Содержание
Введение
1. Проектирование изделий из пластмасс
2. Особенностипроектирования изделий из пластмасс
3. Выбор полимерного материала
3.1 Термопластичные полимерные материалы 3.2 Наполнителии армирующие материалы 3.3 Влияниевлаги 3.4 Другиекритерии выбора материалов
4. Общие принципы расчета и проектирования изделий из пластмасс
4.1 Выбор допускаемых напряжений 4.2 Дифференциальныйметод определения запаса прочности
Вывод
Литература
Введение
Тема реферата «Общие принципы проектирования изделийиз пластмасс».
Цель написания работы – ознакомится с основнымипринципами проектирования изделий из пластмасс, а именно:
— особенностями проектирования изделийиз пластмасс;
— выбором полимерногоматериала;
— общими принципами расчета ипроектирования изделий из пластмасс.
1.Проектирование изделий из пластмасс
Пластические массы (пластмассы, пластики) – это материалы наоснове полимеров, которые при переработке становятся пластичными, что позволяетотформовать изделие. Пластмассы получают на основе гомополимеров илисополимеров, и в зависимости от характера изменения свойств при переработке онимогут быть термопластами и реактопластами. Физико-механические свойствапластмасс определяются видом и строением полимера, а также характером добавок(наполнителей, пластификаторов, пигментов и красителей, стабилизаторов,смазывающих веществ и т.д.).
Множество примеровуспешного применения полимерных материалов в различных отраслях промышленностиподтверждает, что будущее принадлежит им. При разумном использовании свойствполимеров можно проектировать многофункциональные изделия, которые технически иэкономически превосходят предшествующие конструкции.
Современная техникатребует все более и более сложных конфигураций изделий и конструкционныхматериалов. Полимерные материалы способны решить многие проблемы в этомнаправлении. В настоящее время наблюдается бум на производство и потреблениепластмассовых изделий, что обусловлено высокими свойствами пластмасс какконструкционных материалов. Они по многим показателям превосходят металлы идругие конструкционные материалы. Пластмассы могут быть жесткими и мягкими,плотными и легкими. Пенопласты и поропласты имеют плотность 20 — 100 кг/м3, полипропилен –900; фторопласты – 2200 кг/м3. В среднем пластмассыв 5 — 7 раз легче стали и меди и в 2 раза легче алюминия.
Большинство пластмассзначительно превосходят сталь и ряд других металлов по устойчивости катмосферной коррозии и к воздействию различных кислот, щелочей, солей,растворителей.
В зависимости оттребований пластмассы могут иметь как низкий, так и высокий коэффициент трения.Низкий коэффициент трения и высокая износостойкость полиамида, фторопласта,текстолита, ДСП и др. используются в подшипниках, работающих и в условияхсмазки, и без нее. Полиамид 6 имеет износостойкость в 10 — 20 раз выше, чем убронзы и баббита при использовании смазки. Высокий коэффициент тренияасботекстолита используется в тормозных устройствах.
Многие пластмассы имеютисключительно высокие диэлектрические свойства и широко применяются вэлектрических и электротехнических приборах, в высокочастотных устройствах.
Такие пластмассы какполикарбонат, полистирол, ПММА и др. – прозрачны, бесцветны и способныпропускать световые лучи в широком диапазоне волн, в том числе – УФ. ПММА(органическое стекло) пропускает ~73 % УФ-лучей, в то время как обычное стекло– только 1 — 2 %. Оргстекло намного прочнее, что очень важно для оптическойпромышленности.
Пластмассовые изделия могут иметь твердую или мягкую,блестящую или матовую, гладкую или фактурированную поверхность, что достигаетсяпутем варьирования вида материала и характера обработки поверхности формы.
Очень важнымидостоинствами пластмасс являются доступность сырья и простота переработки.
