XV Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2023

ВВЕДЕНИЕ

В настоящее время уровень мировой экономики и экономики отдельных стран все в большей мере зависит от уровня развития производства и применения полимерных материалов [13]. В связи с большим потребительским спросом покупателей на продукцию бытового назначения, за последние несколько лет значительно увеличилось число производств по изготовлению пластмассовых упаковочных материалов (тары, крышки, пленки). Это связано со специфичными показателями, присущими полимерным материалам, а именно дешевизна производства единицы продукции, а также надежность при эксплуатации. На сегодняшний день одним из самых распространенных методов переработки термопластичных масс (термопластов) является литье под давлением.

Литье под давлением – технологический процесс переработки полимеров, в ходе которого используемый материал переводится в вязко-текучее состояние и затем впрыскивается под давлением в пресс-форму, где и происходит окончательно оформление изделия. Методом литья под давлением производят штучные изделия, масса которых может варьироваться от долей грамма до нескольких десятком килограмм. Данный метод также позволяет производить армированные, полые и многоцветные изделия, что полностью соответствует различным запросам заказчиков на рынке бытовых изделий.

В данной работе предлагается один из возможных вариантов проектирования производства, предназначенного для изготовления крышек для емкостей бытового назначения из ПЭНД методом литья под давлением. Во время работы над проектом были выделены и тщательно рассмотрены следующие задачи:

полная или частичная автоматизация производства;

обеспечение запланированного объема производства продукции;

обеспечение дальнейшего прироста производства продукции без увеличения численности работающих, т.е. за счет повышения производительности труда;

снижение себестоимости продукции;

освоение выпуска новых видов изделий и полуфабрикатов;

повышение качества и улучшение физико-химических показателей производимых изделий [13].

Характеристика готовой продукции

Проектируемое предприятие рассчитано на выпуск пластмассовых крышек для емкостей бытового назначения, активно использующихся, как в химической, так и пищевой и медицинской промышленностях. Использование продукции в перечисленных сферах означает внедрение и соблюдение высоких стандартов качества на производстве [10], принятых Федеральным агентством по техническому регулированию и метрологии Росстандарт, а также Всемирной Организацией Здравоохранения (ВОЗ), так как часть изготавливаемой продукции предназначена для непосредственного контакта с продуктами массового потребления. Согласно этим требованиям, производимая на предприятии продукция должна обладать определенными физико-механическими параметрами, такими как точность конструктивных размеров, прочность, эластичность, безопасность использования, стойкость к химически активным средам, простота в эксплуатации, возможность вторичной переработки изделия и иные показатели.

На проектируемом предприятии все готовые изделия должны соответствовать следующим требованиям:

изделия на внутренней и внешней поверхностях не должны иметь острых (режущих, колющих) кромок, если это не определено функциональным назначением изделия; Следы от формующего инструмента не должны иметь острых (режущих, колющих) краев;

в соответствии с ГОСТ 24105-80 [5], не допускаются дефекты, портящие внешний вид (раковины, вздутия, трещины, следы течения, линии холодного стыка, царапины, сколы); инородные включения в количествах, более допустимых по нормативному или техническому документу на материал, из которого изготовлено изделие, и их локальные скопления; высота или глубина следов от формующего инструмента не должна быть более 0,5 мм и более 2,0 мм для крупногабаритных изделий;

элементы формующего инструмента, оформляющие внутреннюю и внешнюю поверхности изделий, должны иметь шероховатость поверхности не менее 9-10 классов чистоты по ГОСТ 2789-73;

на каждое изделие наносится товарный знак предприятия-изготовителя или его наименование и обозначение полимерного материала, из которого изготовлено изделие. Допускается нанесение дополнительной маркировки, не ухудшающей товарный вид изделия, например, номер формы изделия, гнезда;

по показателям качества изделия должны соответствовать требованиям, указанным в таблице 1.1.

Таблица 1.1 – Требования, предъявляемые к готовой продукции

Наименование показателя	Норма
Стойкость к горячей воде	Изделие должно сохранять внешний вид и окраску, не деформироваться и не растрескиваться при температуре (70 5)
Миграция красителя (стойкость красителя к протиранию)	Не допускается
Химическая стойкость	Изделие должно быть стойким к растворам кислот и действию мыльных щелочных растворов
Коробление	Не более 0,5%
Стойкость к загрязнению	Изделие должно хорошо отмываться от загрязнений
Изменение цвета и прозрачности модельной вытяжки	Не допускается
Надежность запирания замков	Должно обеспечиваться надежное запирание и открывание
Герметичность	Крышка должна плотно надеваться на емкость и не пропускать воду/жидкость

Каждое готовое изделие одной серии также должно быть произведено в соответствии с техническим регламентом (или техническим условием), определяемым непосредственно фирмой-заказчиком. Все изделия должны соответствовать ГОСТ 32626-2014 [6].

