литература / Konstruirovanie_plastmassovykh_izdeliy_dlya_litya_pod_davleniem
.pdf
СТРУКТУРНОЕ ПРОЕКТИРОВАНИЕ |
313 |
шестерни существенно больше. Например, шестерня, которая имеет 24 зубца и враща ется с частотой 60 об/мин, будет подвергаться нагрузке на изгиб, действующей в тече ние 0,4 с, что соответствует частоте 2,5 Гц. Кроме того, нагрузка непрерывно меняется в течение 0,017 с, во время ее действия. Динамические нагрузки приводят к генера ции тепла из-за вязкостной диссипации. Если шестерня изготовлена из полимера, для которого характерен высокий разогрев поверхности при трении, происходит ра зогревание участков поверхности и внутренний вязкостный разогрев. В ходе этого периодического процесса промежутки времени без нагрузки недостаточны для того, чтобы температура изделия достигла равновесной температуры окружающей среды. Это значит, что изделие будет эксплуатироваться при повышенных температурах [6, 37, 38]. Обычно рекомендуется, чтобы соотношение периодов нагрузки к периодам «отдыха» составляло 1/10 [38].
Функцию, описывающую нагружение шестерни, можно подобрать. Однако если из делие подвергается ветровым нагрузкам, прогнозировать режим нагружения и пред ставить его в виде функции не представляется возможным. В большинстве случаев температурный гистерезис нежелателен.
Механическая деталь, предназначенная для передачи мощности, например, шес терня, обычно разрабатывается и изготавливается с использованием материалов, минимизирующих количество энергии, которое превращается в тепло. В тех случаях, когда необходимо демпфировать вибрационные колебания, при изготовлении изде лия целенаправленно подбираются материалы, поглощающие энергию, например, «вязкие» термореактивные или термопластичные эластомеры, демпфирующие коле бания. В других случаях, напротив, необходимо стремиться к уменьшению локально го разогрева детали. Нагревание зубцов шестерни может быть минимизировано за счет снижения трения. Локальный разогрев из-за трения может быть минимизирован за счет использования материалов, имеющих хорошо смазанную поверхность, а вязко стный разогрев может быть минимизирован за счет использования более упругих материалов. Использование полимеров с наполнителями или армирующими добавками
Рис. 4.76. Площадь петли гистерезиса определяет диссипацию энергии при вязком трении
314 |
КОНСТРУИРОВАНИЕ ПЛАСТМАССОВЫХ ИЗДЕЛИЙ ДЛЯ ЛИТЬЯ ПОД ДАВЛЕНИЕМ |
(особенно тех наполнителей, которые снижают коэффициент трения поверхности) увеличивает теплопроводность, жесткость, и, следовательно, срок службы изделия [38]. Любой способ, который способствует увеличению теплообмена между разогре тыми динамическим нагружением пластмассовыми деталями и прилегающими к ним частями, увеличивает срок службы изделия. Увеличение диаметра шестерии может уменьшить рабочую температуру за счет увеличения времени отдыха изделия без нагрузки.
Толщина стенок также является важным фактором при разработке конструкции изделия с учетом динамических нагрузок. Степки у изделий, подвергающихся уста лостным нагрузкам, должны быть относительно тонкими (рис. 4.77). Изделия, имею щие тонкие стенки с ребрами или ребристыми поверхностями, позволяют умень шить рабочие температуры за счет возрастания отношения площади поверхности изделия к его объему. Следует избегать, где это возможно, использования в изделиях, подвергающихся постоянным динамическим нагрузкам, толстых стенок, удержива ющих тепло, при этом сохраняя требуемую жесткость. Условия литья или дополни тельной обработки при изготовлении изделий, которые затем подвергаются усталос тным нагрузкам, могут также оказывать существенное воздействие на сроки службы изделия. Например, остаточные напряжения, особенно те, которые сосредоточены вблизи поверхности отливки, могут существенно влиять на число циклов до разру шения. Условия первичной переработки или вторичных операций (таких как термо обработка или отпуск термообработкой), способствующие продвижению сжимаю щих остаточных напряжений в направлении поверхности отлитого изделия, для нектороых полимеров является желательным, в то время как для растягивающих остаточных напряжений наблюдается обратный эффект [40].
