3. Изготовление деталей из полимерных композиционных материалов. Изготовление резиновых деталей и полуфабрикатов.
В качестве матрицы в композиционных материалах на неметаллической основе используют отвержденные эпоксидные, полиэфирные, фенольные, полиамидные и другие смолы. Наиболее распространены композиции, армированные стеклянными, углеродными, органическими, борными и другими волокнами.
Композиционные материалы с полимерной матрицей обнаруживают целый ряд достоинств: высокие удельные прочностные и упругие характеристики, стойкость к воздействию агрессивных сред, хорошие антифрикционные и фрикционные свойства наряду с высокими теплозащитными и амортизационными свойствами. Однако эти материалы не лишены недостатков: низкая прочность и жесткость при сдвиге и сжатии, снижение прочности при повышении температуры до 100-200 оС, изменение физико-химических характеристик при старении под воздействием климатических факторов.
В настоящее время пластики получают все большее распространение по причине простоты, технологичности и дешевизны производства из них деталей.
Обеспечить прочную связь между волокном и матрицей можно при полном смачивании жидкой связующей упрочняющих волокон. Например, эпоксидная смола лучше других смачивает углеродные и борные волокна.
Изделия из композиционных материалов с полимерной матрицей стараются получать одновременно с материалом.
Технология производства изделий с полимерной матрицей, армированной волокнами, включает следующие операции:
подготовка упрочняющих волокон: удаление замасливателя, нанесение на поверхность водоотталкивающих покрытий, снование, т.е. перемотка и укладывание волокон (лент) в однонаправленную полосу – ровнину;
приготовление связующего: проверка компонентов связующего, приготовление смеси компонентов (компаунда);
пропитка: пропитка волокон связующим, подсушивание и частичное отверждение;
формование;
отверждение;
удаление оправки;
контроль качества изделий;
механическая обработка и соединение с другими деталями.
Детали из пресс-порошков получают прямым или литьевым прессованием при 15-85 оС.
Переработка пластмасс в изделия отличается спецификой методов и технологических приемов. При выборе метода переработки пластмасс в изделия учитывается: физическое состояние материала при нагревании и его отношение к теплу, (термопластичность и термореактивность) конструктивные особенности изделия, условия его эксплуатации и др. Известно, что в зависимости от температуры аморфный полимер может находиться в трех различных состояниях, которые характеризуются термомеханической кривой рис. 14.1. Кривая выражает зависимость деформации полимера, находящегося под постоянной нагрузкой, от температуры. При низких температурах до Тс - температуры стеклования, деформация Е% мала и ее рост не значителен. Это стеклообразное состояние полимера. Выше температуры Тс наблюдается резкий рост деформации, полимер переходит в высокоэластичное состояние. В этой области вплоть до Тт – температуры текучести - деформация мала изменяется с ростом температуры. Вблизи Тт материал переходит в вязкотекучее состояние. Таким образом, для полимера наблюдаются области трех физических состояний: стеклообразного, высокоэластичного и вязкотекучего. Это и определяет выбор метода переработки и температурные интервалы.
Рис. 14.1. Термомеханическая кривая аморфного полимера: I – область стеклообразного состояния; II – область высокоэластического состояния; III – область вязкотекучего состояния
Получение деталей из пластмасс в твердом состоянии
Пластмассы в холодном состоянии (без нагрева) подвергаются следующим видам обработки: холодному формованию листовых заготовок, объемной штамповке, резанию, разделительной штамповке (вырубка, пробивка, зачистка). Холодному формованию листовых заготовок, сходному с листовой штамповкой, подвергают полимеры, обладающие высокой деформативностью и эластичностью (полиэтилен, полипропилен, поливинилхлорид). Изделия из данных материалов нельзя эксплуатировать при повышенных температурах. Нельзя изготавливать детали с тонкой стенкой и сложной формы. Операция проводится при t на 10-20оC ниже температуры размягчения материала. Метод используется при получении плит, труб, втулок, профильных изделий. Операции по разделительной штамповке выполняются режущим инструментом со специальной формой режущих кромок с сильным прижатием листа по контуру среза к деревянным или фибровым подкладкам. Заостренный передний угол режущей кромки позволяет концентрировать усилие резания на небольшой площади, уменьшая возможность появления трещин. Пластмассы подвергаются также всем видам обработки резанием, выполняемых на обычных металлорежущих станках.
Получение деталей из пластмасс в высокоэластичном состоянии.
Сущность процесса заключается в том, что материал нагревается до температуры Тс-Тт и подвергается формованию при данной температуре за счет давления. Применяется для получения листовых, пленочных или трубных изделий или заготовок. Наибольшее распространение получили следующие методы:
формование изделий с помощью механической вытяжки;
вакуумное и пневматической формование.
При механической вытяжке лист или пленку закрепляют на матрице и с помощью прижимной рамы подвергают вытяжке пуансоном рис. 14.2. Применяется главным образом при ручном производстве штучных изделий.
