Способ изготовления изделия из термопластичного материала

 

Изобретение относится к области производства изделий из термопластичных, а также комбинированных материалов преимущественно объемной формы при помощи сварки и может быть применено в различных областях промышленности - легкой, автомобильной, машиностроении и медицины, например, при изготовлении пневмокамеры плечевой манжеты к аппарату измерения кровяного давления. Сущность изобретения: в способе изготовления изделий из термопластичного материала при деформации подвергают растяжению или сжатию по меньшей мере один из свариваемых элементов до величины, достаточной для получения заданной кривизны изделия. Затем осуществляют фиксирование полученной деформации на весь период сварки. Кроме того, операцию растяжения или сжатия производят до достижения величины относительной деформации элемента, определяемой по формуле , где l_д - начальная длина элемента изделия, подвергаемого деформации, м; l_д - величина, деформации элемента изделия, м; E_н и E_д - усредненный модуль упругости материалов свариваемых элементов, соответственно не подвергаемых деформации и подвергаемых деформации, кг/м²; d_н - суммарная толщина свариваемых элементов изделия, не подвергающихся деформации, м; R - требуемая кривизна внутренней поверхности изделия, м. 1 з.п. ф-лы, 2 табл., 5 ил.

Изобретение относится к области производства изделий из термопластичных, а также комбинированных материалов преимущественно объемной формы при помощи сварки и может быть применено в различных областях промышленности легкой, автомобильной, машиностроении и медицины, например, при изготовлении пневмокамеры плечевой манжеты к аппарату измерения артериального кровяного давления.

Известно изготовление изделий из термопластичных материалов с помощью высокочастотной сварки в кожгалантерейной и обувной промышленности с использованием объемной технологической оснастки, которая используется для придания изделию нужной объемной формы [1] Такой способ позволяет получить внутреннюю поверхность изделия без гофр (складок).

Однако применение объемной оснастки не позволяет создать идентичные условия сварки по периметру сварного шва, а именно получить однозначные параметры уровня усилия прессования и распределения температурного поля, что безусловно снижает прочностные показатели сварного шва, а следовательно, и качество всего изделия. Кроме того, при этом используется дорогостоящее сварочное оборудование, имеющее значительное расстояние между рабочими плитами пресса и более сложную технологическую оснастку, что значительно увеличивает стоимость способа.

Известен способ изготовления изделия из термопластичного материала, а именно пневмокамеры плечевой манжеты с помощью высокочастотной (ВЧ) сварки, который заключается в следующем: на плиту (нижний плоский электрод) в шаблон из гетинакса укладывают нижнюю пластину (элемент изделия) из хлопчатобумажной бязи с нанесенным на одну из ее поверхностей поливинилхлоридным (ПВХ) покрытием, на нее накладывают верхнюю пластину из того же материала со всеми пришитыми и приваренными к ней деталями, затем верхний плоский электрод. Весь этот пакет, повторяющий конфигурацию сварного шва, сжимают между плитами пресса, к одной из которых подведено ВЧ-напряжение. Через заданное время ВЧ-напряжение отключают, а давление оставляют некоторое время для охлаждения сварного шва. Затем пакет вынимают из пресса [2] Использование плоской оснастки (два плоских электрода) позволяет получить высокие показатели прочности сварного шва при несложной и недорогой оснастке.

Однако при придании изделию объемной формы с нужной кривизной (плоская манжета накладывается на руку пациента) на внутренней поверхности появляются гофры, что не желательно. Так, при измерении артериального давления, особенно у детей, это приводит к искажению показателей давления. Кроме того, из-за разнотолщинности материалов прочность сварного шва по периметру неодинакова, что снижает качество изделия.

