Способ изготовления толстостенных бесшовных жестких профильных изделий из неориентированных полукристаллических термопластичных полимеров и устройство для его осуществления

(51) 4 В 29 1) 23/00// В 29 Ь 23:00 ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССРПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ Ул;ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ / "вК А ВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ иа,":(71) Институт механики сплошных средУральского научного центра АН СССР(56) Патент США Кф 4035125,кл. В 29 Р 3/00, 1977.Патент СССР В 1163801,кл. В 23 1) 23/00, 1980,(54) СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ТОЛСТОСТЕННЫХ БЕСШОВНЫХ ЖЕСТКИХ ПРОФИЛЬНЫХИЗДЕЛИЙ,ИЗ НЕОРИЕНТИРОВАННЫХ ПОЛУКРИСТАЛЛИЧЕСКИХ ТЕРМОПЛАСТИЧНЫХПОЛИМЕРОВ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ(57) Изобретение относится к гидроэкструзионной переработке полимерных материалов в химической промьппленности. Цель изобретения - расширение технологических возможностейза счет получения изделий фигурного профиля с многоосноориентированной структурой материала и повышениеих качества. Для этого полимернуюзаготовку деформируют в кольцевомканале устройства с пременной степенью осевой вытяжки в разных радиальных направлениях поперечногосечения. Полимерную заготовку в виде цилиндра с коаксиальным отверстием при температуре, меньшей температуры плавления материала, выпрессовывают из камеры под действием гидростатического давления рабочей жидкости через кольцевой канал, образованный рабочими поверхностями мундштука и оправки и имеющий последовательно расположенные входную кони- йЖческую зону, цилиндрическую уплотнительную зону, коническую расширительную зону, зону формования фигурногопрофиля и калибровочную зону,Кольцевой канал в поперечном сечении зоны формования фигурногопрофиля выбран переменным в различных радиальных направлениях,2 с.п., 6 з.п.ф-лы, 7 ил.Изобретение относится к переработке полимерных материалов в химической промышленности, в частностик получению изделий из термопластич 5ных полимерных материалов с улучшенными характеристиками методом твердофазной гидростатической экструзии,Цель изобретения - расширениетехнологических возможностей эа счетполучения изделий фигурного профиля с многоосноориентированной структурой материала и повышение их качества,На фиг,1 схематично изображеноустройство для изготовления толстостенных бесшовных жестких профильныхиэделий из неориентированных полу.кристаллических термопластичных полимеров, продольный разрез; на 20Фиг,2 - инструментальная оснасткана фиг.3 - сечение А-А на фиг,2; наФиг.4 - вариант выполнения инструментальной оснастки; на фиг.5 - разрез Б-Б на Фиг.4; на фиг.6 - второй 25вариант выполнения инструментальнойоснастки; на фиг.7 - разрез В-В наФиг.6,Способ изготовления толстостенныхбесшовных жестких профильных изделийиз неариентированных полукристаллическчх термопластичных полимероввключает гидроэкструзию в твердомсостоянии полимерной заготовки через экструзионную зону с удлинениемзаготовки в осевом .направлении и одновременное ее расширение в окружномнаправлении и со смазкой поверхности полимера жидкостью под гидростатическим давлением, Заготовку деформируют с переменной степенью осевойвытяжки в разных радиальных направлениях поперечного сечения, С цельюполучения спиралеобразной структурыматериала, каждое последующее поперечное сечение заготовки в направлении ее движения разворачивают относительно предыдущего поперечного сечения заготовки вокруг ее оси, Степень вытяжки материала в осевом направлении периодически изменяют вдольобразующей заготовки. Степень расширения заготовки в окружном направлении выбирают равной для ее наружных и внутренних слоев.