Производство изделий из листовых материалов

В некоторых  конструкциях нагрев листовых заготовок  производится в закрытых камерах. По принципу действия эти камеры можно  разделить на камеры с чисто конвективным обогревом (с помощью горячего воздуха), камеры с инфракрасными нагревателями  и камеры со смешанным лучисто-конвективным обогревом. В камерах с конвективным обогревом нагрев заготовки осуществляется потоком горячего воздуха, поступающего от воздуходувки через электрический  калорифер. Недостатком таких камер  является большая продолжительность  нагрева, достигающая для толстолистовых заготовок 40 мин. В камерах инфракрасного  обогрева обычно используют двусторонний нагрев. Применение таких камер полностью  исключает влияние микроклимата цеха на скорость и равномерность нагрева, однако наличие камеры утяжеляет машину и увеличивает ее габариты. Наилучшие результаты дает применение комбинированных камер, сочетающих инфракрасный и конвективный нагрев. 

Контроль температуры  нагреваемого листа может производиться  либо по продолжительности нагрева, либо по показаниям измерительных приборов. Применяют как контактные, так  и бесконтактные методы замера. К  контактным методам относится использование  различных термопар, чувствительный элемент которых соприкасается  с поверхностью заготовки. Иногда прибегают  к заделке спая в толщу листа. Бесконтактные методы замера температуры  основаны на применении различных пирометров.

 При нагревании  термопластов можно отметить  два ясно выраженных перехода: из твердого стеклообразного  состояния в высокоэластическое и затем в вязкотекучее. Между температурой стеклования и температурой текучести лежит область высокоэластического состояния, в которой термопласты, подобно каучукам, могут растягиваться, если на них действует внешняя сила, и возвращаться к исходной форме, если действие этой силы прекращается. Эта область может быть как очень малой, так и настолько большой, что температура текучести может быть практически недостижимой, т.к. еще до перехода в вязкотекучее состояние полимер претерпевает термическое разложение. У аморфных полимеров (ПС, ПММА) область высокоэластического состояния значительна (до 60-70°С), полимеры же с преобладанием кристаллической структуры (ПЭ, ПП) имеют меньшую область (около 10°С), что вносит определенные сложности в переработку таких материалов методами термоформования. В момент вытяжки заготовки в материале возникают упругие силы, которые после снятия давления формования стремятся вернуть изделие к первоначальной плоской форме заготовки. Чтобы зафиксировать конфигурацию отформованного изделия, не снимая давления формования, изделие охлаждается до температуры, ниже температуры стеклования. 

Методы формования:

 В зависимости  от конструкции, формы и способа  придания изделию окончательной  конфигурации различают несколько  основных методов формования:

 Свободное  формование. Закрепленной по контуру  в прижимной раме пневматической  камеры нагретой заготовке придают  сферическую форму, создавая перепад  давлений на ее поверхности  за счет подачи сжатого воздуха.  При этом необходим очень равномерный  разогрев заготовки и точное  регулирование давления сжатого  воздуха. Форма полученных изделий  определяется конфигурацией прижимной  рамы и высотой раздува изделия.  Для охлаждения изделий вводятся  различные системы обдува воздухом. В результате получаются изделия с высокими оптическими свойствами и высоким глянцем поверхности (фонари кабин самолетов, защитные колпаки, сферические кабины телефонов, вазы различных форм и другие изделия оптического или светотехнического назначения. 

Вакуум-формование - метод, при котором изделия формируются  из нагретого пластика при помощи вакуумирования формы. Разрежение для  листов толщиной не более 6 мм составляет, как правило, 0,06-0,08 МПа. Более толстые  листы вакуумными методами не формуются. Кроме того, этим методом не перерабатываются жесткие термопласты.

 Вакуум-формование  осуществляется как негативным, так и позитивным методами. Выбор  того или иного метода зависит  от следующих факторов:

 Наличия особых  требований к качеству внутренней  или внешней поверхности изделия;

 Местоположения  наиболее тонких стенок изделия,  требуемой равнотолщинности изделия;

 Угла наклона  вертикальных стенок (при охлаждении  после вытяжки на негативной  форме заготовка усаживается  в форме и потому легче удаляется,  а на позитивной - обтягивает ее  поверхность, вследствие чего  съем изделия весьма затруднителен). Поэтому минимальный угол наклона  стенок формы в зависимости  от типа перерабатываемого материала  при позитивном методе формования  составляет 3-5°, а при негативном - 1-2°. 

