Реферат: Общие принципы проектирования изделий из пластмасс
3.1 Термопластичные полимерные материалы
Термопласты – это разновидность пластиков, основным
отличием которых является линейное строение, обусловливающее возможность
повторного расплавления полимера. Термопластичные полимерные материалы.
используются очень широко. Эти материалы можно, в свою очередь, разделить на
аморфные (полистирол, АБС-пластики, поливинилхлорид, поликарбонат) и
аморфно-кристаллические (полиэтилен, полипропилен, полиэтилентерефталат,
полиамиды, полиформальдегид). Различие между этими двумя группами заключается в
их надмолекулярной структуре и в области тех свойств, которые определяются
степенью их кристалличности. Аморфные полимеры имеют удовлетворительные
физико-механические свойства, но склонны к ползучести, химически не стойки, не
имеют выносливости на усталостный изгиб, не стойки к надрезу, характеризуются определенным
температурным диапазоном размягчения. Аморфно-кристаллические термопласты
характеризуются хорошими физико-механическими показателями, стойки к
ползучести, химически стойки, выносливы на усталостный изгиб, имеют более
высокую рабочую температуру и точное значение температуры плавления.
Аморфно-кристаллические термопластичные материалы, как
правило, используются для изготовления деталей, которые подвергаются высоким
механическим нагрузкам, в то время как аморфные термопласты чаще используют для
изготовления корпусных изделий в связи с тем, что они в меньшей степени склонны
к короблению.
3.2 Наполнители и
армирующие материалы
Пластмассы
поставляются в виде полимерных материалов без наполнителей, со стекловолокном в
качестве армирующего наполнителя, с минеральными наполнителями. Стекловолокно,
как правило, используется для повышения прочности, жесткости и стойкости к
повышенным температурам. Минеральные наполнители и стеклянные шарики обладают
меньшим армирующим эффектом и в основном используются для уменьшения усадки и
коробления. Стекловолокно влияет на переработку материала, в особенности на
усадку изделия и на характер его коробления. Поэтому замена материалов,
усиленных волоконными наполнителями, на неармированные термопласты или на
полимерные материалы с низким содержанием армирующих наполнителей приводит к
изменению геометрических размеров изделия. С ростом содержания стекловолокна
растут разрушающее напряжение, модуль эластичности и термостабильность, однако
резко падает удлинение до разрушения. Ориентация стекловолокна в формуемом
изделии определяется направлением течения материала при формовании.
Механическая прочность материала также зависит от направления ориентации
стекловолокна. Например, при испытании образца ПЭТ с 30 % стекловолокна в качестве
армирующего наполнителя в случае поперечной ориентации волокон потеря предела
прочности при растяжении образца составила 32 %, снижение его модуля изгиба
составило 43 % и уменьшение его ударной прочности составило 53 %. Подобное
уменьшение значений показателей, вызванное поперечной ориентацией волокон,
необходимо принимать во внимание при расчетах изделий на прочность и
закладывать в их конструкцию соответствующие коэффициенты запаса прочности. Для
изменения набора свойств полимерных материалов в них добавляют широкую гамму
армирующих наполнителей, обычных наполнителей и различных модификаторов. При
добавлении наполнителей и модификаторов необходимо очень тщательно
анализировать, какие изменения эти добавки могут вызвать в свойствах
термопластичных материалов. Для этого имеются справочные публикации и базы
данных. Различные армирующие наполнители по-разному влияют на
физико-механические свойства пластмасс. Например, модуль эластичности растет
при введении стекловолокна, минеральных наполнителей, арамидного волокна и
падает при добавлении эластомеров, УФ-стабилизаторов, органических и
неорганических антипиренов и антистатиков. Деформация и ударная прочность,
наоборот, при введении эластомеров растут.
3.3 Влияние влаги
Некоторые полимеры, в особенности ПА6 и ПА66,
поглощают влагу. Это может оказывать существенное влияние на их
физико-механические свойства и на стабильность геометрических размеров изделий
из них. При выборе полимерных материалов этому свойству следует уделять особое
внимание. Надо знать, что наличие влаги приводит к появлению в изделии
различных пор, раковин, вздутий, а значит, понижает прочность, модуль
эластичности и электрические свойства, но улучшает деформацию, ударную
прочность и стабильность размеров. При этом наличие воды в полимерном материале
сильно затрудняет переработку, заставляя принимать особые меры по ее удалению
перед изготовлением изделия в частности, вакуум-отсос образующихся паров..
