По назначению

§ токопроводящие высокоомные с порошком графита

§ для бытовых нужд

§ для кожи

§ для древесины

§ канцелярские

§ универсальные

18. Изготовление полуфабрикатов и деталей из композиционных материалов. Физико-технологические основы получения. Особенности изготовления деталей из металлических и полимерных материалов.

При разработке технологического процесса получения изделий из КМ прихо-

дится в комплексе решать многие вопросы: выбор армирующих и матричных ма-

териалов, их химическое взаимодействие, смачивание, способы ориентации ар-15

мирующих волокон, способы окончательного объединения волокон и матрицы в

единое целое (изделие), выбор оптимальных технологических режимов и др. Не

существует универсального технологического процесса, пригодного для получе-

ния любого изделия из КМ. Неудачно выбранные технологический метод и режи-

мы изготовления КМ приводит к тому, что прогнозируемые физико-механические

и эксплуатационные показатели на практике не реализуются.

Технологическому процессу получения КМ предшествуют вспомогательные

операции: очистка, мойка и сушка волокон, объединение их в жгуты или карка-

сы, получение элементарных соединений матрица – волокно, сборка чередую-

щихся слоев элементов и др.

Короткие армирующие элементы вводят в матричные материалы и разориен-

тированном состоянии или предварительно ориентируя их в определенном на-

правлении.

В производственных условиях из разориентированных кристаллов, коротких

волокон и проволок изготовляют полуфабрикаты: войлок, маты и т. д;

Для получения слоистых композитов в качестве армирующих элементов

используют ткани на основе высокопрочных волокон различной природы. Тка-

ные материалы могут быть классифицированы по материаловедческому или

конструктивному принципам. Пример т а кой к л а с сифик ации прив еден на

рис. 10.1. В зависимости от соотношения волокон в основе и утке ткани могут

обладать анизотропией механических характеристик и варьироваться от рав-

нопрочных до кордных (основных и уточных), в которых основная масса во-

локон ориентирована в направлении основы (основные) или утка (уточные).

Отечественной и зарубежной промышл еннос т ью выпус к ают с я т к ани на

основе стеклянных, органических и углеродных волокон, имеющие различ-

ное переплетение. Наиболее простая схема – полотняное переплетение, когда

каждая нить основы и утка проходит поочередно сверху и снизу пересекающих-

ся нитей. Широко распространенным является сатиновое переплетение, когда

каждая нить проходит поочередно сверху, а затем снизу пере с е к ающей е е ни-

ти. Бол е е сложным является саржевое переплетение, при котором каждая

нить основы и утка проходит поочередно сверху и снизу двух и четырех пере-

секающих ее нитей. При этом на поверхности ткани образуется структура

диагональных линий. Возможны и другие типы переплетений, например

трехмерные.

Жесткие волокна, например из вольфрама, молибдена, ниобия и их сплавов,

ориентируют в материале матрицы в виде пакетов, листов, рулонов и т. п. Паке-

ты (рис. 10.2, а) получают путем послойной укладки рифленой фольги 2 из мате-

риала матрицы, армирующих волокон 3 и волокон 4 из материала матрицы или

любого другого материала. Набранные таким образом пакеты определенной вы-

соты соединяют полосами материала матрицы 1. Ленты (рис. 10.2, б) [3] получа- 16

ют путем поочередной укладки армирующих и матричных волокон между поло-

сами. В отдельных случаях ленты сматывают в рулоны (рис. 10.2, в). Чтобы за-

крепить волокна на матричной полосе, на них плазменным напылением наносят

тонкий слой материала матрицы.

Тканые армирующие материалы

Классификация

по материалу волокон

Классификация по типу

переплетения

Стеклоткани Полотняное

Органоткани Ситцевое

Углеткани Сатиновое

Органостеклоткани Саржевое

Борорганостеклоткани Трикотажное

Рис. 10.1. Классификация тканых армирующих материалов

Рис. 10.2. Схемы заготовок из армированных компози-

ционных материалов: 1 – пакеты; 2 – ленты; 3 – рулоны17

10.2. Технологические способы получения препрегов,

полуфабрикатов и готовых изделий

На предприятиях обычно организуют выпуск полуфабрикатов в виде листов,

труб, профилей и т. д. Основой производства полуфабрикатов и изделий из КМ

служат так называемые препреги, представляющие собой однослойные ленты с

одним рядом армирующих волокон или тканей, пропитанных или покрытых мате-

риалом матрицы с одной или с обеих сторон. Используют также пропитанные ме-

таллом жгуты волокон или индивидуальные волокна с покрытиями материалом

матрицы.

