автореферат диссертации по энергетическому, металлургическому и химическому машиностроению, 05.04.09, диссертация на тему:Разработка метода и оборудования для производства полых полимерных изделий раздуванием со свободной двухосной ориентацией заготовок

и 6. У I

московский ИНСТИТУТ ХИМИЧЕСКОГО МАШИНОСТРОЕНИЯ

На правах рукописи

ву даминг

разработка метода и оборудования для

производства полых полимерных изделий раздуванием со свободной двухосной ориентацией заготовок

(05.04.09 — Машины и агрегаты нефтеперерабатывающих и химических производств)

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва 1992

Работа выполнена на кафедре «Полимерное машиностроение» Московского института химического машиностроения.

Научные руководители — доктор технических наук, профессор БАСОВ Николай Иванович, доктор технических наук, профессор СКУРАТОВ Владимир Кириллович

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор ШЕРЫШЕВ Михаил Анатольевич, кандидат технических наук, старший научный сотрудник КОВАЛЕНКО Владимир Михайлович

Ведущая организация: ЦНИЛПОЛИМЕРКОНТЕЙНЕР Министерства промышленности Российской Федерации

Защита состоится «Я^.» 1992 г. Е [4:ООчас.

- - - - на заседании специализированного Совета" по присуждению ученой степени кандидата технических наук (К 063.44.01) в Московском институте химического машиностроения по адресу: 107884, Москва, Б-66, ул. Старая Басманная, 21/4.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке института.

Автореферат разослан «__» _ 1_ 1992 года.

Ученый секретарь специализированного Совета

А. А. ПАХОМОВ

' - ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

, . Актуальность работы. Мировое производство пластмасс в конце 80 годов составляло около 85,45 миллионов тонн, 30 % из ксгорых использовались для производства тары и упаковки. Метод .-чтьевог или экструзионного формования полимерных заготовок с последующим их раздуванием является одним из основных методов переработки пластмасс в объемные изделия. Особенно широкое распространение получила одна из разновидностей метода - раздувное формоь ше полых из„элий с двухосной ориентацией заготовок. Ежегодна мировое проиподство только бутылок из полиэтилентерефталата (ПЭТФ) с двухосной ориентацией оценивается более чем в 2 млрд.штук. Так, например, ь США доля подобных изделий в 1986 г. составляла свыше 20 % всего количества раздувных изделий. Широкое распространение данного метода обусловлено тем, что двухосное ориентирование структуры получаемых изделий приводит к улучшению их ме; лнических свойств, повыг прозрачности и газонепроницаемости. Таким образом, использование этого метода позволяет не только изготавливать издель. улучшенного качества, но и снижать материалоемкость производства.

Метод разданного формования с двухосной ориентаци.,1 заготовок в существующем виде (трубчатые заготовки, растяжение с помощью пуансона и т.д.) применяется, в основном, при изгс влении "несимметричных изделий. Если же реализовать двухосную ориентацию и процесс раздувания только сжатым газом, сферу применения энного метода можно расширить в значительной степени. Для реализации подобных задач необходимо иметь математическую модель, позволяющую анализировать закономерность деформаций и поле скоростей при их ориентировании и раздувании.

Цель работы. Теоретическое и экспериментальное исследование процесса раздувного формования со свободной ориентацией заготово--типа пробирки, полученных экструзионннм или инжекционным методом, с целью оптимизации технологических параметров процесса, конструирования заготовки и механизмов раздувного агрегата; разработка метода оценки ориентационного эффекта материала заготовок при их раздувании в изделия; рекомендации по расчету и конструктивному оформлению раздувных форм и систем подачи сжатого газа; разработка мероприятий, направленных на снижение разнотолщинностп изделий, изготовленных данным методом.