Наиболее близким по технической сущности к изобретению является способ изготовления изделий из термопластичного материала, при котором осуществляют укладку элементов изделия, деформацию и соединение их путем сварки при нагреве и приложении давления [3] Однако известный способ не позволяет изготавливать объемные изделия заданной кривизны без складок. Отсутствие гофр на внутренней стороне изделия особенно актуально при изготовлении пневмокамеры плечевой манжеты для измерения артериального давления, особенно у детей младшего возраста, грудных. Образование гофр в данном случае вносит наибольшие погрешности в показатели давления.

Техническим результатом изобретения является изготовление изделия из термопластичного материала, не имеющего на внутренней стороне гофр (складок) при придании изделию объемной формы с нужной кривизной, а также имеющего высокие и однородные показатели прочности сварного шва по его периметру и недорогостоящего.

Для достижения технического результата в способе изготовления изделия из термопластичного материала, при котором осуществляют укладку элементов изделия, деформацию и соединение их путем сварки при нагреве и приложении давления, согласно изобретению при деформации подвергают растяжению или сжатию по меньшей мере один из свариваемых элементов до величины, достаточной для получения заданной кривизны изделия, после чего осуществляют фиксирование полученной деформации на весь период сварки. Кроме того, операцию растяжения или сжатия производят до достижения величины относительной деформации элемента, определяемой по формуле , где l_д- начальная длина элемента изделия, подвергаемого деформации, м, l_д величина деформации элемента изделия, м, E_н и E_д усредненный модуль упругости материалов свариваемых элементов, соответственно не подвергаемых деформации и подвергаемых деформации, кг/м², d_н суммарная толщина свариваемых элементов изделия, не подвергающихся деформации, м, R требуемая кривизна внутренней поверхности изделия, м.

Описываемый способ основан на использовании способности материалов восстанавливать свои размеры и форму после снятия деформирующих сил, т.е. на упругих свойствах материала. В процессе сварки изделия происходит образование неразъемного соединения деформируемых и недеформируемых элементов изделия, образуется как бы "жесткая" связь. После снятия деформирующего усилия деформируемые элементы стремятся восстановить свою исходную геометрию под действием упругих сил, которые действуют на недеформируемые элементы в качестве изгибающих, и изделие приобретает необходимую кривизну, обусловленную величиной деформации.

Если к деформируемым элементам изделия приложить усилия, достаточные, например, для их растяжения на величину l_д/l_д, и зафиксировать ее на время сварки, то после окончания сварки и снятия деформирующего усилия деформируемые элементы стремятся восстановить свою исходную геометрию под действием упругих сил, определяемых усредненным модулем упругости E_д, величина которых снижается по мере приближения элементов к исходной геометрии. Так как недеформированные элементы изделия имеют "жесткую" связь с деформированными элементами, то упругие силы последних будут воздействовать на недеформированные элементы в качестве изгибающих. В результате изгиба в недеформированных элементах возникают усилия, сопротивляющиеся изгибу и определяемые усредненным модулем упругости E_н и суммарной толщиной d_н недеформируемых элементов. Величина этих усилий увеличивается по мере увеличения изгиба. Наличие "жесткой" связи между недеформируемыми и деформируемыми элементами вместе с изгибом недеформированных элементов влечет за собой и изгибание деформируемых элементов. Изгибание элементов будет происходить до тех пор, пока изгибающие силы и силы сопротивления изгибу не уравновесятся. В результате получаем изделие, имеющее кривизну внутренней поверхности, равную 1/R.

Кроме того, способ использует еще одно физическое явление, а именно в случае нагрева от внутренних источников тепла, например, при ВЧ-сварке зависимость мощности (Рр), генерируемой в материале при помещении его в электрическое поле высокой частоты, от квадрата напряженности (E_н) электрического поля P_р.к.= KE²_м. Известно, что напряженность электрического поля в материале E_м при помещении его в рабочий конденсатор без зазора определяется как отношение напряжения в рабочем конденсаторе (U_р.к.) к толщине материала (d_м), находящегося между электродами рабочего конденсатора, т.е.

