Министерствообразования Республики Беларусь
Учреждение образования
«Гродненский государственныйуниверситет имени Янки Купалы»
Факультетстроительства и транспорта
Контрольнаяработа
по дисциплине:Технология материалов
Специальность:1 -370106 Техническая эксплуатация автомобилей
Проверил: преподавателькафедры МиРТ
Воронцов АлександрСергеевич
Гродно 2009
ВВЕДЕНИЕ
Использование металлов человекомначалось в глубокой древности (более пяти тысячелетий до н.э.). Вначаленаходили применение цветные металлы (медь, сплавы меди, золото, серебро, олово,свинец и др.), позднее начали применять черные — железо и сплавы на его основе.
Длительное время производствометаллов носило примитивный характер и по объему было весьма незначительным.Однако в конце XIX в. мировая выплавка стали резко возросла с 0,5 млн. т в 1870г. до 28 млн. т в 1900 г. Еще в большем объеме растет металлургическаяпромышленность в XX столетии.
Способность металлов приниматьзначительную пластическую деформацию в горячем и холодном состоянии широкоиспользуется в технике. При этом изменение формы тела осуществляетсяпреимущественно с помощью давящего на металл инструмента. Поэтому полученноеизделие таким способом называют обработкой металлов давлением или пластическойобработкой.
Обработка металлов давлениемпредставляет собой важный технологический процесс металлургическогопроизводства. При этом обеспечивается не только придание слитку или заготовкенеобходимой формы и размеров, но совместно с другими видами обработкисущественно улучшаются механические и другие свойства металлов.
В настоящеевремя производство резиновых изделий имеет тенденцию к увеличению.
Резинойназывается продукт специальной обработки (вулканизации) смеси каучука и серы сразличными добавками.
Резина кактехнический материал отличается от других материалов высокими эластическимисвойствами, которые присущи каучуку — главному исходному компоненту резины. Онаспособна к очень большим деформациям (относительное удлинение достигает 1000%), которые почти полностью обратимы. При нормальной температуре резинанаходится в высокоэластическом состоянии и ее эластические свойства сохраняютсяв широком диапазоне температур.
Благодаря высокой эластичности и упругости, способности поглощатьвибрации и ударные нагрузки, хорошей механической прочности и сопротивлениюистиранию, электроизоляционным и другим свойствам резина является незаменимымматериалом для ряда автомобильных деталей.
Резину используют для изготовления опор двигателя; шлангов системохлаждения, питании, смазки, отопления и вентиляции; ремней приводавентилятора, генератора, компрессора и водяного насоса; уплотнителей кузова икабины; втулок рессор и других деталей подвески; манжет, шлангов, чехлов,диафрагм тормозной системы; деталей амортизаторов, шумоизолирующих элементовпередней и задней подвесок; колесных грязевых щитков, ковриков для пола кабиныи кузова и др.
1. Обработкаметаллов давлением. Прокатка: Продольная, поперечная, поперечно-винтовая.Технологические операции при прокатке
1.1 Технология обработкидавлением. Общие сведения
Обработкой давлениемназываются процессы получения заготовок или деталей машин силовымвоздействием инструмента на исходную заготовку из исходного материала.
Пластическое деформирование приобработке давлением, состоящее в преобразовании заготовки простой формы вдеталь более сложной формы того же объема, относится к малоотходной технологии.
Обработкой давлением получают нетолько заданную форму и размеры, но и обеспечивают требуемое качество металла,надежность работы изделия. Высокая производительность обработки давлением,низкая себестоимость и высокое качество продукции привели к широкому применениюэтих процессов.
Классификация процессовобработки давлением
Пластическое деформирование вобработке металлов давлением осуществляется при различных схемах напряженного идеформированного состояний, при этом исходная заготовка может быть объемнымтелом, прутком, листом.
По назначению процессы обработкиметаллов давлением группируют следующим образом:
– для получения изделийпостоянного поперечного сечения по длине (прутков, проволоки, лент, листов),применяемых в строительных конструкциях или в качестве заготовок дляпоследующего изготовления деталей – прокатка, волочение, прессование;
– для получения деталей илизаготовок, имеющих формы и размеры, приближенные к размерам и формам готовыхдеталей, требующих механической обработки для придания им окончательныхразмеров и заданного качества поверхности – ковка, штамповка.
Основными схемами деформированияобъемной заготовки являются:
– сжатие между плоскостямиинструмента – ковка;
– ротационное обжатиевращающимися валками – прокатка;
– затекание металла в полостьинструмента – штамповка;
– выдавливание металла из полостиинструмента – прессование;
– вытягивание металла из полостиинструмента – волочение.
Характер пластической деформациизависит от соотношения процессов упрочнения и разупрочнения.
Горячая деформация– деформация, после которой металл не получает упрочнения. Рекристаллизацияуспевает пройти полностью, новые равноосные зерна полностью заменяютдеформированные зерна, искажения кристаллической решетки отсутствуют.Деформация имеет место при температурах выше температуры началарекристаллизации.