Предлагаемый способ может бытьосуществлен с помощью устройства дляизготовления толстостенных бесшовныхжестких профильных иэделий из неориентированных полук рис таллическихтермопластичных полимеров,Устройство содержит средства длякрепления инструментальной оснастки,которая выполнена в виде гайки 1,цилиндрического наружного корпуса 2и штока 3. Устройство содержит также контейнерный узел, который выполнен в виде камеры 4 снабженный элементами 5 термостатирования и размещен в пределах средств для крепленияинструментальной оснастки, содержиттакже средство создания давления вконтейнерном узле, выполненное в виде штуцера 6,Кроме того, устройство содержитуплотнительные средства в контейнерном узле для поддержания давлениягидростатической жидкости и обеспечения выдавливания пленки гидростатической жидкости на заготовку непоказаны, содержит оправку 7 с рабочей поверхностью а, Оправка смонтирована с образованием с рабочей поверхностью б мундштука 8 кольцевогоканала 9 с последовательно расположенными в нем конической входной зоной 10, цилиндрической уплотнительной зоной 11, конической расширительной зоной 12, калибровочной зоной 13 и переходными зонами с плавными поверхностями переходов. Вкольцевом канале 9 между коническойрасширительной 12 и калибровочной13 зонами выполнена зона формованияфигурного профиля 14, Профиль поперечного сечения кольцевого канала 9в калибровочной зоне 13 и зоне формования фигурного профиля 14 выполнен изменяющимся в радиальном направлении, Для чего рабочие поверхностиа и б соответственно оправки 7 имундштука 8 выполнены геометрическинеподобными. Площадь поперечного сечечия кольцевого канала 9 в зоне формования фигурного профиля 14 выполнена уменьшающейся в направлении калибровочной зоны 13. В зоне формования фигурного профиля 14 по рабочимповерхностям б и а соответственномундштука 8 и оправки 7 выполненыравномерно расположенные впадины 15и выступы 16 с образованием соответственно поверхностями впадин 15 цилиндрических поверхностей, а поверхностями выступов 16 - конических поверхностей. Цилиндрические и конические поверхности расположены кон91935 5 10 15 20 1 25 30 50 55 з 13 центрично оси оправки 7Вершина конуса, образованного поверхностями выступов 16 мундштука 8, обращена в направлении калибровочной зоны 13. Вершина конуса, .образованного поверхностями выступов 16 оправки 7, обра- щена в направлении конической расширительной зоны 12, По рабочим поверхностям б и а соответственно мундштука 8 и оправки 7 в зоне формования Фигурного профиля 14 и в калибровочной зоне 3 выполнены винтовые спи- рали не показаны. Угол их подъема не менее 1 О . Спирали могут быть выполнены одинакового или противоположного направления. При получении, например, гладкой трубы с предварительно спирально-ориентированной структурой материала, винтовые спира:ли выполнены только в зоне формования фигурного профиля 14.С целью облегчения механической обработки рабочей поверхности б мундштука 8 при изготовлении инструмен,та, мундштук 8 выполнен разборным.Способ изготовления трубчатого профиля осуществляют следующим образом.Заготовку 17 из неориентированного полукристаллического термопластичного полимера, например из полиэтилена низкого давления, вставляют в мундштук 8 таким образом, чтобы наружная поверхность заготовки 17 плотно контактировала с рабочей поверхностью б мундштука 8. Гайку 1 с мундштуком 8 завинчивают по месту с обеспечением герметичного соединения мундштука 8 с камерой 4Крепят цилиндрический наружный корпус 2 к гайке 1, оправку 7 к штоку 3, а шток 3 с оправкой 7 - к цилиндрическому корпусу 2 такйм образом, чтобы носовая часть оправки 7 вошла в отверстие заготовки 15 с обес" печением плотной посадки. Полость ка. меры 4 заполняют гидростатической жидкостью 18, например минеральным маслом, и нагревают контейнерный узел с инструментальной оснасткой до температуры гидростатической переработки, меньшей температуры плавления термопластичного полимераС помощью источника рабочей жидкости высокого давления (не показано) в камере 4 создают гидростатическое давление, достаточное для начала процесса гидропрессования изделия. На протяжении всего времени экструзии давление остается постоянным.Во время гидроэкструзии часть рабочей жидкости образует тонкую пленку между поверхностями заготовки 15 и поверхностями оправкии мундштука 8, обеспечивая смазку заготовки 17 во время ее экструзии.После экструзии заготовки производят сброс гидростатического давления в камере. Разбирают устройство до исходного состояния и извлекают экструдат.