Все технологические способы получения препрегов, полуфабрикатов и изде-

лий из МКМ условно можно разделить на четыре основные группы: парогазофаз-

ные, жидкофазные, твердожидкофазные и твердофазные,

Жидкофазные способы используют на всех стадиях производства КМ – от

полуфабрикатов до изделий. К ним относятся протяжка волокон, жгутов и тканей

через расплав материала матрицы для пластифицирования волокна и получения

соответствующих препрегов; пропитка пакетов препрегов материалом матрицы

на стадии получения полуфабрикатов или готовых изделий из КМ; плазменные и

некоторые другие виды газотермического распыления металлов для получения

ленточных препрегов и "корковых" полуфабрикатов, подвергаемых последующе-

му компактировапию методами обработки давлением.

Универсальным и наиболее освоенным промышленностью способом изго-

товления КМ является пропитка. Этот способ имеет ряд преимуществ перед

твердофазными способами изготовлении МКМ: более высокую производитель-

ность процесса; практическое отсутствие силового воздействия на компоненты,

что обеспечивает возможность получать крупногабаритные изделия, в том числе

сложного фасонного профиля; возможность создания непрерывности процесса

пропитки, механизации и автоматизации технологического процесса,

В зависимости от условий обеспечения смачиваемости системы армирующий

каркас – расплав материала матрицы применяют две схемы пропитки: само-

произвольную пропитку и пропитку под давлением.

Самопроизвольную пропитку осуществляют путем заливки расплавленного ма-

териала в форму с уложенным в ней каркасом из армирующих волокон.

Наиболее перспективным и производительным является способ непрерывной

протяжки армирующих каркасов через расплав материала матрицы. По этой схе-

ме разрабатываются технологические процессы непрерывного литья полуфабри-

катов из КМ. Принципиальные преимущества этого способа производства КМ –

в его непрерывности, малом времени контактирования волокон с расплавом, ма-

лых трудозатратах и капиталовложениях. Перспективной считается вертикальная

схема пропитки, при которой волокна, ленты, препреги проходят через ванну с

расплавом и на выходе через фильеру получают форму сечения полуфабриката

(рис. 10.3) [1]. Поэтапное сужение сечения фильеры на выходе позволяет полу-

чать полуфабрикаты с высоким объемным содержанием армирующих волокон. 18

Принудительную пропитку обычно используют при недостаточной смачивае-

мости в системе матрица – волокно или для ускорения процесса пропитки для

компонентов с удовлетворительной и хорошей смачиваемостью.

1. ЛИТЬЕ И ФОРМОВАНИЕ ПОГРУЖЕНИЕМ (ОКУНАНИЕМ)

Некоторые синтетические смолы (фенольные, карбамидные, акриловые, эпоксидные и полиэфирные) могут формоваться способом литья при атмосферном давлении. Отливка затвердевает в результате поликонденсации или полимеризации материала, заполняющего прессформу, остывания или отверждения растворителей.

Фенольные и карбамидные смолы предварительно приготовляют в реакторе, из которого они поступают в ковш, где в них добавляют соответствующие красители и катализаторы. После перемешивания литейная масса заливается в прессформы, которые далее помещаются в сушильный шкаф и прогреваются в течение определенного времени (от нескольких часов до десятков часов, а в некоторых случаях и до нескольких дней) при температуре 80—90° С. Таким способом из фенольных и карбамидных смол получают полуфабрикаты (плиты, блоки, фасонные изделия), которые в дальнейшем сваривают, склеивают, обрабатывают резанием и т. п.

Отливки из полиметилметакрилата получаются при заполнении прессформы метилметакрилатом (мономером) с катализатором И нагревании до температуры плавления. В результате происходящей в этих условиях полимеризации материал затвердевает. Из-за значительной усадки следует предусматривать в отливочной форме усадочные емкости; поэтому же изделия толщиной свыше 6 мм часто отливают слоями (каждый последующий слой заливается после окончательной полимеризации предыдущего).. Методом литья из полиакрилатов формуют плиты, стержни, трубы и прозрачные изделия для технических и бытовых целей.

