УСТРОЙСТВО ДЛЯ ГИДРОСТАТИЧЕСКОГО ПРЕССОВАНИЯ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ

Полезная модель относится к области машиностроения, в частности к оборудованию для производства изделий из композиционных материалов, а именно, к устройству для гидростатического прессования композиционных материалов, и предназначено для изготовления монолитных изделий любой заданной формы из композиционных материалов.
Известно устройство для прессования композиционных материалов - жесткая пресс-форма с односторонним прессованием. (Основы технологии переработки пластмасс: учебник для вузов / С.В.Власов, Л.Б.Кандырин, В.Н.Кулезнев и др. - М.: Мир, 2006. - 600 с. - С.420). Такое устройство в настоящее время является наиболее широко применяемым для производства изделий из композиционных материалов, пластмасс. Формообразующими элементами являются выталкиватель, пуансон и матрица. Они образуют полость, в которой прессуется полимерный материал. Форма получаемого изделия соответствует форме полости. Жесткая пресс-форма одностороннего прессования позволяет прессовать изделия с отношением высоты (длины) к поперечному сечению не более единицы.
Известно устройство для двустороннего прессования и спекания порошков из электропроводящих материалов (RU 37955 U1, B22B 1/52, заявл. 09.01.2004, опубл. 20.05.2004). Оно представляет собой жесткую пресс-форму с двумя встречно движущимися пуансонами, которые одновременно служат для подвода электрического тока к прессуемому материалу. Матрица состоит из металлического корпуса и огнеупорной электроизоляционной втулки. Между порошком и рабочей частью пуансонов-токоподводов размещены графитовые прослойки для предотвращения их спекания. Между рабочей частью обоих пуансонов-токоподводов и огнеупорной втулкой установлены пластинки из слюды. Это позволяет получить плотную посадку огнеупорной втулки на пуансон-токоподвод непосредственно на рабочем месте. Центрирующие втулки, выполненные из термореактивной пластмассы или дерева, служат для фиксации хвостовой части пуансона-токоподвода в корпусе.
Рассмотренные выше жесткие пресс-формы имеют общий недостаток: сжимающее усилие прикладывается к прессуемому материалу только со стороны пуансонов, то есть, прессуемый материал в разных точках испытывает различное давление прессования. Возникает неоднородность полученного изделия по плотности, физико-механическим показателям. Для минимизации этого эффекта приняты ограничения по форме и размерам прессуемых изделий.
Известна пресс-форма для квазиизостатического прессования (Оборудование для обработки давлением порошков и порошковых заготовок / под ред. Л.А.Баркова. - Челябинск: Металл, 1992, с.37-43). Она конструктивно подобна жестким пресс-формам, отличается тем, что формообразующие элементы изготовлены из эластомеров (с металлической арматурой или без нее), например, каучука, резины или полиуретана. Усилие пресса передается металлическим пуансоном на эластичные формообразующие элементы, которые находятся в стальном контейнере, состоящем из обечайки и нижней крышки. Формообразующие элементы подвергаются упругой деформации и сжимают прессуемый материал.
Недостатком пресс-формы для квазиизостатического прессования является изменение формы эластичных элементов в процессе работы. При этом формообразующие элементы движутся относительно стального контейнера, между ними и стальным контейнером действует сила трения. Трение приводит к нарушению условий изостатического прессования, возникает градиент плотности 2-3% по длине и сечению отпрессованного изделия.
Известно устройство для гидростатического прессования - гидростат с внешним источником давления (Буланов, В.Я. Гидростатическое формование порошков. - Екатеринбург: УИФ «Наука», 1995. - С.152-154). Устройство состоит из толстостенного стального контейнера, закрываемого затвором. Уплотнением служат упруго расширяющееся стальное кольцо и резиновая прокладка. В затворе имеется отверстие для удаления воздуха, которое закрывается стержнем. Штуцер предназначен для подачи жидкости от внешнего источника давления - гидронасоса - в контейнер. В контейнере находится пресс-форма, состоящая из перфорированной металлической гильзы (с отверстиями ⌀2-3 мм), и эластичных элементов: резиновой оболочки, наружного герметизирующего резинового чехла и резиновых пробок. Геометрическая форма пресс-формы подобна геометрической форме получаемого в процессе прессования изделия, при этом размеры пресс-формы в процессе прессования уменьшаются в 2-5 раз, изменение объема зависит от природы вещества, его насыпной плотности и давления прессования. Деформация перфорированной металлической гильзы необратима, повторное использование ее невозможно.