При осуществлении предлагаемого способа осевое удлинение заготовки 17 из термопластичного полимера определяется сходящейся площадью поперечного сечения кольцевого канала 9, общее окружное расширение заготовки 17 определяется увеличением среднего диаметра кольцевого канала 9 в конической расширительной зоне 2, дополнительное окружное удлинение поверхностного слоя заготовки 7 задаетсяувеличением периметра рабочей поверхности а и б соответственно оправки 7и мундштука 8 в зоне Формования Фигурного профиля 14. Бо всех слуЧаяхувеличение периметра наружной поверхности изделия в поперечном сече.нии не должно сопровождаться увеличением максимального размера изделия в поперечном сечении, либо минимального размера продольного отверстия изделия в поперечном сечении.Степень вытяжки в окружном направлении поверхностного слоя изделия может быть выражена в виде коэффициента окружной деформации, которыйопределяется как отношение периметров соответствующих поверхностей иэ. делия и заготовки 17, Общий коэффициент окружной деформации изделия может быть определен как средняяарифметическая величина коэффициентов окружной деформации внутреннейи наружной поверхностей иэделия,Степень вытяжки иэделия в осевом направлении может быть выражена в виде коэффициента осевой деформации, который определяется как отношение площадей поперечного сечения заготовки 17 и изделия.Суммарная деформация иэделия может быть выражена коэффициентом экструзии, который определяется какпроизведение коэффициентов осевой и ,общей окружной деформации.В случае гидроэкструэионного получения труб круглого профиля с двух 5 осно-ориентированной структурой изделие имеет равномерную осевую вытяжку по всему поперечному сечению и существенно неравномерную окружную вытяжку по толщине стенки трубы. О , Причем, степень окружной вытяжки внутренней поверхности трубы значительно превышает степень окружнойвытяжки наружной поверхности. Это, в свою очередь ведет к неравномерной степени молекулярной ориентации ма-: териала, а следовательно, и неравномерной по сечению прочности материала в окружном направлении.Повысить степень однородности 20 окружной ориентации по сечению трубчатого изделия можно за счет повышения степени ориентации его наружных слоев, С этой целью производят дополнительную вытяжку наружных сло ев заготовки 17 путем придания ее наружной поверхности Формы такого профиля, периметр которого больше периметра окружности, например периодически чередующиеся выступы и впадины.Кроме того дополнительную вытяжку материала в изделии производят за счет винтовых спиралей на рабочих поверхностях а и б соответственно оправки 7 и мундштука 8 с углом35о подъема спирали не менее 10 , В этом случае получают экструдат со спирально-ориентированной структурой, так как при движении заготовки 17 в зоне формования фигурного профиля 14 и в калибровочной зоне 13 происходит поворот вокруг ее оси каждого предыдущего поперечного сечения по отношению к последующему поперечно 45 му сечению. Причем направления винтовых спиралей мундштука 8 и оправки 7 могут иметь одинаковое или противоположное направление. В последнем случае получают экструдат с перек 50 рестно-ориентированной структурои.Трубу круглого профиля со спирально-ориентированной или перекрест но-ориентированной структурбй получают в случаях, когда винтовые спирали на рабочих поверхностях а и б 55 соответственно оправки 7 и мундштука 8 выполнены только в зоне формования фигурного профиля, а в калибровочной зоне 13 рабочие поверхностиб и а мундштука 8 и оправки 7 выполнены цилиндрическими,Для получения зубчатых колес сцилиндрическими поверхностями выступов и впадин экструдат зубчатого проФиля разрезают перпендикулярно егопродольной оси с интервалами соответствующими толщине зубчатых колес(,не показаны),П р и м е р 1. Заготовку 17 изкомпонора 3-6-3 полиэтилен высокойплотности, полимеризационно наполненный каолином со степенью наполнения 257.) получают глухим прессованием в виде цилиндра длиной 140 и диаметром 32 мм с коаксиальным отверстием диаметром 10 мм. Полимер имеетпредельную прочность на растяжение21 МПа,Заготовку 17 одним концом устанавливают в мундштук 8 со стороны входной конической зоны 10, с обеспечением плотного контакта ее наружнойповерхности с рабочей поверхностьюб мундштука 8. Мундштук 8 с заготовкой 17 помещают в камеру 4. Устанавливают средства крепления инструментальной оснастки. Конусным концомоправку 7 вставляют в отверстие заготовки 17 с предварительным уплотнением.