МАШИНА ДЛЯ НАГНЕТАНИЯ ТЕРМООТВЕРЖДАЕМОГО МАТЕРИАЛА, В ЧАСТНОСТИ ДЛЯ ВУЛКАНИЗАЦИИ КАУЧУКА, И СПОСОБ ЕЕ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ
DEVICE FOR DUCTING HEAT-CURABLE MATERIALS, IN PARTICULAR FOR THE RUBBER RESIN VULCANIZATION AND THE METHOD OF ITS APPLICATION

Настоящее изобретение касается машины для нагнетания термоотверждаемого материала, а также способа ее использования.
Более конкретно, изобретение направлено на вулканизацию каучука. Однако оно находит применение в смежных областях техники, таких как, в частности, литье под давлением или формование силиконов, фенолформальдегидных смол или полиуретана.
Классически, машина для вулканизации каучука содержит, прежде всего, средства для пластификации и нагнетания термоотверждаемых материалов. Уровень техники предусматривает множество альтернатив в том, что касается структуры этих средств.
Таким образом, первое решение касается раздельных средств пластификации, которые включают подающий винт, обеспечивающий нагрев материала. Эти средства пластификации сочленены с обособленными средствами нагнетания, которые содержат, в частности, поршень, с камерой приема податливого материала.
В качестве варианта средства для пластификации могут быть совмещены со средствами для нагнетания. В этом случае осуществляют нагнетание, называемое «винт-поршень», в котором винт пластификации выполняет функцию нагнетающего поршня.
Известно, наконец, другое альтернативное решение, называемое FIFO (First in First Out). В этом варианте осуществления пластификация осуществляется через нагнетательный поршень.
После первоначальной фазы пластификации и нагнетания, осуществляемой в соответствии с той или иной из описанных выше возможностей, податливый материал нагнетается в спускной канал, выходной конец которого ограничен выходным отверстием. Последнее открывается в каналы питания литейной формы, которые связаны с полостями этой литейной формы.
Таким образом, в спускном канале, который размещен на входе литейной формы, податливый материал, по существу, не отверждается, в действительности, вследствие эксплуатационных условий, таких, в частности, как температура и скорость потока. Напротив, во внутреннем объеме литейной формы, а именно питающих каналах и полостях, этот податливый материал отверждается вследствие температуры и феномена застоя, которому он подвергается. В этом отношении выходное отверстие спускного канала имеет уменьшенное сечение, позволяющее отделить часть отвержденного материала от материала, который еще находится в процессе отверждения.
Обычная проблематика изготовления изделий, выполненных из каучука, заключается во времени вулканизации, которое стараются уменьшить, насколько это возможно. Эта проблема затрагивается, например, в US-B-6280175.
Этот документ предписывает выполнять в спускном канале, а именно в зоне, где податливый материал не отверждается, сужение, поперечное сечение которого не является кольцевым, но, напротив, выполнено, в общем, вытянутым в виде эллипса. Вследствие этого каучук нагревается равномерно в любой точке его поперечного сечения. Другими словами, наличие этого сечения позволяет подать значительное количество тепла на уровне центрального потока каучука, что позволяет уменьшить соответствующее время вулканизации.
Решение, описанное в американском патенте 6280175, имеет, однако, другие недостатки. Действительно, оно сопровождается нагревом, который может быть очень значительным и, в общем, неравномерным, способным локально разрушить материал и, следовательно, привести к дефектам конечного изделия.
Кроме того, известны альтернативные решения, которые описывают использование устройств, позволяющих изменить направление потока податливого материала. Однако, в противовес описанию указанного выше американского патента, эти устройства размещены в собственно литейной форме, а именно в зоне, где податливый материал отверждается.
Точнее говоря, документ ЕР-А-1186339 описывает статический смеситель, предназначенный для гомогенизации податливого материала. Использование этого устройства вызывает повышение температуры каждого потока среды, следствием чего являются проблемы, аналогичные описанным в указанном выше американском патенте.
