2.2.3. Рекомендации по использованию пластмасс в машиностроении

На работоспособность пластмассовых деталей большое влия­ние оказывает процесс старения пластмасс, сущность которого заключается в постепенном разрушении химических связей в главных цепях макромолекул материала.

В зависимости от природы процесса старения различают физическую (термическую, механическую, фотохимическую) и химическую (в результате химических реакций окисления, гидролиза и т. д.) деструкции. При длительном нагружении пластмассы склонны к ползучести. Это еще более усугубляет времен­ной характер, в частности, прочностных свойств пластмасс. Поэтому такие понятия, как предел текучести, предел прочности, которые используются при расчетах металлических конструкций, являются для пластмасс весьма условными: нельзя решать во­прос о нагрузочной способности пластмассовых деталей, не учитывая времени, в течение которого деталь должна работать. При изготовлении изделий из пластмасс технолог должен учитывать не только возможность изготовления детали при выбранном режиме, но и то, как технологический процесс влияет на работоспособность изготовленной детали при ее эксплуатации. Положения, которые должны быть приняты за основу при проектировании пластмассовых изделий, можно сформулировать в виде следующих правил:

1. Детали из пластмасс следует проектировать так, чтобы силовые нагрузки приходились на наиболее прочные сечения, т.е. с учетом направления волокон наполнителя или ориентации макромолекул.

2. Не рекомендуется изготовлять из пластмасс детали, которые в процессе эксплуатации подвергаются постоянным нагрузкам (хотя и допускаемым). Пластмассовые детали работают лучше в условиях действия кратковременных нагрузок.

3. При проектировании деталей из пластмасс следует учесть их ограниченную жесткость, для повышения которой следует предусмотреть ребра жесткости или арматуру.

4. Из пластмассы можно проектировать только такие детали, которые будут работать в оптимальном для данной пластмассы температурном режиме с учетом возможного влияния нагружения на термические характеристики материала.

5. Пластмассы не могут быть использованы для изготовления деталей, которые работают под значительной нагрузкой и от которых требуется повышенная точность.

Ниже приводятся некоторые рекомендации по использованию пластмасс в качестве материала для изготовления различных типов деталей машин.

Пластмассовые антифрикционные материалы. На рис. 8 показана зависимость коэффициента сухого трения пластмасс от скорости скольжения. Коэффициент трения реактопластов со сталью при смазке водой составляет 0,002...0,02, при смазке маслом – 0,007...0,09.

Из-за малого сродства с металлами и из-за больших упругих деформаций, пластмассы в узлах трения менее чувствительны к схватыванию и задиранию, что резко уменьшает износ деталей в паре трения. Этому способствует и поглощение пластмассой твердых частиц-продуктов износа. Практика показывает, износ большинства видов пластмассовых подшипников в узлах трения меньше износа металлических подшипников.

Большинство реактопластов (разные текстолиты, ДСП, неко­торые волокниты) имеют прочность на сжатие 1000...3000 кгс/см², этот показатель для термопластических масс составляет 600...1100 кгс/см², для бронзы и баббитов – 1200...2800 кгс/см².

Поэтому текстолиты и ДСП могут использоваться для узлов трения при весьма тяжелых условиях работы. Положительными свойствами пластмасс являются также их способность к гашению вибрации, стойкость к ударным нагрузкам, высокие антикорро­зионные свойства, небольшой вес, малая трудоемкость в изго­товлении.

Для изготовления тяжело нагруженных подшипников исполь­зуются фенопласты со слоистыми наполнителями (текстолиты, ДСП, гетинакс). Подшипники изготовляются в виде вкладышей, устанавливаемых в корпус подшипника (pис. 9, а). Такие под­шипники используются для прокатных станов, пилорам, дроби­лок, подъемных кранов, а также начинают применяться для же­лезнодорожных подвижных составов.

