Раздел 6. Производство деталей из неметаллических материалов и металли-

ческих порошков

Глава 11. Способы изготовления композиционных материалов

Лекция 27. Общие сведения о пластмассах.

Переработка пластмасс в изделия

Общие сведения о пластмассах. Пластмассами называются материалы,

получаемые на основе природных или синтетических полимеров (смол), кото-

рые на определенной стадии производства или переработки обладают высокой

пластичностью. Свойства пластмасс определяются физико-механическими ха-

рактеристиками их основы — смолы.

В зависимости от поведения при нагреве смолы (и соответственно пласт-

массы) подразделяют на термопластичные и термореактивные. Термопластич-

ные пластмассы (термопласты) при каждом нагреве размягчаются, переходят в

вязкотекучее состояние, а при охлаждении отвердевают. К термопластам от-

носятся: органическое стекло, полистирол, полиэтилен, полипропилен, вини-

пласт, капрон и др.

Термореактивные пластмассы (реактопласты) при нагреве вначале раз-

мягчаются, а затем при определенной температуре переходят в твердое, не-

плавкое и нерастворимое состояние, поэтому они не могут повторно перераба-

тываться. К реактопластам относятся пластики на основе фенолоформальде-

гидной, полиэфирной и других смол.

Для придания пластмассе различных свойств в ее состав вводят другие

компоненты: наполнители, пластификаторы, а также различные добавки.

Наполнителями служат органические или неорганические вещества в ви-

де порошков (древесная или кварцевая мука, графит), волокон (бумажных,

хлопчатобумажных, асбестовых, стеклянных) или листов (ткани, слюда, дре-

весный шпон). Наполнители повышают прочность, износостойкость, тепло-

стойкость или другие свойства пластмасс и могут составлять 40–80 % их

объема. 181

Пластификаторами называют малолетучие вещества (глицерин, касторо-

вое или парафиновое масло и др.), вводимые в состав пластмасс

с целью повышения их пластичности и эластичности.

К добавкам относятся: стабилизаторы — вещества, замедляющие разру-

шение пластмассы при воздействии тепла, света и других факторов (сажа, сер-

нистые соединения, фенолы); смазки, облегчающие процесс прессования пла-

стмасс (воск, стеарин, олеиновая кислота); красители — охра, хром, родамин.

При изготовлении порошков и пенопластов добавляют газообразователи -

вещества, которые при нагреве разлагаются, выделяют большое количество га-

зов, вспенивающих смолу.

Свойства пластмасс. Широкое применение пластмасс в ма-

шиностроении стало возможным благодаря их специфическим свойствам.

К ним относятся: малая плотность (для большинства пластмасс —

0,9–0,8 г/см3

), позволяющая значительно уменьшать массу деталей и оборудо-

вания; высокая коррозионная стойкость; высокие электроизоляционные ха-

рактеристики; хорошие антифрикционные свойства ряда пластмасс позволяют

с успехом применять их для изготовления подшипников скольжения; высокая

прозрачность и другие оптические свойства некоторых пластмасс;. большой

диапазон твердости и эластичности; возможность переработки в изделия са-

мыми производительными способами– литьем, выдавливанием и т. п. с коэф-

фициентом использования материала 0,90–0,95.

Вместе с тем при выборе пластмасс для изготовления различных деталей

необходимо учитывать, что им присущи: малая прочность, жесткость и твер-

дость; большая ползучесть, особенно у термопластов; низкая теплостойкость:

для большинства пластмасс рабочая температура составляет от —60 до

+200°C, немногие могут работать при 300—400°С; низкая теплопроводность (в

500–600 раз меньше, чем у металлов), затрудняющая отвод тепла в узлах тре-

ния, например в подшипниках скольжения; старение — потеря свойств под

действием тепла, света, воды и других факторов.

Переработка пластмасс в изделия. Полимеры — основа пластмассы —

могут находиться в двух агрегатных состояниях: твердом — аморфном или

кристаллическом и жидком — вязкотекучем. При нагреве до определенных

температур они разлагаются, минуя парообразное состояние.

Аморфные полимеры при определенной температуре переходят из стек-

лообразного состояния в высокоэластичное и затем в вязкотекучее. Кристалли-

ческие полимеры практически не имеют зоны высокоэластического состояния

и при нагреве сразу переходят в вязко-текучее состояние.

Исходя из такой зависимости деформации и физического состояния поли-

меров от температуры, пластмассы перерабатывают в изделия различными

способами в вязкотекучем, высокоэластическом, жидком и твердом состояни-

ях, а также производят сварку и склеивание.

182

Лекция 28. Производство деталей из жидких полимеров.

Сварка и склеивание пластмасс

Рассмотренные способы переработки пластмасс требуют для своего осу-

ществления нагрева и приложения внешнего давления, что ограничивает вели-

чину и форму изготовляемых деталей размерами форм и мощностью прессов.

Возможности применения пластмасс были намного расширены благодаря

синтезу смол, находящихся в жидком состоянии при комнатной температуре и

отверждающихся при этой же температуре при добавке отвердителя и прило-

жении незначительного давления или без давления. Из этих смол наиболее ши-

рокое применение в качестве основы пластмасс получили полиэфирные и

эпоксидные смолы, хорошо совместимые со стекловолокном (стеклотканью).

Контактное формование применяется для изготовления из стекло-

пластиков крупногабаритных деталей (корпусов лодок и судов, кузовов авто-

мобилей и т. п.). Формование осуществляют с помощью деревянных, гипсо-

вых, цементных, металлических форм. Форма для изготовления крупнога-

баритных деталей из стеклопластика обычно является негативной,

т. е. ее рабочие поверхности соответствуют внешней поверхности детали.

На рабочую поверхность формы вначале наносят разделительный слой

(нитролак, поливиниловый спирт), а затем слой связующего, обычно поли-

эфирной смолы, которые впоследствии образуют полированную поверхность

изделия. После некоторой выдержки на этот слой укладывают и прикатывают

резиновым валиком слой стеклоткани или стекловаты. Под давлением ролика

связующее, находящееся под слоем стеклонаполнителя, просачивается и хоро-

шо его пропитывает. Перед укладкой последующих слоев стеклонаполиителя

процессы нанесения связующего и прикатки повторяются. Число слоев стекло-

наполиителя определяется необходимой толщиной готовой детали. После вы-

держки в течение 10—12 ч при комнатной температуре связующее отвердева-

ет, и деталь удаляется из формы.

