Изготовление изделий из пластмассы

1.Введение. Пластмассы - материалы на основе органических природных, синтетических или органических полимеров, из которых можно после нагрева и приложения давления формовать изделия сложной конфигурации. Полимеры - это высоко молекулярные соединения, состоящие из длинных молекул с большим количеством одинаковых группировок атомов, соединенных химическими связями. Кроме полимера в пластмассе могут быть некоторые добавки.
Переработка пластмасс - это совокупность технологических процессов, обеспечивающих получение изделий - деталей с заданными конфигурацией, точностью и эксплуатационными свойствами. Высокое качество изделия будет достигнуто, если выбранные материал и технологический процесс будут удовлетворять заданным эксплуатационным требованиям изделия: электрической и механической прочности, диэлектрической проницаемости, тангенсу угла диэлектрических потерь, прочности, плотности и т.п. Эти требования должны быть учтены при создании элементной базы (микросхем, микросборок и т.п.) и элементов базовых несущих конструкций (БНК), печатных плат, панелей, рам, стоек, каркасов и др. При переработки пластмасс в условиях массового производства для обеспечения высокого качества изделий решают материаловедческие, технологические, научно-организационные и другие задачи. Материаловедческие задачи состоят в правильном выборе типа и марки полимера, таким образом, чтобы обеспечить возможность формования изделия с заданными конфигурацией и эксплуатационными свойствами. Технологические задачи включают в себя всю совокупность вопросов технологии переработки полимеров, обеспечивающих качество изделия: подготовку полимеров к формованию, разработку-определение технологических параметров формования, разработку инструмента, выбор оборудования. Основные этапы работы по применению пластмасс в изделиях следующие: 1. Анализ условий работы изделия, разработка требований к эксплуатационным свойствам. 2. Выбор вида пластмассы по заданным требованиям и эксплуатационным свойствам изделия. 3. Выбор способа переработки пластмассы в изделие и оборудования. 4. Выбор базовой марки пластмассы и на её основе марки с улучшенными технологическими свойствами. 5. Конструирование, изготовление, испытание и отладка технологической оснастки и др.
2. Физико-химические основы строения.
2.1. Структура полимеров. Полимеры состоят из повторяющихся групп атомов - звеньев исходного вещества - мономера, образующих молекулы в тысячи раз превышающих длину неполимерных соединений, такие молекулы называют макромолекулами. Чем больше звеньев в макромолекуле полимера (больше степень полимеризации), тем более прочен материал и более стоек к действию нагрева и растворителей. Из-за невозможности эффективной переработки малоплавкого и труднорастворимого полимера в ряде случаев получают сначала полуфабрикаты - полимеры со сравнительно низкой молекулярной массой - олигомеры, легко доводимые до высоко молекулярного уровня при дополнительной тепловой обработке одновременно с изготовлением изделия. В зависимости от состава различают группы полимерных соединений: гомополимеры - полимеры, состоящие из одинаковых звеньев мономеров; сополимеры - полимеры, состоящие из разных исходных звеньев мономеров; элементоорганические - соединения с введен-ными в главную цепь или боковые цепи атомами кремния (кремнийорганические соединения), бора алюминия и др. Эти соединения обладают повышенной теплостойкостью. Форма молекул может быть: линейная неразветвленная (рис. 1, а), допускающая плотную упаковку; разветвленную (рис. 1, б), труднее упаковываемая и дающая рыхлую структуру; сшитая - лестничная (рис. 1, в), сетчатая (рис. 1, г), паркетная (рис. 1, д), сшитая трехмерно-объемная (рис. 1, е), с густой сеткой поперечных химических связей. У органических полимерных материалов макроструктура образована либо свернутыми в клубки (глобулы) гибкими макромолекулами, либо пачками-ламелями более жестких макромолекул, параллельно уложенных в несколько рядов (рис. 2, а), так как в этом случае они имеют термодинамически более выгодную форму, при которой значительная часть боковой поверхности прилегает друг к другу. На участках складывания образуются домены, а домены создают фибриллы, связанные проходными участками (рис. 2, б). Несколько доменов, соединяясь по плоскостям складывания, образуют первичные структурные элементы - кристаллы, из которых при охлаждении расплава возникают пластинчатые структуры - ламели. В процессе складывания ламелей концы молекул могут находиться в разных плоскостях; иногда эти концы молекул частично возвращаются в начальную плоскость - в этом случае они создают петли (рис. 3).
2.2. Свойства полимеров. Все свойства полимеров зависят от их химического состава и молекулярной массы. Прочность, твердость, температура перехода, диэлектрическая проницаемость, электрическая прочность, электросопротивление, тангенс угла диэлектрических потерь и другие свойства у различных полимеров изменяются в широком диапазоне (табл. 1). Полимеры в твердом состоянии могут быть аморфными и кристаллическими. При нагревании аморфного полимера наблюдают три физических состояния: стеклообразное, высокоэластичное и вязкотекучее. Эти состояния устанавливают на основании кривой термомеханического состояния (рис. 4, кривая 1). Аморфный полимер находится ниже температуры стеклования (Тс) в твердом агрегатном состоянии. При температуре выше Тс полимер находится в высокоэластичном состоянии; молекулярная подвижность при этом становится настолько большой, что структура в ближнем порядке успевает перестраиваться вслед за изменением температуры, а макромолекулы могут изгибаться под действием внешних сил. Общая деформация складывается в этом случае из упругой и запаздывающей высокоэластичной деформации. При упругой деформации изменяются средние межцентровые, межмолекулярные расстояния и валентные углы в полимерной цепи, при высокоэластичной деформации изменяется ориентация и перемещаются на значительные расстояния звенья гибких цепей. Кристаллизующийся полимер в зависимости от скорости охлаждения расплава полимера может проявлять два вида структур: аморфную и кристаллическую. При медленном охлаждении кристаллизующихся полимеров совместная укладка отрезков макромолекул образует структуру макромолекул. Это затрудняет переход их из одной конформации в другую, из-за чего отсутствует гибкость макромолекул и нет высокоэластичного состояния (рис. 4, кривая 2). При быстром охлаждении кристаллические структуры не успевают полностью сформировываться и поэтому имеется между ними в переохлажденном полимере “зомороженная” - аморфная структура. Эта аморфная структура при повторном нагреве до температуры выше температуры плавления (Тпл) создает вязкотекучее состояние. Кривая 2 на рис. 4 показывает для кристаллической структуры полимера два состояния: кристаллическое (до температуры плавления) и вязкотекучее (выше температуры плавления).
Вязкотекучее состояние, характерное для аморфного и кристаллического состояния полимера, в основном, обеспечивает при течении полимера необходимые деформации путем последовательного движения сегментов. Вязкость полимера увеличивается с увеличением молекулярной массы полимера, увеличивается также при этом и давление формования изделий.
На рис. 4 представлены термомеханические кривые термопластов, а термомеханическая кривая реактопластов - на рис. 5. Отличие прежде всего заключается в полном прекращении при температуре полимеризации деформации термореактивных полимеров, у термопластов при температуре выше температуры ТТ деформация увеличивается. В заключении отметим, что с увеличением температуры до некоторой величины у полимерного материала начинается процесс термодеструкции - разложения материала. Свойства полимеров, определяющие качество в процессе переработки: 1) реологические: а) вязкостные, определяющие процесс вязкого течения с развитием пластической деформации; б) высокоэластичные, определяющие процесс развития и накопления обратимой высокоэластичной деформации при формовании; в) релаксационные, определяющие релаксацию (уменьшение) касательных и нормальных напряжений, высокоэластичной деформации и ориентированных макромолекулярных цепей; 2) стойкость полимеров к термоокислительной, гидролитической и механической деструкции в процессе формования под действием температуры, кислорода, влаги, механических напряжений; 3) теплофизические, определяющие изменение объема, нагрев и охлаждение изделия в процессе формования и фиксирования формы и размеров; 4) влажность, определяющая текучесть материала при формовании и качество изделия (вызывает гидролитическую деструкцию при формовании); 5) объемные характеристики сыпучих материалов в твердом состоянии (насыпная масса, сыпучесть, гранулометрический состав). Вязкостные свойства расплава полимеров. Формование изделий из полимеров осуществляют в процессе их вязкого течения, сопровождающегося пластической деформацией. При этом тонкий слой материала, соприкасающийся с неподвижной стенкой инструмента, из-за прилипания к ней имеет нулевую скорость смещения (неподвижен), средний слой - наибольшую скорость смещения V; в режиме установившегося течения связь между напряжением сдвига t и скоростью сдвига g линейная (закон Ньютона для вязких жидкостей): t=h*g, где h - коэффициент вязкости или вязкость. Характер зависимости скорости сдвига от напряжения сдвига представляют кривой течения (рис.6), на которой выделяют участки: 1 - участок линейной зависимости, характерный только для низких напряжений сдвига; 2 - участок с нелинейной зависимостью, для которого характерно уменьшение вязкости при повышении напряжения сдвига; 3 - участок с высоким напряжением сдвига. Улучшению течения материала способствуют увеличение температуры, увеличение напряжения сдвига, повышение количества влаги, снижение давления и уменьшение молекулярной массы расплава. Многие свойства полимерных материалов в изделиях зависят от структуры, которую формирует процесс переработки. В зависимости от полимера и условий переработки в изделиях возникает аморфная или кристаллическая структура. Структура изделия с аморфным полимером характеризуется определенной степенью ориентации участков цепных макромолекул и расположением ориентированных областей по сечению изделия вдоль направления сдвига (течения) материала. Это приводит к анизотропии свойств. Структуру изделия с кристаллическим полимером характеризует определенная степень кристалличности (от 60 до 95%) и неравномерность кристаллических областей по сечению. Свойства таких изделий, полученных в разных условиях переработки, несмотря на морфологическую схожесть структуры, различны. Показатели качества изделий из полимерных материалов зависят от свойств, условий подготовки, переработки и физической модификации материала. Внешний вид изделий зависит от условий переработки, чистоты материала, влажности. Диэлектрические показатели и химическая стойкость зависят от химической структуры и модификации полимера. Механические свойства - прочность, ударная стойкость, деформация, жесткость, теплостойкость - зависят от надмолекулярной структуры, а коэффициент трения и износостойкость, стойкость к горению зависят от химической структуры и модификации. Эксплуатационные свойства - размерная точность и размерная стабильность - зависят, как от химической структуры, молекулярных характеристик, технологических свойств, так и от технологии переработки и технологичности конструкции. Термостабильность полимеров. Основным показателем в этом случае является деструкция. Деструкция полимеров - это изменение строения макромолекул. Деструкция может протекать под действием тепла, кислорода, химических агентов (в том числе воды), света, излучений высокой энергии, механических напряжений и т.п., как от отдельного, так и от совокупности параметров. Она сопровождается уменьшением молекулярной массы, выделением газообразных и низкомолекулярных продуктов, изменеием окраски и появлением запаха. Деструкция может сопровождаться не только разрушением макромолекул, но и сшиванием их (структурированием), что вызывает увеличение массы и вязкости расплава. Следствием этого является нарушение всех свойств материала, снижение стабильности свойств изделий. При переработке полимеров может происходить как термоокислительная, так и механическая деструкция, а у гигроскопических материалов еще и гидролиз.
2.3. Пластические массы
2.3.1. Классификация пластмасс Признаками классификации пластмасс являются: назначение, вид наполнителя, эксплуатационные свойства и другие признаки. Классификация пластмасс по эксплуатационному назначению: 1 - по применению, 2 - по совокупности параметров эксплуатационных свойств, 3 - по значению отдельных параметров эксплуатационных свойств. По применеию различают: 1 - пластмассы для работы при действии кратковременной или длительной механической нагрузки: стеклонаполненные композиции полипропилена ПП, этролы, пентапласт, полисульфон ПСФ, полиимид ПИ, материалы на основе кремнийорганических соединений и др.; 2 - пластмассы для работы при низких температурах (до минус 40-60 С): полиэтилены ПЭ, сополимеры этилена СЭП, СЭБ, СЭВ, полипропилен морозостойкий, фторопласт ФТ, полисульфон ПСФ, полиимиды ПИ и др.; 3 - пластмассы антифрикционного назначения: фторопласты ФТ, полиимиды ПИ, текстолиты, полиамиды, фенопласты, полиформальдегид ПФ и др; 4 - пластмассы электро- и радиотехнического назначения: полиэтилены ПЭ, полистиролы ПС, фторопласты ФТ, полисульфон ПСФ, полиимиды, отдельные марки эпоксидных и кремнийорганических материалов и др.; 5 - пластмассы для получения прозрачных изделий: полистирол ПС, прозрачные марки фторпласта ФТ, полиамидов 6,12, ПЭТФ, полисульфон ПСФ, эпоксидные смолы и др.; 6 - пластмассы тепло- и звукоизоляционного назначения: газонаполненные материалы на основе полиэтилена ПЭ, полистирола ПС, поливинилхлорида, полиуретана ПУР, полиимида ПИ, фенопласта, аминопласта и др.; 7 - пластмассы для работы в агрессивных средах: полиэтилены ПЭ, фторопласты ФТ, полипропилен ПП, поливинилхлорид ПВХ, полиимиды ПИ, полусольфон ПСФ и другие.
По совокупности параметров эксплуатационных свойств пластмассы делятся на две большие группы: 1 - общетехнического назначения, 2 - инженерно-технического назначения. Пластмассы общетехнического назначения имеют более низкие характеристики параметров эксплуатационных свойств, чем пластмассы инженерно-технического назначения. Пластмассы инженерно-технического назначения сохраняют высокие значения механических свойств не только при нормальной и повышенной температурах, но могут работать и при кратковременных нагрузках при повышенных температурах. Этого не обеспечивают пластмассы общетехнического назначения; они работают в ненагруженном или слабонагруженном состоянии при обычной и средних температурах (до 55 С). Пластмассы инженерно-технического назначения делят на группы, обеспечивающие определенные свойства в некотором интервале; различают пять групп пластмасс по этому классификационному признаку.
По значению отдельных параметров эксплуатационных свойств составляют ряды пластмасс для различных параметров эксплуатационных свойств. Порядок расположения пластмасс в рядах соответствует снижению параметра эксплуатационных свойств. Параметры классификации: электро- и радиотехнические свойства - объемное и поверхностноеэлектросопротивление, электрическая прочность, диэлектрическая проницаемость, механические свойства - коэффициент трения, износа, Пуассона, линейного теплового расширения и другие. В зависимости от применяемости наполнителя и степени его измельчения все материалы подразделяют на четыре группы: порошковые (пресспорошки), волокнистые, крошкообразные и слоистые. В таблице № 1 приведены параметры некоторых свойств пластмасс. Таблица 1. Значения параметров свойств некоторых типов пластмасс.
№
Свойства
Пресспоро-шок
Волокнистые пластики
Слоистые пластики
1
Плотность, кг/м3
1390-1850
1350-1950
1300-1880
2
Предел прочности, МПа
25-130
15-500
60-500
3
Твердость по Бринелю, НВ
180-500
200-450
-
4
Водопоглаще-ние, %
0.07-0.8
0.2-1.8
-
5
Теплостойкость
по Мартенсу, С
125-300
100-180
125-280
6
Диэлектрическая прониаемость при частоте 50 ГЦ
3.2-10
6-10
5-8
7
Тангенс угла диэлектрических потерь при частоте :
- 1 Мгц
- 50 Гц

