Технология переработки полимеров

Полимеры — это искусственные материалы, которые получают или путем химических превращений природных веществ или, что чаще всего, синтезируют из низкомолекулярных соединений.

Обработка материала предусматривает придание ему необходимых размеров, формы, определенных свойств и включает в себя широкий класс следующих процессов: резание, шлифование, давление, прессование, термообработка, склеивание, пайка, сварка, оксидирование, сплавление, травление, электролиз, глубинное и поверхностное закаливание, обработка взрывом, водоструйная и пескоструйная обработка, обработка токами высокой частоты, растворение, окрашивание и др.

В период бурного развития техники и технологий будущему специалисту необходимо знать всю гамму этих процессов для грамотного выбора того или иного технологического процесса обработки различных материалов. Традиционные и современные технологии обработки материалов описаны достаточно глубоко во многих книгах и учебниках. Однако значительная загруженность студентов не позволяет им охватить большое количество литературы, так как в каждой отдельно взятой книге, учебнике или учебном пособии описан один или несколько процессов обработки. Это затрудняет освоение студентами дисциплины «Технология переработки полимеров».

1. Механические соединения полимеров

1.1 Общая информация

Наряду с такими обычными для полимеров типами соединений, как сварка и склеивание, нередко возникает необходимость механического соединения пластмассовых деталей. Механические соединения могут быть как разъемными, так и неразъемными.

1.2 Заклепочные соединения

Заклепочные соединения используются при работе с полимерными изделиями, не подлежащими сварке, и склеить которые можно лишь с оговорками. Клепка применяется также при соединении пластмасс с другими материалами. Заклепочные соединения неразъемны, и, как правило, проницаемы для жидкостей и газов. В таких случаях для придания им герметичности используют специальные составы.

Для соединения изделий из пластмасс металлические заклепки используются редко, потому что в отличие от них полимерные заклепки, как и соединяемые детали, устойчивы к коррозии. Кроме того, полимерные заклепочные соединения имеют существенное экономическое преимущество — стержни будущих заклепок могут служить конструктивной частью изделий, изготовленных литьем под давлением. Головки металлических заклепок обычно имеют выпуклую или «потайную» форму. Головки полимерных заклепок должны соответствовать упругопластическим свойствам ис-пользуемого полимера (рис. 19.1). Возможна как холодная, так и горячая осадка головок. При холодной осадке в полимере может возникать вынужденная ориентации, по-вышающая температурную чувствительность соединений. Если такие ориентации являются несущественными, то с экономической точки зрения холодная осадка будет оправданной. При холодной осадке длина стержней заклепок ограничена из-за опасно-сти упругой деформации (см. табл. 19.1). При горячей осадке образуется меньшее количество напряжений, поэтому отношение длины стержня заклепки к его диаметру может быть более свободным. Необходимость нагрева и охлаждения при выполнении горячей осадки увеличивает продолжительность цикла. Температура нагрева должна В процессе склепывания соединяемые детали фиксируются технологическим прижимом, а осадка выполняется специальным инструментом. В последнее время более выгодным представляется выполнение осадки в ультразвуковом поле. Для этого могут быть использованы стандартные машины для ультразвуковой сварки с волиоводами-коицентраторами соответствующей формы.

1.3 Резьбовые соединения

Большинство разъемных соединений на сегодняшний день конструктивно выполняется по схеме «винт-гайка» Винты и гайки чаще всего металлические, однако используются и резьбовые детали, изготовленные из таких полимеров как ПА, ПЭ или полиацеталь. Распространенными вариантами резьбовых соединений для пластиковых изделий являются фланцевые соединения труб или промывных башен (скрубберов) Полимерные винты, как правило, имеют круглую резьбу, что позволяет избежать концентраций напряжений в резьбе.

Обычно винты используются для создания более значительных усилий, чем те, которые характерны для заклепочных соединений. Здесь в первую очередь необходимо учитывать релаксацию напряжений полимеров. Особенно это важно при использовании полимерных винтов, поскольку в результате релаксации натяг соединения со временем сильно снижается, и необходимо многократное подтягивание резьбового соединения.

