XVI Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2024

Сырьевая база для производства изделий из пластмасс многообразна и является определяющим фактором стоимости и качественных показателей производимой полимерной продукции. На рисунке 1 представлена «пирамида» пластмасс, отражающая видовой состав пластмасс по их температуре плавления.

Рис. 1 Пирамида пластмасс

Процесс расширения производственной базы по выпуску пластмасс продолжается и основную лепту вносят крупнейшие компании химического и нефтехимического комплекса - ПАО «СИБУР-холдинг» и ПАО «НИЖНЕКАМСКНЕФТЕХИМ» (НКНХ). СИБУР осенью 2019 года в тестовом режиме запустил новый нефтехимический комплекс «Запсибнефтехим» в г. Тобольск и в ходе пусконаладки уже выпускается тестовая продукция (полиэтилен). После выхода на проектную мощность в 1,5 млн т полиэтилена и 500 тыс т полипропилена это будет крупнейшее производство полимеров в России и Европе.

Другим крупным проектом является проект НКНХ о строительстве комплекса ЭП-1200 по выпуску этилена с производством полимеров суммарной мощностью более 700 тыс тонн в год. Ввести объект в эксплуатацию предполагается в 2023 году.

Таким образом, создаются предпосылки для более ускоренного развития процесса переработки пластмасс и приближения показателя потребления полимерных изделий на душу населения в России к показателю в ведущих странах мира (рисунок 2).

Рис. 2 Развитие процесса переработки пластмасс

Непрерывно растет доля пластмассовых изделий в конструкции автомобилей и составляет ~ 12 % от общего веса автомобиля.

Себестоимость является важнейшим фактором, определяющим конкурентоспособность продукции.

Модернизация производства включает 3 этапа:

1. этап – совершенствование организации производства для ликвидации непроизводственных потерь и увеличения выпуска продукции.

2. этап – совершенствование технологии на базе полного технологического анализа производства.

3. этап – оптимизация технологических процессов, модернизация оборудования и оснастки.

Важным сектором использования полимерных изделий является автомобилестроение. Использование полимерных изделий в автомобилях позволяет снизить их вес, что способствует решению одной из глобальных задач по снижению энергозатрат (снижение веса автомобиля на 10% позволяет сэкономить 7% топлива). На сегодняшний день из таких полимеров, как ПП, ПЭ, ПУ, АБС, ПА, ПВХ, ПК, ПММА, изготавливаются топливные баки, крупногабаритные детали кузовов (бамперы, элементы фар), салонов (кабинные модули, сиденья, дверные панели, внутренние обшивки крыш), различные небольшие конструкционные и декоративные детали, а также звуко- и теплоизоляторы.

Российские модели автомобилей характеризуются недостаточной долей применения полимерных материалов – примерно на 7% меньше, чем у иностранных моделей аналогичного класса. Спектр видов этих материалов также далек от мировой практики из-за более низкого использования инженерных пластиков.

Российскими автопроизводителями и крупнейшими мировыми автоконцернами в нашей стране созданы современные производственные мощности в объеме 3,2 млн автомобилей в год. Вместе с тем, из-за падения спроса на автомобили объем потребления полимерных материалов в автомобилестроении снизился с 55 до 24 тыс. т. Согласно базовому прогнозу развития автомобилестроения на период до 2025 г. потребительский спрос на автомобили достигнет уровня в 1,9 млн шт. не ранее 2021 г., а к 2025 г. емкость составит не более 2,2 млн машин (что будет ниже максимально достигнутого в 2013 г. уровня 2,43 млн автомобилей). Поэтому автомобильная промышленность не может стать драйвером развития подотрасли переработки пластмасс.

Характеристика готовой продукции

Ассортимент готовой продукции для проектируемого производства представлен в таблице 1.

Таблица 1 Ассортимент готовой продукции

Изделие	Краткая характеристика	Сырье	Масса одного изделия, г
				Корпус 1	Составная часть датчика уровня охлаждающей жидкости для автомобиля	Армлен ПП-СВ30-1-901, черный ТУ2243-011-11378612-2002	5,5
Корпус 2	Составная часть розетки для автомобиля	9,8
Основание поплавка	Составная часть датчика уровня охлаждающей жидкости для автомобиля	1,5
Поплавок	Составная часть датчика уровня охлаждающей жидкости для автомобиля	1,2
Накладка	Составная часть монтажного блока для автомобиля	2,6

В связи с тем, что детали, изготавливаемые на производстве, служат составными частями деталей автомобилей, то они должны обладать очень хорошими механическими свойствами.