0.004-0.01
0.12-0.1

-
0.04-0.12

-
0.002-0.5
8
Удельное сопротивлеие, ом rv
rs
100-200000
-
0.1 - 100
10 - 2000
0.01-1000
-
9
Электрическая прочность, Мв/м
11-29
1.7-16
2-50 2.3.2. Технологические свойства пластмасс влияют на выбор метода их переработки. К технологическим свойствам пластмасс относят: текучесть, влажность, время отверждения, дисперсность, усадку, таблетируемость, объемные характеристики. Текучесть характеризует способность материала к вязкому течению под полимера, выдавленной в течение 10 мин через стандартное сопло под давлением определенного груза при заданной температуре. Так для литья под давлением текучесть равна 1,2-3 г/10 мин, для нанесения покрытий используют полимеры с текучестью 7 г /10 мин. Текучесть реактопласта равна длине стержня в мм, отпрессованного в подогреваемой прессформе с каналом уменьшающегося поперечного сечения. Этот показатель текучести, хотя и является относительной величиной, позволяет предварительно установить метод переработки: при текучести по Рашигу 90-180 мм применяют литьевое прессование, при текучести 30-150 мм - прямое прессование. Усадка характеризует изменение размеров при формовании изделия и термообработке: У = (Lф-Lи) / Lф * 100 % ; Уд = (L-Lт) / Lф * 100 % ; где У - усадка после формования и охлаждения; Уд - дополнительная усадка после термообработки; Lф, Lи - размер формы и размер изделия после охлаждения; L, Lт - размер изделия до термообработки и после охлаждения. Усадка изделий из реактопластов зависит от способа формования изделия и вида реакции сшивания: полимеризации или поликонденсации. Причем последняя сопровождается выделением побочного продукта - воды, которая под действием высокой температуры испаряется. Процесс усадки протекает во времени; чем больше время выдержки, тем полнее протекает химическая реакция, а усадка изделия после извлечения из формы меньше. Однако после некоторого времени выдержки усадка при дальнейшем его увеличении остается постоянной. Влияние температуры на усадку: усадка увеличивается прямо пропорционально увеличению температуры. Усадка после обработки также зависит от влажности прессматериала и времени предварительного нагрева: с увеличением влажности усадка увеличивается, а с увеличением времени предварительного нагрева - уменьшается.
Усадка изделий из термопластов после формования связана с уменьшением плотности при понижении температуры до температуры эксплуатации. Усадка полимера в различных направлениях по отношению к направлению течения для термо- и рекатопластов различна, т.е. полимеры имеют анизотропию усадки. Усадка термопластов больше усадки реактопластов.
Содержание влаги и летучих веществ. Содержание влаги в прессматериалах и полимерах увеличивается при хранении в открытой таре из-за гигроскопичности материала или конденсации ее на поверхности. Содержание летучих веществ в полимерах зависит от содержания в них остаточного мономера и низкокипящих пластификаторов, которые при переработке могут переходить в газообразное состояние. Оптимальное содержание влаги: у реактопластов 2,5 - 3,5%, у термопластов - сотые и тысячные доли процента. Гранулометрический состав оценивают размерами частиц и однородностью. Этот показатель определяет производительность при подаче материала из бункера в зоны нагрева и равномерность нагрева материала при формовании, что предупреждает вздутия и неровности поверхности изделия. Объемные характеристики материала: насыпная плотность, удельный объем, коэффициент уплотнения. (Удельный объем - величина, определяемая отношением объема материала к его массе; насыпная плотность - величина обратная удельному объему). Этот показатель определяет величину загрузочной камеры прессформы, бункера и некоторые размеры оборудования, а при переработке пресспорошков с большим удельным объемом уменьшается производительность из-за плохой теплопроводности таких порошков. Таблетируемость - это возможность спрессовывания прессматериала под действием внешних сил и сохранения полученной формы после снятия этих сил. 2.3.3. Физико-химические основы переработки пластмасс В основе процессов переработки пластмасс находятся физические и физико-химические процессы структурообразования и формования: 1) нагревание, плавление, стеклование и охлаждение; 2) изменение объема и размеров при воздействии температуры и давления; 3) деформирование, сопровождающееся развитием пластической (необратимой) и высокоэластичной деформации и ориентацией макромолекулярных цепей; 4) релаксационные процессы; 5) формирование надмолекулярной структуры, кристаллизация полимеров (кристаллизующихся); 6) деструкция полимеров. Эти процессы могут проходить одновременно и взаимосвязанно. Преобладающим будет только один процесс на определенной стадии. В процессе формования изделий полимер нагревают до высокой температуры, деформируют путем сдвига, растяжения или сжатия и затем охлаждают. В зависимости от параметров указанных процессов можно в значительной мере изменить структуру, конформацию макромолекул, а также физико-механические, оптические и другие характеристики полимеров. При охлаждении большого количества полимеров протекает процесс кристаллизации. Кристаллизация в зависимости от состояния расплава приводит к различным видам структуры. Кристаллизация из расплава полимера в равновесном состоянии без деформации приводит к образованию сферолитных структур. Центром образования таких структур является зародыш , от которого образуются лучеобразные фибриллы, состоящие из множества упакованных ламелей. Фибриллы , разрастаясь в радиальном направлении и в ширину, образуют сферообразные структуры - сферолиты. Сферолиты образуются одновременно в большом числе центров кристаллизации. На основе этого сферолиты в местах контакта образуют грани и представляют собой многогранники произвольной формы и размеров. Электронно-микроскопичес-кие исследования показывают, что фибрилла сферолитов составлена из множества ламелей, уложенных друг на друга (рис.7) и скрученных вокруг радиуса сферолита. Кристаллизация из расплава полимера протекает при введении в полимерный материал кристаллизаторов - зародышей. Если кристаллизация протекает под высоким давлением (300 .500 Мпа) и при высокой температуре, то образуется кристаллическая структура из выпрямленных цепей; при быстром охлаждении того же расплава кристаллизация проходит с образованием сложных цепей, макромолекулы в этом случае в расплаве в виде доменов, а быстрое охлаждение не позволяет им перейти в новую конформацию, т.е. приобрести вытянутую форму. Установлено также, что с увеличением давления температура кристаллизации повышается. Практическое значение этого свойства: возможность перехода полимера непосредственно из расплава без охлаждения в квазикристаллическое состояние при повышении давления; при этом исключается течение и затормаживаются релаксационные процессы. При повышении давления образуются более мелкие сферолиты и поэтому увеличивается механическая прочность изделий. Размеры кристаллов также зависят от скорости охлаждения и температуры в процессе формования изделия. При высокой скорости охлаждения получают мелкокристаллическую структуру, так как времени на перегруппировку кристаллов недостаточно. Более крупную структуру полимера можно получить при увеличении температуры, времени выдержки и медленном охлаждении или путем предварительного нагрева расплава до более высокой температуры перед кристаллизацией. Форма кристаллов может быть изменена. Так, используя центры кристаллизации и искусственные зародыши (1 .2% от массы), можно регулировать форму кристаллов. При использовании подложки-кристаллизатора у ее поверхности возникает большое количество центров кристаллизации и образуется плотно упакованный слой из перпендикулярно расположенных к поверхности кристаллов. Искусственные зародыши являются дополнительными центрами кристаллизации, форма кристалла при этом зависит от формы зародыша кристаллизации, на мелких кристаллах растут сферолитные структуры, на длинных игольчатых кристаллах - лентообразные структуры. Структурообразователями (зародышами) в этом случае являются окислы алюминия и ванадия, кварц, двуокись титана и др. Структурообразователи обычно способствуют измельчению сферолитной структуры полимера. Нестационарные условия теплопередачи и скорости охлаждения при формовании изделий из полимеров способствуют получению изделий с неоднородной структурой (более мелкие кристаллы у поверхностных слоев). В случае необходимости однородные свойства изделия можно обеспечить с помощью отжига или последующей термообработки при температуре ниже температуры плавления. При отжиге уменьшается объем изделия и повышается плотность; причем чем выше температура и больше время выдержки, тем выше плотность изделия. Термообработка целесообразна в тех случаях, когда необходимы повышенные твердость, модуль упругости, механическая прочность, теплостойкость и стойкость к циклическим нагрузкам; при этом уменьшаются относительное удлинение и ударная вязкость. Полнота протекания указанных процессов, кроме деструкции в значительной мере определяет качество готового изделия, а скорость протекания этих процессов определяет производительность способа переработки. На качество изделия в значительной степени влияет скорость протекания деструкции полимера, повышаемая термическим и механическим воздействием на материал со стороны рабочих органов инструментов при формировании.
Форму изделия из термопласта получают в результате развития в полимере пластической или высокоэластичной деформации под действием давления при нагреве полимера. При переработке реактопластов формирование изделия обеспечивают путем сочетания физических процессов формирования с химическими реакциями отверждения полимеров. При этом свойства изделий определяют скорость и полнота отверждения. Неполное использование при отверждении реакционных способностей полимера обусловливает нестабильность свойств изделия из реактопластов во времени и протекание деструкционных процессов в готовых изделиях. Низкая вязкость реактопластов при формировании приводит к снижению неравномерности свойств, увеличению скорости релаксации напряжений и меньшему влиянию деструкции при переработке на качество готовых изделий из реактопластов.
