Способ изготовления толстостенных бесшовных жестких профильных изделий из неориентированных полукристаллических термопластичных полимеров и устройство для его осуществления

 

Изобретение относится к гидроэкструзионной переработке полимерных материалов в химической промышленности . Цель изобретения - расширение технологических возможностей за счет получения изделий фигурного профиля с многоосноориентированной структурой материала и повьшгение; их качества. Для этого полимерную заготовку деформируют в кольцевом канале устройства с п ;ременной степенью осевой вытяжки в разных радиальных направлениях поперечного сечения. Полимерную заготовку в виде цилиндра с коаксиальным отверстием при температуре, меньшей температуры плавления материала, выпрессовьгоают из камеры под действием гидростатического давления рабочей жидкости через кольцевой канал, образованный рабочими поверхностями мундштука и оправки и имеющий последовательно расположенные входную коническую зону, цилиндрическую уплотнительную зону, коническую расширительную зону, зону формования фигурного профиля и калибровочную зону. Кольцевой канал в поперечном сечении зоны формования фигурного профиля выбран переменным в различных радиальных направлениях, 2 с.п., 6 з.п.ф-лы, 7 ил. i (Л со со

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (19) (Ш (д1) 4 В 29 0 23/00// В 29 Е 23:00

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ

З ял, ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ / "-,, /

К А BTOPCKOMY СВИДЕТЕЛЬСТВУ а;. .: ., / (21) 4128176/31-05

I (22) 04. 08. 86 ° (46) 30.04.88.Бюл. Р 16 (71) Институт механики сплошных сред

Уральского научного центра АН СССР (72) Е.В.Славнов, С.В.1Цахов и А.В.Дружинин (53) 678.027.3 (088.8) (56) Патент США К 4035125, кл. В 29 F 3/00, 1977.

Патент СССР 11 1163801, кл. В 23 D 23/00, 1980. (54) СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ТОЛСТОСТЕННЫХ БЕСШОВНЫХ ЖЕСТКИХ ПРОФИЛЬНЫХ

ИЗДЕЛИЙ,ИЗ НЕОРИЕНТИРОВАННЫХ ПОЛУКРИСТАЛЛИЧЕСКИХ ТЕРМОПЛАСТИЧНЫХ

ПОЛИМЕРОВ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУШЕСТВЛЕНИЯ (57) Изобретение относится к гидроэкструзионной переработке полимерных материалов в химической промышленности. Цель изобретения — расширение технологических возможностей за счет получения изделий фигурного профиля с многоосноориентиронанной структурой материала и повышение их качества. Для этого полимерную заготовку деформируют в кольцевом канале устройства с переменной степенью осевой вытяжки н разных радиальных направлениях поперечного сечения. Полимерную заготовку в виде цилиндра с коаксиальным отверстием при температуре, меньшей температуры плавления материала, выпрессовынают из камеры под действием гидростатического данления рабочей жидкости через кольценой канал, образованный рабочими поверхностями мундштука и оправки и имеющий последовательно расположенные входную кониЖ ческую зону, цилиндрическую уплотни— тельную зону, коническую расширительную зону, зону формования фигурного профиля и калибровочную зону.

Кольцевой канал в поперечном сечении зоны формования фигурного профиля выбран переменным н различных радиальных направлениях, 2 с.п., 6 з.п.ф-лы, 7 ил.

1391935

Изобретение относится к переработке полимерных материалов в химической промышленности, в частности к получению изделий из термопластич5 ных полимерных материалов с улучшенными характеристиками методом твердофазной гидростатической экструзии, Цель изобретения — расширение технологических возможностей эа счет получения изделий фигурного профиля с многоосноориентированной структурой материала и повышение их качества.

На фиг.l схематично изображено устройство для изготовления толстостенных бесшовных жестких профильных иэделий из неориентированных полу-кристаллических термопластичных полимеров, продольный разрез; на 20 фиг,2 — инструментальная оснастка„ на фиг.3 — сечение А-А на фиг.2; на фиг.4 — вариант выполнения инструментальной оснастки; на фиг.5 — разрез Б-Б на фиг.4; на фиг.6 — второй вариант выполнения инструментальной оснастки; на фиг.7 — разрез В-В на фиг.6, Способ изготовления толстостенных бесшовных жестких профильных изделий из неариентированных полукристаллическчх термопластичных полимеров включает гидроэкструзию в твердом состоянии полимерной заготовки через экструзионную зону с удлинением заготовки в осевом направлении и одновременное ее расширение в окружном направлении и со смазкой поверхности полимера жидкостью под гидростатическим давлением. Заготовку деформируют с переменной степенью осевой вытяжки в разных радиальных направлениях поперечного сечения. С целью получения спиралеобразной структуры материала, каждое последующее поперечное сечение заготовки в направлении ее движения разворачивают относительно предыдущего поперечного сечения заготовки вокруг ее оси. Степень вытяжки материала в осевом направлении периодически изменяют вдоль образующей заготовки. Степень расширения заготовки в окружном направлении выбирают равной для ее наружных и внутренних слоев.