Термопластические пластмассы (полиамиды, фторопласт) под нагрузкой подвержены ползучести и могут выдавливаться. Эти же материалы имеют низкую теплопроводность, что еще больше содействует их ползучести от повышения температуры в узле трения. Поэтому при использовании фторопласта прибегают к изготовлению комбинированных подшипников. На стальную под­ложку наносится слой порошковой бронзы, которая припекается к подложке. В поры бронзового слоя впрессовывается фторопласт. Полоса разрезается на мерные куски, из которых путем свертывания изготавливаются подшипники в виде втулок. Если от подшипников не требуется особо высокая точность или действующие усилия относительно малы, с успехом применяются капроновые подшипники (ленточные транспортеры, подвижные кон­вейеры, направляющие втулки опок и т. д.).

Широкое распространение получили вкладыши в виде тон­костенных стальных втулок, внутри которых помещены раз­резные втулки из полиамидов. Имея все достоинства пластмасс, такими способами изготовленные подшипники обладают большую прочность и хорошую охлаждаемость. Подобные подшипники нашли применение в шпинделях токарных, фрезерных и шли­фовальных станков, в сельскохозяйственных машинах и т. д.

В качестве материалов, используемых для изготовления дета­лей подшипников качения, применяются слоистые пластики с гра­фитовым наполнителем, волокниты, полиамиды, фенопласты.

Широкое распространение получают пластмассовые направ­ляющие на металлообрабатывающих станках и в других меха­низмах: в поршневых двигателях, в прессах и др. В этих случаях направляющие, изготовленные в виде полос, крепятся к корпусу методом склеивания или винтами (рис. 9, б). В каче­стве материала для этих целей используются текстолиты, волокниты или фенопласты с наполнителем в виде древесной крош­ки. Использование пластмассовых направляющих увеличивает точность станка за счет меньшего износа пластмассы по сравне­нию с обычно используемыми чугунными направляющими. Уменьшаются также потери мощности механизмов на силы тре­ния. Особенно удобен ремонт станков и механизмов с такими направляющими.

Зубчатые, червячные, цепные и ременные передачи. Приме­нение пластмасс в зубчатых и червячных зацеплениях обеспе­чивает: мягкую передачу крутящего момента; высокую износо­стойкость; бесшумность и надежную работу в химически агрес­сивных средах; малый вес; во многих случаях простоту изготов­ления. Наилучшая работоспособность шестеренной передачи обеспечивается комбинацией пластмассовых и металлических шестерен, благодаря чему обеспечивается хороший теплоотвод от пластмассовых шестерен. Для уменьшения износа пластмас­совых шестерен рекомендуется повышенная твердость зубьев стальных шестерен и увеличение чистоты их поверхности. В ка­честве материала для пластмассовых шестерен используют тек­столит, древесно-слоистые пластики (ДСП), полиамиды, поли­формальдегид (ПФА).

Червячные пластмассовые колеса при температуре менее 90 °С, скоростях скольжения, не превышающих 3 м/с, и нагруз­ках не выше 30 кг/см² можно изготавливать из текстолита и ДСП, при нагрузках 15... 18 кг/см² – из полиамидов.

В цепных передачах из тех же пластмасс, которые исполь­зуются для шестерен, изготавливаются звездочки. Пластмассы типа полиамидов в виде вставок внутри стальных втулок исполь­зуются для изготовления пластинчатых цепей, что резко снижает коррозию стальных деталей цепи и «слипание» звеньев цепи.

Долговечность цепных передач, работающих в запыленной и коррозирующей среде, резко повышается.

В ременных передачах хорошо зарекомендовали себя пласт­массовые ремни (особенно из полиамидов), которые отличаются не только хорошими техническими данными, но и устойчиво­стью работы в агрессивных средах. Перлоновые ремни исполь­зуются для передачи больших мощностей (до 5000 л. с.) в основ­ном для прокатных станов, мощных прессов, молотов, мельниц.

Из полиамидов (нейлон, перлон) изготовляют также буксир­ные канаты. Для защиты от коррозии стальных канатов их покрывают слоем полиамидов (нейлоном). Полиамиды все шире используются для изготовления и покрытия транспортер­ных лент.

