способ формования изделий из порошкообразных полимеров и устройство для его осуществления

Формула изобретения

1. Способ формования изделий из порошкообразных полимеров и композиционных материалов на его основе, включающий прессование порошка при наложении на весь его объем многократной сдвиговой разнознаковой деформации (МСР-деформации) в направлениях, ортогональных оси прессования, и при непрерывном удалении выделяющегося из его объема воздуха, а также последующую термообработку спрессованных заготовок, отличающийся тем, что в процессе прессования порошок подвергают нагреву, при этом градиент температуры по объему заготовки не превышает 10%.

2. Способ формования изделий по п.1, отличающийся тем, что МСР-деформацию объема порошка осуществляют при максимальном давлении прессования.

3. Способ формования изделий по п.1, отличающийся тем, что прессование порошка осуществляют в три этапа, на первом из которых осуществляют уплотнение порошка при наложении МСР-деформации и непрерывном увеличении давления прессования до его максимально допустимых значений, на втором - осуществляют изобарическую выдержку заготовки при максимальном давлении и ее нагрев, а на третьем этапе проводят МСР-деформацию заготовки при максимальном давлении прессования, при этом на первом этапе температуру порошка поддерживают на уровне, не превышающем 0,4-0,6 от температуры плавления полимера, а на втором этапе доводят до 0,8-1,1 от этой температуры, причем МСР-деформацию на первом и третьем этапах прессования завершают после прекращения уплотнения заготовки на каждом из этих этапов.

4. Устройство для осуществления способа формования изделий из порошкообразных полимеров по п.1, включающее пресс, снабженный неподвижным столом, верхнюю и нижнюю траверсы, главный привод, пресс-форму и приспособления для нагрева и охлаждения пресс-формы, отличающееся тем, что оно снабжено установленными с возможностью перемещения относительно друг друга вдоль вертикальной оси пресса центрирующими планками, верхней, средней и нижней крепежными плитами, а также верхней и нижней вспомогательными монтажными плитами, при этом центрирующие планки, верхняя крепежная, нижняя крепежная и вспомогательные плиты соединены между собой вертикальными направляющими, а средняя плита снабжена двумя парами горизонтальных направляющих, установленных в центрирующих планках с возможностью перемещения по последним в направлении, ортогональном вертикальной оси пресса, и вспомогательным приводом горизонтального перемещения, установленным на одной из пар горизонтальных направляющих средней плиты, при этом пресс-форма устройства выполнена в виде верхнего и нижнего формующих блоков, каждый из которых состоит из прямоугольных матрицы и пуансона, причем матрица нижнего блока закреплена на нижней плите, пуансон верхнего блока - на верхней плите, а матрица верхнего блока и пуансон нижнего блока - на средней плите, при этом матрицы каждого из формующих блоков выполнены с оппозитной парой стенок, установленных с возможностью поворота вокруг двух осей, совпадающих с соответствующими ребрами торцевых поверхностей матрицы и пуансона, а также с возможностью возвратно-поступательного перемещения относительно ребер торцевых поверхностей пуансонов, при этом нижняя и верхняя плиты снабжены опорными роликами, соединенными между собой вертикальной балкой, которая закреплена на штоке вспомогательного привода горизонтального перемещения с опорой на пару горизонтальных направляющих средней плиты и установлена с возможностью поворота вокруг горизонтальной оси, ортогональной осям горизонтальных направляющих средней плиты, и с возможностью перемещения относительно роликов вдоль вертикальной оси пресса, при этом нижняя вспомогательная плита расположена на нижней траверсе пресса, а верхняя снабжена вспомогательным приводом вертикального перемещения, соединенным с верхней траверсой пресса, и тягами, соединенными с вертикальными направляющими, установленными с возможностью перемещения относительно вертикальной оси пресса.

5. Устройство по п.4, отличающееся тем, что средняя крепежная плита снабжена приспособлением для ее закрепления на вертикальных направляющих.

6. Устройство по п.4, отличающееся тем, что поверхности каждой из матриц и пуансонов, пересечения которых с их торцевыми поверхностями образуют ребра, относительно которых возможен поворот и поступательное перемещение боковых стенок матрицы, выполнены под углом 60-80° к торцевым поверхностям этих элементов.

