного профил  14 выполнена уменьшающейс  в направлении калибровочной зоны 13. Б зоне формоваQ ни  фигурного профил  14 по рабочим поверхност м б и а соответственно мундштука 8 и оправки 7 вьшолнены равномерно расположенные впадины 15 и выступы 16 с образованием соответственно поверхност ми впадин 15 цилиндрических поверхностей, а поверхност ми выступов 16 - конических поверхностей . Цилиндрические и конические поверхности расположены кон5

центрично оси оправки 7. Вершина конуса , образованного поверхност ми выступов 16 мундштука 8, обращена в направлении калибровочной зоны 13 Вершина конуса, .образованного поверхност ми выступов 16 оправки 7, обращена в направлении конической расширительной зоны 12. По рабочим поверхност м б и а соответственно мундштука 8 и оправки 7 в зоне формовани  фигурного профил  14 и в калибровочной зоне 13 выполнены винтовые спи,- рали (не Показаны). Угол их подъема не менее 10°. Спирали могут быть выполнены одинакового или противо- положного направлени . При получении например, гладкой трубы с предварительно спирально-ориентированной структурой материала, винтовые спира ;ЛИ вьшолнены только в зоне формова- .ки  фигурного профил  14.

С целью облегчени  механической обработки рабочей поверхности б мундштука 8 при изготовлении инструмен- .та, мундштук 8 выполнен разборным.

Способ изготовлени  трубчатого профил  осуществл ют следующим образом .

Заготовку 17 из неориентированно- то полукристаллического термопластичного полимера, например из полиэтилена низкого давлени , вставл ют в мундштук 8 таким образом, чтобы наружна  поверхность заготовки 17 плотно контактировала с рабочей поверхностью б мундштука 8. Гайку 1 с мундштуком 8 завинчивают по месту с обеспечением герметичного соединени  мундштука 8 с камерой 4. Креп т цилиндрический наружный корпус 2 к гайке 1, оправку 7 к штоку 3, а шток 3 с оправкой 7 - к цилиндрическому корпусу 2 таким образом, чтобы носова  часть оправки 7 вошла в отверстие заготовки 15, с обес печением плотной посадки. Полость ка меры 4 заполн ют гидростатической жидкостью 18, например минеральным маслом, и нагревают контейнерный узел с инструментальной оснасткой до температуры гидростатической переработки , меньшей температуры плавлени  термопластичного полимера.

С помощью источника рабочей жидкости высокого давлени  (не показано в камере 4 создают гидростатическое давление, достаточное дл  начала процесса гидропрессовани  из

0

5

5

0

дели . На прот жении всего времени экструзии давление остаетс  посто нным .

Во врем  гидроэкструзии часть рабочей жидкости образует тонкую пленку между поверхност ми заготовки 15 и поверхност ми оправки 7 и мундштука 8, обеспечива  смазку заготовки 17 во врем  ее экструзии.

После экструзии заготовки производ т сброс гидростатического давде- ни  в камере. Разбирают устройство до исходного состо ни  и извлекают экструдат.

При осуществлении предлагаемого способа осевое удлинение заготовки 17 из термопластичного полимера определ етс  сход щейс  площадью поперечного сечени  кольцевого канала 9, общее окружное расширение заготовки 17 определ етс  увеличением среднего диаметра кольцевого канала 9 в кони ческой расширительной зоне 12, дополнительное окружное удлинение поверхностного сло  заготовки 7 задаетс  увеличением периметра рабочей поверхности а и б соответственно оправки 7 и мундштука 8 в. зоне формовани  фигурного профил  14. Во всех случ а х увеличение периметра наружной поверхности издели  в поперечном . НИИ не должно сопровождатьс  увеличением максимального размера издели  в поперечном сечении, либо минимального размера продольного отверсти  издели  в поперечном сечении.

Степень выт жки в окружном направлении поверхностного сло  издели  может быть выражена в виде коэффициента окружной деформации, который определ етс  как отношение периметров соответствующих поверхностей издели  и заготовки 17. Общий коэффи- g циент окружной деформации издели  может быть определен как средн   арифметическа  величина коэффициентов окружной деформации внутренней и наружной поверхностей издели .