На ряде станкостроительных заводов освоено производство пластмассовых шкивов клиноременных передач. Вес таких шки­вов из-за повышенной удельной прочности пластмасс примерно в 5 раз меньше металлических, а себестоимость – в 2,5 раза ниже.

Для изготовления шкивов можно использовать полиамиды (мелкие шкивы и блоки) волокнит, фенолит К-18-2, декоррозит К-17/18-81, текстолит, стекловолокнит (для крупногабаритных шкивов диаметром до 800 мм). Наряду с лопаточной прочно­стью, нагрузки от центробежной силы на такие шкивы существенно меньшие, чем на стальные и чугунные.

Фрикционные устройства. В фрикционных узлах с небольшой тормозной мощностью используют пластмассы с асбестовым наполнителем. Для этих материалов температура нагрева не должна превышать 250 °С. При очень кратковременном нагружении пластмассы типа ретинакс допускают нагрев до 1000 °С. Ко­эффициент трения ретинакса по стали больше 0,35.

Вариаторы. Пластмассы типа текстолит используются в ва­риаторах, когда не предъявляются особо высокие требования к обеспечению постоянства передаточного отношения или высо­кого коэффициента полезного действия.

Муфты, прокладки. Особенно перспективно применение пластмасс для деталей зубчатых муфт из текстолита, капрона. Капроновые муфты, например, могут передавать большие на­грузки, хорошо поглощают удары, обеспечивают бесшумность работы и более просты в исполнении. Очень широкое примене­ние в конструкциях муфт нашли диски и другие эластичные элементы, изготовленные из резины. Резиновые элементы при­меняются для упругого соединения валов в качестве упругих элементов нежестких муфт. Они являются одновременно амор­тизаторами и демпферами, а также позволяют частям вала иметь взаимное угловое перемещение. Резина находит очень широкое применение для изолирования колебаний станин станков от остальных ее узлов, что заметно увеличивает точность станков.

Резиновые подкладки изолируют корпуса судов, автомашин и т. д. от колебаний двигателей. Очень широко применяются резиновые вкладыши в металлических шарнирах, которые разъе­ди­няют трущиеся металлические части шарнира.

Прочие детали различных машин, механизмов и конструкций. Пластмассы получили широкое распространение в быстроходных текстильных машинах, в которых большое значение имеет малая инер­ционность деталей и возможность применения движущихся де­талей без смазки. Такими деталями являются шпули и их покрытия, мотовила, детали чесальных машин и т. д.

В основном для этой цели используются фенопласты с порош­ковыми наполнителями. Фенопласты являются незаменимым ма­териалом для изготовления корпусов различной контрольно-из­ме­­рительной аппаратуры, малогабаритных радиоприемников и т. д. Эти же материалы используются для изготовления деталей уп­равления машин и механизмов (головки, рукоятки, маховички и т. д.). Изготовление таких деталей из пластмасс позволяет экономить металл и снижать стоимость изделия, а также способствует приданию машине декоративного вида. Многие пластмассы отличаются высокой удельной прочностью.

Из-за малого объемного веса и высокой удельной прочности применение пластмасс особенно выгодно для изготовления рото­ров высокоскоростных машин (насосы, вентиляторы, турбины, лопасти вертолетов). Использование нейлона для поршней пневматических двигателей приводит к меньшим нагрузкам на поршень, а также на шатуны от действия сил инерции. В силу этого использование пластмассы в таких деталях приводит к умень­шению веса машины не только за счет меньшей плотности пластмассовых деталей, но и за счет облегчения других эле­ментов конструкций, сопряженных с пластмассовыми деталям.

Особенно перспективно для тяжело нагруженных деталей конструкции применение стеклопластиков, которые имеют наи­высшую удельную прочность. Чаше всего вместо металлических сплавов (стали) находят применение фенолформальдегидные слоистые пластики, а также полиэфирные и эпоксидные стекло­пластики. В машиностроении стеклопластики, а также полиэти­лен и винипласт используются в качестве корпусных материа­лов, особенно в сложных конструкциях, которые изготавливаются из этих материалов методом сварки.

