Правила и особенности конструирования изделий из пластмассы
1. Изделия из пластмассы
Пластические массы (пластмассы, пластики) – это материалы на основе полимеров, которые при переработке становятся пластичными, что позволяет отформовать изделие. Пластмассы получают на основе гомо полимеров или сополимеров, и в зависимости от характера изменения свойств при переработке они могут быть термопластами и реактопластами. Физико-механические свойства пластмасс определяются видом и строением полимера, а также характером добавок (наполнителей, пластификаторов, пигментов и красителей, стабилизаторов, смазывающих веществ и т.д.).
Множество примеров успешного применения полимерных материалов в различных отраслях промышленности подтверждает, что будущее принадлежит им. При разумном использовании свойств полимеров можно проектировать многофункциональные изделия, которые технически и экономически превосходят предшествующие конструкции.
Современная техника требует все более и более сложных конфигураций изделий и конструкционных материалов. Полимерные материалы способны решить многие проблемы в этом направлении. В настоящее время наблюдается бум на производство и потребление пластмассовых изделий, что обусловлено высокими свойствами пластмасс как конструкционных материалов. Они по многим показателям превосходят металлы и другие конструкционные материалы. Пластмассы могут быть жесткими и мягкими, плотными и легкими. Пенопласты и поропласты имеют плотность 20 - 100 кг/м3, полипропилен – 900; фторопласты – 2200 кг/м3. В среднем пластмассы в 5 - 7 раз легче стали и меди и в 2 раза легче алюминия.
Большинство пластмасс значительно превосходят сталь и ряд других металлов по устойчивости к атмосферной коррозии и к воздействию различных кислот, щелочей, солей, растворителей.
В зависимости от требований пластмассы могут иметь как низкий, так и высокий коэффициент трения. Низкий коэффициент трения и высокая износостойкость полиамида, фторопласта, текстолита, ДСП и др. используются в подшипниках, работающих и в условиях смазки, и без нее. Полиамид 6 имеет износостойкость в 10 - 20 раз выше, чем у бронзы и баббита при использовании смазки. Высокий коэффициент трения асботекстолита используется в тормозных устройствах.
Многие пластмассы имеют исключительно высокие диэлектрические свойства и широко применяются в электрических и электротехнических приборах, в высокочастотных устройствах.
Такие пластмассы как поликарбонат, полистирол, ПММА и др. – прозрачны, бесцветны и способны пропускать световые лучи в широком диапазоне волн, в том числе – УФ. ПММА (органическое стекло) пропускает ~73 % УФ-лучей, в то время как обычное стекло – только 1 - 2 %. Оргстекло намного прочнее, что очень важно для оптической промышленности.
Пластмассовые изделия могут иметь твердую или мягкую, блестящую или матовую, гладкую или фактурированную поверхность, что достигается путем варьирования вида материала и характера обработки поверхности формы.
Очень важными достоинствами пластмасс являются доступность сырья и простота переработки.
Однако пластмассы имеют и недостатки, которые обязательно надо учитывать при проектировании изделий из них:
1)низкая теплостойкость,
связанная с химическим
2)низкая твердость;
3)недостаточно
высокая прочность, которая к
тому же существенно зависит
от времени и температуры
4)ползучесть, проявляющаяся
под постоянной нагрузкой.
5)старение, резко
снижающее физико-механические
Особенности проектирования изделий из пластмасс
Конструкции многих изделий из пластмасс часто повторяют конструкции металлических изделий. Однако пластик требует учета особенностей присущих ему характеристик.
По сравнению с другими конструкционными материалами свойства пластмасс могут варьироваться в гораздо более широких пределах. Специфические свойства практически любого базового полимера можно изменить самым коренным образом путем введения в него простых или армирующих наполнителей, модификаторов и других добавок. Но и основные свойства полимерных материалов, как правило, кардинально отличаются от основных свойств металлов. Если провести, например, прямое сопоставление, то у металлов значительно выше такие показатели, как плотность, максимальная рабочая температура, жесткость и прочность, теплопроводность, электропроводность; в то время такие свойства конструкционных термопластов, как амортизация механических нагрузок, тепловое расширение, относительное удлинение при разрыве, ударная вязкость выше на несколько порядков.
Когда речь идет о замене металла полимерным материалом, то для того, чтобы изготовить функциональные элементы из пластмассы при одновременном снижении себестоимости, в большинстве случаев необходимо коренным образом менять конструкцию этих элементов. При этом открывается перспектива полнейшей переработки конструктивного решения изделия, дающая возможность интегрировать функции и упростить геометрию.