При необходимости резьбовых соединений изделий из вязких пластиков на первый план выдвигаются само нарезающие металлические винты (саморезы). При этом диаметр отверстий под саморезы составляет от 0,8 до 0,9 d. Нагрузочная способность таких резьбовых соединений линейно возрастает с глубиной ввинчивания, которая должна составлять не менее 2,0 d. В противном случае возникает опасность вырывания винта. Минимальные глубины ввинчивания для некоторых полимеров указаны в табл. 19.2.

Самонарезающие винты в первую очередь используются для ПЭ и ПП. Данный метод отличается очень высокой экономичностью. Другую возможность резьбового соединения представляет собой использование металлических резьбовых вставок. В отличие от саморезов, не допускающих частое разъединение, это многократные разъемные соединения. Ранее резьбовые вставки, как правило, размещались в изделии при литье, но сегодня вставки все чаще и чаще устанавливаются с помощью ультразвуковой обработки.

Разновидностью резьбовых вставок являются так называемые клеммовые вставки. Они особенно хорошо зарекомендовали себя при конструировании химических приборов. Металлические клеммовые вставки вручную вдавливаются в подготовленные отверстия и при ввинчивании резьбовой детали раздвигаются. Все разъемные резьбовые соединения могут быть превращены в неразъемные с помощью «клеевых стопоров» (цианакрилатные клеи), которые предотвращают саморазвинчивание.

1.4 Соединения защелкиванием

Вязкоэластичность полимеров (например, ПЭ, ПП, ПА, ПВХ) позволяет использовать еще один тип соединений, а именно соединение защелкиванием (принцип нажимной кнопки). Выполнение подобного соединения просто и экономично, однако оно достаточно ограничено в уровне передачи усилий. Типичными вариантами приме-нения такого соединения являются замки на контейнерах, крепление декоративных планок (багетов), пластин и т. д. Принцип защелкивающегося соединения основывается на том, что выдающиеся вперед выступы, крючки, кулачки и т. п. одного изделия входят во взаимодействие с поднутрениями на корпусе другого. Соединения защелкиванием могут быть как неразъемными, так и разъемными. На рис. 19.2 представлено цилиндрическое соединение защелкиванием, подобное тому, которое используется на замках для контейнеров. Такие соединения также могут быть линейными (крепление декоративных планок) или сферическими (крепление шариков в сепараторе шарикоподшипников). Полимерные детали должны деформироваться на размер высоты защелкивания Н, но деформация не должна превышать 50% растяжения на пределе текучести. Разъемное соединение или неразъемное зависит от величины угла захвата ah. Для разъемных защелкивающихся соединений величина углов захвата составляет от 15 до 30°, а для неразъемных — от 45 до 90°. На рис. 19.3 изображено соединение защелкиванием с нажимной кнопкой — известно большое количество различных вариантов реализации данного принципа. Соединения защелкиванием проницаемы для газа и воздуха. Здесь для герметизации также могут быть использованы цианакрилатные клеи.

1.5 Прочие механические соединения

Перечислим еще несколько важных типов механических соединений. Разъемное (контактное) соединение применяется при прокладке трубопроводов из непластифи-цироваппого Г1ВХ. При этом конец трубы вставляется в раструб соответствующей формы па конце другой трубы. Между двумя этими трубами (на участке раструба) чаще всего находится уплотни гельное кольцо из эластомера.

Соединения «вал-ступица» нередко выполняются с использованием призматических шпонок или упругих шайб, изготовленных из металлических материалов. При э том необходимо следить за тем, чтобы удельное давление на боковых сторонах пружин не было слишком высоким.

Прессовые соединения с силовым замыканием рекомендуется использовать только при незначительных нагрузках и постоянных рабочих температурах. Передаваемый момент можно увеличить с помощью накатки па сопрягаемых поверхностях вала и ступицы (дополнительное геометрическое замыкание).