Научная новизна диссертационной работы состоит в следующем:

- разработана математическая модель процесса раздувного формования полых осесимметричных изделий со свободной двухосной ориентацией заготовок, позволяющая определять напряжения, деформации, разнотолщинность, поле скоростей заготовки и давление сжатого газа внутри нее;

- созданы методики оценки ориентационного эффекта материала заготовки при ее раздувании в изделие и косвенной проверки поля скоростей за счет измерения давления внутри раздуваемой заготовки;

- предложен метод расчета оптимальных технологических параметров процесса, конструктивных параметров заготовки и механизмов раздувного агрегата.

Практическая значимость работы. Разработанный метод производства полых осесимметричных полимерных изделий позволяет получать однородные двухосно-ориентированше изделия на серийно выпускаемых раздувных агрегатах без установки специального механизма растяжения, что снижает в значительной степени производственные рг хода. За счет оптимизащта технологических параметров процесса, конструктивных параметров заготовки и механизмов раздувного агрегата, основанных на разработанной математической модели, можно получать высоко- ориентированные и однородные изделия, в результате чего физико- механические сс /Яства изделий повышаются, а расход материала снижается. В процессе подготовки производства нового изделия с соответствующими эксплуатационными характеристиками по рассматриваемой технологии приходится решать целый комплекс достаточно сложных конструкторских и технологических задач. На практике весь этот комплекс задач в настоящее время решается эмпирическим путем и характеризуется значительными трудозатратами и длительностью времени от начала разработки до получения требуемого результата. Использование разработанной математической модели с помощью ЭВМ позволяет устранить возникающие трудности.

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались на научно-исследовательских конференциях Пекинского института химической технологии в сентябре 1990 г. и в октябре 1991 г.

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 2 статьи.

Объем и структура работы; Введение, обзор литературы, теоретическая и экспериментальная части, методика расчета технологической оснастки, выводы, список литературы из 106 наименований, приложение изложены на 130 стр., 35 рисунках, 2 таблицах.

- 3 -

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении показаны актуальность теш диссертации и цель работы.

В первой главе приводится анализ современного состояния теории и методов проиводства полых изделий из полимеров- Изучение современных методов производства полых изделий позволило сделать вывод о том, что наиболее перспективным методом производства полых изделий из полимеров является раздувное формо. лше с двухосной эриентацией заготовок, а метод раздувания иолых изделий со -¡вобод-аой двухосной ориентацией заготовок в значительной степени сокра-цает затраты на оборудование в силу отсутствия мехагчзма расплетая. Ключ к получению качественных изделий данным методом заключа-этся в обоснованном выборе технологических параметров процесс^ рациональном конструировании геометрии заготовки, фордуюцих элементов и системы подачи сжатого газа.

Анализ теоретических основ производства полых изделий показал, что в настоящее время отсутствуют методы рас .лта процесса раздувания полых изделий со свободной двухосной ориентацией заготовок, что не позволяет проводить научно обоснованное прогнозирование разнотолщинности полых изделий и ориентационных эффектов материала заготовок. На основании анализа состояли- проблема сформулированы задачи исследования.

Вторая глава посвящена теоретическому исследованию процесса раздувного формования полых изделий со свободной двухосной ориен-гацией трубчатых заготовок.

Основные допущения. При составлении математической модели 1роцесса раздувного формования были использованы следующие основам допущения:

- материал заготовки несжимаемый;

- процесс деформирования заготовки изотермический;

- заготовка тонкостенна;

- рассматривается осесимметричная задача;

- заготовка деформируется равномерно со скоростью, равной жорости изменения давления внутри заготовки;

- решается безмоментная задача.

Выбор реологических уравнений. Поскольку спецификой данного метода формования полых изделий является создание условий для развита преимущественно высокоэластических деформаций, то в качестве реологического уравнения состояния целесообразно использовать

уравнения высокоаластических потенциалов. В первом приближении воспользуемся потенциалом Ыуни-Ривлина, для которого связи между компонентами тензора напряжений и тензора деформаций с учетом тон-костенности деформируемой заготовки выражаются уравнениями: ot = 2(Х* - X*)(c4 + с^),

( I )

о, = 2(Х* - Я*) (с, + с^).

