Basov N.I. i dr. Raschet i konstruirovanie formiruyushchego instrumenta dlya izgotovleniya izdelij (1991

Рис. 1.20. Примеры конструирования изделий из слоистых пластмасс:

а— соединение перпендикулярных друг другу стенок; б — образование угла; в — формование не­ разъемного (слева) и разъемного (справа) соединений частей изделия

Рис. 1.21. Примеры правильной простановки размеров на чертежах пластмассовых дета­ лей. Пояснения в тексте

40

По характеру происхождения собственные напряжения могут быть подразделены на временные, исчезающие после удаления вызвавшей их причины (например, термические напряжения из-за неравенства температуры в различных частях изделия, исчезающие после вырав­ нивания температур), и остаточные, остающиеся в теле изделия посуде удаления вызвавших их причин.

Для изделий из пластмасс характерными являются остаточные напряжения первого рода, т. е. такие, которые уравновешиваются в областях, имеющих размеры одного порядка с размерами тела изде­ лия. Эти напряжения вызываются неравномерным распределением массы; неоднородными силовыми и температурными полями во время образования изделия.

Принципиально любой процесс формования пластмассового изделия приводит к образованию остаточных напряжений. Остаточные напря­ жения в пластмассовых изделиях классифицируются по видам: ориентационные, термические, диффузионные, напряжения армирования.

Опыт показывает, что остаточные напряжения в ряде случаев играют и положительную роль. Действительно, если остаточные напря­ жения совпадают по направлению с внешней нагрузкой, их величина должна быть вычтена из величины допустимого напряжения. Если же остаточные напряжения направлены противоположно внешней нагруз­ ке, то величина допустимых напряжений не изменяется, а при снятии остаточных напряжений надежность конструкции будет повышаться.

Ориентационные остаточные напряжения в значительной степени зависят от конструкции изделия, количества и расположения мест впуска расплава в форму или общего направления движения мате­ риала. Рис. 1.5 хорошо иллюстрирует это положение. Первой причиной возникновения ориентационных напряжений является течение ма­ териала по одному или двум направлениям (одноили двумерное течение). При этом в направлении потока за счет трения расплава о стенки металлической формы, а также от внутреннего трения между слоями возникает разность скоростей потока по сечению. Напряжения сдвига вызывают деформацию макромолекул и их ориентацию, кото­ рая фиксируется при застывании расплава.

Если происходит двумерное течение, поток расплава расширяется перпендикулярно направлению его движения. Пример такого тече­ ниязаполнение формы диска от литника, расположенного по центру. Фронт потока в любой момент заполнения формы представляет собой дугу с центром у литника. Расширение расплава происходит неравно­ мерно по сечению. После смачивания стейки формы расплав около нее начинает охлаждаться и застывать, в то время как новые порции расплава будут передвигаться по застывшему слою и одновременно расширяться. Это приводит к возникновению сдвиговых напряжений в направлении, перпендикулярном основному направлению течения потока. Возникает двухосная ориентация материала в теле изделия, причем доминирующей оказывается продольная ориентация. Следо­ вательно, второй причиной, обусловливающей остаточный характер

42

ориентационных напряжений, является быстрое охлаждение (при литье под давлением, экструзии) и затвердевание материала после формования.

Наиболее отчетливо возникновение ориентационных напряжений проявляется при литье под давлением термопластов типа полистиро­ ла, полиметилметакрилата и т. п. Было установлено, что у поверхнос­ ти исследуемых образцов ориентация молекулярных структур выра­ жена наиболее ярко, затем она снижается по направлению к центру поперечного сечения. В центре всегда наблюдается незначительная ориентация, материал здесь может быть признан изотропным. Это объясняется протеканием при медленном застывании расплава релак­ сационных явлений, обусловленных броуновским движением частиц материала. Подобная ориентация наблюдается и в тех конструкциях, которые обеспечивают расплаву достаточно короткий путь течения. При более длинном пути потока ориентационные явления существен­ но усложняются.