2. Обработка резанием

Обработка пластмасс резанием нерациональна, однако ее приходится осуществлять при изготовлении деталей сложной конфигурации (зубчатые колеса, детали подшипников, корпуса), трудно поддающихся обычным методам обработки — прессованию, отливке, вальцовке. Необходимо учитывать, что пластмассы в процессе их механической обработки могут подгорать (текстолит, гетинакс) или оплавляться (полистирол, органическое стекло) из-за низкой теплопроводности. Во избежание выкрашивания или вырывания материала заготовки, режущий инструмент должен иметь очень острые режущие лезвия. Выделение большого количества пыли и вредных веществ (фенола, анилина, хлористого водорода) требует хорошей вентиляции и устройства местных отсосов от каждого рабочего места. Точение пластмасс следует выполнять резцами с тщательно заточенными и доведенными режущими лезвиями. Радиус закругления при вершине резца 3−4 мм. Органическое стекло или полистирол точат резцами из инструментальной стали У10А, а для других пластмасс применяют резцы с пластинами быстрорежущей стали Р9 или твердого сплава ВК-8 (для аминопластов и фенопластов). Стеклопластики точат алмазными резцами. Передний угол г выбирают в пределах 15−20°, задний угол б = 8−12°. При точении пластмасс рекомендуется назначать большие скорости резания (до 600 м/мин и более при работе победитовыми резцами) и малые подачи S = 0,1? 0,3 мм/об во избежание отслаивания или выкрашивания материала заготовки. С этой же целью при точении слоистых пластмасс применяют деревянные подкладки.

Припуск под чистовую обточку оставляют примерно 0,2−0,3 мм, т. е. слой, который деформируется при черновой обточке. Пластмассы точат без охлаждения или с охлаждением струей воздуха, который способствует также и удалению стружки. Применять охлаждающую жидкость не рекомендуется, а в некоторых случаях и вовсе не допускается вследствие способности пластмасс поглощать влагу. При обработке полистирола, во избежание образования трещин при перегреве, иногда применяют охлаждение мыльным раствором. Качество обработки зависит от геометрии резца и режимов резания. При неправильной заточке резца или нарушении режимов резания на обработанной поверхности детали образуются ожоги, трещины, скалывание или отрывание слоев материала. При простановке размеров необходимо учитывать упругое последействие многих пластмасс после обработки.

2.1 Варианты обработки резанием Обработка резанием вручную

Хрупкие полимеры (декоративные пластины из ПММА) ограничено поддаются надрезам и расслоению. При этом пластины должн ы быть не толще 4 мм, а декоративные пластины из слоистого прессованного материала — не толще 2 мм.

Пластифицированные полимеры (например, ПВХ и полиуретаны) могут быть разре-заны ножницами. Резка еще неполностью отвержденных полимеров, армированных стекловолокном, выполняется так же. Для удаления облояиспользуются фрезерные на-пильники (напильники, обработанные фрезой для строгания) с профильными полотнами. Кроме того, используются скребки и наждачная бумага.

Резка пластмасс осуществляется с помощью столярной ножовки и ножовок по металлу.

2.2 Резка и штампование

Пластифицированные и с некоторыми ограничениями непластифицированные полимеры (толщина пластины до 3 мм) режутся при помощи гильотинных ножниц и вырубного штампа. При работе с гильотинными ножницами следует обеспечивать «плавную» резку (угол приблизительно 3°). В зависимости от предъявляемых к резке требований материалы рекомендуется предварительно нагревать (термопласты и ар-мированные стекловолокном полимеры до 50 °C, реактопласты до приблизительно 100 °С). При этом следует учитывать тепловое расширение (завышение размера при использовании вырубного штампа)

2.3 Распилка

Для прямой резки плит используются дисковые (циркулярные) пилы, а для криволинейной и при обработке блоков — ленточные. Для тонких пластин и жестких мате-риалов используют зубцы с мелким шагом.

Пилящий диск должен постоянно резать свободно. Поэтому его зубцы следует конически затыловать шлифовальным кругом и не разводить. При использовании твердосплавных пильных полотей зубцы должны быть сконструированы соответствующим образом (рис. 20.1).

2.4 Сверление

Для сверления в основном используются спиральные (винтовые) сверла (рис. 20.3). Углы при вершине сверла при обработке термопластов следует снижать до 60−90°, а передние углы должны быть равны 0° или быть отрицательными. Рекомендуется использование спиральных сверл с вертикальным ходом витка (хороший отвод стружки). Производится при помощи стационарного или мобильного сверлильного станка с использованием специальных сверл для легких металлов и быстрорежущей стали, закаленной стали или карбида повышенной производительности. Допустимо и использовать как канонические, так и сверла стандартной формы с углом заточки 60−90°.