7. Устройство по п.4, отличающееся тем, что торцевые поверхности матриц и пуансонов выполнены с рифлеными пазами, поверхности которых ортогональны осям горизонтальных направляющих средней плиты.

Описание изобретения к патенту

Данное техническое решение относится к области изготовления изделий из полимеров, в частности к способам формования изделий из порошкообразных полимеров и устройствам для их осуществления, и может быть использовано при изготовлении крупногабаритных изделий из порошка сверхвысокомолекулярного полиэтилена (порошка СВМП) и композиционных материалов на его основе.

Известен способ формования изделий из порошкообразных полимеров, включающий прессование порошка с непрерывным удалением выделяющегося из его объема воздуха, а также последующую термообработку спрессованных заготовок, при этом термообработку заготовок осуществляют под дополнительным давлением (1).

Известно также устройство для осуществления указанного способа, включающее пресс, снабженный неподвижным столом, верхнюю и нижнюю траверсы, главный привод, пресс-форму и приспособления для нагрева и охлаждения пресс-формы, при этом пресс-форма выполнена разборной, а приспособления для нагрева и охлаждения пресс-формы установлены на столе пресса (1).

К недостаткам известного технического решения относятся: необходимость использования высокого давление прессования для получения заготовок, что, в свою очередь, приводит к необходимости использовать пресс с большими усилиями прессования при получении крупногабаритных изделий, низкое качество сформованных изделий, обусловленное их высокой остаточной пористостью, и низкая производительность основного технологического процесса, связанная с длительностью процессов прессования и термообработки.

Предлагаемое изобретение направлено на решение технической задачи снижения давления прессования и повышения производительности технологического процесса при одновременном повышении качества сформованных изделий.

Основной технический результат от использования предложенного изобретения достигается тем, что в способе формования изделий из порошкообразных полимеров прессование порошка осуществляют при наложении на весь его объем многократной сдвиговой разнознаковой деформации (МСР-деформации) в направлениях, ортогональных оси прессования, причем в процессе прессования заготовку подвергают нагреву, при этом градиент температуры по объему заготовки не превышает 10%.

Технический результат достигается также при прессовании порошка в три этапа, на первом из которых осуществляют уплотнение порошка при наложении на него МСР-деформации и при непрерывном увеличении давления прессования до его максимально допустимых значений, на втором осуществляют изобарическую выдержку заготовки при максимальном давлении и ее нагрев, а на третьем этапе проводят МСР-деформацию заготовки при максимальном давлении прессования, при этом на первом этапе температуру порошка поддерживают на уровне, не превышающем 0,4-0,6 от температуры плавления полимера, а на втором этапе доводят до 0,8-1,1 от этой температуры, причем МСР-деформацию на первом и третьем этапах прессования завершают после прекращения уплотнения заготовки на каждом из этих этапов.

Технический результат достигается также и при использовании варианта предложенного способа, предусматривающего осуществление МСР-деформации на первом этапе прессования порошка после достижения максимального давления прессования.

Указанный выше технический результат достигается также и тем, что устройство для формования изделий из порошкообразных полимеров снабжено установленными с возможностью перемещения относительно друг друга вдоль вертикальной оси пресса центрирующими планками, верхней, средней и нижней крепежными плитами, а также верхней и нижней вспомогательными монтажными плитами, при этом центрирующие планки, верхняя крепежная, нижняя крепежная и вспомогательные плиты соединены между собой вертикальными направляющими, а средняя крепежная плита снабжена двумя парами горизонтальных направляющих, установленных в центрирующих планках с возможностью перемещения по последним в направлении, ортогональном вертикальной оси пресса, и вспомогательным приводом горизонтального перемещения, установленным на одной из пар горизонтальных направляющих средней плиты, при этом пресс-форма устройства выполнена в виде верхнего и нижнего формующих блоков, каждый из которых состоит из прямоугольных матрицы и пуансона, причем матрица нижнего блока закреплена на нижней крепежной плите, пуансон верхнего блока - на верхней крепежной плите, а матрица верхнего блока и пуансон нижнего блока - на средней плите, при этом матрицы каждого из формующих блоков выполнены с оппозитной парой стенок, установленных с возможностью поворота вокруг двух осей, совпадающих с соответствующими ребрами торцевых поверхностей матрицы и пуансона, а также с возможностью возвратно-поступательного перемещения относительно ребер торцевых поверхностей пуансонов, при этом нижняя и верхняя крепежные плиты снабжены опорными роликами, соединенными между собой вертикальной балкой, которая закреплена на штоке вспомогательного привода горизонтального перемещения с опорой на пару горизонтальных направляющих средней плиты и установлена с возможностью поворота вокруг горизонтальной оси, ортогональной осям горизонтальных направляющих средней плиты, и с возможностью перемещения относительно роликов вдоль вертикальной оси пресса, при этом одна из вспомогательных плит расположена на нижней траверсе пресса, а вторая снабжена вспомогательным приводом вертикального перемещения, соединенным с верхней траверсой пресса, и тягами, соединенными с вертикальными направляющими, установленными с возможностью перемещения относительно вертикальной оси пресса.