Вихревое напыление. По этому способу стеклянное волокно рубится уст-

ройством и потоком воздуха подается по шлангу на поверхность перфориро-

ванной формы. Одновременно пульверизатором наносится связующее — поли-

эфирная смола с добавкой отвердителя. Связующее и наполнитель смешивают-

ся на поверхности формы и частично перед ней в воздухе.

Намоткой получают стеклопластиковые трубы, наматывая на оправ-

ку пропитанное смолой стекловолокно, стеклоленту или стеклоткань. Намот-

ка осуществляется на токарных станках или станках для кабельной оплетки.

Снятая с оправки труба подвергается термообработке при температуре, необ-

ходимой для отверждения смолы.

Центробежным литьем получают полые детали в виде тел вращения

толщиной до 15 мм, диаметром до 1 м и высотой до 3 мм, а также трубы с тол-

щиной стенки 5–7 мм, диаметром 75–120 мм и длиной до 6 м. Для этого во 183

вращающуюся цилиндрическую форму загружается стекловолокнистый на-

полнитель и связующее. Форма имеет обогревательные устройства. Детали

и трубы, получаемые этим способом, отличаются хорошей плотностью,

имеют гладкие наружные и внутренние поверхности.

Литье без давления осуществляется путем заливки твердеющих при

комнатной температуре или последующем нагревании смол в холодные или

горячие формы. Таким способом получают детали технологической оснастки,

например шаблоны, пуансоны и матрицы пресс-форм из полиэфирных и эпок-

сидных смол, стиракрильных композиций.

Изготовление деталей из пластмасс в твердом состоянии. Большое

число деталей изготовляют из пластмасс в твердом состоянии: листов, плит,

труб, профилей различного сечения. Для этого применяют разделительную

штамповку и обработку резанием.

Разделительная штамповка включает операции: вырубку, пробив-

ку, обрезку, зачистку. Наибольшее применение из них получили вырубка и

пробивка.

Вырубку и пробивку делают на вырубных штампах, аналогичных по кон-

струкции штампам для металла. При штамповке из листовых пластиков можно

получить детали сложного профиля. Вырубку и пробивку отверстий рацио-

нально производить в материалах толщиной до 3 мм и, как правило, без

нагрева.

Обработка резанием. Пластмассы поддаются всем видам обработ-

ки резанием, которую выполняют на обычных металлорежущих или деревооб-

рабатывающих станках. Однако особенности строения и физико-механические

их свойства требуют соблюдения некоторых требований к технологии обра-

ботки и конструкции режущего инструмента.

Низкая теплопроводность пластмасс способствует концентрации тепла в

зоне резания, что ведет к значительному нагреву инструмента, оплавлению

термопластов и прожогу или обугливанию реактопластов. Под действием тепла

смолистые составляющие пластмасс налипают на рабочие поверхности инст-

румента. Поэтому его необходимо тщательно затачивать, передние и задние

поверхности полировать, а иногда хромировать и доводить пастами.

При обработке пластмасс с абразивными наполнителями (кварц, асбест,

стекловолокно и др.) инструмент обладает малой износостойкостью. Поэтому

для обработки таких пластмасс применяют инструмент из твердых сплавов или

быстрорежущей стали.

Из-за возможного влагопоглощения и набухания при обработке реакто-

пластов с волокнистыми и слоистыми наполнителями охлаждающие жидкости

не применяются.

При обработке пластмасс образуется много пыли, выделяются вредные

газы, поэтому станки должны быть оснащены местной вентиляцией.

Для улучшения условий резания и повышения стойкости инструмента пе-

редний и задний углы выбирают несколько большими, чем при обработке ме-

таллов. 184

Резку листовых пластмасс толщиной до 3 мм осуществляют с помощью

гильотинных, параллельных или дисковых ножниц.

Материал толщиной более 3 мм разрезают ленточными и дисковыми пи-

лами из быстрорежущей стали, твердосплавными фрезами или обрезными ал-

мазными кругами. Ленточные пилы лучше проводят тепло, поэтому они более

пригодны для распиливания плит большей толщины; узкие полотна применяют

для фигурной резки, широкие – для прямой. Резка осуществляется ленточными

пилами со скоростью резания 250–1200 м/мин и дисковыми пилами — 250–

3000 м/мин обычно при охлаждении сжатым воздухом.

Точение пластмассовых деталей производится на обычных металлорежущих

станках. Для точения термопластов применяют резцы из инструментальной уг-

леродистой и быстрорежущей стали с углами: а <20°; у = 15–20°; р < 45° и

К = 0. Для точения реактопластов применяют резцы из быстрорежущей стали и

твердых сплавов с углами: а = 10–20°; у = 10–20°; Ф = 45 и К = 0.

Термопласты (оргстекло, винипласт, полиамиды) обрабатывают со скоро-

стью резания v = 200–1000 м/мин, глубиной резания t => 0,5–3 мм и подачей s

= 0,1 –0,2 мм/об, фенопласты с различными наполнителями —

с v =; 170–180 м/мин, t = 1,5–2,5 мм и s = 0,1–0,2 мм/об.

При точении термопластов обычно применяют охлаждение эмульсией

или водой, при точении реактопластов (гетинакса, текстологов, волокнитов) —

сжатым воздухом.

Фрезерование выполняется на фрезерных металлообрабатывающих стан-

ках. Фрезерование термопластов осуществляют фрезами из быстрорежущей

стали с углами заточки, а = 10– 15°, у до 20° при скорости резания 200–250

м/мин и подаче 0,1–0,4 мм/об.

Реактопласты обрабатывают фрезами, оснащенными пластинками из

твердых сплавов, с углами, а = 10–25° и у = 10–15°, при скорости резания

125–200 м/мин и подаче 0,1–0,3 мм/об.

При фрезеровании пластмасс следует: фрезеруемую деталь жестко закре-

плять на станке или в приспособлении; для повышения плавности работы и

улучшения отвода стружки применять фрезы с винтовыми зубьями с углом на-

клона 20–55°; при фрезеровании пластмасс со слоистыми наполнителями при-

менять попутное фрезерование; для охлаждения инструмента применять сжа-

тый воздух (некоторые термопласты допускают применение эмульсии).

