УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИНЖЕКЦИОННОГО ФОРМОВАНИЯ УЗЛОВЫХ ЭЛЕМЕНТОВ АРМАТУРНОЙ СЕТКИ ИЗ ПОЛИМЕРНЫХ МАТЕРИАЛОВ

Полезная модель относится к формованию полимерных материалов в пластическом состоянии, а именно к устройствам для инжекционного формования, и может использоваться, в том числе, при изготовлении арматурной сетки для формования узловых элементов арматурной сетки.
В настоящее время в строительстве широко используется арматура, изготовленная из композитных материалов, а также изготовленные из такой арматуры арматурные сетки, в которых соединения продольных и поперечных арматурных элементов выполнены узловыми элементами из полимерных материалов. Так, например, в арматурной сетке по патенту RU №156998 (МПК Е04С 5/02, Е04С 5/07; 02.12.2014) продольные и поперечные арматурные элементы соединены в местах пересечения узловыми элементами из полимерного материала. Узловые элементы при этом выполняются методом литья под давлением. Поскольку в зависимости от условий эксплуатации арматурной сетки количество узловых элементов на единицу площади арматурной сетки может изменяться в широком диапазоне, это затрудняет использование в составе технологического оборудования для изготовления узловых элементов такой арматурной сетки выпускаемых промышленностью литьевых машин (термопластавтоматов и др.).
Известно, что инжекционное формование - один из самых распространенных способов изготовления изделий из пластмасс. Основными достоинствами инжекционного формования являются: универсальность по видам перерабатываемых пластиков, высокая производительность в режиме автоматизированного процесса, высокая точность получаемых изделий, возможность изготовления деталей весьма сложной геометрической формы, недостижимой при использовании любых других технологий. Кроме того, этим методом производят изделия армированные, гибридные, полые, многоцветные, из вспенивающихся пластиков и др. Метод позволяет формовать изделия массой от долей грамма до десятков килограммов.
Типичная процедура инжекционного формования включает четыре основные операции:
- нагревание пластической массы в машине инжекционного формования до состояния, в котором она становится текучей;
- впрыск расплавленной пластической массы в одну или более полостей, образованных между половинами закрытой литьевой формы;
- остывание и отвердевание пластической массы, находящейся под давлением, в одной или более полостях.
Конструкция машин для инжекционного формования обязательно включает: блок подготовки расплава и его подачи в пресс-форму (инжекционный узел); блок запирания (и размыкания) формы в виде прессового устройства с ползуном (узел смыкания); блок привода, обеспечивающий все виды движения подвижных устройств оборудования и оснастки; устройство управления инжекционной литьевой машиной, реализующее требуемую последовательность взаимодействия блоков, силовых и кинематических узлов, а также температурные, скоростные, нагрузочные параметры, обеспечивающие оптимальный режим работы оборудования.
Конструкции инжекционных машин разнообразны. Основными классификационными признаками этих машин являются усилие запирания пресс-формы, то есть смыкания формы, создаваемое прессовым блоком, и объем впрыска, выражаемый числом кубических сантиметров расплава, которые могут быть подготовлены машиной для однократной подачи в литьевую форму. Выпускаемые промышленностью серийные литьевые машины, как правило, объединены в типоразмерные ряды по двум указанным выше параметрам.
Кроме того, инжекционные машины подразделяются по технологическим и основным конструктивным признакам:
- по способу пластикации: на одно-, двухчервячные, поршневые и червячно-поршневые;
- по особенностям пластикации: на машины с совмещенной и раздельной пластикацией (предпластикацией);
- по количеству пластикаторов: с одним, двумя и более пластикационными узлами;
- по числу узлов запирания формы (узлов смыкания): одно-, двух- и многопозиционные (ротационные, карусельные);
- по конструкции привода - электро- и гидромеханические, электрические; по расположению оси цилиндра узла пластикации и плоскости разъема литьевой формы - горизонтальные, вертикальные, угловые (с горизонтальной или вертикальной прессовой частью).