Рис. 4.77. Изделия, которые подвергаются усталостным нагрузкам, должны быть сконстру ированы с относительно тонкими стенками, чтобы обеспечить эффективный теп лообмен и снизить вероятность образования остаточных напряжений или пустот
СТРУКТУРНОЕ ПРОЕКТИРОВАНИЕ |
3 1 5 |
Испытания на усталость Пластмассы, которые подвергаются воздействию циклических нагрузок, разру
шаются при напряжениях, величина которых существенно ниже предела текучести при статическом нагружении. Кумулятивные эффекты многократного воздействия циклических нагрузок могут привести к усталостному разрушению при напряжени ях, существенно более низких, чем при статическом нагружении. Характеристики усталости изделиявлияют как на выбор материала, так и на конструкцию изделия. Усталостные нагрузки будут уменьшать время разрушения при данном уровне напря жений (по сравнению со статической нагрузкой) и могут привести к изменению ха рактера разрушения — от пластического к хрупкому [41].
Усталостные характеристики пластмасс могут быть определены из тестов на уста лость, в которых фиксируются напряжения или деформации при динамических ис пытаниях. При проведении испытаний на усталость контрольные образцы подверга ются циклическим нагрузкам, в ходе которых определяют зависимости между приложенным напряжением (или деформацией) и количеством циклов, которое не обходимо провести до разрушения образца. Разрушающее напряжение при растяже нии, изгибе, сжатии или сдвиге представляют на графике в виде функции, зависящей от числа циклов в логарифмическом или полулогарифмическом масштабе. Значения асимптотического напряжения при очень большом времени обычно называют преде лом усталостной прочности материала. Эта кривая известна под названием кривая S/N(S — разрушающее напряжение, N — количество циклов).
Приложение нагрузки или закон нагружения, как правило, синусоидальный, но также возможны такие формы нагружения, как прямоугольник, пила и др. Очень важно, чтобы испытания на усталость проводились в условиях, близких к условиям эксплуатации изделия. Для проведения испытаний па усталость используются раз личные законы нагружения. Нагрузки могут иметь один знак (например, только рас тягивающее), тогда величина напряжения будет изменяться от минимального значе ния, то есть, как правило, от нуля до максимального значения.
Рис. 4.78. Типичная кривая S/N(5 — разрушающее напряжение, N— количество циклов) для полимерного материала
316КОНСТРУИРОВАНИЕ ПЛАСТМАССОВЫХ ИЗДЕЛИЙ ДЛЯ ЛИТЬЯ ПОД ДАВЛЕНИЕМ
Вдругих случаях изделия подвергаются нагрузке противоположного знака, и напря жение меняется от растягивающего к сжимающему. Полные циклы растяжения-сжатия считаются наиболее жесткими условиями исытаний [37]. Результаты усталостного теста на практике будут зависеть от большого числа параметров, значения которых выше или ниже тех, которые наблюдаются в условиях реального нагружения. Геомет рическая форма образца и частота нагружения оказывают сильное воздействие на температурный гистерезис. При высоких частотах скорость выделения тепла может быть больше, чем скорость рассеяния тепла. Это приведет к размягчению полимера, изменению его морфологии и понижению сопротивления нагреванию. Частоты, ко торые обычно используются для оценки усталостных свойств полимерных материа лов, лежат в диапазоне частот от 1 до 30 Гц [ 1,36]. Ускоренные испытания проводятся при частотах, равных (или возможно больших) 30 Гц (1800 циклов/мин) и, как пра вило, используются для металлов и практически неприменимы для пластмасс. Пред почтительней проводить испытания в диапазоне частот около 1 Гц, поскольку при этом отсутствует тепловыделение, однако уменьшение частоты приводит к возраста нию времени и стоимости испытаний.
Рис. 4.79. Закон динамического нагружения оказывает существенное влияние на срок служ бы изделия. Например, циклические напряжения могут быть только одного или разного знака (растяжение и сжатие)
В идеальном случае частота нагружения при тестировании должна быть не мень ше той, которая будет использоваться в конкретном применении изделия. Должна быть также учтена геометрия испытуемого образца. Такие факторы, как чистота об разца, наличие усадочных пустот, отношение площади к объему, качество поверхно сти, остаточные поверхностные напряжения и степень ориентации образца являются одними из основных. Теоретически, использование хладагентов может ускорить ис пытания, но следует учитывать, что факторы окружающей среды оказывают очень большое влияние на усталостные свойства. Например, как было показано выше, вода уменьшает усталостную прочность ПК до 30 % [ 15].