Сверление отверстий, в особенности глубоких, в деталях из пластмасс

представляет определенные трудности. Поэтому операции сверления жела-

тельно исключать, а при необходимости их выполнения — правильно выби-

рать конструкцию сверла, его материал и геометрические параметры, режимы

обработки, смазки и охлаждения зоны резания. Необходимым условием каче-

ственного сверления являются: большая скорость резания, небольшие подачи и

частый вывод сверла из отверстия для удаления стружки. Повышению качества

обработки способствует применение спиральных сверл с широкой, хорошо по-

лированной канавкой. Охлаждение обычно обеспечивается сжатым воздухом, а 185

при сверлении фенопластов и стеклопластиков возможно применение СОЖ

(водный раствор эмульсола).

Для сверления отверстий в термопластах применяют спиральные сверла с

углом при вершине 2<р < 70°, задним углом а = 4–8°

и углом наклона канавки

с = 15–17°.

Для сверления отверстий в термореактивных пластмассах и листовых

пластиках используют сверла из быстрорежущих сталей или твердых сплавов с

параметрами: 2<р = 50–60°.

Кроме спиральных сверл для сверления отверстий в пластмассах приме-

няют перовые сверла, циркульные резцы, трубчатые сверла, алмазные сверла-

коронки.

Нарезание резьбы на пластмассовых деталях является сравнительно

трудновыполнимой операцией, и поэтому требует строгого соблюдения режи-

мов резания, охлаждения, выбора инструмента. Наружные резьбы нарезают

резцами, фрезами, плашками, внутренние — азотированными или хромиро-

ванными метчиками.

Резцы большого диаметра нарезают на токарно-винторезных станках при

скорости резания около 100 м/мин и глубине резания не более 0,1–0,2 мм с

применением СОЖ из смеси парафинового масла и керосина.

Небольшие наружные и внутренние резьбы нарезают плашками и метчи-

ками из быстрорежущей стали при скоростях резания 12–20 м/мин и смазке

маслом или мыльным раствором. У метчиков передний угол должен быть от-

рицательным (—5—10°), а канавки — хромированными и полированными.

Резьбу на деталях из пластмасс со слоистыми наполнителями (гетинакс,

текстолит) следует нарезать только перпендикулярно слоям наполнителя,

иначе возможно их расслаивание.

Шлифование деталей из термопластов проводят суконными и фланеле-

выми кругами с пастой из отмученной пемзы с водой или наждачной бумагой с

абразивом зернистостью 150–250.

Термореактивные пластмассы шлифуют абразивными кругами с мягкой

связкой, наждачными полотнами или бумагой.

Шлифование осуществляют с большими скоростями (20...40 м/с) при

кратковременном контакте (1–15 с) детали с кругом и усилий прижима в пре-

делах 0,05–0,15 МПа.

Полирование пластмасс производят на полировальных станках суконны-

ми, хлопчатобумажными или байковыми кругами диаметром 200–400 мм и

толщиной 60– 100 мм с нанесенными на них пастами (ГОИ, ВИАМ-2 и др.) при

окружной скорости 15–35 м/с.

Мелкие детали полируют в галтовочных барабанах. При сухом способе

полировальным составом служит смесь пемзы или опилок с мелом с машин-

ным и вазелиновым маслом, а при мокром — берется 100 г пемзы тонкого по-

мола на 10 л воды.

Сварка и склеивание пластмасс. Сварку применяют для получения не-

разъемных соединений деталей из термопластов; склеивать можно пластмассы 186

между собой, а также другими материалами (металлами, деревом, тканями и

др.).

Сварку пластмасс осуществляют, применяя теплоноситель (нагретый газ

или инструмент) или нагрев ТВЧ, ультразвуком, трением.

Сварку газовым теплоносителем применяют при изготовлении труб,

корпусов, аппаратов, ванн и других емкостей из листового винипласта, поли-

стирола, полиэтилена и других термопластов. Такая сварка может осуществ-

ляться с применением присадочного материала и без него. В качестве теплоно-

сителя используют воздух, углекислый газ, азот. Газ нагревают до температуры

180–220°С в специальных сварочных пистолетах, обогреваемых электрически-

ми или газовыми нагревателями.

При сварке с присадочным материалом струя нагретого газа направляется

из сопла на кромки деталей и присадочный пруток диаметром 2–4 мм из того

же пластика и нагревает их до вязкотекучего состояния. При надавливании

пруток приваривается к размягченным кромкам, образуя сварной шов.

При сварке без присадочного материала сварочный пистолет устанавли-

вают в створ свариваемых листов так, чтобы газовая струя попадала на срезан-

ные под углом кромки. Давление сварки осуществляется роликами. Скорость

такой сварки составляет 12–20 м/с.

Сварку нагретым инструментом применяют для соединения труб и

прутков встык, а также листовых и пленочных материалов внахлестку. При

этом способе источником нагрева свариваемых деталей служит нагретый инст-

румент (пластина, клин, паяльник), передающий тепло при контакте с мате-

риалом и разогревающий его до вязкотекучего состояния. После удаления ин-

струмента поверхности свариваемых деталей сдавливают, чем и обеспечивают

их сварку.

Сварка трением пластмасс, как и металлов, основана на использова-

нии для разогрева торцовых поверхностей свариваемых деталей тепла, выде-

ляющегося при их трении. Сварку труб, прутков осуществляют на специаль-

ных установках, но возможно применение для этой цели и токарных станков.

Сварка с нагревом ТВЧ основана на использовании тепла, выде-

ляющегося за счет диэлектрических потерь в зоне высокочастотного электри-

ческого поля. В промышленности широко применяют специальные машины,

обеспечивающие роликовую, точечную и прессовую сварку пленок, листов,

труб. Сварка с нагревом ТВЧ обеспечивает прочность и герметичность швов,

высокую производительность и экономичность процесса.

Ультразвуковая сварка пластмасс в принципе мало отличается от ультра-

звуковой сварки металлов. Для сварки ультразвуком листовые пластики зажи-

мают между прижимом и волноводом магнитострикционного вибратора. При

прохождении через обмотку вибратора тока частотой более 20 кГц колебания

его сердечника усиливаются волноводом и передаются на свариваемый мате-

риал, где в конечном итоге трансформируются в теплоту.

