Конструкция основных узлов машин для пневмовакуумного формования

Нагреватели. При радиационном способе нагрева в качестве нагревателей сопротивления используют нихромовую проволоку или ленту. Открытые (т. е. непосредственно сообщающиеся с атмосферным воздухом) нагреватели в настоящее время практически не применяются по двум причинам. Во-первых, нагрев проволоки вызывает ее удлинение и провисание, что нарушает плоскостность греющей поверхности, образованной множеством натянутых лент (или проволок). Во-вторых, контакт с кислородом воздуха, омывающего нагретую проволоку при естественной конвекции, вызывает ее интенсивное окисление. Скорость окисления зависит от температуры, поэтому достаточная долговечность открытых нагревателей может быть обеспечена только при относительно низких температурах (около 673 К). Мощность излучения и скорость нагрева листа при этом невелики.

Конструкции радиационных электронагревателей различаются по способу заделки нихромовой проволоки.

В первом типе нагревателей используются керамические цилиндрические отверстия, в которые вставляется проволока в виде прутка или спирали (рис. 113).

Рис. 113

Отверстия по торцам стержня сообщаются с атмосферой, так что контакт с кислородом воздуха не исключен, однако скорость поступления кислорода воздуха к поверхности проволоки в десятки раз меньше, чем в открытых нагревателях. Температура проволоки в этих нагревателях может достигать 973 К. Одна из важных функций керамики — опорная: проволока не провисает, и расстояние между излучающей и обогреваемой поверхностями поддерживается постоянным.

Во втором типе нагревателей в качестве рабочих элементов применяют так называемые трубчатые электронагреватели (ТЭНы). ТЭН представляет собой трубку, выполненную из жаропрочного металла. Внутрь трубки введена нихромовая спираль. Пространство между спиралью и внутренними стенками трубки заполнено сильно уплотненным, порошковым материалом с высокой теплопроводностью и хорошими электроизоляционными свойствами, например оксидом магния. Контакт проволоки с кислородом воздуха здесь практически исключен.

Недостатки этих двух типов нагревателей следующие. Большая масса ограждающих проволоку конструкций требует дополнительного количества тепла на ее прогрев до рабочей температуры. Время прогрева составляет 10—15 мин. После выключения нагреватели еще длительное время излучают запасенное ими тепло. В связи с этим такие нагреватели целесообразно эксплуатировать в стационарном режиме без выключения в каждом цикле. Такой режим приемлем для многопозиционных машин, где практически в течение всего времени работы нагревателя под ним находится листовая заготовка. Если же их используют в однопозиционных машинах, то, отводя от заготовки, нагреватель располагают над листом материала с низкой теплопроводностью я хорошей отражающей способностью (например, фольгированного асбеста). Это предотвращает непроизводительное излучение тепла в атмосферу во время выстоя нагревателя.

Другой недостаток керамических нагревателей и ТЭНов состоит в том, что у них излучает тепло не поверхность нихромовой проволоки, а наружная поверхность керамики или ТЭНа. Температура излучающей поверхности значительно ниже, чем у проволоки, поэтому мощность излучения гораздо меньше, чем у открытой проволоки. Этих недостатков лишены нагреватели с кварцевым изолятором.

В третьем типе нагревателей нихромовая проволока введена в тонкую прозрачную трубку из кварцевого стекла, заполненную инертным газом. Эти нагреватели малоинерционны, поэтому могут работать в циклическом режиме. Контакт с кислородом полностью отсутствует, и температура проволоки может быть доведена до 2473 К. Излучает тепло непосредственно горячая проволока, так что мощность излучения этих нагревателей значительно больше, чем у нагревателей типов, описанных выше.

Независимо от типа нагреватели располагаются в одной плоскости и монтируются на раме. Со стороны, противоположной обогреваемому листу, и с боков набранный таким образом пакет нагревателей экранируется отражателем из тонколистового полированного алюминия. Отражатель возвращает попадающее на него излучение нагревателей на лист полимера: Снаружи отражатель покрыт теплоизоляцией в виде листового асбеста и защитным кожухом.

Нагреватели могут быть классифицированы также по степени подвижности относительно обслуживаемой ими зоны. Различают подвижные, стационарные и полустационарные нагреватели.

Подвижными нагревателями оснащаются однопозиционные машины. В каждом цикле нагреватель подводится к листу только на время его прогрева, а затем отводится, чтобы не мешать работе подвижных рабочих органов машины и не греть лист на стадии охлаждения его в форме.