Задний угол должен быть сошлифован до значения между 0° и 4°. Только в этом случае сверло сможет работать должным образом: оно скоблит вместо того, чтобы срезать, и таким образом предотвращает появление сколов в высверленном отверстии при выходе из пластины. Передний угол должен составлять, по меньшей мере 3°.

Параметры для заточки и обработки Органическое стекло Передний угол б 3−8°

Задний угол г 0−4°

Угол подъёма винтовой линии в 12−16°

Скорость обработки срезанием 10 — 60 м/мин Скорость подвода инструмента 0,1−0,5 мм/об.

Для получения гладкой поверхности просверленного отверстия необходимо оптимальное сочетание скорости срезания и скорости подачи инструмента. В этом случае образуется равномерная непрерывная сливная стружка. Например, при слишком высокой скорости вращения и/или слишком большой скорости подачи режущего инструмента образуется неравномерная стружка, а отверстие просверливается нечисто. При слишком низкой скорости вращения и/или излишне малой скорости подачи имеют место перегревание и явления расслоения в просверленном отверстии, а стружка расплавляется. Особую важность при сверлении представляет охлаждение. При обработке материала толщиной более 5 мм следует производить охлаждение и смазывание эмульсией для сверления или маслом для сверления, совместимым с органическим стеклом. В случае с толстостенным материалом, при глубоких и глухих отверстиях необходимо во избежание перегрева выводить свёрла из просверленного отверстия несколько раз, поскольку подвод режущего инструмента производится вручную. При просверливании тонких пластин их следует зажимать вместе с твёрдыми плоскими подложками для того, чтобы исключить раскалывание нижней кромки отверстия. Свёрла следует подводить не спеша, с большой осторожностью. После того, как режущие кромки полностью войдут в материал, можно начать медленно увеличивать скорость подачи режущего инструмента, а незадолго до того, как будет пробит нижний край, — снова понизить. При обработке формованной или встроенной детали с помощью ручной дрели можно вставлять специальные свёрла. Наиболее распространённые специальные свёрла и зенкеры:

а) ступенчатое сверло Это сверло с одной режущей кромкой обеспечивает получение чистых цилиндрических просверленных отверстий без наличия следов обработки. Каждой следующей ступенью сверла в отверстии снимается фаска.

б) коническое сверло Им просверливаются отверстия, имеющие слегка коническую форму, однако растрескивание на выходной стороне исключается.

в) специальный зенкер Особенно пригоден для удаления грата уже имеющихся отверстий, хорошего снятия стружки через наклонные отверстия.

г) фрезерное сверло С его помощью могут быть хорошо выполнены удлинённые отверстия.

д) комбинированное сверло-зенковка Этот многогранный зенкер рекомендуется применять при снятии грата, фасок и зенкеровании.

В случае с любыми специальными свёрлами необходимо следить за безупречным состоянием острия сверла.

За исключением фрезерного сверла при всех других инструментах применяют существенно более медленные скорости вращения, чем при пользовании спиральными свёрлами. А в случае с фрезерным сверлом, наоборот, скорости вращения зачастую превышают 1000 об/мин.

2.5 Чашечные пилы и кольцевая головка

полимер соединение обработка резание Для сверления отверстий большого диаметра рекомендуется применять чашечные пилы, чашечные фрезы типа Милфорд или кольцевые фрезы. Отверстия очень большого диаметра могут просверлиться при помощи регулируемой кольцевой головки резцедержателя. При сверлении материала большой толщины сверление производится в два этапа с переворачиванием листа на другую сторону.

2.6 Точение

Данные по точению приведены в табл 20.3 и 20.4

2.7 Шлифование и полирование пластмасс

Пластмасса, она же полимеры, широко используется при изготовлении различных изделий, можно даже сказать, что предметы окружающие нас в быту в основном сделаны именно из полимеров (пластмассы). Причем для специалистов термины «полимеры» и «пластмассы» это не одно и тоже. В пластмассах может быть значительное количество различных наполнителей и добавок, а полимер в них выполняет роль связующего.

Особенность пластмасс, при механической обработке и в частности при шлифовании и полировании, в их относительно низкой температуры плавления, низкой теплопроводности, вязкости, относительная мягкость полимера. Но в тоже время те свойства которые являются недостатками при механическом полировании и шлифовании, например низкая температуры плавления и низкая теплопроводности, могут оказаться достоинством при других способах полирования.