Недостатки гидростата с внешним источником давления: использование одноразовой пресс-формы; ограничение применения, поскольку пресс-форма является герметичной, невозможно удаление летучих веществ в процессе прессования материалов, поэтому гидростатическое прессование применимо для переработки только тех материалов, которые не выделяют в процессе прессования летучих веществ, например, порошков металлов.
Известен гидростат плунжерного типа на базе гидравлического пресса, предназначенный для производства сталеразливочных стаканов из глиноземографитовых порошков (Оборудование для обработки давлением порошков и порошковых заготовок / под ред. Л.А.Баркова. - Челябинск: Металл, 1992, С.182-185). Основные узлы: гидравлический пресс, бункер-дозатор, два контейнера, поворотный стол, выталкиватель, гидронасос мультипликаторного типа, нагнетающий в контейнер жидкость под давлением 100 МПа. На поворотном столе гидравлического пресса установлены два контейнера, таким образом, что один из них находится на позиции прессования, под плунжером гидравлического пресса, а второй - на позиции разгрузки, над механическим выталкивателем. Поворотный стол предназначен для перемещения контейнера с позиции прессования на позицию разгрузки и обратно. К контейнерам подключен гидронасос мультипликаторного типа, нагнетающий жидкость под давлением 100 МПа. Плунжером осуществляется осевое прессование композиционного материала, а жидкостью, нагнетаемой гидронасосом мультипликаторного типа, - радиальное. Извлечение изделия производится с помощью механического выталкивателя. Перед извлечением изделия рабочая жидкость должна быть удалена из контейнера. Недостатки устройства: не обеспечивает получения высокоплотных изделий, так как отсутствуют агрегаты, выполняющие операции предварительного уплотнения материала перед прессованием, а именно, виброуплотнения и вакуумирования; сложность извлечения отпрессованного изделия после прессования - для этого необходимо перемещение контейнера со стола пресса на позицию разгрузки, где отпрессованное изделие извлекается при помощи механического выталкивателя.
Прототипом заявляемого решения является устройство для изостатического прессования изделий сложного профиля из водонасыщенной волокнистой массы (RU 53965 U1, МПК B28B 1/52, заявл. 01.11.04; опубл. 10.06.06, Бюл. No 23 (II ч.). - 6 с.).
Устройство содержит жесткую перфорированную и эластичную прессующую оболочки, размещенные в герметичном кожухе, подключенном к вакуумной системе, съемный экран-ограничитель отжима воды, установленный в перфорированной оболочке. На внутренней поверхности эластичной прессующей оболочки жестко закреплены 6-8 взаимно перекрывающихся металлических сектора оболочечного типа. Выполнение эластичной прессующей оболочки с жестко закрепленными на ее внутренней поверхности взаимно перекрывающимися металлическими секторами оболочечного типа позволяет получить сложнопрофильные крупногабаритные заготовки с равномерным распределением свойств.
Недостатками указанного устройства являются: отклонение формы изделия вследствие неидеального смыкания металлических секторов оболочечного типа; необходимость ручной разборки устройства для извлечения готового изделия; непригодность для прессования композиционных материалов, содержащих какие-либо связующие, потому что связующее, продавившись через отверстия перфорированной оболочки и затвердев, прочно приклеится к этой оболочке (фактически, устройство предназначено только для прессования изделий из стекловаты и подобных ей волокнистых материалов, не содержащих связующих); непригодность для прессования композиционных материалов при повышенной температуре, так как устройство не содержит средств нагрева и автоматического регулирования температуры.
В основу предлагаемой полезной модели положена техническая задача, заключающаяся в повышении точности геометрических размеров и формы изделий, снижения трудоемкости процесса прессования, расширения ассортимента прессуемых материалов.
Для решения поставленной задачи предлагается устройство для гидростатического прессования композиционных материалов, содержащее формообразующие элементы в виде перфорированной матрицы, эластичной мембраны и с расположенным в мембране жестким элементом, размещенные в герметичном контейнере, подключенным к вакуумному насосу, характеризующееся тем, что контейнер снабжен крышкой с образованием двух полостей (вакуумной и заполненной рабочей жидкостью), формообразующий жесткий элемент выполнен в виде подвижного плунжера, снабженного противоэкструзионным кольцом, и установлен в крышке контейнера, при этом полость с рабочей жидкостью подключена к гидронасосу, а вакуумный насос подключен к полости, образованной эластичной мембраной, кроме того в качестве гидронасоса установлен двухрежимный гидронасос с постоянным и пульсирующим давлением.