Неполная горячая деформацияхарактеризуется незавершенностью процесса рекристаллизации, которая не успеваетзакончиться, так как скорость ее недостаточна по сравнению со скоростьюдеформации. Часть зерен остается деформированными и металл упрочняется.Возникают значительные остаточные напряжения, которые могут привести кразрушению. Такая деформация наиболее вероятна при температуре, незначительнопревышающей температуру начала рекристаллизации. Ее следует избегать приобработке давлением.
При неполной холоднойдеформации рекристаллизация не происходит, но протекают процессывозврата. Температура деформации несколько выше температуры возврата, аскорость деформации меньше скорости возврата. Остаточные напряжения взначительной мере снимаются, интенсивность упрочнения снижается.
При холодной деформацииразупрочняющие процессы не происходят. Температура холодной деформации нижетемпературы начала возврата.
Холодная и горячая деформации несвязаны с деформацией, с нагревом или без нагрева, а зависят только отпротекания процессов упрочнения и разупрочнения. Поэтому, например, деформациясвинца, олова, кадмия и некоторых других металлов при комнатной температуреявляется с этой точки зрения горячей деформацией.
Схемы напряженного идеформированного состояний
Схемы напряженного состоянияграфически отображают наличие и направление главных напряжений врассматриваемой точке тела.
Напряжения в точке изображаютсякак напряжения на трех бесконечно малых гранях куба, соответственноперпендикулярных главным осям.
Возможны девять схем напряженногосостояния (рис. 1.а). Напряженное состояние в точке может быть линейным,плоским или объемным.
Схемы с напряжениями одного знаканазывают одноименными, а с напряжениями разных знаков – разноименными. Условнорастягивающие напряжения считают положительными, с сжимающие – отрицательными.
Схема напряженного состоянияоказывает влияние на пластичность металла. На значение главных напряженийоказывают существенное влияние силы трения, возникающие в месте контакта заготовкис инструментом, и форма инструмента. В условиях всестороннего неравномерногосжатия при прессовании, ковке, штамповке сжимающие напряжения препятствуютнарушению межкристаллических связей, способствуют развитиювнутрикристаллических сдвигов, что благоприятно сказывается на процессахобработки металлов давлением.
/>
Рис. 1 — Схемы напряженного (а) идеформированного (б) состояний: I – линейное напряженное состояние; II –плоское; III – объемное
В реальных процессах обработкидавлением в большинстве случаев встречаются схемы всестороннего сжатия исостояния с одним растягивающим и двумя сжимающими напряжениями.
Схема деформированного состоянияграфически отображает наличие и направление деформации по трем взаимноперпендикулярным направлениям.
Возможны три схемыдеформированного состояния (рис. 1.б).
При схеме Д Iуменьшаются размеры тела по высоте, за счет этого увеличиваются два другихразмера (осадка, прокатка).
При схеме Д IIпроисходит уменьшение одного размера, чаще высоты, другой размер (длина)увеличивается, а третий (ширина) не изменяется. Например, прокатка широкоголиста, когда его ширина в процессе прокатки практически не изменяется. Этосхема плоской деформации.
Наиболее рациональной с точкизрения производительности процесса обработки давлением является схема Д III:размеры тела уменьшаются по двум направлениям, и увеличивается третий размер(прессование, волочение).
Совокупность схем главныхнапряжений и главных деформаций характеризуют пластичность металла. Напряженноесостояние при прессовании металла характеризуется такой же схемой напряженногосостояния, как при ковке, а схема главных деформаций характеризуется двумядеформациями сжатия и одной – растяжения. При ковке и штамповке растягивающиенапряжения играют большую роль, поэтому пластичность металла меньше.
1.2 Прокатка. Продольная,поперечная, поперечно-винтовая
Прокатка –это способ обработки пластическим деформированием – наиболее распространенный.Прокатке подвергают до 90 % всей выплавляемой стали и большую часть цветныхметаллов. Способ зародился в XVIII веке и, претерпев значительное развитие,достиг высокого совершенства.
Сущность процесса: заготовка обжимается (сдавливается), проходя в зазормежду вращающимися валками, при этом, она уменьшается в своем поперечномсечении и увеличивается в длину. Форма поперечного сечения называется профилем.
Процесс прокатки обеспечивается силами трения между вращающимсяинструментом и заготовкой, благодаря которым заготовка перемещается в зазоремежду валками, одновременно деформируясь. В момент захвата металла со стороныкаждого валка действуют на металл две силы: нормальная сила />икасательная сила трения />(рис.2).
/>
Рис. 2 — Схема сил, действующих при прокатке
Угол />–угол захвата, дуга, по которой валок соприкасается с прокатываемым металлом –дуга захвата, а объем металла между дугами захвата – очаг деформации.
Возможность осуществления прокатки определяется условием захвата металлавалками или соотношением />,
где:/>–втягивающая сила — проекция силы трения />нагоризонтальную ось;/>–выталкивающая сила – проекция нормальной реакции валков />нагоризонтальную ось.