Наибольшее напряжение сдвига наблюдается у стенки формы. Выделяющееся при этом тепло отводится через стенку формы. Только на определенном расстоянии от стенки тепло уже полностью не отво­ дится, вязкость расплава понижается, и в этой области ориентация материала проявляется меньше.

Величина ориентационных напряжений зависит от двух обстоя­ тельств. Первое-это уже рассмотренные напряжения от „заморажи­ вания" ориентированных -молекул с образованием неравновесного объема. Второенапряжения,, связанные с изменением конформаций молекул и вызывающие деформацию только части объема материала.

При любом виде течения расплава существуют молекулярные перемещения. Происходит изменение положения молекул (как целой структурной единицы) из-за изменения вязкости вещества, что приво­ дит к созданию термодинамически неравновесной структуры, так как при этом вдоль линии течения будет повернуто больше молекул, чем в случае равновесного распределения энергии теплового движения по объему вещества; при резком охлаждении неравновесное состояние фиксируется по всему сечению изделия. Кроме того, происходит растягивание единичных молекул с увеличением расстояния между их концами, что приводит к уменьшению гибкости молекулярных цепей. Такое термодинамическое состояние также „замораживается".

Переход объема полимера в равновесное-состояние определяется температурными условиями. При нагревании отформованного изделия в интервале между температурами стеклования и текучести материала для каждого значения температуры за определенный промежуток времени нагревания объем (деформация) восстанавливается на опре­ деленную величину. Это чисто релаксационный процесс и его скорость (время релаксации) представляется экспоненциальной функцией температуры нагревания: Т=АеаА{ где Г- температура нагревания изделия; А и а - постоянные, зависящие от материала и условий формования; Д /- усадка после нагревания при температуре Т.

43

Параметр А с физической точки зрения является температурой отпуска ориентационных остаточных напряжений. Количественной мерой напряжений при условии полной релаксации является вели­ чина А /, зная которую, можно определить остаточные напряжения по кривой растяжения данного материала.

Термические остаточные напряжения возникают в теле изделия из-за того, что изменение объема массы (или линейных размеров) в связи с изменением температуры не могут происходить свободно. Охлаждение пластмассового изделия в процессе формования (литье под давлением) или после извлечения из формы (прессование) сопро­ вождается термоударом. Значительное различие в величинах коэффи­ циентов линейного термического расширения материала формы и изделия приводит к существенным объемным изменениям. Образо­ вание твердой наружной оболочки раньше, чем полностью затверде­ ет вся масса по сечению изделия, в свою очередь, препятствует тому, чтобы изменения объема протекали свободно, без затруднений. В результате, как правило, внутренняя часть изделия оказывается растянутой, а наружная-сжатой. Сжимающие напряжения у поверх­ ности вызывают коробление изделия, образование утяжин и т. п. Растягивающие термические напряжения приводят к возникновению усадочных раковин, пустот.

Диффузионные остаточные напряжения возникают при поглощении или потере влаги полимерным материалом. Они обусловливаются разностью коэффициентов линейного термического расширения соседних слоев материала, в которых концентрации жидкости различ­ ны вдоль какой-либо линейной координаты. Поскольку одновременно следует считаться с явлением миграции влаги внутри тела изделия, можно ожидать возникновения дополнительных остаточных напряже­ ний при миграции жидкостей в течение всего периода до насыщения, а для замкнутых систем-и после насыщения. Для количественного определения диффузионных остаточных напряжений необходимо знать функцию распределения концентрации жидкости по линейной координате, а также коэффициенты диффузии материала.

Диффузия влаги в изделиях из пресс-порошков описывается функ­ цией распределения на границе „полимерный материал-жидкость (пары)" при всесторонней диффузии:

ДРт = ДР(1-е-<"),

где APj — приращение массы изделия по истечении времени т; АР—предельное прира­ щение массы; а — эмпирическая постоянная, зависящая от коэффициента диффузии; т—время, в течение которого наблюдается диффузия влаги.

Коэффициент диффузии (диффузионный коэффициент линейного расширения) может определяться по следующему эмпирическому уравнению:

А?'=0,21,

где АР'— разность массы изделия(образца) до и после действия жидкости; L— линейный размер изделия (образца).