Критериями работоспособности деталей является их прочность, жесткость, износостойкость, виброустойчивость, теплостойкость. Под надежностью деталей и сборочных единиц понимают их свойство сохранять работоспособность в течение заданного срока эксплуатации.

Прочность – важнейший критерий работоспособности детали, характеризует ее способность сопротивляться действию нагрузок без разрушения или пластических деформаций. Непрочные детали не могут работать. ( = 40 МПа)

Износостойкость. В результате изнашивания выходят из строя большинство подвижно соединенных деталей. При этом происходит увеличение зазоров в соединении, что приводит к потере точности работы механизма, возрастанию динамических нагрузок и даже поломке деталей. (J = 10³-10¹³).

Виброустойчивость. При высоких скоростях звеньев механизмов могут возникнуть вибрации, которые вызывают дополнительные переменные напряжения и, как правило, приводят к усталостному разрушению деталей. При вибрациях особенно опасно явление резонанса, которое наступает в случае, когда частота собственных колебаний детали совпадает с частотой изменения периодических сил, вызывающих вибрации, так как при этом резко возрастает амплитуда колебаний и может произойти разрушение детали. (n = ±10 В)

Теплостойкость. Пренебрежение к учету влияния тепловых факторов может привести к чрезмерному и неравномерному нагреву деталей механизма и нарушению нормального их взаимодействия. (T = -60°С …+125 °С)

Обоснование выбора сырья

Изделия, представленные в таблице 1 могут быть изготовлены из таких полимеров, как: армлен ПП СВ30-1и капролон ПА-6.

Полипропилен (ПП) – наиболее подходящий материал для последующего смешения с целью получения ряда доступных термопластичных материалов с уникальными физико-механическими характеристиками (например: трудногорючий пластик, ударопрочный пластик).

Модифицированные термпопластичные компаунды на базе полипропилена с различным наполнением (карбонат кальция, тальк, стекловолокно и пр) и функциональными свойствами (ударопрочный, термостойкий, УФ-стойкий, трудногорючий, экструзионный пр.) используются для изготовления различных изделий.

Армлен ПП СВ30-1 это стеклонаполненный полипропилен, гранулы которого могут быть различных цветов. Он термостабилизированный, имеет повышенную жесткость и стойкость к термокороблению.

При выборе материала для изготовления деталей сравним характеристики двух материалов с высокими техническими показателями, приведенными в таблице 2.

Таблица 2 Сравнительная характеристика материалов: армлен ПП СВ30-1, капролон ПА-6

Наименование показателя	Значение показателя
	Армлен ПП СВ30-1	Капролон ПА-6
Плотность материала, кг/м3.	1120	1150 – 1160
Рабочий диапазон температур, °С	–40 … +60	– 30 … +130
Водопоглощение, %	0,0	1,5 – 2
Предел прочности при растяжении, МПа	85	80 – 90
Относительное удлинение при разрыве, %	600	350

Отличительные свойства полипропилена: стоек к воде (вплоть до 130°С), к кислотам, щелочам, кроме сильных окислителей (HNO₃, H₂SO₄, соединения с хромом).

В отличие от Капролона ПА-6, который растворяется в минеральных кислотах высокой концентрации, фенолах, фторированных спиртах, уксусной и муравьиной кислотах, Армлен ПП СВ30-1 устойчив к воздействию агрессивных химических сред.

Исходя из вышеперечисленного, для изготовления выбранных деталей, оптимальнее всего подходит Армлен ПП СВ30-1.

Он имеет такие преимущества, как:

• малый вес;

• больший рабочий диапазон температур;

• Высокая стойкость к воде.

• Высокая стойкость к действию агрессивных химических сред

Характеристика сырья

Исходя из пункта 1.2 готовые изделия будут изготовлены из метариала Армлен ПП СВ 30-1:

Внешний вид - гранулы различных цветовых тонов.

Гранулометрический состав: размер гранул с содержанием 97%; допустимый размер гранул, не более, мм 2...6; 8

Его основные свойства, согласно технической спецификации, представлены в таблице 3.