Технический результат достигается также при выполнении боковых поверхностей каждой из матриц и пуансонов, пересечения которых с их торцевыми поверхностями образуют ребра, относительно которых возможен поворот и поступательное перемещение боковых стенок матрицы, под углом 60-80 градусов к торцевым поверхностям этих элементов.

Достижение технического результата обеспечивается также и при выполнении торцевых поверхностей матриц и пуансонов с рифлеными пазами, поверхности которых ортогональны осям горизонтальных направляющих средней плиты.

Причинно-следственная связь между совокупностью существенных признаков данного технического решения и достигаемым техническим результатом состоит в следующем.

Осуществление процесса прессования порошка при наложении на весь его объем многократной сдвиговой разнознаковой деформации (МСР-деформации) в направлениях, ортогональных оси прессования, интенсифицирует осадку заготовки, формуемой из порошка полимера, что приводит к активному уплотнению заготовок при температуре материала, не превышающей 0,4-0,6 от температуры плавления полимера, до относительной плотности, равной 92-98% от теоретической, при давлениях прессования, равных 1,5-15 МПа, а также к повышению качества готовых изделий, полученных из этих заготовок после их термообработки.

Нагрев заготовки в процессе прессования, при котором перепад температур по объему заготовки в течение всего цикла нагрева не превышает 10%, а также осуществление прессования порошка в три этапа, на первом из которых осуществляют уплотнение порошка при наложении МСР-деформации и непрерывно увеличивают давление прессования до его максимально допустимых значений, на втором осуществляют изобарическую выдержку заготовки при максимальном давлении и ее последующий нагрев, а на третьем этапе проводят МСР-деформацию заготовки при максимальном давлении прессования, при этом на первом этапе температуру порошка поддерживают на уровне, не превышающем 0,4-0,6 от температуры плавления полимера, а на втором этапе доводят до 0,8-1,1 от этой температуры, причем МСР-деформацию на первом и третьем этапах прессования завершают после прекращения уплотнения заготовки на каждом из этих этапов, обеспечивает получение практически компактных (беспористых) изделий, а также повышает производительность технологического процесса при одновременном повышении качества сформованных изделий.

Подобный технический результат (повышение качества изделий и производительности технологического процесса) достигается также и при реализации варианта предложенного способа, в соответствии с которым наложение МСР-деформации на порошок на первом этапе прессования осуществляют после достижения максимальных значений величины давления прессования.