Пластмассовые уплотнители и амортизаторы. Детали уплот­нений из пластмасс находят очень широкое применение. Это объ­ясняется тем, что пластмассы обеспечивают не только высокую герметичность соединения, но и необходимую прочность и хими­ческую стойкость узла уплотнения. Широкое распространение находят уплотнения из ненабухающих, маслостойких и бензостойких резин. Широко применяются пластмассовые уплотнения из самоуплотняющихся полихлорвиниловых колец в местах ввода электрических кабелей. Полихлорвиниловые уплотнения применяются для штоков насосов и компрессоров, в которых давле­ние доходит до 200 кгс/см². В пневматических системах дости­гается улучшение герметичности при замене чугунных поршне­вых колец текстолитовыми или фторопластовыми, армирован­ными стекловолокном. При этом одновременно уменьшается износ цилиндра.

В технике наряду с резиной все шире применяются пластмас­совые амортизаторы. Пластмассовые амортизаторы имеют в среднем в 1,2...1,5 раза больший срок службы, чем резиновые.

Широкое применение находят полимерные демпфирующие жидкости из силикона. Силиконовый демпфер наиболее пригоден для гашения значительных колебаний при температурах до 200 °С. Это объясняется высокой вязкостью силиконового масла, которая сохраняется до высоких температур. Силиконовые мас­ла, имея хорошую стойкость в интервале температур от –50 до 200 °С, являются незаменимым смазочным материалом для узлов трения, работающих при высоких температурах.

Детали трубопроводной арматуры. Пластмассовые трубы широко используются в технике, особенно в химическом машиностроении и в строительстве. Основными преимуществами пластмассовых труб являются: высокая коррозионная стойкость, малый вес, удобство транспортировки и монтажа. Например, трубы из полиэтилена можно наматывать на барабаны и сматывать непосредственно в траншею. Для изготовления труб исполь­зуют как термореактивные пластики, так и термопласты. Основными материалами для изготовления труб являются:

1. полихлорвинил, полиэтилен, полиамиды, фторопласты, полиэфирные пленки, стекловолокниты;

2. фенопласты с наполнителем в виде асбеста, графита или песка (фаолиты), реже текстолит, гетинакс.

Трубы из термопластов хорошо обрабатываются, изгибаются по месту, свариваются и склеиваются. Трубы из реактопластов соединяются только склейкой. Пластмассы используются также для изготовления трубной арматуры (уголки, тройники, краны, вентили и т. д.).

В случае арматуры высокого давления применяется обли­цовка металлической арматуры пластмассами, обеспечивающими необходимую коррозионную стойкость. Наиболее часто для футеровки металлических трубопроводов и емкостей используются полиэтилен, полихлорвинил, полистирол, асбовинил, фторопласт, резины из синтетических каучуков. Выбор материала труб и арматуры определяется требованиями механической прочности, химической стойкости, а также условиями монтажа трубопро­вода.

Пластмассовые покрытия. Положительные свойства пласт­масс широко используются, при создании комбинированных изде­лий. Металлические предметы с нанесенным покрытием из поли­меров имеют одновременно высокую прочность, присущую ме­тал­лам, и положительные свойства полимеров. Особенно эффективно использование таких покрытий в случае, если при этом удается заменить дефицитные и дорогие металлы (цветные сплавы, вы­соколегированные стали) дешевыми углеродистыми сталями.

Водостойкие покрытия применяются для предупреждения по­глощения воды деревянными, картонными, пенопластмассовыми, пенобетонными и другими изделиями.

Так как кремнийорганические покрытия не смачиваются во­дой, ими покрывают стекла окон транспортных средств. Капли дождя скатываются с таких покрытий, не растекаясь по стеклу, благодаря чему сохраняется хорошая видимость водителю.