Таблица 3. Показатели свойств Армлена ПП СВ 30-1 ТУ 2243-011-11378612-93

Наименование показателя	Нормы для Армлена
Внешний вид	Размер гранул от 2 до 6 мм в любом направлении
Теплоёмкость (по Мартенсу), 0С	60
Твёрдость по ШОРу	70
Прочность при разрыве, МПа	11,7
Относительное удлинение при разрыве, %, не менее	200
Плотность, кг/м3	1,12
Показатель текучести расплава, г/10 мин	2-6
Прочность при растяжении, МПа	64
Удлинение при разрыве, %	3,8- 5,0
Модуль упругости при изгибе, ГПа	5,0
Линейная усадка при литье, %	0,5-0,7
Коэффициент роста жесткости при охлаждении от +230 ºС	10

Перед переработкой мешки с полимером выдерживают не менее 12 ч в производственном помещении.

Обоснование выбора метода переработки

Переработка пластмасс представляет собой совокупность различных технологических процессов, с помощью которых исходный полимер превращается в изделие с заданными эксплуатационными свойствами.

Основными методами переработки термопластов в изделия являются: литье под давлением, экструзия, выдувание, ротационное формование, компрессионное формование, каландрование. Существуют и другие способы переработки (центробежное и автоклавное литье, литье без давления, прессование, спекание и другие), но их применение ограничено из-за того, что этими методами можно перерабатывать не все полимеры и из-за их малой производительности.

В данном случае детали могу быть изготовлены тремя способами: прессованием, штамповкой и литьем под давлением.

Прессование – технологический процесс изготовления из полимерных материалов, заключающийся в пластической деформации материала при действии на него давления и последующей фиксации формы изделия. Преимущества этого метода заключается в деформации малопластичных материалов, получение изделий сложной формы и высокой точностью изделий. К недостаткам производства изделий прессованием следует отнести:

• значительные прилагаемые усилия деформации;

• сильный износ инструмента;

• большие отходы;

• сравнительно высокую стоимость прессового инструмента.

Штамповка - это процесс производства изделий термоформованием, который применяется для изготовления объемных изделий небольшой глубины, к которым предъявляются жесткие требования по толщине и качествуповерхности. Недостатки метода штамповки:

• необходимость дорогостоящего оборудования;

• высокая квалификация сотрудников, разрабатывающих прототипы деталей;

• невозможность автоматизации полного производственного цикла (в прессовальные установки заготовки обычно загружаются вручную).

Литье под давлением – наиболее распространенный и прогрессивный метод переработки пластмасс, так как позволяет изготавливать качественные изделия с высокой степенью точности при сравнительно малых затратах и высокой производительности труда. В связи с высокой производительностью и относительно высокой стоимости оснастки в основном применяется при крупносерийном и массовом производстве изделий. Этот метод переработки наиболее предпочтителен для изготовления изделий со сложной конфигурацией, характеризующийся высокой производительностью, т.к. нагрев полимера происходит вне формы и позволяет получить поштучные изделия весом от 1 грамма до 100 кг.

Литьевой метод имеет ряд существенных преимуществ перед прямым прессованием. К ним относятся:   

• Сокращение продолжительности цикла. Пресс-форма обеспечивает относительно быстрый и равномерный прогрев сырья, что способствует уменьшению времени на отверждение по всему сечению. Благодаря этому также сокращается выдержка под давлением, как минимум до 40%.   

• Высокое качество готовой продукции. За счет почти полного удаления воды и легколетучих компонентов уменьшается пористость изделий.   

• Точные размеры продукции. Формирующая полость заполняется сырьем только после смыкания пресс-формы, что гарантирует образование тонкого облоя, не более 0,1 мм.   

• Использование очень тонкой арматуры. Данный метод подразумевает поступление в формирующую полость сырья в почти жидком состоянии. Это позволяет отливать продукцию с более тонкой арматурой, чем при прямом прессовании.

Несмотря на то, что стоимость оборудования в этом процессе достаточно высока, его несомненным достоинством является высокая производительность. В этом процессе дозированное количество расплавленного термопластичного полимера впрыскивается под давлением в сравнительно холодную пресс-форму, где и происходит его затвердевание в виде конечного продукта .

Таким образом, для изготовления деталей выбираем метод литья под давлением.

