Давление и скорость формования. 
Степень вытяжки материала

Формующий перепад давления, необходимый для формования того или иного конкретного изделия, определяется толщиной и материалом заготовки, сложностью конфигурации изделия, допуст имыми пределами скорости вытяжки данного термопласта. При производстве изделий простой формы (не имеющих сложных переходов, мелках тиснений и рельефов на поверхности) при глубине вытяжки (отношении высоты изделия к его среднему условному диаметру) не более 0,5 и толщине исходной заготовки до 5−7 мм обычно рекомендуется применять вакуумное формование с формующим перепадом давления до 0,1 МПа. Для более толстых листов рекомендуется пневматическое формование с давлением до 1 МПа.

Для получения глубоких изделий со сложными тиснениями на поверхности требуются повышенные давления. Так, для производства вазы из органического стекла с толщиной стенки 4 мм (диаметр вазы 220 мм) и глубиной вытяжки 0,43 при отсутствии тиснения на ее поверхности достаточно давления, создаваемого при вакуумном формовании. В то же время для формования точно такой же вазы, но с тиснением наружной поверхности «под хрусталь», необходимо давление от 0,3 до 0,5 МПа в зависимости от сложности рисунка.

Прочностные свойства изделий, отформованных при разном удельном давлении на заготовку, практически одинаковы. Не влияет на эти свойства (при прочих равных условиях) и способ создания давления формования.

Скорость формования глубоких изделий должна быть несколько ниже, чем при формовании неглубоких изделий, так как при большой глубине вытяжки высокие скорости могут привести к разрыву заготовки. Скорость вытяжки зависит от толщины листа, температуры и давления формования. Замедленная вытяжка приводит к преждевременному охлаждению и растрескиванию материала, а при слишком быстрой вытяжке может произойти разрыв заготовки или чрезмерное утонение стенок в местах углубления и в углах изделия.

При создании формующего перепада давления гидравлическим или пневматическим методом воздух или жидкость в камеру надо подавать через устройство, рассеивающее поток, например через барботер с мелкими отверстиями. В противном случае происходит местная вытяжка заготовки (при подаче разогретого агента) или местное переохлаждение (при подаче холодного агента).

Контроль скорости деформации заготовки при пневмовакуумном формовании не производится. При отладке технологического режима скорость вытяжки регулируется изменением формующего перепада давления.

Значительное влияние на свойства формуемого изделия оказывает степень вытяжки. которой был подвергнут термопластичный материал при формовании изделия. Это единственный параметр, который практически невозможно изменит!" непосредственно в процессе формования. Влияниетой или иной вытяжки необходимо оценивать заранее уже в процессе конструирования самого изделия и формующего инструмента.

Вытяжка термопласта приводит к его ориентации и, как следствие, к изменению механических свойств. Так, если образец из листового материала подвергать вытяжке в одном направлении (одноосная вытяжка), то с увеличением степени вытяжки его ударная вязкость вдоль направления вытяжки будет увеличиваться, а в направлении, перпендикулярном к направлению вытяжки, уменьшаться. Точно так же вдоль и перпендикулярно направлению вытяжки будут отличаться и другие свойства деформированного термопласта. Причем различия в свойствах будут тем больше, чем больше степень вытяжки.

Необходимо учитывать, что при чрезмерной вытяжке может произойти самопроизвольное расслоение материала. Это обстоятельство обязывает конструктора придать изделию форму, при которой разность вытяжки по взаимно перпендикулярным направлениям не будет превышать 50−60%. В противном случае за счет одноосной ориентации изделие будет обладать большой анизотропией механических свойств. В данном случае под термином «одноосная ориентация» понимают значительное превышение степени ориентации в одном направлении по сравнению с другими. Чаще всего при термоформовании приходится иметь дело с двухосной вытяжкой, т. е. такой, когда деформация материала происходит по двум направлениям.

Степень вытяжки принято выражать как увеличение площади формуемой заготовки, или относительное утонение листа (в %):

где 8_вг и 8 — толщина заготовки и стенки изделия.

Кроме того, степень вытяжки можно оценивать, но отношению толщины заготовки к толщине изделия на конкретном его участке: а — 8_мг/8.

Соотношение между толщиной стенок изделия и вытяжкой можно найти из формулы.

Рис. 2.171. Номограммы для расчета отношения начальной и конечной толщин листового материала при его двухосной вытяжке.

где Ь_и и 1_К — начальная и конечная длина участка термопласта; В_н и В_к — начальная и конечная ширина участка термопласта.

Последнее соотношение, представленное в виде номограммы, приведено на рис. 2.171.

По вертикальной оси номограммы отложено продольное удлинение, а по горизонтальной — отношение начальной и конечной толщин. На поле номограммы нанесены сплошные наклонные линии, соответствующие определенному удлинению (величина продольных и поперечных удлинений выражена в %). Штриховые линии на номограмме — кривые равной вытяжки при двухосном растяжении. На номограмме приведены два примера определения отношения начальной и конечной толщины формуемого образца. Первый пример дан для случая равномерной двухосной вытяжки, второй — для неравномерной.