Однако пластмассы имеют инедостатки, которые обязательно надо учитывать при проектировании изделий изних:
1)низкая теплостойкость,связанная с химическим строением полимера;
2)низкая твердость;
3)недостаточно высокая прочность,которая к тому же существенно зависит от времени и температуры эксплуатации,При постоянной температуре повышение механического напряжения сокращает времядо разрушения материала. Увеличение времени эксплуатации приводит к разрушениюматериала при меньшем механическом напряжении. При постоянном механическомнапряжении повышение температуры эксплуатации сокращает время до разрушенияматериала;
4)ползучесть, проявляющаяся под постоянной нагрузкой. Наиболее устойчивы к ползучести реактопласты, а такжеполиформальдегид и его сополимеры, поликарбонат,АБС-пластики. Сопротивление пластмасс ползучести повышают путем армирования ихнеорганическими наполнителями; стеклотканью, стекловолокном;
5)старение, резкоснижающее физико-механические свойства. Процесс старения пластмасс замедляют(но не устраняют) путем введения в полимер специальных добавок — светостабилизаторов. Эффективным светостабилизатором является технический углерод(сажа). Наиболее стойки к старению фенопласты и некоторые другие реактопласты,а также поликарбонат, полиформальдегид и его сополимеры.
2.Особенности проектирования изделий изпластмасс
Конструкциимногих изделий из пластмасс часто повторяют конструкции металлических изделий.Однако пластик требует учета особенностей присущих ему характеристик.
По сравнению с другими конструкционными материаламисвойства пластмасс могут варьироваться в гораздо более широких пределах.Специфические свойства практически любого базового полимера можно изменитьсамым коренным образом путем введения в него простых или армирующихнаполнителей, модификаторов и других добавок. Но и основные свойства полимерныхматериалов, как правило, кардинально отличаются от основных свойств металлов.Если провести, например, прямое сопоставление, то у металлов значительно вышетакие показатели, как плотность, максимальная рабочая температура, жесткость ипрочность, теплопроводность, электропроводность; в то время такие свойстваконструкционных термопластов, как амортизация механических нагрузок, тепловоерасширение, относительное удлинение при разрыве, ударная вязкость выше нанесколько порядков.
Когда речь идет о замене металла полимернымматериалом, то для того, чтобы изготовить функциональные элементы из пластмассыпри одновременном снижении себестоимости, в большинстве случаев необходимокоренным образом менять конструкцию этих элементов. При этом открываетсяперспектива полнейшей переработки конструктивного решения изделия, дающая возможностьинтегрировать функции и упростить геометрию.
При одних и тех же условиях эксплуатации пластмассыиногда ведут себя иным образом по сравнению с металлами. Именно по этой причинекакая-нибудь функционально целесообразная и экономичная конструкция, сделаннаякогда-то из литого металла, может легко сломаться, если ее с излишнейпоспешностью повторить из полимерного материала. Поэтому разработчикиконструкций из пластмасс должны обязательно знать свойства этойгруппы материалов.
Чемближе температура эксплуатации материала к его точке плавления, тем большехарактер его деформации зависит от температуры и времени. У большинствапластиков наблюдаются изменения их основных механических свойств уже прикомнатной или близкой к ней температуре или от скорости воздействия нагрузки. Адля металлов, как правило, характерно постоянство механических свойств вплотьдо таких температур, значения которых очень близки к температуреперекристаллизации (> 300 0С). Если менять в достаточно широкомдиапазоне рабочую температуру или скорость деформации, то конструкционныетермопласты могут изменить твердость и хрупкость на эластичность, характернуюдля резин. Например, чехол аварийной автоматической подушки в автомобиле вслучае ее применения должен обладать способностью к взрывному раскрытию. Этимон должен полностью отличаться от сделанного из того же материала изделия назащелках, которое приводится в рабочее состояние медленно. Причем этоснабженное защелками изделие и должно приводиться в рабочее состояние медленно,поскольку это зависит от условий его эксплуатации на холоде или при жаре.Значение температуры здесь значительно важнее, чем скорость изменения нагрузки.
Характеристики полимерных материалов не являются вчистом виде свойствами материала как такового в конкретных условияхэксплуатации. Базовый уровень свойств какого-либо пластмассового изделия можетменяться от воздействия самых разнообразных факторов, в частности, отультрафиолетового облучения вплоть до разрушения и полной непригодности кдальнейшей эксплуатации. Великолепно сконструированное и отформованноепластмассовое изделие может быстро сломаться, если режимы формования былиподобраны ненадлежащим образом. С другой стороны, и технологи не могут вшироком масштабе устранять конструкторские просчеты. Хорошее качествопластмассовых изделий может быть гарантировано лишь благодаря процессуоптимизации, который учитывает все влияющие факторы. Поскольку полимерныематериалы по сравнению с металлами более чувствительны к конструктивнымнедоработкам, то при разработке конструкций пластмассовых изделий необходимообращать особое внимание на то, чтобы конструктивное решение соответствоваломатериалу. Поэтому проектирование изделия из пластика должно каждый разначинаться со всестороннего и тщательного анализа всех требований.