Физико-химические основы технологического процесса

Ценность полимерных растворов, возможно, не очевидна для инженера, занимающегося такими методами переработки, как литье под давлением или экструзия, но вполне понятна человеку, имевшему дело с красками. Однако все полимеры так или иначе встречаются в виде растворов. Некоторые полимеры, например линейный полиэтилен и изотактический полипропилен синтезируют в растворах. Другие полимеры, синтезируемые в блоке или в эмульсии, на промежуточных стадиях процесса полимеризации растворены в собственных мономерах. Наконец, очистка некоторых полимеров осуществляется путем последовательного растворения и осаждения из раствора. 

При изготовлении изделий методом литья под давлением в полимерах протекают в основном физические процессы, например, переход из одного физического или фазового состояния в другое. К химическим процессам, протекающим при литье под давлением, можно отнести термическую и механическую деструкцию полимеров, обусловленную соответственно высокими температурами и большими сдвиговыми напряжениями, возникающими при течении расплава полимера в рабочих узлах литьевой машины и форме. При обеспечении определённых технологических параметров эти химические процессы могут быть сведены к минимуму или полностью исключены.

В материальном цилиндре червячной литьевой машины при транспортировке материала от бункера к соплу происходит его интенсивное перемешивание, расплавление и прогревание. Червяк может быть условно разделён на три зоны: зону загрузки, зону пластикации и зону дозирования.

В зоне загрузки твёрдые частицы материала захватываются витками червяка и транспортируются вперёд. В зоне пластикации по мере продвижения вдоль цилиндра материал разогревается и размягчается. В зоне дозирования материал находится в вязкотекучем состоянии. В этой зоне материал стабильно разогревается и приобретает заданную температуру. Процесс формования изделия начинается с момента поступления материала в форму. Термопластичные материалы формуют в охлаждаемых формах, что вызывает охлаждение и усадку материала. В результате охлаждения и усадки материала, а также притока новых порций материала из инжекционного цилиндра происходит изменение давления в форме в период формования. Заполнение формы сопровождается повышением давления. После полного заполнения формы давление в ней продолжает возрастать, материал в форме уплотняется. Охлаждение материала приводит к понижению давления в форме. Давление к моменту раскрытия формы остаётся несколько больше атмосферного. Режим охлаждения расплава в форме влияет на структуру полимера в изделии, на качество изделий и на производительность литьевой машины.

Армлен ПП - соответствует химической формуле [-CH₂ – CH(CH₃)-]_n.

Получение Армлена ПП. Сырьем для полипропилена служит газ пропилен (пропен). В промышленности получают полимеризацией пропилена главным образом в массе, а также в растворе. Реакцию в массе осуществляют при 70-80°С и давлении 2,7-3,0 МПа. Благодаря отсутствию растворителя упрощается выделение и сушка полипропилена.

Реакция термоокислительной деструкции для полипропилена:

При нагревании полипропилена в процессе переработки возможно образование летучих продуктов термоокислительной деструкции, содержащих органические кислоты, карбонильные соединения, в том числе формальдегид ацетальдегид, оксид углерода.

Описание технологической схемы производства

Стадии производства:

1. Транспортировка и хранение.

2. Растаривание.

3. Литье под давлением.

4. Контроль и упаковка.

Сырьё поступает на предприятие в виде гранул в мешках. Из грузовика на поддонах мешки с материалом Армлен ПП-СВ30-1-901, черный, с помощью электропогрузчика доставляются на склад сырья (поз. СС).

На поддонах, со склада сырья, с помощью вилочного погрузчика материал доставляется на растариватель (поз. Р). На растарочном устройстве мешки вскрывают, и материал высыпается в транспортный контейнер, а мешки отправляются к поставщику. После растаривания материал отправляют из транспортного контейнера, с помощью гибкого шнека, в бункер литьевой машины (поз. ЛМ) , где подсушивается, а после дозируется и начинается изготовление изделий.

Готовые детали литейщик складывает в коробки, предварительно проверяя каждую деталь на недоливы, после чего на тележках детали отправляются на контроль качества и упаковку (КК), где устраняется брак и происходит упаковка деталей для последующей транспортировки. Упакованную готовую продукцию отправляют на склад (поз. СГП), где после они хранятся до последующей отгрузки.

Отходы с литьевой стороны и с контроля и упаковки отправляются в дробилку (Д), после чего дробленный материал упаковывается в мешки. Мешки с дробленным материалом отправляют на взвешивание (НВ), а затем на склад вторичного сырья (СВС).