В зависимости от способа переработки отверждение совмещается с формованием изделия (при прессовании), происходит после оформления изделия в полости формы (литьевое прессование и литье под давлением реактопластов) или при термической обработке сформованной заготовки (при формовании крупногабаритных изделий, например, листов гетинакса, стеклотекстолита и др.). Полное отверждение реактопластов требует в некоторых случаях нескольких часов. Для увеличения съема продукции с оборудования окончательное отверждение может производиться вне формующей оснастки, так как устойчивость формы приобретается задолго до завершения этого процесса. По этой же причине изделие извлекают из формы без охлаждения. При переработке полимеров (особенно термопластов) происходит ориентация макромолекул в направлении течения материала. Наряду с различием в ориентации на разных участках неоднородных по сечению и длине изделий возникает структурная неоднородность и развиваются внутренние напряжения. Наличие температурных перепадов по сечению и длине детали ведет к еще большей структурной неоднородности и появлению дополнительных напряжений, связанных с различием скоростей охлаждения, кристаллизации, релаксации, и различной степенью отверждения. Неоднородность свойств материала (по указанным причинам) не всегда допустима и часто приводит к браку (по нестабильности физических свойств, размеров, короблению, растрескиванию). Снижение неоднородности молекулярной структуры и внутренних напряжений удается достигнуть термической обработкой готового изделия. Однако более эффективно использование методов направленного регулирования структур в процессах переработки. Для этих целей в полимер вводят добавки, оказывающие влияние на процессы образования надмолекулярных структур и способствующие получению материалов с желаемой структурой.
2.3.4. Марочный ассортимент полимеров Марочный ассортимент полимеров создан с целью быстрого выбора вида и марки полимера для изготовления высококачественных изделий. Марочный ассортимент включает марки, различающиеся по вязкости и эксплуатационным свойствам. Марочный ассортимент по вязкости разделяют на марки, предназначенные для переработки различными методами (литьем под давлением, прессованием и др.), с повышением номера марки увеличивается молекулярная масса и, как следствие, увеличивается вязкость. Это марки базового ассортимента. Марки по вязкости модифицируют для улучшения технологических свойств: а) для увеличения производительности создают быстрокристаллизирующиеся марки; б) для изделий сложной конфигурации - марки со смазками; в) термостабилизированные марки. На основе базового ассортимента марок по технологическим свойствам создают путем химической или физической модификации марки с улучшенными свойствами. Эти марки разрабатывают с такими свойствами, чтобы при рекомендуемых режимах получать качественные изделия по всем параметрам ( точности, прочности, внешнему виду и др.). В настоящее время полимерные материалы выпускают в ассортименте и поэтому для каждого изделия и способа формования можно подобрать соответствующую базовую марку полимера и, если необходимо, марку с улучшенными технологическими свойствами. Базовые марки с целью изготовления качественных изделий разделяют на группы: 1) в зависимости от вязкости полимера и толщины S стенки изделия; 2) в зависимости от относительной длины изделия L/S (S-длина). Все множество марок пластмасс содержит около 10000 наименований.
3. Выбор пластмасс 3.1. Признаки выбора. Основными признаками выбора пластмасс являются эксплуатационные и технологические свойства. Для ускорения процесса выбора материала используют специальные таблицы, в каждой из которых приведены марки материалов в порядке снижения среднего значения представляемого эксплуатационного свойства. Так созданы таблицы групп материалов по коэффициенту трения и износа, электрической прочности и электросопротивлению, диэлектрической проницаемости, коэффициенту светопропускания и преломления и другим признакам.
3.2. Порядок и алгоритм выбора пластмасс Пластмассы выбирают исходя из требований к эксплуатационным свойствам и геометрическим параметрам изделия. Поэтому сначала выбирают вид пластмассы на основе требований к ее эксплуатационным свойствам, а затем базовую марку и марку с улучшенными технологическими свойствами, которую можно эффективно переработать выбранным способом. Существует два метода выбора вида пластмасс: 1 - метод аналогий - качественный; 2 - количественный метод. Метод аналогий применяют при невозможности точного задания параметров эксплуатационных свойств пластмассы; в этом случае используют для выбора характерные параметры эксплуатационных свойств, назначение, достоинства, ограничения, рекомендации по применению и способам переработки; в этом случае для выбора также могут быть использованы рекомендации по применению пластмасс в других типах изделий, работающих в аналогичных условиях. Порядок выбора пластмасс количественным методом по комплексу заданных значений эксплуатационных свойств сводится к следующему: - выявление условий эксплуатации изделия и соответствующих им значений параметров эксплуатационных свойств пластмасс при основных условиях работы изделияя; - подбор пластмассы с требуемыми параметрами эксплуатационных свойств; - проверка выбранной пластмассы по другим параметрам, не вошедшим в основные. Наиболее удобной является эвристическая стратегия поиска и выбора пластмасс. В этом случае, отбрасывая заведомо бессмысленные варианты, используют не все множество вариантов, а лишь его наиболее нужную часть. Все множество пластмасс для этого разбивают на подмножества по определенным эксплуатационным свойствам. В таблице 2 приведены некоторые подмножества полимерных материалов. 2. Характеристики подмножества полимерных материалов
Подмножество полимерных материалов
Число элементов
Ki
Энтропия ряда
(Log2 Ki бит)
Число поисковых параметров ряда, h
Сокращение поля поиска, Кобщ/Ki раз
Цена параметра, или снижение энтропии (Log2 Kобщ/ Ki, бит)
Все множество(Kобщ)
2710
11.4
11-12
-
-
Конструкционные
949
9.89
10
2.86
1.51
Электро- и радио- технические
864
9.76
10
3.14
1.65
Листовые
501
8.97
9
5.41
2.44
Тропикостойкие
188
7.56
8
14.41
3.85
Прозрачные
156
7.23
7-8
18.07
4.18
Медицинские
123
6.94
7
22.03
4.46
Радиационностойкие
56
5.81
6
48.39
5.60
Герметики
53
5.81
6
48.39
5.60
Компаунды
52
5.73
6
51.13
5.68
Фрикционные
13
3.70
4
208.46
7.70 Поиск в конструкционном ряду сокращает поисковое поле почти в 3 раза, в ряду прозрачных материалов - в 18 раз, фрикционных материалов - в 208 раз (табл.2). Выбор пластмасс по эксплуатационным параметрам это задача противоречивая: 1 - необходимость учесть наибольшее число параметров с целью повышения точности выбора;
2 - необходимость уменьшить их число с целью сокращения затрат труда и времени на оценку. Выбор оптимального или минимального числа параметров из всего возможного их числа (30-40 парамеитров) при выборе и оценке выбранного материала основан на учете всех наиболее ценных эксплуатационных параметров материала путем использования для этой цели нужного (по эксплуатационным параметрам) подмножества пластмасс (электро- и радиотехнические, прозрачные, тропикостойкие - табл.2 и др.), остальные материалы отбрасывают. Минимальное количество учитываемых параметров определяют по выражению: n ³ INT(Log2 K) +1; где K - число элементов в данном подмножестве. Обычно число поисковых параметров, необходимое для выбора пластмассы с помощью рядов пластмасс не превышает 10. Это наиболее ценные параметры с наибольшей информационной емкостью. За критерий ценности поисковой информации принимают выигрыш, показывающий степень сужения поискового поля; это выражает формула: Log2 Kобщ/Ki = Log2 Kобщ - Log2 Ki ; где Kобщ - число элементов всего множества, Кi - число элементов в подмножестве. Иначе эту величину называют цена параметра (в битах). Определение перечня параметров является наиболее важным этапом при выборе пластмасс. Для этого удобно представить процесс в виде граф-дерева (рис.8) с его свойствами, расположенными на различных уровнях. Пусть на нулевом уровне находится интегральное свойство , характеризующее объект в целом. Далее дерево постепенно разветвляется, образуя первый, второй, третий и т.д. уровни. Число таких уровней не ограничено. Однако строя такое разветвление желательно доходить до такого уровня рассмотрения, на котором находятся простые, не разлагаемые на другие, наименее общие свойства. Такое построение логической структуры свойств пластмассы ускоряет выбор перечня свойств. В перечне параметров для каждого параметра необходимо указать его абсолютное значение или интервал возможного его изменения. Эти данные являются оценочными для выбора пластмассы из ряда.При этом часто используют наиболее часто метод расстановки приоритета. Сравнивая между собой параметры эксперт определяет отношение между ними (больше, меньше, равно) с присвоением коэффициентов, составляет матрицу и определяет параметры. После выполнения таких действий находят пластмассу, совпадающую по свойствам с установленными теоретическим путем параметрами. Поиск выполняют по соответствующей таблице с главным определяющим признаком (прозрачности, диэлектрической постоянной, электрической прочности и др.). С учетом этих соображений порядок выбора пластмассы следующий: I. Составление поискового образа пластмассы: - составление графа дерева свойств изделия, - составление параметрического ряда и определение значения параметров, - определение веса параметров с использованием метода расстановки приоритетов, - установление порога совпадения поисковых параметров; II. Порядок выбора: - выбор материала по поисковым параметрам, начиная с наиболее ценного, методом последовательного приближения, - при наличии нескольких равноценных марок материала сопоставление и выбор лучшей с помощью обобщенного показателя или по результатам опробования. Выбор базовой марки полимера. Базовую марку полимера выбирают по вязкости (текучести) в зависимости от предполагаемого способа переработки (рис.9). Далее подбирают базовую марку по вязкости (текучести) в зависимости от конфигурации и размеров детали. В справочниках (на пластмассы) обычно приведены конкретные рекомендации по применению различных марок пластмасс. Выбор литьевых марок пластмасс для литья под давлением наиболее сложен, поэтому приведем его. Выбор базовых марок для литья под давлением. Основными параметрами при этом являются толщина детали S и отношение длины детали к тощине L/S. Типоразмер каждой литьевой машины характеризует: V - объем впрыскиваемого материала, Р - давление литья, Q - скорость впрыска и другие параметры и интервал толщины S получаемых изделий (рис.10). Малые толщины получают на машинах с небольшим V, большие - на машинах с большим V. Для каждого типоразмера машин выделяют характерный ассортимент деталей по отношению длины к толщине L /S (таб. 3). Таблица 3.
Группы изделий по отношению длины изделия к толщине (L/S) и рекомендуемые марки полимера.
Объем вспрыска V, см в куб.
Номер группы марки (изделия) по S (см. рис. 10)
1
2
3
4
Номер группы изделия по L/S
1
2
3
1
2
3
1
2
3
1
2
3
16
140-93
92-62