Рабочими поверхностями оправки 7и мундштука 8 образован кольцевойканал 9, имеющий сходящуюся площадьпоперечного сечения и расходящийсядиаметр. В калибровочной зоне 13рабочую поверхность а оправки 7 выполняют цилиндрической диаметром32 мм, а рабочую поверхность б мундштука 8 с 10 прямоугольными выступами 16 шириной 6 мм, расположеннымиравномерно по окружности. При этомдиаметр окружности впадин равен42 мм, а диаметр окружности выступов - 36,3 мм. Формирование выступовпо высоте осуществляется в зоне формования Фигурного профиля 14. Приэтом угол между осью устройства иконической поверхностью выступовсоставляет 20 .Полость камеры 4 заполняют рабочей жидкостью. Термокамеру, инструментальную оснастку и заготовку 17отермостатируют при 100 С, Поднимают давление рабочей жидкости в .полости камеры 4, При давлении 100 ИПачерез калибровочную зону 13 кольце 1391935 Я30 Из изделий вырезают кольца шириной 4 мм, которые растягивают двумя стальными сегментами до начала пластического течения. Полученное профильное изделие с многоосно ориентированной структуройвого канала 9 проходит начальнаячасть заготовки 7. Постепенно давление повышается до 120 ИПа и остается на этом уровне до окончания5процесса гидроэкструзии,Полимер несколько упруго восстанавливается на выходе из калибровочной зоны 13, что ведет к изменениюразмеров изделия по сравнению с зазором калибровочной зоны 13. Экструдат имеет внутренний диаметр 31,5,диаметр окружности выступов 1642,4, диаметр окружности впадин 537,4, ширину выступов 16 6,4 мм.Стабильность размеров сохраняетсяпо всей длине изделия. При этомкоэффициент осевой деформации составляет 1,51, коэффициент окружной деформации внутренней поверхности составляет 3,15, коэффициент окружнойдеформации наружной поверхности составляет 1,67, средний коэффициентокружной деформации составляет 2,41,а общий коэффициент экструзии равен3,64. Таким образом, получают качественно новый вид профильных изделийдля метода твердофазной гидроэкструзии.Для сравнительной оценки прочностных свойств экструдата в окружном направлении аналогичную заготов ку 17 экструдируют в соответствиио,с прототипом при температуре 100 Счерез формуюший канал с цилиндрическими рабочими поверхностями би а соответственно мундштука 8 и оправки 7 в калибровочной зоне 13 ис диаметрами в этой зоне соответственно 4,4 и 34,6 мм. Получают трубу с двухосно-ориентированной структурой наружным диаметром 40 и внут.ренним диаметром 31,5 мм. При этомкоэффициент осевой деформации составил 1,52, а коэффициент окружнойдеформации, рассчитанный как отношение средних диаметров экструдатаи заготовки, составил 1,70Полученные труба и сложнопрофильноетрубчатое изделие имеют равные внутренние диаметры и площади поперечных сечений стенок. обладает повышенной на 15-18% прочностью в окружном направлении.П р и м е р 2. Проводят аналогично примеру 1, но стой разницей,что заготовку 17 аналогичных размеров изготовляют из композиции 1-1-1-50 (полиэтилен низкой плотноСти, активационно наполненный туфом со степенью наполнения 50%), используют мундштук 8 с цилиндрической рабочей поверхностью б в калибровочной зоне 13 диаметром 42,5 мм, используют оправку 7 с 15 трапецеидальными выступами 16 в зоне формования фигурного профиля 14 и в калибровочной зоне 13. В калибровочной зоне 13 диаметр окружности выступов 16 равен 37 мм, а диаметр окружности впадин равен 28,5 мм. Гидроэкструо зию проводят при температуре 110 С и давлении прессования 72-55 МПа. Получают экструдат с наружным диамет. ром 42,6 мм и со сложным внутренним профилем.П р и м е р 3. Осуществляют аналогично примеру 1 с той разницей, что заготовку 17 изготовляют механическим способом из листового капролона с внутренним диаметром 14,3 мм, используют мундштук 8 с цилиндрическои рабочей поверхностью в калибровочной зоне 13 диаметром 32 мм, используют оправку 7 с 10 выступами 16 прямоугольной Формы шириной 4,9 мм, выполнснными по винтовой линии вдоль оси оправки 7. Угол подъео ма винтовой спирали составляет 55 В калибровочной зоне 13 диаметр окружности выступов 16 оправки равен 26,3 мм, а диаметр окружности впадин 15 равен 18,7 мм. Гидроэкструо зию проводят при температуре 175 С и давлении прессования 160-.150 ИПа. Получают экструдат с наружным диаметром 32,4 мм и с внутренней винтовой нарезкой.