Кроме того, патент US-A-4199-315 описывает машину для литья под давлением пневматических шин, в которой внутри литейной формы податливый материал вначале разделяется на два отдельных потока. Вначале этого разделения имеется центральный холодный поток, а также более горячий периферийный поток. Затем внутри каждого раздельного потока находится один холодный поток и один горячий поток, текущие обычно симметрично относительно продольной оси каждого отдельного канала.
Этот документ предписывает далее обрабатывать каждый отдельный поток путем изменения траекторий соответственно горячего и холодного потоков. Это решение не может применяться для разделенного потока, в котором центральный холодный поток окружен горячим периферическим потоком. Более того, это решение используется в достаточно специфических областях, таких как литье под давлением пневматических шин.
Задачей настоящего изобретения является исключение различных недостатков известных технических решений.
Для решения этой задачи предлагается машина для вулканизации каучука, содержащая средства для пластификации и нагнетания каучука, способные нагнетать каучук в податливом состоянии в спускной канал, в котором каучук при работе не отверждается, при этом спускной канал содержит, по меньшей мере, один выход, предназначенный для сообщения с внутренним объемом литейной формы, в которую каучук направляется для отверждения, причем спускной канал снабжен, по меньшей мере, одним инверсионным устройством, содержащим множество расходящихся каналов и множество сходящихся каналов, предназначенных, с одной стороны, для направления первого потока каучука, находящегося на периферии входной зоны спускного канала к центру выходной зоны этого спускного канала, и, с другой стороны, для направления второго потока каучука, находящегося в центре упомянутой входной зоны спускного канала к периферии упомянутой выходной зоны этого спускного канала, и в которой каждое инверсионное устройство предназначено для инвертирования радиального профиля температуры в потоке жидкого каучука между входом и выходом одного или каждого из инверсионных устройств, при этом расходящиеся каналы берут начало в центре входной зоны спускного канала и открываются на периферии выходной зоны спускного канала, тогда как сходящиеся каналы размещены у периферии входной зоны спускного канала и открываются в центре выходной зоны спускного канала.
Целесообразно, чтобы указанное инверсионное устройство содержало жестко соединенный со стенками спускного канала корпус, в котором выполнены, по меньшей мере, один расходящийся канал и, по меньшей мере, один сходящийся канал.
Целесообразно также, чтобы указанный корпус инверсионного устройства был жестко соединен со стенками спускного канала, в частности, путем введения в винтовую резьбу этого спускного канала и закрепления ввинченной форсункой.
Предпочтительно, чтобы в любой точке инверсионного устройства отношение между, с одной стороны, суммой поперечных сечений соответственно сходящихся и расходящихся каналов и, с другой стороны, общим поперечным сечением спускного канала превышало 30% и предпочтительно 50%.
Предпочтительно также, чтобы в машине были предусмотрены от одного до десяти сходящихся каналов, а также от одного до десяти расходящихся каналов.
Предпочтительно также, чтобы в машине были предусмотрены четыре сходящихся канала и четыре расходящихся канала.
Предпочтительно также, чтобы указанный спускной канал был разделен на несколько отдельных каналов и, по меньшей мере, один разделенный канал был снабжен соответствующим инверсионным устройством.
Предпочтительно также, чтобы в машине были предусмотрены, по меньшей мере, два инверсионных устройства, размещенных последовательно в спускном канале (230).
Еще одним объектом изобретения является способ использования вышеуказанной машины по п.1, в котором пропускают каучук в спускной канал и затем через один или каждый выход во внутренний объем, по меньшей мере, одной литейной формы в направлении, по меньшей мере, одного оттиска и в котором уточняют число, и/или размещение инверсионных устройств, и/или операционные условия упомянутого потока с целью контроля радиального распределения температуры каучука вблизи одного или каждого оттиска.
Предпочтительно, чтобы указанное радиальное распределение являлось, по существу, однородным.