125-83
82-55

115-77
76-51

90-60
59-40

32
165-110
110-73

150-100
100-67

125-83
83-55

100-67
67-45

63
180-120
120-80

120-113
113-75

135-90
90-60

115-77
77-51

125
205-137
137-91

190-127
127-85

160-107
107-71

130-87
87-58

250
240-160
160-107

210-140
140-93

175-117
117-78

145-97
97-65

500
280-187
187-125

250-167
167-111

210-140
140-93

180-120
120-80

1000
315-210
209-140

275-183
182-122

230-153
152-102

190-127
126-85

Рекомендуемая марка
-
2
3
2
3
4
3
4
5
4
5
5 Таким образом, каждую марку подразделяют на четыре группы для получения изделий с различной S, а каждую группу по тощине разделяют на три группы по относительной длине L/S. В таблице · 3 показано соответствие базовых марок полимера группам изделий по S и L/S. Порядок выбора литьевой марки полимера в зависимости от размеров изделия и типоразмера литьевой машины:
1. Определяют по чертежу толщину S. При разнотолщинном изделии определяют эквивалентную равномерную толщину изделия по формуле: Sэ = где Si и Li - толщина и длина отдельных участков изделия. В зависимости от V изделия определяют типоразмер машины по V и номер группы изделия (марки) по S (Sэ). 2. Определяют отношение L/S (L/Sэ), определяют номер группы изделия и пластмассы по относительной длине ( по табл.3). 3. По номерам групп толщины и относительной длины изделия определяют литьевую марку полимера и его ПТР (h). Значения ПТР (h) приведены в таблицах справочника. Выбор марки с улучшенными технологическими свойствами Марки с улучшенными технологическими свойствами выбирают на основе базовых с использованием справочной информации о выпускаемых типах марок с улучшенными технологическими свойствами, их назначения, экономическом эффекте, рекомендациях по применению для различных изделий. Алгоритм выбора пластмасс представлен на рис.9, а на рис. 10 - уточнение блоков 23-25 алгоритма для выбора ПМ количественным способом для литья под давлением при объеме впрыска V£16 см в куб. и тощине 0,9 4. Способы изготовления деталей из пластмасс. 4.1. Классификация способов переработки. Основные способы переработки пластмасс в приборостроении представлены на рис.11. Основными операциями технологического процесса являются: подготовка материала, дозирование исходного материала, при некоторых условиях таблетирование и предварительный подогрев, затем формование и, наконец, отделочные операции механической обработки.
4.2. Горячее формование изделий При переработке пластмасс важнейшими задачами являются обеспечение высокого качества изделий при наибольшей производительности. Наиболее надежным показателем качества изделия являются (структурные) надмолекулярные показатели. Для аморфных полимеров в качестве структурного показателя принимают ориентацию. У кристаллизующихся полимеров возможно многообразие надмолекулярных образований на различных стадиях агрегатирования. Поэтому с целью формирования желаемой надмолекулярной структуры применяют различные методы создания заданных свойств путем кристаллизации ориентации и направленной. Надкристаллическая структура полимеризующихся материалов разнообразна. Даже изделия с одинаковой степенью кристалличности, но полученные в различных условиях, различаются по свойствам. Материал при формовании под воздействием охлаждения расплава и действием напряжения сдвига в каналах течет слоями, что способствует созданию слоевой структуры - разновидности надмолекулярной структуры. Такие структуры характерны для литьевых процессов. Толщина слоев и их структура зависят от способа и режима формования, свойств материала. Стабильность свойств изделий из полимеров обеспечивается правильным выбором и точностью выполнения режимов формования переработки. 4.2.1. Подготовка полимеров к переработке Технологические свойства, процессы переработки и качество готовой продукции существенно зависят отвлажности и температуры полимера. Придание материалу требуемой влвжности сушкой или увлвжнением осуществляют на стадии подготовки к формованию. Влажность полимеров. Молекулы воды полярны и поэтому легко образуют водородные связи с полярными группами полимеров, следствием чего и является возможность поглощать (сорбировать) влагу из атмосферного воздуха. Свойство полимеров поглощать влагу увеличивается с увеличением полярности, уменьшением плотности и степени кристалличности, увеличением дисперсности полимера; некоторые полимеры поглощают до 10 % воды (% по отношению к массе материала). Неполярные полимеры имеют низкую гигроскопичность. Влияние влажности на свойства и переработку. Увеличение влажности полимера способствует уменьшению текучести и высокоэластичности расплава. Вызывая гидролитическую диструкцию при температурах переработки, влажность влияет на стабильность свойств готовых изделий. Избыток влаги ослабляет внутри- и межмолекулярное взаимодействие; в результате увеличения количества влаги выше необходимого уменьшаются предел текучести, предел прочности, относительное удлинение при разрыве, диэлектрическая прочность и проницаемость, ухудшается прозрачность, затрудняется переработка, на поверхности деталей появляются серебристые полосы, разводы, волнистость, вздутие, пористость, пузыри, раковины, трещины, отслоение поверхности, коробление и размерный брак возникают при литье под давлением и прессовании. Повышение влажности ухудшает сыпучесть материала. При низком содержании влаги происходит структурирование (разновидность деструкции), сопровождающееся ухудшением текучести полимера. При эксплуатации изделий из полимеров может измениться их влагосодержание. Это приведет к изменению размеров, физико- механических и диэлектрических свойств, твердости и износостойкости деталей из полимеров. Из сказанного вытекает необходимость строгого нормирования содержания влаги в полимерах перед переработкой. Сушка полимеров - удаление влаги испарением. Полимеры, склонные к термоокислительной деструкции, сушат только в вакуумных устройствах, что способствует уменьшению термоокислительной диструкции, позволяет повысить температуру и сократить время сушки. Для сушки полимеров перед переработкой используют вакуум-сушилки, барабанные, турбинные, ленточные и другие типы сушилок. Для подсушки и подогрева гранулированных и порошкообразных термопластов на литьевых машинах применяют специальные бункеры, оснащенные нагревательной системой. Иногда влагу и летучие вещества удаляют непосредственно из расплава. В этом случае при пластикации в одном из участков шнека снимают давление и здесь происходит расширение сжатых и нагретых газов. Затем их удаляют вакуум-отсосом. Подготовка полимеров к переработке. Основной задачей в этом случае является обеспечение требуемой влажности путем сушки или увлажнения, таблетирования, предварительного подогрева. Обычно влажность полимера после сушки должна быть ниже рекомендуемой перед загрузкой в нагревательный цилиндр перерабатывающего оборудования или прессформу. Сушку полимера следует заканчивать непосредственно перед переработкойэ А в случае хранения высушенного материала необходимо хранить такой материал в герметичной таре, а время хранения должно быть минимальное. Полимеры с низкой гигроскопичностью обычно не сушат. Если такие материалы содержат летучие вещества, то их короткое время подсушивают и подогревают для увеличения производительности при формовании изделий.
Если влажность понижена, то ее повышают путем выдерживания тонкого слоя материала на воздухе; иногда с целью ускорения увлажнения материал опрыскивают водой, спиртом, ацетоном или другими жидкостями. Таблетирование пластмасс. Таблетирование - это формование под действием сжимающего усилия порошкообразных пластмасс для получения таблеток определенной конфигурации, размеров и плотности. Таблетирование позволяет более точно дозировать материал, в значительной мере удалять из него воздух (что повышает теплопроводность), уменьшить размеры загрузочной камеры прессформы, снизить потери материала.
Для таблетирования используют таблеточные машины: ротационные (60-600 циклов мин), эксцентриковые (15-40 цик мин), гидравлические (4-35 цикл мин). Предварительный нагрев. Предварительному подогреву подвергают только реактопласты (порошки и волокниты). Предварительный нагрев производится в генераторах токов высокой частоты (ТВЧ) или в контактных нагревателях перед загрузкой его в прессформу с целью интенсификации процесса прессования. Нагрев ТВЧ уменьшает время выдержки в прессформе, понижаетдавление прессования, значительно увеличивает срок службы прессформ. Это способствует улучшению качества изделий, увеличению производительности труда и снижению себестоимости изделий. Материал нагревается быстро, равномерно и одновременно по всему объему. Сущность нагрева пластмасс ТВЧ. Полупроводники и диэлектрики, к которым относят пластмассы, нагреваются в электрическом поле высокой частоты вследствие поляризации элементарных зарядов. Небольшое количество имеющихся в диэлектрике свободных зарядов дополнительно приводит к возникновению тока проводимости. При этом электрическое поле смещается с той же частотой, но с некоторым запаздыванием из-за преодоления сил внутримолекулярного трения, препятствующих смещению зарядов, на что затрачивается определенная энергия, выделяемая в нагреваемом пластике. Нагреву ТВЧ подвергаются пластмассы, у которых тангенс угла диэлектрических потерь не менее сотых долей единицы. Количество выделившегося тепла пропорционально частоте электрического поля. Для нагрева пластмасс используют высокие частоты ( >10 Мгц). Напряжение на пластинах конденсатора не превышает 8000 В. 4.2.2. Особенности формования аморфных полимеров Аморфные полимеры при изготовлении из них расплава изделий переходят в твердое состояние без изменения фазового (аморфного) состояния. Параметром изменения надмолекулярной структуры полимеров является степень ориентации. Ориентация макромолекул связана со сдвигом материала под действием напряжений в процессе формования. В процессе течения высокоэластичная деформация достигает определенной величины, определяемой свойствами материала, режимами и условиями течения. Поэтому после заполнения формы она (высокоэластичная деформация) релаксирует (уменьшается). Но из-за охлаждения материала в прессформе (температура прессформы ниже температуры стеклования) уменьшается скорость релаксации. Уменьшение скорости и ограничение продолжительности релаксационного процесса приводит к остаточной (неполной) релаксации (сохраняющейся в деталях). Часть ориентированных полимерных цепей при этом остаются “замороженными” в неравновесных конформациях. Ориентация распределена в продольном и поперечном сечении детали неравномерно. В результате возможности релаксации в начальные моменты впуска материала в прессформу ориентация уменьшена (отсутствие давления и неполный контакт с прессформой). Далее при двухмерном течении (к стенкам прессформы и вглубь ее) по радиусу и длине ориентация неравномерна, а ее характер распределения определяет режим течения. Эксплуатационные свойства изделий из аморфных полимеров существенно зависят от степени ориентации в процессе формования: упорядоченная при ориентации структура полимера приводит к увеличению прочности в направлении течения и уменьшению прочности в направлении перпендикулярном течению материала, образованию внутренних напряжений. Это может приводить к растрескиванию изделий, образованию микротрещин (ухудшению оптических свойств, помутнению, появлению серебрения) особенно в местах спая встречных потоков материала, короблению, снижению размерной стабильности. 