В типовой схеме горизонтальной инжекционной машины, например (http://plastinfo.ru/information/articles/56), как показано на фиг. 1, гранулированный полимерный материал из бункера (а) поступает в материальный цилиндр (b), захватывается вращающимся шнеком (с) и транспортируется в направлении мундштука (h). При этом гранулированный материал нагревается, уплотняется и под действием тепла от трения о поверхность винтового канала шнека и поверхность цилиндра, а также за счет тепла от наружных зонных электронагревателей (d) пластицируется, то есть расплавляется под давлением и, пройдя через обратный клапан (f), накапливается в зоне дозирования материального цилиндра, как показано на фиг. 2. Под действием возникающего при этом давления шнек отодвигается вправо, смещая плунжер (х) и хвостовик с имеющимся на нем (условно) концевым выключателем (y). Установкой ответного выключателя (z) на линейке регулируют отход шнека и, следовательно, подготовленный к дальнейшим действиям объем расплава в зоне дозирования и мундштука (h). После срабатывания концевых выключателей (y) и (z) вращение шнека прекращается - требуемая доза расплава подготовлена. Далее, гидроприводом (е) пластикационный, называемый также и инжекционным, узел сдвигается влево до смыкания мундштука с литниковой втулкой, установленной в стойке (i). К этому моменту завершается смыкание частей пресс-формы (k) и (l) прессовый узел машины. Он представляет собой, по сути, горизонтальный рычажно-гидравлический пресс, состоящий из задней (q) и передней (i) плит-стоек, соединенных, как правило, четырьмя колоннами (j) и (n), по которым смещается вправо (смыкание) и влево (размыкание) ползун (m). Ползун приводится в движение от рычажно-гидравлического механизма (о), (р). После приведения всех блоков в исходное состояние создается давление в гидроприводе (х) осевого движения шнека, который, действуя аналогично поршню, инжектирует расплав полимера из материального цилиндра в пресс-форму, где и образуется изделие. Наконечник (g), установленный на шнеке, способствует уменьшению образования застойных зон после впрыска. В период формообразования изделия шнек приводится во вращение для подготовки следующей дозы впрыска. После охлаждения расплава до заданной температуры форма раскрывается и изделие с помощью выталкивателей или с применением робототехнических устройств удаляется из рабочей зоны литьевой машины. Все подвижные узлы инжекционной машины обеспечиваются энергоносителем от главного привода, состоящего из электродвигателя (r), насосного блока (s), установленного в маслосборнике, и системы трубопроводов высокого (t) и низкого (u) давления. Для вращения шнека в данной схеме служит гидродвигатель (w) с зубчатой передачей (v).
Таким образом, инжекционные машины являются очень сложными и дорогостоящими устройствами, насыщенными современными техническими решениями, а их применение для реализации технологии литья под давлением требует квалифицированного технико-экономического обоснования, главные элементы которого: серийность и геометрическая сложность изделия, доступность и достаточность по технологическим, физико-механическим и эксплуатационным свойствам полимерного материала, выбранного для производства. Кроме того, наличие гидравлических узлов в инжекционных машинах типовых конструкций обусловливает повышенные требования по защите обслуживающего персонала, что приводит к повышению габаритных размеров и массы инжекционных машин.
Исходя из этих условий и особенностей, присущих технологии производства арматурной сетки, заявителем решалась нетривиальная задача по разработке конструктивно несложного устройства для инжекционного формования узловых элементов арматурной сетки, оптимальным образом сочетающего достоинства метода инжекционного формования полимерных материалов с технической простотой конструкции и улучшенными технико-экономическими параметрами эксплуатации такого устройства.
Заявителем был проведен ряд исследовательских и опытно-конструкторских работ в области инжекционного формования с целью исследования процессов подачи и распределения термопластичных материалов различной текучести в разных температурных диапазонах при низком давлении. Целью работ было исследование поведения термопластичного материала при протекании через каналы с малыми проходными размерами. В ходе исследований была выявлена возможность подачи термопластичного материала в литьевую форму (пресс-форму) под значительно более низким, чем принято в типовых конструкциях инжекционных машин, давлением, не требующей использования сложных технических решений и дорогостоящих технических средств, обеспечивающих смыкание-размыкание пресс-формы и впрыск расплава полимерного материала в пресс-форму.
Технический результат, достигаемый заявленной полезной моделью, заключается в упрощении конструкции устройства для инжекционного формования, в снижении материальных и энергетических затрат при изготовлении узловых элементов арматурной сетки с использованием данной полезной модели.