где: at и аг - компоненты тензора напряжений по главным направлениям; \ж, \% - степени деформирования заготовки по главным направлениям; с4 и с8 - константы эластичности материала в потенциале Муни-Ривлина.

Анализ закономерности деформирования заготовки. Из рис.1 видно, что для деформированной заготовки имеет место следующее геометрическое соотношение:

dr/dz = ctg е, ' 2 )

где:6 - угол наклона перпендикуляра образующей к главной оси заготовки; г, z - координаты по радиусу и по высоте заготовки соответственно.

Уравнение совместности деформаций принимает следующий вид:

dX2/dz = [\/(г In G)] (COS е - (VV cos ео> • < 3 ) Рассматривая равновесие деформируемой оболочки и записывая уравнения этого равновесия в интегральной и дифференциальной формах с учетом допущения о несжимаемости материала, можно получить следующие дифференциальные уравнения:

dB _ 1Г 2___(хГь - 1) (Г + \1) I . . )

32 " i _ (гк/г)2 - 1) (Г + ) J ,

db _ \tcos9(^2-\.i) (rx.ix»-t-1 ) - (x»cos9-a.2cos8o ) 1г(3-xtкг )+x.2+xix»l .с, j ~ 2 « 2 * ' г sine (Г + к*)(з + A.iA.2) '

где:Г = Ci/C* - константа; rk - радиус "пятна" контакта заготовю с днищем формы, равный нулю на стадии "свободного" формования за готовки. Уравн>. .шя (2) - образуют систему дифференциальны уравнений, которая станет замкнутой при добавлении к ней уравнени меридиана недеформированной заготовки:

ro=ro(zo). (6)

Сфорг-улируем следующие граничные условия:

Ш.)

О

1

Т(То)

12(0)

Рис.1 Схема исходной и деформированной заготовки

--- исходная геометрия заготовки;

- профель раздуваемой заготовки.

| I

Рис.2 Устройство для определения закономерности деформации заготовки на стадии " свободного " . формования

1—насос; 2-пьезомер; 3-трубопровод для

сжатого воздуха; 4-заготовка; 5—дутьевой

ниппель; б—-подставка с зажимом.

; - 1;

= о: гс = ro(0); хж(о> = i-

z = н; г(Н) = о; е(Н) = \(H) = \(Н).

Поскольку уравнения (2) - (7) представляют собой краевую задачу, удобно свести ее к задаче Коши со следующими уравнениями: Z =о; г(0) = г0со); в = 8(0); \ » \(0); \ = \(0) - 1, < 8 ) при этом фиксируя какое-либо значение, например, параметры в -9(0), и варьируя значением параметра А. (О), методом "стрельбы" ищетел решение по выполнению условия:

rh° dZo и dzn>i , q .

J slñB^ ~ J Ki—sinü - ( 9 >

О О П* l nt(

Динамический анализ процесса. Динамический анализ показывает, что при реальном процессе раздувания истечение сжатого газа из дутьевого ниппеля является критическим и описывается следующим уравнением:

/ ЕГ

Скр = ф / 2 Ср Тс (1 - 0,528 1 ) , ( 10 )

где;Скр - критическая скорость истечения сжатого газа из дутьевого ниппеля; ср - коэффицие' т скорости; Ср - удельная теплоемкость газа; Тс - температура в ресивере; к - показатель адиабатического процесса.

С учетом тонкостенности заготовки давление Р внутри нее определяется следующей зависимостью:

р = 4 ho sin в ( ( с +с , ( и )

г К К К К '

где ho - начальная толщина стенки заготовки.