4.2.3. Особенности формования кристаллизующихся полимеров При формовании изделия, расплав полимера кристаллизуется в результате теплопередачи его тепла более холодным стенкам прессформы. Скорость охлаждения в разных слоях различна: в слоях, касающихся прессформы - наибольшая, в средних слоях - наименьшая. Скорость охлаждения и напряжение сдвига существенно влияют на структурообразование. Выделяют две предельных скорости охлаждения V¢пр и V²пр (рис.12) и два предельных напряжения сдвига t¢пр и t²пр (рис.13), которые условно разграничивают зависимость размеров и структурных образований на три участка. При охлаждении с высокими скоростями, больше V²пр, кристаллизация материала сопровождается только образованием зачатков кристаллитов и ламелярных образований; при охлаждении с низкими скоростями, ниже V¢пр, в полимере формируются развитые сферолиты; при охлаждении спромежуточной скоростью, в пределах V¢пр - V²пр, формируются промежуточные структурные образования, пропорционально скорости охлаждения. Охлаждение расплава полимера при низких напряжениях сдвига, меньше t¢пр, практически не создает деформированных сферолитов, они симметричны; при деформировании с высокими напряжениями сдвига, выше t²пр (рис.13), формируются сноповидные или стержневые образования (вытянутые в направлении течения); при промежуточных напряжениях сдвига в процессе формования (t¢пр - t²пр) получают ориентированные сферолиты, степень ориентации зависит от напряжения сдвига. Формирование слоевой структуры проявляется из-за интенсивного охлаждения и больших сдвиговых напряжений особенно при литье под давлением. Поэтому структура деталей сложная. В поперечном сечении детали выделяют три структурные области, формируемые в три основных периода процесса литья под давлением (рис.14). Первая структурная область - поверхностная оболочка (б), образуется в период заполнения прессформы; вторая область - средний слой ( b ), формируется в период нарастания давления и выдержки под давлением; третья область - центральный слой (j ), образуется в период спада давления. Поверхностная оболочка может состоять из трех слоев (рис.14): первый слой - наружный - состоит из кристаллитов или ломелярных образований, она образуется при быстром охлаждении расплава и ориентации расплава при значительных напряжениях сдвига: слои материала в потоке поворачиваются и растягиваются - ориентируются; а при соприкосновении со стенками прессформы достигнутая ориентация фиксируется; средний слой (рис.14) - зона неразвитых сферолитов, которые либо слабо деформированы - ориентированы, либо недеформированы, так как эти слои охлаждаются со средними скоростями ( интервал V¢пр - V²пр), причем сферолитные образования , проходящие с низкими напряжениями сдвига получают недеформированными, а при напряжениях сдвига t²пр > t > t¢пр получают несимметричные - ориентированные сферолиты;центральный слой возникает при заполнении прессформыс высокими напряжениями сдвига, более t²пр, здесь получают сноповидные сферолиты - ориентированное состояние.
Средняя зона может состоять из двух слоев с различными размерами сферолитов (рис.14): в наружном слое этой зоны, охлаждающемся со скоростью больше V¢пр возникают неразвитые сферолиты, внутренние слои охлаждаются с меньшими скоростями, меньшими V¢пр, и поэтому в ней возникают развитые сферолитные образования ( в это время, в период подпитки, низкие скорости течения и низкие напряжения сдвига). В случае литья материала в подогретую форму образуется одна зона, а скорость охлаждения в различных слоях зоны ниже предельной V¢пр.
Центральная зона может состоять также из двух зон (рис.14). Эта зона образуется при охлаждении с низкими скоростями охлаждения и почти без сдвиговых напряжений, поэтому она состоит из развитых неориентированных сферолитов. Образование двух слоев определяют условия формования: наружный слой - без микропор, внутренний с микропорами; при охлаждении под давлением микропоры не возникают, при частичном охлаждении под давлением в незатвердевшем до снятия давления материале в результате усадки возникают микропоры. Механические свойства изделий из кристаллизующихся полимеров связаны со слоевой структурой. Зоны центральная и средняя по механическим свойствам мало отличаются. Поверхностная зона оказывает решающее значение на свойства изделия и ее учитывают в расчетах на работоспособность в зависимости от структуры. Влияние технологических параметров на слоевую структуру изделий Эти параметры влияют на структуру, размеры слоев и зон изделий из кристаллизирующихся полимеров и их свойства. Требуемую структуру с заданными размерами зон и слоев в зависимости от условий эксплуатации изделия можно получить путем выбора технологических параметров. Толщина поверхностной зоны зависит от температуры материала То и прессформы Тф и времени ее заполнения. Увеличение То и Тф уменьшает толщину этой зоны, а увеличение времени заполнения увеличивает ее. Толщина средней зоны также будет меньше при повышении То и Тф и времени впуска; повышение давления Р и времени выдержки увеличивают толщину средней зоны. Толщина центральной зоны увеличивается с увеличением То и Тф и практически не зависит от заполнения, давление оказывает незначительное влияние на нее. 4.2.4. Температурно-временная область переработки полимеров Эту область необходимо выбирать с таким расчетом, чтобы процесс переработки был стабильным и изделия получали со стабильными показателями качества. Эти показатели получают при назначении температуры и времени переработки в таких пределах, когда возможно полное исключение колебания вязкости полимера из-за термоокислительной и гидролитической деструкции. Температурно-временную область переработки полимера определяют по зависимости термостабильности от температуры (или начала деструкции материала при выдержке); в этом случае строят температурно-временную область переработки полимера без протекания деструкции ( термоокислительной или гидролитической); на рис.15 рихована область переработки. В технологической практике возможно отклонение температуры на 10-15 К, поэтому фактически задают температуру переработки ниже на 10-15 К. Время действия температуры в литьевом оборудовании определяют по уравнению: tт=tц*m/mo, где m и mo - масса материала в нагревательном цилиндре и масса материала одной детали, tц - время цикла (специально рассчитывают). Здесь возникает возможность характеризовать перерабатываемость полимера интервалом температур (между максимальной и минимальной, рис.15). С учетом всех технологических условий для надежной переработки период термостабильности полимера в этом температурном интервале должен быть не менее 15 мин. При этом условии наибольшую температуру задают при периоде термостабильности 15 мин. Полимер хорошо перерабатывается при интервале температур Тмах - Тмин = DТ > 50 К, удовлетворительно, если DТ = 30-50 К и трудно при DТ Для обеспечения качества изделий при переработке нетермостабильных полимеров (DТ 4.2.5. Характеристика способов горячего формования Литье под давлением применяют для изготовления деталей из термо- и реактопластов. При литье под давлением (рис.16) материал в гранулированном или порошкообразном виде поступает в пластикационный цилиндр литьевой машины, где прогревается и перемешивается вращающимся шнеком (в шнековых машинах). В поршневых машинах пластикация осуществляется только в результате прогрева. При переработке термопластов цилиндр нагревают до 200-350 С, при переработке реактопластов до 80-120 С. Пластифицированный материал при поступательном движении шнека или плунжера нагнетается в литьевую форму, где термопласты охлаждаются до 20-120 С (в зависимости от марки), а реактопласты нагреваются до 160-200 С. В прессформе материал выдерживают под давлением для уплотнения, что значительно снижает усадку при охлаждении вне формы. Объем изделий ограничивается объемом материала, который может быть вытеснен червяком или поршнем при наибольшем ходе. В разновидности метода, называемом ИНТРУЗИЕЙ, возможно на той же машине изготовить изделия значительно большего (в 2-3 раза) объема. При обычном режиме литья под давлением материал пластицируется вращающимся червяком, а нагнетается в форму невращающимя червяком при поступательном его движении. При интрузии пластикационный цилиндр снабжается соплом с широким каналом, позволяющим материалу перетекать в форму при вращении червяка до начала его поступательного двидения. Общая длительность цикла не увеличивается благодаря частичному совмещению отдельных переходов. Метод отличается высокой производительностью. Литье под давлением термопластов и реактопластов имеет некоторую специфику. При литье под давлением термопластов молекулы материала ориентируются в направлении течения, что сопровождается упрочнением материала в направлении течения. Поток расплава термопласта в форме расширяется и перпендикулярно направлению течения в нем возникают ориентационные напряжения - этоя является еще одной причиной возникновения остаточных напряжений - различие в скоростях и степени охлаждения материала в поверхностных и внутренних слоях. Ориентационные напряжения в готовом изделии уменьшить не удается, уменьшение их достигается путем подбора рабочих элементов конструкции прессформы. При литье деталей из линейных полимеров следует учмтывать ориентацию молекул и место спаев потоков материала в зависимости от варианта расположения литника (рис.17), где свойства детали отличаются. При действии сжимающих эксплуатационных нагрузок следует использовать вариант по рис.17, а, при действии изгибающих нагрузок,перпендикулярных длине - по рис. 17, г. На рис.18 представлены схемы движения расплава и места спаев полимера при различных литниковых системах. В местах спая обычно получают ухудшенные механические и многие другие свойства.
Термические напряжения можно снизить либо уменьшением перепада температур между материалом и прессформой, либо при последующем нагреве готовых изделий. В ходе процесса под действием высоких температур и механических напряжений может происходить деструкция материала. Усадка в прессформе частично компенсируется ее подпиткой расплавом, находящимся под давлением при охлаждении формы, поэтому основная усадка происходит после извлечения из формы изделия. Ориентация макромолекул при литье обусловливает и анизотропию усадки вдоль и поперек направления течения расплава.
Режимы переработки некоторых термопластов представлены в таблице 3. Таблица 3 Режимы литья под давлением термопластичных пластмасс
Материал
Предварительная обработка
Температура, С
Давле-ние,
МПа
Выдержка под давлением в прессформе, С
Термооб-работка
в камере сжатия
пресс-формы
Полисти-рол блочный эмульсионный
Таблетирование и сушка при 160-180 С в течение 30-60 мин.