3.Выбор полимерного материала
Является самым важным этапом проектирования полимерныхизделий, в том числе и изделий из пластмасс. Нет плохих полимерных материалов,а есть материалы, не соответствующие конкретному применению. Поэтому для конструкторачрезвычайно важно досконально знать свойства конкурирующих материалов итщательно проверить, как эти свойства влияют на технологию изготовления изделийиз этих материалов.
3.1 Термопластичные полимерные материалы
Термопласты – это разновидность пластиков, основнымотличием которых является линейное строение, обусловливающее возможностьповторного расплавления полимера. Термопластичные полимерные материалы.используются очень широко. Эти материалы можно, в свою очередь, разделить нааморфные (полистирол, АБС-пластики, поливинилхлорид, поликарбонат) иаморфно-кристаллические (полиэтилен, полипропилен, полиэтилентерефталат,полиамиды, полиформальдегид). Различие между этими двумя группами заключается вих надмолекулярной структуре и в области тех свойств, которые определяютсястепенью их кристалличности. Аморфные полимеры имеют удовлетворительныефизико-механические свойства, но склонны к ползучести, химически не стойки, неимеют выносливости на усталостный изгиб, не стойки к надрезу, характеризуются определеннымтемпературным диапазоном размягчения. Аморфно-кристаллические термопластыхарактеризуются хорошими физико-механическими показателями, стойки кползучести, химически стойки, выносливы на усталостный изгиб, имеют болеевысокую рабочую температуру и точное значение температуры плавления.
Аморфно-кристаллические термопластичные материалы, какправило, используются для изготовления деталей, которые подвергаются высокиммеханическим нагрузкам, в то время как аморфные термопласты чаще используют дляизготовления корпусных изделий в связи с тем, что они в меньшей степени склоннык короблению.3.2 Наполнители иармирующие материалы
Пластмассыпоставляются в виде полимерных материалов без наполнителей, со стекловолокном вкачестве армирующего наполнителя, с минеральными наполнителями. Стекловолокно,как правило, используется для повышения прочности, жесткости и стойкости кповышенным температурам. Минеральные наполнители и стеклянные шарики обладаютменьшим армирующим эффектом и в основном используются для уменьшения усадки икоробления. Стекловолокно влияет на переработку материала, в особенности наусадку изделия и на характер его коробления. Поэтому замена материалов,усиленных волоконными наполнителями, на неармированные термопласты или наполимерные материалы с низким содержанием армирующих наполнителей приводит кизменению геометрических размеров изделия. С ростом содержания стекловолокнарастут разрушающее напряжение, модуль эластичности и термостабильность, однакорезко падает удлинение до разрушения. Ориентация стекловолокна в формуемомизделии определяется направлением течения материала при формовании.Механическая прочность материала также зависит от направления ориентациистекловолокна. Например, при испытании образца ПЭТ с 30 % стекловолокна в качествеармирующего наполнителя в случае поперечной ориентации волокон потеря пределапрочности при растяжении образца составила 32 %, снижение его модуля изгибасоставило 43 % и уменьшение его ударной прочности составило 53 %. Подобноеуменьшение значений показателей, вызванное поперечной ориентацией волокон,необходимо принимать во внимание при расчетах изделий на прочность изакладывать в их конструкцию соответствующие коэффициенты запаса прочности. Дляизменения набора свойств полимерных материалов в них добавляют широкую гаммуармирующих наполнителей, обычных наполнителей и различных модификаторов. Придобавлении наполнителей и модификаторов необходимо очень тщательноанализировать, какие изменения эти добавки могут вызвать в свойствахтермопластичных материалов. Для этого имеются справочные публикации и базыданных. Различные армирующие наполнители по-разному влияют нафизико-механические свойства пластмасс. Например, модуль эластичности растетпри введении стекловолокна, минеральных наполнителей, арамидного волокна ипадает при добавлении эластомеров, УФ-стабилизаторов, органических инеорганических антипиренов и антистатиков. Деформация и ударная прочность,наоборот, при введении эластомеров растут.3.3 Влияние влаги
Некоторые полимеры, в особенности ПА6 и ПА66,поглощают влагу. Это может оказывать существенное влияние на ихфизико-механические свойства и на стабильность геометрических размеров изделийиз них. При выборе полимерных материалов этому свойству следует уделять особоевнимание. Надо знать, что наличие влаги приводит к появлению в изделииразличных пор, раковин, вздутий, а значит, понижает прочность, модульэластичности и электрические свойства, но улучшает деформацию, ударнуюпрочность и стабильность размеров. При этом наличие воды в полимерном материалесильно затрудняет переработку, заставляя принимать особые меры по ее удалениюперед изготовлением изделия в частности, вакуум-отсос образующихся паров..