Предлагаемый способ может быть осуществлен с помощью устройства для изготовления толстостенных бесшовных жестких профильных иэделий из неориентированных полук рис таллических термопластичных полимеров.

Устройство содержит средства для крепления инструментальной оснастки, которая выполнена в виде гайки l, цилиндрического наружного корпуса 2 и штока 3. Устройство содержит также контейнерный узел, который выполнен в виде камеры 4 снабженный элементами 5 термостатирования и размещен в пределах средств для крепления инструментальной оснастки, содержит также средство создания давления в контейнерном узле, выполненное в виде штуцера 6.

Кроме того, устройство содержит уплотнительные средства в контейнерном узле для поддержания давления

1 гидростатической жидкости и обеспечения выдавливания пленки гидростатической жидкости на заготовку (не показаны), содержит оправку 7 с рабочей поверхностью а. Оправка смонтирована с образованием с рабочей поверхностью б мундштука 8 кольцевого канала 9 с последовательно расположенными в нем конической входной зоной 10, цилиндрической уплотнительной зоной il конической расширительной зоной 12, калибровочной зоной 13 и переходными зонами с плавными поверхностями переходов. В кольцевом канале 9 между конической расширительной 12 и калибровочной

13 зонами выполнена зона формования фигурного профиля 14. Профиль поперечного сечения кольцевого канала 9 в калибровочной зоне 13 и зоне формования фигурного профиля 14 выполнен изменяющимся в радиальном направ. лении. Для чего рабочие поверхности а и б соответственно оправки 7 и мундштука 8 выполнены геометрически неподобными. Площадь поперечного сечечия кольцевого канала 9 в зоне формования фигурного профиля 14 выполнена уменьшающейся в направлении калибровочной зоны 13. В зоне формования фигурного профиля 14 по рабочим поверхностям б и а соответственно мундштука 8 и оправки 7 выполнены равномерно расположенные впадины 15 и выступы 16 с образованием соответственно поверхностями впадин 15 цилиндрических поверхностей, а поверхностями выступов 16 — конических поверхностей. Цилиндрические и конические поверхности расположены кон91935

5 10

30

55 з 13 центрично оси оправки 7 ° Вершина конуса, образованного поверхностями выступов 16 мундштука 8, обращена в направлении калибровочной зоны 13.

Вершина конуса, .образованного поверхностями выступов 16 оправки 7, обра- щена в направлении конической расширительной зоны 12. По рабочим поверхностям б и а соответственно мундштука 8 и оправки 7 в зоне формования фигурного профиля 14 и в калибровочной зоне !3 выполнены винтовые спи- рали (не показаны7. Угол их подъема не менее 10 . Спирали могут быть выполнены одинакового или противоположного направления. При получении, например, гладкой трубы с предварительно спирально-ориентированной структурой материала, винтовые спира,ли выполнены только в зоне формова.ния фигурного профиля 14.

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

Способ изготовления трубчатого профиля осуществляют следующим образом.

Заготовку 17 из неориентированно.го полукристаллического термопластичного полимера, например из полиэтилена низкого давления, вставляют в мундштук 8 таким образом, чтобы наружная поверхность заготовки 17 плотно контактировала с рабочей поверхностью б мундштука 8. Гайку 1 с мундштуком 8 завинчивают по месту с обеспечением герметичного соединения мундштука 8 с камерой 4 ° Крепят цилиндрический наружный корпус 2 к гайке 1, оправку 7 к штоку 3, а шток 3 с оправкой 7 — к цилиндрическому корпусу 2 такйм образом, чтобы носовая часть оправки 7 вошла в отверстие заготовки 15 с обеспечением плотной посадки. Полость камеры 4 заполняют гидростатической жидкостью 18, например минеральным маслом, и нагревают контейнерный узел с инструментальной оснасткой до температуры гидростатической переработки, меньшей температуры плавления термопластичного полимера °

С помощью источника рабочей жидкости высокого давления (не показано) в камере 4 создают гидростатическое давление, достаточное для начала процесса гидропрессования изделия. На протяжении всего времени экструзии давление остается постоянным.

