Астафьева Е.А. Технология конструкционных материалов

Подождите немного. Документ загружается.

ГЛАВА 9. ПОЛУЧЕНИЕ ЗАГОТОВОК ДЕТАЛЕЙ МАШИН ИЗ НЕМЕТАЛЛИЧЕСКИ

И КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ

9.2. Способы формования изделий из пластмасс



Технология конструкционных материалов. Учебное пособие -271-

ные полиэфирные пластики. Горячее прессование применяют для

изготовления изделий глубокой вытяжкой (корпуса видео- и аудиотехники,

телефонных аппаратов и т. п.), а также мелких изделий при массовом

производстве (пуговицы, пряжки).

Холодное прессование отличается высокой производительностью, так

как при этом не требуется ни нагрева, ни охлаждения пресс-формы. Холод-

ное прессование производят при давлении 14−210 МПа. После прессования

изделия нагревают в печах до температуры 80−260 °С в зависимости от

связующего.

Метод холодного прессования применяют при переработке асфальто-

пековых пластмасс (для получения баков аккумуляторных батарей и т. п.),

композиций на основе фенолоальдегидных смол для получения электротех-

нических деталей (патроны электроламп, корпуса выключателей, штепсель-

ных розеток).

При литьевом прессовании

пресс-композиция помещается в за-

грузочную камеру 5 (рис. 9.14), где

она нагревается до вязкотекучего со-

стояния, и оттуда выдавливается пу-

ансоном 6 через один или несколько

узких литников в полость 1 формы.

Под давлением подвижной части 4

формы изделию 3 придается заданная

конфигурация, после чего оно уд

ляется из формы выталкивателем 2.

Методом литьевого прессова-

ния получают изделия из термореак-

тивных смол, а также из высоко-

вязких термопластов.

Рис. 9.14. Схема литьевого

прессования: 1 – неподвижная часть

формы; 2 – выталкиватель; 3 – изделие;

4 – подвижная часть формы;

5 – загрузочная камера; 6 – пуансон

Преимуществом литьевого прессования является возможность получе-

ния точных по размерам изделий весьма сложной формы (в том числе с

углублениями, отверстиями и резьбой).

Штамповка пластмасс. Методом штамповки в изделия перерабаты-

ваются термопласты (винипласт, органическое стекло, полистирол, полиэти-

лен, полипропилен) из листовой заготовки. Формообразование изделия

достигается при вытяжке нагретого листа и охлаждении изделия. Штампо-

ванные изделия сохраняют форму лишь при температурах ниже температуры

стеклования, нагрев и выдержка при температурах выше температуры

стеклования полимера приводят к восстановлению формы листа.

ГЛАВА 9. ПОЛУЧЕНИЕ ЗАГОТОВОК ДЕТАЛЕЙ МАШИН ИЗ НЕМЕТАЛЛИЧЕСКИ

И КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ

9.2. Способы формования изделий из пластмасс



Технология конструкционных материалов. Учебное пособие -272-

Рис. 9.15. Схема штамповки

направленной вытяжкой: 1 – пуан-

сон; 2 – зажимы; 3 – матрица; 4 –

изделие

Рис. 9.16. Схема штамповки свобод-ной

вытяжкой: 1 – вакуум-камера; 2, 4 –

протяжное и прижимное кольца;

3 –

зажимы;

5 − заготовка; 6 – указатель

При штамповке пластмасс применяют два метода формования: направ-

ленной и свободной вытяжки.

Форма изделия при направленной вытяжке задается рабочими

поверхностями матрицы и пуансона или только матрицы с применением

давления воздуха или вакуума. На рис. 9.15 приведена схема направленной

вытяжки с помощью формы, состоящей из пуансона 1 и матрицы 3. Для

штамповки лист термопласта закрепляется в зажимах 2. Изделие 4 остается в

форме до охлаждения.

Свободную вытяжку применяют для получения крупных изделий.

Вытяжка производится по вакуумному или пневматическому методу, причем

изделие не трется о стенки штампа, что особенно важно для получения

гладких поверхностей оптических, прозрачных изделий. На рис. 9.16

приведена схема свободной вытяжки по вакуумному методу. Нагретая

листовая заготовка зажимается между протяжным 2 и прижимным 4

кольцами с помощью зажимов 3. При откачивании воздуха из вакуум-камеры

1 заготовка 5 протягивается через кольцо 2. Величина вытяжки

контролируется указателем 6.