3.4 Другие критерии выбораматериалов
Другие требования, предъявляемые при выборе материалов,имеют отношение к их переработке в изделия. Так как большинство изделий изпластмасс являются элементами различных конструкций, т.е. деталями, тообязательно следует учитывать последующую сборку этих деталей. Также важноизучить возможность объединения в одной детали нескольких функций, что позволитсэкономить на дорогостоящих сборочных операциях. Себестоимость изготовлениядетали включает не только цену сырья. Следует учитывать, что материалы,обладающие большей жесткостью, позволяют уменьшать толщину стенок изделия, аэто даёт возможность сократить время цикла изготовления изделия. Поэтомунеобходимо составить перечень всех критериев, учитываемых при выборе материала,и провести их последовательную детальную оценку.
Алгоритм выбора полимерного материала дляпроектируемого изделия должен включать изучение прототипов этого изделия,методов его испытания, технических требований к изделию и материалу,составление перечня необходимых свойств, проведение технико-экономическогоанализа, позволяющего правильно выбрать полимерный материал.
Правильный выбор полимерного материала еще необеспечит изготовления высококачественного пластмассового изделия. Необходимоправильно спроектировать форму изделия и правильно назначить его размеры ивозможные отклонения от размеров.
Важнейшим требованием, предъявляемым к изделиям изпластмасс абсолютно любого назначения, является обеспечение их прочности.Поэтому расчеты на прочность являются основным типом расчетов, проводимых припроектировании пластмассовых изделий. Очень часто эти расчеты являютсяповерочными, т.е. такими, которые проводятся после проектирования изделия ислужат для проверки обеспечения данного требования.
Из-за сложной структуры полимерных материалов оценкапрочности пластмассового изделия может быть выполнена с помощью статистическихметодов.
Статистические методыоснованы на наработке большого количества исходных данных, полученных прииспытаниях либо образцов в лабораторных условиях, либо самих изделий.
4. Общие принципы расчета и проектирования изделий из пластмасс
Несущая способностьизделий ограничивается:
1) предельно допускаемыминагрузками или напряжениями или
2) предельно допускаемымидеформациями.
В связи с этимпрочностной расчет пластмассовых изделий включает в себя:
1) оценку напряжений илинагрузок и сопоставление их с разрушающими или
2) оценку предельнодопустимых деформаций, обусловленными действующими во времени нагрузками.
Условие прочности имеетвид:
σmaxэкв ≤ [σ],
где σmaxэкв – максимально возможное напряжение вэтом изделии при заданных условиях нагружения;
[σ] – допустимоенапряжение для материала изделия при тех же условиях.
Более наглядным иправильным является, однако, применение условия прочности по запасу прочности,так как и σmaxэкв и [σ] зависят от типа пластика, его качества, технологииизготовления и т.п., а допускаемый запас прочности определяется постояннымзначением, принятым для данного изделия. В этом случае условие прочности имеетвид:
n = σраз / σmaxэкв ≥ [n],
где σраз– разрушающее напряжение;
[n] – допустимое значение запаса прочности.
Допускаемые значениянапряжения и запаса прочности связаны:
[σ] = σраз/ [n]
Запас прочности можновыражать не только через напряжения, но и через нагрузки:
n = R / Q,
где R – разрушающая нагрузка;
Q – действующая нагрузка.