СТРУКТУРНОЕ ПРОЕКТИРОВАНИЕ |
317 |
Рис. 4.80. Усталостные свойства пластмассы зависят от закона нагружения и некоторых других факторов
Рекомендации при разработке нового изделия, использующегося в усталостном режиме:
•закладывать при проектировании низкие уровни напряжения;
•уменьшать частоту нагрузок по мере возможности;
•для улучшения теплопередачи необходимо:
—избегать толстостенных участков;
—использовать ребра/ребристость для охлаждения;
—использовать принудительное охлаждение воздухом;
•использовать материалы с малым гистерезисом;
•использовать материалы с высокой теплопроводностью;
•использовать материалы с высокой термостойкостью;
•использовать материалы, имеющие хорошо смазанные поверхности [36,37].
Спомощью метода конечных элементов можно получить надежные данные об усталостных свойствах изделия, но эти результаты будут ошибочны, если геометри ческая форма, условия нагружения и окружающей среды будут не точны [12,15,36].
При разработке изделий, подвергающихся усталостным нагрузкам, обычно за кладываются высокие значения коэффициентов запаса прочности (хотя при этом следует избегать участков с толстыми стенками). Но замены тщательной экспери ментальной оценке изделия не существует, особенно в тех случаях, когда оно подвер гается усталостной нагрузке [38].
4.9.3. Ударная нагрузка
Классические уравнения, использующиеся для оценки напряжений и деформа ций балок, пластин и оболочек, применимы только в ситуациях, когда нагрузки явля ются статическими или их изменение происходит достаточно постепенно. Однако
318 КОНСТРУИРОВАНИЕ ПЛАСТМАССОВЫХ ИЗДЕЛИЙ ДЛЯ ЛИТЬЯ ПОД ДАВЛЕНИЕМ
во многих случаях внешние нагрузки возникают быстро (в течение короткого перио да времени) и их следует считать ударными или импульсными.
Если какой-нибудь предмет, например, книга, падает на лоток для бумаги (см. рис. 4.55), то это приведет к напряжениям и деформациям, которые в течение корот кого времени будут намного больше напряжений и деформаций, возникающих в ус ловиях статической нагрузки. Моментальное возрастание напряжения или деформа ции, вызванное кинетической энергией падающего тела, должно быть демпфировано. Если материал, использующийся для изготовления изделия, имеет упругие свой ства, тогда восстановление напряжений и деформаций будет проходить по законам статического нагружения. Однако когда величина ударной нагрузки превышает кри тическое значение, происходит разрушение. Особенно важно учитывать ударные на грузки при низких температурах (например, когда температура изделия становится меньше температуры стеклования полимера, из которого оно изготовлено).
Теоретические оценки напряжений, деформации и прогибов изделий, подверга ющихся ударным нагрузкам, очень сложны и требуют динамического анализа. При близительные оценки могут быть сделаны с помощью классических формул для рас четов напряжений и деформаций. Рассчитанные таким образом аппроксимациониые значения могут оказаться неоправданно высокими в сравнении с зависимостями напряжения от деформации, полученными в обычных условиях [2, 12, 24]. Тем не менее зависимости напряжения от деформации для полимерных материалов суще ственно зависят от скорости деформирования (см. рис. 4.15). Методы оценки удар ного сопротивления изделий существенно различаются, и, к сожалению, получить экспериментальные данные не всегда возможно. Дополнительные сложности возни кают из-за того, что скорость деформирования не всегда постоянна для деформируе мого изделия. Кроме того, распределение напряжений в изделии, подвергаемом удар ным нагрузкам, не будет совпадать с распределением напряжения в случае нагрузки, приложенной статически. В особенности это справедливо для тех случаев, когда тело, падающее па изделие, оказывает на него неравномерное воздействие (например, кни га, падающая на лоток, может сначала упасть на его край). Очень трудно конструиро вать изделия, которые подвергаются ударным нагрузкам. Особенности конструкции, вызывающие концентрацию напряжений, такие как углы, отверстия и т. п., еще более существенны при ударном нагружении изделия. Очень важно, чтобы изделия, пред назначенные для использования в условиях ударных или импульсных нагрузок, проходили тщательное тестирование в условиях ударного воздействия, ожидаемо го в условиях эксплуатации.
Еще раз следует заметить, что нет альтернативы тщательному исследованию изде лия, используемого в условиях динамических нагрузок [12,24]. С помощью решения уравнений может быть получены лишь приблизительные значения:
(4.60)
где V— скорость удара; g— ускорение свободного падения.
Индекс i относится к значениям, связанным с ударными прогибами (деформаци ями) или напряжениями; индекс s относится к статическим значениям прогибов (де формации) или напряжения.