Во время гидроэкструзии часть рабочей жидкости образует тонкую пленку между поверхностями заготовки 15 и поверхностями оправки ? и мундштука 8, обеспечивая смазку заготовки

I7 во время ее экструзии.

После экструзии заготовки производят сброс гидростатического давления в камере. Разбирают устройство до исходного состояния и извлекают экструдат.

При осуществлении предлагаемого способа осевое удлинение заготовки

17 из термопластичного полимера определяется сходящейся площадью поперечного сечения кольцевого канала 9, общее окружное расширение заготовки

17 определяется увеличением среднего диаметра кольцевого канала 9 в конической расширительной зоне 12, дополнительное окружное удлинение поверхностного слоя заготовки 7 задается увеличением периметра рабочей поверхности а и б соответственно оправки 7 и мундштука 8 в зоне формования фигурного профиля 14. Бо всех слуЧаях увеличение периметра наружной поверхности изделия в поперечном сече.нии не должно сопровождаться увеличением максимального размера изделия в поперечном сечении, либо минимального размера продольного отверстия изделия в поперечном сечении.

Степень вытяжки в окружном направлении поверхностного слоя изделия может быть выражена в виде коэффициента окружной деформации, который определяется как отношение периметров соответствующих поверхностей иэделия и заготовки 17. Общий коэффициент окружной деформации изделия может быть определен как средняя арифметическая величина коэффициентов окружной деформации внутренней и наружной поверхностей иэделия, Степень вытяжки иэделия в осевом направлении может быть выражена в виде коэффициента осевой деформации, который определяется как отношение площадей поперечного сечения заготовки 17 и изделия.

Суммарная деформация иэделия может быть выражена коэффициентом экструзии, который определяется как

1391935. произведение коэффициентов осевой и ,общей окружной деформации.

В случае гидроэкструэионного полу чения труб круглого профиля с двух5 осно-ориентированной структурой изделие имеет равномерную осевую вытяжку по всему поперечному сечению и существенно неравномерную окружную . вытяжку по толщине стенки трубы. !О

:,Причем, степень окружной вытяжки ! внутренней поверхности трубы значи,: :тельно превышает степень окружной, вытяжки наружной поверхности. Это, в свою очередь ведет к неравномерной степени молекулярной ориентации ма-: териала, а следовательно, и неравномерной по сечению прочности материала в окружном направлении.

Повысить степень однородности 20 окружной ориентации по сечению трубчатого изделия можно за счет повышения степени ориентации его наруж1 ных слоев. С этой целью производят дополнительную вытяжку наружных сло- 25 ев заготовки 17 путем придания ее наружной поверхности формы такого профиля, периметр которого больше периметра окружности, например периодически чередующиеся выступы и впадины.

Кроме того., дополнительную вытяжку материала в изделии производят за счет винтовых спиралей на рабочих поверхностях а и б соответственно оправки 7 и мундштука 8 с углом

35 о подъема спирали не менее 10, В этом случае получают экструдат со спирально-ориентированной структурой, так как при движении заготовки 17 в зоне формования фигурного профиля 14 и в калибровочной зоне 13 происходит поворот вокруг ее оси каждого предыдущего поперечного сечения по отношению к последующему поперечно45 му сечению. Причем направления винтовых спиралей мундштука 8 и оправки

7 могут иметь одинаковое или противоположное направление. В последнем случае получают экструдат с перек50 рестно-ориентированной структурои.

Трубу круглого профиля со спирально-ориентированной или перекрест-но-ориентированной структурбй получают в случаях, когда винтовые спирали на рабочих поверхностях а и б 5 соответственно оправки 7 и мундштука

8 выполнены только в зоне формования фигурного профиля, а в калибровочной зоне 13 рабочие поверхности б и а мундштука 8 и оправки 7 выполнены цилиндрическими.

Для получения зубчатых колес с цилиндрическими поверхностями выступов и впадин экструдат зубчатого профиля разрезают перпендикулярно 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 наполнения 25%) получают глухим прессованием в виде цилиндра длиной 140 и диаметром 32 мм с коаксиальным отверстием диаметром 10 мм. Полимер имеет предельную прочность на растяжение

2! NIIa.