Снабжение устройства для формования изделий из порошкообразных полимеров установленными с возможностью перемещения относительно друг друга вдоль вертикальной оси пресса центрирующими планками, верхней, средней и нижней крепежными плитами, а также верхней и нижней вспомогательными монтажными плитами, при этом центрирующие планки, верхняя крепежная, нижняя крепежная и вспомогательные плиты соединены между собой вертикальными направляющими, а средняя крепежная плита снабжена двумя парами горизонтальных направляющих, установленных в центрирующих планках с возможностью перемещения по последним в направлении, ортогональном вертикальной оси пресса, и вспомогательным приводом горизонтального перемещения, установленным на одной из пар горизонтальных направляющих средней плиты, при этом пресс-форма устройства выполнена в виде верхнего и нижнего формующих блоков, каждый из которых состоит из прямоугольных матрицы и пуансона, причем матрица нижнего блока закреплена на нижней крепежной плите, пуансон верхнего блока - на верхней крепежной плите, а матрица верхнего блока и пуансон нижнего блока - на средней плите, при этом матрицы каждого из формующих блоков выполнены с оппозитной парой стенок, установленных с возможностью поворота вокруг двух осей, совпадающих с соответствующими ребрами торцевых поверхностей матрицы и пуансона, а также с возможностью возвратно-поступательного перемещения относительно ребер торцевых поверхностей пуансонов, при этом нижняя и верхняя крепежные плиты снабжены опорными роликами, соединенными между собой вертикальной балкой, которая закреплена на штоке вспомогательного привода горизонтального перемещения с опорой на пару горизонтальных направляющих средней плиты и установлена с возможностью поворота вокруг горизонтальной оси, ортогональной осям горизонтальных направляющих средней плиты, и с возможностью перемещения относительно роликов вдоль вертикальной оси пресса, при этом боковые поверхности каждой из матриц и пуансонов, пересечения которых с их торцевыми поверхностями образуют ребра, относительно которых возможен поворот и поступательное перемещение боковых стенок матрицы, под углом 60-80 градусов к торцевым поверхностям этих элементов, а также при выполнении торцевых поверхностей матриц и пуансонов с рифлеными пазами, поверхности которых ортогональны осям горизонтальных направляющих средней плиты, позволяет осуществлять МСР-деформацию всего объема порошка в направлении, ортогональном оси прессования, и его однородную проработку, в результате чего возрастает интенсивность и равномерность уплотнения порошка, а также и полнота удаления воздуха из его объема, что приводит к повышению качества (плотности и физико-механических свойств) крупногабаритных полимерных изделий при низком давлении прессования порошка и сопровождается повышением производительности технологического процесса.

Снабжение устройства для формования изделий из порошкообразных полимеров вспомогательными плитами, одна из которых расположена на нижней траверсе пресса, а вторая снабжена вспомогательным приводом вертикального перемещения, соединенным с верхней траверсой пресса, и тягами, соединенными с вертикальными направляющими, установленными с возможностью перемещения относительно вертикальной оси пресса, позволяет упростить технологический процесс и повысить его производительность как при загрузке порошка в матрицы верхнего и нижнего формующего блоков, так и при выгрузке готовых изделий из этих матриц после окончания цикла прессования.

Таким образом, приведенные выше отличительные признаки предложенного технического решения как по отдельности, так и в своей совокупности направлены на снижение давления прессования и повышение производительности технологического процесса при одновременном повышении качества сформованных изделий, т.е. на решение технической задачи предложенного изобретения.

Основные схемы реализации предложенного способа рассмотрены ниже на примерах выполнения и действия устройства для формования изделий из порошкообразных полимеров и композиционных материалов на его основе.

На фиг.1 приведен общий вид предложенного устройства, на фиг.2 - общий вид пресс-формы (в сборе), на фиг.3 - общий вид формующего блока.