СТРУКТУРНОЕ ПРОЕКТИРОВАНИЕ |
319 |
Пример 4.10. Ударное нагружение круглой пластины
Рассмотрим следующий пример: груз массой 10 фунтов падает в центр пустого контей нера, который показан на рис. 4.81, с высоты, Z, равной 12 дюймам.
Рис. 4.81. Мгновенные значения напряжений и прогибов, возникших в результате воздей ствия ударной нагрузки существенно больше, чем соответствующие статические значения
Нижняя часть контейнера имеет форму диска с фиксированными краями. Если размер груза весом, W, мал по сравнению с диаметром круглой пластины и нагрузка приложена внутри малой нейтральной области, тогда уравнения для максимального прогиба (при г = 0) в условиях статической нагрузки будут выглядеть следующим образом:
(4.61)
где v — коэффициент Пуассона; D — константа пластины, которая определяется из уравне ния:
(4.62)
Используя значение модуля упругости, полученное из кратковременных испытаний, Е= = 300 000 фунт/дюйм2 и коэффициент Пуассона 0,35; при толщине пластины t= 0,125 дюйма константа пластины будет равна:
(4.(52)
Максимальный статический прогиб:
(4.61)
320 КОНСТРУИРОВАНИЕ ПЛАСТМАССОВЫХ ИЗДЕЛИЙ ДЛЯ ЛИТЬЯ ПОД ДАВЛЕНИЕМ
Скорость мгновенного удара, V, в результате падения груза с высоты , Z, равной 12 дюй мов (предполагается, что начальная скорость груза равна 0) будет равна:
(4.63)
Прогиб при ударе будет:
(4.60)
Полученное таким образом значение максимального прогиба при ударе кажется слишком высоким, однако такая разница в величинах статического и динамического прогиба и напряжений только подчеркивает особое внимание, которое надо прояв лять к ударным нагрузкам, и сколь важен вопрос о минимизации напряжений в зонах их концентрации.
Небольшие закругления, бобышки, косынки, фланцы, острые углы и изменения тол щины стенок должны особым образом учитываться в расчетах. Поверхностные дефек ты и даже текстура поверхности под воздействием значительных растягивающих на пряжений могут стать местом концентрации напряжений [36]. Тщательное размещение линий спая, уменьшение остаточных напряжений и ориентации — все это также отно сится к важным факторам при проектировании изделий, подвергающихся ударным нагрузкам. В конструкцию изделий, подвергающихся ударным нагрузкам, полезно включить элементы, поглощающие энергию, такие как: гибкие элементы, вибрацион ные демпфирующие крепления или прокладки и т. п., где это только возможно. Следует также отметить, что зависимости напряжения от деформации для полимерных мате риалов обычно получают при невысокой скорости, хотя мгновенная скорость объекта, упавшего с высоты 12 дюймов, составляет 96 дюймов/с. Для того чтобы получить бо лее точные сведения, тестирование должно проводиться в диапазоне скоростей и тем ператур, как можно более соответствующих эксплуатационным условиям. Материалы, проявляющие пластичные свойства при комнатной температуре или при малых скоро стях деформирования, при низких температурах или высоких скоростях деформиро вания могут проявлять хрупкие свойства [35].
4.10. Литература
1.Structural Plastics Design Manual, American Society of Civil Engineers, ASCE Manual and Report on Engineering Practice No. 63, April (1982).
2.Roark, R. and Young, W., Formulas for Stress & Strain, 5th ed., McGraw Hill, NY (1975).
3.Crate, J., Plastics Design Forum, 9 (4), 77 (1984).
4.Lee, C, Dubin, A., Elmer, D., SPE Annual Technical Conference, 37, 912 (1987).
5.Trantina, G., Minnichelli, M, SPE Annual Technical Conference, 37, 438 (1987).
6.Levy, S. and DuBois, J., Plastics Product Design Engineering Handbook , 2nd ed., Chapman and Hall, NY (1984).
7.Rolfe, S., and Barsom, J., Fracture & Fatigue Control in Structures, Applications in Fracture Mechanics, Prentice Hall, Englewood Cliffs, NJ (1977).
8.Technical Bulletin, Lelij, J., Engineering Design, E.I. DuPont de Nemours & Co., Wilmington,DEU991).
СТРУКТУРНОЕ ПРОЕКТИРОВАНИЕ |
321 |
9.Technics! Bulletin, «Cabibre Polycarbonate Design Manual», Dow Chemical Company, Midland, MI (1988).
10.Mehta, K., SPE Annual Technical Conference, 38, 2058 (1992).