Эпоксидные и полиэфирные (ненасыщенные) смолы отвер-ждаются при добавлении к ним катализаторов при нормальной или слегка повышенной температуре и нормальном давлении. Смола, перемешанная с катализатором, заливается в форму, в которой происходит полимеризация, приводящая к затвердеванию отливки. Этот метод не применяется для изготовления крупногабаритных изделий, их после добавления наполнителя формуют в прессформах при повышенном давлении. В прессформы можно помещать металлические, фаянсовые или другие элементы.

При литье полихлорвинила форма заполняется материалом, состоящим из смеси полимера в мелкозернистом состоянии с пластификатором, и затем нагревается до температуры 160—180° С для получения желатинообразной массы. В настоящее время этот метод применяется при производстве таких изделий, как обувь, пробки, куклы, и т. п., однако он может найти применение в будущем также для производства деталей машин.

Изложницы изготовляют из свинца, стекла или гипса; если прессформы не нагреваются, то они могут быть изготовлены из дерева или резины. Чаще всего прессформы изготовляют из свинца. Для этого металлическая деревянная или гипсовая модель погружается ненадолго в расплавленный свинец, после застывания свинца образовавшаяся на модели пленка из свинца снимается; она представляет собой тонкостенную, но достаточно прочную прессформу.

Методом литья получают также тонкую пленку (толщиной 0,03—0,15 мм), например, ие мягкого полихлорвинила (пластиката) или производных целлюлозы. Для этого пластифицированный материал выливают на ленту транспортера, а необходимая толщина пленки получается при пропускании отливки через щель определенной ширины. Далее лента проходит через нагревательную камеру, в которой происходит желатинизация материала, после чего пленка охлаждается, затем ее снимают с ленты и накручивают на барабан.

Кроме литья на ленту, применяют метод литья на вращающийся барабан и малопроизводительный метод литья на неподвижную основу (например, на бумагу).

Формование методом окунания происходит следующим образом. Металлические, стеклянные или фаянсовые формы погружаются в пастообразную смесь пластифицированного полихлорвинила определенной вязкости, после чего они подвергаются предварительной желатинизации в течение 20—30 сек в масле при температуре 165—195° С и окончательному отверждению в термостате в течение 0,5—1 ч при температуре около 180° С. Методом окунания получают прокладки для герметизации, изоляции и др.

2. ПРЕССОВАНИ: ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ

Прессованием полимерного материала в соответствии с нормалью PN-54/C-89100 называется процесс формования изделий под давлением из исходного материала (прессматериала). Различают следующие виды прессования:

1) прессование формовое — изготовление изделий в пресс-формах, в процессе которого прессматериал в пластическом состоянии под давлением заполняет прессформу; оно в свою очередь делится на:

а) прессование компрессионное — формование изделий в пресс- формах, состоящих минимум из двух частей, причем, пуансон и матрица имеют конфигурацию изделия;

б) прессование литьевое — изготовление изделий, основанное на предварительной пластикации прессматериала в обогреваемой камере и последующего нагнетания его в замкнутую прессформу;

2) прессование плитовое — формование листов и пластин путем прессования материала между плитами многоэтажных прессов;

3) прессование под низким давлением — формование изделий пуансоном, под давлением 35 кГ/см2, в прессформах, заполненных материалом;

4) прессование впрыскиванием — формование изделий из термопластических материалов, основанное на пластифицировании определенного количества материала в обогреваемом цилиндре литьевой машины и последовательном впрыскивании материала в замкнутую холодную прессформу, в которой он застывает;

5) порционное прессование впрыскиванием — формование изделий из термореактивных материалов, основанное на нагревании в цилиндре литьевой машины определенного количества пресс-материала до температуры, несколько меньшей температуры отверждения, и впрыскивании его (через обогреваемую насадку,нагревающую прессматериал до температуры отверждения) в пресс-форму

Приведенная терминология несколько отличается от терминологии, принятой в технологии металлов: понятие процесса прессования полимерных материалов шире, чем понятие этого процесса в технологии металлов. В результате этого в понятие прессования полимерных материалов включены процессы впрыскивания, похожие на литье под давлением, применяемое при отливке металлов. Учитывая близость этих процессов, целесообразно разобрать впрыскивание независимо от способов прессования, так как этот способ формования отличается от литья под давлением (например, консистенцией формуемого вещества), он называется не литьем, а формованием впрыскиванием.

