|
Реферат: Зубчатые передачи (Технология)
Министерство образования Российской Федерации
Тюменский государственный нефтегазовый университет
Институт нефти и газа
Кафедра "Станки и инструменты"
Реферат
по дисциплине
"Метрология, стандартизация и взаимозаменяемость"
на тему: "Зубчатые передачи"
Выполнил: студент
группы МОП 98-2
Коротков П.Н.
Проверил: старший
преподаватель Шабалин
А.А.
г. Тюмень,
2001 г.
СОДЕРЖАНИЕ:
|1. Четыре основные группы зубчатых передач |3 |
|2. Кинематическая точность передачи |4 |
|3. Плавность работы передачи |6 |
|4. Контакт зубьев в передаче |8 |
|5. Виды сопряжений зубьев колёс в передаче |9 |
|6. Обозначение точности колёс и передач |11|
|Список использованной литературы |12|
1. ЧЕТЫРЕ ОСНОВНЫЕ ГРУППЫ ЗУБЧАТЫХ ПЕРЕДАЧ
По эксплуатационному назначению можно выделить четыре основные группы
зубчатых передач: отсчётные, скоростные, силовые и общего назначения.
К отсчётным относятся зубчатые передачи измерительных приборов,
делительных механизмов металлорежущих станков и делительных машин, счётно-
решающих механизмов и т.п. В большинстве случаев колёса этих передач имеют
малый модуль и работают при малых нагрузках и скоростях. Основным
эксплуатационным показателем делительных и других отчётных передач является
высокая кинематическая точность, т.е. точная согласованность углов поворота
ведущего и ведомого колёс передачи. Для реверсивных отсчётных передач
весьма существенное значение имеет боковой зазор в передаче и колебание
этого зазора.
Скоростными являются зубчатые передачи турбинных редукторов, двигателей
турбовинтовых самолётов и др. Окружные скорости зубчатых колёс таких
передач достигают 60 м/с при сравнительно большой передаваемой мощности (до
40 МВт). Их основной эксплуатационный показатель - плавность работы, т.е.
отсутствие циклических погрешностей, многократно повторяющихся за оборот
колеса. С увеличением частоты вращения требования к плавности работы
повышаются. Передача должна работать бесшумно и без вибраций, что может
быть достигнуто при минимальных погрешностях формы и взаимного расположения
зубьев. Для тяжело нагруженных скоростных зубчатых передач имеет значение
также полнота контакта зубьев. Колёса таких передач обычно имеют средние
модули. Для них часто ограничивают также шумовые характеристики работающей
передачи, вибрацию, статическую и динамическую неуравновешенность
вращающихся масс и т.п.
К силовым относят зубчатые передачи, передающие значительные крутящие
моменты при малой частоте вращения (зубчатые передачи шестерённых клетей
прокатных станов, подъемно-транспортных механизмов и др.). Колёса для таких
передач изготовляют с большим модулем. Основное точное требование к ним -
обеспечение более полного использования активных боковых поверхностей
зубьев, т.е. получение наибольшего пятна контакта зубьев.
К передачам общего назначения не предъявляют повышенных требований по
точности.
2. КИНЕМАТИЧЕСКАЯ ТОЧНОСТЬ ПЕРЕДАЧИ
Для обеспечения кинематической точности предусмотрены нормы,
ограничивающие кинематическую погрешность передачи и кинематическую
погрешность колеса.
Кинематической точностью передачи FК.П.П. называют разность между
действительным (2 и номинальным (3 углами поворота ведомого зубчатого
колеса 2 (рис. 2.1.) передачи, выраженную в линейных величинах длиной дуги
его делительной окружности, т.е. FК.П.П.=((2-(3)(r, где r - радиус
делительной окружности ведомого колеса; (3=(1(z1/z2; (1 – действительный
угол поворота ведущего колеса; z1 и z2 – числа зубьев соответственно
ведущего 1 и ведомого 2 колёс. Наибольшая кинематическая погрешность
передачи F'ir определяется наибольшей алгебраической разностью значений
кинематической погрешности передачи за полный цикл изменения относительного
положения зубчатых колёс.