Наиболее пригодным и широко применяемым методом изучения вытяжки при формовании является нанесение на поверхность образца делительных сеток.

Делительные сетки могут иметь вид:

• • концентрических окружностей и диаметральных линий, если заранее известно, что деформации распределяются равномерно по окружности (например, при изучении процесса глубокой вытяжки круглой заготовки);
• • системы параллельных и перпендикулярных линий, расположенных друг от друга на одинаковом расстоянии (при изучении процесса вытяжки прямоугольной заготовки):
• • соприкасающихся друг с другом окружностей одинакового диаметра, расположенных параллельными рядами (когда направление главных напряжений заранее известно).

Делительная сетка должна наноситься на плоскости главных деформаций. Если элементарные квадраты прямоугольной делительной сетки после деформации превращаются в прямоугольники, то можно утверждать, что направление главных осей деформации совпадало с направлением сторон квадрата. Если стороны квадрата не совпадают с направлением осей деформации, то под влиянием дополнительных сдвигов квадрат превращается в параллелограмм, а вписанный в него круг — в эллипс. Главные оси деформации в этих случаях совпадают с направлением осей эллипса.

Если принять, что внутри каждой ячейки сетки деформация однородна, то истинные главные деформации характеризуются следующими выражениями:

где г₀ — радиус круга, вписанного в квадрат делительной сетки; г, г₂ — полуоси эллипса, вписанного в параллелограмм деформированной делительной сетки.

Рис. 2.172. Делительная сетка на наружных стенках изделия после формования.

В тех случаях, когда первоначальный квадрат делительной сетки после деформации превращается в криволинейный четырехугольник, количественная оценка деформаций становится неточной. По результатам измерения деформированной сетки можно построить линии постоянных главных нормальных напряжений (изоклины) и линии одинаковых главных касательных напряжений (изохромы) для плоской деформации. Пример изделия, отформованного из заготовки с нанесенной на нее делительной сеткой, приведен на рис. 2.172.

Величина и условия проведения вытяжки термопласта влияют на механические свойства и стабильность его размеров.

Двухосная вытяжка термопласта приводит, как правило, к повышению механической прочности деформированного материала по сравнению с прочностью исходного листа. Характер изменения зависит от свойств материала и условий вытяжки. Однако во всех случаях при двухосной вытяжке вследствие ориентации увеличивается прочность материала в продольном и поперечном направлениях и удельная ударная вязкость. Относительное удлинение при разрыве меняется в результате вытяжки индивидуально для каждого материала.

Растяжение термопласта в продольном и поперечном направлениях улучшает сопротивляемость его растрескиванию. Сопротивление же абразивному износу у большинства термопластов с повышением степени вытяжки уменьшается.

Вытяжка полимера может приводить к улучшению его морозостойкости. Так, равномерная двухосная вытяжка ударопрочного полистирола примерно вдвое повышает значение удельной ударной вязкости материала при минусовых температурах.

С увеличением вытяжки полимера усадка готового изделия возрастает.

Как уже говорилось, одним из основных критериев, определявших качество изделий, полученных термоформован нем, является его разнотолщинность. Применение различных методов формования позволяет снизить разнотолщинность, сделать изделие так, чтобы наиболее утонченное место не мешало изделию выполнять свое функциональное назначение. Однако полностью избавиться от разнотолщинности термоформованных изделий практически невозможно. В связи с этим встает вопрос о какой-то количественной оценке разнотолщинности.

При выборе толщины заготовки для производства какого-либо изделия прежде всего оценивают на основании эксперимента или имеющегося предыдущего опыта минимальную толщину стенки. И если она (минимальная толщина) получается слишком малой при выбранном методе формования, то берут заготовку большей толщины. Такой подход приводит к перерасходу материала, увеличению массы изделия, увеличению времени разогрева заготовки и, в конечном счете, к удорожанию изделия. Избежать такого подхода помогает правильная оценка разнотолщинности. Обычно под разнотолщинностью понимают либо отношение минимальной толщины изделия к его максимальной толщине г' - 5_тт/8_глах (так называемый индекс разнотолщинности), либо отношение минимальной толщины изделия к начальной толщине заготовки г* — 5_Ю111/5_эаг. Однако наиболее приемлемым является определение разнотолщинности как отношения минимальной толщины изделия к его средней толщине г* = 5_П1П/8_ср. Так как установить среднюю толщину изделия не всегда просто, то последнее соотношение удобнее записать в следующем виде:

где 5_заг и 5_им — соответственно площадь части заготовки, находящейся непосредственно над (или под) формой, и площадь поверхности готового изделия.

При такой записи критерий разнотолщинности (г") колеблется от 0 до 1. Действительно, если стенка изделия чрезмерно утонилась и разорвалась в процессе формования, то 5 = 0 и, следовательно, г" = 0.