Литье деталей из термореактивных пластмасс

Размещено на http://www.allbest.ru/

Литье деталей из термореактивных пластмасс

Содержание

Введение

1. Классификация пластмасс

2. Выбор пластмасс

2.1 Основные методы выбора пластмасс

2.2 Выбор базовых марок для литья под давлением

3. Способы изготовления деталей из пластмасс

3.1 Горячее прессование деталей

3.2 Подготовка полимеров к переработке

3.3 Особенности формования кристаллизующихся полимеров

3.4 Прессование

3.4.1 Прямое прессование

3.4.2 Литьевое прессование

3.5 Заливка

4. Режимы переработки полимеров

5. Усадка

6. Классификация методов переработки

7. Выбор метода переработки

8. Литье

8.1 Литье в песчано-земляные формы

8.2 Литье по выплавляемым моделям

8.3 Изготовление изделий из пластмасс литьем под давлением

8.3.1 Литье термопластов

8.3.2 Литье реактопластов

9. Оборудование для формования изделий из пластмасс

Литература

Введение

Пластмассы - материалы на основе органических природных, синтетических или органических полимеров, из которых можно после нагрева и приложения давления формовать изделия сложной конфигурации.

Ведущими производителями пластмасс и резин являются Германия и Италия, доля которых в мировом производстве составляет 22,6% и 14% соответственно.

Если российские производители делают основной упор на продажу пластмасс «общего назначения» - таких как полистирол, полипропилен, полиэтилен и поливинилхлорид, не только покрывают спрос местных покупателей на эти виды пластмасс, но и продают значительное количество за рубеж, то большая часть инженерно-технических пластмасс все еще привозится из-за рубежа.

В Россию оборудование для производства и переработки пластмасс поставляется из Германии, Италии, Австрии, Швейцарии, Франции, Кореи, Тайваня, Турции и Люксембурга.

Наибольшее количество пластмасс потребляют строительная и упаковочная отрасли промышленности. Причём потребность в различных пластмассах постоянно возрастает. В настоящее время существует устойчивая тенденция по замене многих металлов пластмассами. Это является очень экономически и технологически выгодным решением.

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.

Все свойства пластмасс зависят от их химического состава и молекулярной массы составляющих их полимеров. Прочность, твердость, температура перехода, диэлектрическая проницаемость, электрическая прочность, электрическое сопротивление, тангенс угла диэлектрических потерь и другие свойства у различных полимеров изменяются в широком диапазоне:

№	Свойства	Пресс-порошок	Волокнистые пластики	Слоистые пластики
1	Плотность, кг/м3	1390-1850	1350-1950	1300-1880
2	Предел прочности, МПа	25-130	15-500	60-500
3	Твердость по Бринеллю, НВ	180-500	200-450	-
4	Водопоглащение, %	0.07-0.8	0.2-1.8	-
5	Теплостойкость по Мартенсу, С	125-300	100-180	125-280
6	Диэлектрическая проницаемость при частоте 50 ГЦ	3.2-10	6-10	5-8
7	Тангенс угла диэлектрических потерь при частоте : - 1 МГц - 50 Гц	0.004-0.01 0.12-0.1	- 0.04-0.12	- 0.002-0.5
8	Удельное сопротивление, Ом v s	100-200000 -	0.1 - 100 10 - 2000	0.01-1000 -
9	Электрическая прочность, МВ/м	11-29	1.7-16	2-50

В настоящее время изготовление пресс-форм пользуется высоким спросом. Но это очень трудоёмкий процесс, и даже на изготовления пресс-формы для маленьких деталей уходит 3 месяца. За это время разработчик должен определить требования к внешнему виду детали, покрытие, определить массу, произвести расчёт на прочность, выбрать материал. И для создания этой конкретной детали должна быть изготовлена пресс-форма.

Также высоким спросом пользуются изделия, изготавливаемые на литьевой машине. Это устройство, в которое вводят от 60 г до 1 кг расплавленной пластмассы, выдаёт готовые изделия, вплоть до столов и стульев.

1. Классификация пластмасс

Пластмассы можно классифицировать по множеству признаков. Самым общим и выделяющим принципиальные различия свойством является возможность вторичной переплавки. Выделяют 2 класса:

1) термореактивные пластмассы (реактопласты) - при работе с ними

используется горячее прессование. Исходный состав, в который входят смолы, асбест, слюда, стеклоткань, красители, пластификаторы, загружают в пресс-форму, имеющую углубление по форме будущей детали. Состав нагревают до перехода в вязко-текучее состояние и помещают в пресс-форму, сдавливая пуансоном. После охлаждения деталь извлекают. Если эту деталь нагреть, в вязко-текучее состояние она уже не перейдёт.