3.4 Другие критерии выбора
материалов
Другие требования, предъявляемые при выборе материалов,
имеют отношение к их переработке в изделия. Так как большинство изделий из
пластмасс являются элементами различных конструкций, т.е. деталями, то
обязательно следует учитывать последующую сборку этих деталей. Также важно
изучить возможность объединения в одной детали нескольких функций, что позволит
сэкономить на дорогостоящих сборочных операциях. Себестоимость изготовления
детали включает не только цену сырья. Следует учитывать, что материалы,
обладающие большей жесткостью, позволяют уменьшать толщину стенок изделия, а
это даёт возможность сократить время цикла изготовления изделия. Поэтому
необходимо составить перечень всех критериев, учитываемых при выборе материала,
и провести их последовательную детальную оценку.
Алгоритм выбора полимерного материала для
проектируемого изделия должен включать изучение прототипов этого изделия,
методов его испытания, технических требований к изделию и материалу,
составление перечня необходимых свойств, проведение технико-экономического
анализа, позволяющего правильно выбрать полимерный материал.
Правильный выбор полимерного материала еще не
обеспечит изготовления высококачественного пластмассового изделия. Необходимо
правильно спроектировать форму изделия и правильно назначить его размеры и
возможные отклонения от размеров.
Важнейшим требованием, предъявляемым к изделиям из
пластмасс абсолютно любого назначения, является обеспечение их прочности.
Поэтому расчеты на прочность являются основным типом расчетов, проводимых при
проектировании пластмассовых изделий. Очень часто эти расчеты являются
поверочными, т.е. такими, которые проводятся после проектирования изделия и
служат для проверки обеспечения данного требования.
Из-за сложной структуры полимерных материалов оценка
прочности пластмассового изделия может быть выполнена с помощью статистических
методов.
Статистические методы
основаны на наработке большого количества исходных данных, полученных при
испытаниях либо образцов в лабораторных условиях, либо самих изделий.
4. Общие принципы расчета и проектирования изделий из пластмасс
Несущая способность
изделий ограничивается:
1) предельно допускаемыми
нагрузками или напряжениями или
2) предельно допускаемыми
деформациями.
В связи с этим
прочностной расчет пластмассовых изделий включает в себя:
1) оценку напряжений или
нагрузок и сопоставление их с разрушающими или
2) оценку предельно
допустимых деформаций, обусловленными действующими во времени нагрузками.
Условие прочности имеет
вид:
σmax экв ≤ [σ],
где σmax экв – максимально возможное напряжение в
этом изделии при заданных условиях нагружения;
[σ] – допустимое
напряжение для материала изделия при тех же условиях.
Более наглядным и
правильным является, однако, применение условия прочности по запасу прочности,
так как и σmax экв и [σ] зависят от типа пластика, его качества, технологии
изготовления и т.п., а допускаемый запас прочности определяется постоянным
значением, принятым для данного изделия. В этом случае условие прочности имеет
вид:
n = σраз / σmax экв ≥ [n],
где σраз
– разрушающее напряжение;
[n] – допустимое значение запаса прочности.
Допускаемые значения
напряжения и запаса прочности связаны:
[σ] = σраз
/ [n]
Запас прочности можно
выражать не только через напряжения, но и через нагрузки:
n = R / Q,
где R – разрушающая нагрузка;
Q – действующая нагрузка.
Расчет изделий из
пластмасс на прочность носит поверочный характер. Он проводится в следующей
последовательности:
1)Определяют действующую
нагрузку, задаются долговечностью изделия, выявляют режим работы изделия
(температура, среда, степень ответственности), назначают необходимую
надежность, класс точности и т.д.
2)Составляют упрощенную
расчетную схему изделия и схематизированное распределение сил. При этом в схему
включают наиболее опасные участки изделия, в которых напряжения достигают наибольшей
величины.
3)Определяют напряжения в
опасных сечениях изделия и находят три главных напряжения.
4)По найденным главным
напряжениям рассчитывают наибольшее эквивалентное напряжение.
5)Для выбранного
полимерного материала изделия и принятых условий эксплуатации определяют
допускаемое напряжение или запас прочности.
6)Производят оценку
прочности путем сравнения σmax экв или запаса прочности с предельно допускаемыми значениями.
Запас прочности для
полимерных материалов должен быть большим, чем для традиционных материалов.
Причиной этого являются специфические свойства полимерных материалов, к которым
относятся:
1)Неоднородность,
дефектность структуры, наличие поверхностных микротрещин.
2)Влияние на прочность
геометрической формы изделия и масштабный фактор.
3)Изменение свойств
полимерных материалов под действием влаги, температуры, агрессивных газов и
жидкостей, излучений (частоты солнечного спектра, γ-лучи и т.д.).
4)Изменение прочностных и
деформационных характеристик полимерных материалов в зависимости от скорости
нагружения.
Страницы: 1, 2, 3 |