В дальнейшем изобретение поясняется нижеследующим описанием, не являющимся ограничительным, со ссылками на сопровождающие чертежи, на которых:
фиг.1 изображает вид в продольном разрезе, который иллюстрирует машину для вулканизации каучука в соответствии с изобретением;
фиг.2А, 2В и 2С изображают в увеличенном масштабе соответственно в продольном разрезе сверху вниз устройство для инверсии радиального поля температуры в соответствии с изобретением;
фиг.3 изображает вид в продольном разрезе, представляющий радиальное распределение температурного поля соответственно на входе и на выходе инверсионного устройства;
фиг.4 и 5 являются графиками, иллюстрирующими изменение температуры в зависимости от радиального положения на уровне линий IV-IV и V-V по фиг.3;
фиг.6А, 6В и 6С схематично изображают количество тепла, вводимого в каучук, соответственно в двух решениях по известному уровню техники и в соответствии с решением по изобретению; и
фиг.7 и 8 изображают виды в продольном разрезе, аналогичные фиг.3 и иллюстрирующие два варианта осуществления изобретения.
Машина для вулканизации каучука в соответствии с изобретением, изображенная на фиг.1, содержит, прежде всего, средства для пластификации и нагнетания, известные сами по себе. Прежде всего, она снабжена средствами 10 для пластификации, содержащими винт 12, размещенный в канале 14, который снабжен не представленными на чертеже средствами для нагрева. Винт 12, кроме того, сочленен с отверстием 16 для подачи материала в канал 14 с целью направления податливого каучука к выходу из машины. Кроме того, предусмотрены средства 20 для нагнетания также классического типа, которые содержат камеру 22, предназначенную для заполнения каучуковой средой из канала 14 для пластификации. Камера 22 содержит поршень 24, который обеспечивает нагнетание каучуковой среды к спускному каналу 30 также классического типа.
В представленном примере имеется средство 10 для пластификации, которое отличается от средств 20 для нагнетания. Однако изобретение находит также свое применение со средствами пластификации и нагнетания, описанными в преамбуле настоящего описания. Так, в качестве альтернативы можно назвать нагнетание, называемое «винт-поршень», либо также нагнетание, называемое «FIFO».
Канал 30 имеет выходное отверстие 32, которое соединяется с входом литейной формы 40, которая не является объектом настоящего изобретения.
Известным образом литейная форма 40 содержит полости различных питающих каналов 42, которые открываются в оттиск 44.
Обычно можно выделить две зоны, а именно, с одной стороны, спускной канал 30 и, с другой стороны, литейная форма, образованная питающими каналами 42 и оттисками 44. Таким образом, в спускном канале 30 каучук, по существу, действительно не отверждается, в частности, из-за его температуры и его скорости потока. Напротив, в каналах 42 и оттисках 44 каучук отверждается в процессе операции вулканизации, так как здесь имеет место феномен стагнации при температуре литейной формы.
Непосредственно на входе выходного отверстия 32, а именно в зоне, где, как это было видно выше, каучук не отверждается, предусмотрено устройство по изобретению, позволяющее инвертировать радиальное поле температуры каучука в спускном канале 30. В дальнейшем это устройство, для ясности обозначенное позицией 50, будет называться инверсионным устройством.
При подробном рассмотрении фиг.2А-2С видно, что это устройство 50 содержит, прежде всего, массивный корпус 52, выполненный, например, из стали, который жестко соединен со стенками спускного канала 30 любыми доступными средствами, в частности ввинчиванием в резьбу в этом канале и обеспечением неподвижности посредством ввинчиваемой форсунки. Корпус 52 выполнен цилиндрическим коаксиально спускному каналу 30. Он является полым благодаря нескольким каналам, а именно четырем сходящимся каналам 60 и четырем расходящимся каналам 70, направленным в направлении потока материала, а именно вниз по фиг.1 и 2А.