Таблица 1.1.1 – Ассортимент готовой продукции готовой продукции

Наименование	Марка	Масса,г
Крышка КНБ 1.2.01	ГОСТ 16338-85	9,890
Крышка КНБ 2.2.02	ГОСТ 16338-85	9,580
Крышка КНБ 3.2.02	ГОСТ 16338-85	7,765
Крышка КНБ 4.2.02	ГОСТ 16338-85	6,350
Крышка КНБ 5.2.03	ГОСТ 16338-85	4,810

Обоснование выбора сырья

На сегодняшний день основная часть пластиковых изделий, предназначенных для эксплуатации в бытовой среде, изготавливаемых методом литья под давлением, производится из полимерных материалов: полиэтилен низкого давления (далее ПЭНД), полиэтилен высокого давления (далее ПЭВД) и полипропилен (далее ПП). В соответствии с проведенным анализом опыта производства похожей продукцией, было решено сократить выбор исходного сырья до указанных выше трёх полимерных материалов. Сравнение основных физико-механических свойств ПЭНД, ПЭВД и ПП представлено в таблице 1.2.

Таблица 1.2 – Сравнительная характеристика физико-механических свойств ПЭНД, ПЭВД и ПП

Параметры	ПЭНД	ПЭВД	ПП
Плотность, кг/м3	948-959	900-939	900-910
Степень кристалличности, %	75-85	50-65	80-90
Разрушающее напряжение: при растяжении, МПа	20-30	10-16	24,5-39
при изгибе, МПа	20-38	12-17	25-40
Относительное удлинение при разрыве, %	300-800	400-600	200-1000
Твердость по Бринеллю, МПа	45-49	14-25	60-65
Параметры	ПЭНД	ПЭВД	ПП
Температура плавления,	125-135	105-108	160-168
Морозостойкость,	-70	-70	-20
Коэффициент теплопроводности, Вт/(м· )	0,22-0,35	0,20-0,33	0,16-0,22
Удельная теплоемкость, кДж/(кг· )	2,3-2,7	2,09-2,85	1,93-2,5
Удельное электрическое сопротивление: - поверхностное, Ом - объемное, Ом·м	1014 1014-1015	1015 1014-1015	1016 1016-1018

Исходя из приведенных выше данных, было решено использовать ПЭНД в качестве основного сырья для производства пластиковых крышек бытового назначения. Это обуславливается тем, что ПЭНД легко поддается переработке, по сравнению с ПЭВД и ПП является более эластичным, стойким к резким перепадам температур и относительно дешевым полимерным материалом.

Для окраски полимерной смеси предполагается использование гранулированных красителей ПЭНД устойчивых при воздействии света и высоких температур.

Характеристика выбранного сырья

На сегодняшний день ПЭНД является одним из самых потребляемых полимерных материалов в мире: он широко применяется в производстве товаров глобального потребления – упаковка, одноразовая посуда, контейнеры и емкости, в том числе и для пищевых продуктов, крышки, колпачки и многие другие изделия бытового назначения.

ПЭНД имеет кристаллическую структуру и является легким эластичным термопластичным полимером. Данный полимер устойчив к кислотам, щелочам, растворам солей, минеральным и растительным маслам при высоких температурах, при нормальных условиях не растворим в органических растворителях, имеет низкий коэффициент влагопоглощения и является биологически инертным материалом, что является критически важным условием конструирования рассматриваемых изделий. Особенностью предлагаемого материала является повышенная жесткость, что приводит к высоким показателям ударопрочности.

Помимо этого, рынок сырья переполнен предложениями российских и зарубежных фирм-производителей о продаже различных композиций полиэтилена низкого давления, что делает закупку сырья проще и экономичнее.

Таблица 1.2.1 – Характеристика физико-механических свойств ПЭНД

Параметры	ПЭНД
Плотность, кг/м3	948-959
Степень кристалличности, %	75-85
Разрушающее напряжение: при растяжении, МПа	20-30
при изгибе, МПа	20-38
Относительное удлинение при разрыве, %	300-800
Твердость по Бринеллю, МПа	45-49
Параметры	ПЭНД
Температура плавления,	125-135
Морозостойкость,	-70
Коэффициент теплопроводности, Вт/(м· )	0,22-0,35
Удельная теплоемкость, кДж/(кг· )	2,3-2,7
Удельное электрическое сопротивление: - поверхностное, Ом - объемное, Ом·м	1014 1014-1015

Обоснование метода переработки

При выборе метода переработки полимера в потенциальные изделия было решено использовать метод литья под давлением. На сегодняшний день по численности основного оборудования в мире литье под давлением является самым распространенным методом переработки пластических масс. Этим обусловливается большой выбор термопластавтоматов (ТПА), широкий круг подготовленного персонала, а также большое количество сложных, но управляемых технических решений производства продукции. Данный метод обладает следующими преимуществами перед остальными методами переработки термопластов:

относительная дешевизна изделия при массовом выпуске продукции;

высокая производительность (может достигать до нескольких тысяч готовых изделий в смену);

высокое и стабильное качество изделия;

точность размеров отливки;

отсутствует необходимость механической обработки изделия после извлечения из пресс-формы (по сравнению с прессованием);

возможность производить изделия сложной конфигурации.

