литература / Konstruirovanie_plastmassovykh_izdeliy_dlya_litya_pod_davleniem
.pdf
174 . КОНСТРУИРОВАНИЕ ПЛАСТМАССОВЫХ ИЗДЕЛИИ ДЛЯ ЛИТЬЯ ПОД ДАВЛЕНИЕМ
Эта карта имеет большое практическое значение npi i работе с изделиями из пластмас сы, поскольку существуют проблемы, которые невозможно предсказать заранее (проявле ние линий спая и прочность в этих местах, коробление, возникновение утяжин и т. д.).
Этап 7 — Прототипирование
Для оценки возможности изготовления и эксплуатационных характеристик дан ного изделия изготавливается прототип. Прототипирование необходимо, поскольку все процессы по проектированию и оценке эксплуатационных характеристик (напри мер, структурный анализ) до этого момента носили лишь теоретический характер.
Чтобы получить более реалистичные результаты, необходимо отлить прототип изделия из материала, который предполагается использовать. Для изготовления про тотипа небольшого размера обычно используется одногнездпая литьевая форма, а для больших прототипов — «мягкая» оснастка.
Процесс прототипировання может занять большой период времени и оказаться дорогостоящим, однако лучше заранее просчитать все возможные проблемы, связан ные с изготовлением и соответствием заданным эксплуатационным характеристи кам. Для минимизации затрат на переделку оснастки следует использовать техноло гии экономного расхода стали (одпогнездные, а не сложные многогнездные формы, «мягкую» оснастку и т. п.). Изготовление прототипа литьем под давлением позволя ет проверить инженерные функции и возможность производства изделия, но суще ствуют и другие возможности быстрого прототипирования. Такие прототипы имеют ограниченные функциональные параметры, но пригодны для оценки определенной информации и могут быть получены задолго до изготовления формующего инстру мента и более реальных прототипов (см. главу 5).
Этап 8 — Формующий инструмент и Этап 9 — Производство
Как только прототипы формующего инструмента и изделий оценены и модифи цированы, можно начинать предварительное изготовление производственной оснас тки. Чтобы сэкономить время, работу по изготовлению формующего инструмента очень часто начинают задолго до этого момента. Далее приступают к начальной ста дии производства изделий.
3.3.Стандартные тесты для проверки свойств полимерных материалов
Большинство данных о свойствах материала, который выпускается компанией-по ставщиком, получают стандартными методами испытаний Американского общества по испытанию материалов (ASTM) или Международной организации но стандартам (ISO).
Большинство из этих стандартных тестов представляют собой измерение в одной контрольной точке при температуре окружающей среды (например, ASTM D638) и имеют очень ограниченное применение для конструирования изделий. Другие тес ты содержат процедуры для получения более подробной информации (например, ASTM D2990). Следует также заметить, что некоторые свойства не соответствуют стандартам ASTM или ISO, существующим сегодня (например, стандартные испыта ния для получения РУГ-диаграмм).
КОНСТРУИРОВАНИЕ И ВЫБОР МАТЕРИАЛА |
175 |
Кроме того, большинство технических параметров, используемых для конструи рования изделии, получают с использованием нестандартных (внутрифирменных) испытаний.
3.4. Механические свойства полимерных материалов
3.4.1. Общие положения
Существует очень небольшое количество вариантов применения изделий из пла стмассы, при котором их структурная целостность неважна. Большинство изделий из пластмассы подвергаются различным механическим нагрузкам в процессе сборки или эксплуатации, и их структурная целостность имеет первостепенное значение.