б. Прессование формовое

В зависимости от требований, предъявляемых к изделиям, в состав прессматериалов могут входить кроме синтетической смолы наполнители, пластификаторы, стабилизаторы, смазываю-

1 По существующей в СССР терминологии — литье под давлением термопла стичных материалов.

2 Литье под давлением термореактивных материалов (Прим. редщие вещества, красители и т. п.; прессматериал может применяться в виде таблеток, зерен и, чаще всего, порошка.

От состава прессматериала зависят параметры процесса прессования (температура, удельное давление, время прессования). В табл. 1 приведены состав и свойства различных термореактивных прессматериалов видов термореактивных прессматериалов в соответствии с нормалью PN/C-02002. Формовое прессование является наиболее распространенным способом формования термореактивных материалов, но для формования термопластических материалов этот способ применяется редко. Существует два способа формового прессования: компрессионное или непосредственное и литьевое с предварительной пластикацией.

При компрессионном прессовании (фиг. 1) пресспорошок насыпается в открытую прессформу (в углубление матрицы Под действием тепла и давления материал пластифицируется и заполняет рабочее пространство прессформы. Прессматериал, закладываемый в прессформу, может быть предварительно нагрет. Изделия из термореактивных материалов извлекаются из горячей прессформы, а изделия из термопластических материалов — после остывания прессформы,,что позволяет избежать нежелательных деформаций материала.

Производительность описанного метода при изготовлении деталей из термопластов невелика в связи с необходимостью охлаждения прессформы и ее повторного разогрева. Поэтому термопласты указанным методом не формуются.

При литьевом прессовании (фиг. 2) прессматериал загружается в загрузочную камеру. После нагрева в ней прессматериал нагнетается в прессформу, в которой и происходит формование изделия. Литьевое прессование применяется прежде всего для формования сравнительно крупных изделий сложной формы или со значительной толщиной стенки.

Формующими частями прессформы являются полости в верхней и нижней частях матрицы. Емкость загрузочной камеры должна быть достаточной для размещения в ней прессматериала, предназначенного для производства изделия и дополнительного объема, позволяющего вместить поршень. Емкость должна быть определена с учетом коэффициента уплотнения, равного отношению объема изделия к объему прессматериала (с волокнистым наполнителем — 0,12, с порошковым — 0,3).

В связи с усадкой изделия во время его остывания, пресс-форма должна иметь приспособления для извлечения готового изделия: толкатель — для выталкивания изделия из матрицы (фиг. III. 3, а) или сбрасыватель для снятия изделия с пуансона(фиг. 3,6). В некоторых прессформах необходимо' одновременно применять толкатель и сбрасыватель. Извлекать изделие можно также при помощи сжатого воздуха.

Фиг. 2. Литьевое прессование:

а — прессформа открыта — подготовлена к прессованию; б — прессформа закрыта; в — прессформа открыта, изделие вынимается; / — прессматериал в загрузочной камере; 2 — верхняя часть матрицы; 3 — нижняя часть матрицы; 4 — подводящий канал; 5 — надлив; 6 — поршень; 7 — плита поршня; 8 — экстрактор, извлекающий надлив из пресс-формы; 9 — плита загрузочной камеры; 10 — загрузочная камера; // — вспомогательная плита; 12 — втулка подводящего канала; 13 — гнездо матрицы; 14 — изделие; 15 — плита нижней матрицы; 16 — выталкиватель надлива; 17 — выталкиватель изделия.

Матрица может быть неразъемной, разъемной (состоящей из нескольких частей, соединяемых в коническом отверстии общего корпуса) и шарнирной, состоящей из отдельных частей, соединенных одна с другой при помощи петель. Формование впрыскиванием применяется главным образом для производства изделий из термопластических материалов, но в исключительных случаях этот метод может быть применен и для формования термореактивных материалов.