Контейнер устройства может быть снабжен электрическим нагревателем и датчиком температуры, подключенным к блоку автоматического регулирования температуры, а в качестве рабочей жидкости для заполнения контейнера используют воду или кремнийорганическую жидкость.
Эластичная мембрана может быть изготовлена из полимера: силиконовой резины или фторкаучука, или бутадиен-нитрильного каучука, или полиуретана, или из двухслойного материала, состоящего из одного из указанных полимеров и меди, или из двухслойного материала, состоящего из одного из указанных полимеров и алюминия.
Устройство пригодно для прессования композиционных материалов, состоящих из наполнителя (волокна углеродные, органические или стеклянные, порошки углеродные или минеральные) и связующего (смолы фенольные, эпоксидные или полиамидные, пеки каменноугольные или нефтяные, а также иные связующие, перерабатываемые при температурах 300°C и ниже). Устройство обеспечивает получение однородных и высокоплотных изделий из композиционных материалов за счет всестороннего обжатия прессуемого материала в изостатическом режиме, то есть, с одинаковым давлением во всех точках поверхности прессуемого изделия.
Сущность изобретения поясняется графическими материалами, где на фиг.1 дана общая схема устройства; на фиг.2 - изделие, отпрессованное в устройстве, изображенном на фиг.1; на фиг.3 - схема устройства в режиме загрузки прессуемого композиционного материала в устройство; на фиг.4 -схема устройства в режиме вакуумирования; на фиг.5 - схема устройства в режиме виброуплотнения и прессования; на фиг.6 - схема устройства в режиме извлечения отпрессованного изделия; на фиг.7 - дана таблица, в которой приведены комплекты формообразующих элементов (перфорированная матрица, эластичная мембрана, плунжер) для прессования из композиционных мктериалов изделий различных форм.
Устройство состоит из контейнера 1 с клапаном 2 для подключения гидронасоса (на фиг.1 не показан). Контейнер закрыт крышкой 3, в которой имеются каналы для вакуумирования со штуцерами 4 для подключения вакуумного насоса (на фиг.1 не показан). Внутри контейнера на крышке 3 закреплена перфорированная матрица 5 со вставленной внутрь эластичной мембраной 6, внутри которой осуществляется прессование композиционного материала. В крышке контейнера внутри эластичной мембраны установлен подвижный плунжер 7, снабженный противоэкструзионным кольцом 8. Противоэкструзионное кольцо препятствует экструзии прессуемого материала через зазор между плунжером и эластичной мембраной. Перфорированная матрица 5, эластичная мембрана 6 и плунжер 7 являются формообразующими элементами, то есть, их форма определяет форму отпрессованного изделия.
Для нагрева рабочей жидкости, а вместе с ней и прессуемого материала, контейнер может быть снабжен электрическим нагревателем 9 и датчиком температуры 10, которые подключены к прибору автоматического регулирования температуры 11. Максимально достижимая температура определяется материалом эластичной мембраны и рабочей жидкостью.
Для прессования композиционных материалов с получением изделий различных форм и размеров предусматривается комплект перфорированных матриц и плунжеров (фиг.7, табл.) различных форм и размеров.
Эластичная мембрана способна сильно деформироваться под давлением, что обеспечивает возможность извлечения отпрессованного изделия без разборки устройства - это снижает трудоемкость процесса прессования. Для извлечения отпрессованного изделия достаточно поднять плунжер и нагнетать жидкость в контейнер под небольшим давлением (<1 МПа). Под давлением жидкости мембрана прогибается вверх, выталкивая отпрессованное изделие из устройства.
Для заполнения полости контейнера рабочей жидкостью имеется клапан. Через этот клапан 2 к устройству присоединен гидронасос, имеющий два режима работы: либо с пульсирующим давлением для виброуплотнения прессуемого материала, либо с давлением постоянной величины для извлечения отпрессованного изделия из устройства. Такой насос может быть изготовлен на основе поршневого гидронасоса, имеющего следующие характеристики: давление не менее 1 МПа, производительность не менее 1-10 л/с (в зависимости от объема контейнера). Ввиду того, что не требуется высокое давление жидкости, для устройства применимы серийно производимые поршневые гидронасосы.
Эластичная мембрана изготовлена из эластомера, выбор которого определяется температурой прессования композиционного материала, свойствами композиционного материала и рабочей жидкости. Например, силиконовая резина и фторкаучук работоспособны до температуры 200°C, при этом мембрана из силиконовой резины может кратковременно работать при температуре 300°C. Бутадиен-нитрильный каучук обладает высокой эластичностью при комнатной температуре. Полиуретан обладает повышенной прочностью. Эластичная мембрана из двухслойного материала, состоящего из эластомера и металла (меди или алюминия), применяется для переработки композиционных материалов, содержащих твердые волокнистые частицы (углеродные, стеклянные волокна), которые способны прокалывать резину.