Изделия могут быть сконструированы с учетом конкретных условий эксплуата ции (нагрузок, напряжений, деформаций), если:
1)условия приложения нагрузки при испытаниях близки к реальной ситуации
впроцессе эксплуатации (включая те, которые возникают при неправильном исполь зовании изделия), и они могут быть оценены;
2)механические свойства пластмассы могут быть описаны достаточно точно. Однако характеристики механических свойств пластмассы зависят от большого
количества параметров, связанных с условиями окружающей среды и процессом про изводства. Время действия нагрузки, ее величина, температура, химические свойства окружающей среды, воздействие ультрафиолетового излучения, степень ориентации, внутренние напряжения (зависящие от условий переработки), линии спая и аналогич ные им, будут влиять на характеристики механических свойств материала. Из-за боль шого количества переменных поставщики материалов не в состоянии полностью опре делить эксплуатационные характеристики каждой имеющейся марки материала при
Рис. 3. Ю. Геометрия контрольных образцов, используемых для оценки свойств пластмассо вых изделий. Отметим, что большинство испытаний (например, при определении механических свойств), как правило, дают информацию о свойствах изделия, а не о свойствах материала
176 |
|
КОНСТРУИРОВАНИЕ ПЛАСТМАССОВЫХ ИЗДЕЛИЙ ДЛЯ ЛИТЬЯ ПОД ДАВЛЕНИЕМ |
всех возможных условиях переработки. Однако они могут предоставить данные об общих характеристиках механических свойств. В случае, если они являются крити ческими для данных условий эксплуатации, должна быть найдена или получена до полнительная информация для выполнения более точной и полной оценки требуе мых характеристик.
3.4.2. Кратковременные зависимости напряжения от деформации
Зависимости напряжения от деформации достаточно легко получить для большинства полимерных материалов.
Как следует из названия, кратковременные испытания проводятся в течение ограни ченного периода времени (обычно нескольких минут) в лабораторных условиях. Дан ные, полученные из кратковременных испытаний, не дают полного описания характери стик механических свойств, однако они могут служить основой для выбора материала.
Данные кратковременной зависимости напряжения от деформации, которые предоставляются поставщиками материалов, обычно получают с помощью стандарт ных процедур тестирования (обычно используются универсальные испытательные машины с постоянной скоростью движения зажима). Большинство данных крат ковременных зависимостей напряжения от деформации получают при стандарт ных условиях, т. е. при комнатной температуре и относительной влажности 50 %. Из-за температурной зависимости свойств большинства пластмасс, более точный набор эксплуатационных характеристик можно получить при проведении тестов в широком температурном диапазоне. Полимерные материалы вязкоупруги, и по этому при нагружении характеристики их механических свойств меняются во вре мени. Скорость деформирования, которую получают во время процедуры тестиро вания, будет влиять на вязкостное поведение, а следовательно, и на результаты тестирования. Большинство кривых кратковременной зависимости напряжения от деформации получают при относительно небольших скоростях деформирова ния. При более высоких скоростях деформирования (например, при воздействии ударных нагрузок) материалы имеют большую твердость и хрупкость, а при не
больших скоростях деформирования, они проявляют большую эластичность и те кучесть. Воздействие высоких скоростей
Рис. 3.11. Механические свойства полимерных материалов зависят от внешних фак торов, таких как температура и отно сительная влажность, а также от дру гих факторов, к которым относится, например, скорость нагружения
КОНСТРУИРОВАНИЕ И ВЫБОР МАТЕРИАЛА |
1 7 7 |
деформирования аналогично понижению температуры, и наоборот, снижение ско ростей деформирования аналогично по воздействию повышению температуры1.
Относительная влажность существенно влияет на свойства таких гигроскопич ных материалов, как ПА. Вода ведет себя как пластификатор, и материал в условиях повышенной влажности становится пластически деформируемым2. Очень валено, чтобы данные тестирования материалов, которые используются для их выбора, были бы получены при одних и тех же условиях (то есть при одной и той же скорости деформирования). Данные, которые сообщают производители материалов, обычно получают с помощью процедур тестирования в соответствии со стандартами ASTM или ISO, в которых определены условия испытаний. Данные, полученные из диа грамм растяжения, используются в основном для выбора материалов на начальной стадии проектирования, но эти данные могут быть полезными и для конструирова ния, если условия испытаний эквивалентны условиям эксплуатации.
Но даже в этом случае влияние таких факторов, как условия переработки, старе ние и воздействие химических веществ на механические свойства материала долж ны учитываться отдельно.
По сравнению с большинством металлов и пород дерева пластмасса обладает меньшей жесткостью (то есть количественно имеет меньшие значения модуля упру-
Рис. 3.12. Зависимости напряжения от деформации у пластмасс могут существенно разли чаться. По сравнению с металлами, полимерные материалы, как правило, облада ют существенно меньшими значениями модуля упругости, особенно при повы шенных температурах
1Здесь автор в простейшей форме излагает принцип температурно-времснной аналогам для поли мерных материалов.— Примеч. науч. ред.