При сварке ультразвуком материал разогревается только в зоне контакти-

рующих поверхностей, что исключает перегрев. Важным преимуществом этого 187

вида сварки является и то, что ее можно осуществить в труднодоступных мес-

тах, применяя для этого специальные (например, отогнутые) волноводы.

Склеивание пластмасс. Технологический процесс склеивания пластмасс

определяется их химической структурой, физико-механическими свойствами, а

также свойствами применяемых клеев.

Детали из термопластов склеивают преимущественно растворителями,

например оргстекло и винипласт — дихлорэтаном, полистирол — бензолом

или раствором этих материалов в соответствующих растворителях.

Склеивание полиэтилена, полипропилена, фторопласта и некоторых дру-

гих пластиков затруднено и требует предварительной обработки склеиваемых

поверхностей растворами различных реагентов. После такой обработки их

склеивают полиуретановыми или фенолоформальдегидными клеями.

Для склеивания деталей из реактопластов применяют клеи на основе фе-

нолоформальдегидных, полиуретановых, полиэфирных, эпоксидных и других

смол.

Склеивание производят без подогрева (клеи ВИАМ Б-3, ПУ-2, ВК-5) и с

подогревом до температуры 150–250°С (клеи БФ-2, БФ-4, ВК-3, ВС-10Т, ВК-2,

эпоксид П и др.).

Технологический процесс склеивания деталей состоит из подготовки их

поверхностей (пригонки, очистки) к склеиванию и непосредственного склеива-

ния: нанесения клея, выдержки для удаления растворителя, сборки деталей и

выдержки под прессом без нагрева или с нагревом.

Технологические основы конструирования деталей из пластмасс.

При конструировании деталей из пластмасс необходимо учитывать механиче-

ские и технологические свойства этих материалов и способы их переработки. С

учетом этого следует:

1. В деталях, изготовляемых прессованием, предусматривать толщину сте-

нок не менее 0.5––1 мм и не более 20 мм; при этом разностенность в прессо-

ванных деталях не должна превышать 1:3 и в литых – 1:6;

2. Для предотвращения образования трещин в местах сопряжения поверх-

ностей прессованных деталей предусматривать галтели радиусом 1–2 мм и ли-

тых под давлением – 0,5–1 мм;

3. С целью уменьшения толщины фланцев и стенок предусматривать в кон-

струкции детали выемки, углубления, компенсируя некоторую потерю сечения

и прочности введением ребер жесткости;

4.Стремиться изготовлять детали с большей конусностью и технологиче-

скими уклонами;

5. Стремиться упростить форму деталей, избегать острых краев, боковых

выступов, обеспечивая тем самым упрощение дорогостоящих пресс-форм и

другой технологической оснастки;

6. Учитывать, что минимально допустимый диаметр резьбы в прессованных

деталях из термопластов и пресс-материалов составляет 2,5 мм, а из волокни-

стых – 4 мм, при этом глубина резьбовых отверстий не должна превышать трех

диаметров; 188

7. Металлическую арматуру располагать равномерно по сечению детали или

в ее центре и избегать расположения ее перпендикулярно к направлению прес-

сования.

Лекция 29. Производство изделий из резины

Резина является материалом, обладающим весьма ценными специфиче-

скими свойствами: высокой эластичностью и упругостью, способностью мно-

гократно изгибаться, сопротивляться истиранию и поглощать вибрации; она

гидро- и газонепроницаема, стойка против воздействия жидкого топлива и ма-

сел, обладает высокими диэлектрическими свойствами. Благодаря этому резина

находит широкое применение для изготовления самых разнообразных изделий:

шин для автомашин, мотоциклов, самолетов; рукавов для подачи различных

жидких и газовых сред (воды, топлив, масел, газов), приводных ремней и

транспортерных лент, уплотняющих элементов (сальников, прокладок, ман-

жет); амортизаторов, подшипников, электроизоляционных элементов, водопла-

вательных средств, строительных конструкций и многих других.

Резина является продуктом переработки каучуков. Натуральный каучук

получают из растений (гваюлы, кок-сагыза и др.).

Развитие техники, естественно, не могло ограничиться использованием

только натурального каучука и привело к созданию синтетического. Исходным

сырьем для получения синтетического каучука служат: этиловый спирт, ацети-

лен, бутан, этилен, бензол, изобутилен и др.

Из синтетических наибольшее применение получили каучуки: бутадие-

новый, бутадиен-стирольный, нитрильный, изопреновый, полисилоксановый.

Каучук (натуральный или синтетический) является основой резины. Дру-

гими компонентами резиновых смесей являются:

вулканизирующие вещества, придающие резине требуемую твердость, проч-

ность, упругость и другие свойства. В качестве вулканизирующих веществ ис-

пользуют серу, перекиси марганца, свинца, бензола;

ускорители вулканизации: оксиды магния, цинка и др.;

наполнители– вещества, уменьшающие расход каучука и придающие резине

необходимые физико-механические свойства. Наполнители бывают порошко-

образные (сажи, оксиды кремния или титана, мел, тальк, каолин и др.) и ткане-

вые (корд, бельтинг, рукавные ткани);

пластификаторы, повышающие пластичность и морозостойкость резины

(стеариновая и олеиновая кислоты и др.);

противостарители, препятствующие окислению каучука (вазелин, воск,

парафин);

красители (охра, ультрамарин). 189

Производство изделий из резины. Процесс изготовления изделий из резины

состоит из приготовления сырой резиновой смеси, получения из нее полуфаб-

рикатов или готовых изделий и их вулканизации.

1. Приготовление сырой резиновой смеси. Для получения смеси каучук

разрезают на куски и для повышения пластичности пропускают через нагретые

до 40–50°С вальцы. Затем в специальных смесителях или на вальцах смешива-

ют с порошкообразными компонентами (наполнителем, вулканизирующими

веществами, ускорителями вулканизации и др.) и получают однородную пла-

стичную и малоупругую массу – сырую резину. Она легко формуется, растворя-

ется в органических растворителях, при нагреве становится клейкой.

2. Производство изделий из резины. Листовые полуфабрикаты и изделия

из резины получают каландрированием сырой резины; изделия сложной фор-

мы– выдавливанием, прессованием, литьем под давлением.