При одних и тех же условиях эксплуатации пластмассы иногда ведут себя иным образом по сравнению с металлами. Именно по этой причине какая-нибудь функционально целесообразная и экономичная конструкция, сделанная когда-то из литого металла, может легко сломаться, если ее с излишней поспешностью повторить из полимерного материала. Поэтому разработчики конструкций из пластмасс должны обязательно знать свойства этой группы материалов.
Чем ближе температура эксплуатации материала к его точке плавления, тем больше характер его деформации зависит от температуры и времени. У большинства пластиков наблюдаются изменения их основных механических свойств уже при комнатной или близкой к ней температуре или от скорости воздействия нагрузки. А для металлов, как правило, характерно постоянство механических свойств вплоть до таких температур, значения которых очень близки к температуре перекристаллизации (> 300 0С). Если менять в достаточно широком диапазоне рабочую температуру или скорость деформации, то конструкционные термопласты могут изменить твердость и хрупкость на эластичность, характерную для резин. Например, чехол аварийной автоматической подушки в автомобиле в случае ее применения должен обладать способностью к взрывному раскрытию. Этим он должен полностью отличаться от сделанного из того же материала изделия на защелках, которое приводится в рабочее состояние медленно. Причем это снабженное защелками изделие и должно приводиться в рабочее состояние медленно, поскольку это зависит от условий его эксплуатации на холоде или при жаре. Значение температуры здесь значительно важнее, чем скорость изменения нагрузки.
Характеристики
полимерных материалов не являются в чистом
виде свойствами материала как такового
в конкретных условиях эксплуатации. Базовый
уровень свойств какого-либо пластмассового
изделия может меняться от воздействия
самых разнообразных факторов, в частности,
от ультрафиолетового облучения вплоть
до разрушения и полной непригодности
к дальнейшей эксплуатации. Великолепно
сконструированное и отформованное пластмассовое
изделие может быстро сломаться, если
режимы формования были подобраны ненадлежащим
образом. С другой стороны, и технологи
не могут в широком масштабе устранять
конструкторские просчеты. Хорошее качество
пластмассовых изделий может быть гарантировано
лишь благодаря процессу оптимизации,
который учитывает все влияющие факторы.
Поскольку полимерные материалы по сравнению
с металлами более чувствительны к конструктивным
недоработкам, то при разработке конструкций
пластмассовых изделий необходимо обращать
особое внимание на то, чтобы конструктивное
решение соответствовало материалу. Поэтому
проектирование изделия из пластика должно
каждый раз начинаться со всестороннего
и тщательного анализа всех требований.
Выбор полимерного материала
Является самым важным этапом проектирования полимерных изделий, в том числе и изделий из пластмасс. Нет плохих полимерных материалов, а есть материалы, не соответствующие конкретному применению. Поэтому для конструктора чрезвычайно важно досконально знать свойства конкурирующих материалов и тщательно проверить, как эти свойства влияют на технологию изготовления изделий из этих материалов.
Термопластичные полимерные материалы
Термопласты – это разновидность пластиков, основным отличием которых является линейное строение, обусловливающее возможность повторного расплавления полимера. Термопластичные полимерные материалы. используются очень широко. Эти материалы можно, в свою очередь, разделить на аморфные (полистирол, АБС-пластики, поливинилхлорид, поликарбонат) и аморфно-кристаллические (полиэтилен, полипропилен, полиэтилентерефталат, полиамиды, полиформальдегид). Различие между этими двумя группами заключается в их надмолекулярной структуре и в области тех свойств, которые определяются степенью их кристалличности. Аморфные полимеры имеют удовлетворительные физико-механические свойства, но склонны к ползучести, химически не стойки, не имеют выносливости на усталостный изгиб, не стойки к надрезу, характеризуются определенным температурным диапазоном размягчения. Аморфно-кристаллические термопласты характеризуются хорошими физико-механическими показателями, стойки к ползучести, химически стойки, выносливы на усталостный изгиб, имеют более высокую рабочую температуру и точное значение температуры плавления.
Аморфно-кристаллические термопластичные материалы, как правило, используются для изготовления деталей, которые подвергаются высоким механическим нагрузкам, в то время как аморфные термопласты чаще используют для изготовления корпусных изделий в связи с тем, что они в меньшей степени склонны к короблению.