Расчет изделий изпластмасс на прочность носит поверочный характер. Он проводится в следующейпоследовательности:
1)Определяют действующуюнагрузку, задаются долговечностью изделия, выявляют режим работы изделия(температура, среда, степень ответственности), назначают необходимуюнадежность, класс точности и т.д.
2)Составляют упрощеннуюрасчетную схему изделия и схематизированное распределение сил. При этом в схемувключают наиболее опасные участки изделия, в которых напряжения достигают наибольшейвеличины.
3)Определяют напряжения вопасных сечениях изделия и находят три главных напряжения.
4)По найденным главнымнапряжениям рассчитывают наибольшее эквивалентное напряжение.
5)Для выбранногополимерного материала изделия и принятых условий эксплуатации определяютдопускаемое напряжение или запас прочности.
6)Производят оценкупрочности путем сравнения σmaxэкв или запаса прочности с предельно допускаемыми значениями.
Запас прочности дляполимерных материалов должен быть большим, чем для традиционных материалов.Причиной этого являются специфические свойства полимерных материалов, к которымотносятся:
1)Неоднородность,дефектность структуры, наличие поверхностных микротрещин.
2)Влияние на прочностьгеометрической формы изделия и масштабный фактор.
3)Изменение свойствполимерных материалов под действием влаги, температуры, агрессивных газов ижидкостей, излучений (частоты солнечного спектра, γ-лучи и т.д.).
4)Изменение прочностных идеформационных характеристик полимерных материалов в зависимости от скоростинагружения.
5)Наличие в материалеостаточных напряжений (термических, диффузионных, ориентационных).
При эксплуатацииполимерное изделие не должно достигать предельного состояния. Предельноесостояние по нагрузкам означает неспособность пластмассового изделиявыдерживать приложенную нагрузку. При расчете такого состояния следуетучитывать:
1)Прочностьпластмассового изделия изменяется при длительном статическом нагружении.Поэтому необходимо определять предел длительной прочности, учитывая температурныеизменения и влияние среды. При этом надежность изделия определяется по заданнойдлительности эксплуатационного периода.
2)В пластмассовом изделиипод нагрузкой возникают значительные необратимые деформации, связанные сползучестью. В связи с этим за допускаемое напряжение принимают такоенапряжение, при котором при заданном сроке эксплуатации конечная деформация(удлинение) не будет превышать требуемую.
3)Под действиемостаточных напряжений в процессе релаксации может происходить хрупкоеразрушение пластмассового изделия.
Пластмассовые изделиямогут иметь самые разнообразные форму и размеры. Так как теоретические описанияполной конструкции в подавляющем большинстве отсутствуют, оценка прочностипластмассового изделия может быть произведена лишь по отдельным элементам,.
4.1Выбор допускаемых напряжений
При выборе допускаемыхнапряжений необходимо учитывать те же особенности конструкционных пластмасс,что и при определении запаса прочности.
В расчетных схемах и приопределении эквивалентных напряжений недостаточно полно или совсем неучитываются изменения прочности в зависимости от скорости нагружения иразгружения, колебания температуры, длительности нагружения, влияния влаги иагрессивности среды. Все эти факторы должны быть учтены при выборе допускаемыхнапряжений.
Кроме того, обязательнонеобходимо учесть неоднородность пластмасс и непостоянство техническиххарактеристик в различных видах деформации (например, пластмассы имеют разнуюпрочность на растяжение и изгиб и т.п.).
Отсутствие учета этих факторовможет привести к потере пластмассовым изделием конструктивной определенности,т.е. к значительному изменению размеров и формы. Особенно это опасно дляпластмассовых деталей, так как препятствует функциональной взаимозаменяемости.
Согласно общей практикемашиностроения деталь машины или прибора теряет конструктивную определенности,если изменение размеров превышает 0,5 – 1 % для точных размеров и 3 – 4 % длянеответственных размеров.
Допускаемое напряжениедля реактопластов должно быть минимум в 1,2 – 1,5 раза и для термопластов в 2раза ниже, чем соответствующий предел прочности. Для кратковременных ударныхнагрузок рекомендуется снижать допускаемые напряжения на 50 – 60 % дляреактопластов и на 20 – 30 % для термопластов.
За опасное напряжениеσоп принимается напряжение, соответствующее пределу прочности:
σоп = σраз
Если задано опасноеотносительное удлинение (относительная деформация), то предельное напряжениеможно определить либо с помощью диаграммы σ – ε, либо по закону Гука:
σпр = Е·εоп
Допускаемое напряжениеравно:
[σ] = σпр / n,
где n – коэффициент запаса прочности.