Однако к недостаткам метода литья под давлением можно отнести:

высокая стоимость технической оснастки;

ограниченная толщина стенок изделия;

использование дорогостоящего и технически сложного оборудования;

необходимость в высококвалифицированных специалистах.

Так как проектируемое производство нацелено на большой объём выпускаемой продукции сложной конфигурации со строго установленными конструкционными размерами, то литье под давлением является наиболее подходящим методом переработки.

Физико-химические основы технологического процесса

Процесс формования изделий из пластических масс осуществляется, когда материал находится преимущественно в вязкотекучем состоянии. При охлаждении изделия полимер переходит в твердое физическое состояние врезультате протекания процессов стеклования или кристаллизации. Переход из одного физического состояния в другое происходит при определенных интервалах температур (так как температура перехода зависит от условий проведения процесса: скорости деформации материала, скорости его нагревания и охлаждения, величины действующей силы), точные значения которых необходимы при выборе технологических режимов переработки полимера. Поэтому на практике часто применяются термомеханические кривые, отражающие графическую зависимость деформации полимера (ε), развивающейся за определенное время при заданном напряжении, от температуры (T), и показывающие значения температур, при которых полимер переходит в то или иное физическое состояние.

Т_хр, Т_с, Т_к, Т_т, Т_х, – температуры хрупкости, стеклования, кристаллизации, текучести и начала химического разложения соответственно; I, II, III – участки стеклообразного, высокоэластичного и вязкотекучего состояний соответственно

Рисунок 1.1 – Термомеханические кривые некристаллического линейного (1), кристаллического (2) и редкосетчатого (3) полимеров

На кривых имеются три участка, соответствующие трем физическим состояниям. Средние температуры переходных областей называются температурами перехода. Для линейного некристаллизирующегося полимера (кривая 1) область I – область упругих деформаций (степень деформации равна 2–5%), связанная с изменением расстояния между частицами вещества. При температуре ниже температуры хрупкости  полимер становится хрупким. Разрушение происходит в результате разрыва химических связей в макромолекуле. В области II небольшие напряжения вызывают перемещение отдельных сегментов макромолекул и их ориентацию в направлении действующей силы. После снятия нагрузки молекулы в результате действия межмолекулярных сил принимают первоначальную равновесную форму. Высокоэластическое состояние характеризуется значительными обратимыми деформациями (до сотни процентов). Около точки температуры текучести материала помимо упругой и высокоэластической деформации также возникает и пластическая [9].

Кристаллические полимеры ниже температуры плавления (кристаллизации ) являются твердыми, но имеют различную жесткость (кривая 2) вследствие наличия аморфной части, которая может находиться в различных состояниях. В точке кристаллизации Т_к кристаллическая часть полимера плавится, и термомеханическая кривая почти скачкообразно достигает участка кривой 1, соответствующего высокоэластической деформации, как у некристаллического полимера.

Так, в зависимости от значений температур стеклования и плавления, изменяются такие технологические показания процесса, как время охлаждения изделия , температура формы и других рабочих узлов литьевых машин (к примеру, температура материального цилиндра ). На практике большое значение имеют скорость кристаллизации или стеклования используемого материала, теплота его плавления, а также изменение размеров и конфигурации структурных образований (для кристаллических полимеров) взависимости от условий формования и охлаждения изделий.

Верхний предел температур переработки термопластов ограничен низким значением вязкости, а также началом процесса деструкции.

Первый процесс деструкции – уменьшение его молекулярной массы без выделения значительных количеств летучих продуктов. В ходе деструкции образца увеличивается ненасыщенность, причем в большей части реакционного периода образуется одна двойная связь на один разрыв. Изменения в инфракрасных спектрах ПЭНД указывают на образование в ходе деструкции трех типов двойных связей: RCH=CH₂; RCH=CHR’ и RR’C=CH₂. В начальной стадии реакции образуются двойные связи всех трех типов, однако при уменьшении молекулярной массы до величины, равной 5-10% от первоначального значения, концентрация связей двух последних типов достигает максимума, и только концентрация связей RCH=CH₂ продолжает увеличиваться. Разрыв связей кислородосодержащих групп должны приводить к образованию свободного радикала R’’’, который отрывает атом водорода или от неразветвленной части молекулы:

R'’ + RCH₂- CH₂R’ →R’’H + RCH-CH₂R→ RCH=CH₂+R’

Или от третичного углеродного атома:

R₂C-CH₂R’→R₂C=CH₂ + R’