2) термопластичные (термопласты) - в основном используется литьё под давлением. Состав нагревают до перехода в вязко-текучее состояние и вдавливают в разъёмную форму. В дальнейшем деталь вновь может быть расплавлена.

Признаками классификации пластмасс так же являются: назначение, вид наполнителя, эксплуатационные свойства.

По назначению различают:

1) пластмассы для работы при действии кратковременной или длительной механической нагрузки: стеклонаполненные композиции полипропилена ПП, этролы, пентапласт, полисульфон, 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, полипропилен морозостойкий, фторопласт, полисульфон, полиимиды и др.;

3) пластмассы антифрикционного назначения: фторопласты, полиимиды, текстолиты, полиамиды, фенопласты, полиформальдегид и др;

4) пластмассы электро- и радиотехнического назначения: полиэтилены, полистиролы, фторопласты, полисульфон, полиимиды, отдельные марки эпоксидных и кремнийорганических материалов и др.;

5) пластмассы для получения прозрачных изделий: полистирол, прозрачные марки фторпласта, полиамидов 6,12, , полисульфон, эпоксидные смолы и др.;

6) пластмассы тепло- и звукоизоляционного назначения: газонаполненные материалы на основе полиэтилена, полистирола, поливинилхлорида, полиуретана, полиимида, фенопласта, аминопласта и др.;

7) пластмассы для работы в агрессивных средах: полиэтилены, фторопласты, полипропилен, поливинилхлорид, полиимиды, полусольфон и другие.

По эксплуатационным свойствам различают 2 большие группы:

1) общетехнического назначения (широкого потребления);

2) инженерно-технического назначения (в военной, высокоточной промышленности).

Пластмассы общетехнического назначения (полистирол, пластики) имеют более низкие характеристики параметров эксплуатационных свойств, чем пластмассы инженерно-технического назначения. Пластмассы инженерно-технического назначения (стеклонаполненные полиамиды, фенопласты) 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 могут сохранять свои свойства при температурах от -60 до +200°С.

2. Выбор пластмасс

2.1 Основные методы выбора пластмасс

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 электрическому сопротивлению, диэлектрической проницаемости, коэффициенту светопропускания и преломления и другим признакам.

Пластмассы выбирают исходя из требований к эксплуатационным свойствам и геометрическим параметрам изделия. Поэтому сначала выбирают вид пластмассы на основе требований к ее эксплуатационным свойствам, а затем базовую марку и марку с улучшенными технологическими свойствами, которую можно эффективно переработать выбранным способом.

Существует два метода выбора вида пластмасс:

1) метод аналогий - качественный;

2) количественный метод.

Метод аналогий применяют при невозможности точного задания параметров эксплуатационных свойств пластмассы; в этом случае используют для выбора характерные параметры эксплуатационных свойств, назначение, достоинства, ограничения, рекомендации по применению и способам переработки; в этом случае для выбора также могут быть использованы рекомендации по применению пластмасс в других типах изделий, работающих в аналогичных условиях.

Порядок выбора пластмасс количественным методом по комплексу заданных значений эксплуатационных свойств сводится к следующему:

- выявление условий эксплуатации изделия и соответствующих им значений параметров эксплуатационных свойств пластмасс при основных условиях работы изделия;

- подбор пластмассы с требуемыми параметрами эксплуатационных свойств;

- проверка выбранной пластмассы по другим параметрам, не вошедшим в основные.

Наиболее удобной является эвристическая стратегия поиска и выбора пластмасс. В этом случае, отбрасывая заведомо бессмысленные варианты, используют не все множество вариантов, а лишь его наиболее нужную часть. Все множество пластмасс для этого разбивают на подмножества по определенным эксплуатационным свойствам.

Выбор оптимального или минимального числа параметров из всего возможного их числа (30-40 параметров) при выборе и оценке выбранного материала основан на учете всех наиболее ценных эксплуатационных параметров материала путем использования для этой цели нужного (по эксплуатационным параметрам) подмножества пластмасс (электро- и радиотехнические, прозрачные, тропикостойкие), остальные материалы отбрасывают. Минимальное количество учитываемых параметров определяют по выражению:

n INT(Log2 K) +1;

где K - число элементов в данном подмножестве.

С учетом этих соображений порядок выбора пластмассы следующий:

I. Составление поискового образа пластмассы:

- определение свойств изделия;

- составление параметрического ряда и определение значения параметров;

- определение приоритетов;

II. Порядок выбора:

- выбор материала по поисковым параметрам, начиная с наиболее ценного, методом последовательного приближения,

- при наличии нескольких равноценных марок материала сопоставление и выбор лучшей с помощью обобщенного показателя или по результатам опробования.