В многопозиционных машинах нагреватели установлены стационарно. В машинах, перерабатывающих рулонные материалы, используются нагреватели полустационарного типа. При работе машины он неподвижен, однако во время непредвиденных остановок машины его нужно отводить от листа, так как длительный прогрев даже от выключенного (но медленно остывающего) нагревателя может вызвать термодеструкцию материала и загазованность производственного помещения.

Зажимные устройства. К зажимным устройствам предъявляются следующие требования: возможность зажима листов разных размеров – для универсальных машин (это требование обеспечивается комплектацией машины набором зажимных рам разных размеров); возможность зажима листов разной толщины; быстрота зажима листа и съема изделия; равномерность и герметичность зажима по периметру листа.

Усилие зажима листа при формовании:

где q – удельное давление зажима (q должно быть меньше .предела текучести термопласта при температуре формования);

П – периметр зажимаемого листа;

В – ширина зажимаемой кромки.

По принципу действия все зажимные устройства можно разделить на два типа: рамные и лепестковые.

Устройство рамного типа состоит из двух рам (верхней и нижней), между которыми закрепляется лист. Как правило, нижняя часть рамы при ее раскрытии остается неподвижной. Например, в однопозиционных машинах многих типов нижняя часть рамы закреплена непосредственно на формовочной камере. Верхняя часть рамы при закладке заготовки и съеме готового изделия или откидывается на шарнирах (зажимное устройство раскрывается, как книга), или приподнимается параллельно нижней части рамы.

На машинах с ручным и полуавтоматическим циклом, в которых загрузка листа и съем изделия производятся вручную, при больших габаритах рамы предусмотрены специальные устройства, обеспечивающие безопасность работы формовщика в зоне открытой рамы.

При ручном приводе для закрепления листа в раме обычно используют кулачковые зажимы. При пневматическом и гидравлическом приводе (гидропривод целесообразно применять только в тех случаях, когда он используется в машине, например в прессовой части). В зависимости от габаритов рамы применяют, или цилиндры, обеспечивающие как раскрытие рамы, так и зажим заготовки, или цилиндры двух видов, один из которых обеспечивает раскрытие рамы, а другие — зажим заготовки. Первый вариант применяется для более легких, машин. Его пример дан на рис. 114. Два качающихся цилиндра 1 закреплены на формовочной камере 2, с которой неподвижно связана нижняя часть рамы 3. Верхняя часть рамы 4 поворачивается относительно шарнира 5.

Рис. 114 Рис. 115

Одна из возможных конструкций зажимной рамы с раздельными цилиндрами зажима заготовки и подъема рамы приведена на рис. 115. Подъем верхней части рамы 2 обеспечивается цилиндром 1, а зажим заготовки производится четырьмя цилиндрами 5 с помощью захватов 4, закрепленных на нижней части рамы 3.

Чтобы обезопасить работу формовщика в зоне открытой рамы, на машинах с ручным зажимом заготовки применяют, как правило, пружины, подставки или противовесы, удерживающие рамы в открытом состоянии. На рис. 116 показаны страхующие противовесы: а) на откидной раме; б) на поднимающейся раме.

Рис. 116

Более прогрессивными, хотя и менее распространенными, являются лепестковые зажимные устройства. Они легче, удобнее и безопаснее в работе. Схема такого устройства приведена на рис. 117

Рис. 117 Рис. 118

Нижняя часть зажима 1 неподвижна, его верхняя часть 2 может поворачиваться на 90⁰ относительно шарнира 3. В нерабочем положении в качающийся цилиндр 4 давление не подается и вследствие натяжения пружины 5 зажим открыт. После установки листовой заготовки в цилиндр 4 подается рабочее давление и под действием его закрепляется листовая заготовка 6. По окончании цикла формования цилиндр охолащивается, и пружина 5 открывает зажим.

Как в рамных, так и в лепестковых зажимных устройствах лист термопласта чаще всего закрепляется между резиновой вставкой, изготовляемой из пористой теплостойкой резины, и металлическим выступом. Резиновая вставка укрепляется обычно на нижней части рамы или да нижнем лепестке, а металлический выступ – сверху (рис. 118) Выступ не должен быть острым, чтобы не вызвать прорыва тонкого и раскалывания хрупкого термопласта.

Зажимы устройств для формования листа с проскальзыванием выполняют таким образом, чтобы возможно было в широких пределах регулировать усилие прижима. Для этих целей наиболее распространен зажим в виде двух гуммированных валков, прижимаемых один к другому пружинами, снабженными устройствами для регулирования их усилия.