Каландрированием получают листовую резину и прорезиненную ткань.

Для получения резиновых листов или лент заданной толщины сырую ре-

зиновую смесь пропускают между верхними валками каландров, аналогичных

по конструкции трехвалковой клети листопрокатного стана для металлов.

Верхний и средний валки каландра подогревают до 50–90°С, а нижний охлаж-

дают до 15°С. Выходящую из каландра листовую резину наматывают на дере-

вянный барабан.

Прорезинивание ткани производят на каландрах, отличающихся от рас-

смотренного тем, что на них резиновая смесь провальцовывается и одновре-

менно втирается в непрерывно движущуюся ткань, подаваемую с барабана в

зазор между нижними валками.

Листовая резина или прорезиненная ткань поступает на раскрой. Слож-

ные фасонные заготовки вырубают или вырезают из нее по шаблонам.

Выдавливание (шприцевание) применяют для получения резиновых про-

филей: трубок, шнуров, полос. Для этого сырую резиновую массу с помощью

червячного винта перемещают в обогреваемом цилиндре и выдавливают через

матрицу определенного сечения аналогично экструдированию пластмасс.

Прессование заключается в формовании изделий сложной формы из сы-

рой резины или прорезиненной ткани, иногда с армирующими элементами в

подогретой пресс-форме при давлении 2–10 МН/м². Схема этого процесса ана-

логична схеме прессования пластмасс. Прессованием получают из резины кли-

новидные ремни, муфты, манжеты и т. п.

Литье под давлением применяется для получения сложных по конфигу-

рации и крупногабаритных изделий и осуществляется в нагретых до 80–100°С

пресс-формах при давлении до 120 МН/м² аналогично литью пластмасс.

3. Вулканизация – это процесс обработки отформованного из сырой рези-

ны изделия с целью повышения его прочности, твердости и других физико-

механических свойств. Обычно вулканизацию проводят в автоклавах, котлах

при температуре 130–150ºС и давлении 0,1–0,4 МН/м². При этом вулканизи-

рующие вещества взаимодействуют с линейными молекулами каучука, проис-

ходит их укрупнение и образование сетчатой структуры. В результате этого те- 190

ряется пластичность каучука, изделие становится прочнее, повышается его

стойкость к тепловым и химическим воздействиям.

Лекция 30. Производство деталей из металлических порошков

Общие сведения о порошковой металлургии. При разработке материа-

лов и создании готовых деталей методом порошковой металлургии использу-

ются порошки металлов и их сплавов или неметаллических веществ. Из этих

порошков вначале прессуют заготовки, которые затем для повышения прочно-

сти спекают. Поэтому изделия, полученные из порошков прессованием и спе-

канием, называют спеченными.

Метод порошковой металлургии ценен прежде всего тем, что позволяет

получать материалы, которые другими методами получить невозможно: из ме-

таллов со значительной разницей в температуре плавления (например, W-Cu,

W-Ag, Mo-Cu), из металлов и неметаллов (бронза-графит), из химических со-

единений (твердые сплавы из карбидов WC, TiC и др.), материалы с заданной

пористостью (вкладыши подшипников, фильтры), электрическими, магнитны-

ми и другими свойствами.

Порошковая металлургия, кроме того, отличается минимальными отхо-

дами материалов, позволяет резко сократить станочный парк и число рабочих

для производства деталей. Поэтому метод порошковой металлургии часто ис-

пользуется для получения деталей общего машиностроения или бытового на-

значения, которые ранее изготовлялись литьем и обработкой резанием. Такие

детали изготовляют из порошков сталей, бронз, латуней и других металлов.

В задачи порошковой металлургии, таким образом, входят производство

порошков и получение из них заготовок или готовых деталей.

Получение порошков. Для изготовления спеченных изделий применяют

порошки размером от 0,5 до 500 мкм. Получают такие порошки механическими

и химическими методами.

1. Механические методы. К ним относятся: распыление жидкого металла,

размол стружки и других отходов металлообработки, дробление в вибрацион-

ной мельнице.

Распыление жидкого металла осуществляется струей воды или газа под дав-

лением 50–100 МПа. Этим методом получают порошки железа, ферросплавов,

нержавеющей стали, жаропрочных сплавов, цветных металлов.

Размол отходов металлообработки осуществляют в вихревых или шаровых

мельницах.

Дробление в вибрационной мельнице применяют для получения порошков

из твердых и хрупких материалов (карбидов, оксидов, керамики и др.).

2. Химические методы заключаются в восстановлении металлов из оксидов

или солей углеродом, водородом, природным газом. Восстановлением получа-

ют порошки железа (из окалины), вольфрама, молибдена, хрома, меди и других

металлов. Сюда же относится метод термической диссоциации карбонилов – 191

соединений типа Меx (CO)y (где Ме–один из металлов), обеспечивающий по-

лучение порошков высокой чистоты.

Этим методом получают порошки железа, никеля, кобальта и некоторых

других металлов.

Подготовка порошков к формованию. Для получения качественных за-

готовок или деталей порошки предварительно отжигают, разрезают по разме-

рам частиц, смешивают.

Отжиг порошка способствует восстановлению оксидов, удалению угле-

рода и других примесей, а также устранению наклепа, что стабилизирует его

свойства и улучшает прессуемость. Отжигу чаще подвергают порошки, полу-

ченные механическим измельчением.

Порошки размером более 50 мкм разделяют с помощью набора сит с раз-

личным сечением ячеек, а более мелкие – воздушной сепарацией. Конечные

свойства порошковых изделий в значительной степени определяются качеством

смешивания компонентов шихты. Эта операция обычно осуществляется в спе-

циальных смесителях, шаровых или вибрационных мельницах и другими спо-

собами.

В ряде случаев в порошковую массу вводят различные технологические

наполнители, улучшающие прессуемость порошков (например, раствор каучука

в бензине), обеспечивающие получение заготовок экструдированием (выдавли-

ванием) или их механическую обработку (парафин, воск), получение заготовок

литьем (спирт, бензол) и др.

Формование заготовок. Процесс формования заготовок состоит в уп-

лотнении порошка под действием приложенного давления с целью получения

из него заготовок определенной формы. Формование осуществляется прессова-

нием, экструдированием, прокаткой.