Полирование пластмасс можно осуществлять следующими способам:

1. Механическое полирование

2. Термическое полирование

3. Химическое полирование

При механическом полировании полимеров основное внимание необходимо уделять на отсутствие перегрева пластмассы, что при низкой теплопроводности может произойти очень легко. Если вам нужно отшлифовать и отполировать незначительную площадь, то учитывая податливость пластмасс механической обработки, шлифовать и полировать пластмассу лучше вручную, периодически проверяя нагретость поверхности пальцем. Однако мы приведем режимы механической оброботки (которе для некоторых могут оказаться ограничением ручной обработки):

Окружная скорость — 12−15 м/с Удельное давление на обрабатываемую поверхность — 0,2−0,1 кГ/см2

То есть при шлифовании и полировании полимеров требуемое давление на поверхность в 10 раз, а скорость в 3 раза меньше чем при полировании стали. На заключительных этапах обработки давлении должно быть наименьшим. Теперь о том, какие средства использовать для шлифования и полирования. Со шлифование все понятно, дерем обычную шкурку зернистостью примерно от Р800 и мельче, и шлифуем последовательно переходя к другой зернистости, как при шлифовании любого другого материала.(см. техн. полир.) После шлифования шкуркой следует этап полирования пастами или суспензиями.

Источники сообщают, что для обработки деталей из пластмасс, полупроводниковых кристаллов применяют полировальные пасты, не имеющие в своем составе жиров, такие пасты легко смываются водными растворами. Теоретически это можно отнести и к другим не растворимым в воде компонентам. Только не все так просто. Во-первых, что вам помешает вместо водного распора использовать мощное моющее средство. Во-вторых, количество используемых полимеров огромно и еще больше количество пластмасс изготовленных на их остове.

А разные пластмассы имеют разную способность взаимодействовать с компонентами паст. В-третьих, после простого протирания чистой хлобчатобумажной тканью остатки пасты могут легко удалиться. Термическое полирование заключается в оплавлении неровностей поверхности под действием нагретого газа, и оказывается возможным благодаря относительно низкой температуре плавления полимеров. Такая обработка подходит только для так называемых термопластов — полимеров расплавляющихся при нагревании. Химическое полирование полимеров отличается от химического полирование металлов, и заключается в воздействии растворителя на пластик. На таком принципе работают некоторые автополироли для пластика. К недостаткам таких средств, на основе растворителя, относятся пары растворителя, вдыхаемые человеком, и пожароопасность. Некоторые данные, касающиеся шлифования, приведены в 20.4

Заключение

При изготовлении деталей из пластмасс современными методами происходит изменение их размеров и формы. Для получения деталей и изделий заданного размера и обеспечения требуемых параметров шероховатости для сопрягаемых поверхностей их подвергают механической обработки резанием, которая является необходимой, широко распространенной и одной из ответственных операций в технологическом процессе производства деталей из пластмасс. Получаемые при механической обработке параметры шероховатости поверхности зачастую не соответствуют значениям, установленным в технических требованиях, что приводит к необходимости дополнительной обработки, так как именно от уровня шероховатости обработанной резанием поверхности в большей степени зависят надежность и долговечность функционирования деталей и механизмов.

Различия в упругих, прочностных и других свойствах, присущие различным полимерным материалам, тесно связаны с их состоянием и структурой. Изменения в состоянии и структуре определенным образом отражаются и на технологических свойствах материалов, особенно на обрабатываемости резанием. Таким образом, задача эффективности обрабатываемости заготовок из полимерных материалов является актуальной, так как ее решение позволит повысить качественные характеристики изготовляемой продукции и снизить себестоимость ее изготовления.

1.Корягин С. И., Пименов И. В., Худяков В. К. Способы обработки

материалов: Учебное пособие / Калинингр. ун-т — Калининград, 2000.

— 448 с. — ISBN 5−88 874−152−3.

2. Шварц О., Эбелинг Ф. В., Фурт Б.;

под.общ. ред. А. Д. Паниматченко. — СПб.: Профессия, 2005. -;

320 стр., ил.