1
2
В соответствии с фиг.2А входы сходящихся каналов 60 размещены у периферийных краев В1 входной зоны 30 спускного канала. Более того, эти каналы 60 на выходном конце встречаются таким образом, чтобы образовать единое выходное отверстие 62, которое открывается в центре С2 выходной зоны 30 спускного канала 30.
1
2
Расходящиеся каналы 70 берут свое начало в отверстии 72, которое совмещается с центром С1 входной зоны 30 спускного канала 30. Затем эти каналы 70 удаляются один от другого таким образом, чтобы открыться у краев В2 выходной зоны 30 спускного канала 30.
На фиг.2А позициями 1 и 2 показаны потоки каучуковой среды, проходящие от входа устройства соответственно вблизи краев В1 и центра С1 канала. Учитывая наличие каналов 60 и 70, входной периферийный поток 1 образует центральный выходной поток 1', тогда как центральный входной поток 2 образует выходной периферийный поток 2'.
Число, расположение и геометрия различных каналов 60 и 70 таковы, что позволяют обеспечить достаточную передачу потоков среды. Более того, предпочтительно, чтобы эти каналы 60 и 70 занимали значительную часть поперечного сечения канала для исключения поступления весьма значительного количества тепла. Действительно, если каналы являются очень узкими, обнаруживается эффект нагрева, такой как при внедрении упомянутого выше патента US 6280175.
Предпочтительно, чтобы в любой точке инверсионного устройства сумма поперечных сечений различных каналов 60 и 70 была выше на 30%, предпочтительно на 50%, общего сечения спускного канала 30. Таким образом, в представленном примере восемь каналов, соответственно сходящиеся и расходящиеся, занимают примерно 55% поперечной поверхности канала.
Фиг.3 изображает осуществление инверсионного устройства 50, в том, что касается радиального температурного профиля каучука соответственно на входе и на выходе этого устройства 50. Известно, что в основном канале 30 тип потока является ламинарным. Следовательно, скорость последнего имеет нулевую величину на уровне краев В1, а также максимальную величину на уровне центра C1.
В этих условиях температура каучука имеет на краю В1 этого канала 30 величину, значительно превышающую температуру вблизи центра C1 непосредственно на входе устройства 50. Это показано штриховкой разного типа на фиг.3, а также радиальным профилем температуры по фиг.4, соответствующим линии IV-IV на фиг.3.
На фиг.4 по оси ординат показана температура Т, а по оси абсцисс радиальное положение Х-Х. Другими словами, центр C1 соответствует нулевой абсциссе, тогда как края В1 соответствуют абсциссе, абсолютная величина которой является максимальной. Как показано на фиг.4, радиальный профиль температуры повышается от центра C1 симметрично в направлении краев В1.
На выходе устройства 50, учитывая наличие инверсионных каналов 60 и 70, центральный поток 1' становится горячим, так как он сообщается с горячим периферийным потоком входной части. Более того, на выходе периферийный поток 2' является холодным, так как он сообщается с центральным входным потоком 2. Такое инвертирование температуры показано изменением природы штриховок между входом и выходом.
Это инвертирование также показано на фиг.5, которое соответствует радиальному профилю температуры вдоль линии V-V на фиг.3. Таким образом, температура уменьшается от максимального значения на уровне центра С2 до минимального значения краев В2.
Как вытекает из вышеприведенного, устройство 50 обеспечивает, таким образом, инвертирование радиального температурного поля каучука. Другими словами, на входе устройства чем ближе к краю В1, тем выше температура каучука. Напротив, на выходе чем ближе к краю В2, тем ниже температура каучука.
Соответственно, центральный 1' и периферийный 2' выходные потоки текут в направлении выходного отверстия 32, затем поступают в канал 42 до оттиска 44 литейной формы 40. В процессе этого последующего прохода к конверсионному устройству 50 каучук получает дополнительное количество тепла.
Как было показано выше, периферийный поток 2' получает количество тепла, превышающее количество тепла, передаваемое центральному потоку 1'. Таким образом, учитывая, что этот периферийный поток 2' является более холодным, непосредственно на выходе инверсионного устройства 50 количество тепла, передаваемое на все точки каучука, стремится выровняться в процессе перемещения материала в оттиски 44.