Контроль производства

В таблице 4 представлены стадии производства, контролируемые параметры, частота и способ контроля, методы испытания и кто контролирует.

Таблица 4 Контроль производства

Наименование стадии производства	Контролируемый параметр	Частота и способ контроля	Методы испытания и средства контроля		Кто контролирует
Приход материала	Внешний вид упаковки. Сохранность упаковки	Каждая поставка	Визуально		водитель погрузчика, кладовщик, контролер
	Наличие документов о качестве материала	Каждая поставка		Визуально
	Захват упаковки материала погрузчиком	Каждая поставка		визуально
	Целостность упаковки и сохранность материала	Каждое тарное место		визуально
Хранение на складе материала Армлен	Температура хранения	Каждая смена		Гигрометр психрометрический ВИТ-1 или ВИТ-2	кладовщик
	Относительная влажность
	Место хранения	Каждое тарное место		Визуально
	Идентификация зоны хранения	Каждое тарное место		Визуально
	Соблюдение принципа FIFO	Каждая партия материала		Визуально
Перемещение материала со склада на растарочное устройство	Целостность упаковки и сохранность материала	Каждый мешок		Визуально	водитель электрокара, кладовщик
	Объем загрузки транспортного средства	Каждый рейс транспорта		Визуально

Продолжение таблицы 4

Наименование стадии производства	Контролируемый параметр	Частота и способ контроля		Методы испытания и средства контроля	Кто контролирует
Растаривание материала	Объём загрузки транспортного контейнера	Каждая партия загрузки		Визуально	кладовщик, подсобный рабочий
Литье деталей.	Внешний вид детали	В начале работы. При переналадке. При замене оснастки		Визуально	Наладчик, литейщик
	Присоединительный размер			Калибр
Складирование отлитых деталей в тарах	Сохранность деталей	Каждое тарное место		Визуально	литейщик
Контроль качества и упаковывание деталей	Внешний вид детали	Каждая партия деталей	Визуально		обработчик пластмасс
	Присоединительный размер	Каждое тарное место Постоянно	Калибр Визуально
	Сохранность деталей	Каждое тарное место	Визуально
Перемещение детали на склад готовой продукции	Сохранность деталей	Каждое тарное место	Визуально		подсобный рабочий
	Объем загрузки тележки

Виды брака и способы его устранения

Виды брака и способы его устранения представлены в таблице 5.

Таблица 5 Виды брака и способы его устранения

Брак	Возможные причины возникновения брака	Способ устранения брака
1. Недоливы – неполностью оформленное изделие.	Недостаток материала в инжекционном цилиндре. Засорение литникового и разводящих каналов формы.	Отрегулировать дозировку. Очистить литьевую форму.

Продолжение таблицы 5

Брак	Возможные причины возникновения брака	Способ устранения брака
2.Вздутия(пузыри).	Повышенное содержание летучих(влага). Высокая температура материала, вызывающая его разложение.	Сменить или подсушить сырье. Понизить температуру цилиндра.
3.Усадочныераковины.	Перегрев расплава и вследствие этого повышенная усадка материала.	Уменьшитьтемпературуцилиндра.
4. Полосы и продолговатые пузыри на поверхности изделия.	Влажность материала.	Подсушка сырья.
5. Матовые пятна на поверхности изделия.	Перегрев расплава.	Понижение температуры расплава; полирование литниковых каналов.
6.Загрязнение изделия.	Попадание в материал посторонних частиц или наличие задиров на поверхности цилиндра, поршня или червяка.	Контроль за чистотой материала, попадающего в бункер; проверка поверхностей, соприкасающийся с материалом.
7. Перелив материала по месту смыкания пресс-формы.(Облой)	Велика дозировка. Высокая температура расплава и формы. Недостаточное усилие смыкания формы.	Отрегулировать дозировку, температуру нагревательного цилиндра и формы. Отрегулировать гидросистему смыкания.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В данной работе мы рассмотрели технологию производства деталей для автомобилей изготовленных из армлена.

В технологической части приведено описание выбранной готовой продукции, характеристики сырья, выбран метод переработки полимеров.

Также были описаны виды брака и способы его устранения. Преимуществом нашего производства является спрос на продукцию, так как автомобильная промышленность развивается с каждым днем, а запчасти на сами автомобили востребованы каждый день.

Код для цитирования: Скопировать