Негативное вакуум-формование. Закрепленная по контуру в прижимной раме нагретая заготовка втягивается в форму под действием разности между атмосферным давлением и остаточным давлением в вакуумируемой полости формы. Этот метод применяется для изготовления изделий относительно несложной геометрической формы со степенью вытяжки (отношение глубины к ширине) примерно 2,5. При формовании изделий большой глубины наблюдается утонение угловых участков и днища. Разнотолщинность является существенным недостатком негативного формования.  

Этот метод  формования позволяет осуществлять автоматизированное непрерывное производство упаковочных изделий из пленочных  и листовых материалов. 

Негативное вакуум-формование с предварительной вытяжкой пуансоном. Нагретую заготовку вначале вытягивают при помощи специального пуансона, приблизительно соответствующего форме матрицы, а затем придают ей окончательную конфигурацию, создавая разрежение в полости формы. Благодаря этому возможно формование более толстых листовых заготовок и получение более глубоких и равнотолщинных изделий. Этим способом наиболее целесообразно изготовление тонкостенной упаковки различных продуктов или крупногабаритных изделий с развитой поверхностью (например, внутренних стенок холодильников).

 Негативное вакуум-формование с предварительной пневмо-вытяжкой. Разогретый материал сначала с помощью сжатого воздуха подвергается биаксиальной вытяжке, а после этого втягивается в оформляющую полость формы. Этот метод применяется в случаях, если требуется произвести очень глубокую вытяжку материала и позволяет получить изделия с большей равнотолщинностью.

 Позитивное вакуум-формование. Нагретый лист прижимается к пуансону при перепаде давлений, возникающем из-за разности давлений, действующих на противоположных сторонах листа: атмосферное - на наружной и остаточное - на вакуумируемой. При формовании этим методом разогретый лист соприкасается в первую очередь с верхним торцом пуансона, образующим днище изделия, поэтому оно имеет наибольшую толщину, утончаясь в сгибах и боковых стенках по вертикали. Зато четкость контура изделия со стороны соприкосновения заготовки со стенками формы намного выше, чем при негативном вакуум-формовании. Позитивное вакуум-формование применяется для изготовления изделий со степенью вытяжки, не превышающей 0,5, и плавными переходами между образующимися поверхностями. Этот метод рекомендуется для формования листов, дающих провисание при нагреве, поскольку при этом исключается возможность преждевременного соприкосновения горячего листа с холодным пуансоном. Недостатком позитивного вакуум-формования кроме разнотолщинности являются и большие отходы материала.

 Позитивное вакуум-формование с предварительной вытяжкой пуансоном применяется для изделий, имеющих вертикальные стенки или большую глубину вытяжки. Размягченная заготовка вытягивается пуансоном, затем во внутренней полости пуансона создается вакуум и изделие формуется, точно воспроизводя его форму.

 Позитивное вакуум-формование с предварительной пневматической вытяжкой производится в случаях, если требуется произвести очень глубокую вытяжку материала. В этом случае листовая заготовка после нагрева подвергается предварительной вытяжке сжатым воздухом (свободное формование), затем осуществляется контакт с поднятым подвижным пуансоном, на котором с помощью вакуума происходит окончательное оформление изделия.

 Пневмоформование - это процесс, при котором нагретый  лист термопласта оформляется  в изделие под действием сжатого  воздуха, подаваемого в полость,  образованную пневмокамерой и  заготовкой. Вместо сжатого воздуха  может быть использована жидкость, заключенная в резиновый мешок,  или нагнетаемая под давлением  в полость над термопластичным  листом. Во избежание прямого  контакта жидкости с термопластом  между заготовкой и рабочей  жидкостью прокладывают резиновую  мембрану. Такой метод формования  называется гидродинамическим формованием.  

Преимуществами  этого способа формования являются:

 • Высокое  давление формования до 2,5 МПа,  а в случае гидродинамического  формования до 3,5 МПа

 • Высокая  точность размеров изделия и  четкость контура

 • Хорошая  равнотолщинность

 • Короткое  время цикла и, следовательно,  высокая производительность

 • Возможность  формования толстостенных заготовок  (с толщиной стенки более 1,5 мм, а при гидродинаическом формовании  от 2,5 до 25 мм) и крупногабаритных  изделий. 