Выбор базовой марки полимера. Базовую марку полимера выбирают по вязкости (текучести) в зависимости от предполагаемого способа переработки. Далее подбирают базовую марку по вязкости (текучести) в зависимости от конфигурации и размеров детали. В справочниках (на пластмассы) обычно приведены конкретные рекомендации по применению различных марок пластмасс.

2.2 Выбор базовых марок для литья под давлением

Основными параметрами при этом являются толщина детали S и отношение длины детали к толщине L/S.

Типоразмер каждой литьевой машины характеризует: V - объем впрыскиваемого материала, Р - давление литья, Q - скорость впрыска и другие параметры и интервал толщины S получаемых изделий. Малые толщины получают на машинах с небольшим V, большие - на машинах с большим V. Для каждого типоразмера машин выделяют характерный ассортимент деталей по отношению длины к толщине L /S.

Группы изделий по отношению длины изделия к толщине (L/S) и рекомендуемые марки полимера.

Объем вспрыска V, см в куб.	Номер группы марки (изделия) по S (см. рис. 10)
	1	2	3	4
	Номер группы изделия по L/S
	1	2	3	1	2	3	1	2	3	1	2	3
16	140-93	92-62	<62	125-83	82-55	<55	115-77	76-51	<51	90-60	59-40	<40
32	165-110	110-73	<73	150-100	100-67	<67	125-83	83-55	<55	100-67	67-45	<45
63	180-120	120-80	<80	120-113	113-75	<75	135-90	90-60	<60	115-77	77-51	<51
125	205-137	137-91	<91	190-127	127-85	<85	160-107	107-71	<71	130-87	87-58	<58
250	240-160	160-107	<107	210-140	140-93	<93	175-117	117-78	<75	145-97	97-65	<65
500	280-187	187-125	<125	250-167	167-111	<111	210-140	140-93	<93	180-120	120-80	<80
1000	315-210	209-140	<140	275-183	182-122	<122	230-153	152-102	<102	190-127	126-85	<85
Рекомендуемая марка	-	2	3	2	3	4	3	4	5	4	5	5

Таким образом, каждую марку подразделяют на четыре группы для получения изделий с различной S, а каждую группу по толщине разделяют на три группы по относительной длине L/S. В таблице · 3 показано соответствие базовых марок полимера группам изделий по S и L/S.

Порядок выбора литьевой марки полимера в зависимости от размеров изделия и типоразмера литьевой машины:

1. Определяют по чертежу толщину S. При разнотолщинном изделии определяют эквивалентную равномерную толщину изделия по формуле:

Sэ =

где Si и Li - толщина и длина отдельных участков изделия.

В зависимости от V изделия определяют типоразмер машины по V и номер группы изделия (марки) по S (Sэ).

2. Определяют отношение L/S (L/Sэ), определяют номер группы изделия и пластмассы по относительной длине ( по табл.3).

3. По номерам групп толщины и относительной длины изделия определяют литьевую марку полимера и его ПТР (). Значения ПТР () приведены в таблицах справочника.

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.

Отечественная промышленность выпускает широкую номенклатуру базовых марок полиэтиленов и полипропилена. Их применяют для изготовления высокопрочных технических изделий, стойких к истиранию и растрескиванию в поверхностноактивных средах. В настоящее время выпускают также новые марки полиэтилена (270, 271, 272, 273, 279), отличающиеся повышенной прочностью и широко применяемые в электротехнической промышленности и для футеровки труб (158--123 и 208--61). Самозатухающий полиэтилен низкой плотности (ПЭНП) выпускают трех марок (106--61, 107--62, 107--63); они отличаются хорошей химической стойкостью. Стеклонаполненные по-лиэтилены низкой и высокой плотности помимо указанных выше свойств обладают хорошей водостойкостью и низким коэффициентом теплового расширения.

3. Способы изготовления деталей из пластмасс

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.

3.1 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.

3.2 Подготовка полимеров к переработке

Технологические свойства, процессы переработки и качество готовой продукции существенно зависят от влажности и температуры полимера. Придание материалу требуемой влажности сушкой или увлажнением 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 высокой эластичности расплава. Вызывая гидролитическую деструкцию 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.

Необходимо строгого нормировать содержания влаги в полимерах перед переработкой.

Сушка полимеров - удаление влаги испарением.

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.

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 пресс-формы, снизить потери материала.

Предварительный нагрев. Предварительному подогреву подвергают только реактопласты (порошки и волокна).

Предварительный нагрев производится в генераторах токов высокой частоты (ТВЧ) или в контактных нагревателях перед загрузкой его в пресс-форму с целью интенсификации процесса прессования.