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 крепления инструментальной оснастки. Конусным концом оправку 7 вставляют в отверстие заготовки 17 с предварительным уплотнением.

Рабочими поверхностями оправки 7 и мундштука 8 образован кольцевой канал 9, имеющий сходящуюся площадь поперечного сечения и расходящийся диаметр. В калибровочной зоне 13 рабочую поверхность а оправки 7 выполняют цилиндрической диаметром

32 мм, а рабочую поверхность б мундштука 8 с 10 прямоугольными выступами 16 шириной 6 мм, расположенными равномерно по окружности. При этом диаметр окружности впадин равен

42 мм, а -диаметр окружности выступов — 36,3 мм. Формирование выступов по высоте осуществляется в зоне формования фигурного профиля 14. При этом угол между осью устройства и конической поверхностью выступов составляет 20

Полость камеры 4 заполняют рабочей жидкостью. Термокамеру, инструментальную оснастку и заготовку 17 о термостатируют при !00 С. Поднимают давление рабочей жидкости в .полости камеры 4. При давлении 100 ИПа через калибровочную зону 13 кольце1391935 Я

Из изделий вырезают кольца шириной 4 мм, которые растягивают двумя стальными сегментами до начала пластического течения.

Полученное профильное изделие с многоосно ориентированной структурой вого канала 9 проходит начальная часть заготовки !7. Постепенно давление повышается до 120 MIIa и оста1 ется на этом уровне до окончания

5 процесса гидроэкструзии.

Полимер несколько упруго восстанавливается на выходе из калибровочной зоны 13, что ведет к изменению размеров изделия по сравнению с зазо- 10 ром калибровочной зоны 13. Экструдат имеет внутренний диаметр 31,5, диаметр окружности выступов 16

42,4, диаметр окружности впадин !5

37,4, ширину выступов 16 6,4 мм.

Стабильность размеров сохраняется по всей длине изделия. При этом коэффициент осевой деформации составляет 1,51, коэффициент окружной деформации внутренней поверхности составляет 3,15, коэффициент окружной деформации наружной поверхности составляет 1,67, средний коэффициент окружной деформации составляет 2,41, а общий коэффициент экструзии равен

3,64. Таким образом, получают качественно новый вид профильных изделий для метода твердофазной гидроэкструзии.

Для сравнительной оценки прочностных свойств экструдата в окружном направлении аналогичную заготовку 17 экструдируют в соответствии о, с прототипом при температуре 100 С через формуюший канал с цилиндрическими рабочими поверхностями б и а соответственно мундштука 8 и оправки 7 в калибровочной зоне 13 и с диаметрами в этой зоне соответственно 4!,4 и 34,6 мм. Получают трубу с двухосно-ориентированной структурой наружным диаметром 40 и внут.ренним диаметром 31,5 мм. При этом

- коэффициент осевой деформации составил 1,52, а коэффициент окружной деформации, рассчитанный как отношение средних диаметров экструдата и заготовки, составил l 70. Полученные труба и сложнопрофильное трубчатое изделие имеют равные внутренние диаметры и площади поперечных сечений стенок ° обладает повышенной на 15-18% прочностью в окружном направлении.

Пример 2. Проводят аналогично примеру 1, но стой разницей,что заготовку 17 аналогичных размеров изготовляют из композиции 1-1-1 — 50 (полиэтилен низкой плотноСти, активационно наполненный туфом со степенью наполнения 5OZ}, используют мундштук 8 с цилиндрической рабочей поверхностью б в калибровочной зоне 13 диаметром 42,5 мм, используют оправку 7 с 15 трапецеидальными выступами 16 в зоне формования фигурного профиля 14 и в калибровочной зоне 13. В калибровочной зоне

13 диаметр окружности выступов 16 равен 37 мм, а диаметр окружности впадин равен 28,5 мм. Гидроэкструо зию проводят при температуре 110 С и давлении прессования 72-55 МПа.

Получают экструдат с наружным диаметром 42,6 мм и со сложным внутренним профилем.

Пример 3. Осуществляют аналогично примеру 1 с той разницей, что заготовку 17 изготовляют механическим способом из листового капролона с внутренним диаметром 14,3 мм, используют мундштук 8 с цилиндрическои рабочей поверхностью в калибровочной зоне 13 диаметром 32 мм, используют оправку 7 с 10 выступами

16 прямоугольной формы шириной

4,9 мм, выполнснными по винтовой линии вдоль оси оправки 7. Угол подъео ма винтовой спирали составляет 55

В калибровочной зоне 13 диаметр окружности выступов 16 оправки равен

26,3 мм, а диаметр окружности впадин 15 равен 18,7 мм. Гидроэкструо зию проводят при температуре 175 С и давлении прессования 160-.150 MIIa.