При этом условии результирующая сила будет направлена в сторону движенияметалла.
Условие захвата металла можно выразить: />
Выразив силу трения />черезнормальную силу />икоэффициент трения />:/>, и,подставив это выражение в условие захвата, получим:
/>или />.
Таким образом, для захвата металла валками необходимо, чтобы коэффициенттрения между валками и заготовкой был больше тангенса угла захвата.
Коэффициент трения можно увеличить применением насечки на валках.
При прокатке стали />=20…25 0, при горячей прокатке листов и полос из цветных металлов – />=12…15 0, при холодной прокатке листов – />=2…10 0.
Степень деформации характеризуется показателями:
– абсолютное обжатие: />(/>–начальная и конечная высоты заготовки);
относительное обжатие:
/>
Площадь поперечного сечения заготовки всегда уменьшается. Поэтому дляопределения деформации (особенно когда обжатие по сечению различно) используютпоказатель, называемый вытяжкой (коэффициентом вытяжки).
/>
где: />–первоначальные длина и площадь поперечного сечения, />– теже величины после прокатки.
Вытяжка обычно составляет 1,1…1,6 за проход, но может быть и больше.
Способыпрокатки
Когда требуетсявысокая прочность и пластичность, применяют заготовки из сортового илиспециального проката. В процессе прокатки литые заготовки подвергаютмногократному обжатию в валках прокатных станов, в результате чего повышаетсяплотность материала за счет залечивания литейных дефектов, пористости,микротрещин. Это придает заготовкам из проката высокую прочность игерметичность при небольшой их толщине.
Существуют три основных способа прокатки, имеющих определенноеотличие по характеру выполнения деформации: продольная, поперечная, поперечно –винтовая (рис.3).
/>
Рис. 3 — Схемы основных видов прокатки: а – продольная; б – поперечная; в – поперечно –винтовая
Припродольной прокатке деформация осуществляется между вращающимися в разныестороны валками (рис.3 а). Заготовка втягивается в зазор между валками за счетсил трения. Этим способом изготавливается около 90 % проката: весь листовой ипрофильный прокат.
Поперечная прокатка (рис. 3.б). Оси прокатных валков и обрабатываемоготела параллельны или пересекаются под небольшим углом. Оба валка вращаются водном направлении, а заготовка круглого сечения – в противоположном.
В процессе поперечной прокатки обрабатываемое тело удерживается в валкахс помощью специального приспособления. Обжатие заготовки по диаметру и приданиеей требуемой формы сечения обеспечивается профилировкой валков и изменениемрасстояния между ними. Данным способом производят специальные периодическиепрофили, изделия представляющие тела вращения – шары, оси, шестерни.
Поперечно – винтовая прокатка (рис. 3.в). Валки, вращающиеся в однусторону, установлены под углом друг другу. Прокатываемый металл получает еще ипоступательное движение. В результате сложения этих движений каждая точказаготовки движется по винтовой линии. Применяется для получения пустотелыхтрубных заготовок.
В качествеинструмента для прокатки применяют валки прокатные, конструкция которыхпредставлена на рис. 4. В зависимости от прокатываемого профиля валки могутбыть гладкими (рис.4.а), применяемыми для прокатки листов, лент и т.п. икалиброванными (ручьевыми) (рис. 4.б) для получения сортового проката.
Ручей – профиль на боковой поверхности валка. Промежутки между ручьяминазываются буртами. Совокупность двух ручьев образует полость, называемуюкалибром, каждая пара валков образует несколько калибров. Системапоследовательно расположенных калибров, обеспечивающая получение требуемогопрофиля заданных размеров называется калибровкой.
/>
Рис. 4 — Прокатные валки: а – гладкий; б – калиброванный
Валки состоятиз рабочей части – бочки 1, шеек 2 и трефы 3.
Шейки валков вращаются в подшипниках, которые, у одного из валков, могутперемещаться специальным нажимным механизмом для изменения расстояния междувалками и регулирования взаимного расположения осей.
Трефа предназначена для соединения валка с муфтой или шпинделем.
Используются роликовые подшипники с низким коэффициентом трения, />=0,003…0,005, что обеспечивает большой срок службы.
1.3 Технологические операции припрокатке
Исходным продуктом для прокатки могут служить квадратные, прямоугольныеили многогранные слитки, прессованные плиты или кованые заготовки.
Процесс прокатки осуществляется как в холодном, так и горячем состоянии.Начинается в горячем состоянии и проводится до определенной толщины заготовки.Тонкостенные изделия в окончательной форме получают, как правило, в холодномвиде (с уменьшением сечения увеличивается теплоотдача, поэтому горячаяобработка затруднена).
Основнымитехнологическими операциями прокатного производства являются подготовкаисходного металла, нагрев, прокатка и отделка проката.
Подготовка исходных металлов включает удаление различных поверхностныхдефектов (трещин, царапин, закатов), что увеличивает выход готового проката.
Нагрев слитков и заготовок обеспечивает высокую пластичность, высокоекачество готового проката и получение требуемой структуры. Необходимо строгоесоблюдение режимов нагрева.