44

Гарантированный запас точности неподвижных сопряжений явля­ ется эксплуатационным допуском натяга и должен определяться, исходя из возможного увеличения рабочих нагрузок, скоростей, ускорений, повышения рабочей температуры, изменения размеров с течением времени и т. д.

Необходимо, чтобы в начале эксплуатации неподвижного сопряже­ ния (при наибольшем действительном натяге) была обеспечена меха­ ническая прочность соединяемых изделий, а в конце установленного срока его эксплуатации (при наименьшем действительном натяге)- надежность восприятия без разъединения сопряжения.

Установленный конструктором допуск ТСб(п), в свою очередь, разделяется на две части: однадля охватываемой поверхности ТСб(В)> а другая - для охватывающей ТСб(д).

При делении допуска на две части необходимо учитывать техноло­ гические особенности изготавливаемых изделий.

Назначенные конструктором допуски ТСб(в) и ТС6(А), называемые поэтому конструктивными- Тк(в) и Тк(д), должны ограничивать все погрешности, которые могут быть у изделий, поступающих на сборку

Т к ^ Л ^ Л т + Лук + Лх + Лкон.

где Дт—суммарная технологическая погрешность, возникающая в процессе изготовления изделий из пластмасс; Дук—погрешность за счет технологических уклонов, которая определяется из соотношения AyK=2Htgo (см. рис. 1.13); Дх— погрешность, возникающая при хранении изделий до их сборки и начала эксплуатации; Дкон—погрешность, возни­ кающая при контроле размеров (метрологические погрешности).

Задача выбора конструкторскихдопусков, обеспечивающих взаимо­ заменяемость изделий, относится к проблеме применения изделий из пластмасс; на основании метода прецедентов (однотипные варианты) или аналогий (подобные варианты), после проведения необходимых функциональных расчетов, этот выбор окончательно проводят по

*Поля допусков, не рекомендуемые для посадок.

**Поля допусков, не предусмотренные ГОСТ 25347—82.

Примечание. В квалитетах 13—18 (включительно) предусмотрены только поля типа h/H и js*/JS*.

46

ГОСТ 25349-88 (СТ СЭВ 179-87) „Основные нормы взаимозамен—мос­ ти. Единая система допусков и посадок. Поля допусков деталей из пластмасс". Стандарт устанавливает поля допусков и предельных отклонений для гладких сопрягаемых и несопрягаемых элементов изделий с номинальными размерами от 1 до 3150 мм; этот стандарт базируется на основополагающих стандартах единой системы допус­ ков и посадок (ГОСТ 25347-82, 25346-82), частично их дополняя; указанные в нем поля допусков относятся к размерам изделий при температуре 20 "С и относительной влажности окружающего воздуха 50%. В табл. 1.1 приведены поля допусков „валов" и „отверстий" - изделий из пластмасс (в диапазоне размеров до 500 мм), которые должны назначаться по ГОСТ 2534988- в зависимости от требований эксплуатационной точности, в табл. 1.2-классификация эксплуата­ ционных и сборочных требований к размерам изделий из пластмасс. Подробнее о назначении конструкторских допусков см. [4].

Для сопрягаемых размеров в гладких цилиндрических сопряже­ ниях поля допусков располагают в соответствии со знаками откло­ нений, установленных для выбранной посадки.

Для несопрягаемых размеров поля допусков должны располагаться „в тело" или симметрично (в последнем случае они равны половине величины допуска и проставляются со знаками ±).

Взаимозаменяемость специальных соединений изделий из пласт­ масс (шпоночных, шлицевых) и передач (зубчатых, червячных) обес­ печивают путем использования действующих общих норм [4], выбирая из них подходящие-с учетом свойств пластмасс. Например, из-за теплового расширения пластмассового элемента шпоночного соеди­ нения оно может оказаться неподвижным даже при применении посадки, гарантирующей наиболее подвижное соединение по втулке в металлических шпоночных соединениях.

