37.Загальні відомості про пресування, математична модель операції нагріву прес-матеріалу.

Сущность метода состоит в переводе твердого в исходных условиях пресс-материала в вязкотекучее состояние и последующее его формование в изделие при одновременном воздействии на материал тепла и давления. При этом в результате химической реакции отверждения, протекающей при повышенной температуре, происходит образование изделия, которое имеет фиксированную форму при температуре прессования и не требует охлаждения перед извлечением из формующей оснастки.

Прессованием формуют в основном изделия из реактопластов и резиновых смесей. Прессование осуществляется в пресс-формах, конфигурация рабочих полостей которых соответствует конфигурации изделий. Имеются два основных вида прессования: прямое (компрессионное) и литьевое (трансферное). В первом загрузка материала, его формование в изделие и отверждение осуществляется непосредственно в оформляющей полости пресс-формы (рис.1, а). При литьевом прессовании (рис.1, б) пресс-материал загружается в загрузочную камеру формы, где расплавляется, а затем расплав движением пуансона инжектируется через литниковую систему в формующую матрицу.

Рис. 1. Схемы прямого (а) и литьевого (б) прессования: 1 – пуансон; 2 – пресс-материал; 3 – матрица; 4 – выталкиватель; 5 – изделие; 6 – загрузочная камера; 7 – литниковая система.

К существенным преимуществам литьевого прессования перед прямым следует отнести возможность изготовления сложных по конфигурации изделий с разной толщиной стенок, с отверстиями и арматурой. Изделия, полученные этим методом, отличаются высокой точностью размеров, отсутствием облоя. Литьевое прессование позволяет более полно автоматизировать процесс производства, снизить отходы сырья, устранить необходимость последующей механической обработки изделий. Литьевое прессование становится эффективным при изготовлении изделий и из термопластов, являясь альтернативой литью под давлением.

Технологический процесс прессования состоит из следующих операций: 1) предварительное нагревание материала; 2) загрузка материала; 3) смыкание пресс-формы; 4) подпрессовка; 5) выдержка под давлением и отверждение; 6) размыкание пресс-формы; 7) извлечение изделия; 8) очистка пресс-формы; 9) охлаждение изделия; 10) термообработка (нормализация, термофиксация). При литьевом прессовании в отличие от компрессионного пресс-материал загружается в специальную загрузочную камеру, из которой в оформляющую полость поступает под давлением через литниковые каналы, т.е. материал поступает в пресс-форму уже после ее смыкания. При литьевом прессовании также отсутствует операция подпрессовки.

При прессовании пресс-форму устанавливают между плитами пресса, создающего необходимое для формования сжимающее усилие (давление). В промышленности переработки полимеров наиболее распространены гидравлические прессы. Гидропресс – механизм статического (не ударного) действия. Привод пресса состоит из цилиндра с поршнем и насоса. Создавая относительно небольшим усилием высокое давление в рабочем цилиндре насоса, одновременно создают такое же давление и в рабочем цилиндре пресса. Усилие, развиваемое в цилиндре пресса, во столько раз больше усилия, действующего на поршень насоса, во сколько раз площадь поршня рабочего цилиндра больше площади поршня насоса.

Номинальное усилие смыкания гидропресса без учета потерь на трение в уплотнениях можно определить по формуле

, (15.1)

где D – диаметр плунжера гидроцилиндра; P – давление жидкости.

Математическая модель

Технологические параметры прессования выбирают по справочным данным или рассчитывают с учетом исходных свойств пресс-материалов, конфигурации изделий, а также технологических особенностей методов прессования и конструкции формы.

Температура предварительного нагревания.

Определяется исходя из времени его пребывания в вязкотекучем состоянии t_вт. Это время должно быть больше, чем время, затрачиваемое на загрузку материала в пресс-форму t_з и смыкание ее

t_вт ≥ H₁/υ₁+ H₂/υ₂+t_з, (15.11)

где H₁ и H₂ – высота опускания пуансона при холостом и рабочем ходе пресса; υ₁ и υ₂ – скорость опускания плиты пресса при холостом и рабочем ходе.

В случае использования пресс-форм с верхней загрузочной камерой значения H₂ и υ₂ берутся для верхнего цилиндра гидропресса, а для пресс-форм с нижней загрузочной камерой – для цилиндра выталкивателя.

