--PAGE_BREAK--
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¢при 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 структурыпроявляется 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¢прполучают 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 зонызависит 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 давлениемприменяют 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 реактопластовимеет 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 sвразделяемого 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.
Галтовкаприменяется 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).
Сверлениепроизводят при подаче 0,05-0,6 мм/об и скорости 10-80 м/мин в зависимости от марки материала.
Фрезерованиереактопластов 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 резьбна 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.
Шлифованиевыполняют 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 механообработкиобеспечивается 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( продолжение
--PAGE_BREAK--