Введение

Штамповка – это метод формования деталей, в процессе которого заготовку нагреванием переводят в эластическое состояние и подвергают плоскостной вытяжке избыточным давлением газа, жидкости или действием пуансона. При этом происходит ориентация материала в направлении вытяжки, а форма детали фиксируется охлаждением полимера до температуры ниже температуры стеклования.

Штамповкой изготавливают детали из термопластичных заготовок, имеющих форму листа, трубы или пробирки. В данной работе рассматриваются методы штамповки деталей из листовых заготовок, а также приоритетность методов, с помощью которых выгодно изготавливать детали.

Полуфабрикаты для изготовления деталей штамповкой – это заготовки преимущественно из ненаполненных термопластов, способных при нагревании выше температуры стеклования проявлять значительные эластические деформации.

Цель работы: провести анализ полимерных материалов, пригодных для формования деталей штамповкой. Подробно рассмотреть характеристики ударопрочного полистирола и АБС-пластиков (аморфные материалы), а также полипропилена (кристаллизующийся материал), раскрыть технологические особенности формирования деталей из листовых термопластов методом штамповки.

1 Термопласты, применяемые для изготовления деталей методом штамповки

Для формования детали методом штамповки используются листовые заготовки из аморфных и кристаллизующихся термопластов. Формообразование детали происходит за счет реализации эластических деформаций.

1.1 Общие положения теории эластичности

Эластическое состояние - это такое состояние, находясь в котором полимер способен к очень большим обратимым деформациям, развивающимся под действием небольших нагрузок. Это явление называется эластичностью.

Средние расстояния между макромолекулами в полимере не меняются, следовательно, внутренняя энергия его остается постоянной. Типичная кривая зависимости относительной деформации от напряжения при растяжении приведены на рисунке 1.1.

Рисунок 1.1 - Типичная кривая зависимости напряжения от относительной деформации

в эластическом состоянии [1].

На первом участке кривой закон Гука (σ = Е∙ε) формально соблюдается только при очень малых напряжениях и деформациях. На втором участке кривой малым изменениям напряжения отвечают очень большие эластические деформации. Третий участок кривой, на которой большим изменениям напряжения соответствуют очень малые величины деформации, обусловлен изменением структуры материала в процессе деформирования (эластическая деформация отсутствует). Из рисунка 1.1 следует, что на всем втором участке модуль упругости не является постоянной величиной, он зависит от приложенного напряжения. Однако для всех напряжений он очень мал и составляет от 0.2 до 10 МПа. При этом с повышением температуры модуль возрастает, и эластическая деформация сопровождается нагреванием образца. Отсюда следует предположение о кинетической природе эластической деформации, которая не может быть обусловлена движением гигантских макромолекул. Причиной кинетического характера является тепловое движение звеньев цепи, вследствие которого цепи изгибаются и принимают различные конформации под влиянием приложенного механического поля. В данном случае проявляется кинетическая гибкость цепи полимера [1].

Равновесному состоянию гибкой цепи соответствует ее свернутая форма. Если при помощи внешних сил выпрямлять такие цепи, то тепловое движение звеньев цепи противодействует этим силам. Однако это противодействие не очень велико, и цепи при сравнительно небольших напряжениях распрямляются (изменяется конформация), что может сопровождаться очень большим удлинением образца. После снятия нагрузки цепи возвращаются в исходное состояние, т.е. сворачиваются, и исходная длина образца восстанавливается. Поэтому эластическая деформация обратима.

Таким образом, с молекулярной точки зрения, сущность эластичности состоит в распрямлении свернутых длинных гибких цепей под влиянием приложенной нагрузки и их возвращении к первоначальной форме после снятия нагрузки. При этом в идеальном случае перемещаются только малые участки цепей при отсутствии заметных перемещений всей цепи. По диаграмме состояния полимера т.е. зависимости разрушающего напряжения при растяжении и деформации от температуры можно провести оценку перерабатываемости и применимости того или иного полимера [1].

Для формования деталей из листовых термопластов наибольший интерес представляет область эластического состояния, которая занимает относительно большой интервал температур. Напряжение при растяжении в этой области значительно меньше напряжения в твердом состоянии (при комнатной температуре). Деформация растяжения при этом проходит через максимум и значительно превышают деформацию того же материала в твердом состоянии. В связи с этим в эластической области имеется такой интервал температур, в котором прочность при растяжении настолько мала, а деформация растяжения настолько велика, что становится возможным осуществление большой вытяжки при относительно небольшом усилии формования. Состояния полимеров, проявляющиеся при их нагревании, повторяются в обратной последовательности при охлаждении, причем заданная форма, например при формовании в области эластического состояния, при соответствующем фиксировании (охлаждение без снятия усилия формования) сохраняется. Таким образом, поведение полимера при нагревании и охлаждении может быть использовано для формования деталей из листовых заготовок.

Физически эластическое состояние объясняется наличием микроброуновского движения макромолекул полимера, а именно вращением сегментов макромолекул вокруг их главных валентных осей.

После формования в эластической области и последующего охлаждения детали остаточные напряжения замораживаются. Напряжения тем больше, чем ниже температура формования, чем выше скорость формования и чем быстрее происходит процесс охлаждения изделия.. Эти замороженные напряжения при нагреве до температур, близких к температуре стеклования, приводят к изменению формы детали (короблению), которое называют термоупругим последействием. Технологические условия формования деталей выбирают таким образом, чтобы указанный эффект был как можно меньше. При этом достигается минимум остаточных напряжений и резко увеличивается интервал температур применения изделий.

Иногда указанный эффект специально усиливают. Так поступают при производстве термоусадочных рукавных пленок, муфт, фитингов. Следует отметить также, что наряду с описанными выше методами формования в области эластической деформации, применяют в промышленности изготовление деталей из полимерных материалов так называемые методы холодного формования листовых полимеров. При холодной штамповке для формообразования используется механическая вытяжка, и процесс формования протекает с высокой скоростью [1].

При этом за счет превращения механической энергии в тепловую, происходит частичный разогрев формуемой заготовки. Этот метод производительнее, чем метод горячего формования, однако, он может быть применен лишь для особого ассортимента деталей и не пригоден для формования деталей из полимеров, не способных при температурах ниже температуры стеклования проявлять вынужденные эластические деформации.

При горячем формовании аморфных термопластов процесс протекает в относительно широком интервале температур. При формовании этим же методом частично-кристаллизующихся полимеров процесс протекает в более узком интервале температур. С достижением температуры стеклования в аморфной части хотя и имеет место микроброуновское движение, однако достижению эластических свойств препятствует усиливающееся воздействие кристаллизующихся частей полимеров. Наконец, в непосредственной близости от температуры плавления кристаллов в очень узком интервале температур наблюдается некоторое снижение прочности и увеличение деформации растяжения, т.е. только в узком интервале температур возможно формование частично-кристаллизующихся полимеров горячим методом.

Таким образом, изготовлять деталь штамповкой можно как из аморфных, так и из частично кристаллизирующихся термопластов, а также из наполненных и не наполненных термопластичных полимерных материалов [2].

При выборе термопластов, пригодных к штамповке, предпочтение отдается аморфным полимерам, имеющим большую область эластического состояния. В связи с чем упрощается процесс формования, поскольку такой материал более податлив (малые энергозатраты на процесс формования).