2011-01-24

1

TWORZYWA SZTUCZNE II

Podstawy kształtowania elementów maszyn

z tworzyw sztucznych

KORPUSY, OBUDOWY I ZBIORNIKI

2011-01-24

2

3

Tworzywa sztuczne stosowane na obudowy i korpusy

PS-HI, ABSPA, POM, PC, PPO, PPS, PVC, PE-HD, PPKompozyty na osnowie termoplastów:PA, POM, PC, ABS wzmacniane włóknem szklanym, węglowym, aramidowym (Kevlar)Żywice termoutwardzalne - MF, PFŻywice chemoutwardzalne (EP, UP) w postaci laminatów szklanych, węglowych

4

Korpusy i obudowy– technologiczność konstrukcji

Projektując element z tworzywa sztucznego należy uwzględnić uwarunkowania technologiczne.a) uwzględnić pochylenie ścianek,b) zapewnić odpowiednie promienie zaokrągleń

krawędzi,c) uwzględnić ograniczenia wymiarów stempli

(rdzeni) ze względu na ich wyginanie się pod wpływem ciśnienia panującego w formie,

d) wybrać płaszczyznę podziału formy,• zwykle w miejscu największego przekroju,• wykorzystać naturalne krawędzie,

e) otwory łatwiej kształtować gdy umieszczone są wzdłuż kierunku otwierania formy.

2011-01-24

3

5

Korpus – technologiczność konstrukcjiPochylenie ścianek

Kształtki powinny mieć ścianki nieznacznie pochylone, aby ich wyjmowanie z formy nie było utrudnione (możliwość uszkodzenia). Dotyczy to przede wszystkim ścianek, powierzchni otworów, żeber, wnęk itp., które są skierowane równolegle do kierunku otwierania formy.

6

Korpus – technologiczność konstrukcjiPochylenie ścianek

Praktyczna minimalna wartość nachylenia ścianek

– powierzchnie zewnętrzne: 15’ – 1,5° (3°)

– powierzchnie wewnętrzne: 30’ – 2° (5°)

– powierzchnie otworów (h < 1,5d): 14’ – 45’

– powierzchnie szorstkie (Ra = 1–2,5 µm): 2 – 15°

Mniejsze pochylenie przyjmuje się dla wyrobów z tworzyw charakteryzujących się małym skurczem (np. PS) oraz gdy wypraska ma małą wysokość.

2011-01-24

4

7

Korpusy i obudowyGrubości ścianek

Elementy wykonane z tworzyw sztucznychpowinny mieć jak najmniejszą grubość(względy technologiczne i ekonomiczne).

Najmniejsza grubość ścianek wynika międzyinnymi z długości drogi płynięcia w formie

0

12

3

45

6

0 100 200 300 400 500

droga płynięcia [mm]

Gru

bo

ść ś

cia

nk

i [m

m]

trudno płynne WP 1:100PC, PVC

PA, POM,

PMMA, ABS

PS, PP,

PE-HD

średnio płynne WP 1:150

łatwo płynne WP 1:250

8

KorpusGrubości ścianek

Grubości ścianek powinny być w miaręjednolite w całej wyprasce.

Grubość ścianek wynika między innymiz zapewnienia ich odpowiedniej sztywności

Maksymalna grubość ścianek wynosi: dla termoplastów: 8 mm, dla duroplastów : 12 mm

Miejscowe zgrubienia przedłużają czas stygnięcia tworzywa wprowadzając różny skurcz wywołujący naprężenia własne, pęcherze i zapadnięcia

2011-01-24

5

9

Deformacja ścianek korpusu

Odchyłki kształtu wynikają z nierównomierności skurczu

Nierównomierność skurczu wynika z:• różnicy grubości ścianek,• różnicy temperatury w formie,• nierównomiernego stygnięcia,• wpływu orientacji cząstek

wypełniacza,• położeniu wlewka

10

Ścianki korpusuzmiana grubości

Zakładany kształt

Uzyskany kształt

2011-01-24

6

11

Obudowa- różne grubości ścianek

Zakładany kształt Uzyskany kształt

12

Ścianki korpusu- Krawędzie

jamaskurczowa

2011-01-24

7

13

Korpus – technologiczność konstrukcjiZaokrąglenia krawędzi

Zaokrąglenia krawędzi przedłużają żywotność form, ułatwiają płynięcie tworzywa podczas formowania, zapewniają korzystne własności mechaniczne (zmniejszenie działania karbu)

Zaokrąglenia dotyczą zarówno krawędzi zewnętrznych jak i wewnętrznych

14

NarożeZaokrąglenie krawędzi

Typ krawędzi

Rodzaj tworzywa

Minimalny promień

zaokrąglenia [mm]

Ścianka boczna

Termoplast krystaliczny (PA, PE, itp.)

