Конструирование деталей из пластических масс

По своим физико-химическим свойствам все пластмассы делятся на термопластичные и термореактивные, иначе – термопласты и реактопласты. Свойствами этих разновидностей пластмасс определяются технологические процессы изготовления деталей. Объемные детали из термопластов изготавливаются литьем под давлением, а исходным материалом для изготовления отливок являются гранулы соответствующей марки пластмассы. Помимо такого варианта детали из термопластов могут быть получены штамповкой, механообработкой или термическими операциями с использованием следующих видов исходных материалов: пленок, листов, плит, различных профилей (стержней, трубок и др.) [53,54].

Детали из реактопластов изготавливаются горячим прессованием с применением в качестве исходного материала пресспорошков различных марок. Детали из термореактивных пластмасс могут быть также изготовлены штамповкой или механообработкой с применением исходных материалов в виде листов, профилей и др.

Детали из пластмасс обладают специфическими физико-механическими свойствами: низким модулем упругости, высоким коэффициентом расширения, способностью изменять (уменьшать или увеличивать) размеры в связи с влагопоглощением. Управление этими свойствами с целью получения требуемых параметров осуществляется в основном за счет введения соответствующих добавок или армированием конструкции детали при ее изготовлении.

При изготовлении точных деталей литьем или прессованием необходимо принимать во внимание колебание усадки материала при полимеризации. Поэтому приходится учитывать разброс размеров пластмассовых деталей при изготовлении, ориентируясь на экономически обоснованную точность для данного материала и данного метода формообразования.

В связи со специфическими физико-механическими и технологическими свойствами пластмассовых материалов, в единой системе допусков и посадок для деталей из пластмасс выделены специальные ряды и поля допусков и посадок.

При изготовлении деталей литьем или прессованием важно чтобы усадка была одинаковой по объему всей детали. В противном случае происходит коробление детали, что приводит к неисправимому браку. Чтобы избежать неравномерностей усадки, необходимо соответствующим образом выбрать форму детали: толщина стенок должна быть примерно одинаковой, не должно быть острых углов и резких переходов от одной плоскости к другой, способных вызвать внутренние механические перенапряжения и растрескивание в процессе усадки.

Само существование явления усадки не дает возможности получать детали с высокой точностью размеров. Усадка пластмассовых деталей продолжается и после извлечения из формы, поэтому размеры следует контролировать через сутки.

Высокое качество поверхности можно получить только в пресс-формах высокого качества, имеющих высокую точность сопряжения составных частей, выполненных из износостойкого материала, полированных или изготовленных с применением процессов, обеспечивающих высокое качество поверхности ( например, электрохимические методы).

Обеспечение технологичности прессованных и литых пластмассовых деталей приборов достигается на основе следующей методики конструирования:

1) необходимо добиться максимальной простоты формы детали; 2) толщина стенок должна быть примерно одинаковой (в зависимости от метода изготовления минимальная толщина стенок (t) детали лежит в пределах 1-6 мм, а соотношение t_min/t_max должно быть больше 1:3); 3) наружные и внутренние углы следует закруглять, соблюдая минимальный радиус 1-1,5 мм; 4) должны предусматриваться технологические уклоны и конусность стенок деталей, расположенных в направлении прессования ( для облегчения извлечения детали из формы); 5) допуски должны назначаться с учетом усадки; 6) для повышения прочности стенок необходимо применять профилированные поверхности или ребра жесткости, толщина которых не должна превышать0,6 толщины упрочняемой стенки; 7) для упрочнения краев тонкостенных деталей применяются буртики, толщина которых не должна быть более двойной толщины стенок; 8) для деталей из термопластов желательно располагать литники в местах, где не требуется тщательная последующая обработка, не теряется товарный вид и обеспечивается механизация и автоматизация обрезки литников.

Определенные сложности и ограничения существуют при конструировании пластмассовых деталей с отверстиями. Отверстия в прессованных и литых деталях имеют разнообразное функциональное назначение: рабочие отверстия, отверстия для снижения массы детали и расхода материала, технологические отверстия и др. Расположение отверстий в деталях, их разновидность (сквозные, глухие, ступенчатые), форма и размеры в значительной степени определяют величину внутренних напряжений, усадку и точность диаметральных и межцентровых расстояний, сложность пресс-формы. При малой серии оказывается менее трудоемким выполнение отверстий сверлением, так как сборка формы со стержнями, образующими отверстия, требует ручного труда. При прессовании и литье можно получать отверстия такой формы, которую механической обработкой практически не получить или сделать это очень трудно. Сквозное отверстие получить легче, чем глухое, так как формирующий стержень крепить консольно в форме труднее.

Расстояние между соседними отверстиями, отверстием и краем должно быть не менее диаметра отверстия. При расположении отверстия в углу детали, у края, необходимо чтобы форма края повторяла форму отверстия, иначе не выполняется требование одинаковой толщины стенок. Опорные поверхности возле крепежных отверстий делают выступающими в виде бобышек. Это позволяет сократить площадь касания и повысить плоскостность при усадке.

При конструировании отверстий руководствуются следующими правилами выбора соотношения глубины отверстия (длины стенок) и его диаметра d. Для глухих отверстий максимальная величина при литьевом прессовании и при компрессионном (простом) прессовании. Для сквозных отверстий эти соотношения составляют: при литьевом прессовании; при компрессионном прессовании. Отверстия в пластмассовых деталях менее 1,5 мм рекомендуется выполнять сверлением.

При конструировании пластмассовых деталей часто применяют армирование, т. е. вводят в объем детали металлическую арматуру, стекловолокно и другие материалы. Армирование позволяет снизить вредное влияние таких недостатков некоторых марок пластмасс как низкая контактная прочность, малое сопротивление срезу, склонность к ползучести при длительно действующих нагрузках. Арматура несколько снижает усадку. Для некоторых пластмассовых изделий арматура принципиально необходима, так как представляет собой латунные контактные группы, монтажные лепестки, которые должны быть механически закреплены и изолированы друг от друга. Примером могут служить часто применяемые металлические резьбовые втулки, армируемые в пластмассовые детали, так как резьбу с диаметром менее 3 мм и мелкую резьбу (с шагом менее 1 мм) непосредственно в пластмассе предусматривать не рекомендуется.

Однако применение арматуры влечет за собой значительное повышение трудоемкости изготовления деталей из пластмасс, так как арматура должна быть отдельно изготовлена и установлена в форму вручную. Весьма сложным, трудоемким и в значительной степени влияющим на качество является процесс изготовления пластмассовых деталей, армированных контактными группами (разъемов). Так как процесс формообразования протекает под действием повышенной температуры в условиях интенсивного воздействия газообразных органических соединений, латунные контактные группы подвергаются сильному окислению и модификации. Кроме того, сопутствующим процессом, ухудшающим паяемость контактов, запрессованных в пластмассу, является паразитная диффузия атомов цинка из латуни в слой оловянно-свинцового припоя, которым покрыты детали контактной группы.

Общая тенденция развития конструирования пластмассовых деталей приборов состоит в переходе от прессования термореактивных пластмасс к литью под давлением термопластов, что значительно повышает производительность труда на основе применения литьевых автоматов.