Формование крупногабаритных изделий. Для изготовления из

пластмасс крупногабаритных корпусных изделий (судовых корпусов, авто-

мобильных кузовов) рассмотренные выше методы формования неприем-

лемы, так как требуют громоздкого и сложного оборудования. Для получе-

ния таких изделий применяют способ контактного формования и способ

мешка.

По способу контактного формования (рис. 9.17) наполнитель (арми-

рующий материал) укладывают в форму 1 и смачивают кистью или из пуль-

веризатора жидким связующим 2 (иногда в несколько слоев). Затем компо-

Вакуум

ГЛАВА 9. ПОЛУЧЕНИЕ ЗАГОТОВОК ДЕТАЛЕЙ МАШИН ИЗ НЕМЕТАЛЛИЧЕСКИ

И КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ

9.2. Способы формования изделий из пластмасс



Технология конструкционных материалов. Учебное пособие -273-

зицию покрывают целлофановым листом 3 и прикатывают роликом к стен-

кам формы для удаления воздуха, выравнивания изделия и обеспечения

тесного контакта связующего и наполнителя.

Далее идет процесс отверждения связующего (содержащего для этого

отвердитель) при комнатной температуре или при некотором нагреве. В

качестве армирующего наполнителя применяют стеклоткань, стеклово-

локно, в качестве связующего − фенольные, эпоксидные и ненасыщенные

полиэфирные смолы.

При формовании по способу мешка (рис. 9.18) подготовка и укладка

компонентов производится аналогично способу контактного формования.

Применение мешка (чаще резинового) обеспечивает лучший контакт между

связующим и наполнителем, а также лучшее выравнивание изделия. При

наложении слоев (рис. 9.18, а) мешок 1 находится вне формы. Для формова-

ния при отверждении прижимная плита 2 прочно крепится к верхнему срезу

формы, а в мешок подается воздух или пар, под давлением которого и проте-

кает отверждение смолы (рис. 9.18, б).

Вспенивание полимеров дает ячеистые (пенистые), с несообщающи-

мися ячейками, наполненными газами, и пористые, имеющие свободные

поры (как в губке), конструкционные материалы малой объемной массы (до

0,01 г/см

Для вспенивания применяют фенолоальдегидные и мочевиноальдегид-

ные смолы, полистирол, полиэтилен, поливинилхлорид, ацетат целлюлозы, а

также натуральный и синтетический каучуки. Из вспененных полимеров

изготавливают плавсредства, тепло- и электроизоляцию, звукопоглощающие

детали, губки, материалы для подушек и упаковки мебели.

Рис. 9.17. Схема контакт-ного

формования крупнога-

баритных изделий:

1 – фор-

ма;

2 – слой жидкого связую-

щего; 3 – целлофановый лист

а б

Рис. 9.18. Схема формования

по способу мешка

Сварка возможна для всех термопластов. Для сварки применяют горячий

(250−300 °С) воздух, нагретый электрическим током или газовым пламенем,

токи высокой частоты или ультразвук. Поверхности для сварки очищают,

Воздух

Во время отверждения

Во время наложения слоев

ГЛАВА 9. ПОЛУЧЕНИЕ ЗАГОТОВОК ДЕТАЛЕЙ МАШИН ИЗ НЕМЕТАЛЛИЧЕСКИ

И КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ

9.2. Способы формования изделий из пластмасс



Технология конструкционных материалов. Учебное пособие -274-

выравнивают и сжимают (давление − 200−300 кПа). При нагреве в гранич-

ном слое макромолекулы переходят в пластичное состояние, приобретают

подвижность, что способствует взаимной диффузии и свариванию частей.

Пластмассы, имеющие высокие диэлектрические свойства (полиэти-

лен, полипропилен, полиизобутилен и полистирол), не свариваются токами

высокой частоты. Для сварки твердого поливинилхлорида применяют также

нагрев трением, а для мягкого − нагрев паяльником, горячей лентой.

Поверхностные покрытия. Полимеры широко используют для

поверхностных покрытий по металлу, дереву, бумаге, пластмассам с целью

защиты от коррозии, эрозии и для декорирования. Покрытия делят на

высыхающие при испарении растворителя и полимеризующиеся или

окисляющиеся с образованием пленки на воздухе.

Покрытия из термопластов наносят также способом горячего напы-

ления, при котором пластик в виде пасты или порошка пропускается через

воздушно-ацетиленовое пламя. Размягченные частицы пластика попадают на

защищаемую поверхность и покрывают ее сплошным ровным слоем.