Или от углеродного атома, ближайшего к третичному:

R₂C-CH-CH₂R’ → RCH=CH-CH₂R’ + R’

Летучие продукты деполимеризации ПЭНД при температуре выше 360^оС представляют собой сложную смесь углеводородов;

Описание технологической схемы производства

После рассмотрения и утверждения заказа с производственного склада предприятия при помощи электропогрузчика (поз. ЭП₁) отгружается необходимое количество гранулированного ПЭНД (мешки весом 25 кг) и красителя (мешки весом 10 кг) на цеховой склад сырья (поз. СС). Затем мешки ПЭНД вручную переносят на элеватор автоматического растарочного устройства (поз. АРУ) для дальнейшей распаковки и транспортировки сырья до силоса (поз. С); мешки красителя растариваются и засыпаются в емкость красителя (поз.Е₁) вручную. Далее из силоса (поз. C) с помощью пневмотранспорта ПЭНД подается на распределительное устройство (поз. РУ), откуда затем транспортируется к дозатору ПЭНД Д₁; краситель из емкости (поз. Е₁)также с помощью пневмотранспорта транспортируется к дозатору красителя (поз. Д₂).

Из дозаторов ПЭНД (поз. Д₁,) красителя (поз. Д₂), и дробленного ПЭНД (поз. Д₃) материал поступает в смесительное устройство См, где тщательно перемешивается до получения однородной массы. Затем готовая смесь попадает в материальный цилиндр литьевой машины (поз. ЛМ), где материал переходит в вязкотекучее состояние, и затем гомогенизированный расплав под давлением впрыскивается в сомкнутую горячеканальную пресс-форму (поз. ПФ).

При размыкании пресс-формы (поз. ПФ) готовые изделия сталкиваются на ленточный конвейер (поз. ЛК), который при необходимости может быть снабжен дополнительными воздушными вентиляторами, необходимыми для понижения температуры изделия. Охлажденные готовые изделия с подвижной ленты конвейера(поз. ЛК)попадают в упаковочные коробки (поз. К), расположенные на весах для распределения изделий по коробкам. Далее коробки с расфасованной готовой продукцией с помощью электропогрузчика (поз. ЭП₂) транспортируются на склад готовой продукции (поз. СГП) и затем на дальнейшую сборку или на отгрузку заказчику.

Часть готовой продукции перенаправляется на стол контроля готовой продукции (поз. КГП) для проверки физико-механических свойств изделий. После осмотра все контрольные изделия отправляются на измельчение на дробильное устройство (поз. ДУ), после которого дробленный ПЭНД с помощью пневмотранспорта направляется в дозатор дробленного ПЭНД (поз. Д₃).

Нормы технологического режима и контроль производства

Для переработки ПЭНД в заданное изделие необходимо установить и поддерживать следующие основные технологические параметры процесса [3], представленные в таблице 1.3.

Таблица 1.3 – Основные технологические параметры переработки композиции ПЭНД

Параметр	Значение
Температура зоны загрузки материала,	40-60
Температура I зоны обогрева материального цилиндра,	180-220
Температура II зоны обогрева материального цилиндра,	180-280
Температура III зоны обогрева материального цилиндра,	200-280
Температура IV зоны обогрева материального цилиндра,	200-280
Температура сопла,	200-260
Температура пресс-формы,	20-60
Давление впрыска, МПа	70-120
Давление выдержки	30-60% от давления впрыска
Противодавление, МПа	10-25
Ход дозирования	0,5-4,0 D
Усадка материала, %	1,5-2,5

Сведения об организации технического контроля проектируемого производства приведены в таблице 1.3.1.

Таблица 1.3.1 Технологический контроль проектируемого производства

Наименование стадии	Контролируемый параметр	Частота и способ контроля	Нормы и технологические показатели	Кто контролирует
Подготовка сырья	Сырье	Каждая партия	Плотность, вес в спецификации, записьб в журнал	Лаборант
Литье	Тех.параметры процессы литья	Каждые 30мин	Температура по зонам(табл.1.3), заносит в отчет оператора	Оператор
Упаковка ГП	Внешние дефекты, геометрия отливок	Каждые 30мин, на запуске	Отсутствие дефектов, заносит в отчет контроля качества ГП	Сменный контролер отдела качества

Для улучшения качества выпускаемой продукции и уменьшения планово-предупредительных и ремонтных видов работа на производстве предполагается введение системы TPM (англ. Total Productive Maintenance). Все мероприятия, осуществляемые в рамках системы ТРМ, направлены на устранение основных видов потерь, снижающих эффективность и производительность производства. К таким потерям можно отнести выход оборудования из строя, высокое время переналадки, холостой ход и мелкие неисправности, снижение быстродействия (скорости) в работе оборудования, дефектные детали и т.д.