При вакуумном или пневматическом формовании процесс осуществляется аналогично, но вместо пуансона работу выполняет вакуум или инертный газ рис. 14.3.
Рис. 14.2. Схема рабочего узла для прессования пластмассовых деталей: 1 –пресс-форма; 2 – порошок полимера (пресс-порошок); 3 – пуансон; 4 – деталь
Методы переработки пластмасс в вязкотекучем состоянии.
Сущность процесса переработки полимерных материалов в изделия в вязкотекучем состоянии заключается в нагревании материала до температуры выше Тт, формообразовании при этой температуре за счет приложения давления и фиксации полученной формы. Принципиальное различие в переработке реактопластов и термопластов в вязкотекучем состоянии заключается в фиксации полученной формы. Для термопластов процесс фиксации формы осуществляется вследствие охлаждения отформованного изделия в формующем инструменте (пресс-форме) подводимым хлажагентом.
Рис. 14.3. Схема выдувания: а – заготовка в пресс-форме; б – изделие готово; 1 – пресс-форма; 2 заготовка; 3 – основание
При переработке реактопластов процесс фиксации формы происходит при непрекращающемся нагреве до температуры отверждения, сопровождающегося химической реакцией и образованием пространственно сшитой структуры. Охлаждение готового (отверженного) изделия осуществляется вне пресс-формы.
Для переработки термопластов в вязкотекучем состоянии применяют следующие методы: экструзию, литье под давлением, центробежное литье, свободное литье, каландрование.
Реактопласты перерабатывают методом прессования (прямое и литьевое прессование). Для переработки термопластов в вязкотекучем состоянии применяют экструзию, литье под давлением, центробежное литье, каландрование.
Для изготовления деталей сложной конфигурации с применением арматуры, с углублениями и глубокими отверстиями, оформляемыми с помощью вставок, используют метод литьевого прессования, рис. 14.4.
Рис. 14.4. Схема литьевого прессования
Литьевое прессование позволяет частично устранить низкую производительность, свойственную методу прямого прессования. Основным отличием метода литьевого прессования является то, что сырье загружают не в пресс-форму, а в отдельную литьевую камеру 2, где материал доводится до вязкотекучего состояния и с помощью литьевого плунжера 1 через литниковую систему 3 вводится в оформляющую полость 4, снабженную знаками (или вставками) 5 для оформления отверстий и углублений. По завершению процесса отверждения готовая деталь извлекается из пресс-формы с помощью выталкивателей 6.
Недостатком литьевого прессования является получение больших отходов за счет неизбежных излишков материала, отверждаемого в литьевой камере (средняя цифра составляет 40%).
Экструзия – непрерывное продавливание порошка, гранул или расплава через формующий инструмент для получения изделий бесконечного типа заданного профильного сечения (труб, листов, пленок, оболочек для кабелей и т.д.). Процесс осуществляется на специальных машинах – экструдерах рис. 14.5. Вращение шнеку задается от электродвигателя.
В процессе переработки исходный материал из загрузочного устройства поступает на шнек и перемещается в осевом направлении. При перемещении материал уплотняется, расплавляется, происходит удаление воздуха и гомогенизация расплава, развивается давление, под действием которого расплав продавливается через охлаждаемый формующий инструмент. Уплотнение происходит за счет уменьшающегося шага и глубины нарезки шнека.
К недостаткам экструзионного метода следует отнести сложность управления процессом, высокую стоимость оборудования и формующего инструмента.
Рис. 14.5. Экструдер для производства труб из термопластичных материалов: 1 – станина; 2 – загрузочный бункер; 3 – формующий инструмент; 4 – шнек; 5 – обогреватель; 6 - калибровочное устройство; 7 – рольганг; 8 – готовая труба
Каландрование – процесс непрерывного продавливания полимерного материала через зазор между вращающимися навстречу один другому валками. Но в отличие от вальцевания при каландровании материал пропускается между несколькими зазорами для калибрования полученных рулонных материалов и пленок рис. 14.6. Валки каландров, внутри которых расположены каналы для подвода теплоносителя, изготавливают из стали или серого чугуна.
Кроме получения листовых и пленочных материалов каландрование применяют для одностороннего или двухстороннего нанесения полимерных покрытий на текстильное и бумажное полотно, нанесения тиснений на пленки и слоистые материалы (рельефного рисунка).
Рис. 14.6. Каландрование: а – вертикальное; б – L-образное; в – Г-образное; г - Z-образное; д – S-образное
Получение пластмассовых деталей сваркой и склеиванием
Сварке повергаются, главным образом, термопластичные материалы, хотя в настоящее время имеется химическая сварка и для реактопластов. Сварка термопластов основана на их способности при нагреве переходить в высокопластичное и вязкотекучее состояние, при котором с приложением небольшого давления к соединяемым частям возрастает диффузия макромолекул пограничных слоев с образованием прочной связи. Нагрев пластмасс, во избежание деструкции материала, должен быть кратковременным с точным соблюдением интервала нагрева. В настоящее время для сварки пластмасс применяют сварку нагретым воздухом, нагретым инструментом, током высокой частоты, трением и др. рис. 14.7.