Наполнители и армирующие материалы
Пластмассы поставляются в виде полимерных материалов без наполнителей, со стекловолокном в качестве армирующего наполнителя, с минеральными наполнителями. Стекловолокно, как правило, используется для повышения прочности, жесткости и стойкости к повышенным температурам. Минеральные наполнители и стеклянные шарики обладают меньшим армирующим эффектом и в основном используются для уменьшения усадки и коробления. Стекловолокно влияет на переработку материала, в особенности на усадку изделия и на характер его коробления. Поэтому замена материалов, усиленных волоконными наполнителями, на неармированные термопласты или на полимерные материалы с низким содержанием армирующих наполнителей приводит к изменению геометрических размеров изделия. С ростом содержания стекловолокна растут разрушающее напряжение, модуль эластичности и термостабильность, однако резко падает удлинение до разрушения. Ориентация стекловолокна в формуемом изделии определяется направлением течения материала при формовании. Механическая прочность материала также зависит от направления ориентации стекловолокна. Например, при испытании образца ПЭТ с 30 % стекловолокна в качестве армирующего наполнителя в случае поперечной ориентации волокон потеря предела прочности при растяжении образца составила 32 %, снижение его модуля изгиба составило 43 % и уменьшение его ударной прочности составило 53 %. Подобное уменьшение значений показателей, вызванное поперечной ориентацией волокон, необходимо принимать во внимание при расчетах изделий на прочность и закладывать в их конструкцию соответствующие коэффициенты запаса прочности. Для изменения набора свойств полимерных материалов в них добавляют широкую гамму армирующих наполнителей, обычных наполнителей и различных модификаторов. При добавлении наполнителей и модификаторов необходимо очень тщательно анализировать, какие изменения эти добавки могут вызвать в свойствах термопластичных материалов. Для этого имеются справочные публикации и базы данных. Различные армирующие наполнители по-разному влияют на физико-механические свойства пластмасс. Например, модуль эластичности растет при введении стекловолокна, минеральных наполнителей, арамидного волокна и падает при добавлении эластомеров, УФ-стабилизаторов, органических и неорганических антипиренов и антистатиков. Деформация и ударная прочность, наоборот, при введении эластомеров растут.
Влияние влаги
Некоторые полимеры, в особенности ПА6 и ПА66, поглощают влагу. Это может оказывать существенное влияние на их физико-механические свойства и на стабильность геометрических размеров изделий из них. При выборе полимерных материалов этому свойству следует уделять особое внимание. Надо знать, что наличие влаги приводит к появлению в изделии различных пор, раковин, вздутий, а значит, понижает прочность, модуль эластичности и электрические свойства, но улучшает деформацию, ударную прочность и стабильность размеров. При этом наличие воды в полимерном материале сильно затрудняет переработку, заставляя принимать особые меры по ее удалению перед изготовлением изделия в частности, вакуум-отсос образующихся паров..
Другие критерии выбора материалов
Другие требования, предъявляемые при выборе материалов, имеют отношение к их переработке в изделия. Так как большинство изделий из пластмасс являются элементами различных конструкций, т.е. деталями, то обязательно следует учитывать последующую сборку этих деталей. Также важно изучить возможность объединения в одной детали нескольких функций, что позволит сэкономить на дорогостоящих сборочных операциях. Себестоимость изготовления детали включает не только цену сырья. Следует учитывать, что материалы, обладающие большей жесткостью, позволяют уменьшать толщину стенок изделия, а это даёт возможность сократить время цикла изготовления изделия. Поэтому необходимо составить перечень всех критериев, учитываемых при выборе материала, и провести их последовательную детальную оценку.
Алгоритм выбора полимерного материала для проектируемого изделия должен включать изучение прототипов этого изделия, методов его испытания, технических требований к изделию и материалу, составление перечня необходимых свойств, проведение технико-экономического анализа, позволяющего правильно выбрать полимерный материал.
Правильный выбор полимерного материала еще не обеспечит изготовления высококачественного пластмассового изделия. Необходимо правильно спроектировать форму изделия и правильно назначить его размеры и возможные отклонения от размеров.
Важнейшим требованием, предъявляемым к изделиям из пластмасс абсолютно любого назначения, является обеспечение их прочности. Поэтому расчеты на прочность являются основным типом расчетов, проводимых при проектировании пластмассовых изделий. Очень часто эти расчеты являются поверочными, т.е. такими, которые проводятся после проектирования изделия и служат для проверки обеспечения данного требования.
Из-за сложной структуры полимерных материалов оценка прочности пластмассового изделия может быть выполнена с помощью статистических методов.
Статистические методы основаны на наработке большого количества исходных данных, полученных при испытаниях либо образцов в лабораторных условиях, либо самих изделий.
Общие принципы расчета и проектирования изделий из пластмасс
Несущая способность изделий ограничивается:
1) предельно допускаемыми нагрузками или напряжениями или
2) предельно допускаемыми деформациями.