Операции механической обработки пластмасс применяют преимуще-

ственно для удаления литников, облоя, заусенцев, приливов и снятия галте-

лей и фасок. Выполнение этих операций для реактопластов и жестких термо-

пластов производится шлифованием электрокорундовыми кругами, а также

резцами, фрезами, зенковками, причем для обработки заготовок с наполните-

лями, вызывающими абразивный износ (песок, стекловолокно), целесооб-

разно использовать инструменты с твердыми сплавами, алмазом и эльбором.

Для удаления облоя используют также перфорированные шести или

восьмигранные галтовочные барабаны, сделанные из листов поливинил-

хлорида или полиэтилена высокой прочности. Загруженные в барабан

заготовки при его вращении соударяются между собой и со стенками

барабана, в результате чего облой скалывается.

Доработка заготовок из эластичных полимеров производится преиму-

щественно резцами и сверлами из быстрорежущей стали. Широкое примене-

ние для отделения литников системы имеет вырубка заготовок штампом.

Механическая обработка сверлением, точением, фрезерованием, шли-

фованием применяется также в тех случаях, когда прессованием или литьем

под давлением не достигается необходимая точность размеров отдельных

элементов изделий.

Для уменьшения шероховатости поверхности производят полирование

заготовок войлочными кругами, на поверхность которых наносят пасту из

смеси пемзы и воды; после мокрого полирования заготовки подвергают

сухому полированию с использованием абразивной пасты из оксида хрома с

парафином.

ГЛАВА 9. ПОЛУЧЕНИЕ ЗАГОТОВОК ДЕТАЛЕЙ МАШИН ИЗ НЕМЕТАЛЛИЧЕСКИ

И КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ



Технология конструкционных материалов. Учебное пособие -275-

Композиционными материалами (КМ) называют сложные материалы, в

состав которых входит сильно отличающиеся по свойствам, нерастворимые

или малорастворимые один в другом компоненты, разделенные в материале

ярко выраженной границей.

Основой КМ (матриц) служат металлы или сплавы (КМ на металли-

ческой матрице), а также полимеры, углеродные и керамические материалы

(КМ на неметаллической основе).

Матрица связывает композицию, придает ей форму. В матрице равно-

мерно распределены остальные компоненты –

упрочнители, их часто назы-

вают

наполнителями или армирующими компонентами.

Требования к матрице:

•

защищать от механических повреждений и окисления;

•

обеспечивать высокую прочность и жесткость.

Волокна, используемые в качестве упрочнителя, должны обладать

следующими свойствами:

•

высокой температурой плавления;

•

малой плотностью;

•

высокой прочностью во всем интервале рабочих температур;

•

технологичностью, минимальной растворимостью в матрице;

•

высокой химической стойкостью.

Композиционные материалы получают следующими технологическими

методами:

жидкофазным методом: пропитка и направленная кристаллизация

сплавов;

твердофазным методом: прокатка, экструзия, ковка, штамповка,

уплотнение взрывом, диффузионная сварка и др.;

методом осаждения – напыления: матрица наносится на волокна из

растворов солей или других соединений, из парогазовой фазы, из плазмы и т.

п.;

комбинированным методом: последовательное или параллельное при-

менение нескольких методов.

Композиционные материалы являются многофункциональными мате-

риалами. Тем не менее выделяют КМ:

широкого назначения (несущие конструкции, например, судов);

жаропрочные (камеры сгорания);

термостойкие (изделия, работающие в условиях теплосмен);

фрикционные (тормозные колодки);

ударопрочные (броня самолетов);

теплозащитные со специальными свойствами (магнитными, электри-

ческими и т. д.).

В настоящее время наука и производства, связанные с разработкой

новых композиционных материалов, развиваются наиболее динамично.

ГЛАВА 9. ПОЛУЧЕНИЕ ЗАГОТОВОК ДЕТАЛЕЙ МАШИН ИЗ НЕМЕТАЛЛИЧЕСКИ

И КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ

9.3. Композиционные материалы. Классификация



Технология конструкционных материалов. Учебное пособие -276-

Специалистами разработано и исследовано огромное количество КМ. Для

того чтобы систематизировать КМ по различным признакам, грамотно

реализовать процедуру их выбора для изготовления различных деталей,

упорядочить терминологию в области материаловедения композитов,

необходима обоснованная классификация этих материалов.

Единой общепринятой классификации КМ нет. Это объясняется рядом

причин. Одна из них заключается в том, что КМ представляют собой

широкий класс материалов, объединяющих металлы, полимеры и керамику.

