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电缆管材生产中PC基材料冲孔工艺的开发

时间:2021-01-12 10:36:02 作者:锌达铖机械 点击:

1.1电缆管道

电缆管道是一种高度标准化、DIN EN 50085标准化和经常使用的产品,用于各种应用和行业,如机械工程、建筑施工、轨道车辆或开关柜。电缆管道的主要功能是保持电缆整齐。此外,还实现了一定程度的机械冲击防护,从而提高了单个电缆的可追溯性和操作可靠性。电缆管道的几何形状、根据电缆横截面选择的槽宽、冲孔的几何形状、填充量、耐温性和耐化学品性、火灾情况下的行为、固定类型(如接地孔)不同,机械负载能力和材料,包括添加剂(例如阻燃剂)。此外,还有各种附件用于连接电缆管或将电缆固定在电缆管内。但是,基本组件是电缆管道和相应的盖子(图1)。生产电缆管道的材料主要是聚氯乙烯(PVC)、聚苯醚(PPE)和聚碳酸酯/丙烯腈-丁二烯-苯乙烯(PC/ABS)。[1, 2]

 

图1 

 

1电缆管道和相应电缆管道盖的几何结构

 

然而,标准材料是PVCPVC含有卤素中的氯元素。近年来,含卤素聚合物的使用越来越声名狼藉,因为卤素在较高温度下会以气态形式逸出到环境空气中[3]。卤素与水(H2O)接触时形成一种化合物以生成酸。例如,对于PVC或氯离子(Cl离子),这将是盐酸(HCl)。这些反应可以发生在人体内吸入卤素或灭火时,在燃烧的建筑物。

为了防止有毒气体和腐蚀性酸的形成,在PVC中加入热稳定剂作为添加剂。这适用于低至中等温度,但在火灾中达到温度时失效。因此,电缆管道逐渐由PC/ABS制成。阻燃PC/ABS类型在国际UL94阻燃分类中达到最佳等级“v-0”。例如,这是通过添加无毒无卤的磷酸盐来实现的。[45]PC/ABS的另一个优点是良好的加工性能、PC良好的机械和热性能以及ABS的缺口敏感性[6]

制造过程的优化需要一定的材料行为知识。PC/ABS有许多变体,它们在微观结构和性能方面都有所不同。PC/ABS的性能在很大程度上取决于单个聚合物的混合比[7],以及共混和挤出的工艺参数。对材料特性的进一步影响是由可能的添加剂引起的。

由于电缆管道制造商没有提供任何有关原材料、供应商或添加剂的信息,因此很难确定正确的材料成分。因此,从化学品供应商处购买了电缆管道的常用材料,并从不同制造商处购买了电缆管道。

1.2冲压工艺

1.2.1一般冲压工艺步骤

冲孔是一种基本的塑料板材切割工艺,又称剪切或模切,存在形式多种多样。在冲孔过程中,从坯料上切下的工件切屑较少(图2)。在这个过程中,一个坯料被插入冲孔工具,然后用压边力固定在坯料保持器上(1)。然后冲头压在材料(2)上,并在材料(3)的弹性区域使其变形。冲头(4)进一步向下移动使材料塑性变形。材料开始流动,在坯料的上侧形成凹痕。一旦材料中的应力超过其抗拉强度,就会发生材料分离破裂。之后,坯料,冲出部分,称为蛞蝓,机器突然重塑弹性,创造频率显示(5)。最后,冲头必须克服蛞蝓和坯料之间的摩擦力,以便去除通常丢弃的蛞蝓,向后移动(6)。[8]

 

图2 

 

2冲孔工艺步骤,相应的切削力FC为时间t的函数

1.2.2电缆管道的常规冲孔机

在目前的电缆管道生产中,使用了较大的冲床,冲床的刀具多达12倍,这导致了较高的刀具成本。这些工具通常由液压驱动,因此可以进行缓慢、高能量的冲孔运动。对于某些聚合物,例如PVC,这对毛刺和薄膜形成有负面影响。因此,需要额外的去毛刺工艺(图3)。这导致产品价格中反映的额外成本。此外,更换刀具成本高且耗时,这反映在机器的灵活性低。

图3 

3带去毛刺装置的电缆槽制造工艺示意图

1.2.3电缆管道用锌铖机械冲孔机管材冲孔机

为了弥补传统冲床的缺点,“锌铖机械”开发了一种使用单冲孔工具的冲床(图4)。通过增加冲程频率来补偿减少的冲头数量。应用的机电偏心压力机允许每分钟高达900冲程的冲程频率。因此,所使用的单冲头工具购买和储存更为经济。