В связи с этим прочностной расчет пластмассовых изделий включает в себя:
1) оценку напряжений или нагрузок и сопоставление их с разрушающими или
2) оценку предельно
допустимых деформаций, обусловленными
действующими во времени
Условие прочности имеет вид:
σmax экв ≤ [σ],
где σmax экв – максимально возможное напряжение в этом изделии при заданных условиях нагружения;
[σ] – допустимое
напряжение для материала
Более наглядным и правильным является, однако, применение условия прочности по запасу прочности, так как и σmax экв и [σ] зависят от типа пластика, его качества, технологии изготовления и т.п., а допускаемый запас прочности определяется постоянным значением, принятым для данного изделия. В этом случае условие прочности имеет вид:
n = σраз / σmax экв ≥ [n],
где σраз – разрушающее напряжение;
[n] – допустимое
значение запаса прочности.
Допускаемые значения напряжения и запаса прочности связаны:
[σ] = σраз / [n]
Запас прочности можно выражать не только через напряжения, но и через нагрузки:
n = R / Q,
где R – разрушающая нагрузка;
Q – действующая нагрузка.
Расчет изделий из пластмасс на прочность носит поверочный характер. Он проводится в следующей последовательности:
1)Определяют
действующую нагрузку, задаются
долговечностью изделия,
2)Составляют
упрощенную расчетную схему
3)Определяют напряжения в опасных сечениях изделия и находят три главных напряжения.
4)По найденным
главным напряжениям
5)Для выбранного
полимерного материала изделия
и принятых условий
6)Производят
оценку прочности путем
Запас прочности для полимерных материалов должен быть большим, чем для традиционных материалов. Причиной этого являются специфические свойства полимерных материалов, к которым относятся:
1)Неоднородность,
дефектность структуры,
2)Влияние на
прочность геометрической
3)Изменение свойств
полимерных материалов под
4)Изменение прочностных
и деформационных
5)Наличие в
материале остаточных
При эксплуатации полимерное изделие не должно достигать предельного состояния. Предельное состояние по нагрузкам означает неспособность пластмассового изделия выдерживать приложенную нагрузку. При расчете такого состояния следует учитывать:
1)Прочность пластмассового
изделия изменяется при
2)В пластмассовом
изделии под нагрузкой
3)Под действием
остаточных напряжений в
Пластмассовые изделия могут иметь самые разнообразные форму и размеры. Так как теоретические описания полной конструкции в подавляющем большинстве отсутствуют, оценка прочности пластмассового изделия может быть произведена лишь по отдельным элементам,.
Выбор допускаемых напряжений
При выборе допускаемых напряжений необходимо учитывать те же особенности конструкционных пластмасс, что и при определении запаса прочности.
В расчетных схемах и при определении эквивалентных напряжений недостаточно полно или совсем не учитываются изменения прочности в зависимости от скорости нагружения и разгружения, колебания температуры, длительности нагружения, влияния влаги и агрессивности среды. Все эти факторы должны быть учтены при выборе допускаемых напряжений.
Кроме того, обязательно необходимо учесть неоднородность пластмасс и непостоянство технических характеристик в различных видах деформации (например, пластмассы имеют разную прочность на растяжение и изгиб и т.п.).
Отсутствие учета этих факторов может привести к потере пластмассовым изделием конструктивной определенности, т.е. к значительному изменению размеров и формы. Особенно это опасно для пластмассовых деталей, так как препятствует функциональной взаимозаменяемости.
Согласно общей практике машиностроения деталь машины или прибора теряет конструктивную определенности, если изменение размеров превышает 0,5 – 1 % для точных размеров и 3 – 4 % для неответственных размеров.
Допускаемое напряжение для реактопластов должно быть минимум в 1,2 – 1,5 раза и для термопластов в 2 раза ниже, чем соответствующий предел прочности. Для кратковременных ударных нагрузок рекомендуется снижать допускаемые напряжения на 50 – 60 % для реактопластов и на 20 – 30 % для термопластов.
За опасное напряжение σоп принимается напряжение, соответствующее пределу прочности:
σоп = σраз
Если задано опасное относительное удлинение (относительная деформация), то предельное напряжение можно определить либо с помощью диаграммы σ – ε, либо по закону Гука:
σпр = Е·εоп
Допускаемое напряжение равно:
[σ] = σпр / n,
где n – коэффициент
запаса прочности.
Дифференциальный метод определения запаса прочности
По этому методу запас прочности представляет собой произведение корректирующих коэффициентов, учитывающих множество факторов, влияющих на прочность пластмассового изделия:
n = S·k·T·M,
где S – группа факторов, определяющих ответственность пластмассового изделия и ответственность эксплуатации;
k – группа
расчетно-конструкторских
Т – группа технологических факторов;
М – группа материальных факторов.