Технический результат достигается тем, что устройство для инжекционного формования узловых элементов арматурной сетки содержит инжекционный узел и механизм смыкания-размыкания пресс-формы, матрица которой установлена на неподвижной траверсе рабочего стола, а пуансон установлен вместе с инжекционным узлом на подвижной балке, осуществляющей в процессе работы устройства возвратно-поступательное движение; при этом инжекционный узел содержит пневмоцилиндр двухстороннего действия, шток которого соединен с инжекционным поршнем, перемещающимся в процессе работы устройства в полости, образованной внутренними полостями соосно соединенных цилиндра загрузки гранулированного полимера и цилиндра пластикации полимера, между которыми установлена кольцеобразная теплоизоляционная вставка; при этом цилиндр загрузки выполнен с лотком загрузки гранулированного полимера, на котором закреплен загрузочный рукав, в который поступает гранулированный полимер; при этом цилиндр пластикации выполнен с электронагревателями и датчиком температуры; при этом цилиндр пластикации выполнен с соплом, через которое осуществляется впрыск расплава полимера в сомкнутую пресс-форму; при этом на пневмоцилиндре установлен датчик положения поршня пневмоцилиндра, обеспечивающий дозировку впрыскиваемого в пресс-форму расплава полимера в зависимости от места установки датчика на пневмоцилиндре; при этом пуансон пресс-формы закреплен с помощью амортизирующей подвески на цилиндре пластикации инжекционного узла, а инжекционный узел крепится на подвижной балке кронштейном подвески с двумя зажимными держателями; при этом пуансон и матрица пресс-формы выполнены с охлаждением проточной водой.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
На фиг. 3 представлен вид спереди устройства, где инжекционный узел, содержит: 1 - пневмоцилиндр двухстороннего действия с поршнем 29 и штоком 8; 2 - цилиндр загрузки гранулированного полимера с загрузочным отверстием 28; 3 - кронштейн подвески инжекционного узла; 4 - лоток загрузки; 5 - цилиндр пластикации; 6 - держатели зажимные; 7 - фланец; 9 - инжекционный поршень; 10 - теплоизоляционная вставка; 11 - электронагреватели цилиндра пластикации, снабженные не показанным не чертеже датчиком температуры; 12 - сопло; 15 - фланец подвески, смонтированный на цилиндре загрузки 2 с помощью кольца запорного 16; 13 - верхняя подвижная часть (пуансон) пресс-формы. Пуансон пресс-формы 13 подвешен с помощью амортизирующей подвески, включающей планки пуансона 19 и перемещающиеся внутри гильз 17 подпружиненные пружинами 31 штоки 18, к фланцу подвески пуансона 15. Инжекционный узел крепится кронштейном подвески 3 на подвижной балке 24 двумя держателями зажимными 6 и болтами 20. На пневмоцилиндр установлены штуцеры 21 подачи сжатого воздуха и датчик положения 22 поршня 29 пневмоцилиндра. На лотке загрузки 4 закреплен загрузочный рукав 23, через который осуществляется подача гранулированного полимера в лоток загрузки и далее через загрузочное отверстие 28 в цилиндр загрузки. Нижняя неподвижная часть пресс-формы 14 (матрица) с установочными пазами 30 для арматуры установлена на траверсе 25 рабочего стола 26. Пуансон и матрица пресс-формы выполнены с водяным охлаждением, осуществляемым посредством ввода в них проточной воды через штуцеры 27.
На фиг. 4 представлен общий вид устройства для инжекционного формования узловых элементов арматурной сетки, где инжекционный узел с верхней подвижной частью 13 (пуансоном) пресс-формы закреплен на подвижной балке 24. Нижняя неподвижная часть пресс-формы 14 (матрица) установлена на траверсе 25 рабочего стола 26.
Устройство работает следующим образом.
