Соединения деталей из полимерных материалов

Введение

Производство изделий из полимерных материалов, как и из многих других материалов, включает три стадии [1]:

· изготовление полуфабрикатов;

· изготовление (преимущественно формование) деталей;

· сборка.

Под деталью понимают часть изделия, изготовленную без применения сборочных операций.

Указанные стадии с учетом степени воздействия на ПМ называют также процессами предварительной, промежуточной и завершающей обработки. Путем предварительной обработки ПМ придают необходимые технологические свойства. При этом химическая структура полимера в редких случаях подвергается изменению, но в широких пределах регулируются физические свойства. Это достигается введением в полимер добавок (стабилизаторов, наполнителей, пластификаторов, красителей, других полимеров и т. п.). Лишь только после этого ПМ представляет собой способный к переработке порошок, гранулят, препрег, пасту и т.д.

Дальнейшая переработка производится методами первичного формования, к которым относятся прессование, термокомпрессионное формование, литье под давлением, экструзия, пултрузия, каландрование, спекание и др., или методами вторичного формования, к которым относят прежде всего штамповку, гибку и методы, связанные с дополнительной обработкой уже имеющихся полимерных деталей [1–4]. В результате такой переработки, когда воздействию технологических факторов подвергают весь объем ПМ, получают полуфабрикаты в виде пленок, листов, труб, профилей для дальнейшей обработки или готовые фасонные детали. Во время формования ПМ приобретает оптимальные потребительские (эксплуатационные) свойства.

Но формованием деталей процесс изготовления изделия из ПМ не заканчивается. Деталь — это составная часть изделия, которое образуется лишь после завершения процесса сборки.

Необходимость использования сборки возникает в производстве сложных по конструкции и крупных по размерам изделий (аппаратов химического и пищевого машиностроения, бытовой техники, транспортных средств, летательных аппаратов, трубопроводов, оконных и дверных рам, оболочек, геомембран и т.п.), при сочетании в одной конструкции деталей из разнородных по технологическим и потребительским свойствам ПМ или деталей из ПМ с деталями из металлов, керамики и других материалов. В химических аппаратах стальные элементы или элементы из полиэфирных (или на основе виниловых эфиров) стеклопластиков выполняют силовую функцию, а химическую стойкость обеспечивает облицовка из ПВХ, ПЭВП или из фторопластов [5]. Крупногабаритные и большой массы изделия трудно целиком доставлять к месту эксплуатации. Экономически более выгодной часто является, если речь не идет о трансформируемой конструкции, доставка деталей по отдельности и их сборка на месте. Вся номенклатура сотовых заполнителей идет на изготовление многослойных панелей и изделий типа обтекателей ракет, цилиндрических корпусов, хвостовых секций лопастей вертолетов и др. Для демонстрации преимуществ изготавливаемых с применением сборки сотовых трехслойных панелей не имеет большого значения перед однослойной панелью толщиной 0,81 мм, что материалом последней и обшивок в трехслойных панелях служит алюминий [6].

Первые конструкции с сотовым заполнителем были созданы в 1942–1943 гг. [7]. Расширению применения сотовых конструкций с обшивками из стеклопластиков и углепластиков, в первую очередь в вертолетостроении, а затем в строительстве и производстве спортинвентаря, способствовало появление в 1974 г. сот на основе арамидной бумаги типа Nomex.

В последние годы сотовые заполнители в сборных конструкциях стали тесниться пенопластовыми, характеризующимися более низкой стоимостью, повышенной стойкостью к ползучести при сжатии, меньшим влагопоглощением, большей долговечностью. На рынке появились термопластичные соты, например, на основе полипропилена, которые хорошо поглощают ударные нагрузки, деформируются, не разрушаясь, имеют малое водопоглощение, отличные звуко- и теплоизоляционные свойства, могут подвергаться вторичной переработке [8]. Применение таких сот в производстве слоистых конструкций требует создания соответствующих их свойствам методов сборки. Почти в полном объеме на изготовление сборных изделий, конструкций и сооружений идут детали из полимерных композиционных материалов и такие полуфабрикаты из термопластов как пленки (для оболочек, пакетов, мешков, упаковки, емкостей), трубы (для трубопроводов), профили (для рам, подкрепленных панелей), листы (для панелей, облицовок). Расширение выпуска в России (табл. 1) и поставок из-за рубежа таких полимерных полуфабрикатов теряет смысл без дальнейшего развития технологии сборки изделий из них. Да и в целом в мире преобладает выпуск ПМ, используемых в производстве указанных полуфабрикатов (табл. 2). Прогнозируется, что к 2005 году доля ПМ общего назначения (ПЭ, ПП, ПВХ, ПС, АБС и ПЭТ) во всем объеме ПМ по тоннажу составит 90% [10].