Получают экструдат с наружным диаметром 32,4 мм и с внутренней винтовой нарезкой.

Использование предлагаемого изобретения позволит получить в широком ассортименте толстостенные профильные изделия из термопластичных материалов с многоосно ориентированной структурой, в том числе со спирально-ориентированной и перекрестноориентированной структурой, с различной конфигурацией внутренней и внеш-, ней поверхностей, с равномерной по поперечному сечению окружной вытяжки материала.!

391935

Формула изобретения

1. Способ изготовления толстостенных бесшовных жестких профильных иэделий иэ небриентированных полукристаллических. термопластичных полимеров, включающий гидрозкструзию в твердом состоянии полимерной заготовки через зкструзионную 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 ич а ю шийся тем, что, с целью расширения технологических возможностей за счет получения изделий фигурного профиля с многоосноориенти" рованной структурой материала и повышения их качества, заготовку деформируют с переменной степенью осевой вытяжки в разных радиальных нап--. равлениях поперечного сечения.

2. Способ по п.1, о т л и ч а юшийся тем, что, с целью получения спиралеобразной структуры материала, каждое последующее поперечное сечение заготовки в направлении ее движения разворачивают относительно предыдущего поперечного сечения заготовки вокруг ее оси.

3. Способ по пп. 1 и 2, о т л ич а ю шийся тем, что степень вытяжки материала в,осевом направлении периодически изменяют вдоль образующей заготовки.

4. Способ по пп.1 — 3, о т л ич а ю шийся тем, что степень расширения заготовки в окружном нап" равлении выбирают равной для ее на". ружных и внутренних слоев .

5. Устройство для изготовления толстостенных бесшовных жестких профильных изделий из неориентированных полукристаллических термопластичных полимеров, содержащее средства для крепления инструментальной оснастки, контейнерный узел, снабженный элементами термостатирования и размещенный в пределах средств для креп ления инструментальной оснастки, средство создания давления в контейнерном узле, уплотнительные средства в контейнерном узле для поддержания давления гидростатической жидкости и обеспечения выдавливания пленки гидростатической жидкости на заготовку, оправку с рабочей поверхностью, смонтированную с образованием с рабочей поверхностью мундштука кольцевого канала с последовательно расположенными в нем конической входной зоной, цилиндрической уплотнительной зоной, конической расширительной зоной, калибровочной зоной и переходными зонами с плавными поверхностями переходов, о т л ич а ю щ е е с я .тем, что, с целью расширения технологических воэможностей за счет получения изделий фигурного профиля с многоосно-ориентированной структурой материала и повышения.их качества, в кольцевом канале между конической расширитель" ной и калибровочной зонами выполнена зона Формования фигурного профиля, причем профиль поперечного сечения кольцевого канала в калибровочной зоне и зоне формования фигурного про25 Филя выполнен изменяющимся в радиальном направлении, а площадь его поперечного сечения в зоне формования Фигурного профиля выполнена уменьшающейся в направлении калибро. вочной зоны. б. Устройство по п.5, о т л ич а ю щ е е с я тем, что в зоне

Формования фигурного профиля по рабочим поверхностям мундштука и оправки выполнены равномерно расположенные впадины и выступы с образованием соответственно поверхностями впадин цилиндрических поверхностей, а поверхностями выступов — коничес4О ких поверхностей, причем цилиндрические и конические поверхности расположены концентрично оси оправки, вершина конуса, образованного поверхностями выступов мундштука, обраще45 на в направлении калибровочной зоны, а вершина конуса, образованного поверхностями выступов оправки, — в направлении конической расширительной зоны.

7. Устройство по пп.5 и б, о тл и ч а ю щ е е с я тем, что по рабочим поверхностям мундштука и оправки в зоне формования фигурного профиля и в калибровочной зоне выполнены винтовые спирали.

8, Устройство по пп.5 — 7, о тл и ч а ю щ е е с я тем, что мундштук выполнен разборным. !

1391935

139! 935

Составитель В.Докучаева

Редактор Ю.Середа Техред Л.Сердюкова Корректор М.йароши

Заказ 1854!22 Тираж 559 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Производственно-полиграфическое предприятие, г. Ужгород, ул ° Проектная, 4