Температуру зажимного устройства необходимо поддерживать постоянной. Применение обогрева или охлаждения зависит от природы перерабатываемого материала. Например, полиэтиленовый лист прилипает к горячей поверхности рамы, а при формовании ударопрочного полистирола температуру рамы лучше поддерживать в пределах (50–60 °С).

Для увеличения к. п. д. нагревателя иногда на зажимных рамах устанавливают рефлекторы. Выполненные из тонколистовой хромированной стали рефлекторы обеспечивают использование части теплового излучения (при теплорадиационном обогреве), которое терялось бы при их отсутствии. Еще одно преимущество установки таких отражателей заключается в том, что в большинстве случаев по периферии заготовки наблюдаются наибольшие потери, а установка рефлекторов помогает их частично компен­сировать. Угол наклона рефлектора определяется в зависимости от размеров нагревателя, его удаленности и конструкции.

Пример установки рефлекторов показан на рис. 119. На верхней части зажимного устройства 1, обеспечивающего за­крепление заготовки 2, устанавливается рефлектор 3.

Рис. 119

Пневмовакуумные системы предназначены для создания вакуума и избыточного давления. Вакуум используют для создания перепадов давления, обеспечивающих формование изделия. Вакуум-система включает вакуум-насос, ресивер, клапаны, трубопроводы и вакуумметр. Для целей вакуум-формования используют так называемые насосы низкого вакуума, т.е. насо­сы, которые создают при нулевой производительности минимальное давление порядка 10^–4 МПа. К насосам этого типа относят поршневые одно- и двухступенчатые, ротационные пластинчатые насосы.

Пневмосистемы используют для создания давления формования и для вспомогательных целей – питание пневмоцилиндров привода различных узлов машины и др. Все машины в зависимости от вида пневмосистем можно разделить на два вида машин: машины, имеющие собственный компрессор и ресивер, и машины, рассчитанные на питание сжатым воздухом от цеховой магистрали. Как правило, все формовочные машины потребляют сжатый воздух с давлением 0,4–2,5 МПа. Наибольшее распространение в формовочных машинах имеют поршневые компрессоры.

Время формования листа, в течение которого из формы от­водится воздух, не превышает 1–3 с, что составляет не более 1–2% общего времени цикла формования изделия. При формо­вании крупногабаритных изделий за это время из формы отво­дится до 50 дм³ воздуха. Если бы откачивание воздуха из формы осуществлялось непосредственно вакуум-насосом, то по­требовался бы насос большой производительности, по габари­там близкий к самой машине. Вместе с тем этот насос простаи­вал бы в течение 98–99% времени цикла. Во избежание столь нерационального использования вакуум-насоса в вакуумную систему вводят ресивер.

Насос может откачивать из ресивера воздух в течение всего, цикла (т. е. практически непрерывно), а в момент начала фор­мования листа ресивер соединяется с формой, и воздух из нее истекает в ресивер под воздействием развившегося в нем ва­куума. Производительность и металлоемкость насоса в этом случае могут быть в 50–100 раз меньше, чем при непосредст­венном соединении его с формой.

Необходимая производительность насоса Q в системе с ре­сивером может быть рассчитана как

где – объем полости формы или формующей камеры, из которой требует­ся откачивать воздух;

– время цикла формования;

– коэффициент запа­са, равный 1,1–1,3.

Чем меньше остаточное давление в форме в процессе формования, тем больше движущая сила этого процесса , равная разности между атмосферным давлением и величи­ной

и тем, следовательно, быстрее формуется изделие. Далее, чем больше значение в конце стадии формования, т.е. когда формуемый лист уже контактирует практически со всей поверх­ностью матрицы или пуансона, тем лучше прижим листа к форме и воспроизведение листом всех деталей ее конфигурации. Та­ким образом, наилуч­ший режим формова­ния обеспечивается, если движущая сила процесса формования имеет макси­мально возможное значение и это значение остается постоян­ным в течение всей стадии формования. Однако, как показано ниже, этот режим может быть соблюден лишь приближенно и при условии правильного выбора объема ресивера. Схема, по­ясняющая расчет необходимого объема ресивера, показана на рис. 120.

Рис. 120

Условие постоянства массы воздуха в системе форма–реси­вер в любой момент стадии формования может быть записано в виде

где и , и – объемы и давления воздуха в форме и ресивере соот­ветственно.

Можно выделить три состояния системы форма–ресивер.

Состояние I. Перед формованием вакуум-насос развил в ресивере 2 остаточное давление и отключился. Вентили 3, 4 и 5, соединяющие ресивер с насосом и формой 1, закрыты. В полости формы, герметично закрытой листом, давление ат­мосферное.