Нагрев ТВЧ уменьшает время выдержки в пресс-форме, понижает давление прессования, значительно увеличивает срок службы пресс-форм. Это способствует улучшению качества изделий, увеличению производительности труда и снижению себестоимости изделий. Материал нагревается быстро, равномерно и одновременно по всему объему.

Для нагрева пластмасс используют высокие частоты ( >10 МГц).

3.3 Особенности формования кристаллизующихся полимеров

При формовании изделия, расплав полимера кристаллизуется в результате теплопередачи его тепла более холодным стенкам пресс-формы. Скорость охлаждения в разных слоях различна: в слоях, касающихся пресс-формы - наибольшая, в средних слоях - наименьшая. Скорость охлаждения и напряжение сдвига существенно влияют на структурообразование. Выделяют две предельных скорости охлаждения Vпр и Vпр и два предельных напряжения сдвига пр и пр которые условно разграничивают зависимость размеров и структурных образований на три участка. При охлаждении с высокими скоростями, больше Vпр, кристаллизация материала сопровождается только образованием зачатков кристаллитов и ламелярных образований; при охлаждении с низкими скоростями, ниже Vпр, в полимере формируются развитые сферолиты; при охлаждении с промежуточной скоростью, в пределах Vпр - Vпр, формируются промежуточные структурные образования, пропорционально скорости охлаждения. Охлаждение расплава полимера при низких напряжениях сдвига, меньше пр, практически не создает деформированных сферолитов, они симметричны; при деформировании с высокими напряжениями сдвига, выше пр, формируются сноповидные или стержневые образования (вытянутые в направлении течения); при промежуточных напряжениях сдвига в процессе формования (пр - пр) получают ориентированные сферолиты, степень ориентации зависит от напряжения сдвига.

Формирование слоевой структуры проявляется из-за интенсивного охлаждения и больших сдвиговых напряжений особенно при литье под давлением. Поэтому структура деталей сложная. В поперечном сечении детали выделяют три структурные области, формируемые в три основных периода процесса литья под давлением.

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 её учитывают в расчётах на работоспособность в зависимости от структуры.

3.4 Прессование

Этот метод применяют преимущественно для формования реактопластов. В производстве используют две разновидности прессования:

1) прямое (открытое, компрессионное) прессование;

2) литьевое (трансферное) прессование (пресс-литье).

3.4.1 Прямое прессование

При прямом прессовании в загрузочную камеру матрицы раскрытой пресс-формы 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. Прямое прессование малопроизводительный способ производства.

Прямое прессование выполняется на гидравлических прессах, управление прессов полуавтоматическое.

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	-

3.4.2 Литьевое прессование

При литьевом прессовании загрузочная камера отделена от формующей полости. Пресс-материал кладут в загрузочную камеру, где пластифицируется при сжатии под действием тепла. 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.

Пресс-литью отдают предпочтение при изготовлении толстостенных деталей, деталей с металлической арматурой, сложной конфигурацией, с тонкими стенками. Детали отличаются высокой размерной точностью.

Недостатком пресс-литья является повышенный расход материала по сравнению с обычным прессованием, так как в загрузочной камере остается часть необратимого материала.

3.5 Заливка

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.

4. 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.). При изготовлении больших деталей брак неизбежен. Но детали ни в коем случае не должны иметь трещин, металлических вкраплений, недопрессвок. Эти положения документированы по ОСТ-35. В случае брака корректируют технологические параметры переработки. Выбранные параметры корректируют с целью получения наибольшей производительности при обеспечении качества изделий.

При производстве ряда деталей, используемых в военной, научной и высокоточных областях, брак вообще не допускается в виду особой важности получаемых деталей.

Особое место стоит обратить на наличие в пресс-формах уклонов, без которых извлечение деталей было бы невозможным.

правильнонеправильно

5. Усадка

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 пресс-материала 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 реактопластов различна, т.е. полимеры имеют анизотропию усадки. Усадка термопластов больше усадки реактопластов.

6. Классификация методов переработки

Классификация процессов переработки термопластов основана на рассмотрении главным образом физического состояния полимера в момент формования:

1. Переработка пластмасс в вязкотекучем, пластицированном состоянии (литье под давлением, экструзия, прессование, каландрование, ротационное формование и др.) основана на способности расплава полимеров к значительным и необратимым пластическим деформациям (течению) при одновременном действии нагрева и давления.

2. Формование полимеров из заготовок, находящихся в размягченном (высокоэластическом) состоянии -- это методы (вакуум- и пневмоформование, раздувное формование, горячая штамповка и др.), базирующиеся на способности нагретых полимерных материалов к значительным обратимым деформациям.

3. Производство изделий из пластмасс, находящихся в твердом (стеклообразном или кристаллическом) состоянии (штамповка, прокатка, протяжка и др.), основано на возможности полимеров проявлять вынужденную эластичность.