В свою очередь каждый коэффициент равен произведению нескольких частных коэффициентов.
S = S1 · S2 · S3 · S4,
где S1 – общий запас; принимается для термопластов 1,05 – 1,1; для реактопластов – 1,15 – 1,2;
S2 – ответственность эксплуатации; 1,0 – 2,5;
S3 – вид нагрузки; для статической – 1,0; для знакопеременной – 1,3;
S4 – агрессивность
среды; для нормальных условий
– 1,0; во влажной среде –
1,3; для органических
k = k1 · k2 · k3,
где k1 – точность расчета; для точных – 1,0; для приближенных – 1,4 – 1,6;
k2 – концентрация напряжений; 1,0 – 2,2;
k3 – сложность изделия; 1,0 – 1,15.
Т = Т1 · Т2 · Т3 · Т4 ,
где Т1 – способ изготовления изделия; для литья – 1,05 – 1,1; для прессования – 1,05 –1,15; для армирования – 1,1 – 1,15;
Т2 – сложность монтажа; 1,0 – 1,15;
Т3 – условия установки: без посадок – 1,0; посадки тугие – 1,7 – 2,6; посадки нежесткие – 1,2 – 1,5;
Т4 – способ отверждения: длительный – 1,0 – 1,05; автоклавный – 1,0 – 1,15; в пресс-форме – 1,1 – 1,2; высокочастотный – 2,0 – 2,5.
М = М1 · М2 · М3 · М4 · М5 · М6 · М7 · М8 · М9,
где М1 – условия испытания; 1,0 –1,1;
М2 – вид деформации: изгиб – 1,0 – 1,1; растяжение – 1,4 – 1,75; сжатие – 1,1 – 1,65; срез – 1,25 – 1,5; кручение – 1,4 – 1,65;
М3 – изменение свойств: при литье – 1,1 – 1,3; при прессовании – 1,2 – 1,4;
М4 – термохимическая природа материала: термореактивные – 1,0; термопластичные – 1,05 – 1,1; наполненные термореактивные – 1,1 – 1,2;
М5 – физико-механические свойства: анизотропные – 1,5; изотропные – 1,0;
М6 – температурно-временная зависимость прочности: обратимая – 1 – 3; необратимая – 1,14 – 10;
М7 – масштабный фактор; 1,0 – 1,2;
М8 – строение материала: наполненные – 1,1 – 1,15; ненаполненные – 1,05 – 1,1; армированные – 1,0;
М9 – состояние
поверхности; 1,0 – 1,5.
2. Изделия из керамики
1. Основная задача технологии, т.е. изделие (товар, продукт) на выходе и его свойства.
Керамика – материалы и изделия, получаемые спеканием глин и их смесей с минеральными добавками, а также оксидов и других неорганических соединений.
Керамические строительные материалы – это искусственные каменные изделия, получаемые из глиняных масс с добавками или без добавок других материалов путем формования и последующего обжига. Керамические материалы – самые древние из искусственных каменных материалов.Они характеризуются достаточно высокими показателями физико-технических свойств, водо-, термо- и кислотостойкостью, выдерживают 15 – 100 циклов попеременного замораживания и оттаивания без видимых изменений структуры. Эти свойства обусловливают высокую долговечность керамических изделий и сравнительно низкий уровень затрат при эксплуатации зданий и сооружений.
Вместе с тем керамические материалы имеют и определенные недостатки: сравнительно высокую плотность и теплопроводность, длительный технологический цикл изготовления (3 – 4 суток) и др. Однако большие запасы повсеместно растраченного сырья, сравнительная простота технологии, высокая прочность и долговечность керамических материалов, многовековой опыт производства ставят их на одно из первых мест среди других строительных материалов.
Характеристика технологии как системы.
Несмотря на обширный ассортимент, разнообразие форм и свойств керамических изделий, основные этапы их производства являются общими и включают следующие стадии: карьерные работы (добыча, транспортирование и хранение запаса глин), подготовку глиняной массы, формование изделий, сушку отформованных изделий, обжиг высушенных изделий, обработку изделий (глазурование, ангобирование и пр.) и упаковку. Добыча глины осуществляется в карьерах. Керамические заводы, как правило, строят вблизи месторождения глины, и карьер является составной частью завода. Для добычи глин преимущественно используют многоковшовые, одноковшовые и роторные экскаваторы, канатные скреперы. Метод добычи должен быть увязан с мощностью пласта и характером залегания глин.