Состояние II. Вентиль 3, 5 открыт, и часть воздуха из формы практически мгновенно перетекла в ресивер; давление в форме и ресивере уравнялось и приняло значение :

С этого момента начинается втягивание листа в полость формы под воздействием движущей силы , равной

Следует заметить, что, так как часть воздуха из формы пере­текла в ресивер, то давление в нем стало большим, чем ис­ходное в состоянии I. По этой причине движущая сила фор­мования оказывается меньше максимально возможного ее значения , равного

Состояние III. Атмосферное давление вдавило лист в форму, и весь воздух из нее перетек в ресивер, за счет чего давление в нем возросло по сравнению с состоянием II и приняло значение . Давление в форме по-прежнему одинаково с дав­лением в ресивере и равно . Так как , то движущая сила процесса в конце стадии формования, равная

оказывается меньше, чем в начале этой стадии.

Зависимость параметров режима формования от отношения объема ресивера к объему формы представлено на рис. 121. Из рисунка видно как изменяется с ростом объема ресивера движущая сила в начале и в конце формования, а также их разность . Видно, что уже при достижении этой разности, равной 6–8 МПа, движущая сила становится практически постоянной в течение стадии формования и приближается к своему значению, равному 0,1 МПа. В связи с этим объем ресивера пневмовакуумформовочной машины не делают большим, чем 6–8 объемов формующей камеры или формы.

Рис. 121

Ресиверы вакуумсистем представляют собой обычно сварные оболочки из листовой стали, состоящие из цилиндрической обе­чайки и эллиптических днищ. Ресиверы рассчитывают на ус­тойчивость как сосуды, работающие под внешним давлением. Для упрочнения стенок ресиверов рекомендуется применять в них внутреннее оребрение. Вакуумные коммуникации внутри машины выполняют из бесшовных стальных труб, вакуумных резиновых шлангов и медных трубок.

Привод формовочных машин обеспечивает: перемещение рабо­чих органов (зажимных рам, пуансонов, матриц, вырубных уст­ройств); создание ими необходимых рабочих усилий; перемеще­ние рулонного материала.

В связи с наличием в машинах пневмосистем, обслуживаю­щих выполнение технологических операций (предварительная вытяжка листа, прижатие его к формообразующей поверхно­сти) наиболее распространены в качестве привода пневмоцилиндры.

Технологическое усилие устройств, обеспечивающих предварительную механическую вытяжку формуемой заготовки, мож­но определить по формуле

где – площадь термопласта, на которую воздействует данное устройство;

– удельное давление предварительной вытяжки:

здесь – оформляющий перепад давлений.

Технологическое усилие, создаваемое цилиндрами, запирающими зажимные устройства, рассчитывают по формуле

где – удельное давление зажима;

– периметр зажимаемой заготовки;

– ширина зажи­маемой кромки;

– число цилиндров, обеспечивающих зажим заготовки.

Технологическое усилие вырубных устройств

где – предел прочности на срез данного термопласта;

– периметр вырубаемого изделия;

– толщина термопласта в месте вырубки.

В некоторых моделях формовочных машин возвратно-поступательное движение отдельных механизмов осуществляется с помощью пары винт–гайка, приводимой от электродвигателя. Основными отличительными особенностями пары винт–гайка являются высокая точность производимых ею перемещений, большое передаточное отношение, плавность и бесшумность работы, легкость обеспечения самоторможения, возможность передачи больших усилий.

Наиболее сложными являются приводы, обеспечивающие перемещения рам в многопозиционных машинах ротационного типа. Т.к. роторы этих машин обычно массивны и имеют большую инерцию, то для их точного останова используют фиксаторы или тормозные устройства. В механизмах поворота с приводом от гидро- или пневмоцилиндра передающими устройствами могут быть пара шестерня–зубчатое рейка, храповые механизмы (рис. 122).

Рис. 122

Храповое колесо жесткозакрепленное на оси 5 ротора, поворачивается от уси­лия, создаваемого штоком основного качающегося цилиндра 1. Шток этого цилиндра заканчива­ется роликом 3. При подаче рабо­чей жидкости или сжатого воздуха в поршневую полость цилиндра 1 его шток подходит к храповому колесу, входит в один из его пазов и поворачивает ротор. Положение ротора фиксируется с помощью фиксатора, а шток цилиндра 1 отводится назад. Цилиндр 2 предназначен для поджатия ролика 3 к пазу храпового колеса и для возвращения цилиндра 1 в исходное положение. Для управления работой цилиндров служит система конечных выключателей. Время меж­ду поворотом ротора задается с помощью реле времени.