Основное требование при нагреве: равномерный прогрев слитка или заготовкипо сечению и длине до соответствующей температуры за минимальное время снаименьшей потерей металла в окалину и экономным расходом топлива.
Температуры начала и конца горячей деформации определяются в зависимостиот температур плавления и рекристаллизации. Прокатка большинства марокуглеродистой стали начинается при температуре 1200…1150 0С, азаканчивается при температуре 950…9000С.
Существенное значение имеет режим охлаждения. Быстрое и неравномерноеохлаждение приводит к образованию трещин и короблению.
При прокатке контролируется температура начала и конца процесса, режимобжатия, настройка валков в результате наблюдения за размерами и формойпроката. Для контроля состояния поверхности проката регулярно отбирают пробы.
Отделка проката включает резку на мерные длины, правку, удалениеповерхностных дефектов и т.п. Готовый прокат подвергают конечному контролю.
Процесспрокатки осуществляют на специальных прокатных станах.
Прокатный стан – комплекс машин для деформирования металла во вращающихсявалках и выполнения вспомогательных операций (транспортирование, нагрев,термическая обработка, контроль и т.д.).
Оборудование для деформирования металла называется основным ирасполагается на главной линии прокатного стана (линии рабочих клетей).
Главная линия прокатного стана состоит из рабочей клети и линии привода,включающей двигатель, редуктор, шестеренную клеть, муфты, шпиндели. Схемаглавной линии прокатного стана представлена на рис. 5.
/>
Рис. 5 — Схема главной линии прокатного стана: 1 – прокатные валки; 2 – плита; 3 –трефовый шпиндель; 4 – универсальный шпиндель; 5 – рабочая клеть; 6 –шестеренная клеть; 7 – муфта; 8 – редуктор; 9 – двигатель
Прокатныевалки 1 установлены в рабочей клети 5, которая воспринимает давление прокатки.Определяющей характеристикой рабочей клети являются размеры прокатных валков:диаметр (для сортового проката) или длина (для листового проката) бочки. Взависимости от числа и расположения валков в рабочей клети различают прокатныестаны: двухвалковые (дуо-стан), трехвалковые (трио-стан), четырехвалковые(кварто-стан) и универсальные (рис. 5).
В двухвалковых клетях (рис.6.а) осуществляется только по одному пропускуметалла в одном направлении. Металл в трехвалковых клетях (рис. 6.б) движется водну сторону между нижним и верхним, а в обратную – между средним и верхнимвалками.
В четырехвалковых клетях (рис. 6.в) устанавливаются опорные валки,которые позволяют применять рабочие валки малого диаметра, благодаря чемуувеличивается вытяжка и снижаются деформирующие усилия.
Универсальные клети (рис.6.г) имеют неприводные вертикальные валки,которые находятся между опорами подшипников горизонтальных валков и в однойплоскости с ними.
Шестеренная клеть 6 предназначена для распределения крутящего моментадвигателя между валками. Это одноступенчатый редуктор, передаточное отношениекоторого равно единице, а роль шестерен выполняют шестеренные валки.
Шпиндели предназначены для передачи крутящего момента от шестереннойклети прокатным валкам при отклонении от соосности до 10…12 0. Принезначительном перемещении в вертикальной плоскости применяют шпинделитрефового типа 3 в комплекте с трефовой муфтой. Внутренние очертания трефовыхмуфт отвечают форме сечения хвостовика валка или шпинделя. Муфтой предусмотрензазор 5…8 мм, что допускает возможность работы с перекосом 1…2 0.При значительных перемещениях валков в вертикальной плоскости ось шпинделяможет составлять значительный угол с горизонтальной плоскостью, в этом случаеприменяют шарнирные или универсальные шпиндели 4, которые могут передаватькрутящий момент прокатным валкам при перекосе шпинделя до 10…12 0.
/>
Рис. 6 — Рабочие клети прокатных станов
В качестведвигателя прокатного стана 9 применяют двигатели постоянного и переменноготока, тип и мощность зависят от производительности стана.
Редуктор 8 используется для изменения чисел оборотов при передачедвижения от двигателя к валкам. Зубчатые колеса – обычно шевронные с наклономспирали 30 0.
По назначению прокатные станы подразделяют на станы для производстваполупродукта и станы для выпуска готового проката.
Нагревметалла осуществляют в пламенных и электрических печах. По распределениютемпературы печи могут быть камерные и методические. В камерных печахпериодического нагрева температура одинакова по всему рабочему пространству. Вметодических печах температура рабочего пространства постоянно повышается отместа загрузки заготовок до места их выгрузки. Металл нагревается постепенно,методически. Печи характеризуются высокой производительностью. Применяются впрокатных и кузнечно-штамповочных цехах для нагрева слитков из цветныхметаллов. Крупные слитки перед прокаткой нагревают в нагревательных колодцах –разновидности камерных, пламенных печей.