Устройство для формования изделий из порошкообразных полимеров (фиг.1, 2 и 3) состоит из пресса 1, снабженного неподвижным столом 2, верхней 3 и нижней 4 траверс, главного привода 5, пресс-формы 6 и приспособления (не показано) для нагрева и охлаждения пресс-формы 6. Устройство снабжено установленными с возможностью перемещения относительно друг друга вдоль вертикальной оси пресса 1 центрирующими планками 7, верхней 8, средней 9 и нижней 10 крепежными плитами, а также верхней 11 и нижней 12 вспомогательными монтажными плитами, при этом центрирующие планки 7, верхняя крепежная 8, нижняя крепежная 10 и вспомогательные плиты 11 и 12 соединены между собой вертикальными направляющими 13, а средняя крепежная плита 9 снабжена двумя парами горизонтальных направляющих 14 и 15, установленных в центрирующих планках 7 с возможностью перемещения по последним в направлении, ортогональном вертикальной оси пресса 1, и вспомогательным приводом 16 горизонтального перемещения, установленным на одной из пар горизонтальных направляющих 14 средней плиты 9, при этом пресс-форма устройства выполнена в виде верхнего 17 и нижнего 18 формующих блоков, каждый из которых состоит из прямоугольных матрицы 19 и пуансона 20, причем матрица 19 нижнего блока 18 закреплена на нижней крепежной плите 10, пуансон 20 верхнего блока 17 - на верхней крепежной плите 8, а матрица 19 верхнего блока 17 и пуансон 20 нижнего блока 18 - на средней плите 9, при этом матрицы 19 каждого из формующих блоков 17 и 18 выполнены с оппозитной парой стенок 21 и 22, установленных с возможностью поворота вокруг двух осей, совпадающих с соответствующими ребрами (не обозначены) торцевых поверхностей матриц 19 и пуансонов 20, а также с возможностью возвратно-поступательного перемещения относительно ребер (не обозначены) торцевых поверхностей пуансонов 20, при этом нижняя 10 и верхняя 8 крепежные плиты снабжены опорными роликами 23, соединенными между собой вертикальной балкой 24, которая закреплена на штоке 25 вспомогательного привода 16 горизонтального перемещения с опорой на пару горизонтальных направляющих 14 средней плиты 9 и установлена с возможностью поворота вокруг горизонтальной оси, ортогональной осям горизонтальных направляющих 14 и 15 средней плиты 9, и с возможностью перемещения относительно роликов 23 вдоль вертикальной оси пресса 1, при этом нижняя вспомогательная плита 12 расположена на нижней траверсе 4 пресса 1, а верхняя 11 снабжена вспомогательным приводом 26 вертикального перемещения, соединенным с верхней траверсой 3 пресса 1, и тягами 27, соединенными с вертикальными направляющими 13, установленными с возможностью перемещения относительно вертикальной оси пресса 1.

Средняя крепежная плита 9 снабжена приспособлением (не обозначено) для ее закрепления на вертикальных направляющих 13. Боковые поверхности (не обозначены) каждой из матриц 19 и пуансонов 20, пересечения которых с их торцевыми поверхностями образуют ребра (не обозначены), относительно которых возможен поворот и поступательное перемещение боковых стенок 21 и 22 матрицы 19, выполнены под углом 60-80 градусов к торцевым поверхностям этих элементов. При этом торцевые поверхности матриц 19 и пуансонов 20 выполнены с рифлеными пазами (не обозначены), поверхности которых ортогональны осям горизонтальных направляющих 14 и 15 средней плиты 9.

Устройство работает следующим образом.

Среднюю крепежную плиту 9 с помощью устройства (не обозначено) для закрепления ее на вертикальных направляющих 13 поднимают в крайнее верхнее положение вспомогательным приводом 26. Главный привод 5 пресса 1 и матрица 19 нижнего формующего блока 18 находятся в крайнем нижнем положении. Порошок засыпают в матрицу 19 нижнего формующего блока 18 слоем равномерной толщины. Затем среднюю крепежную плиту 9 с закрепленным на ее нижней торцевой поверхности (не обозначена) пуансоном 20 нижнего формующего блока 18 опускают вниз до касания с поверхностью порошка, засыпанного в матрицу 19 нижнего формующего блока 18.

После этого вспомогательным приводом 26 опускают вертикальные направляющие 13 с закрепленной на них средней плитой 9 в крайнее нижнее положение. При этом пуансон 20 нижнего формующего блока 18 опирается на верхнюю торцевую поверхность порошка, засыпанного в матрицу 19 нижнего формующего блока 18.

Затем засыпают равномерным по толщине слоем порошок в матрицу 19 верхнего формующего блока 17. Главным приводом 5 пресса 1 проводят вертикальное перемещение нижней 10 и средней 9 плит, что обеспечивает сжатие двумя пуансонами 20 двух слоев порошка, засыпанного в матрицы 19 верхнего 17 и нижнего 18 формующих блоков.