Таблица 1. Характеристика выпуска полимерной продукции в России [9]

Таблица 2. Объем выпуска основных видов ПМ в мире и в Западной Европе в 2000 году

Используя процессы сборки, можно изготовить изделия из трудноформуемых ПМ, например, из тугоплавких или высоконаполненных. Изготовление крупногабаритных деталей формованием на машинах или в оснастке, кроме высокой стоимости и сложности, имеет тот недостаток, что приводит к неоднородности свойств в разных частях детали, так как не удается обеспечить постоянство технологических параметров (например, температуры и давления) по всему ее объему. К методам сборки следует отнести изготовление многослойных полимер–полимерных композиционных материалов (КМ) с применением клеевых прослоек, поскольку подлежащие соединению слои имеют оптимальные технические характеристики, то есть выступают в роли готовых деталей. Обращаясь к сборке, процесс изготовления изделий можно сделать мало или вовсе безотходным, можно экономить энергию, ускорять и удешевлять производство. Членение конструкции на части (узлы, агрегаты, блоки и т.п.) может быть обусловлено также требованиями обеспечения ее разъемности для профилактических осмотров, ремонта, замены вышедших из строя узлов и деталей и др. целей или необходимостью введения подвижного соединения.

Стоимость сборочных операций может составлять более 50% стоимости изготовления изделий [11]. В развитии процессов сборки видится один из резервов роста производительности труда в производстве изделий из ПМ.

В связи с выше изложенным получение образования в области производства изделий из ПМ, в том числе из полимерных композиционных материалов (ПКМ) должно сопровождаться изучением не только технологии изготовления (формования) деталей, но и технологии сборки изделий.

Наука о сборке изделий из ПМ зарождалась и развивалась по мере расширения их применения в технике, появления новых видов ПМ, развития машиностроения и приборостроения, строительной отрасли.

Согласно ГОСТу 31109–82 сборка — это образование соединения составных частей изделия. Соединение — конструкторское понятие. Под ним в машиностроении понимают место сочетания двух и более деталей, а также сборочных средств в едином узле или другом элементе конструкции.

Практически нет ни одной детали из ПМ, которая не требовала бы соединения или (в общем случае) совмещения с другими деталями, веществами или материалами, чтобы она, таким образом, могла выполнять свою функцию. Так, например, такие полимерные детали как стакан, банка, канистра, бочка и т.п., у которых благодаря соответствующему выбору метода формования отсутствуют соединения частей, становятся изделиями — емкостями, если в них поместят порошок, зальют жидкость и т.п. Как бы не совершенствовалось формование деталей из ПМ, обладающих широкими технологическими возможностями, избежать сборочных операций не представляется возможным. Указание на то, что только около 40% деталей из ПМ идут на сборку [12], относится к производству изделий, соединения в которых во время эксплуатации испытывают механическое воздействие, то есть являются конструкционными, и не распространяется на все виды изделий.

Сборка по сути своей близка к формованию деталей методом синтеза [1], а отличается от него тем, что придание формы изделию происходит в результате соединения не заготовок полуфабриката, а готовых деталей. Вместе с тем сборка по способам формообразования на много беднее формообразования деталей. Формообразование при сборке определяется формой базовой детали, узла или агрегата и/или сборочного приспособления.

Соединения деталей при сборке изделий принципиально отличаются от соединений материалов и отдельных элементов детали, которые могут иметь место при изготовлении последней (например, армированной металлической вставкой) способами формования.

Во-первых, на сборку поступают части изделий (сборочные единицы) из монолитизированного ПМ, имеющего завершенную физическую и химическую структуры, которые предопределяют оптимальные показатели их эксплуатационных свойств. В связи с этим одной из задач сборщика изделия является сохранение или, по крайней мере, минимизация изменения свойств ПМ в зоне соединения деталей.

Во-вторых, во время сборки детали подвергают локальному вторичному (после формования) воздействию технологических факторов (нагрев, механическая обработка, очистка растворителем, облучение электромагнитным полем и т.д. в зависимости от метода соединения). Поэтому выбранные способы воздействия (например, нагрев) и их параметры не должны вызвать повреждение или ослабление полимерной детали

В-третьих, для образования соединений используют специально созданные материалы (клеи, присадки, грунты и т.п.), иногда неточно называемые вспомогательными, и крепежные элементы (вставки, винты, болты, заклепки, нити и т.п.). В конструкцию они вводятся локально – в местах соединения. Роль указанных вспомогательных материалов при сборке иная, чем при формовании. Существенно влияя на качество соединения, они выполняют в собранном изделии такую же роль, как, например, матрица в ПМ.

В-четвертых, сборочные работы под влиянием целого ряда специфических особенностей конструкций летательных аппаратов (сложность формы, большие размеры) и других транспортных средств, строительных объектов и т.д. не достигли такой степени механизации и автоматизации, как формование деталей из ПМ и ПКМ. При сборке находят применение ручные и машинно-ручные процессы труда: установка и фиксирование деталей в сборочных приспособлениях, сверление отверстий, монтаж крепежных элементов, локальная очистка поверхностей и т.д.

Технологический процесс сборки изделий из ПМ, так же, как и из других материалов, в общем случае представляет собой совокупность операций по установке деталей или комплекта деталей в пространстве (приведение их в контакт), подгонке (в случае необходимости) и их соединению для обеспечения их относительного положения, требуемого служебным назначением конструкции.

Заказать книгу>>>

Возврат к списку