Кинематической погрешностью зубчатого колеса FК.П.П. называют разность
между действительным и номинальным (расчётным) углами поворота зубчатого
колеса на его рабочей оси, ведомого точным (измерительным) колесом при
нормальном взаимном положении осей вращения этих колёс; её выражают в
линейных величинах длиной дуги делительной окружности (рис. 2.2.). Под
рабочей осью понимают ось колеса, вокруг которой оно вращается в передаче.
При назначении требований к точности колеса относительно другой оси
(например, оси отверстия), которая может не совпадать с рабочей осью,
погрешность колеса будет другой, что необходимо учитывать при установлении
точности передачи. Все точные требования установлены для колёс, находящихся
на рабочих осях.
Наибольшая кинематическая погрешность зубчатого колеса F'ir –
наибольшая алгебраическая разность значений кинематической погрешности
зубчатого колеса в пределах угла (полн полного оборота (см. рис. 2.2.). Эта
погрешность ограничивается допуском на кинематическую погрешность колеса
F'i (значения в стандарте не приведены). Допуск на кинематическую
погрешность зубчатого колеса F'i следует определять как сумму допуска на
накопленную погрешность шага колеса Fp в зависимости от степени по нормам
кинематической точности и допуска на погрешность профиля зуба ff,
назначаемого в зависимости от степени точности по нормам плавности.
Допускается нормировать кинематическую погрешность колеса на k шагах –
F'ikr. Эта погрешность ограничивается допуском F'ik.
Если кинематическая погрешность колёс при контроле их на рабочей оси не
превышает допускаемых значений и требование селективной сборки не
выдвигается, то контроль кинематической точности передачи не обязателен.
Если контролируемая кинематическая точность передачи соответствует
требованиям стандарта, то контроль кинематической точности колёс не
обязателен.
3. ПЛАВНОСТЬ РАБОТЫ ПЕРЕДАЧИ
Эта характеристика передачи определяется параметрами, погрешности
которых многократно (циклически) проявляются за оборот зубчатого колеса и
также составляют часть кинематической погрешности. Аналитически или с
помощью анализаторов кинематическую погрешность можно представить в виде
спектра гармонических составляющих, амплитуда и частота которых зависят от
характера составляющих погрешностей. Например, отклонение шага зацепления
(основного шага) вызывают колебания кинематической погрешности с зубцовой
частотой, равной частоте входа в зацепление зубьев колёс.
Циклический характер погрешностей, нарушающих плавность работы
передачи, и возможность гармонического анализа дали основание определять и
нормировать эти погрешности по спектру кинематической погрешности. Под
циклической погрешностью передачи fzk0r и зубчатого колеса fzkr понимают
удвоенную амплитуду гармонической составляющей кинематической погрешности
соответственно передачи или колеса. Для ограничения циклической погрешности
установлены допуски: fzk0 - на циклическую погрешность передачи и fzk - на
циклическую погрешность зубчатого колеса. Допуски fzk0 и fzk для любой
частоты определяются по формуле
Fzk0=fzk=(k-0,6ц+0,13)(Fr, (3.1.)
где кц - частота циклов за оборот зубчатого колеса; Fr - допуск на
радиальное биение зубчатого венца той же степени точности, что и fzk.
Анализ формулы (3.1.) показывает, что с увеличением частоты кц допуски
fzk0 и fzk уменьшаются. Это подтверждается опытом производства и
эксплуатации быстроходных передач. Для ограничения циклической погрешности
с частотой повторения, равной частоте хода зубьев в зацепление fzz0r и
fzzr, установлены допуски на циклическую погрешность зубцовой частоты в
передаче fzz0 и колеса fzz, причём fzz=0,6fzz0.Эти допуски зависят от
частоты циклической погрешности кц (равной числу зубьев колёс z), степени
точности, коэффициента осевого перекрытия (( и модуля m. Коэффициентом
осевого перекрытия косозубой цилиндрической передачи (( называют отношение
угла осевого перекрытия зубчатого колеса к угловому шагу. Угол осевого
перекрытия (( - это угол поворота зубчатого колеса косозубой цилиндрической
передачи, при котором точка контакта зубьев перемещается по линии зуба
этого колеса от одного его торца до другого (т.е. угол поворота колеса
передачи от положения входа до выхода зубьев из зацепления).