4. Формование полимеров без давления с использованием растворов или дисперсий -- метод полива (производство пленок), ротационное формование пластизолей (изготовление игрушек), получение волокон.

Вместе с тем при переработке термопластов достаточно широко используется метод химического формования поликонденсацией мономеров, применяемый для получения крупногабаритных изделий и заготовок например из капролона В.

Классификация процессов переработки реактопластов учитывает тот факт, что исходный продукт -- олигомер -- имеет низкое значение молекулярной массы (200-3000), вследствие чего его вязкость на начальном этапе формования невелика. Практически во всех способах переработки реактопластов в исходном состоянии они вязкотекучи.

Полимерный высокомолекулярный продукт как таковой не существует. Он получается в результате химической реакции отверждения олигомера одновременно с формованием изделия из него, и существует только в виде изделия. С этих позиций методы переработки реактопластов, на наш взгляд, целесообразно подразделять на:

1. Методы прямого формования изделий:

· полимеризация в форме

· контактное формование

· мокрая намотка

· протяжка

· напыление на форму

· формование эластичным мешком

· пропитка в форме под вакуумом и давлением

2. Методы формования изделий из полуфабриката:

· прессование компрессионное и трансферное (пресс-литье)

· литье под давлением

· штранг-прессование

· формование из премиксов и препрегов

Как и у термопластов эта классификация не является категоричной, и, вероятно, может быть расширена и дополнена. При этом хотелось бы подчеркнуть, что основной объем пластмассовых изделий производится весьма ограниченным числом методов переработки, которым в данной книге и будет уделено основное внимание.

7. Выбор метода переработки

После того, как на основе анализа условий работы предполагаемого изделия, его расчета и проектирования, оценки требований к основным характеристикам был выбран конкретный полимерный материал, встает вопрос о том, каким способом его перерабатывать.

Для производства конкретного изделия так же, как и для переработки каждого полимерного материала, может быть использовано несколько различных технологий. Отсюда неизбежен выбор оптимального метода формования изделия. Здесь, и это перекликается с вопросами проектирования, первостепенное значение имеют вид, форма и размеры изделия, а также тиражность; важны и экологические аспекты производства.

Профильные (погонажные) изделия -- трубы, шланги, ленты, пленки, листы, профили различных типов -- как правило, получают с использованием экструдеров (червячных или плунжерных) и, в некоторых случаях, валковых машин (каландров). Штучные (единичные) изделия -- большой ассортимент всевозможных изделий бытового и технического назначения -- изготавливаются из термопластов литьем под давлением, прессованием, экструзионно-выдувным методом и вакуум-формованием из листов и пленок. Реактопласты перерабатываются в штучные изделия главным образом прессованием.

Емкости из термопластов -- также широкий ассортимент продукции от крохотных флаконов до баков большого объема -- производятся литьем под давлением (мелкая тара), экструзией полой заготовки с последующим раздувом и ротационным формованием (или химическим формованием). Емкости из реактопластов объемом в сотни кубометров получают намоткой, укладкой и напылением. Листовые материалы и изделия из них изготавливают прессованием на этажных прессах (текстолит, декоративные слоистые пластики) или экструзией с последующим механо-, (вакуум)-пневмоформованием листовой заготовки. Выбор материала позволяет составить достаточно полное представление о его свойствах, в частности, об особенностях и параметрах его переработки различными методами: температуре, вязкости, необходимом удельном давлении и т. д. Сопоставляя эти данные с размерами проектируемого изделия (точнее, площадью его проекции формообразующей оснастки на основные плоскости), можно оценить усилие, необходимое для смыкания и заполнения формы при литье под давлением, прессовании, формовании и т. д. Величина этого усилия позволяет выбрать соответствующий тип оборудования -- литьевой машины, пресса и т. д. В некоторых случаях этого достаточно, чтобы какие-то методы сразу отпали. Тиражность также имеет большое значение при выборе способа переработки, так как она определяет требуемую производительность используемого оборудования и его количество. Возможность использования много-гнездных форм заставляет при крупносерийном производстве отдать предпочтение таким методам переработки, как литье под давлением и прессование, тогда как при изготовлении единичных изделий это могут быть иные технологии. При определении экономической целесообразности выбора того или иного метода переработки на первый план выдвигаются вопросы производительности, качества и размерной стабильности (геометрической формы и свойств изделия). Для большинства процессов переработки стоимость оснастки весьма велика, однако количество экземпляров изделий, изготавливаемых в одной форме, может достигать нескольких сотен тысяч. Поэтому при малосерийном производстве наиболее приемлемы методы, при которых стоимость оснастки минимальна, а при крупносерийном следует учитывать в первую очередь другие факторы: стоимость и доступность сырья, количество отходов, возможность их повторного использования и т. п. С другой стороны, качество изделия и его особые свойства (точность размеров) в известной степени предопределяют как выбор метода переработки, так и качество оснастки, соответственно отражаясь на экономичности процесса и стоимости готового продукта. Поэтому выбор оптимального способа формования должен осуществляться на основе анализа всех факторов и с учетом их важности в каждом конкретном случае. Так, при изготовлении небольших партий изделий целесообразно использовать дешевую, недолговечную оснастку из дерева, гипса, легких металлов или пластмасс. При производстве крупносерийных изделий следует применять более дорогостоящую оснастку из высококачественных сталей с хромированными оформляющими поверхностями. В первом случае качество изделий (поверхность, размерная стабильность) будет ниже и может ухудшаться с увеличением числа экземпляров. Изготовление массовых изделий оправдывает создание специальных линий с высоким уровнем автоматизации и использованием роботов-манипуляторов, что обеспечивает максимальную производительность процесса при минимальном числе трудящихся.