Исходный материал в виде зерен, гранул или порошка с соответствующим количеством пластификатора загружается в бункер 1 (фиг. 3), из которого, через невидимый на фигуре дозатор, отмеряющий определенное количество материала, поступает в цилиндр 2, где материал нагревается за счет тепла, идущего от кольцевого нагревателя 4.

Для ускорения прогрева и перемешивания материала применяется обтекатель (торпеда) 5. При формовании впрыскиванием термопластические материалы нагреваются в цилиндре до температуры, лежащей в интервале между температурой размягчения и температурой течения. Пласти-цированный таким образом материал поршнем 3 впрыскивается,в прессформу/, охлаждаемую водой, циркулирующей по каналам 8. При формовании впрыскиванием термореактивных материалов они нагреваются в цилиндре до температуры, несколько меньшей температуры отверждения (нагревается только та порция материала, которая впрыскивается в прессформу); во время прохождения через переходник 6 материал нагревается до температуры отверждения. Однако формование впрыскиванием термореактивных материалов до сих пор применяется редко. Из термопластических материалов описанным способом наиболее часто формуются: полиамиды, полиэтилен, полихлорвинилиден, полистирол и его сополимеры, этил-и ацетилцеллюлозные этролы.

В специальных условиях формованию впрыскиванием подвергаются низкомодифицированные полихлорвинил и полиметил-мгиниплат. Процесс впрыскивания зависит от типа формуемого термопластичного материала.

Кристаллические полимеры (полиамиды, полиэтилен) отличаются относительно высокой текучестью, поэтому прессформа должна быть очень плотной (зазор по диаметру должен быть мепее 0,05 мм); текучесть этих материалов способствует полному заполнению прессформы, в результате чего процесс формования занимает меньше времени, но при этом из прессформы должен быть удален воздух. Размягчение кристаллических материалов начинается при температуре плавления, поэтому перед прессованием материал должен быть подогрет именно до этой температуры. Указанные материалы после охлаждения в пресс-форме бистро затвердевают. Изделия из них отличаются высокой плотностью, а места соединения потоков незаметны.

Усадка кристаллических термопластических материалов высокая — до 2% и зависит от ориентации кристаллов.

Аморфные материалы (полиметилметакрилат, полистирол, полихлорвинил, ацетилцеллюлозный этрол) размягчаются в достаточно широком интервале температур. Текучесть этих материалов меньшая, заполнение формы длится дольше, что позволяет вытеснить из прессформы воздух, поступающий в нее с материалом; и желательно дополнительное удаление воздуха, так как он оказывает отрицательное действие на способность этих материалов равномерно смешиваться в местах соединения потоков.

3. ПРЕССФОРМЫ ДЛЯ ФОРМОВАНИЯ ВПРЫСКИВАНИЕМ

Конструкция типовой прессформы для впрыскивания изображена на фиг. 4. Основные ее части плиты 1 и 2 соединяются при помощи пальцев 3.

Литьевой материал поступает в прессформу через главный канал 4 во втулке 5, подающий литник 6 и сужение 7, и попадает в гнездо 8, в котором затвердевает в результате охлаждения пресс- формы водой, циркулирующей в отверстиях 9. Для извлечения изделия из прессформы служит толкатель. Плиты / и 2 прессформы устанавливаются на раму 10 и фиксируются при помощи шпильки //. В то же время плиты 12 и 13 толкателя могут быть приведены в движение. Боковые стержни 14 толкателя служат для выбрасывания изделия, а центральный стержень 15 — для выбрасывания отвердевшего материала из подводящих литников.

Фиг. 4. Конструкция прессформы для формования впрыскиванием:

1 й 2 — плиты; 3 — направляющий палец; 4 — главный питающий канал; 5 — втулка; б — литник; 7 — сужение; 8 — гнездо; 9 — отверстия для охлаждения; 10 — опорная рама; 11 — шпилька; 12 и 13 — плиты выталкивателя; 14 — боковой стержень выталкивателя; 15 — центральный выталкиватель; 16 — стержень для возврата выталкивателя.

Стержни 16 предназначены для возвращения толкателя в исходное положение при закрытии прессформы. Расположение подводящих литников зависит от формы и размещения гнезд в прессформе. Площадь сечения подводящих литников зависит от типа литьевого материала и размеров формуемых предметов.