В целом, всю систему TPM можно свести к восьми базисным принципам:

Непрерывное улучшение оборудования, направленное на предотвращение различных видов производственных потерь;

Автономное содержание в исправности оборудования;

Планирование технического обслуживания;

Тренировка и образование персонала;

Контроль запуска;

Менеджмент качества;

Контроль в административных областях предприятия (выявление финансовых потерь и расточительства);

Безопасность труда, охрана окружающей среды и здравоохранение.

На предприятии планируется внедрение технических норм по производственным и ремонтным видам работ, что позволит заранее спланировать и скоординировать действия персонала при резкой поломке оборудования. Помимо этого, рекомендуется проводить ежегодные курсы повышения квалификации работников предприятия, что положительно скажется на производительности производства и на качестве выпускаемой продукции.

Виды брака и способы его устранения

Основные виды брака при литье под давлением, причины их возникновения и способы устранения приведены в таблице 1.4.

Таблица 1.4 – Возможные дефекты литьевых изделий и способы их устранения

Дефект	Причина дефекта	Способ устранения
Облой	Высокое давление в форме;	- Уменьшение объемной скорости впрыска расплава
	Недостаточное усилие смыкания	- Увеличение усилия смыкания
	Низкая вязкость	- Понижение температуры расплава - Понижение температуры формы

Продолжение таблицы 1.4

Дефект	Причина дефекта	Способ устранения
Пригар	Местный перегрев материала	- Понижение температуры расплава - Уменьшение объемной скорость впрыска расплава
	Попадание воздуха в форму	Улучшение условий выхода воздуха из полости формы
	Наличие застойных зон в материальном цилиндре и сопле	Ликвидация застойных зон
Недолив	Низкая текучесть расплава	- Повышение температуры расплава; - Повышение температуры формы
	Засорение литниковых каналов	Устранение засорения каналов
	Неисправность работы узлов и деталей литьевой машины	Устранение неисправности в работе оборудования
Пустоты	Попадание воздуха в форму	Улучшение условий выхода воздуха из полости формы
	Неправильная работа узла впрыска	Наладка работы узла впрыска
Отслаивание наружного слоя	Включение посторонних материалов в состав изделия	Очистка цилиндра и сопла от посторонних материалов
	Избыточное значение разности температур расплава и формы	Уменьшение разности температур расплава и формы
Линии на поверхности изделия	Нарушение течения материала	Проверка режима заполнения формы; доработка конструкции формы
	Неравномерное заполнение формы
Отверстия	Нарушение соосности деталей формы	Наладка расположения формы
Трудный съем изделия	Неправильная конструкция формы	- Доработка конструкции формы - Увеличение конусности стенок формы
	Наличие неровностей и поднутрений на оформляющей поверхности формы	Чистка и шлифование оформляющей поверхности формы
	Разница температур между подвижной и неподвижной частями формы	Выравнивание температур между подвижной и неподвижной частями формы
	Неправильный режим литья	- Понижение температуры расплава - Понижение температуры формы - Понижение давления литья - Уменьшение времени выдержки изделия под давлением - Уменьшение продолжительности охлаждения изделия

РАСЧЕТЫ

Материальный баланс производства на 1000 шт. готовой продукции

Исходные данные расчета материального баланса:

Сырье: гранулированный полиэтилен низкого давления (ПЭНД), краситель, вторсырье (дробленый полиэтилен);

Доля красителя в единице готовой продукции:

Доля вторсырья в единице готовой продукции:

Данные материальных потерь на базовом и проектируемом предприятии приведены в таблице 2.1.

Таблица 2.1 – Сравнительные данные материальных потерь на базовом и проектируемом предприятиях

В процентах

Параметр	Базовое предприятие	Проектируемое предприятие
Потери сырья при транспортировке	1,4	1,0
Потери ПЭНД при растаривании	2,3	1,0
Потери красителя при растаривании	1,0	1,0
Потери при смешении компонентов	0,05	0,05
Брак при литье	1,8		1,5
Доля изделий, взятых на контроль	2,0		2,0
Потери при упаковке	1,8		1,2
Потери при дроблении ,	3,0		3,0

Исходя из представленных выше данных, был составлен материальный баланс при производстве 1000 единиц готовой продукции на каждое из представленных изделий (доля материальных потерь при смешении компонентов не учитывалась).

Материальный баланс производства крышки КБН-1.2.01:

следовательно, масса 1000 штук будет равна:

Материальный баланс производства крышки КБН-1.2.01 представлен в таблице 2.2.1.