В качестветранспортных устройств в прокатном производстве используют:
· слитковозы иразличного вида тележки для подачи слитков и заготовок от нагревательныхустройств к стану;
· рольганги –основное транспортное средство прокатных цехов (транспортеры с последовательноустановленными вращающимися роликами обеспечивают продольное перемещениеметалла; при косом расположении роликов возникает возможность поперечногодвижения полосы);
· манипуляторы,предназначенные для правильной задачи полосы в калибр;
· кантователи,предназначенные для поворота заготовки вокруг горизонтальной оси.
Правкапроката
Изделия, полученные прокаткой, часто требуют правки. Иногда правкувыполняют в горячем состоянии, например, при производстве толстых листов. Нообычно в холодном состоянии, так как последующее охлаждение после горячейправки может вызвать дополнительное изменение формы.
Процесс правки заключается в однократном или многократном пластическомизгибе искривленных участков полосы, каждый раз в обратном направлении.
Правку можно выполнять и растяжением полосы, если напряжения растяжениябудут превышать предел текучести материала.
Роликоправильные машины с параллельно расположенными роликамипредназначены для правки листа и сортового проката (рис. 7)
/>
Рис. 7 — Схема правки проката на роликоправильных машинах с параллельно расположеннымироликами
Процессправки заключается в прохождении полосы между двумя рядами последовательнорасположенных роликов, установленных в шахматном порядке таким образом, что придвижении полосы, ее искривление устраняется. Диаметр роликов – 25…370 мм, шаг –30…400 мм, количество роликов: для тонких листов – 19…29, для толстых – 7…9.
Правильные машины с косо расположенными гиперболоидальными роликами предназначеныдля правки труб и круглых прутков (рис.8).
/>
Рис. 8 — Схема правки проката на машинах с косо расположенными гиперболоидальнымироликами
Роликивыполняют в виде однополостного гиперболоида и располагают под некоторым угломдруг к другу. Выправляемый металл, кроме поступательного движения, совершаетвращательное, что вызывает многократные перегибы полосы роликами и обеспечиваетосесимметричную правку.
Растяжные правильные машины используют для правки тонких листов (менее0,3 мм), трудно поддающихся правке на роликоправильных машинах.
Разрезка изаготовительная обработка проката
Производится на заготовительных участках механических цехов различнымиспособами, отличающимися производительностью, точностью заготовки, стойкостьюинструмента и др.
Разрезка пилами применяется для относительно крупных заготовок, восновном из цветных металлов. Заготовка характеризуется высокой точностью подлине, хорошим качеством среза, перпендикулярностью торца к оси. Основныминедостатками являются низкая производительность и значительные потери металлана рез.
Применяются пилы зубчатые и гладкие (трения).
Разрезка на эксцентриковых пресс-ножницах применяется для стальногопроката круглого или квадратного сечения до 300 мм. Является наиболеепроизводительным и дешевым процессом разделки проката на заготовки. Основныминедостатками являются косой рез и смятие концов заготовки.
Заготовки из высокоуглеродистых и легированных сталей целесообразноподогреть до 450…650 0С.
Применяют ножи с плоской режущей кромкой и с ручьями.
Разрезка на токарных полуавтоматах отрезными резцами.
Электроискровая и анодно-механическая резка обеспечивает максимальнуюточность размеров. Применяется для особо прочных металлов.
Разрезка на прессах-хладоломах применяется для заготовок крупногосечения. На заготовке предварительно делается надрез пилой или газовым резаком.
Газопламенная разрезка смесью ацитилена и кислорода.
Плазменно-дуговая разрезка применяется для высоколегированных тугоплавкихсталей и сплавов. Вдоль электрической дуги по каналу плазмотрона пропускается газ(аргон), который сжимает дугу и выходит из сопла в виде плазмы с температурой10000…30000 0 С.
2. ТЕХНОЛОГИЯ ФОРМИРОВАНИЯИЗДЕЛИЙ ИЗ РЕЗИНЫ: ОБОРУДОВАНИЕ, ОСОБЕННОСТИ ПРОЦЕССА
2.1 Общие сведения о резинах.Классификация и ассортимент резин
Натуральный каучук – это эластичныйматериал растительного происхождения, добываемый из млечного сока гевеибразильской. Основные виды каучука это смокед-шит, светлый креп и пара-каучук.Натуральный каучук рстворяется в бензине, бензоле, хлороформе, сероуглероде.При взаимодействии с кислородом и другими окисляющими реагентами – стареет. Принагревании свыше 200 оС разлагается, при температуре около – 70 оСутрачивает пластичность и становится хрупким.
Большая трудоёмкость получения, относительнонизкие качественые показатели натурального каучука и другие причины обусловилипроизводство синтетических каучуков.
Производство синтетических каучуковсостоит из получения каучукогенов (мономеров) и их полимеризации. В качествекаучукогенов применяют бутадеин, стирол, изопрен, хлоропрен, акрилонитрил,изобутилен и др. Сырьём для их получения служат нефть, природный газ, уголь ивещества, содержащие крахмал.