Использование предлагаемого изобретения позволит получитьв широком ассортименте толстостенные профильные изделия из термопластичных материалов с многоосно ориентированной структурой, в том числе со спирально-ориентированной и перекрестноориентированной структурой, с различной конфигурацией внутренней и внеш-, ней поверхностей, с равномерной по поперечному сечению окружной вытяжки материала.Формула изобретения1. Способ изготовления толстостенных бесшовных жестких профильных иэделий иэ небриентированных полу- кристаллических. термопластичных полимеров, включающий гидрозкструзию в твердом состоянии полимерной заготовки через зкструзионную зону с удлинением заготовки в осевом направлении и одновременное ее расширение в окружном направлении со смазкой поверхности полимера жидкостью под гидростатическим давлением, о т л ич а ю щ и й с я тем, что, с целью расширения технологических возможностей за счет получения изделий Фи гурного профиля с многоосноориенти" рованной структурой материала и повышения их качества, заготовку деформируют с переменной степенью осевой вытяжки в разных радиальных нап-. равлениях поперечного сечения.2. Способ по п.1, о т л и ч а ющ и й с я тем, что, с целью получения спиралеобразной структуры материала, каждое последующее поперечное сечение заготовки в направлении ее движения разворачивают относительно предыдущего поперечного сечения заготовки вокруг ее оси.3. Способ по пп. 1 и 2, о т л ич а ю щ и й с я тем, что степень вытяжки материала в,осевом направлении периодически изменяют вдоль образующей заготовки.4. Способ по пп.1 - 3, о т л ич а ю щ и й с я тем, что степень расширения заготовки в окружном нап" равлении выбирают равной для ее на". ружных и внутренних слоев .5. Устройство для изготовления толстостенных бесшовных жестких проФильных изделий из неориентированных полукристаллических термопластичных полимеров, содержащее средства для крепления инструментальной оснастки, контейнерный узел, снабженный элементами термостатирования и размещенный в пределах средств для креп ления инструментальной оснастки, средство создания давления в контейнерном узле, уплотнительные средства в контейнерном узле для поддержания давления гидростатической жидкости и обеспечения выдавливания пленки гидростатической жидкости назаготовку, оправку с рабочей поверхностью, смонтированную с образованием с рабочей поверхностью мундштука кольцевого канала с последовательно расположенными в нем конической входной зоной, цилиндрическойуплотнительной зоной, конической расширительной зоной, калибровочной зоной и переходными зонами с плавнымиповерхностями переходов, о т л ич а ю щ е е с я .тем, что, с цельюрасширения технологических воэможностей за счет получения изделийФигурного профиля с многоосно-ориентированной структурой материала иповышения.их качества, в кольцевомканале между конической расширитель"ной и калибровочной зонами выполненазона формования фигурного профиля,причем профиль поперечного сечениякольцевого канала в калибровочнойзоне и зоне Формования фигурного про.25 филя выполнен изменяющимся в радиальном направлении, а площадь егопоперечного сечения в зоне формования Фигурного профиля выполненауменьшающейся в направлении калибровочной зоны.б. Устройство по п 5, о т л ич а ю щ е е с я тем, что в зонеФормования фигурного профиля по рабочим поверхностям мундштука и оправки выполнены равномерно расположенные впадины и выступы с образованием соответственно поверхностямивпадин цилиндрических поверхностей,а поверхностями выступов - коничес Оких поверхностей, причем цилиндрические и конические поверхности распо"ложены концентрично оси оправки, вершина конуса, образованного поверхностями выступов мундштука, обращена в направлении калибровочной зоны,а вершина конуса, образованного поверхностями выступов оправки, - внаправлении конической расширительной зоны.7. Устройство по пп.5 и б, о тл и ч а ю щ е е с я тем, что по рабочим поверхностям мундштука и оправки в зоне Формования фигурногопрофиля и в калибровочной зоне выполнены винтовые спирали.8, Устройство по пп.5 - 7, о тл и ч а ю щ е е с я тем, что мундштук выполнен разборным.аказ 185422ВН Тираж 559ИИПИ Государственног по делам изобретений 113035, Москва, Ж, Рау Подписноемитета СССР ткрыти