Уравнение количества движения заготовки может Зыть записано в следующем виде:

- n.Qin?fl2§ 4. О'СОз'е - Oí sln29 eat п,Гг,ч?йбв

- cos -01311126^; + -j---2- Ш ~ ^Jz

---T~ Sr-°tC032^f + 31П 31 Э'311120д2 - 2fSln29 f

где: p - плотность заготовки; Vr,Vx - скорость деформации заготовки в направлениях радиуса и оси соответственно.После интегрирования уравнений (12) получаем:

уг.„.,уг.п + 1(соа1е^'- о.з1п28^ ,°'сбэ « - - во. _

- о«со82е£Ц дг

( 13 )

У*,гуц=Уж.п ♦ 1(- О.соз2в^ + зш'е^'-ю.зшгв^

- р±з1п2в ]А1,

при этом промежуток времени М опреде: тется выражением:

дг =-4-М-Гр„*,уп.. - р„у,Л ( 14 )

гсГргСкрЯТс 1 >

гдв:М - мольная масса сжатого газа; рг - плотность сжатого газа: (1 - диаметр дутьевого ниппеля; й - удельная газовая постоянная; Тс -температура в ресивере: Р"*1, Р» и У*»», Уп - соответственно, давление в раздуваемой заготовке и ее объем во время г^-.« и и. При небольшом промежутке М удобнее определять скорость деформации заготовки просто по определению:

Уг -

<1Г Г">* • — Г"

■щ---И—

( 15 )

- ----

при этом для индивидуализации точки на поверхности деформируемой заготовки необходимо обеспечивать:

Л й2о ¿(2Г>,1

•I з1п(Ь--1 -эШ- ' ( 16 >

О О V г» * I

где тю - ордината произвольной точки на поверхности недеформиро-ванной заготовки.. Таким образом, решая совместно уравнения ( 2 ) -( 5 ) и ( 13 ) ( или ( 15 )), можно определять закономерность деформаций и поле скоростей заготовки.

Третья глава посвящена экспериментальной оценке адекватности разработанной ..атематической модели. При этом были использованы устройство для определения закономерности деформаций заготовки на стадии "свободного" разд .ания ( рис.2 ) и экспериментальный раз-дувной агрегат ( рис.3 ). Сравнительный анализ полученных данных показывает во-первых хорошее совпадение разработанной математической модели с экспериментом ( рис.4 ), а во-вторых - что данный метод позволяет получать достаточно однородные изделия из равно-толщинных заготовок ( рис.5 ).

В четвертой главе рассмотрено влияние некоторых параметров процесса раздувания на эксплуатационные характеристики полых изде-

I

03 I

Рис. 3 Экспериментальный раздувный агрегат 1—одночервкчный экструдер, 2— угловая трубная головка, 3—приемное устройство, ¡»— раздувные полуформы, 5— пневмоцилидр, б— пульт управления экструдером, 7— пульт управления приемным устройством, 5— воздушный компрессор, ?-- дутьевой ниппель, 10— датчик давления, 11-- усильтель 8АЯЧ-7, 12— самописец ЮЗд-6П.

длина изделия,мм Рис.'» Экспериментальные и расчетные данные разнотолцинности

полого осесимметричного изделия типа круговой цилиндр

—— расчетные данные; X экспериментальные данные.

А/А.

2

-.-.-.--.-■-— Z/H i

Í, 2 ОЛ 0,é 0,6 1,0 /

осевая координата/высота изделия

Рис.5 Сравнение разнотолцинности полых осесимметричных изделий типа круговой цилиндр,полученных разработанным и обыкновенным экструзионно-раздувным методам

1. обыкновенным зкструзионно^раздувным методом;

2. разработанным методом.