8. Литье

8.1 Литьё в песчано-земляные формы

Литьё в песчано-земляные формы является одним из стариннейших способов литья. В приборостроении таким способом литья изготавливают в единичном производстве крупногабаритные детали из черных и цветных сплавов, имеющих сложную конфигурацию. Схема получения отливки приведена на рисунке. Как видно из рисунка, необходимо изготовить модель детали, установить её в опоку, заформовать вокруг песчано-земляную смесь, предварительно установив литники и стержни. Модель изготавливается по чертежу отливки из сухого дерева, обычно применяется бук. В последнее время все шире применяются другие материалы для изготовлениямодели, в основном это различные пластмассы.

Опока этометаллическая коробка, в которую засыпают песчано-землянуюсмесь. Литник это часть застывшего металла в отверстии, черезкоторое протекает расплавленный металл. Стержни изготавливаютсяиз такого же материала, что и модель. Стержни устанавливаются вмодель для получения различных полостей. После формовки смесимодель, и литники убираются, верхняя и нижняя опоки соединяются, и заливается расплавленный металл. Далее форма медленно остывает, при этом через песчано-земляную смесь проходят горячие газы. Далее опока разбивается, т.е. верхняя опока снимается с нижней опокой, и горячая заготовка выбивается на пол. Литник обрубается от заготовки, а песчано-земляная смесь собирается для последующей отливки. После этого отливка подвергается отпуску для снятия внутренних напряжений.



Схема последовательности получения отливки.

8.2 Литьё по выплавляемым моделям

Литье по выплавляемым моделям широко применяется в приборостроении для изготовления отливок сложной конфигурации массой от нескольких граммов до 10-15 кг, с толщиной стенок 0,3-20 мм и более, с точностью размеров до 9-го квалитета пришероховатости поверхностей от 80 до 1,25 мкм. Для литья по выплавляемым моделям применяют различные сплавы: среднеуглеродистые стали ЗОЛ-55Л, конструкционные легированные стали, углеродистые инструментальные стали У7 - У13, литейные коррозионно-стойкие и кислотоупорные стали, жаропрочные стали и сплавы, литейные латуни бронзы, силумины и другие цветные сплавы.

Процесс литья по выплавляемым моделям заключается в изготовлении модели из легкоплавкого парафиностеаринового состава, которую покрывают тонкой керамической оболочкой, формуют, выплавляют в горячей воде, а в образовавшуюся полость заливают жидкий металл. В последнее время появилось много различных других способов получения выплавляемых моделей: с помощью лазерной обработкой, с применением различных порошков и клея, композитных сплавов, трехмерного лазерного принтера, порошка и клея и т.п.

Существует и много других способов литья. Точностные характеристики отливок и получаемые шероховатости приведены в методических указаниях и в технической литературе.

8.3 Изготовление изделий из пластмасс литьем под давлением

8.3.1 Литье термопластов

Сущность способа литья под давлением изделий из термопластичных материалов заключается в следующем (рис. 1.5). В бункер 5 засыпают гранулированный материал. Через дозирующее устройство 6 он поступает в цилиндр 8 с обогревательными элементами 9. Температура материала в цилиндре повышается от начальной на входе до заданной технологическим режимом на выходе. Цикл литья начинается с замыкания подвижной половины формы 12 с неподвижной 3. Сомкнутая форма сжимает пружины 4 и примыкает к соплу 10. В этот момент плунжер 7 под давлением (до 200 МПа) впрыскивает расплав в охлаждаемую форму.