Современные технологии позволяют реализовать различные, считавшиеся

ранее экзотическими сочетания исходных материалов. Разнообразие

исходных материалов, сложность реальных структур в ряде случаев

затрудняют классификацию получаемых КМ. К тому же вызывает трудности

определение понятия «композиционный материал». Ниже рассмотрено

несколько подходов к классификации КМ.

Деление композитов может осуществляться по ряду признаков.

Классификация КМ по размеру и геометрии наполнителя:

• КМ с нуль-мерными компонентами имеют в трех измерениях очень

малые размеры одного порядка (частицы) и, следовательно, не имеют ни

одного размера, соизмеримого с характерным размером элементарного

образца КМ. В качестве примеров композитов такого типа можно привести

дисперсно-упрочненные сплавы, металлы и сплавы, армированные частицами,

и материалы на основе керамики, содержащие короткие нитевидные крис-

таллы, длина которых много меньше размера элементарного образца КМ;

• КМ с одномерными компонентами содержат армирующие компо-

ненты, один из размеров которых значительно превышает два других размера

и соизмерим с характерным размером элементарного образца КМ. Примеры

КМ этой группы: волокнистые КМ на основе металлов и полимеров,

армированные керамическими, борными, стеклянными волокнами;

• КМ с двумерными наполнителями содержат компоненты, имеющие

два размера, значительно превосходящих третий размер и соизмеримых с

характерным размером элементарного образца КМ. Примером материалов

этой группы являются слоистые КМ, состоящие из чередующихся слоев Ti и

Al и их сплавов;

• комбинированные КМ содержат два или три компонента различной

размерности. Примером такого КМ служит пластик на основе эпоксидной

смолы, армированный углеродными волокнами и короткими нитевидными

кристаллами карбида кремния.

Классификация КМ по расположению наполнителя, т. е. по схеме

армирования:

• КМ с одноосным (линейным) расположением армирующего компо-

нента. В таких КМ армирующие компоненты в виде волокон или

ориентированных цепочек нитевидных кристаллов располагаются в матрице

параллельно друг другу;

ГЛАВА 9. ПОЛУЧЕНИЕ ЗАГОТОВОК ДЕТАЛЕЙ МАШИН ИЗ НЕМЕТАЛЛИЧЕСКИ

И КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ

9.3. Композиционные материалы. Классификация



Технология конструкционных материалов. Учебное пособие -277-

• КМ с двухосным (плоскостным) расположением армирующего ком-

понента. Армирующие компоненты в виде волокон, фольг, матов из ните-

видных кристаллов расположены в матрице в плоскостях, параллельных друг

другу;

• КМ с трехосным (объемным) расположением компонентов, когда

невозможно выделить одно или два преимущественных направления в мате-

риале.

Существуют комбинированные КМ, армированные одновременно ком-

понентами различной геометрии.

Классификация КМ по природе компонентов (матриц и наполни-

телей). По данному признаку КМ делят на четыре группы:

• с компонентами из металлов и сплавов;

• с компонентами из неметаллических элементов (например, углерода);

• с компонентами из неорганических соединений (окислов, карбидов,

нитридов);

• с компонентами из органических соединений.

В соответствии с этим признаком КМ углерод-углерод относится:

по природе матрицы − к группе КМ с матрицей из неметаллических

элементов;

по природе армирующего компонента − к группе КМ со вторым

компонентом из неметаллических элементов.

Углепластики относятся: по природе матрицы − к группе КМ с матри-

цей из органических соединений; по природе армирующего компонента − к

группе КМ со вторым компонентом из неметаллических элементов.

Волокно Матрица 1 Матрица 2 Матрица Волокно 1 Волокно 2

а б

Рис. 9.19. Примеры композиционных материалов:

а – полиматричные; б – полиармированные

Дополнениями к группам являются комбинированные композиционные

материалы. Полиматричные КМ (рис. 9.19, а) состоят из чередующихся слоев

двух или более композиций с матрицами различного химического состава.

Полиармированные КМ (рис. 9.19, б) содержат два и более различных напол-

нителя.

ГЛАВА 9. ПОЛУЧЕНИЕ ЗАГОТОВОК ДЕТАЛЕЙ МАШИН ИЗ НЕМЕТАЛЛИЧЕСКИ

И КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ

9.3. Композиционные материалы. Классификация



Технология конструкционных материалов. Учебное пособие -278-

Если КМ состоят из трех или более компонентов, они называются

гибридными.