пластмасс для номинальных размеров до 500 мм по ГОСТ 25349—88

47

Эксплуатационные требования и взаимозаменяемость зубчатых передач обеспечиваются степенями точности и нормами гарантирован­ ного бокового зазора между неработающими профилями зубьев. Степени точности изготовления зубчатой передачи назначаются в зависимости от режима ее работы с учетом технологических возмож­ ностей изготовления передачи с заданной степенью точности. Вели­ чины бокового зазора характеризуют вид сопряжений зубьев передачи и назначаются независимо от степени точности ее изготовления с тем, чтобы обеспечить нормальные условия сборки и работы передачи. Учитывая возможные области применения пластмассовых зубчатых передач, можно рекомендовать нормы точности, соответствующие 8-10 степеням.

При выборе величины бокового зазора необходимо учитывать специфические особенности пластмасс как конструкционных мате­ риалов, в частности, малую жесткость и высокие коэффициенты линейного расширения пластмасс в сравнении с металлами. Вслед­ ствие малой жесткости пластмасс прогибы зубьев (перемещение точки приложения нормального усилия) могут быть столь значительными, что их необходимо учитывать при выборе величины бокового зазора. Величины боковых зазоров в пластмассовых передачах при прочих равных условиях следует назначать большими,чем в металлических передачах. Их следует по-возможности обеспечивать за счет регули­ ровки расстояний между осями рабочих валов. Увеличение бокового зазора в передаче всеми остальными способами осуществляется за

48

счет утонения зуба, что отрицательно отражается на его прочности. Отмеченное относится и к назначению допусков и посадок червяч­ ных передач с пластмассовыми элементами.

Технологическая точность. Технологические допуски размерных параметров гладких элементов изделий. Отдельные составляющие общей погрешности Aj; (см. выше) в ряде случаев могут не учитывать­ ся (т. е. они не „проявляются"): это относится к погрешности от тех­ нологического уклона (поскольку последние не всегда и не на все поверхности изделия назначаются) и к погрешности, возникающей при хранении изделий (например, для размеров несопрягаемых неответ­ ственного назначения и в других случаях).

Суммарная технологическая погрешность Дт зависит от большого числа погрешностей, прежде всего-колебания усадки и колебаний технологических параметров процесса формования, приводящих к изменению самой усадки и ее рассеянию; неточности изготовления и износа формообразующих деталей, колебаний параметров окружаю­ щей среды и т. д. Точность тех элементов изделия, формование кото­ рых связано с точностью взаимного положения формующих деталей в сомкнутом состоянии, зависит от дополнительной погрешноститол­ щины облоя (т. е. излишков массы, затекающей в вязкотекучем состоянии в зазоры между перемещающимися при смыкании-размы­ кании формообразующими деталями), погрешности установки фор­ мующих знаков и др. Суммарную технологическую погрешность Дт определяют, учитывая в каждом конкретном варианте характер влияния погрешностей (случайный или систематический), применяя

известное правило: Д1=ЕАСИС1 + -/1Д^ . Следует отметить, что ха­ рактер влияния составляющей погрешности может меняться, напри­

мер систематическая погрешность от неточности изготовления раз­ меров формующих деталей в одногнездной форме переходит в раз­ ряд случайных-для многогнездной формы (размеры гнезд невозмож­ но выполнить абсолютно одинаковыми).

Итак, при изготовлении изделий из пластмасс в замкнутых формах (прежде всего при прессовании и литье под давлением) различные элементы изделий оказываются неодинаковой точности (хотя все они получаются одновременно).

Суммарная технологическая погрешность Д, может быть нормиро­ вана (с позиций технико-экономической достижимой точности, на базе существующего технологического уровня). Для этого введено поня­ тие технологического допуска T>Aj, т. е. допуска, определяемого пределами рассеяния размерных параметров изделий при их изготов­ лении. Если неравенство не может быть обеспечено только формова­ нием, то возможно использовать размерную разбраковку изделий, другие мероприятия, включая механическую обработку изделий; тогда суммарная технологическая погрешность получает новое значе- ние-Д^, и потребуется, чтобы Т>А'Т<ДТ. В табл. 1.3 показаны схемы методов, применяемых для обеспечения заданной точности размеров изделий, уменьшения суммарной технологической погрешности

49