Основная масса каучуков перерабатываетсяв резину. Резиной называется продукт специальной обработки смеси каучука и серыс различными добавками, имеющими определённое назначение. Кроме основногокомпонента (каучука), в состав резины входят вулканизаторы, или агенты (сера,селен, перкиси), ускорители (оксиды свинца, магния, полисульфиды), противостарители,мягчители или пластификаторы, наполнители активные (сажа, окись цинка) инеактивные (мел, тальк, барит, регенерат), красители и другие составляющие.
Свойства резины зависят прежде всего оттипа каучука, применяемого для её производства. Резина отличается высокойэластичностью, способностью к большим деформациям, малой сжимаемостью, высокойстойкостью к истиранию, газ- и водонепроницаемостью, химической стойкостью,электроизоляционными свойствами, небольшой плотностью, высокой теплостойкостью.
Ассортимент отечественногосинтетического каучука в настоящее время весьма большой: он насчитывает более30 типов и свыше 200 марок. Основными типами синтетических каучуков являются:
СКБ (бутадиеновый,натрий-дивиниловый или дивинильный);
СКС (бутадиен-стирольный, илидивинил-стирольный);
СКИ (изопреновый); СКЭП(этилен-пропиленовый);
СКФ (фторсодержащий);
Бутилкаучук;
Найрит (хлоропреновый каучук);
СКН (бутадиен-нитрильный);
Полисульфидный (тиокол);
СКТ (теплостойкий);
СКУ (полиуретановый).
Что касается резин, то внастоящее время выпускаются резины общего (на основе натурального каучука,СКБ, СКС и СКИ) и специального назначения, в том числемасло-бензостойкие (наоснове найрита, СКН и тиокола), термостойкие (на основе СКТ), светоозоностойкие(на основе СКФ, СКЭП), износосойкие (на основе СКН), электротехнические (наоснове СКН, найрита).
Резиновые технические изделияклассифицируются по строению, технологии изготовления, типу конструкции.
2.2 Формирование изделий из резины
Натуральныйи синтетический каучук.
Основой натурального каучукаявляется млечный сок (латекс) каучуконосных растений. Латекс представляет собоймолочно-белую жидкость со слабым желтым, розовым или сероватым оттенком.
Синтетическиекаучуки (натрий-бутадиеновые, бутадиен-стирольные, изопреновые,бутадиен-нитрильные, хлоропреновые и др.) получают методами полимеризации иполиконденсации.
Впервыетехнологию получения синтетического натрий-бутадиенового каучука разработалсоветский ученый С. В. Лебедев. Для получения каучука пары этилового спирта притемпературе 400-500° в присутствии катализатора в контактной печи разлагаются собразованием 26-28% бутадиена (дивинила) и других продуктов — этилена,ацетилена, изобутилена, альдегидов, высших спиртов и др. Бутадиен отделяют отспирта и примесей и подвергают полимеризации с помощью металлического натрия.Полученный в результате полимеризации каучук обрабатывают в вакуум-мешалке (дляудаления летучих примесей и придания ему однородности), а затем — налистовальных или рафинирующих вальцах.
Наиболеераспространенным является бутадиен-стирольный каучук, в котором около 30%бутадиена заменено стиролом (бесцветной с острым запахом жидкостью, кипящей притемпературе 143°). Этот каучук получают совместной полимеризацией бутадиена истирола, взятых в соотношении 7:3.
Хлоропреновыйкаучук получают в результате полимеризации хлоропрена в эмульсии.Промышленностью выпускается два вида хлоропреновых каучуков — наирит и наиритС. Наирит — продукт полимеризации хлоропрена; наирит С получают совместнойполимеризацией хлоропрена с небольшим количеством стирола. Стирол в наиритеоблегчает переработку каучука.
Приготовлениерезиновых смесей. Первичной операцией переработки натурального каучукаявляется вулканизация, в процессе которой образуютсяпоперечные химические связи между молекулярными цепями каучука. Этот процессможет происходить под влиянием химической реакции, световой и тепловой энергии,радиации и др.
Вулканизацияможет быть горячей и холодной и протекает с присутствием серы каквулканизирующего вещества и ускорителей, активаторов и др. При горячейвулканизации резиновую смесь с серой, окисью цинка и некоторыми другимивеществами выдерживают определенное время при температуре 130-170°.
Холодная вулканизация протекает врастворах полухлористой серы при комнатной температуре.
Свойства резины в значительнойстепени определяются дозировкой серы. Для получения мягкой резины в смесьвводят от 1,5 до 6 весовых частей серы на 100 весовых частей каучука. Приувеличении серы до 30-40 весовых частей получается жесткая резина, называемаяэбонитом. Для придания резине требуемых свойств в исходную смесь каучука вводятразличные материалы, называемые ингредиентами. В зависимости от свойств иназначения ингредиенты делятся на вулканизирующие, ускорители вулканизации,активаторы ускорителей, усилители, красители, наполнители, мягчители,противостарители и др.
Наибольшее распространение как вулканизирующеевещество имеет сера.