Согласно стандартам на термопластичные материалы (см. ГОСТ 9998-86) разрешается выпуск материала, имеющего разнотолщинность в определенных стандартом пределах. Наличие разнотолщинности материала вызывает разброс значений напряженности электрического поля E_м, а следовательно, и удельной мощности, генерируемой в материале, и температуры нагрева материала в различных точках по периметру нагрева, в частности по периметру сварного шва. Известно, что прочность сварного шва термопластичных материалов зависит от температуры нагрева материала и прилагаемого при сварке давления. Наличие разброса температуры вызывает разброс прочностных показателей по периметру сварного шва или от изделия к изделию. Рассмотренное выше явление имеет место при сварке пневмокамеры измерительной манжеты по способу-аналогу. При деформации (растяжении) хотя бы одного из слоев материала свариваемого изделия толщина этого слоя выравнивается, а следовательно, суммарная разнотолщинность свариваемых материалов снижается, что приводит к стабилизации напряженности электрического поля в материале E_м по периметру сварного шва, а следовательно, и его прочности.

В случае нагрева от внешних источников тепла, например сварки нагретым инструментом, зависимость скорости нагрева от толщины материала определяется как

где а температуропроводность материала,
Т температура нагрева,
х координата по толщине материала,
v_ои скорость перемещения источника тепла относительно оплавляемых поверхностей.

В данном случае изменение толщины материалов приводит к изменению скорости нагрева, а это к изменению распределения температурного поля в сварном шве со всеми последствиями, указанными выше.

На фиг. 1 изображены элементы изделия пневмокамеры плечевой манжеты; на фиг.2 сварочно-технологическая оснастка и элементы измерительной манжеты; на фиг. 3 фотография пневмокамеры плечевой манжеты, изготовленной по описываемому способу; на фиг. 4 фотография пневмокамеры манжеты, изготовленной по технологии способа-аналога; на фиг.5 фотография пневмокамеры плечевой манжеты с различными радиусами закругления.

Пример осуществления способа.

В качестве примера приведен способ изготовления пневмокамеры плечевой измерительной манжеты типа МДП-Н-55 к аппарату измерения артериального давления методом ВЧ-сварки.

Для изготовления манжеты использовалась хлопчатобумажная ткань бязь артикул 283 с нанесенным на одну из ее сторон покрытием из ПВХ. Толщина бязи 0,27 мм, толщина ПВХ покрытия 0,27 0,03 мм. Общая толщина свариваемого материала d_м=0,540,03 мм. Кривизна внутренней поверхности 1/R должна соответствовать для манжеты МДП-Н-55: 1/R 1/30 1/33, 1/мм.

Технологический процесс изготовления пневмокамеры состоит из следующих операций.

К верхней (наружной) пластине 1 манжеты пришивается липкая застежка ("липучка") 2 и приваривается штуцер 3.

Для обеспечения герметичности пневмокамеры по периметру прошива "липучки" 2 приваривается ВЧ-сваркой заплатка 4 так, чтобы она закрыла ниточный шов. Перед приваркой заплатки последняя деформируется (растягивается) на l_д= 10,5 мм, рассчитанную по формуле

В связи с тем, что используемый материал имел резко отличающиеся упругие свойства в продольном и поперечном направлениях (в поперечном направлении модуль упругости был меньше), раскрой деталей изделия под сварку осуществлялся из одного и того же материала следующим образом: верхняя пластина 1 пневмокамеры манжеты, образующая в рабочем положении манжеты наружную стенку, выкраивалась так, что большая сторона ее совпадала с продольным направлением материала, заплатка 4 и нижняя пластина 5 (внутренняя стенка пневмокамеры манжеты) выкраивалась так, что большие их стороны были направлены в поперечном направлении материала.

Окончательной операцией является ВЧ-сварка верхней (наружной) пластины со всеми пришитыми и приваренными к ней деталями с нижней (внутренней) пластины манжеты 5.