2Влияние влаги на эластические свойства ПА заключается не только в эффекте пластикации —
Примеч. науч. ред.
12 Зак. 593
178 КОНСТРУИРОВАНИЕ ПЛАСТМАССОВЫХ ИЗДЕЛИЙ ДЛЯ ЛИТЬЯ ПОД ДАВЛЕНИЕМ
гости). Например, ПК без добавок в 85 раз менее жесткий, чем углеродистая сталь и примерно в 28 раз менее жесткий, чем алюминий [5]. Однако, в отличие от метал лов или дерева, различные марки полимерных материалов имеют большой диапазон изменения значений жесткости — от эластичных эластомеров до очень жестких пласт масс, армированных волокнами. Обычно марки полимерных материалов молено клас сифицировать по характеру их кратковременной и долговременной зависимости на пряжения от деформации. Они могут быть как эластичными (мягкими и гибкими, с большой растяжимостью), так и текучими (со средними значениями жесткости) или жесткими/стеклоподобными (с повышенной жесткостью и линейной зависимостью изменения размеров от величины нагрузки). Зависимость напряжения от деформации количественно отражает механические свойства материалов при данной температуре, влажности и скоростях деформирования в процессе тестирования.
Нормальным напряжением а называют отношение приложенной нагрузки FK пло щади поперечного сечения Л контрольного образца:
o-F/A. |
(3.1) |
Линейной деформацией s называют деформацию материала, которая является следствием приложенной нагрузки. Деформация определяется как относительное из менение длины AI деленное на исходную длину LQ.
г = AL/L0. |
(3.2) |
Для металлов деформация обычно измеряется в следующих единицах: 10- 6 дюйм/ дюйм или см/см. Поскольку большинство пластмасс имеют большую текучесть
Рис. 3.13- Кратковременные зависимости напряжения от деформации обычно используются для первоначального отбора материалов. Кривые могут быть использованы в про цессе проектирования, если уровни деформации по величине близки тем, которые ожидаются в условиях эксплуатации будущего изделия. Полимерные материалы обычно можно разделить по свойствам на жесткие, пластичные или эластичные с точки зрения их реакции на приложенную нагрузку
КОНСТРУИРОВАНИЕ И ВЫБОР МАТЕРИАЛА |
179 |
и большие разрывные значения относительного удлинения, то деформация обычно выражается как процент удлинения (то есть деформация хЮО %). Следующие еди ницы представления деформации являются эквивалентными:
1000 ЦЕ = 1000 х 10~6 см/см = 0,001 см/см = 0,1 % .
На графике зависимости напряжения от деформации есть несколько характерных особенностей или точек, которые представляют практический интерес для конструк тора. Ниже дано описание характеристик графика, изображенного на рис. 3.14 [5-7J.
•Предел пропорциональности. Предельная пропорциональность как упругих, так
ивязкоупругих материалов определяется максимальной нагрузкой, которую в со стоянии выдерживать материал без отклонения от линейной диаграммы растяжения.
•Предел упругости. Это точка на графике зависимости напряжения от деформации, которая соответствует максимальному напряжению, которое материал в состо янии выдержать при нагружеиии и затем восстановить свои исходные размеры после снятия напряжения. Восстановление происходит не сразу, величина предела упруго сти может быть выше предела пропорциональности.
•Предел текучести (с7 ). Начальное значение напряжения па графике зависимо сти напряжения от деформации, при котором увеличение деформации не приво дит к возрастанию напряжения (то есть значение напряжения в точке, где угол накло на касательной к кривой становится равным нулю). Предел текучести наблюдается не
увсех полимерных материалов.
Рис. 3.14. Характерные точки или особенности на графике зависимости напряжения от де формации, которые представляют интерес для конструкторов
180 |
КОНСТРУИРОВАНИЕ ПЛАСТМАССОВЫХ ИЗДЕЛИЙ ДЛЯ ЛИТЬЯ ПОД ДАВЛЕНИЕМ |
|
|
|
|
•Деформация текучести (гТ). Величина деформации, соответствующая пределу текучести. Часто приводится в процентах (то есть деформация текучести х 100).
•Предел прочности (аь) (разрушающее напряжение). Напряжение в материале
вмомент его разрушения.
•Предельная (разрушающая) деформация (е/;). Величина деформации в точке разрушения материала. Часто приводится в процентах, как предельное удлинение (то есть разрушающая деформация хЮО).