190-215

25-40

80-150

30-60
Медлен-ный нагрев до 65-80 С и выдержка 1-3 ч
Полиамид 68(П54, П548)
Сушка при 70 С в течение 30-50 ч
190-265
50-130
20-175
15
-
Полипро-пилен
-
180-250
120-150
80-120
-
Медленное охлаждение При литье под давлением реактопластов должны строго регулировать температуру. При превышении оптимальной температуры происходит отверждение материала до заполнения формы. При пониженной температуре реактопласт плавится долго. Качество изделий не уступает по физико-механическим характеристикам изделиям, формованным другими методами. Реактопласты льют под давлением реже, чем термопласты. Однако этот метод прогрессивен. Благодаря интенсивному перемешиванию материала в процессе подогрева скорость и степень отверждения материала при литье под давлением выше, чем при прессовании. Наиболее эффективен метод при изготовлении толстостенных изделий. 6.3. Прессование. Этот метод применяют преимущественно для формования реактопластов. В производстве используют две разновидности прессования: 1) прямое (открытое, компрессионное) прессование и 2) литьевое (трансферное) прессование (пресслитье). При прямом прессовании (рис.19,а) в загрузочную камеру матрицы раскрытой прессформы загружается материал. При закрытии формы материал пластифицируется за счет нагрева от рабочих частей, заполняет оформляющую полость и отверждается. После разъема формы изделие из формы выталкивается. Прямому прессованию отдают предпочтение при изготовлении точных простых деталей, переработке высоконаполненных материалов, производстве деталей максимально чистого цвета и деталей весом более 1 кг. По поверхности разъема при прямом прессовании возникает облой (рис. 20). Прямое прессование малопроизводительный способ производства. Прямое прессование выполняется на гидравлических прессах, управление прессов полуавтоматическое; автоматически и точно регулируется температура с точностью 2 С и время выдержки с помощью установки “МАРС-200Р”. Режимы прямого прессования для некоторых реактопластов представлены в таблице 4. Таблица 4 Режимы прессования термореактивных пластмасс
Материал и марка
Температура прессования, С
Выдержка под давлением, мин/мм
Давление, Мпа
при прессовании
без подогрева
с подогревом до 80-100 С
обычном
литьевом
1
2
3
4
5
6
К-15-2, К-17-2, К-18-2, К-20-2, К-110-2, монолит-1,7
160-170
175-185
0.8-1
-
-
К-211-2, К-21-22, К-220-23
15-160
165
1-2.5
25-35
40-60
К-211-3
-
180-190
1.5-2.5
Аминопласт
135-145
165
1-1.5
25-35
- Литьевое прессование (рис. 19, б). При литьевом прессовании загрузочная камера отделена от формующей полости. Прессматериал кладут в загрузочную камеру, где пластифицируется при сжатии под действием теплп. Пластифицированный материал из загрузочной камеры перетекает в рабочую полость формы. Протекание по узкому каналу способствует однородному и полному нагреву и отверждению всей массы материала в форме. Это способствует сокращению выдержки материала в форме, уменьшению и даже полному избавлению от облоя.
Пресслитью отдают предпочтение при изготовлении толстостенных деталей, деталей с металлической арматурой, сложной конфигурацией, с тонкими стенками. Детали отличаются высокой размерной точностью. Режимы пресслитья представлены в таблице 4. Недостатком пресслитья является повышенный расход материала по сравнению с обычным прессованием, так как в загрузочной камере остается часть необратимого материала. Заливка - это процесс, применяемый для изготовления изделий из компаундов или герметизации и изоляции компаундами изделий электронной и радиопромышленности. Компаунды - это полимерные композиции на основе полимерного связующего с добавками пластификаторов, наполнителей, отвердителей и др. Компаунды представляют собой твердые или воскообразные массы, которые перед употреблением нагревают для перевода в жидкое состояние. В зависимости от вязкости компаунда заливку осуществляют без давления или при небольшом давлении до 0,5 Мпа. В простейшем случае изготовления детали или герметизации и изоляции изделия компаунд из любой емкости заливают до краев формы или кожуха прибора. Режимы отверждения (в зависимости от марки): температура от 20 до 180 С, время 1-18 часов. Для более простой автоматизации процесса заливки иногда применяют засыпку таблетированного материала в форму, который при нагревании формы расплавляется и заполняет ее. Для автоматизации этого процесса в условиях крупносерийного производства применяют литье под давлением. Намотка. Намотку применяют для изготовления изделий типа тел вращения. Исходными материалами для намотки являются нити (преимущественно стеклянные) и жидкотекучие полимерные материалы. Способом намотки изготовляют цилиндрические оболочки, колпаки-обтекатели, трубчатые и другие изделия. В процессах намотки используют высокопроизводительные намоточные станки и оправки, на которые наматывают нити с нанесенным на них полимерным материалом. В практике изготовления изделий из стеклопластиков применяют два способа намотки: мокрый и сухой. При первом способе непосредственно перед намоткой на оправку производится пропитка стеклянного или другого волокна. При втором способе используют препрег - предварительно пропитанный связующий материалом стеклоармирующую нить. Второй - сухой способ, который обеспечивает более высокую производительность трудаЮ позволяет использовать широкую номенклатуру связующих и армирующих материалов, обеспечивает высокое качество изделий и поэтому его широко применяют в производстве. Первый - мокрый способ используют для изготовления изделий сложной конфигурации в единичном производстве. Связующими в процессе намотки являются полиэфирные и эпоксидные смолы. Процесс изготовления намоткой состоит из следующих операций: 1 - подготовка технологической оснастки, включающая сборку оправки, установку ее на станок и подготовку станка, подготовку разделительного слоя, его нанесения на оправку и сушку; 2 - намотка, включающая установку кассет с препрегом на станок, послойную намотку с прикаткой; 3 - термообработка изделия (полимеризация связующего); 4 - разборка оправки; 5 - механическая обработка; 6 - контроль изделия и упаковка. Основные способы намотки 1. Тангенциальная намотка (рис.21,а) характерна постоянным шагом намотки в одну или послойно в одну и другую стороны; недостатки - низкая прочность в осевом направлении; преимущества - простое оборудование, высокая прочность в тангенциальном направлении; малые начальные напряжения. 2. Продольно-поперечная намотка (рис.21,б) характерна укладкой слоев армирования в продольном и поперечном направлении; надостатки - возможна намотка трубчатых деталей и конических деталей только с небольшим уклоном; преимущества - сравнительно простое оборудование, высокая производительность, оптимальная анизотропия свойств. 3. Сочетание намотки по спирали с тангенциальной (рис.21,в) характерно намоткой двойного спирального слоя с последующей намоткой тангенциального слоя; недостатки - сложное оборудование, низкая производительность, большие отходы; преимущества - возможно армирование в различных направлениях. 4. Спиральная намотка (рис.21,г) характерна намоткой только спиральных слоев с корректировкой углов укладки по зонам; недостатки - сложное програмное оборудование, низкая производительность, сложные оправки. 5. Намотка с переменным углом армирования (рис.21,д) характерна намоткой по спирали с переменным по длине оправки углом армирования и корректировкой этого угла от слоя к слою; недостатки - сложное программное оборудование, низкая производительность; преимущества - возможна намотка конусов без отходов. 6. Планарная намотка (рис.21,е) характерна планарной намоткой от полюса к полюсу; недостатки - низка тангенциальная прочность, значительная неравномерность прочности полюсов; преимущества - можно использовать упрощенное оборудование, максимальная прочность вдоль оси. Типы применяемых оправок для намотки: 1. Неразборные (рис.21,а) - применяют для цилиндрических деталей. 2. Разборные из металлических элементов (рис.22,б) - применяют для деталей с поднутрениями. 3. Выплавляемые из легкоплавких сплавов (рис.22,в) - применяют для сложных деталей. 4. Размаваемые (рис.22,г) - применяют для деталей замкнутой формы. 5. Разборные с разрушаемыми элементами (рис.22,д) - применяют для сложных деталей в единичном производстве. Режимы переработки полимеров. Из ранее сказанного следует, что к параметрам режимов обработки относят температуру расплава и инструмента, давление формования, время заполнения и время выдержки под давлением, а также разность температур между соседними зонами пластикационного цилиндра. Рациональные режимы получения изделий выбирают в зависимости от условий их эксплуатации. Направленное изменение параметров переработки позволяет получить требуемую структуру и свойства изделий. Так с увеличением указанных параметров режимов переработки возможно управлять усадкой, стабильностью размеров и формы, стойкостью к растрескиванию, теплостойкостью, морозостойкостью аморфных и кристаллизующихся полимеров. Выбранные технологические параметры переработки уточняют по отдельным показателям качества изделий. Уточнение производят на основе зависимости между технологическими параметрами и микроструктурой изделий, определяющей качество. Для аморфных полимеров определяют ориентацию, и в случае превышения расчетной величины технологические параметры корректируют в направлении снижения ориентации. Для кристаллизующихся полимеров рассчитывают макроструктуру (размеры отдельных слоев и зон) при выбранных технологических параметрах. Формирующуюся структуру по относительной площади слоев и зон сравнивают со структурой, обеспечивающей требуемое качество. В случае отклонения параметров формирующейся макроструктуры от параметров качественных изделий технологические параметры корректируют.
При изготовлении изделий возможен брак (пузыри, утяжины, коробление, уменьшение размеров и т.п.). В этом случае также корректируют технологические параметры переработки. Выбранные параметры затем корректируют с целью получения наибольшей производительности при обеспечении качества изделий.
Режимы переработки некоторых марок термопластов представлены в табл. 3, реактопластов - в табл. 4.
4.3. Способы механической обработки Общие сведения. Механическую обработку деталей из пластмасс применяют с целью: 1 - изготовления более точных, чем при прессовании или литье деталей; 2 - изготовления деталей из листовых пластиков, так как эти материалы поставляют в виде листов, плит, труб и фасонных профилей; 3 - удаления литников, облоя, грата, пленки в отверстиях и т.п. - отделки (на отдельных заводах трудоемкость этих операций около 80% общей трудоемкости изготовления пластмассовой детали); 4 - более экономичного изготовления деталей сложной конфигурации; 5 - изготовления деталей в условиях единичного и мелкосерийного производства. Механообработка пластмасс по сравнению с обработкой резанием металлов имеет специфические особенности из-за ее низкой теплопроводности, вязкости, абразивных свойств, которые определяют характерные требования, предъявляемые к конструкции и геометрии режущего инструмента, к конструкции и оснастке станков. При механообработке пластмасс различают следующие способы: а) разделительную штамповку, б) обработку пластмасс резанием. Разделительную штамповку применяют для изготовления деталей из листовых материалов. При этом выполняют следующие операции: вырубку, пробивку, отрезку, разрезку, обрезку, зачистку. Наиболее распространены операции вырубки, пробивки, разрезки, зачистки. Обработку пластмасс резанием применяют для отделки (удаления литников, облоя, пленки и др.) после горячего формообразования деталей и как самостоятельный способ изготовления деталей из поделочных пластмасс. При этом выполняют следующие операции: разрезку, точение, фрезерование, сверление, нарезание резьб, шлифование, полирование. 