4. ТЕРМОПЛАСТАВТОМАТЫ

Во всех типах термопластавтоматов главными являются два механизма, а именно: нагнетательный и закрывающий форму. Важнейшими элементами нагнетательного механизма являются: бункер, дозатор, впрыскивающий цилиндр с поршнем, нагревательная камера с отверстием и элементы привода поршня, которые при гидравлическом приводе состоят из гидроцилиндра с поршнем и маслонасоса, а при механическом приводе — из зубчатого редуктора. Для закрывания прессформы служит гидроцилиндр с поршнем, приводимый в движение маслонасосом. Полуматрицы прикрепляются к формовочным плитам, одна из которых неподвижная, а другая перемещается по направляющим. Существует несколько конструктивных решений термопласт-автоматов. В зависимости от вида энергии привода (для нагнетательного механизма и механизма, закрывающего прессформу) Термопластавтоматы можно разделить на ручные, механические, гидравлические, пневматические и смешанные. Термопластавтоматы бывают одно-, двух- и многоцилиндровые, а по расположению оси цилиндра — горизонтальные и вертикальные; в зависимости от расположения плоскости разъема прессформы различают Термопластавтоматы с горизонтальным и вертикальным разъемом.

В зависимости от способа управления Термопластавтоматы классифицируются на ручные, полуавтоматические, в которых цикл начинается после нажатия на пусковое устройство, и автоматические, которые после первичного запуска действуют самостоятельно.

Размеры термопластавтомата определяются его емкостью, т. е. массой материала, расходуемого на одно впрыскивание (термопластавтоматы 30; 50; 100; 250; 500; 1000 гит. д.). Самые большие Термопластавтоматы позволяют получать изделия массой 17 кг. Термопластавтоматы с ручным приводом и управлением применяются исключительно в небольших мастерских, так как они имеют малую производительность, но низкую стоимость, а также просты в обслуживании. Термопластавтоматы с пневматическим приводом практически уже не употребляются из-за неплотного закрытия прессформы. Применяемые в настоящее время Термопластавтоматы с электромеханическим приводом имеют небольшую емкость (до 100 г); машины с большим весом приводятся в движение от гидравлического привода. Термопластавтоматы со смешанным приводом используют два вида энергии — один для привода нагнетательного механизма. В мощных термопластавтоматах используется так называемая предварительная пластификация полимерных материалов, основанная на их нагреве и перемешивании до поступления в нагнетательный цилиндр.Формование впрыскиванием находит сейчас все более широкое распространение и поэтому во многих странах ведутся интенсивные исследования явлений, происходящих во время этого процесса.

19.Обработка металлов резанием. Основные понятия и определения. Требования, применяемые к инструментальным материалам. Трение и тепловые процессы. Инструменты и оборудование обработки лезвийным и абразивным инструментами.

Классификация движений в металлорежущих станках

Обработка металлов резанием – процесс срезания режущим инструментом с поверхности заготовки слоя металла в виде стружки для получения необходимой геометрической формы, точности размеров, взаимного расположения и шероховатости поверхностей детали.

Чтобы срезать с заготовки слой металла, необходимо режущему инструменту и заготовке сообщать относительные движения. Инструмент и заготовку устанавливают на рабочих органах станков, обеспечивающих движение.

Движения, которые обеспечивают срезание с заготовки слоя материала или вызывают изменение состояния обработанной поверхности заготовки, называют движениями резания:

• Главное движение – определяет скорость деформирования материала и отделения стружки (Дг);
• Движение подачи – обеспечивает врезание режущей кромки инструмента в материал заготовки (Дs);

Движения могут быть непрерывными или прерывистыми, а по характеру – вращательными, поступательными, возвратно-поступательными.

Движения подачи: продольное, поперечное, вертикальное, круговое, окружное, тангенциальное.

В процессе резания на заготовке различают поверхности (рис.19.1.а):

• обрабатываемую поверхность (1);
• обработанную поверхность (3);
• поверхность резания (2).

Установочные движения – движения, обеспечивающие взаимное положение инструмента и заготовки для срезания с нее определенного слоя металла.

Вспомогательные движения – транспортирование заготовки, закрепление заготовки и инструмента, быстрые перемещения рабочих органов.

Рис.19.1 Схемы обработки заготовок: а – точением; б – шлифованием на круглошлифовальном станке; в – сверлением