1. Прессование обычно производится в холодных или горячих пресс-

формах. Крупные заготовки получают гидростатическим способом.

Холодное прессование заключается в следующем. В стальную матрицу

пресс-формы с поддоном засыпают определенное количество порошковой

шихты и прессуют пуансоном. При этом резко уменьшается контакт между от-

дельными частицами, происходит механическое их сцепление. Поэтому проч-

ность прессовки повышается, а пористость уменьшается. Недостатком такой

схемы прессования является неравномерность распределения давления по вы-

соте заготовки из-за трения ее о стенки матрицы . Поэтому заготовки, получен-

ные в таких пресс-формах, обладают различной прочностью, плотностью по

высоте. Таким способом получают заготовки простой формы и небольшой вы-

соты.

Для устранения этого недостатка применяют двустороннее прессование с

помощью двух подвижных пуансонов. При такой схеме, кроме того, давление

прессования уменьшается на 30–40 %.

В зависимости от требуемой пористости и прочности материала заготов-

ки, а также ее формы давление прессования составляет 0,1–1 ГПа. 192

Горячее прессование совмещает формование и спекание заготовок. Этот

процесс осуществляется в графитовых пресс-формах при индукционном или

электроконтактном нагреве. Благодаря высокой температуре давление при го-

рячем прессовании можно значительно уменьшить.

Горячее прессование отличается малопроизводительностью, большим

расходом пресс-форм, поэтому применяется, главным образом, для получения

заготовок из жаропрочных материалов, твердых сплавов, чистых тугоплавких

металлов (W, Мо).

Гидростатическое прессование заключается в обжатии порошка, поме-

щенного в эластичную (например, резиновую) оболочку, с помощью жидкости

в гидростате под давлением до 2 ГПа. Этот метод позволяет получать крупно-

габаритные заготовки типа цилиндров и труб с равномерной плотностью по

всему объему.

2. Экструдированием называется процесс формования заготовок путем

выдавливания шихты через матрицу с отверстием различного сечения. Для это-

го исходный порошок замешивают с пластификатором (парафином, воском) в

количестве, обеспечивающем шихте консистенцию пластилина. Этим способом

получают прутки, профили различного сечения. Для получения полых изделий

(труб и др.) в матрице располагают соответствующую оправку.

3. Прокатка осуществляется путем обжатия порошковой шихты между

горизонтально расположенными валками. Этим способом получают пористые и

компактные ленты, полосы и листы толщиной 0,02–3 мм и шириной до 300 мм

из железа, никеля, нержавеющей стали, титана и других металлов. Процесс

прокатки легко совмещается со спеканием и другими видами обработки. Для

этого полученную заготовку пропускают через проходную печь и затем подают

на прокачку с целью калибровки.

Прокаткой можно получать и двухслойные заготовки (например, железо –

медь). Для этого в бункере необходимо установить перегородку для разделения

его на две секции вдоль валков.

Спекание и дополнительная обработка заготовок. Для повышения

прочности сформованные из порошков заготовки подвергаются спеканию. Эта

операция осуществляется в печах электросопротивления или индукционных с

нейтральной или защитной средой в течение 30–90 мин при температуре около

2/3 температуры плавления основного компонента. В процессе спекания проис-

ходит восстановление поверхностных оксидов, развиваются диффузионные яв-

ления, образуются новые контактные поверхности.

При необходимости повышения точности размеров и уплотнения поверх-

ностного слоя спеченные детали подвергают калиброванию – дополнительному

прессованию в стальных пресс-формах или продавливанию прутка через ка-

либрованное отверстие в матрице.

Спеченные заготовки можно обрабатывать резанием: точением, фрезеро-

ванием, сверлением. В связи с их пористостью не следует применять смазы-

вающе-охлаждающие жидкости, т. к. проникая в поры, могут вызвать внутрен-

нюю коррозию материала. Если выход пор на поверхность необходимо сохра- 193

нить (например, у вкладышей подшипников), обработку спеченных деталей

нужно производить хорошо заточенным режущим инструментом.

Спеченные детали из сплавов на основе железа, титана, никеля и других

металлов могут также подвергаться различным видам термической или химико-

термической обработки.

Технологические основы конструирования спеченных деталей. При

конструировании деталей из порошков следует:

–не допускать значительной разностенности, так как вследствие большой усад-

ки может произойти коробление детали;

–избегать выступов, пазов и отверстий, расположенных перпендикулярно к оси

прессования;

–избегать острых углов, в местах сопряжения элементов детали типа «фланец –

цилиндр» предусматривать закругления радиусом не менее 0,25 мм;

–наружные и внутренние резьбы получать обработкой резанием; толщину сте-

нок детали задавать не менее 1 мм.

Лекция 31. Получение материалов на основе полимерных веществ

Сущность процесса получение материалов на основе полимерных ве-

щест. Синтез полимеров из низкомолекулярных соединений (мономеров) или

химическая переработка природных полимеров, придание им требуемых

свойств; смешивание полученных полимеров с добавками; доведение получен-

ных смесей (композиций) до состояния удобного для дальнейшей переработки;

переработка полимерных композиций в изделия.

Исходные материалы: природные высокомолекулярные соединения,

природные или искусственные выкомолекулярные соединения (мономеры), до-

бавки, т. е. компоненты, придающие материалам на основе полимеров требуе-

мые свойства и улучшающие их перерабатываемость, вспомогательные мате-

риалы, необходимые для осуществления химических реакций синтеза и выде-

ления полимеров.

Конечные продукты: синтезированные или природные высокомолеку-

лярные соединения (полимеры), композиции на основе полимеров (пластмассы,

сырые резиновые смеси, герметики, клеи, лаки и краски), полуфабрикаты, заго-

товки или готовые детали из природных полимерных материалов или полимер-

ных композиций (пиломатериалы, фанера, картон, бумага, нити, пряжа, ткани,

резиновые и резино-тканевые изделия, листы, ленты, пленки, прутки, детали

машин).