11.Technical Bulletin, Marks, F„ Engineering Design, E.I. DuPont de Nemours & Co., Wilmington, DE( 1989).
12.Technical Bulletin, «Designing with Plastics», Hocchst Celanese, Chatham, NJ (1989).
13.Aklonis. J., MacKnight, W., and Shen, M., Introduction to Polymer Viscoelasticity, Wiley Interscience,NY(1972).
14.Throne, J., and Progelhof, R., «Creep and Stress Relaxation» in Engineered Materials Handbook Vol 2 , ASM, Metals Park, OH (1988),
15.Technical Bulletin, «Polycarbonate Design Manual», Mobay Corporation, Pittsburgh, PA.
16.Technical Bulletin, «Lexan Design Guide «, General Electric Company Pittsfield, МЛ.
17.Beer, F. and Johnson, E., Mechanics for Engineers, McGraw Hill, NY (1976).
18.Anonymous, Plastics Design Forum, 15 (6), 42 (1990).
19.Allied Signal Corporation, Morristown, NJ.
20.Technical Bulletin, «Ultem Design Guide», General Electric Company Pittsfield, MA.
21.Technical Bulletin, «Delrin Acetal, Module III», E.I. DuPont de Nemours & Co., Wilmington, DE.
22.Technical Bulletin, «Noryl Design Guide», General Electric Company Pittsfield, MA.
23.Technical Bulletin, «Valox Design Guide», General Electric Company Pittsfield, MA.
24.Technical Bulletin, «Engineering Materials Design Guide», General Electric Company, Pittsfield, MA.
25.Throne, J., and Progelhof, R., SPE Annual Technical Conference, 35,1637 (1989).
26.Nakayama, K., Mikio, K., and Motoichi, Y., SPE Annual Technical Conference, 32,690 (1982).
27.Lifshey, A., Plastics Design Forum, 5 (2), 59 (1980).
28.Carnpo, E. A., Plastics Design Forum ,7 (6), 55 (1982).
29.Stuttgart, U., Kisnststoffe, 72 (12), 24 (1982).
30.Menges, G. and Mohren, P., How to Make Injection Molds, Hanser, NY (1986).
31.Technical Bulletin, Tuschak, P., Engineering Design, E.I, DuPont de Nemours & Co., Wilmington, DE.
32.Gebler, H. and Racke, H., Kunststoffe , 72 (1), 17 (1982).
33.Anonymous, Plastics Design Forum , 1 (5), 25 (1976).
34.Technical Bulletin, Weckman, R., Engineering Design, E.I. DuPont de Nemours & Co., Wilmington, DE (1988).
35.Nimmer, R., «Impact Loading» in Engineered Materials Handbook, Vol 2, ASM, Metals Park,OH(1988).
36.Technical Bulletin, Hawley, J., Design Success Through Solution Engineering, Eastman Chemical Performance Plastics.
37.Levy, S., Plastics Design Forum , 2 (5) 42 (1977).
38.Yelle, H., and Estabrook, E, «Fatigue Loading» in Engineered Materials Handbook, Vol 2, ASM, Metals Park, OH (1988).
39.Technical Bulletin, Tuschak, P., Engineering Design , E.I. DuPont de Nemours & Co Wilmington, DE( 1989).
40.Hornberger, L. and DeVries, K, SPE Annual Technical Conference, 32, 672 (1986)
41.Powell, P., Engineering with Polymers, Chapman and Hall, NY (1983).
21 Зак. 593
5.Прототипирование:
изготовление и использование
прототипов пластмассовых изделий
5.1. Прототипирование1
Прототипирование является неотъемлемой частью подготовки производства пласт массовых изделий. Прототипирование позволяет получить ценную техническую ин формацию, провести маркетинговое исследование нового изделия на рынке, прове рить некоторые функциональные свойства CAD-модели и будущего изделия, и многое другое.
5.1.1. Технологии прототипирования
Прежде чем приступить к серийному производству пластмассового изделия, не обходимо изготовить один, а иногда даже несколько вариантов прототипов. В послед нем случае это приводит к дополнительным затратам, однако их не избежать при
Прототипирование — процесс' изготовления прототипов пластмассовых изделий. Прототип (грсч. — prololypori) — первоначальный образец; здесь — образец пластмассового изделия; физическая (материальная) модель или точная копия изделия; мастер-модель изделия, по которой создается форма для изготовления самого изделия-прототипа или (в зависимости от технологических осо бенностей материала формы и условий се эксплуатации) малой (опытной) партии изделий. —
Примеч. науч. ред.