В отличие от прототипа предлагаемое устройство позволяет дополнительно осуществить вакуумирование и виброуплотнение прессуемого материала. Извлечение отпрессованного изделия осуществляется без разборки устройства, но за счет деформации эластичной мембраны под действием давления жидкости, нагнетаемой в контейнер.
3
Преимущества заявляемого устройства - максимально плотное сжатие композиционного материала (в процессах виброуплотнения, вакуумирования и прессования) с получением изделия высокой плотности, легкость извлечения отпрессованного изделия, возможность получать изделия любой заданной формы. В результате прессования получается изделие, характеризующееся повышенной степенью однородности и низкой пористостью. Разница в значениях плотности по высоте и диаметру изделия не превышает 0,01 г/см (не более 0,5%).
Заявленное устройство работает следующим образом.
Вначале плунжер поднят, клапан закрыт, насосы выключены. В полость, образованную эластичной мембраной, засыпают навеску прессуемого материала (фиг.3).
Затем производится вакуумирование с целью удаления воздуха, влаги и других адсорбированных веществ из прессуемого материала, что способствует в дальнейшем повышению плотности отпрессованного изделия. Для проведения вакуумирования плунжер опускают вниз, не доходя до каналов для вакуумирования, как показано на фиг.4, включают вакуумный насос, подключенный к штуцерам в крышке. Вакуумирование может быть произведено как при комнатной температуре, так и при повышенной, для нагрева прессуемого материала включают систему автоматического регулирования температуры.
После вакуумирования прессуемый материал подвергается виброуплотнению. Эта операция способствует более плотной упаковке частиц прессуемого материала, то есть, повышает насыпную плотность, что в дальнейшем способствует повышению плотности отпрессованного изделия. Для проведения виброуплотнения опускают плунжер до слоя прессуемого материала, как показано на фиг.5, открывают клапан 2 и включают гидронасос в режиме пульсирующего давления. Пульсирующее давление средней величиной от 5 до 7 МПа, изменяющееся с амплитудой от 0,1 до 0,5 МПа, с частотой от 10 до 100 Гц, передается от гидронасоса посредством рабочей жидкости к эластичной мембране, а от нее - к прессуемому материалу. Такой же величины давление, только без пульсаций, подводится к прессуемому материалу посредством плунжера. Для этого плунжер передвигается вниз с усилием, равным F=P·S, где P - давление, равное 5…7 Мпа, S - площадь поверхности прессуемого изделия, равная площади формообразующей поверхности плунжера. Плунжер давит на прессуемый материал, прижимая его вместе с эластичной мембраной к перфорированной матрице.
3
После виброуплотнения производится прессование композиционного материала с получением изделия заданной формы. Для этого необходимо давление величиной от 30 до 70 МПа. Для создания давления плунжер передвигается вниз с усилием, равным F=P·S, где P - давление, равное 30…70 Мпа, S - площадь поверхности прессуемого изделия, равная площади формообразующей поверхности плунжера. Одновременно с этим работает система автоматического регулирования температуры для нагрева прессуемого материала и вакуумный насос для удаления летучих веществ, выделяющихся в процессе прессования материала. При этом клапан должен быть закрыт во избежание оттока жидкости из него под действием давления от плунжера. Поскольку жидкость не имеет выхода из контейнера, она передает давление от плунжера во все стороны, в том числе, и на эластичную мембрану. Прессуемый материал подвергается сжатию как со стороны плунжера, так и со стороны рабочей жидкости через эластичную мембрану, таким образом, сжатие получается всесторонним, что благоприятно сказывается на качестве отпрессованного изделия. Разница в значениях плотности по высоте и диаметру изделия не превышает 0,01 г/см (не более 0,5%). Эластичная мембрана не прорывается под давлением, так как давление на нее со стороны плунжера уравновешивается давлением со стороны рабочей жидкости.
По завершении прессования производится операция извлечения отпрессованного изделия из устройства. Для этого выключают вакуумный насос, поднимают плунжер, как показано на фиг.6 и нагнетают рабочую жидкость гидронасосом через клапан. Под давлением рабочей жидкости эластичная мембрана прогибается вверх, выталкивая отпрессованное изделие из устройства.
Заявленное устройство целесообразно использовать в производстве изделий и деталей различного назначения из композиционных материалов, а также графитовых и электроугольных изделий.