Косозубые передачи со значительным коэффициентом осевого перекрытия ((
по сравнению с прямозубыми имеют меньший зубцовый импульс (меньшую
амплитуду первой гармонической составляющей), поэтому с увеличением ((
допуск fzz0 уменьшается.
Циклическая погрешность зубцовой частоты является главной причиной
нарушения плавности зубчатых передач, состоящих из прямозубых колёс.
Циклическая погрешность зубчатого колеса возникает вследствие биения
червяка делительной пары станка, биения и перекоса фрезы и т.д. Погрешности
станка вызывают также волнистость боковых поверхностей зубьев косозубых
колёс и погрешность профиля прямозубых колёс, которые являются главными
причинами неравномерного вращения передачи.
Циклические погрешности обычно вызывают повышение шумовых
характеристик, причём уровень шумовой мощности увеличивается с увеличением
частоты вращения передачи. Чтобы повысить плавность передачи, целесообразно
повышать точность зуборезного инструмента и червяка, сопряжённого с
делительным колесом станка, а также применять шевингование и
зубохонингование колёс.
4. КОНТАКТ ЗУБЬЕВ В ПЕРЕДАЧЕ
Для повышения износостойкости и долговечности зубчатых передач
необходимо, чтобы полнота контакта сопряжённых боковых поверхностей зубьев
колёс была наибольшей. При неполном и неравномерном прилегании зубьев
уменьшается несущая площадь поверхности их контакта, неравномерно
распределяются контактные напряжения и смазочный материал, что приводит к
интенсивному изнашиванию зубьев. Для обеспечения необходимой полноты
контакта зубьев в передаче установлены наименьшие размеры суммарного пятна
контакта.
Суммарным пятном контакта называют часть активной боковой поверхности
зуба колеса, на которой располагаются следы прилегания зубьев парного
колеса (следы надиров или краски) в собранной передаче после вращения под
нагрузкой, устанавливаемой конструктором. Пятно контакта (рис. 4.1.)
определяется относительными размерами (в процентах): по длине зуба -
отношением расстояния а между крайними точками следов прилегания за вычетом
разрывов с, превышающих модуль в мм, к длине зуба b, т.е.
[(a-c)/b](100%; по высоте зуба - отношением средней (по длине зуба) высоты
прилегания hm к высоте зуба соответствующей активной боковой поверхности
hp, т.е. (hm/hp)(100%.
В ГОСТ 1643-81 введено понятие мгновенное пятно контакта, определяемое
после поворота колеса собранной передачи на полный оборот при лёгком
торможении.
Полнота контакта зависит от погрешностей установки заготовки на станке
(её торцевого биения), неточности станка (непараллельности направления хода
фрезерного суппорта оси вращения стола и его перекоса), а для косозубых
колёс также от погрешностей винта подачи зуборезного станка. Притирка и
приработка зубьев сопряжённых колёс улучшают их контакт.
На полноту контакта влияют погрешности формы зубьев и погрешности их
взаимного расположения в передаче.
При соответствии суммарного или мгновенного пятна контакта требованиям
стандарта контроль по другим показателям, определяющим контакт зубьев в
передаче, не является необходимым. Допускается определять пятна контакта с
помощью измерительного колеса.
5. ВИДЫ СОПРЯЖЕНИЙ ЗУБЬЕВ КОЛЁС В ПЕРЕДАЧЕ
Для устранения возможного заклинивания при нагреве передачи,
обеспечения условий протекания смазочного материала и ограничения мёртвого
хода при реверсировании отсчётных и делительных реальных передач они должны
иметь боковой зазор jп (между нерабочими профилями зубьев колёс). Этот
зазор необходим также для компенсации погрешностей изготовления и монтажа
передачи и для устранения удара по нерабочим профилям, который может быть
вызван разрывом контакта рабочих профилей вследствие динамических явлений.