Ускорителисокращаютвремя вулканизации, уменьшают потребное количество серы, позволяют снизитьтемпературу процесса. При вулканизации они взаимодействуют не только с серой,но и с каучуком, что оказывает непосредственное влияние на образованиепространственных структур резины. В качестве ускорителей применяют окись магнияи свинца, гидроокись кальция, окись цинка. Для ускорения вулканизациинатрий-бутадиенового каучука применяют едкий натрий, углекислый и двууглекислыйнатрий. При вулканизации эбонитовых смесей применяют окись магния.
Активаторысокращаютвремя вулканизации и повышают прочность резины. Для органических ускорителей вкачестве активаторов применяют цинковые белила и окись магния. Употребляемые вкачестве активаторов окислы металлов в присутствии жирных кислот (стеариновой,олеиновой и др.) обеспечивают переход ускорителей в солеобразное состояние, чтоспособствует лучшему их растворению в смесях. Это облегчает взаимодействие серыи ускорителей.
Наполнителивзависимости от влияния на резиновую смесь разделяют на активные (усилители) инеактивные. Активные наполнители вводят в резиновую смесь как для увеличения ееобъема, так и для улучшения свойств резины, неактивные — только для увеличенияобъема. К активным наполнителям относят сажу (вводят 30-60%), цинковые белила(20-25%), каолин (до 50%), белую сажу (до 60%). Белая сажа (коллоиднаякремнекислота) вводится как усилитель в синтетические каучуки. Каолины повышаютмаслостойкость и теплостойкость резины, однако резина с каолином имеетневысокую прочность на разрыв.
Для придания резине требуемойокраски в смесь вводят органические и неорганические красители,отличающиеся светостойкостью, устойчивостью при вулканизации и большойкрасящей способностью (окись титана и хрома, цинковые белила, охра).
Для облегчения смешения каучука спорошковыми материалами и обработки резиновой смеси в нее вводят в количестве 5-20%мягчители(мазут, гудрон, масла, каменноугольные смолы,сосновую смолу, канифоль, растительные масла, стеариновую и олеиновые кислоты,полидиены и др.).
Под длительным действиемкислорода воздуха происходит старение резины, заключающееся в изменениифизических, химических и механических свойств. Для предохранения от старения всостав резиновых смесей вводят в количестве 0,5-2% от веса каучука противостарители— вещества, вступающие в химическое взаимодействие с кислородом ипредохраняющие этим резину от старения. В качестве противостарителей используютнеозод Д (порошок светло-серого или светло-коричневого цвета) и эджерайт (смолажелтого цвета с температурой плавления 65-70°) и др.
Для облегчения технологическихопераций в резиновые смеси вводят ингредиенты специального назначения: ускорителипластикации; вещества, предотвращающие преждевременную вулканизацию;облегчающие вулканизацию эбонита; повышающие морозостойкость волокнистыевещества (асбест); абразивную пыль, придающую резине свойства шлифующихматериалов, и др.
Перед смешением с ингредиентамикаучук подвергают пластикации, что увеличивает его пластичность и мягкость.Пластикация производится в валковых резиносмесителях или червячныхпластикаторах. При этом натуральный каучук благодаря механическому воздействию,нагреву (до 150-200°) и окислению кислородом воздуха становится пластичным илегко смешивается с сыпучими материалами.
Смешение каучука с ингредиентамипроисходит механическим способом на вальцах или в смесителях. Качество смесизависит от равномерности распределения ингредиентов в каучуке и соблюденияоптимальных режимов смешения. Увеличение времени смешения оказываетположительное влияние на качество смеси до определенного предела, превышениекоторого вызывает ухудшение качества смеси.
2.3 Переработка резиновыхсмесей
В зависимости от назначениярезинового изделия, требований к его свойствам и форме применяют различные видыобработки: каландрование, шприцевание, литье под давлением и др.
Каландрованиемназываютпроцессы получения резиновых листов или профильных заготовок, покрытие тканейслоем резины, сдваивание листов и др. на специальном оборудовании — каландрах,основным рабочим органом которых являются валки. В зависимости от назначенияразличают листовальные, обкладочные, промазочные и другие каландры.
Перед обработкой резиновая смесьпредварительно нагревается до температуры 70-80° пропусканием в горячихвальцах. Листы резины получают на трехвалковом листовом каландре. Резиноваясмесь по транспортеру подается в зазор между верхним и средним валками. Повыходе из валков формованный лист прилегает к среднему валку и, таким образом,попадает в зазор между ним и нижним валком. На нижнем валке установлены ножи,срезающие с него полосы требуемой ширины. Скорость листования резиновой смеси — до 30 м/мин.
По выходе из валков каландроваярезина проходит охладительные барабаны и поступает в транспортер, где спрокладочным полотном закатывается в рулоны.
В результате каландрования резинаполучает повышенную прочность и меньшее удлинение в продольном направлении посравнению с поперечным. Это явление называется каландровым эффектом, которыйобъясняется ориентацией молекул каучука и ингредиентов вдоль листа прикаландровании. Снижения каландрового эффекта добиваются применениемингредиентов, имеющих сферическую форму, пропусканием резины по горячим плитам,барабанам или через нагретые камеры — туннели.