Таблица 2.2.1 – Материальный баланс производства 1000 шт. (9,890 кг) крышек КБН-1.2.01

В килограммах

Статья прихода	Кол-во	Статья расхода	Кол-во
Транспортировка сырья
ПЭНД	10,262	Потери ПЭНД	0,103
Краситель	0,211	Потери красителя	0,002
Дробленный ПЭНД	0,105	Потери дробленного ПЭНД	0,001
		ПЭНД на растаривание	10,159
		Краситель на растаривание	0,209
		Дробленный ПЭНД на литьё	0,104
Итого	10,578	Итого	10,578
Растаривание сырья
ПЭНД	10,159	Потери ПЭНД	0,101
Краситель	0,209	Потери красителя	0,002
		ПЭНД на литье	10,058
		Краситель на литье	0,207
Итого	10,368	Итого	10,368
Литье под давлением
ПЭНД	10,058	Брак при литье	0,155
Краситель	0,207	Готовая продукция на контроль	10,214
Дробленный ПЭНД	0,104
Итого	10,369	Итого	10,369
Контроль
Готовая продукция	10,214	Выборка деталей на контроль	0,204
		Готовая продукция на упаковку	10,010
Итого	10,214	Итого	10,214
Дробление
Проверенные детали	0,204	Потери при дроблении	0,006
		Дробленный ПЭНД на транспортировку	0,105
		Дробленный ПЭНД на утилизацию	0,093
Итого	0,204	Итого	0,204

Продолжение таблицы 2.2.1

Статья прихода	Кол-во	Статья расхода	Кол-во
Упаковка
Готовая продукция	10,010	Потери готовой продукции	0,120
		Упакованная продукция на реализацию	9,890
Итого	10,010	Итого	10,010

Расчет, выбор и описание работы основного оборудования

Основным оборудованием для получения изделий из пластмасс методом литья под давлением являются термопластавтоматы (литьевые машины), выпускающиеся серийно различными фирмами-производителями.

Литьевую машину выбирают по расчетному объему впрыска , см³, который рассчитывается по формуле:

где – коэффициент, учитывающий сжатие и утечки расплава при его впрыске в форму ( [10]; принимаем

– навеска материала, необходимая для отливки одной детали, г;

– гнездность формы;

– плотность расплава полимера, г/см³; г/см³, принимаем г/см³.

Тогда получаем:

см³;

Исходя из полученных значений объема впрыска для детали, была подобрана соответствующая модель термопластавтомата марки Milacron. Подробная информация приведена в таблице 2.3.

Таблица 2.3 – Выбор литьевых машин для литья под давлением ПЭНД

В кубических сантиметрах

Наименование детали		Модель машины
КБН-1.2.01	338,22	F220 GPe 50	393

Основные параметры выбранных литьевых машин представлены в таблице 2.4.

Таблица 2.4 – Основные параметры выбранных литьевых машин

Параметр / Литьевая машина	F160 GPe 45
Узел смыкания
Усилие смыкания, кН	1600
Расстояние между колоннами, мм	520 х520
Максимальное расстояние между плитами пресс-формы, мм	1020
Ход / усилие раскрытия, мм / кН	450 / 320
Ход / усилие толкателей, мм / кН	180 / 40
Узел впрыска
Диаметр шнека, мм	45
Максимальный объем впрыска, см3	286
Давление впрыска, МПа	206
Отношение L/D	22
Максимальная скорость вращения шнека, об/мин	340
Усилие прижима сопла, кН	47
Объёмная скорость впрыска, см3/с	525
Двигатель
Мощность, кВт	39
Габариты и вес
Вес нетто, т	9,4
Длина х Ширина х Высота, м	6,2 х 1,9 х 2,3

Выбранную машину необходимо проверить по следующим параметрам:

Удельное давление на расплав полимера

Согласно справочным данным [2], рекомендуемый интервал давлений литья для ПЭНД равен от 70 до 120 МПа. Удельное давление на расплав полимера, развиваемое литьевой машиной, , должно быть больше давления литья, т. е.:

Данное условие выполняется для всех выбранных термопластавтоматов.

Усилие смыкания формы

Расчетное усилие смыкания формы должно быть меньше или равно номинальному усилию смыканию формы, развиваемое литьевой машиной [10]. Расчетное усилие запирания формы , кН, определяется по формуле:

где – среднее давление в форме; величина лежит в пределах 250-350 кг/см² [10], принимаем = 350 кг/см²;

– площадь проекции отливаемой детали на плоскость разъема формы, см²;

– гнездность пресс-формы.

Площади проекции для отливаемой детали на плоскость разъема формы, , см², будут равны:

см²;

Следовательно, расчетные усилия смыкания формы для каждой детали будут равны:

;

В соответствии со значениями максимальных усилий запирания формы, развиваемые машиной, приведенные в таблице 2.4, данное условие соблюдается для выбранного термопластавтома.

Описание работы основного оборудования

Технологический процесс литья пластмасс под давлением представляет собой ряд идущих друг за другом операций, а именно:

плавление полимера и гомогенизация его расплава;

смыкание пресс-формы;

подвод узла впрыска литьевой машины к пресс-форме;

впрыск расплава полимера;

выдержка под давлением и отвод узла впрыска;

раскрытие пресс-формы и извлечение готового изделия.