Используя уравнения (15.8) и неравенство (15.11), рассчитывают температуру предварительного нагревания Т_н

Т_н≤U/R[ln(H₁/υ₁+H₂/υ₂+t_з)–lnA]. (15.12)

Значения коэффициента А энергии активации поликонденсации U для некоторых марок пресс-материалов приведены ниже:

Марка пресс-материала	О3-010-02	К-17-2	О1-040-02	Э3-340-65 Э3-340-65
1	2	3	4	5
А 107	1,77	4,52	1,9	7,4
U, кДж/моль	69,5	69,5	69,5	62,8

Примечание: 2, 4, и 5 столбцы – фенопласты (О – общетехнического назначения; Э – электроизоляционные); 3 столбец – кремнийорганический материал.

Время отверждения при компрессионном прессовании. Зависимость времени отверждения от температуры пресс-материала при изотермических условиях описывается уравнением (15.10). Однако обычно температура загружаемого материала сильно отличается от температуры пресс-формы, поэтому общее время отверждения изделия в пресс-форме t_в можно условно разделить на время нагревания пресс-материала до температуры отверждения t_н и на время протекания реакции поликонденсации . Тогда

, (25.13)

где В и β – постоянные; Т_отв – температура отверждения изделия в пресс-форме.

Для расчета времени нагревания материала t_н до температуры отверждения используем уравнение нестационарной теплопроводности. Время нагревания определяем из уравнения Фурье

t_н=δ²Fo/4a, (15.14)

где δ – половина максимальной толщины изделия (нагревание преимущественно происходит от двух теплопередающих поверхностей); а – температуропроводность, а=λ/ρс.

Время отверждения при литьевом прессовании. При литьевом прессовании материал загружается в отдельную загрузочную камеру и, пока происходит смыкание формы, за счет теплопроводности от стенок камеры несколько нагревается. Тоже происходит и в литниковых каналах. Более значительно на повышение температуры пресс-материала влияет диссипация энергии вязкого течения. Если пренебречь теплом от стенок камеры и литников, то повышение температуры от диссипации энергии составит

ΔТ=ΣΔр/с_рρ, (15.15)

а температуру материала после заполнения формующей полости соответственно находят из уравнения

Т_н=Т_з+ ΣΔр/с_рρ, (15.16)

где ΣΔр – суммарный перепад давления в литниковых каналах пресс-формы.

Перепад давления в литниковой системе рассчитывают аналогично расчету перепаду давления в экструзионных головках. Объемный расход расплава V через литниковую систему находится из формулы

V=F_зкυ_п, (15.17)

где F_зк – площадь загрузочной камеры; υ_п – скорость опускания (подъема) плиты пресса при рабочем ходе.

Удельное давление литьевого прессования. Определяется с учетом потерь давления в литниках ΣΔр и давления, которое необходимо создать в момент смыкания пресс-формы непосредственно в формующей полости

Р_уд=ΣΔр+р_к, (15.18)

где р_к – удельное давление в форме, равное удельному давлению для прямого (компрессионного) прессования, р_к = 25…50 МПа.

Тепловой расчет. Определяется мощность электронагревателей пресс-формы, необходимая для обеспечения теплового режима прессования. Расчет производится в установившемся режиме работы пресс-формы. Уравнение теплового баланса пресс-формы представляется в виде

Q_эл+Q_экз=Q_пол+Q_о.с+Q_пл+Q_б.с+Q_пр, (15.19)

где Q_эл – тепло, подводимое к пресс-форме от электронагревателя; Q_экз – тепло, выделяющееся за счет экзотермичности процесса отверждения пресс-материала; Q_пол – полезное тепло, расходуемое на нагрев пресс-материала; Q_о.с – потери тепла в окружающую среду; Q_пл – потери тепла в плиты пресса; Q_б.с – потери тепла через болтовые соединения пресс-формы; Q_пр – прочие потери тепла (при обдуве пресс-формы сжатым воздухом, при вынужденных перерывах в работе и др.).

Уравнение (15.19) решается относительно Q_эл, методика решения представлена в тематике практических занятий по курсу.