о о X X я

а ч о н о

а

лив и предложена методика расчета технологической оснастки при производстве полых изделий раздуванием со свободной двухосной ориентацией заготовок. Высокие эксплуатационные характеристики полых изделий, получаемых настоящим методом, обусловлены прежде всего программированным распределением толщины стенки и осесимметрич-ностью заготовок. Кроме того на разнотолщинность изделий оказывает влияние и температура заготовок, так как повышение температуры заготовки приводит к увеличению разнстолщинности изделия. Разработанная математическая модель позволяет определять оптимальное распределение толщины стеши заготовки при определенной температуре ее растяжения. При получении ориентированных изделий, кроме поддержания определенной тенпературы, необходимо обеспечивать достаточную скорость растяжения заготовок, которая определяется в основном массовым расходом сжатого газа из дутьевого ниппеля в полость раздуваемой заготовки. Необходимо, чтобы к концу стадии "свободного" раздувания средняя скорость деформации заготовки Yep, определенная выражением ( 17 ), была не ниже минимальной скорости (15+25 см/сек), необходимой для растяжения:

Г. V /1 + г' (z)1 dz

Vcp - J°

,ь / == ' ( 17 )

J / 1 + r'(z)1 dz

где:!? - /V? + V? - полная скорость;

Ь - текущая длина заготовки; т' - функция радиуса заготовки; Уг - компонента скорости в направлении радиуса; V* - компонента скорости в направлении оси.

Скорость деформации заготовки, функционально зависящую от квадрата диаметра проходного отверстия дутьевого ниппеля при критическом режиме истечения сжатого газа в полость заготовки и связанную с ним выражением:

йУ г т р Н Т Скр ( 18 )

аг - I—ттг— }й /

где; й - диаметр проходного отверстия дутьевого ниппеля; V - объем раздуваемой заготовки, можно корректировать диаметром проходного отверстия дутьевого нишеля следующим образом:

где: Ло - диаметр проходного отверстия дутьевого ниппеля,.выбранный по опытным данным; Уз - заданная скорость, необходимая для

растяжения; Уср - средняя скорость, определенная выражением ( 17 ) при выбранном диаметре йэ.

Основные выводы по диссертации

1. На основании проведенного комплекса теоретических и экспериментальных исследований установлено, что метод производства полых изделий раздуванием со свободной двухосной ориентацией заготовок представляет собой эффективную и перспективную технологию для получения ориентированных осесимметри* их однородных полых изделий из пластмасс.

2. Разработано математическое описание рассмотренного процесса, позволяющее определять напряжения, деформации, разнотолщин-ность, поле скоростей деформации заготовки и давление сжатого газа внутри нее при раздувании. Экспериментальная проверка показывает досте очную для инженерных расчетов точность разработанной математической модели.

3. Созданы методики оценки ориентац^онного эффекта материала заготовки при ее раздувании в изделие и косвенной проверю! поля скоростей за счет измерения изменения да членил внутри заготовки.

4. Напряжения, деформации, разнотолщинносхь, поле скоростей заготовки и давление сжатого газа внутри нее, полученные с помощью математического описания и разработанных методик оценки, позволяют выбирать оптимальные технологические параметры процесса и рассчитывать геометрические параметры формующего инструмента с целью получения полых изделий, имеющих повышенные в значительной степени механические свойства, прозрачность и газонепроницаемость по сравнению с изделиями, изготовленными традиционными экструзиошю- или инежекционно-раздувным методами.

5. На основании проведеыгых теоретических и экспериментальна^ исследований предложен порядок расчета основных геометрических параметров заготовки, формующего инструмента и дутьевого ниппеля, позволяющий обоснованно конструировать экструзиошше головки, раз-дувные и литьевые формы I зриемн*"* устройству раздувных агрегатов.

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах:

1. Ву Даминг, Б.В.Бердышев, Н.И.Басов, В.К.Скуратов. Математическое моделирование процесса инжекционно-раздувного формования полых изделий из пластических масс со свободной двухс -ной ориентацией заготовок. Пластические массыЛ,1992, с.30.

2. Ву Даминг, Б.В.Бердышев, Н.И.Басов, В.К.Скуратов. Математичес-

кая модель для процесса раздувного формования полых изделий из полимеров. Институтский журнал, Пекинский институт химической технологии, 3, 1992.