Рис. 1.5 Изготовление изделий из термопластов способом литья под ¦х давлением

Температура формы значительно ниже температуры расплава, поэтому масса быстро охлаждается и затвердевает, уменьшаясь в объеме. В результате в форме образуется незначительное пространство. Для заполнения его пластмассой, а также для предотвращения вытекания расплава из формы плунжером 7 в течение непродолжительного времени поддерживается давление. Этот период времени принято называть выдержкой под давлением. Затем плунжер 7 отходит вправо, и из загрузочного бункера 5 в материальный цилиндр поступает новая порция материала. Расплав в форме охлаждается до полного затвердевания, продолжительность которого зависит от вязкости расплава и толщины стенки отливки. Потом подвижная половина формы 12 отходит влево. Форма размыкается. Неподвижная половина под действием сжатых пружин 4 тоже перемещается влево до упора 11, и литник 2 отрывается от сопла 10. При дальнейшем перемещении подвижной половины формы влево до упора 1 форма полностью открывается и отливка выталкивается.

8.3.2 Литье реактопластов

Литье под давлением изделий из реактопластов осуществляется по аналогичной схеме, но существенно отличается технологическими режимами, обусловленными свойствами реактопластов. Реактопласты при нагревании переходят в вязкотекучее состояние. В отличие от термопластов в них одновременно протекает химическая реакция с образованием структуры* соответствующей переходу материала из вязкотекучего в твердое состояние. Изменяются все свойства материала, в том числе вязкость, которая по истечении определенного времени (т.е. по достижении определенной степени протекания реакции) начинает интенсивно возрастать. Этот период времени принято называть временем платовязкости, временем жизнеспособности. Время плато вязкости существенно зависит от температуры материала, уменьшаясь с ее ростом. Только в течение этого времени можно осуществлять пластическое деформирование материала и формообразование изделий.

Исходя из свойств реактопластов все существующие разновидности технологических схем способа литья под давлением включают в себя следующие операции: переход материала в вязкотекучее состояние посредством нагрева (пластикация), деформирование материала для формования изделий, в течение времени, меньшего времени плато вязкости (впрыск -- заполнение формы) и выдержку отформованного изделия при повышенной температуре в течение практически полного протекания реакции отвердения (выдержку под давлением и выдержку на отвердение).

В настоящее время в промышленности распространены несколько разновидностей технологических схем литья под давлением реактопластов, которое различаются между собой способами и степенью нагрева материала, а также способами ввода материала в форму и последующим его формованием.

В отечественной промышленности способ литья под давлением первоначально был освоен на оборудовании, применявшемся при прессовании. Впоследствии было создано специализированное прессовое оборудование для литья под давлением, а в послевоенные годы появился новый вид оборудования -- одно- и многопозиционные машины, существенно отличающиеся по своей конструкции от прессового оборудования. Однако сущность первоначального способа литья под давлением сохранилась по настоящее время.

Следующая операция - выдержка под давлением, во время которой литьевой поршень 2 продолжает оказывать на расплав в камере давление, передающееся в оформляющую полость 7. В течение этого времени расплав продолжает нагреваться, и вследствие нагрева в нем начинает интенсивно протекать реакция отвердения. По истечении времени выдержки под давлением, когда материал уже потерял свойство текучести, начинается следующая операция -- выдержка на отвердение. При этом литьевой поршень 2 уже не оказывает давления на материал. После завершения реакции отвердения начинается операция извлечения изделия 11. При этом литьевой поршень 2 начинает перемещаться в исходное положение, увлекая с собой остаток отвердевшего материала 10 с литником. В конце хода поршня 2 остаток материала 10 снимается с лаза, выполненного в поршне, и удаляется через окно 12 в цилиндре 1 механизмом сброса 13. После этого (или одновременно с этим) полуформы 4 и 5 раскрываются и готовое изделие выталкивается из оформляющей полости формы.

Вариант литья под давлением реактопластов, осуществляемый по технологической схеме, показанной на рис, 1.6, б, отличается от предыдущей схемы тем, что материал перед подачей в цилиндр предварительно подогревается токами высокой частоты до температуры, меньшей температуры формования (Тп.п < Тфр). Вследствие этого производительность процесса увеличивается, так как из цикла исключается время прогрева материала до вязко-текучего состояния. При этом чем ближе Тп.п к Тфр, тем большее сокращение цикла обеспечивает эта операция, по времени совмещенная с рассмотренными в схеме 1.6,а последовательными операциями. Предварительный подогрев материала обеспечивает также снижение требуемого давления в камере на стадии впрыска и улучшение воспроизводимости контуров и фактуры поверхности изделий сложной конфигурации.

Для предварительного подогрева материала кроме ТВЧ используются ч термошкафы и другие средства. На ранней стадии промышленного освоения предварительный подогрев производился вне литьевой машины.