Другими словами, уточняя форму и позиционирование инверсионного устройства 50, можно контролировать профиль радиального температурного поля каучука, когда последний поступает в оттиски. В частности, можно придать, по существу, гомогенный характер этому радиальному температурному полю в процессе поступления каучука в оттиски, а именно так, чтобы каучук имел, в общем, одинаковую температуру на уровне данного поперечного сечения.
Фиг.6А, 6В и 6С иллюстрируют количества тепла, подаваемые соответственно центральному и периферийному потокам, начиная с нагнетания в спускной канал до их поступления в оттиски 44. Фиг.6А касается предшествующего уровня техники, фиг.6В соответствует пояснениям американского патента 6280175, тогда как фиг.6С иллюстрирует предложение по изобретению.
В известном уровне техники по фиг.6А периферийный поток постоянно перегрет по сравнению с центральным потоком вследствие существования ламинарного течения. В этих условиях общее количество тепла Q, сообщаемое этому потоку, значительно превышает количество тепла Q', сообщаемое центральному потоку.
В известном из патента US 6280175 уровне техники можно разделить три основных зоны подачи тепла. Речь идет, прежде всего, о входной части, размещенной перед сужением, являющимся объектом изобретения по этому американскому патенту. Далее идет собственно зона сужения, затем область, размещенная на выходе этого сужения.
Во входной зоне течение является ламинарным вследствие того, что количество тепла Q1, сообщаемое периферийному потоку, значительно превышает количество тепла Q'1, сообщаемое центральному потоку. Затем на уровне сужения отмечают, по существу, гомогенную подачу тепла, соответствующую, по существу, равным значениям Q2 и Q'2. Наконец, на выходе сужения поток становится вновь ламинарным вследствие того, что количество тепла Q3, сообщаемое периферийному потоку, превышает количество тепла Q'3, сообщаемое центральному потоку.
В этих условиях, как показано на фиг.6В, общее количество тепла QT, сообщаемое периферийному потоку, равно сумме количеств Q1, Q2 и Q3. QT значительно превышает общее количество тепла Q'T, сообщаемое центральному потоку, который соответствует сумме Q'1, Q'2 и Q'3, несмотря на наличие сужения.
Фиг.6С изображает радиальное распределение температуры в соответствии с изобретением. На этом чертеже средняя зона соответствует центральному конечному потоку 1', а именно потоку, вытекающему из устройства 50, по поводу которого указывалось, что он соответствует входному периферийному потоку.
Аналогичным образом боковые части этого чертежа 6С соответствуют конечному периферийному потоку 2', выходящему из центрального первичного потока 2.
Общее количество тепла QT, сообщаемое конечному периферийному потоку 2', соответствует сумме, с одной стороны, количества тепла Q'I, сообщаемого первичному центральному потоку 2 на входе устройства 50, и, с другой стороны, количества тепла QII, сообщаемого этому периферийному потоку 2' на выходе устройства. Вследствие ламинарности потока количество QI является относительно слабым, тогда как QII является значительно более высоким.
Аналогичным образом, общее количество тепла Q'T, сообщаемое конечному центральному потоку 1', соответствует сумме, с одной стороны, количества тепла QI, сообщаемого первичному периферийному потоку 1 на входе устройства, и, с другой стороны, количества тепла Q'II, сообщаемого этому центральному потоку 1' на выходе устройства. По упомянутым выше причинам QI значительно превышает Q'I, тогда как Q'II значительно меньше QII. Следовательно, как показано на фиг.6С, количества тепла QT и Q'T, сообщаемые эти двум потокам, стремятся сравняться благодаря инверсии, обеспечиваемой устройством 50.
Изобретение позволяет достичь упомянутых выше целей.