Из бункера литьевой машины гранулированный полимер поступает в материальный цилиндр. Плавление гранул в цилиндре происходит за счет передачи теплоты от нагретых стенок цилиндра, а также вследствие диссипации энергии вязкого течения расплава и трения самих гранул друг о друга. Дозирование материала осуществляется при вращающемся шнеке, в результате чего расплав полимера перемещается в переднюю часть цилиндра. Далее происходит смыкания пресс-формы. Данная операция осуществляется в результате передвижения подвижной плиты литьевой машины вместе с закрепленной на ней разъемной частью пресс-формы с помощью сервомотора узла смыкания. В это же время к форме подводится узел впрыска машины, при этом сопло материального цилиндра плотно упирается в литниковую втулку формы для создания необходимого давления, исключающего утечку материала при непосредственном впрыске расплава.

В момент впрыска шнек материального цилиндра под действием сервомотора впрыска перемещается к форме, и расплав впрыскивается в формующую полость пресс-формы. Для исключения вытекания расплава из формы применяют выдержку под давлением, во время которой происходит охлаждение наружного слоя изделия. В результате резкого понижения температуры расплава увеличивается его плотность и, соответственно, уменьшается объем материала в форме. Для компенсации потери давления в форме через литниковую систему формы осуществляется подпитка расплава. Когда расплав в форме достаточно охлажден (ниже температуры текучести материала), узел впрыска отводится от формы, при этом шнек, вращаясь, отходит назад, и начинается дозирование новой порции расплава.

В конце цикла литья подвижная плита машины вместе с готовыми изделиями отходит назад, срабатывает система выталкивателей, и происходит извлечение изделий из матрицы пресс-формы [2].

Выбор вспомогательного оборудования

Для осуществления технологического процесса проектируемого предприятия помимо основного, также необходимо выбрать вспомогательное оборудование, к которому относятся:

Электропогрузчик (поз. ЭП₁ ЭП₂)

Транспортировка сырья с производственного склада на цеховой склад (поз. СС), а также транспортировка упакованной продукции с цехового склада готовой продукции (поз. ЦСГП) на производственный склад осуществляется вилочными трехопорными электропогрузчиками марки CLARK GTX 16 с максимальной грузоподъемностью 1,6 тонны;

Тележки

Для транспортировки сырья или коробок с готовой продукцией используются 2 вида тележек:

Гидравлическая тележка марки GROST GT 25-115 для перемещения упакованных паллет с готовой продукцией;

Платформенная 4-х колесная тележка КП-300 125-К для перемещения мешков полиэтилена или красителя.

автоматическое растарочное устройство (поз. АРУ);

В качестве автоматического растарочного устройства предлагается использовать автоматический растариватель мешков RSA.

Мешок с гранулированным полимерным материалом вручную загружается на конвейер. Далее мешок с сырьем попадает в приёмный бункер растаривателя, в котором разрезается неподвижными лезвиями, расположенными внутри лотка подачи и движением вращающегося шнека. Затем шнек подает разрезанный мешок вместе с его содержимым на наклонный барабанный просеиватель, внутри которого установлены лопасти для более тщательного разделения. Гранулы полимера через небольшие отверстия просеивателя попадают в емкость для накопления материала, а мешки – в уплотнительное устройство;

дозаторы (поз. Д₁- Д₃) и смеситель (поз. См)

Для автоматизации процесса литья в технологический процесс был внедрен многокомпонентный порционный весовой дозатор со смесителем (гравиметрический блендер), установленный на загрузочном бункере литьевой машины. Предлагается использовать дозаторы Sonner серии UM и вакуумный погрузчик Soneer FC (поз. ВП), обеспечивающие точное дозирование пропорции используемых при литье материалов (отклонения составляют 0,1-0,5%) .

Дозирование материалов в весовой бункер при помощи шнекового дозатора происходит поочередно, с выдерживанием необходимых интервалов времени для стабилизации весовой системы. После этого компоненты литья (гранулированный ПЭНД, краситель и вторичный ПЭНД) сбрасываются из взвешивающих бункеров в смесительную камеру гравиметрического блендера. Смешивание материалов производится сообразно особенностям дозируемых материалов и требованиям технологического процесса, по задаваемой в системе управления программе. По окончании цикла смешивания, готовая смесь подается непосредственно в перерабатывающую машину;

Вентиляторы

Для автоматизации производственного процесса было решено доставлять гранулированный внутри склада с помощью пневмотранспорта. Для этих целей рекомендуется использовать транспортный вентилятор марки RD 6 F с производительностью 1440 м³/ч по воздуху и перепадом давления 1000 Па. Для сепарации газовоздушной смеси рекомендуется использовать циклон ЦРФ1.