Работа по технологической схеме, показанной на рис. 1.6, б, заключается в следующем. Порция реактопласта в виде цилиндрической таблетки 16 помещается на два ролика 15, являющиеся электродами генератора ТВЧ. Одновременное подачей напряжения ролики начинают вращаться, приводя во вращение и таблетку 16, что обеспечивает равномерность ее прогрева. По окончании подогрева расстояние между роликами 15 увеличивается, и таблетка падает в загрузочное отверстие цилиндра 14.

Объем материала, находящегося в цилиндре, превышает объемотливки только на незначительную величину (остаток). В соответствии с этим максимальная продолжительность пребывания материала (остатка) в цилиндре, практически равна продолжительности цикла изготовления изделия. Предварительный подогрев материала осуществлялся вне цилиндра.

Технологическая схема литья под давлением, изображенная на рис. 1.6, в, обеспечивает шнековую пластикацию материала и отличается от двух предыдущих тем, что остаток материала не извлекается из цилиндра, а продавливается в литниковые каналы и оформляющую полость формы в следующем цикле вместе с новой поданной в цилиндр порцией. В этом случае Т_пп и Т_т должны быть существенно ниже Тф_р, чтобы остаток от порции предыдущего цикла сохранял текучесть вплоть до завершения операции впрыска в последующем цикле. Для того чтобы достичь значительного различия Т_пп й Тф, необходимо теплоизолировать цилиндр от формы во избежание преждевременного отвердения остатка в камере цилиндра. Необходимая разность между Т_пп и Т_ф обеспечивается тем, что цилиндр и одна из полуформ контактируют только во время операций впрыска и выдержки под давлением. Благодаря этому появляется возможность создания многопозиционных машин. В этом случае один цилиндр обслуживает несколько форм и не простаивает во время операций выдержки на отвердение, раскрытия формы, извлечения изделия, чистки и смыкания форм.

Для этой технологической схемы характерно то, что материал нагревается перед впрыском в форму непосредственно в цилиндре за время, гораздо большее, чем время одного цикла. В соответствии с этим объем материала, находящегося в цилиндре, в 3-- 5 раз превышает объем отливаемого изделия. Вместе с тем Т_ш и Т_т должны быть такими, чтобы время плато вязкости материала было больше, чем суммарное время трех-пяти циклов.

Пластикация реактопласта, осуществляемая в цилиндре посредством шнека, заключается в следующем. Материал, поступающий из бункера 18 в цилиндр 17 в виде порошка или гранулята, попадает в канал 19 шнека и транспортируется в переднюю сопловую часть цилиндра. Материал прогревается как за счет теплопроводности от стенок цилиндра (электро- или жидкостный обогрев), так и за счет диссипативных тепловыделений (превращение механической работы деформирования материала в канале шнека в тепло). До 75% общего тепла, подводимого к материалу, получается за счет диссипации механической энергии.

Кроме пластикации и впрыска шнек выполняет функции давления на материал, находящийся в формообразующей полости формы. Цикл начинается смыканием подвижной полуформы с неподвижной. Затем пластикационный цилиндр со шнеком перемещается вправо до контакта сопла с литниковой частью формы. При движении шнека вперед перед ним развивается давление, обеспечивающее заполнение оформляющей полости формы. Это же давление вызывает обратное течение материала: из сопловой части по винтовому каналу шнека в направлении загрузочного отверстия цилиндра. Поэтому только часть подготовленного к впрыску материала попадает в форму. Небольшое количество материала, оставшееся перед шнеком после заполнения формы, обеспечивает передачу давления в оформляющую полость формы в течение последующей операции--выдержки под давлением. После этой операции давление шнека на материал прекращается и начинается выдержка на отвердение. В течение операций выдержки и последующих операций -- раскрытия формы и выталкивания из нее готового изделия -- механизм пластикации и впрыска отводится от формы. Момент отвода механизма пластикации впрыска устанавливается так, чтобы свести к минимуму нагрев сопла от формы, который может привести к преждевременному отвердению материала в выходном канале сопла. С выдержкой на отвердение совмещена операция пластикации: после разобщения сопла и формы шнек приводит во вращение и начинает транспортировать прогревающийся материал в сопловую часть камеры цилиндра, где развивается давление, достаточное для создания осевого усилия, перемещающего шнек влево. После накопления порции требуемого объема вращение шнека прекращается. Если время пластикации оказывается намного меньше выдержки на отвердение, то для сведения к минимуму пребывания материала в сопловой части цилиндра при повышенной Т_пп пластикацию начинают с запаздыванием по отношению к концу выдержки под давлением, так чтобы конец пластикации совпадал с концом выдержки, на отверждение.

Так как объем канала нарезки шнека составляет обычно от 2 до 5 объемов отливки, то соотношение между Т_ш и Т_фр определяется теми же параметрами, что и раньше. пластмасса