Распространенной операцией врезинотехническом производстве является промазка тканей резиновыми смесями натрехвалковом каландре. При промазке средний валок, на который подается тонкийслой резиновой смеси, вращается с большей скоростью, чем два других. Благодаряэтому происходит эффективное втирание резиновой смеси не только в пространствомежду нитями, но и промежутки между волокнами нитей, а на поверхность тканинаносится очень тонкий слой резины. После обработки на каландре прорезиненнуюткань пропускают через охладительные барабаны и закатывают вместе спрокладочным полотном. Температура валков при промазке 85-105°. Прикаландровании ткань вытягивается на 8-15%.
Каландрованную резину с гладкойповерхностью и без воздушных пузырей можно получить толщиной 0,15-1,2 мм. Дляизготовления ответственных деталей из резины большой толщины склеиваютнесколько слоев тонких полос. Эту операцию называют дублированием. Например,для получения герметизирующего слоя бескамерных шин толщиной 2 мм дублируюттри слоя резины толщиной 0,7 мм. Дублирование осуществляется натрехвалковом каландре последовательным накладыванием одного слоя на другой ипропусканием между валками.
Шприцеванием называютпроцесс изготовления резиновых полуфабрикатов на червячном прессе. Этим методомполучают протекторы, трубки, камерные рукава и др. При шприцевании резиноваясмесь уплотняется и продавливается через профильное отверстие головки машины.При этом большое значение имеют пластичность и температура резиновой смеси.Повышенные температура и пластичность затрудняют создание напора, необходимогодля выхода смеси из головки машины. Уменьшение пластичности обусловливаетполучение более точных по размерам изделий. Смесь на основе синтетическогокаучука нагревается до 30-40°, на основе натурального — до 50-70°.
В зависимости от габаритов иформы заготовки скорости прессования изменяются в пределах от 5 до 25 м/мин.
Литье под давлениемзаключается в том, что резиновая смесь под большим давлением подается изцилиндра штоком или червячным винтом через одно или несколько отверстий(литников) в металлическую форму. Смесь при этом, как правило, нагревают до 80-100°,что сокращает время вулканизации резины в форме.
Методом литья под давлениемизготавливают удлиненные детали (трубки, шнуры, профильные прокладки),покрывают резиной прутки, трубки и др., а также профильные и фигурные изделия.В связи с тем, что металлы, за исключением латуни, не обладают адгезией крезине, металлическая арматура перед ее покрытием резиной подвергаетсяповерхностной обработке. На поверхность арматуры наносят клеевую пленку илипроизводят латунирование.
Для производства резиновыхизделий используются гидравлические прессы и ротационные пресс-автоматы.
ВЫВОД
В основе всех процессов обработкидавлением лежит способность металлов и их сплавов под действием внешних (иливнутренних) сил пластически деформироваться, т.е. необратимо изменять своюформу не разрушаясь.
Всовременнойметаллообрабатывающей промышленности обработка давлением является одним изосновных способов производства. Ей подвергается около 90% всей выплавляемой встране стали. Продукция целого ряда ее процессов не нуждается в последующеймеханической обработке. В сочетании с термической обработкой обработкадавлением обеспечивает самые высокие механические свойства металла.
В машиностроении наиболее широкоприменяются процессы горячей объемной и листовой штамповки. В современномавтомобиле до 80% штампованных деталей, половина из которых не подвергается никаким другим видам обработки.
Основными процессами обработкиметаллов давлением являются: прокатка, волочение, прессование, свободная ковка,объемная и листовая штамповка.
Резина как технический материалотличается от других материалов высокими эластическими свойствами, которыеприсущи каучуку — главному исходному компоненту резины. Она способна к оченьбольшим деформациям (относительное удлинение достигает 1000 %), которые почтиполностью обратимы. При нормальной температуре резина находится ввысокоэластическом состоянии и ее эластические свойства сохраняются в широкомдиапазоне температур.
Основой всякой резины служиткаучук натуральный (НК) или синтетический (СК), который и определяет основныесвойства резинового материала. Для улучшения физико-механических свойствкаучуков вводятся различные добавки (ингредиенты).
К особенностям механическихсвойств каучуков и резин следует отнести:
1) высокоэластический характердеформации каучуков;
2) зависимость деформаций от ихскорости и продолжительности действия деформирующего усилия, что проявляется врелаксационных процессах и гистерезисных явлениях.
3) зависимость механическихсвойств каучуков от их предварительной обработки, температуры и воздействияразличных немеханических факторов (света, озона, тепла и др.).
ЛИТЕРАТУРА
1. Ю.М. Лахтин “Материаловедение”, 1990, Москва, “Машиностроение”.
2. Н.В. Белозеров “Технология резины”, 1979, Москва, “Химия”.
3. Ф.А. Гарифуллин, Ф.Ф. Ибляминов “Конструкционные резины и методыопределения их механических свойств”, Казань, 2000.