Негативное или позитивное пневмоформование с предварительной вытяжкой заготовки или без нее сравнимо с аналогичными методами вакуум-формования. Такими способами получают бытовые ванны, детские ванночки, мойки, балконные ящики и пр.

 Существуют также способы формования пористых заготовок (пенопластов) или перфорированных заготовок, которые воздухопроницаемы и поэтому не могут быть отформованы ни вакуумным, ни пневматическим способами. Такие заготовки формуются с использованием резиновых прокладок. 

Способ формования листовых заготовок с проскальзыванием заключается в том, что в зажимной раме применяется упругий зажим, который, хотя и фиксирует заготовку, однако в процессе формования позволяет  формуемому листу проскальзывать и  втягиваться в оформляющую полость  формы. При этом способе получаются равнотолщинные изделия со степенью вытяжки 3,5-4,5. 

В некоторых  случаях проводят комбинированный  процесс с одновременным применением  вакуума и сжатого воздуха. В  камеру над зажатым по периметру  разогретым листом подают сжатый воздух, а в матрице создают вакуум. Таким способом получают крупногабаритные изделия большой емкости типа промывочных ванн, лодок и т.п. 

Механопневмоформование - это процесс, при котором в  одной форме совмещены операции выдувания, механического обжима, а  также, при необходимости, протяжки, штампования, вырубки, опрессовки и  т.д. Этот способ позволяет получать довольно сложные изделия за один рабочий цикл, что делает их производство экономичным и высокопроизводительным. Для механопневмоформования применяются  универсальные пневмокамеры с легкозаменяемыми матрицами и пуансонами. Этим методом в закрытых формах из листов и трубчатых заготовок с одновременной обрубкой и сваркой можно получать изделия замкнутого типа, такие, как аккумуляторные бачки, канистры, бутыли.

 Штампование  - это процесс, при котором нагретый  до высокоэластического состояния  лист формуется на гидравлическом  прессовом оборудовании при помощи  матрицы и жесткого или эластичного  пуансона. Давление прессования  составляет 0,13-1,00 МПа.  

Наряду с традиционной схемой формования в середине 70-х  годов прошлого века получил распространение т.н. метод «холодного» формования. При этом листовая заготовка при комнатной температуре или подогретая до температуры на 20-30°С ниже температуры стеклования данного термопласта устанавливается над матрицей, прижимается по контуру, а затем формуется путем приложения механического давления специальным пуансоном. В этом случае, в отличие от традиционной схемы, полностью отсутствует стадия охлаждения готового изделия и существенно сокращена или исключена стадия нагрева листовой заготовки. Преимуществом этого метода является возможность переработки им частично- и высококристаллических термопластов с низкой областью высокоэластического состояния. Кроме того, при этом методе не возникает разнотолщинности изделия.  

Основным рабочим  инструментом при формовании листовых термопластов является оснастка, оформляющая  разогретую до высокоэластического  состояния заготовку в изделие. Разнообразен материал для изготовления оснастки. Если при серийном и массовом производстве применяются цельнометаллические  оснастки (сталь, алюминиевые и магниевые  сплавы) или оснастки, изготовленные  методами гальванопластики, то для  опытных и мелкосерийных изделий  оснастка должна быть дешевой и простой  в изготовлении. Для этих целей  широко применяются дерево, гипс, пропитанный  поливинилацетатной эмульсией, эпоксидная смола.  

Для переработки  в изделия различными методами термоформования  пригодны практически все термопласты, выпускаемые промышленностью в  виде листов, пленок, труб и некоторых  других профилей. Тем не менее, термопласты, применяемые для формования, должны отвечать определенным техническим  требованиям. Они должны иметь достаточную  прочность при низких и высоких  температурах, не деформироваться под  влиянием нагрузок, интервал формовочных  температур должен быть достаточно широким  для нормального проведения процесса формования, материал в нагретом состоянии  должен быть эластичным, способным  к глубоким вытяжкам и обеспечивать формоустойчивость изделия. В нижеприведенной  таблице указаны предпочтительные методы формования в зависимости  от типа полимера и примерные условия  формования в зависимости от метода формования.