4.3.1. Особенности механической обработки При разделительной штамповке, наряду с известными особенностями для штамповки металлов, имеют место особенности, связанные с резкой анизотропией механических свойств пластмасс в плоскости листа и перпендикулярно ей: расслоение, трещины, ореолы и изменение цвета. Эти особенности вызваны значительными напряжениями сжатия и изгиба, достигающими предела прочности. Расслоение материала по толщине характерно для слоистых пластиков (гетинакса, стеклотекстолита и др.) и возникает по периметру разделения на расстоянии до 3-5 S от поверхности разделения; трещины возникают чаще всего со стороны пуансона у поверхности - поверхностные трещины, сплошные трещины возникают при недостаточном расстоянии между отверстиями; ореолы - вспучивание и изменение цвета материала вдоль периметра отверстия, вызванное расслоением материала. Особенности о б р а б о т к и металлов р е з а н и е м полностью относятся и к обработке пластмасс. Однако особенность строения и состава накладывают дополнительные особенности. Относительная низкая плотность, невысокая прочность и твердость пластмасс обусловливают малое сопротивление пластмасс сжатию и срезу при обработке резанием, и усилия резания оказываются значительно меньшими, чем при обработке металлов. Поэтому появляется возможность применять для обработки пластмасс высокие режимы резания. При обработке реактопластов образуется стружка надлома, легко рассыпающаяся, а при резании термопластов в большинстве случаев образуется непрерывная сливная стружка. При резании пластмасс возникают сравнительно высокие температуры (до 500 С) на трущихся поверхностях инструмента, а на деталях возникают прижоги. Это объясняется тем, что теплопроводность пластмасс в несколько раз меньше, чем у металлов. После механообработки в поверхностных слоях детали возникают остаточные напряжения, которые складываясь с монтажными напряжениями (например, при затяжке болтов, винтов), часто приводят к появлению мелких поверхностных трещин. Для уменьшения остаточных напряжений при обработке реактопластов применяют различные технологические приемы: сжатие материала в зоне сверления, попутное фрезерование, многооперационное сверление с минимальным припуском на последнем переходе; для термопластов - умеренный нагрев. 4.3.2. Характеристика способов механической обработки Разделительная штамповка. Схема выполнения и сущность разделительных операций подобна соответствующим операциям листовой штамповки металлов (вырубки, пробивки, резки и др.). Однако с целью уменьшения расслоения, трещин и др. в зоне разделения рекомендуют заготовку прижимать с давлением до 0,8 sв разделяемого материала. На ряде заводов для снижения брака по трещинам и расслоению применяют штамповку-пробивку гетинакса незакрепленным пуансоном (для печатных плат). При этом пуансон движется относительно детали в одном направлении. Для вырубки (пробивки) листовых пластиков применяют штамповку с ультразвуковыми колебаниями пуансона. С той же целью платы перед штамповкой нагревают в термостатах до 80-90 С при выдержке 6-8 мин. или штампуют через картонные прокладки. Для разделительных операций используют оборудование: парнодисковые ножницы, кривошипные прессы. Основным инструментом являются штампы, к которым предъявляют повышенные требования по точности в сравнении со штампами для металлов. Отделка изделий и обработка резанием З а ч и с т к а - это отделочная операция, применяемая для удаления облоя (грата) и литников после горячего формования детали. Различают слесарную, дробеструйную зачистку и другие способы. Слесарная зачистка выполняется в условиях мелкосерийного производства или когда другими способами невозможно обработать деталь. Она выполняется с помощью инструментов: напильника, скальпеля, надфиля, кусачек и др. Деталь закрепляют на поворотных тисках. Д р о б е с т р у й н а я о б р а б о т к а применяется для удаления грата толщиной до 0,2 мм путем обдувки деталей дробью из неабразивных материалов (кусочки капроновой лески). Скорость обдувки 3000-4200 м/мин. Галтовка применяется для массового удаления грата после горячего формования или шлифования и полирования изделий небольшого размера. Галтовку выполняют в горизонтальных или наклонных барабанах, которые заполняют изделиями и вспомогательными материалами и приводят во вращение. Вспомогательными материалами являются стальные шарики, шпильки, дробь или шары из плавленной окиси алюминия. Грат снимается в результате ударов и трения и удаляется из барабанов через сетчатые стенки или дно. Шлифование или полирование в галтовочных барабанах выполняют с помощью кусочков пемзы, восковых шаров или деревянных блоков, пропитанных полировальной пастой. Продолжительность галтовки 0,5-1,5 часа. Р а з р е з к у применяют для раскроя листовых материалов. Для реактопластов используют карборундовые круги средней твердости на вулканитовой связке с размером зерна 0,25-0,50 мм; скорость разрезки 1500-2400 м/мин. Круги обладают значительно большей износоустойчивостью, чем отрезные фрезы или циркульные пилы.
Для разрезки термопластов рекомендуют использовать абразивные круги, облицованные по боковым сторонам рифленой металлической пленкой, которая уменьшает трение круга о стенки пропила и хорошо рассеивает тепло в окружающую среду. Для разрезки листовых пластмасс используют в условиях мелкосерийного производства разнообразное металлорежущее оборудование - ножницы, фрезерные ленточно-отрезные станки и др.; в условиях серийного и массового производства - специальные станки.
Точение реактопластов выполняют при глубине резания 0,5-3мм, подаче 0,05-0,50 мм/об, скорости 20-800 м/ мин в зависимости от марки и вида обработки (черновое, чистовое); термопласты обрабатывают при глубине резания 0,5-4 мм, подаче 0,02-0,5 мм/об, скорости 50-1000 м/мин в зависимости от марки и вида обработки (черновое, чистовое). Сверление производят при подаче 0,05-0,6 мм/об и скорости 10-80 м/мин в зависимости от марки материала. Фрезерование реактопластов производят при глубине резания 1-7 мм, подаче 0,05-0,8 мм/зуб и скорости - 100-500 м/мин; термопласты фрезеруют при глубине резания 1-10 мм, подаче 0,03-0,30 мм/зуб, скорости 100-1000 м/мин в зависимости от марки материала и вида обработки (черновая, чистовая). Нарезание резьб на всех пластмассах может быть выполнено в соответствии с обрабатываемостью резанием; наибольшая трудность возникает при нарезании резьб на волокнистых и слоистых пластмассах из-за их расслоения (срыва ниток, скалывания и др.). Наиболее надежным и высокопроизводительным является шлифование резьб абразивным кругом, заправленным на угол профиля резьбы. Например, для стеклопластов используют круги КЗ6СМ1 со скоростью вращения 20-25 м/сек, скорость вращения детали 15-20 м/мин. Шлифование выполняют карборундовыми кругами средней твердости на керамической или бакелитовой связке с размером зерен 0,8-0,5 мм для черновой и 0,25-0,16 мм для чистовой обработки. Часто применяют и шлифовальную шкурку с той же зернистостью. Полирование применяют для получения после механообработки поверхности высокого качества. Полирование производят мягкими кругами толщиной до 120 мм. Круги представляют собой пакет, составленный из муслиновых дисков различного диаметра 350-450 и 150-200 мм; применяют и фетровые круги. При обработке часть диска покрывают абразивной пастой - окисью хрома, другая часть остается свободной от пасты и служит для протирки изделий. Точение, сверление, фрезерование и др. выполняют на быстроходных станках, применяемых в металло- и деревообработке. В условиях массового производства изготовляют специальные станки, оснащенные зажимными приспособлениями и устройствами для улавливания и отсоса стружки и пыли. Инструменты - резцы, сверла, фрезы изготовляют из различных инструментальных сталей, особенно эффективно использование твердосплавных и алмазных инструментов. Качество механообработки обеспечивается при работе острозаточенным инструментом. Для повышения качества обработки применяют алмазные инструменты. Достигаемая точность обработки термо- и реактопластов определяется способом обработки: 1. Наружное и внутреннее шлифование, двукратное развертывание - 6-7 квалитет; 2. Однократное развертывание, чистовое точение - 7-8 квалитет; 3. Сверление, чистовое точение и фрезерование - 8-10 квалитет; 4. Черновое точение - 11 квалитет; 5. Черновое фрезерование - 12-13 квалитет. Шероховатость поверхности зависит в основном от обрабатываемого материала, при точении реактопластов получают Rа=10-2,5 мкм; термопластов - Rа=2,5-0,63 мкм; при фрезеровании реактопластов Rа=5-1,25 мкм, термопластов Rа=5-0,63 мкм. 5. Выбор способа изготовления изделия. В зависимости от типа производства (массовое, серийное, единичное) и требований к качеству изделия выбирают способ изготовления изделия - горячее формование или механообработку. Выбор способа горячнго формования изделия из полимера при заданных показателях качества зависит от текучести (вязкости или молекулярной массы) и скорости сдвига материала. На рис.23 представлены основные способы формования изделий в зависимости от вязкости и скорости сдвига материала. Из рисунка следует, что прессование используют для материалов с малыми скоростями сдвига при заданной большой вязкости, литье под давлением - для материалов с большими скоростями сдвига и малой вязкости материала. Обычно в справочной литературе по выбору материалов и переработке их в изделия указаны возможные способы их переработки. Алгоритм выбора способа формования и изготовления изделия представлен на рис.9.
6. Технологические требования к конструкции Конструкция пластмассовой детали должна отвечать требованиям, определяемым свойствами применяемого материала, особенностями процесса изготовления, сборки и эксплуатации и др. Конструкция детали должна быть более простой; чем проще деталь, тем дешевле оснастка, выше производительность труда, точность, ниже ее стоимость. Габаритные размеры деталей определяются способом изготовления, материалом детали, мощностью оборудования, типом прессформы. Правила конструирования деталей направлены на обеспечение рациональных условий течения материала в форме, повышение точности изготовления, уменьшение внутренних напряжений и коробления. Требования к конструкции детали на основе этих соображений следующие. 1. Форма детали должна обеспечивать возможность применения неразъемных матриц и пуансонов (в разъемных матрицах и пуансонах трудоемкость и стоимость изготовления значительно увеличены). Конфигурация детали не должна препятствовать свободному течению материала. Ответственные размеры не должны попадать в плоскость разъема, это снижает их точность на толщину облоя. Для легкого отделения облоя линия разъема должна быть на участках простой конфигурации контура изделия. 2. Технологические уклоны необходимы для облегчения удаления деталей из формы и их назначают на стенках параллельных направлению усилия замыкания формы или направлению извлечения детали из подвижных формирующих знаков (рис.24,а); в некоторых случаях конструкция детали не требует дополнительных уклонов. Уклоны на деталях не назначают: а) на плоских монолитных толщиной 5-6 мм и менее, б) на тонкостенных (трубчатых) высотой 10-15 мм, в) на наружных поверхностях полых деталей с дном высотой до 30 мм, г) на конусных, д) на сферических. Величина уклона внутренних поверхностей больше уклона наружных поверхностей. Величина уклона определяет в значительной мере точность изготовления изделий и назначается в зависимости от высоты детали и находится в пределах от 15 до 1 градусов для наружных поверхностей и от 30 до 2 градусов - для внутренних поверхностей. 3. Толщина стенки и дна должна быть равномерной. Разнотолщинность деталей вызывает неравномерную усадку, приводящую к образованию трещин, вздутий и короблению из-за неравномерности отверждения материала в форме и охлаждения вне формы. Толщина стенки зависит от текучести материала, высоты детали и с увеличением текучести материала можно уменьшить толщину, а с увеличением высоты детали толщина стенки детали должна быть больше. Не следует назначать толщину стенки более 10-12 мм; минимальную толщину определяют по эмпирической формуле:
а) для реактопластов - S=2h/(Z-20)+1/Lg(a) (мм); б) для термопластов - S=0.8(-2.1) (мм); где h - высота стенки в мм, Z - величина текучести по Рашигу в мм, a - ударная вязкость в кгс/см в кв. При невозможности обеспечения по конструктивным соображениям равностенности, допускаемая разностенность должна составлять: при прессовании не более 2:1, при литье под давлением деталей простой конфигурации не более 2,5:1. В этом случае должны соблюдать плавность перехода от одного к другому сечению. Переходы от большего сечения к меньшему рекомендуется выполнять с помощью уклонов (рис.24,б,в), радиусов закруглений, а в цилиндрических деталях с помощью конусности.
4. Ребра жесткости применяют для увеличения жесткости и прочности, усиления особо нагруженных мест по технологическим соображениям (предохранение от коробления, уменьшения времени выдержки и др.). Ребра жесткости не должны доходить до опорной поверхности на 0,5-0,8 мм. Оптимальная толщина ребра жесткости 0,6-0,8 толщины стенки. Рекомендуемые соотношения элементов ребер жесткости приведены на рис.24,в. Нужно стремиться к диагональному или диаметральному расположению ребер жесткости. Форма ребра не должна препятствовать усадке. 5. Торцы для упрочнения деталей выполняют в виде буртиков различных конструкций. Толщина буртиков не должна превышать 1,5-2 толщины стенки. Примеры оформления торцев представлены на рис.24,г. 6. Радиусы закруглений (рис.24,д) назначают на внутренних и наружных сторонах детали, они способствуют устранению или уменьшению внутренних напряжений, уменьшению величины колебания усадки. Величина радиуса зависит от материала, толщины стенки и регламентируется ГОСТ 10948-84. Минимальная величина радиуса для реактопластов и термопластов - 0,5 мм. 7. Отверстия. Расположение на поверхности, разновидности (сквозные, глухие, ступенчатые и др.), конфигурация (круглые, овальные, прямоугольные и дрю) отверстий определят в значительной мере величину внутренних напряжений, усадку, точность отверстий и межосевых расстояний. Конфигурация отверстий должна быть наиболее простой формы: поперечные сечения, применяемые в производстве, представлены на рис.24,ж (более простые круглые, овальные - наиболее трудоемки), продольное сечение представлено на рис. 24,з,и. Расстояние между соседними сквозными отверстиями и краем детали рекомендуется не менее одного диаметра отверстия. Минимальное расстояние (рис.24,к) между отверстиями b1=(S/D+1)*D, а минимальное расстояние от края отверстия до края детали b2 выбирается в зависимости от диаметра отверстия в пределах от 0,5 до 1 диаметра отверстия (рис.24,к). Размеры отверстий. Диаметр D отверстия назначается от 1,2 мм по ГОСТ 11289-85. Длина отверстия L зависит от метода формования и вида отверстия (сквозное, глухое): прямое прессование L£(1,5-8)D, пресслитье и литье под давлением L£10D - для сквозных отверстий; прямое прессование L£ 25D, пресслитье и литье под давлением L£4D- для глухих отверстий. 8. Опорные поверхности применяют для обеспечения хорошего прилегания сопрягаемых поверхностей. Их оформляют в виде выступов, буртиков, бобышек (рис.24,л). 9. Резьба может быть получена прессованием и литьем под давлением. Минимальный диаметр резьбы из термопластов - 2,5 мм, из реактопластов (пресспорошков и волокнистых материалов) - 3 мм. Геометрические параметры метрической резьбы определяют по ГОСТ 11709-86. Не рекомендуется изготовлять прессованием прямоугольную резьбу и резьбы с шагом менее 0,7 мм. При наличие разных диаметров резьбы в детали рекомендуют брать одинаковый шаг у всех резьб с целью одновременного удаления резьбовых знаков. Особенности конструкции резьбы. Из-за меньшей, чем у металлов, прочности для всех видов резьб обязательно наличие у конца резьбы кольцевой канавки или фаски длиной около одного шага резьбы (рис.24,м). 10. Армирование применяют для увеличения прочности детали, облегчения сборки. В качестве арматуры применяют детали из металлов, керамики, стекла. Для металлической арматуры используют: сталь, латунь, бронзу. С целью надежного закрепления в деталях к конструкции арматуры предъявляют требования: 1) невозможность поворота вокруг оси, 2) невозможность сдвига вдоль оси. На рис.24,н представлены различные виды арматуры: втулочная, штифтовая, плоская, проволочная. Надежное крепление втулочной арматуры осуществляется выполнением канавки и накатки на наружной поверхности, плоской - вырезками или отверстием, проволочной - изгибом или расплющиванием. Геометрические параметры этих элементов определяют по справочнику. При установке массивной арматуры (втулочной, штифтовой, плоской и др.) следует иметь ввиду, что возможно вспучивание материала при недостаточном расстоянии от арматуры до поверхности детали; минимальное расстояние 2 мм ( при диаметре арматуры 5 мм), то-есть 0,4 диаметра или ширины арматуры. Задания для самоконтроля 1. Что такое пластмасса? 2. Понятие о процессе и назначении переработки пластмасс. 3. Задачи, решаемые при переработке пластмасс и основное содержание каждой задачи. 4. Структура полимера и основные свойства материала: твердость, прочность, деформируемость, растворимость в растворителях. 5. Что такое олигомеры и с какой целью их используют? 6. По какому признаку разделяют полимеры на термо- и реактопласты? 7.Особенности макроструктуры полимерных материалов. 8.Основные реакции синтеза (отверждение олигомеров, сшивания полимеров) полимеров и их особенности. 9.Особенности строения аморфных и кристаллизующихся полимеров. 10.Основные физические состояния полимеров, технологические и эксплуатационные свойства полимеров. 11.Особенности термохимической кривой аморфных линейных и густосетчатых полимеров. 12.Перечислить и характеризовать основные технологические свойства полимеров. 13.Вязкостные свойства расплава полимеров и возможные способы переработки их в изделия. 14.Деструкция полимеров: причины, протекающие процессы и явления, виды и их характеристика. 15.Виды пластмасс в зависимости от назначения и характеристика основных свойств каждого вида. 16.Основные химические процессы, протекающие при формовании полимеров. 17.Особенности кристаллизации полимеров в зависимости от состояния по отношению к деформации. 18.Можно ли с помощью отжига изменить неоднородную структуру полимера? Если да, то какие параметры изделия можно улучшить? 19.Можно ли полностью или частично каким-либо способом исключить ориентацию макромолекул полимера? 20.Основные способы и операции переработки полимеров, сущность и содержание их. 21.Основное назначение подготовки полимеров к переработке. Влияет ли и если да, то как сушка и влажность на качество изделия? 22.Назначение таблетирования и предварительного нагрева пластмасс перед формованием изделий. 23.Основной показатель, определяющий качество аморфных и кристаллизующихся полимеров. Для каких полимеров характерна в процессе переработки слоевая структура?
24.Особенности формования и качества изделий из аморфных полимеров. 25.Особенности формования и качества изделий из кристаллизующихся полимеров. 26.Температурно-временная область переработки полимеров и назначение марочного ассортимента полимеров. 27.Особенности литья под давлением и перерабатываемые материалы в зависимости от их технологических свойств.
28.Особенности прессования и перерабатываемые материалы в зависимости от технологических свойств. 29.Особенности, назначение и применяемые при заливке полимерные материалы. 30.Режимы переработки пластмасс. Возможно ли управлять качеством изделия с помощью изменеия параметров режимов переработки пластмасс? 31.Назначение, способы и особенности механообработки и качества изделий из пластмасс. 32.Технологические требования к конструкции изделий из пластмасс. ЛИТЕРАТУРА 1. Бортников В.Г. Основы технологии и переработки пластических масс. Учебное пособие для вузов. Д. Химия, 1983, 304 с. 2. Калинчев Э.Л., Саковцева М.Б. Свойства и переработка термопластов: Справочное пособие.-Л.: Химия, 1983 - 288 с., ил. 3. Основы конструирования и расчета деталей из пластмасс и технологической оснастки для их изготовления. Мирзоев Р.Г., Кугушев И.Д., Брагинский В.А. и др.-Л.: Машиностроение, 1972 - 416 с., ил. 4. Салазкин К.А., Шерышев М.А. Машины для формования изделий из листовых термопластов. М.: Машиностроение, 1977, 158 с. 5. Технология материалов в приборостроении. Под ред. А.Н.Малова. М.: Машиностроение, 1969, 442 с. 6. В.П.Штучный. Обработка пластмасс резанием. М., Машиностроение, 1974, 144 с. 7. Энциклопедия полимеров, т.т. 1,2,3. М., Химия, 1972 - 1977. Подписи к рисункам Рис.1. Форма макромолекул полимеров: а - линейная неразветвленная, б - разветвленная, в - сшитая лестничная, г - сшитая сетчатая, д - сшитая паркетная, е - сшитая трехмерная объемная. Рис.2. Схематичное представление структуры расплава полимера, имеющего доменно-фибриллярное строение. Рис.3. Схематичное представление строения ламели кристаллического полимера: 1 - кристаллит, 2 - петля, 3 - проходной участок макромолекулы. Рис.4. Термомеханические кривые аморфного (1) и кристаллического (2) реактопластов; d - деформация. Рис.5. Термомеханические кривые термореактивных материалов с быстроотверждающимися (1) и медленноотверждающимися (2) связующим; d - деформация. Рис.6. Зависимость вязкости h (кривая 1) и напряжения сдвига t (кривая 2) от скорости сдвига g и скоростные интервалы переработки для различных способов. Рис.7. Виды сферолитов: а - радиальный, б - кольцевой. Рис.8. Порядок составления поискового образа пластмассы: Ппр- прямое прессование, Лпр - литьевое прессование, ЛПД - литье под давлением, ДФ - дутьевое прессование, МО - механическая обработка. Рис.9. Выбор способа изготовления: МП - массив марок и их эксплуатационных свойств, ТП - требуемые параметры эксплуатационных свойств, Кэ - коэффициент закрепления, ПТР - показатель текучести расплава, ЛПД - литье под давлением, ДФ - дутьевое формование, ФВ - формование волокон. Рис.10. Выбор марки пластмассы при литье под давлением. Рис.11. Основные способы и операции при переработке пластмасс в приборостроении. Рис.12. Влияние скорости охлаждения Vохл при кристаллизации на структурообразование: а - изменение Vохл и размера зерен d по толщине литьевых изделий, 1 - То=473 К, 2 - То=458 К, Тф=353 К, 3 - То=458 К, Тф=293 К; б - влияние Vохл на форму и размеры структурных образований, 1 - ламелярные кристаллы, П - неразвитые сферолиты, Ш - сферолиты. Рис.13. Влияние напряжения сдвига t на ориентацию l¢ : 1 - изотропные и неразвитые сферолиты, п - деформированные сферолиты, Ш - сноповидные образования; Vохл (в К/с), 1-100-150, 2 - 20-50. Рис.14. Структурные слои в поперечном сечении литьевых изделий: 1 - поверхностная оболочка (в процессе заполнения), 2 - средний слой (выдержка под давлением), 3 - центр (охлаждение без давления). Рис.15. Температурно-временная область переработки полимера. Рис.16. Схема литья под давлением пластмасс: 1 - схема распределения давления в прессформе, П - схема распределения температуры при литье термопласта, Ш - схема распределения температуры при литье реактопласта. Рис.17. Возможные варианты расположения литников и образование мест “спая” при изготовлении детали типа “планка”. Рис.18. Схемы движения расплава полимера в различных литниковых системах при изготовлении различных типов деталей. Рис.19. Схема прессования: а - прямого (еомпрессионного), б - литьевого. Рис.20. Места образования облоя (показано стрелкой) при прямом прессовании: а - вдоль образующей, б - перпендикулярно образующей, в - пленка в отверстии, г - обволакивание арматуры. Рис.21. Способы намотки: а - тангенциальная намотка, б - продольно поперечная, в - тангенциально-спиральная, г - спиральная, д - намотка с переменным углом, е - планарная намотка. Рис.22. Типы оправок при намотке: а - неразборная, б - разборная из металлических элементов, в - выплавляемая из легких сплавов, г - размываемая, д - разборная с раздвижными элементами. Рис.23. Скоростные интервалы различных способов горячего формования; h - вязкость, g - скорость сдвига. Рис.24. Технологические требования к конструкции элементов деталей.