В начале рабочего цикла устройства подвижная балка 24 с закрепленными на ней инжекционным узлом и пуансоном пресс-формы находится в верхнем положении, а пуансон 13 и матрица 14 пресс-формы разомкнуты. Продольный и поперечный арматурные элементы сетки устанавливаются в соответствующие им установочные пазы 30 в матрице пресс-формы, после чего балка 24 опускается вниз, пуансон с матрицей смыкаются и удерживаются в сомкнутом состоянии с усилием, определяемым амортизирующей подвеской (перемещающиеся внутри гильз 17 подпружиненные пружинами 31 штоки 18). Поршень 29 пневмоцилиндра со штоком 8 пневмоцилиндра и инжекционный поршень 9 находятся в верхнем положении. В цилиндры загрузки 2 (холодную зону) и пластикации 5 (горячую зону) через рукав 23 и лоток загрузки 4 загружается порция гранулированного полимера. В цилиндре пластикации полимер нагревается электронагревателями 11 до заданной температуры, контролируемой с помощью датчика температуры. При этом теплоизоляционная вставка 10 препятствует распространению нагрева от цилиндра пластикации на цилиндр загрузки и, следовательно, предотвращает нагрев и слипание гранул полимера в цилиндре загрузки (в холодной зоне), а также способствует стабилизации температуры в зоне пластикации. После достижения заданной температуры в цилиндре пластикации осуществляется рабочий ход подвижной балки 24 вниз до соприкосновения сопла 12 с пуансоном пресс-формы. При этом амортизирующая подвеска обеспечивает увеличение усилия, удерживающего пресс-форму в сомкнутом состоянии. В поршневую полость пневмоцилиндра подается сжатый воздух и инжекционный поршень 9 перемещается вниз, осуществляя рабочий ход в «холодной зоне». Через сопло 12 порция расплава полимера выдавливается в сомкнутую пресс-форму. Величина перемещения инжекционного поршня вниз (рабочий ход поршня), а следовательно, и дозировка количества выдавливаемого в пресс-форму расплава полимера определяются положением датчика положения 22 поршня пневмоцилиндра. После впрыска заданной положением датчика 22 дозы расплава полимера в пресс-форму балка 24 перемещается вверх и сопло 12 выходит из соприкосновения с верхней частью пресс-формы, однако пресс-форма при этом еще остается сомкнутой в течение времени, необходимого для охлаждения сформованного узлового элемента, для чего пуансон и матрица пресс-формы охлаждаются проточной водой. Сжатый воздух подается в штоковую полость пневмоцилиндра. Поршень пневмоцилиндра со штоком и инжекционный поршень перемещаются вверх. После того как инжекционный поршень при движении вверх освобождает загрузочное отверстие 28 в цилиндре загрузки, в него поступает новая порция гранулированного полимера. После охлаждения сформованного в пресс-форме узлового элемента арматурной сетки балка 24 с закрепленным на ней инжекционным узлом перемещается вверх и пресс-форма размыкается. После размыкания пресс-формы участок арматурной сетки с образованным в месте пересечения продольной и поперечной арматуры узловым элементом извлекается из матрицы пресс-формы.
Использование в конструкции инжекционного узла разделенных теплоизоляционной вставкой цилиндра загрузки и цилиндра пластикации, а для нагрева цилиндра пластикации и контроля температуры нагрева электронагревателей с датчиком температуры позволило обеспечить формирование в инжекционном узле двух резко различающихся по температурному режиму зон: холодной и горячей, в которых во время работы устройства устанавливаются стабильные температурные режимы. Это, в свою очередь, обеспечивает, с одной стороны, создание необходимых и достаточных условий для пластикации полимера в цилиндре пластикации и, с другой стороны, предотвращает выход расплава полимера в цилиндр загрузки.
Кроме того, для задачи, на решение которой направлена заявленная полезная модель, получено наиболее оптимальное сочетание достаточности величины давления впрыска расплава полимера, обеспечиваемого пневмоцилиндром, с усилием смыкания пресс-формы, которое обеспечивает простое по своей реализации техническое решение амортизирующей подвески пунсона пресс-формы.
Таким образом, использование в заявленной полезной модели конструктивно простых, технологически легко осуществимых и не требующих высоких материальных и энергетических затрат технических решений, а именно: механизма смыкания-размыкания пресс-формы; системы загрузки гранулированного полимера; механизма пластикации полимера с использованием электронагревателей; пневматического привода механизма впрыска расплава полимера в пресс-форму; системы водяного охлаждения пресс-формы, не требующей повышенного давления воды в системе (достаточно обеспечить давление от 0,03 МПа до 0,6 МПа), позволило обеспечить достижение заявленного технического результата. При этом необходимо отметить, что заявленная полезная модель позволяет при ее использовании обеспечить быструю перенастройку технологического оборудования для производства арматурной сетки в зависимости от количества узловых элементов, приходящихся на единицу площади изготавливаемой или планируемой к изготовлению арматурной сетки (или, другими словами, в зависимости от количества продольных и поперечных арматурных элементов). Понятно, что для этого на технологическом оборудовании достаточно установить определенное количество синхронно работающих согласно заявленной полезной модели недорогих, легко изготавливаемых и монтируемых устройств, не требующих к тому же высоких эксплуатационных расходов.