Классификация КМ по материалу матрицы (материаловедческий

принцип). Общее название КМ, как правило, происходит от материала мат-

рицы, поэтому различают:

металлические композиционные материалы (МКМ) − КМ с металли-

ческой матрицей;

полимерные композиционные материалы (ПКМ) − КМ с полимерной

матрицей;

неорганические композиционные материалы − КМ с неорганической

матрицей.

На рис. 9.20 приведен один из наиболее простых вариантов разделения

композитов по типу матричного материала.

Композиты

Металлические Гибридные Неметаллические

Рис. 9.20. Классификация КМ по материалу матрицы

Названия полимерных КМ обычно состоят из двух частей. В первой

части называется материал волокна, во второй приводится слово «пластик»

или «волокнит». Например, ПКМ, армированные стекловолокном, называют

стеклопластиками или стекловолокнитами. Для характеристики металли-

ческих композиционных материалов чаще используют двойное обозначение:

вначале пишут материал матрицы, затем материал волокна. Например, обо-

значению Cu−W соответствует композиционный материал, в котором матри-

цей является медь, а волокнами – вольфрам.

В некоторых случаях для обозначения КМ используют одно сложное

слово, например бороалюминий или углеалюминий.

Классификация КМ по структуре и расположению компонентов

(матриц и наполнителей):

с каркасной структурой. К ним относятся, например, псевдосплавы,

полученные методом пропитки;

с матричной структурой. Такую структуру имеют дисперсно-упроч-

ненные и армированные композиционные материалы;

со слоистой структурой. К материалам данной группы относятся

композиции, полученные из набора чередующихся слоев фольги или листов

материалов различной природы или состава;

с комбинированной структурой. К ним относятся материалы, имеющие

комбинацию первых трех групп.

ГЛАВА 9. ПОЛУЧЕНИЕ ЗАГОТОВОК ДЕТАЛЕЙ МАШИН ИЗ НЕМЕТАЛЛИЧЕСКИ

И КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ

9.3. Композиционные материалы. Классификация



Технология конструкционных материалов. Учебное пособие -279-

Кроме того, по ориентации и типу арматуры все КМ можно разделить

на следующие группы:

изотропные − КМ, которые имеют одинаковые свойства во всех

направлениях;

анизотропные − КМ, свойства которых зависят от направления арми-

рующего компонента;

хаотично-армированные − КМ, которые содержат армирующие элемен-

ты в виде дисперсных включений, дискретных или непрерывных волокон;

упорядоченно-армированные:

однонаправленные (одноосно-армированные);

двухосно-армированные (с плоскостным расположением арматуры);

трехосно-армированные (с объемным расположением арматуры).



Технология конструкционных материалов. Учебное пособие -280-

Обработка металлов резанием – процесс срезания режущим инстру-

ментом с поверхности заготовки слоя металла в виде стружки с целью

получения заданной геометрической формы, точности размеров, взаимо-

расположения и шероховатости поверхности детали. Для обработки детали

режущий инструмент и заготовку необходимо установить и закрепить в

рабочих органах станка и сообщить им относительные движения.

Движения, обеспечивающие срезание с заготовки поверхностного слоя

металла или изменение состояния обработанной поверхности, называют

движениями резания. К ним относят главное движение и движение подачи.

Главным движением называется движение, определяющее скорость

деформирования и отделения стружки.

Движением подачи называется движение, обеспечивающее непрерыв-

ность врезания режущей кромки инструмента в материал заготовки. Эти

движения могут быть вращательными, поступательными, возвратно-

поступательными, непрерывными или прерывистыми.

Для любого процесса резания можно составить схему обработки

(рис. 10.1

), на которой условно изображают обрабатываемую заготовку 2, ее

базирование

8 и закрепление 7 в рабочем приспособлении станка 3, режущий

инструмент

1 в положении, соответствующем концу обработки. Везде далее

на схемах обработки движение резания плавно обозначается через его ско-

рость

V, движение подачи обозначается через скорость подачи S. Движение

подачи может быть продольное

прод

, поперечное S

поп

, вертикальное S

, круго-

вое

круг

и др. В процессе резания на заготовке различают: обрабатываемую

поверхность

4, с которой снимают стружку; поверхность резания 5, образуе-

мую в результате воздействия главной режущей кромки инструмента,

обработанную поверхность

6, полученную в процессе обработки.

Элементами процесса резания являются скорости главного движения

резания и подачи, а также глубина резания. Совокупность этих элементов

называется

режимом резания.