Такая передача является однопрофильной (контакт зубьев колёс происходит по
одним рабочим профилям). Только передача, изготовленная точно по
номинальным параметрам (теоретическая зубчатая передача) является
беззазорной двухпрофильной (контакт зубьев колёс происходит одновременно по
правым и левым боковым профилям) и имеет постоянное передаточное отношение
i=z1/z2=(2/(1,
где z1 и z2 - число зубьев колёс, (1 и (2 - угловые скорости колёс.
Для удовлетворения требований различных отраслей промышленности,
независимо от степени точности изготовления колёс передачи, предусмотрено
шесть видов сопряжений, определяющих различные значения jmin (рис. 5.1.).
Сопряжения А, В, С, D, Е, Н применяют соответственно для степеней точности
по нормам плавности работы: 3-12; 3-11; 3-9; 3-8; 3-7; 3-7.
Установлено шесть классов отклонений межосевого расстояния,
обозначаемых в порядке убывания точности римскими цифрами от 1 до 6.
Гарантированный боковой зазор в каждом сопряжении обеспечивается при
соблюдении предусмотренных классов отклонений межосевого расстояния (для
сопряжений Н и Е – 2 класса, для сопряжений D, С, В и А – классов 3, 4, 5 и
6 соответственно). Соответствие видов сопряжений и указанных классов
допускается изменять.
На боковой зазор установлен допуск Тjn, определяемый разностью между
наибольшим и наименьшим зазорами. По мере увеличения бокового зазора
увеличивается допуск Тjn. Установлено восемь видов допуска Тjn на боковой
зазор: x, y, z, a, b, c, d, h. Видам сопряжений Н и Е соответствует вид
допуска h, видам сопряжений D, C, B и А – соответственно виды допусков d,
c, b и а. Соответствие видов сопряжений и видов допусков Тjn допускается
изменять, используя при этом и виды допуска z, y и х. В результате
увеличения температуры при работе передачи размеры колёс увеличиваются в
большей степени, чем расстояние между их осями, поэтому боковой зазор
уменьшается.
Погрешности изготовления и монтажа колёс учитывают при определении
наибольшего бокового зазора. Разность между наибольшим и гарантированным
зазорами должна быть достаточной для компенсации погрешностей изготовления
и монтажа колёс. Боковой зазор обеспечивают путём радиального смещения
исходного контура рейки (зуборезного инструмента) от его номинального
положения в тело колеса. Под номинальным положением исходного контура на
зубчатом колесе, лишённом погрешностей, при котором номинальная толщина
зуба соответствует плотному двухпрофильному зацеплению.
6. ОБОЗНАЧЕНИЕ ТОЧНОСТИ КОЛЁС И ПЕРЕДАЧ
Точность изготовления зубчатых колёс и передач задают степенью
точности, а требования к боковому зазору – видом сопряжения по нормам
бокового зазора. Примеры условного обозначения: 7-С ГОСТ 1643-81
–цилиндрическая передача со степенью точности 7 по всем трём нормам, с
видом сопряжения зубчатых колёс С и соответствием между видом сопряжения и
видом допуска на боковой зазор (вид допуска С), а также между видом
сопряжения и классом отклонений межосевого расстояния; 8-7-6-Ва ГОСТ 1643-
81 - цилиндрическая передача со степенью 8 по нормам кинетической точности,
со степенью 7 по нормам плавности, со степенью 6 по нормам контакта зубьев,
с видом сопряжения В, видом допуска на боковой зазор а и соответствием
между видом сопряжения и классом отклонений межосевого расстояния.
Пример обозначения передачи со степенью точности 7 по всем нормам, с
видом сопряжения колёс С, видом допуска на боковой зазор а и более грубым
классом отклонений межосевого расстояния – V (при аw=450 мм. И уменьшенном
гарантированном боковом зазоре j’n min=128мкм.): 7-Са/V- 128 ГОСТ1643-81.
Здесь уменьшенный гарантированный зазор определён по формуле j'n min=jn
min–0,68((f’a( - ( fa( )=155-0,68(120-80)(128 мкм, где отклонение f’a
межосевого расстояния для более глубокого класса, гарантированный боковой
зазор jn min и предельное отклонение fa межосевого расстояния для данного
вида сопряжения найдены по таблице ГОСТ 1643-81.