图4 

4管材冲床[9]

 

如前所述,由于加工速度快,PVC可以在没有毛刺和成膜的情况下加工,使得下游去毛刺工艺过时。这缩短了生产线,从而为额外的生产区域腾出空间。除了这些优点外,机电传动比以前的解决方案效率更高,因此更节能。此外,所需的占地面积减少了约60%,同时降低了机器的高度。

 

(一)图5 

5在低(a)和高(b)加工速度下测试PVC时,在冲孔处形成毛刺[10]

2材料和方法

2.1材料

带毛刺、成膜的PC/ABS电缆管冲孔模及相应冲孔模均由电缆管生产商提供,无配合比、混合添加剂等材料规格,也无现有微观结构。除此之外,三种不同质量的阻燃聚碳酸酯基电缆管道材料以挤压而非冲压的形式交付,并带有相应的盖子。一个指定为标准阻燃PC/ABS,两个指定为挤出速度为3m/min6m/min的相同矿物增强阻燃PC(表1)。

 

 

1本次调查所用材料

               

 

 

 

电缆管道

PC/防抱死制动系统

打孔毛刺成膜

打孔

工具钢

用于冲孔上方电缆管道

电缆管道

PC/防抱死制动系统

未穿孔

电缆管道

矿物增强PC

未冲孔,挤压速度3 m/min

电缆管道

矿物增强PC

未冲孔,挤压速度6 m/min

2.2光学分析

使用Keyence VHX 5000光学显微镜(日本大阪)分析了穿孔PC/ABS电缆管道的毛刺和成膜情况。最初的调查显示,所有的打卡事件都有相似之处。因此,两个有意义的打孔和他们各自的对口进行了精确的检查。

2.3拉伸试验

根据DIN EN ISO 5271B型试样直接取自所有三种基于PC的标准电缆管道材料。试件从非穿孔电缆管盖的挤出方向横向取出。使用Zwick/Roell-ZMART PRO(德国乌尔姆)进行拉伸试验,标称功率为100 kN。在室温和50mm/min100mm/min400mm/min的不同测试速度下观察应力和应变。每个速度和材料测试5个试件,通过横向运动记录应变。

三。结果与讨论

3.1毛刺和成膜

3.1.1 PC/ABS电缆管道毛刺和成膜的光学分析

除了前面描述的使用PC/ABS进行电缆管道的优点外,冲孔工艺也存在缺点。PC/ABS容易产生毛刺和成膜(图6)。

 

图6 

 

6光学分析PC/ABS电缆管道冲孔处的毛刺和成膜

人们注意到,实际的毛刺是伪造的冲压过程。当弹头通过破裂与材料分离后,冲头的外表面与冲头的内部几何形状摩擦。此工艺步骤用于金属加工领域的表面平滑,可提高表面质量。PC/ABS是否也有类似的积极作用尚不清楚。在冲孔运动之后,冲头从冲孔中移出,进一步伪造毛刺外观(图7)。

当观察毛边的横截面时,毛边逆冲孔方向弯曲。此外,内部几何体的曲面分为两个步骤。这可能表明冲头和模具之间的间隙设置不正确,材料的脆性过大或材料内部不均匀。

仔细观察薄膜可以发现,它的形状暗示了热影响(图8)。如果薄膜的形成与热影响有关,则不清楚薄膜是由热影响引起的,还是形成后的热使薄膜变形。

 

图7 

             7从光学角度看,如图8所示。光学薄膜的外观

                          分析PC/ABS电缆管道分析PC/ABS电缆管道

 

关于毛刺对称性的进一步观察如图9所示。在所研究的所有冲孔上都发现了不对称性,这可能表明刀具-模具方向不同心。然而,由于在同一侧(相对于刀具)的相反冲孔上发现了这种情况,一种可能的解释是在加工过程中,外形的单侧刚度降低(图10)。在冲孔过程中,外形在一侧已经加工,而在另一侧未加工。由于缺少材料,轮廓的加工侧具有较低的刚度。这可能导致在当前冲头移动过程中,加工侧的材料发生单侧弯曲。

 