0

5

0

50

55

Степень выт жки издели  в осевом направлении может быть выражена в виде коэффициента осевой деформации, который определ етс  как отношение площадей поперечного сечени  заготовки 1 7 и изделн .

Суммарна  деформаци  издели  может быть выражена коэффициентом экструзии, который определ етс  как

произведение коэффицр1ентов осевой и общей окружной деформации. I В случае гидроэкструзионного полу ;чени  труб круглого профил  с двух- Iосно-ориентированной структурой из- ;делие имеет равномерную осевую выт ж ;ку по всему поперечному сечению и существенно неравномерную окружную выт жку по толщине стенки трубы. Причем, степень окружной выт жки внутренней поверхности трубы значительно превышает степень окружной выт жки наружной поверхности. Это, в свою очередь ведет к неравномерной степени молекул рной ориентации ма-териала , а следовательно, и неравномерной по сечению прочности материала в окружном направлении.

Повысить степень однородности окружной ориентации по сечению трубчатого издели  можно за счет повышени  степени ориентации его наружных слоев. С этой целью производ т дополнительную выт жку наружных ело- ев заготовки 17 путем придани  ее наружной поверхности формы такого профил , периметр которого больше периметра окружности, например периодически чередующиес  выступы и впадины .

Кроме того, дополнительную выт жку материала в изделии производ т за счет винтовых спиралей на рабочих поверхност х а и б соответственно оправки 7 и мундштука 8 с углом подъема спирали не менее 10 , В этом случае получают : экструдат со спирально-ориентированной структурой, так как при движении заготовки 17 в зоне формовани  фигурного профил  14 и в калибровочной зоне 13 происходит поворот вокруг ее оси каждого предьщущего поперечного сечени  по отношению к последующему поперечному сечению. Причем направлени  винтовых спиралей мундштука 8 и оправки .7 могут иметь .одинаковое или противоположное направление. В последнем случае получают экструдат с перекрестно-ориентированной структурой. Трубу круглого профил  со спирально-ориентированной или перекрест но-ориентированной структурбй получают в случа х, когда винтовые спирали на рабочих поверхност х а и б соответственно оправки 7 и мундштука 8 вьтолнены только в зоне формовани  фигурного профил , а в калибро

5

Q

0 5

5

0

5

0

5

0

вочной зоне 13 рабочие поверхности б и а мундштука 8 и оправки 7 выполнены цилиндрическими.

Дл  получени  зубчатых кьлес с цилиндрическими поверхност ми выступов и впадин экструдат зубчатого профил  разрезают перпендикул рно его продольной оси с интервалами, соответствующими толщине зубчатых колес (не показаны).

Пример 1. Заготовку 17 из компонора 3-6-3 (полиэтилен высокой плотности, полимеризационно наполненный каолином со степенью наполнени  25%) получают глухим прессованием в виде цилиндра длиной 140 и диаметром 32 мм с коаксиальным отверстием диаметром 0 мм. Полимер имеет предельную прочность на раст жение 21 МПа.

Заготовку 17 одним концом устанавливают в мундштук 8 со стороны входной конической зоны 10, с обеспечением плотного контакта ее наружной поверхности с рабочей поверхностью б мундштука 8. Мундштук 8 с заготовкой 17 помещают в камеру 4, Устанавливают средства креплени  инструментальной оснастки. Конусньм кондом оправку 7 вставл ют в отверстие заготовки 17 .с предварительным уплотнением .

Рабочими поверхност ми оправки 7 и мундштука 8 образован кольцевой канал 9, имеющий сход щуюс  площадь поперечного сечени  и расход щийс  диаметр. В.калибровочной зоне 13 рабочую поверхность а оправки 7 выполн ют цилиндрической диаметром 32 мм, а рабочую поверхность б мундштука 8 с 10 пр моугольными выступами 16 шириной 6 мм, расположенными равномерно по ок ружности. При этом диаметр окружности впадин равен. 42 мм, а диаметр окружности выступов - 36,3 мм. Формирование выступов по высоте осуществл етс  в зоне формовани  фигурного профил  14. При этом угол между осью устройства и конической поверхностью выступов составл ет 20° .