Воздушные фильтры

Для очистки воздушной смеси перед выбросом в атмосферу рекомендуется использовать ячейковый гофрированные фильтры G4. Такие фильтры имеют ряд преимуществ перед плоскими за счет гофрирования фильтрующей поверхности, что позволяет увеличить производительность и пылеемкость фильтра, а также продлить срок службы.

дробильное устройство (поз. ДУ)

Для переработки бракованных или проверочных деталей на проектируемом предприятии рекомендуется использовать универсальное дробильное устройство HSS-400A производительностью 100-150 кг/ч. Дробилка оснащена каскадными (ступенчатыми) ножами из износостойкой стали, что обеспечивает высокую скорость измельчения и одинаковую фракцию измельчаемого материала.

БЕЗОПАСНОСТЬ И ЭКОЛОГИЧНОСТЬ ПРОИЗВОДСТВА

Согласно СанПин 2.2.1/2.1.1.1200-03 “Санитарно-защитные зоны и санитарная классификация предприятий, сооружений и иных объектов”, все производства по переработки пластических масс методами литья под давлением, экструзией, прессованием и вакуум-формованием относятся к IV классу опасности. К предприятиям данного класса предъявляются повышенные требования охраны труда. Это связано с такими факторами, как работа оборудования при высоких значениях давления и температуры и возможность выделения токсичных продуктов. Оценка степени опасности технологического процесса приведена в таблице 3.1.

Таблица 3.1 – Оценка степени опасности технологического процесса

Наименование участка	Используемое оборудование	Перечень опасных веществ	Опасные факторы
Склад сырья	Электропогрузчик	-	-Повышенная травмоопастность
Производственный цех	Литьевая машина	-Углекислый газ -Формальдегид -Предельные углеводороды	-Повышенная температура -Повышенное давление -Шум
	Пневмотранспорт	-	-Шум
	Дробильное оборудование	-	-Шум -Вибрация -Пыль

Проектируемое предприятие перерабатывает гранулированный полиэтилен низкого давления, при термической деструкции которого выделяются большое количество различных продуктов: углекислый газ, вода, формальдегид и смесь низкомолекулярных, насыщенных углеводородов (этан, пропан, бутан) [8]. Токсичное воздействие перечисленных продуктов на организм человека приведено ниже:

Оксид углерода (IV) – IV класс опасности; вытесняет кислород из оксигемоглобина, что препятствует переносу кислорода из легких к тканям, вызывает удушье, оказывает токсической действий на клетки;

Формальдегид – II класс опасности; обще ядовитое токсическое вещество, вызывающее раздражение кожи слизистой оболочки;

Насыщенные углеводороды – IV класс опасности; являются сильными наркотическими веществами, однако их сила действия мала из-за малой растворимостью в крови, однако, повышенные температуры усиливаю токсический эффект.

В связи этим на предприятии необходимо проводить ежегодный инструктаж персонала по технике безопасности и тренинги, направленные на отработку действий персонала в чрезвычайных ситуациях. Помимо этого, на предприятии рекомендуется создать инструкции по технике безопасности с подробным описанием возможных травм и методик по их заблаговременному предотвращению.

В процессе деятельности предприятий по переработки пластмасс имеют место отходы производства, в той или иной степени влияющие на окружающую среду. Согласно ФЗ “Об охране окружающей среды” [15], запрещается выбрасывать любые неочищенные отходы производства в атмосферу. Поэтому главной экологической задачей любого такого производства является максимальное уменьшение выбросов вредных веществ и отходов в атмосферу. Одним из решений данной проблемы является внедрение дополнительных стадий технологического процесса, обеспечивающих безотходную переработку сырья, например, использование оборотной воды для термостатирования формы и применение воздушных фильтров для очистки воздуха, необходимого для транспортировки сырья по производственному цеху, непосредственно перед выбросом в атмосферу.

Исходя из вышесказанного, можно заключить, что проектируемое производство соответствует экологическим требованиям, предъявляемым к предприятиям по переработке пластмасс.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В записке представлен проект производства крышек бытового назначения из полиэтилена низкого давления методом литья под давлением. В данной работе даны характеристики готовой продукции и исходного сырья, описаны физико-химические основы выбранного метода переработки, приведена рекомендуемая технологическая схема производства, а также указаны нормы технологического режима предприятия, возможные виды брака изделий и методы его устранения. Помимо этого, в работе представлены расчет материального баланса в перерасчете на 1000 единиц готовой продукции. В соответствии с полученными значениями, была выбрана следующая литьевая машина с электрическим приводом серии Ferromatik Milacron:

F-160 GPе 45: усилие смыкание кН, максимальный объем впрыска см³.

В соответствии с предлагаемой технологической схемой предприятия, было выбрано следующее вспомогательное оборудование:

автоматический растариватель мешков RSA;

многокомпонентный весовой дозатор-смеситель Sonner UM;

дробильное устройство HSS-400A.

Спроектированное производство соответствует требованиям техники безопасности и экологии окружающей среды.

Код для цитирования: Скопировать