•Допустимый предел текучести (®у). Используется для некоторых пластмасс, обладающих высокой текучестью или имеющих высокие значения деформации те кучести. Определяется по линии, проведенной параллельно линейному участку зави симости напряжения от деформации при заданной величине допустимой (обрати мой или необратимой) деформации, s ' — напряжение в точке пересечения этой параллельной прямой и кривой зависимости напряжения от деформации называют допустимым пределом текучести при заданной деформации.
•Истинные напряжения и деформации. В большинстве случаев для значений напряжения используют термин «условные технические напряжения». Они опреде ляются по приложенной нагрузке и величине начальной площади поперечного сече ния. Когда материалы подвергаются сжатию, сдвигу или растяжению, значения пло щади поперечного сечения меняются, особенно при больших деформациях. Истинные значения напряжения определяются путем деления приложенной нагрузки назначе ние площади поперечного сечения в каждый момент тестирования. Однако, как пра вило, приводятся значения условного напряжения и условной деформации, которые и используются на практике.
•Модуль упругости (Юнга). Модуль упругости определяется по наклону зависи мости напряжения от деформации для упругого материала (то есть для материала,
укоторого наблюдается линейная зависимость напряжения от деформации). По скольку для большинства полимерных материалов такая линейность не наблюдается, наклон касательной, проведенный в какой-либо точке к кривой зависимости напря жения от деформации, меняется вместе с изменением уровней напряжения и деформа ции или скорости нагружения. Строго говоря, термин «модуль упругости» не может быть применен к вязкоэластичным материалам, потому что для них не выполняется закон Гука.
•Начальный (тангенциальный) модуль. Наклон начального (линейного) участ ка зависимости напряжения от деформации называют начальным модулем. Началь ный модуль определяет жесткость материала при малых значениях напряжения или деформации. Для многих пластмасс линейный участок зависимости напряжения от деформации трудно определить точно, а начальный модуль определяется через тан генс угла наклона касательной к начальному участку зависимости напряжения от деформации.
Когда начальный участок зависимости напряжения от деформации не является линейным, то в качестве альтернативного метода определения модуля используется секущий модуль (обычно при деформации, равной 1 %) в качестве величины, более полно отражающей жесткость материала. Следует с осторожностью относиться к зна чениям модуля, определенных при кратковременных испытаниях для различных
КОНСТРУИРОВАНИЕ И ВЫБОР МАТЕРИАЛА |
181 |
Рис. 3.15. Когда даны значения начального модуля, предела текучести и разрушающего на пряжения, удлинения, соответствующие пределу текучести и разрушению, то мож но оценить общие свойства полимерного материала (при заданных значениях тем пературы и уровне деформации)
марок материалов, полученных от разных поставщиков, потому что эти значения очень зависимы от конкретной методики проведения испытаний и от метода вычис ления этой величины.
• Секущий модуль. Определяется как отношение напряжения к деформации в лю бой точке зависимости напряжения от деформации. Значения секущего модуля представляются в зависимости от деформации. Расчет секущего модуля необхо дим при проведении инженерных расчетов для эластомеров или пластичных поли меров (например, если эти материалы при эксплуатации могут испытывать боль шие деформации).
182КОНСТРУИРОВАНИЕ ПЛАСТМАССОВЫХ ИЗДЕЛИИ ДЛЯ ЛИТЬЯ ПОД ДАВЛЕНИЕМ
•Ударная вязкость (площадь под кривой зависимости напряжения от деформа ции). Дает возможность оцепить общую ударную вязкость материала при заданной температуре и скорости нагружения.
Если конструктор не располагает реальным графиком зависимости напряжения от деформации, следует обратиться к табличным данным, в которых приведены такие ос новные свойства материала, как начальный модуль, предел текучести, относительное удлинение, соответствующее пределу текучести, пределу прочности и относительное удлинение при разрыве. При наличии этих данных возможно грубо оценить кратковременную зависимость напряжения от деформации (рис. 3.15).
Рис. ЗЛв, Зависимости напряжения от деформации при растяжении и сжатии для пласт масс могут быть как однотипными, так и в некоторых случаях, существенно раз личными
Рис. 3.17. Для определения изгибных свойств пластмасс используются различные испы тания