Полость камеры 4 заполн ют рабочей жидкостью. Термокамеру, инструментальную оснастку и заготовку 17 термостатируют при 100 С. Поднимают давление рабочей жидкости в .полости камеры 4. При давлении 100 МПа через калибровочную зону 13 кольцевого канала 9 проходит начальна  часть заготовки 17. Постепенно давление повышаетс  до 120 Nua и остаетс  на этом уровне до окончани  процесса гидроэкструзии.

Полимер несколько упруго.восстанавливаетс  на выходе из калибровочной зоны 13, что ведет к изменению размеров издели  по сравнению с зазором калибровочной зоны 13. Экстру- дат имеет внутренний диаметр 31,5, диаметр окружности выступов 16 42,4, диаметр окружности впадин 15 37,4, ширину выступов 16 6,4 мм. Стабильность размеров сохран етс  по всей длине издели . При этом коэффициент осевой деформации составл ет 1,51, коэффициент окружной деформации внутренней поверхности составл ет 3,15, коэффициент окружной деформации наружной поверхности составл ет 1,67, средний коэффициент окружной деформации составл ет 2,41, а общий коэффициент экструзии равен 3,64. Таким образом, получают качественно новый вид профильных изделий дл  метода твердофазной гидроэкструзии .

Дл  сравнительной оценки прочностных свойств экструдата в окружном направлении аналогичную заготовку 17 экструдируют Б соответствии с прототипом при температуре 100°С ерез формуюгоий канал с цилиндрическими рабочими поверхност ми б и а соответственно мундштука 8 и оправки 7 в калибровочной зоне 13 и с диаметрами в этой зоне соответственно 41,4 и 34,6 мм. Получают трубу с двухосно-ориентированной структурой наружным диаметром 40 и внутренним диаметром 31,5 мм. При этом оэффициент осевой деформации составил 1,52, а коэффициент окружной еформации, рассчитанный как отноение средних диаметров экструдата заготовки, составил 1,70. Полуенные труба и сложнопрофильное трубчатое изделие имеют равные внутенние диаметры и площади попе реч- ых сечений стенок.

Из изделий вырезают кольца шириной 4 мм, которые раст гивают двум  стальными сегментами до начала пластического течени .

Полученное профильное изделие с ногоосно ориентированной структурой

0

5

0

5

0

5

0

5

0

5

обладает повышенной на 15-18% прочностью в окружном направлении.

П р и м е р 2. Провод т аналогично примеру I , но с той разницей, что заготовку 17 аналогичньрс размеров изготовл ют из композиции 1-1-1-50 (полиэтилен низкой плотности, акти- вационно наполненный туфом со степенью наполнени  50%), используют мундштук 8 с цилиндрической рабочей поверхностью б в калибровочной зоне 13 диаметром 42,5 мм, используют оправку 7 с I5 трапецеидальными выступами 16 в зоне формовани  фигурного профил  14 и в калибровочной зоне 13. В калиброво.чной зоне 13 диаметр окружности выступов 16 равен 37 мм, а диаметр окрзгжности впадин равен 28,3 мм. Гидроэкструзию провод т при температуре ПО С и давлении прессовани  72-55 МПа. Пол чают экструдат с наружным .диаметром 42,6 мм и со сложным внутренним профилем.

П р и м е р 3. Осуществл ют аналогично примеру 1 с той разницей, что заготовку Г/ изготовл ют механическим способом из листового капро- лона с внутренним диаметром )4,3 мм, используют мундштук 8 с цилиндрической рабочей поверхностью в калибровочной зоне 13 диаметром 32 мм, используют оправку 7 с 10 выступами I6 пр моугольной формы шириной 4,9 мм, Бьтолненными по винтовой линии вдоль оси оправки 7. Угол подъема винтовой спирали составл ет 55 . В калибровочной зоне 13 диаметр окружности выступов 16 оправки равен 26,3 мм, а диаметр окружности впадин 15 равен 18,7 мм. Гидроэкструзию провод т при температуре 175 С и давлении прессовани  160-150 МПа. Получают экструдат с наружным диаметром 32,4 мм и с внутренней винтовой нарезкой.