Действительно, как вытекает из вышеизложенного, все зоны потока каучука получают значительное количество тепла в процессе их входа в оттиски 44. Другими словами, каучук находится в любой точке при относительно повышенной температуре, что позволяет гарантировать относительно низкую продолжительность вулканизации.
Кроме того, как, в частности, изображено на фиг.6С, существует высокая однородность между различными количествами тепла, подаваемыми в различные точки поперечного сечения каучука непосредственно перед входом в оттиски. Другими словами, не существует зон каучука, получающих значительно большее количество тепла, что позволяет исключить любое явление перегрева. В этих условиях изобретение позволяет избавиться от очень быстрой вулканизации в некоторых зонах материала.
Следует отметить, что заявителю удалось идентифицировать проблему, представленную в описании US-B-6280175. Действительно, в этом документе наличие сужения гарантирует получение относительно повышенной температуры каучука даже в его центральной части, что является предпочтительным для продолжительности вулканизации. Напротив, это решение сопровождается подачей значительно повышенного количества тепла на уровне периферийного потока каучука. Это является причиной упомянутых выше проблем, а именно перегрева, очень быстрой вулканизации и разрушения материала.
1
2
3
1
2
3
Фиг.7 изображает первый вариант осуществления изобретения, в котором имеется спускной канал 130 типа BCR (Blos a Canaux Regules). Классическим образом этот спускной канал 130 разделяется в своей выходной части на несколько раздельных каналов, в данном случае в количестве трех, а именно 130, 130и 130. Каждый отдельный канал соединен с соответствующим выходом 132, 132 и 132, сообщающимся с не представленными на чертеже оттисками трех литейных форм.
1
2
3
В этом случае предусматривают непосредственно на входе каждого выхода три инверсионных устройства 150, 150 и 150. Исходя из этого, распределение радиального температурного поля каучука на выходе каждого из этих устройств инвертировано. Это позволяет получить радиальное равномерное распределение теплового потока, подаваемого на каждый из отдельных потоков каучука, который перемещается в направлении не представленных на чертеже выходных оттисков литейных форм.
1
3
Фиг.8 изображает дополнительный вариант осуществления изобретения, в котором спускной канал 230 снабжен двумя инверсионными устройствами 250' и 250", каждый из которых аналогичен инверсионному устройству 50 по фиг.1-6. Другими словами, эти два инверсионных устройства 250 и 250" размещены последовательно, в противовес устройствам 150-150 по фиг.7, которые расположены параллельно. Этот вариант осуществления является предпочтительным в той мере, что он обеспечивает равномерное распределение нагрева в случае значительной длины потока благодаря наличию нескольких инверсий.
Как следует из вышесказанного, изобретение обеспечивает контролируемую подачу тепла, которая может быть в особенности равномерной, когда речь идет о центральном и периферийном потоках каучука. Для этого следует уточнить число и/или размещение этих инверсионных устройств, таких как инверсионное устройство 50 по фиг.1. Можно также уточнить операционные условия потока каучука, а именно, в частности, его температуру, его давление, его расход, для того, чтобы уточнить количество тепла, подаваемого на вход и на выход инверсионного устройства.
Другим преимуществом изобретения является то, что оно позволяет увеличить возможную длину потока для материала. Действительно, благодаря использованию одного или нескольких инверсионных устройств, возможно не разрушать этот материал, даже если он проходит по большой длине.
Наконец, учитывая, что каждое инверсионное устройство размещено в спускном канале, а именно в зоне, где материал не отверждается, можно использовать это устройство большое число раз и даже снять его для того, чтобы разместить его на другой машине. Это можно сравнить с решениями из известного уровня техники, в котором устройства, изменяющие направление потока материала, размещены непосредственно в литейной форме.
Действительно, в этом последнем случае такие устройства необходимы для каждой литейной формы, используемой на одной и той же машине, что, следовательно, увеличивает общую стоимость операции. Более того, эти устройства вызывают потери материала, отверждаемого при каждом цикле литья под давлением, что дополнительно повышает стоимость производства.