В зависимости от выбранных вариантов осуществления способа прессования МСР-деформацию проводят сразу после закрытия матриц 19 пуансонами 20, либо после набора заданных значений температуры и давления прессования. Для этого вспомогательным приводом 16 осуществляют возвратно-поступательные перемещения горизонтальных направляющих 14 средней крепежной плиты 9 в ортогональном вертикальной оси пресса 1 направлении (относительно вертикальной балки 24, закрепленной на оси привода 16 и перемещающейся вдоль вертикальной оси пресса по опорным роликам 23 верхней 8 и нижней 10 крепежных плит). Возвратно-поступательные перемещения горизонтальных направляющих 15 вызывают перемещения средней крепежной плиты 9 относительно верхней 8 и нижней 10 крепежных плит. При этом две пары оппозитных боковых стенок 21 и 22 поворачиваются в противофазах относительно осей, совпадающих с соответствующими ребрами торцевых поверхностей матриц 19 и пуансонов 20, и перемещаются поступательно вдоль ребер (не обозначены) последних. При этом осуществляется многократная сдвиговая разнознаковая деформация (МСР-деформация) всего объема порошка в направлениях, ортогональных оси прессования.

Нагрев прессуемого порошка проводят через торцевые поверхности матриц 19 и пуансонов 20 в соответствии с принятыми режимами нагрева и прессования. Необходимую температуру этих поверхностей обеспечивают за счет подачи теплоносителя в специальные каналы (не показаны), выполненные в матрицах 19 и пуансонах 20.

Осевое сжатие (прессование) и уплотнение порошка в течение всего цикла прессования обеспечивается главным приводом 5 пресса 1 за счет перемещения относительно друг друга верхней 8, средней 9 и нижней 10 крепежных плит вдоль вертикальной оси пресса 1.

После окончания процессов МСР-деформации и прессования порошка средняя крепежная плита 9 вспомогательным приводом 16 устанавливается соосно с верхней 8 и нижней 10 крепежными плитами и фиксируется в этом положении. Выдержка порошка при заданных значениях давления и температуры производится в соответствии с выбранным способом формования и режимом термообработки.

Затем главный привод 5 пресса 1 опускают в крайнее нижнее положение. При этом пуансон 20 верхнего формующего блока 17 выходит из матрицы 19 этого блока, а спрессованную заготовку извлекают из полости матрицы 19.

Затем верхняя монтажная плита 11 вспомогательным приводом 26 перемещается в крайнее верхнее положение, в результате чего тяги 27 перемещают вдоль вертикальной оси пресса 1 в крайнее верхнее положение вертикальные направляющие 13 и закрепленную на них при помощи приспособления (не обозначено) среднюю крепежную плиту 9. При этом пуансон 20 нижнего прессующего блока 18 выходит из его матрицы 19. Спрессованная заготовка, находящаяся в матрице 19 этого блока, также извлекается из пресс-формы. Цикл прессования закончен.

Спрессованные заготовки могут подвергаться дополнительной термообработке при выбранных параметрах процесса. Однако уровень свойств, полученных после такой термообработки изделий, в значительной степени определяется качеством заготовок, полученных на стадии прессования.

Готовые изделия после прессования или после дополнительной термообработки направляют на склад готовой продукции, а следующий цикл формования начинается с загрузки прессуемого порошка полимера в свободные полости (не обозначены) матриц 19 нижнего 18 и верхнего 17 формующих блоков.

Описанное техническое решение (способ и устройство для его осуществления) предназначено преимущественно для изготовления высокоплотных крупногабаритных изделий из порошка СВМП (порошка сверхвысокомолекулярного полиэтилена) и композиционных материалов на его основе. Так, при изготовлении крупногабаритных изделий (прямоугольных плит размером 500×500×40 мм из порошка СВМП) при использовании известного технического решения продолжительность технологического процесса составляла 4-6 часов, а плотность готового (термообработанного) изделия не превышала 0,98 от теоретической плотности материала, при этом неоднородность распределения пористости по сечению изделия достигала 2-4%.

При изготовлении аналогичных изделий с использованием предложенного технического решения продолжительность технологического процесса составила не более 2 часов, а плотность готового изделия была равна теоретической плотности материала (пористость в изделии не обнаружена). При этом величина давления прессования порошка в предложенном способе, необходимая для получения изделий высокого качества, не превышает 60% от величины давления, применявшейся в известном варианте технического решения.

Следовательно, использование предложенного технического решения для изготовления крупногабаритных изделий из порошкообразных полимеров и композиционных материалов на его основе позволяет снизить давление прессования и повысить производительность технологического процесса при одновременном повышении качества сформованных изделий.

Источники информации

1. SU 1359144 А1, кл. В29С 43/52, 15.12.1987.