Перед сваркой верхней и нижней пластин нижняя пластина растягивается (деформируется) на l_д 20 мм. Величина l_д определяется из формулы (1).

Для указанных материалов соотношение модулей упругости недеформируемых и деформируемых элементов составляет E_н/E_д7,5. Заданный (средний) радиус кривизны внутренней поверхности пневмокамеры равен 31,5 мм. Рабочая длина пневмокамеры манжеты МДП-Н-55 равна 160 мм, средняя толщина материала недеформируемых элементов изделия равна 0,54 мм.

И тогда
Процесс сварки заплатки с наружной пластиной и наружной пластины с внутренней осуществляется следующим образом. На нижний плоский электрод 6 накладывается внутренняя пластина 5 (заплатка 4) полимерным покрытием вверх так, что один из ее концов зажимается между электродом 6 и планкой 7 болтами 8, а второй конец пластины зажимается между планкой 7 и планкой 9 болтами 8, затем с помощью болтов 10 по направляющим планки 7 и 9 отодвигаются от электрода 6 на нужное расстояние, растягивая нижнюю пластину 5 (заплатку 4). На нижнюю пластину 5 накладывается верхняя пластина 1 с пришитой "липучкой" 2 и приваренной заплаткой 4. На собранный пакет устанавливается плоский электрод 11, повторяющий конфигурацию камеры, с поролоном 12. Поролон обеспечивает удаление воздуха из пространства между пластинами манжеты в период сварки.

Весь этот пакет сжимается между плитами пресса, к одной из которых подведено ВЧ-напряжение. Через заданное время ВЧ-напряжение отключается, пакет еще некоторое время выдерживается под давлением для охлаждения, затем снимается давление и пакет вынимается из пресса. Окончательная толщина сварного шва равна 0,9 мм.

В таблице 1 приведен режим ВЧ-сварки заплатки с верхней пластиной и верхней пластины с нижней.

После проведения ВЧ-сварки была получена пневмокамера манжеты с кривизной внутренней поверхности I/R 1/30 1/33 (изгиб по диаметру 60 66 мм) без гофр, как видно на фотографии фиг.3.

На фиг.4 представлено фото пневмокамеры манжеты МДП-Н-55, полученной по технологии способа-аналога при изгибе ее по диаметру 60 66 мм, на котором видны значительные гофры.

В зависимости от величины деформации можно получить изделия с различными радиусами закругления, что представлено на фотографии фиг.5.

В таблице 2 приведены результаты испытаний сварных соединений изделий (пневмокамеры плечевой манжеты), изготовленных по технологии способа-аналога и по описываемому способу.

Из таблицы 2 видно, что прочности сварных швов изделия, полученные по описываемому способу, выше, чем при изготовлении изделия по технологии известного способа.

При изготовлении изделия по описываемому способу в качестве источника энергии выбрано электромагнитное поле высокой частоты, т.е. внутренний источник энергии. Однако те же результаты будут получены при выборе внешнего источника энергии, например нагретый инструмент (нагретые электроды).

Формула изобретения

1. Способ изготовления изделия из термопластичного материала, при котором осуществляют укладку элементов изделия, деформацию и соединение их путем сварки при нагреве и приложении давления, отличающийся тем, что при деформации подвергают растяжению или сжатию по меньшей мере один из свариваемых элементов до величины, достататочной для получения заданной кривизны изделия, после чего осуществляют фиксирование полученной деформации на весь период сварки.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что операцию растяжения или сжатия производят до достижения величины относительной деформации элемента, определяемой по формуле

где l_д начальная длина элемента изделия, подвергаемого деформации, м;
l_д- величина деформации элемента изделия, м;
Е_н и Е_д усредненный модуль упругости материалов свариваемых элементов соответственно, не подвергаемых деформации и подвергаемых деформации, кг/м²;
d_н суммарная толщина свариваемых элементов изделия, не подвергающихся деформации, м;
R требуемая кривизна внутренней поверхности изделия, м.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6