图9 

9毛边形成的不对称性如图10所示。冲孔导致PC/ABS电缆管型材在冲孔过程中单侧刚度的光学分析降低

3.1.2关于毛刺和成膜的假设和方法

假设有几种原因导致所描述的毛刺和薄膜形成。根据光学分析,可能有三个原因:

冲孔内表面呈阶梯状的主要原因很可能是间隙尺寸错误[11]。这仍然需要使用测试工具和间隙的变化来证明(第3.3章)。

薄膜的形成可能是由于工具表面和冲头内表面之间的摩擦造成的。刀具表面质量的变化可能导致确认。

加工过程中引起的轮廓刚度差异导致毛刺和成膜不对称。一个可能的解决办法是增加保持力。

3.2刀具几何分析

由于这些工具由于其复杂的几何结构而产生相对较高的工具成本,因此它们的几何结构不适合大量的测试工具。因此,对工具的几何结构进行了分析和抽象(图11)。几何图形是两个正方形、四个半径和两个突出部分的组合。

 

图11 

11电缆管道生产中使用的工具(冲压)几何图形的抽象

 

在光学毛刺和薄膜分析的基础上,确定了刀具的毛刺临界区域,以便将其转移到试验刀具中。光学分析表明,S1S2之间没有差异。这导致了这样一个事实,即矩形基本几何结构足以用于测试工具。半径R1R2也是毛刺临界值,因此必须出现在测试工具上。在突出部分O1O2区域未观察到特殊特征。因此,使用具有四个不同半径且无悬垂的矩形几何体来定义测试工具(图12)。使用试验设计(DoE),测试工具将用于研究一般的毛刺和薄膜形成。结果将随后转移到一个真正的工具。

 

图12 

12试验工具几何形状的导出横截面

3.3过程可视化演示工具

由于真正的冲孔工具是不透明的,因此只能根据最终产品分别对毛刺和薄膜的形成进行假设,并分析其原因。为了更好地理解毛刺和膜的形成,并将各个故障分配到各自的原因,设计了一个演示工具。这里的特点是模具的单侧凹槽和相应的进气口(图13)。在冲孔过程中,通过凹槽可以观察到毛刺和薄膜的形成。由于这一过程几乎是瞬时的,因此使用了一台高速摄像机Redlake MotionPro HS-4(美国柴郡)进行观察。[12]

在分析相机图像之后,可以识别各个处理步骤并将其分配给相应的快照。这允许验证或完善关于毛刺和成膜起源的假设。此外,还应观察间隙对毛刺和成膜的影响。为此,制造了三个不同间隙的模具。

 

图13 

 

13演示工具

3.4拉伸试验

如前所述,在冲压过程中,材料的抗拉强度被超过,导致材料因断裂而失效。此外,根据其延伸性能,材料可能进入间隙并产生毛刺[13]

所有受试材料和试验速度的低标准差拉伸强度应变εm如图14所示。应变随着试验速度从50 mm/min增加到100 mm/min而增大,随着试验速度从100 mm/min增加到400 mm/min而减小。矿物增强材料的应变值略低,挤压速度较高。

矿物增强PC材料的断裂应变εtb的相对相似值(约10%)如图15所示,与试验速度无关。PC/ABS在低试验速度下具有相对较高的平均值和较大的标准偏差。然而,当试验速度为400mm/min时,这种效应消失,PC/ABS表现出与矿物增强PC相似的行为。

 

图14 

14从拉伸试验中得出的拉伸强度应变,作为试验过程中速度的函数

 

由于高伸长值鼓励材料进入间隙,因此高加工速度似乎有利于PC/ABS的冲压加工。此外,在较高的速度下,伸长值更容易预测,这对于使工艺适应材料非常重要。

此处不讨论与伸长值相关的应力,因为它们的范围相对较小,冲床很容易掌握。

 

图15 

15拉伸试验产生的断裂应变是试验过程中速度的函数

4进一步调查

进一步的调查将集中在以电缆管道形式购买的其他PC/ABS材料上。所有材料将接受拉伸和维氏硬度试验。此外,可以按要求厚度购买的材料也要进行夏比冲击试验。同时,利用扫描电镜研究了PCABS的混合比。PC/ABS的失效机理取决于连续相是否由PCABS组成,以及是否存在50/50的混合物。对于以后的工具优化,可能需要满足有关混合比的不同参数。这些信息应有助于确定所期望的能源部的要素水平。在未来的PC/ABS冲孔工艺中,为了防止毛刺和成膜,需要改变各种工具、工艺和材料参数。



 

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