Получение полимеров. Высокомолекулярные соединения (полимеры) по-

лучают из низкомолекулярных соединений (мономеров) или из природных по-

лимерных материалов путем сложных химических, физико-химических или

термохимических превращений. Эти превращения осуществляются в реакцион-

ных аппаратах (реакторах) различных конструкций. Реакции образования или

химического превращения полимеров происходят под действием катализаторов 194

или инициаторов (химических веществ, нагрева, давления, света, гамма-лучей и

других воздействий). Исходные компоненты-реакции могут находиться в реак-

торах в виде газов, расплавов, растворов, эмульсий или суспензий. Готовые по-

лимеры получаются в виде твердой массы, жидкостей, расплавов, растворов,

порошков, эмульсий (латексов) и в других состояниях.

Образовавшиеся полимеры отделяют от побочных продуктов реакции,

т. е. от непрореагировавших мономеров, растворителей, эмульсионной среды и

др. С этой целью полимеры осаждают, центрифугируют, фильтруют, выпари-

вают, сушат. Полученные твердые полимеры размалывают, превращают в гра-

нулы, таблетируют, т. е. делают удобными для расфасовки, хранения и транс-

портировки. При получении клеев, лаков, пленок иногда используют растворы

полимеров, непосредственно образующиеся в реакторе.

Переработка полимеров в изделия. Синтезированные полимеры в боль-

шинстве случаев обладают недостаточной пластичностью, имеют низкие меха-

нические свойства, неустойчивы в обычной и агрессивной средах. Поэтому по-

лимеры смешивают с различными добавками, улучшающими эти свойства и

придающими новые специальные свойства. К таким добавкам относятся пла-

стификаторы, наполнители, смазывающие вещества, красители и другие ком-

поненты. Иногда добавки вводят непосредственно в реактор при получении по-

лимеров. В результате получают различные материалы на основе полимеров:

пластические массы, сырые резины, герметики, клеи, лаки, краски и другие ма-

териалы. Твердые материалы приводят к виду, удобному для хранения, транс-

портировки и дальнейшей переработки.

Плиты, листы, трубы и сортовые профили из материалов, находящихся в

вязкотекучем состоянии, получают прессованием материала между гладкими

плитами многоэтажных прессов, продавливанием его через отверстия соответ-

ствующей формы или пропусканием через валки. Фасонные изделия прессуют

в пресс-формах или впрыскивают в них размягченный материал, формуют из-

делия раздуванием трубок или рукавов и с помощью центробежных сил.

Изделия из твердых полимерных материалов получают различными ме-

тодами механической обработки: резкой, распиловкой, разделительной штам-

повкой, сваркой, ткачеством и другими методами.

Средства технологического оснащения: реакционные аппараты (смолова-

ренные котлы, автоклавы, трубчатые реакторы, реакторы барабанного типа) до-

заторы газообразных и жидких материалов, бункера и дозаторы сыпучих мате-

риалов, системы пневмотранспорта и газо-пылеочистки; оборудование для вы-

деления полимеров (центрифуги, фильтры, вакуум-сушильные и отгонные ап-

параты); смесители для сыпучих и пластических материалов (барабанные, ло-

пастные, червячные, пневматические), мельницы, грануляторы, таблеточные

машины, фасовочное оборудование; оборудование для изготовления изделий

(гидравлические прессы, червячные машины, термопласт-автоматы, вальцы и

каландры, установки для формования изделий из листовых материалов, выдув-

ные машины, лентоотливные машины, пресс-формы и специальная технологи- 195

ческая оснастка); компрессорное оборудование, контрольно-регулирующая и

управляющая аппаратура.

Пути повышения эффективности получения материалов на основе

полимеров. Основными направлениями совершенствования процессов получе-

ния полимеров и материалов на их основе являются интенсификация процессов

синтеза, внедрение оборудования непрерывного действия и его укрупнение.

Например, при синтезе полимеров создают окислительно-восстановительную

реакционную среду, что позволяет проводить полимеризацию при более низких

температурах, а, следовательно, сократить расход энергии.

Внедрение червячных смесителей непрерывного действия взамен смеси-

телей периодического действия позволяет в 2–3 раза сократить производствен-

ные площади, в 1,5–2 раза уменьшить расход энергии, сократить число рабо-

чих.

Увеличение мощностей и емкостей оборудования позволяет увеличить его

производительность с одновременным повышением качества продукции. Вне-

дряются такие технологические процесса, как нанесение гальванических по-

крытий на пластмассовой детали непосредственно в пресс-форме в процессе их

изготовления; противотактный способ литья под давлением, при котором

пресс-форма заполняется послойно с двух или более сторон (можно получать

комбинированные или многоцветные детали); формообразование деталей мето-

дом стереолитографии. Этот способ формообразования основан на осуществле-

нии процесса полимеризации в зоне фокусировки лазерного луча. Луч обходит

по команде ЭВМ все точки объема детали, обеспечивая таким образом форми-

рование изделия в среде мономера.

Основными технико-экономическими показателями являются производи-

тельность на основных стадиях производства (получение полимеров, приготов-

ление полимерных композиций, изготовление изделий), выход годного, про-

цент и удельный расход энергии.

Получение порошковых, керамических и композиционных материалов.

Получение исходных компонентов (порошков, волокон, нитевидных кристал-

лов, лент, листов, тканей, матричных материалов); формирование из исходных

компонентов промежуточных полуфабрикатов, отличающихся от готовых по-

луфабрикатов, заготовок и изделий неплотностью структуры материала и несо-

ответствием размеров; придание промежуточным полуфабрикатам конечных

размеров и плотной компактной структуры; отделка полученных изделий.

Исходные материалы: порошки, гранулы, волокна, жгуты, ткани, ните-

видные кристаллы («усы»), фольга, ленты, листы, слитки или чушки металлов,

полимерные смолы; вспомогательные материалы– отвердители, плас-

тификаторы, материалы для покрытий и др.

Конечные продукты: полуфабрикаты, заготовки или готовые изделия.

Особенности получения порошковых, керамических и композицион-

ных материалов. Получение исходных компонентов. Порошкообразные, ис-

ходные компоненты (порошки) чаще всего получают механическим измельче- 196

нием твердых или жидких материалов, т. е. дроблением, размолом или распы-

лением. Другим способом является получение порошков в результате хими-

ческих реакций и физических процессов, протекающих между твердыми, жид-

кими и газообразными веществами. Это реакции восстановления, замещения,

разложения, процессы конденсации и др.

Волокна получают механическими способами, например, волочением,

разрезанием фольги, протягиванием или продавливанием материала через

фильеры, растягиванием нитей и физико-химическими методами– наморажива-

нием струи расплава на вращающийся барабан, кристаллизацией из расплавов и

растворов, осаждением на нити-подложки.