Рис. 14.7. Сварка роликами: 1 – нагреватель; 2 – свариваемый материал; 3 - ролики; 4 – изделие
Большое распространение получил метод склеивания пластмасс. Процесс склеивания состоит из ряда операций: подготовки поверхностей, нанесения клея, его просушки, сборки соединения, выдержке под давлением при заданной температуре. Склеивание пластмасс осуществляется с помощью растворителей или специальных клеев.
Хорошо склеиваются полярные пластмассы (фенопласты, аминопласты, органические стекла и др.) Склеивание неполярных пластмасс сопряжено с необходимостью активации материала радиоактивным излучением или химической обработкой.
Склеивание термопластов осуществляется с помощью растворителей и специальных клеев. Так, органические стекла (полиметилметакрилат), склеивают дихлорэтаном, полистирол – бензолом или раствором полистирола в бензоле и т.д. Клеи для соединения термопластов изготавливаю.т путем из растворения в соответствующем растворителе.
Для склеивания термопластов, стеклопластиков и других пластмасс применяются также термореактивные смолы и клеевые композиции на его основе. При этом образование прочного соединения осуществляется путем перевода клея в термореактивное твердое состояние, для чего в клей вводят специальные отвердители. Имеются клеи холодного и горячего отверждения.
Производство деталей из резины
Резиновые изделия изготавливаются из листов сырых резиновых смесей. Сырая листовая или профилированная резина становится конструкционным материалом только после вулканизации. Методы переработки сырой резины в изделия принципиально не отличается от методов переработки термореактивных пластмасс. К ним относятся: каландрование (получение прорезиненных тканей, лент), экструзия (производство шнуров, лент, трубок, рукавов), прессование (муфты, кольца, шины, изделия сложной формы), литье.
Технология приготовления резиновых смесей состоит из ряда операций, выполняемых в определенной последовательности. Основные операции - подготовка ингредиентов, их смешивание и получение полуфабрикатов требуемой формы.
Перед смешиванием каучук нарезают на куски и пластифицируют путем многократного пропускания через нагретые до 40-50 оС валки. Таким образом улучшают способность каучука смешиваться с другими составляющими. При смешивании строго соблюдаются не только определенные пропорции, но и последовательность смешения ингредиентов. Первыми обычно вводят в смесь пртивостарители, а последними вулканизаторы (серу или оксиды цинка, магния) и ускорители вулканизации.
Процесс смешения проводят в резиносмесителях закрытого типа или вальцовочных машинах. Полученная в результате смешения масса подвергается каландрованию.
Каландрование проводят на специальных машинах- каландрах – и получают в результате сырую резину в виде листов, лент определенной толщины. По конструкции каландры представляют трехвалковую клеть листопрокатного стана. Два валка, верхний и средний, имеют температуру 60-90 оС, а нижний – 15 оС. Резиновая масса, проходя в зазоре между верхними валками, нагревается, обволакивает средний валок и выходит через зазор между верхним и нижним валками.
Листы каландрованной резины (не вулканизированной) наматывают на деревянные бобины, предварительно разделив прокладочной тканью и тем самым предотвращая их слипание. В таком виде сырая резина может сохраняться при 5-20 оС до трех-шести месяцев.
Из сырой резины методами прессования и литья под давлением изготавливают детали требуемой формы и размеров.
Горячую вулканизацию проводят в котлах или вулканизационных прессах и др. под давлением при строгом температурном режиме в пределах 130-150 оС. Вулканизационной средой могут быть горячий воздух, водяной пар, горячая вода, расплав соли. Основной параметр вулканизации – время – определяется составом сырой резины, температурой вулканизации, формой изделий, природой вулканизационной среды и способом нагрева.
Вулканизацию можно проводить при комнатной температуре. В этом случае сера отсутствует в составе сырой резины, а изделие обрабатывают в растворе или парах дихлорида серы или атмосфере сернистого газа.
Осуществлять вулканизацию можно с помощью сверхвысокочастотного или γ – излучения.
В результате вулканизации увеличивается прочность и упругость резины, сопротивление старению, действию различных органических растворителей, изменяются электроизоляционные свойства.
Для защиты разнообразной химической аппаратуры и ее элементов широко используется процесс обкладки сырой резиной с последующей ее вулканизацией. Этот процесс называется гуммированием. Основным способом соединения резиновых деталей является склеивание резиновыми клеями. В практике используются и другие методы соединения (сшивание нитями, проволокой), заклепками, болтами.