Использование предлагаемого изобретени  позволит получить В широком ассортименте толстостенные профильные издели  из термопластичных материалов с многоосно ориентированной структурой; в том числе со спирально-ориентированной и перекрестно- ориентированной структурой, с различной конфигурацией внутренней и внешней поверхностей, с равномерной по поперечному сечению окружной выт жки материала.

Claims (8)

1.Способ иэгс; овлени  толсто- стенньпс бесшовных жестких профильных изделий из неориентированных полукристаллических термопластичных, полимеров , включающий, гидроэкструзию

в твердом состо нии полимерной заготовки «через экструзионную зону с удлинением заготовки в осевом направлении и -одновременное ее расширение в окружном направлении со смазкой поверхности полимера жидкостью под гидростатическим давлением, о т л и чающийс  тем что, с целью расширени  технологических возможностей за счет получени  изделий фигурного профил  с многоосноориенти- рованной структурой материала и по- вьшени  их качества, заготовку деформируют с переменной степенью осе- вой выт жки в разных радиальных нап равлени х поперечного сечени .

2.Способ по пЛ , отличаю

щ и и с   тем, что, с целью получени  спиралеобразной структуры материала , каждое последующее поперечное сечение заготовки в направлении ее движени  разворачивают относитель но предыдущего поперечного сечени  заготовки вокруг ее оси.

3.Способ по пп. 1 и 2, от л И чающийс  тем, что степень выт жки материала в .осевом направлении периодически измен ют вдоль образующей заготовки.

4.Способ по пп.I - 3, о т л и- чающийс  тем, что степень расширени  заготовки в окружном направлении выбирают равной дл  ее наружных и внутренних слоев.

5.Устройство дл  изготовлени  толстостенных бесшовньрс жестких про- фильньт изделий из неориентированных полукристаллических термопластичньрс полимеров, содержащее средства дл  креплени  инструментальной оснастки , контейнерный узел, снабженный элементами термостатировани  и раз- мещенньй в пределах средств дл  креплени  инструментальной оснастки, средство создан.и  давлени  в контейнерном узле, уплстнительные средства в контейнерном узле дл  поддержани  давлени  гидростатической жидкости и обеспечени  вьщаЬливани 

5

0

5

0

5

0

5

0

5

пленки гидростатической жидкости на заготовку, оправку с рабочей поверхностью , смонтированную с образованием с рабочей поверхностью мундштука кольцевого канала с последова-. тельно расположенными в нем конической входной зоной, цилиндрической уплотнительной зоной, конической расширительной зоной, калибровочной зоной и переходными зонами с плавными поверхност ми переходов, отличающеес  .тем, что, с целью расширени  технологических возможностей за счет получени  изделий фигурного профил  с многоосно-ориен- тированной структурой материала и повышени .их качества, в кольцевом канале между конической расширитель- ной и калибровочной зонами выполнена зона формовани  фигурного профил , причем профиль поперечного сечени  кольцевого канала в калибровочной зоне и зоне формовани  фигурного профил  вьтолнен измен ющимс  в ради- :альном направлении, а площадь его поперечного сечени  в зоне формовани  фигурного профил  вьшолнена уменьшающейс  в направлении калибровочной зоны,

6.Устройство по п,5, о т .л и- чающеес  тем, что в зоне формовани  фигурного профил  по рабочим поверхност м мундштука и оправки выполнены равномерно расположенные впадины и выступы с образованием соответственно поверхност ми, впадин цилиндрических поверхностей, а поверхност ми выступов - конических поверхностей, причем цилиндрические и конические поверхности расположены концентрично оси оправки, вершина конуса, образованного поверхност ми выступов мундщтука, обращена в направлении калибровочной зоны, а верщина конуса, образованного поверхност ми выступов оправки, - в направлении конической расширительной зоны.

7.Устройство по ПП.5 и 6, о т- личающеес  тем, что по рабочим поверхност м мундштука и оправки в зоне формовани  фигурного профил  и в калибровочной зоне выполнены винтовые спирали.

8.Устройство по ПП.5 - 7, о т- личающеес  тем, что мундштук выполнен разборным.

/J

/4

Фиг,1

Фи&.2

3

Фи&З

W

rrix

Филб

AiA.

«w

e-g

Фил 7