При более точном классе отклонений аw боковой зазор в передаче больше
табличного и его в обозначении можно не указывать.
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ
Якушев А.И., Воронцов Л.Н., Федотов Н.М. Взаимозаменяемость,
стандартизация и технические измерения. – М.: Машиностроение, 1986. – 352
с.
-----------------------
Рис. 2.1. Схема определения кинематической погрешности зубчатой передачи
Рис. 2.2. Кривая кинематической погрешности зубчатого колеса
Рис. 4.1. Пятно контакта зубьев в передаче
Рис. 5.1. Схема расположения полей допусков Tjn для принятых видов
сопряжений зубьев зубчатых колес
Реферат на тему: Изготавление изделий из пласмассы
Государственный комитет РФ по народному образованию.
Ковалев В. Г.
Основы технологии изготовления деталей из пластмасс.
Учебное пособие по курсу “Технология приборостроения”
Москва,1998
Содержание
1. Введение
....................................................................
...................... 3
2. Физико-химические основы строения полимеров
.................... .... 4
2.1. Строение полимеров
....................................................................
. 4
2.2. Свойства полимеров
....................................................................
.. 5
2.3. Пластические массы
....................................................................
. 8
2.3.1. Классификация пластмасс
......................................................... 8
2.3.2.Технологические свойства
........................................................ 10
2.3.3. Физико-химические основы переработки
............................... 11
2.3.4. Марочный ассортимент
............................................................ 14
3. Выбор пластмасс
....................................................................
........ 15
3.1. Признаки выбора
....................................................................
..... 15
3.2.Порядок выбора и алгоритм выбора
............................................ 15
4. Способы изготовления деталей из пластмасс
............................... 20
4.1.Классификация способов
............................................................. 20
4.2. Способы горячего формования
.................................................. 20
4.2.1. Подготовка полимеров к переработке
..................................... 21
4.2.2. Особенности формования аморфных полимеров
.................... 23
4.2.3. Особенности формования кристаллизующихся полимеров ... 24
4.2.4. Температурно-временная область переработки
...................... 26
4.2.5. Технологическая характеристика способов
горячего формования
....................................................................
......27
4.3. Способы механической обработки
............................................. 33
4.3.1. Особенности обработки
........................................................... 34
4.3.2. Технологическая характеристика способов
обработки........... 35
5. Выбор способа изготовления детали
............................................. 37
6. Технологичность конструкции детали
…....................................... 38
Задания для самоконтроля
.................................................................
55
Аннотация
В работе представлены физико-химические основы строения,
классификация, свойства, выбор пластмасс и способы переработки;
представлены также технологические особенности горячего формования
и механической обработки пластмасс. Для выбора материала и способа
переработки приведены алгоритмы.
Весь материал в работе изложен с учетом новейших достижений в
области строения, классификации и особенностей переработки
пластмасс.
Учебное пособие предназначено для самостоятельного изучения
раздела ТПС “Основы технологии изготовления деталей из пластмасс”
студентами приборостроительных специальностей МГТУ им. Н.Э.
Баумана.
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 ( и
скоростью сдвига ( линейная (закон Ньютона для вязких жидкостей):
(=(((, где ( - 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-ш|Волокнистые |Слоистые |
| | |ок |пластики |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, |180-500 |200-450 |- |
| |НВ | | | |
| 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 |3.2-10 |6-10 |5-8 |
| |частоте 50 ГЦ | | | |
| 7 |Тангенс угла | | | |
| |диэлектрических потерь | | | |
| |при частоте : |0.004-0.01 |- |- |
| | |0.12-0.1 |0.04-0.12 |0.002-0.5 |
| |- 1 Мгц | | | |
| |- 50 Гц | | | |
| 8 |Удельное сопротивлеие, | | | |
| |ом |100-200000 |0.1 - 100 |0.01-1000 |
| |(v |- |10 - 2000 |- |
| |(s | | | |
| 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:
| |