Исходным компонентом являются ткани и нетканые материалы из воло-

кон, отдельные волокна и жгуты, пропитанные матричным материалом, ленты,

полученные напылением матричного материала на волокна. Исходные компо-

ненты из матрицы получают в виде гранул, порошков, фольги, лент, расплавов

и полимерных составов. В случае необходимости исходные компоненты под-

вергают предварительной подготовке: отжигу, нанесению защитных и техноло-

гических покрытий и т. д.

Изготовление промежуточных полуфабрикатов. Для порошкообразных

исходных компонентов эта стадия заключается в уплотнении порошка с одно-

временным приданием ему формы изготавливаемой заготовки. С этой целью

порошки прессуют в пресс-формах, установках гидро- и изо-статического прес-

сования, прокатывают, экструдируют, отливают из жидких составов (шлике-

ров). В результате получают пористые заготовки с прочностью, достаточной

только для удержания принятой формы.

Для композиционных материалов с дисперсными армирующими элемен-

тами промежуточные полуфабрикаты получают смешиванием жидких или

твердых матричных материалов с волокном или порошком упрочнителя. По-

рошкообразные полуфабрикаты подвергают таблетированию или брикетиро-

ванию. Придание формы изделий этим полуфабрикатам производится на сле-

дующей стадии– стадии компактирования.

Для получения промежуточных полуфабрикатов из композиционных ма-

териалов с волокнистым упрочнителем производят механическую «сборку» ма-

териала матрицы и волокна. Для этого равномерно укладывают слои из фольги

матрицы и волокон упрочнителя. Применяют также укладку или намотку от-

дельных волокон, жгутов, лент, тканей с нанесением на них материалом мат-

рицы на вращающиеся оправки. Форма промежуточных полуфабрикатов соот-

ветствует форме готовых изделий с учетом неплотности укладки.

Компактирование промежуточных полуфабрикатов. Промежуточные по-

луфабрикаты из порошкообразных исходных материалов для придания им

плотной структуры спекают в печах, иногда с одновременной подпрессовкой.

Полуфабрикаты, полученные сборкой, контактируют прокаткой, прессо-

ванием, сваркой и другими способами. Изготовление изделий из полуфабрика-

тов на основе пластмасс с дисперсным наполнителем производится прессова-

нием в нагретых пресс-формах или заливкой в литейные формы. При этом со- 197

вмещаются процессы образования формы и компактирования. В случае необ-

ходимости готовые изделия подвергают отделке– обрезка по контуру, удаление

заусенцев, нанесение покрытий, термообработка.

Средства технологического оснащения: аппараты и установки для полу-

чения порошков и волокон физико-химическими методами; дробилки, мельни-

цы для получения порошкообразных компонентов; ткацкие машины и машины

для плетения пространственных армированных структур; установки для плаз-

менного напыления и для нанесения на все волокна матричных материалов;

раскроечные, укладочные и намоточно-пропиточные машины для получения

волокнистых композиций; смесители; механические и гидравлические прессы,

прокатные станки автоклавы, установки для гидростатического и изостатиче-

ского прессования и другое оборудование для компактирования промежуточ-

ных полуфабрикатов; печи; оборудование для отделки и механической обра-

ботки; пресс-формы и специальная технологическая оснастка; контрольно-

регулирующая и управляющая аппаратура.

Для получения порошков из твердых материалов применяется оборудо-

вание, работающее по принципу механического раздавливания (дробилки и

мельницы различных конструкций). В установках для получения порошков из

жидких материалов струя жидкости распыляется воздухом, паром, водой или

падением на твердую поверхность.

Волокна получают на прокатных и волочильных станах, вытягиванием

через фильеры, растягиванием нитей. Для получения порошков и волокон фи-

зико-химическими методами применяются в основном реакционные аппараты.

Для нанесения матричного материала на волокна, жгуты, ленты применяют ус-

тановки плазменного напыления и другое специальное оборудование.

Обобщенным показателем процесса получения материалов этого класса

является их себестоимость. В целом она выше стоимости традиционных мате-

риалов, однако это перекрывается эффектом их применения. Так, замена

50 % материала вертолета на композиционные материалы в 2–3 раза снижает

трудоемкость, во столько же раз увеличивается ресурс работы, на 25–30 %

снижается вес.

Для прессования порошков применяют универсальное деформи-

рующее оборудование (механические, гидравлические гидростатические и изо-

статические прессы, прокатные станы). К специальному оборудованию отно-

сятся многокоординатные машины с ЧПУ для выкладки раскроенных тканых

элементов и лент, машины для послойной укладки матрицы и упрочнителя и

другое оборудование.

Для компактирования сборных полуфабрикаты используются механиче-

ские и гидравлические прессы, прокатные станки –экструдеры, установки диф-

фузионной сварки, штамповочное оборудование, автоклавы, нагревательные

печи. К специализированному оборудованию относятся установки для изоста-

тического и гидростатического прессования, для уплотнения взрывом, уста-

новки контактно-вакуумного штампования и др. 198

Совершенствование технологических процессов получения этих материа-

лов ведется в направлении повышения качества получаемых изделий и увели-

чения производительности на всех операциях. С этой целью разрабатываются и

внедряются процессы получения ультратонких порошков с размером частиц

несколько нанометров. Например, это процессы разложения материалов в кра-

тере лазерной плазмы, получение порошков распылением растворов, содержа-

щих материал порошка. Уменьшением размеров частиц армирующего материа-

ла со 100 до 20 нм удается повысить прочность композиционных материалов в

5 раз. Производительность механических способов получения порошков значи-

тельно повышается при внедрении измельчителей с высокой энергией мелю-

щих тел. В этих мельницах возможно получение композиционных порошков,

состоящих из тонкой смеси различных материалов.

В процессах компактирования внедряются высокоэнергетические процес-

сы прессования, в частности ударно-волновое уплотнение с давлением на

фронте волны 6,5 ГПа, что позволяет получить формовки с плотностью

до 99 %. Разработаны процессы электроспекания и микроволнового спекания,

обеспечивающие сохранение изделии исходной мелкозернистой структуры и

снижение времени спекание в 10–50 раз.