4.2Дифференциальный метод определения запаса прочности
По этому методу запаспрочности представляет собой произведение корректирующих коэффициентов,учитывающих множество факторов, влияющих на прочность пластмассового изделия:
n = S·k·T·M,
где S – группа факторов, определяющихответственность пластмассового изделия и ответственность эксплуатации;
k – группа расчетно-конструкторскихфакторов;
Т – группатехнологических факторов;
М – группа материальныхфакторов.
В свою очередь каждыйкоэффициент равен произведению нескольких частных коэффициентов.
S = S1 · S2 · S3 · S4,
где S1 – общий запас; принимается для термопластов 1,05 –1,1; для реактопластов – 1,15 – 1,2;
S2 – ответственность эксплуатации; 1,0 – 2,5;
S3 – вид нагрузки; для статической – 1,0; длязнакопеременной – 1,3;
S4 – агрессивность среды; для нормальных условий – 1,0;во влажной среде – 1,3; для органических растворителей и масел – 1,3 – 3,6.
k = k1 · k2 · k3,
где k1 – точность расчета; для точных – 1,0; дляприближенных – 1,4 – 1,6;
k2 – концентрация напряжений; 1,0 – 2,2;
k3 – сложность изделия; 1,0 – 1,15.
Т = Т1 ·Т2 · Т3 · Т4 ,
где Т1 –способ изготовления изделия; для литья – 1,05 – 1,1; для прессования – 1,05–1,15; для армирования – 1,1 – 1,15;
Т2 – сложностьмонтажа; 1,0 – 1,15;
Т3 – условияустановки: без посадок – 1,0; посадки тугие – 1,7 – 2,6; посадки нежесткие –1,2 – 1,5;
Т4 – способотверждения: длительный – 1,0 – 1,05; автоклавный – 1,0 – 1,15; в пресс-форме –1,1 – 1,2; высокочастотный – 2,0 – 2,5.
М = М1 ·М2 · М3 · М4 · М5 ·М6 · М7 · М8 · М9,
где М1 –условия испытания; 1,0 –1,1;
М2 – виддеформации: изгиб – 1,0 – 1,1; растяжение – 1,4 – 1,75; сжатие – 1,1 – 1,65;срез – 1,25 – 1,5; кручение – 1,4 – 1,65;
М3 – изменениесвойств: при литье – 1,1 – 1,3; при прессовании – 1,2 – 1,4;
М4 –термохимическая природа материала: термореактивные – 1,0; термопластичные –1,05 – 1,1; наполненные термореактивные – 1,1 – 1,2;
М5 –физико-механические свойства: анизотропные – 1,5; изотропные – 1,0;
М6 –температурно-временная зависимость прочности: обратимая – 1 – 3; необратимая –1,14 – 10;
М7 –масштабный фактор; 1,0 – 1,2;
М8 – строениематериала: наполненные – 1,1 – 1,15; ненаполненные – 1,05 – 1,1; армированные –1,0;
М9 – состояниеповерхности; 1,0 – 1,5.
Вывод
В процессе написанияреферата мы ознакомились с:
— особенностями проектирования изделийиз пластмасс;
— выбором полимерногоматериала;
— общими принципами расчета ипроектирования изделий из пластмасс.
На основе изученногоматериала мы щзнакомились с:
— выбором полимерногоматериала;
— термопластичными полимернымиматериалами;
— наполнителями и армирующимиматериалами;
— влиянием влаги;
— другими критериямивыбора материалов;
— выбором допускаемыхнапряжений;
— дифференциальнымметодом определения запаса прочности.
Литература
1. Альшиц И.Я. и др.Проектирование изделий их пластмасс. – М.: Машиностроение, 1979. – 248с.
2. Зенкин А.с. и др.Допуски и посадки в машиностроении. К.: Техніка, 1990. –320 с.
3. Штейнберг Б.И. идр. Справочник молодого инженера-конструктора. – К.: Техніка, 1979. – 150 с.
4. Лепетов В.А.,Юрцев Л.И. Расчет и конструирование резиновых изделий. М.: Химия, 1987. – 408с.