0,4

Termoplast bezpostaciowy

0,6 – 1,5

DnoTermoplast 1,0 – 1,5

Duroplast 0,8

2011-01-24

8

15

Wzmocnienie ścianek korpusu - żebrowanie

jama

skurczowa

zapadnięcie

16

Wzmocnienie ścianek korpusu - żebrowanie

Propozycje rozwiązań konstrukcyjnych

Kilka cienkich

żeber

Dekoracyjne

wgłębienie

Dekoracyjna

wypukłość

Żebra

krawędziowe

2011-01-24

9

17

Kształtowanie korpusuObrzeże

Obrzeże stanowi często powierzchnię bazową do ustalenia położenia dwóch łączonych ze sobą części obudowy (korpusu)

18

Kształtowanie korpusuObrzeże i dno

Usztywnienie korpusów można uzyskać poprzez odpowiednie ukształtowanie obrzeży

Zalecane sposoby usztywnienia obrzeży i den

2011-01-24

10

19

Otwory w ściankach korpusu

pęknięcie

Otwory powinny być odpowiednio oddalone od krawędzi wypraski aby nie powodowały powstawania pęknięć

20

Wzmocnienie otworów

Przeciwdziałanie nadmiernego gromadzenia się materiału w zgrubieniach w pobliżu otworów

a) na ściance

b) w narożniku

Rozwiązania alternatywne

Jama

skurczowa Jama

skurczowa

2011-01-24

11

21

Obliczanie korpusów

• Obliczenia prowadzone są przede wszystkim ze względu na dopuszczalne odkształcenia (ugięcie) ścianki

• Należy uwzględnić wpływ temperatury na sztywność ścianek (E)

• Analityczne metody obliczeń mają przybliżony charakter

0

2

4

6

0 40 80 120

Temperatura T[ºC]

Mo

du

ł sp

ręży

sto

ści

E [

GP

a]

PA +30%WS

POM

PE-HD

PA

PTFE

22

Zbiorniki i pojemniki

Zalety zbiorników z tworzyw sztucznych

• Mała masa

• Odporność na korozję

• Niska cena

Materiały stosowane na zbiorniki

– Kompozyty żywic EP, UP

– PVC, PP, PE-HD, PC

2011-01-24

12

23

Połączenia elementów z tworzyw sztucznych

mechanicznetermiczne

zaczepowezgrzewane

klejone

spawane nitowegwintowe

Połączenia

kształtowe

wciskowe

chemiczne

nierozłączne rozłączne

24

Połączenia zgrzewane

Metody zgrzewania: gazowe nagrzewania płytą ultradźwiękami tarciowe

Zgrzewanie stosuje się jedynie do łączenia termoplastów, np. PVC, PMMA, PS, PA, PE, PP

2011-01-24

13

25

Połączenia klejonePrzykłady zastosowań kleju

Łączenie, naprawianie

Montaż (zabezpieczenie przed poluzowaniem)

Uszczelnianie

26

Połączenia klejone

Nie wszystkie materiały dobrze się kleją np. PE, PP, POM, PTFE, ABS, PC są trudne do sklejania.

Przy projektowaniu połączenia dąży się do uzyskania dużej powierzchni skleiny

Skleina rozrywana ma mniejszą o 10-20% wytrzymałość niż skleina ścinana.

Przykładypołączeń klejonych

2011-01-24

14

27

Warunki konstrukcyjne złącza klejonego

Wytrzymałość i trwałość złącza klejowego

zależą głównie od następujących parametrów:• Kleju (adhezja do materiału klejonego,

kohezyjna wytrzymałość złącza) • Materiału klejonego (rodzaj materiału, stan

powierzchni) • Środowiska pracy (temperatura, wilgotność,

chemikalia) • Konstrukcji złącza (wypełnienie szczeliny

klejem)• Obciążenia (rodzaj dominujących naprężeń)

28

Najbardziej popularne rodzaje obciążeń połączeń klejonych

2011-01-24

15

29

Połączenia klejone- wpływ temperatury i czasu

Przykładowa zależność wytrzymałości kleju cjanoakrylowego LOCTITE 460 od temperatury otoczenia oraz czasu odniesiona do jego wytrzymałości w temperaturze 22°C

30

Połączenia wciskowe

Zespół piasta-wałek

Relaksacja- zależność modułu od czasu działania

obciążenia

Czas obciążenia

Er

2011-01-24

16

31

Połączenia nitowe

Spęczanie na zimno Nitowanie na gorąco Nitowanie za pomocą ultradźwięków

32

Połączenia zaczepowe

Warianty rozwiązań konstrukcyjnych

2011-01-24

17

33

Połączenia zaczepowe- kształtowanie otworów

zgrubienie

zaokrąglenia

pęknięcia

34

Zatrzaski

2011-01-24

18

35

Połączenia śrubowe- gwint z tworzywa sztucznego

Przenoszenie obciążenia przez gwint

Udział obciążenia

przenoszonego

przez zwoje gwintu

36

Połączenia śrubowe

podtopienie

Nakrętka zabezpieczona przed obrotem

Metalowa zapraska z otworem gwintowanym

2011-01-24

19

37

Połączenia śrubowe- wkręty samogwintujące

38

Połączenia kształtowe przenoszące moment obrotowych

Rowki wpustowe

Należy unikać występowanie karbu

2011-01-24

20

39

Obliczenia połączeń kształtowych polegają na sprawdzeniu nacisków na powierzchni łączonych elementów. Nie mogą one przekraczać nacisku dopuszczalnego dla zastosowanego materiału polimerowego

Połączenia kształtowe przenoszące moment obrotowych

Połączenie dwuścięte

Połączenie jednościęte

Połączenie wieloząbkowe

40

Koła zębate - materiały

Termoplasty

• PA, POM, PET

• PC, PEEK

• PE-HD, PE-UHMW

• Kompozyty wypełniane

włóknem szklanym

na osnowie PA, POM,

PET, PC itp.

Duroplasty

• EP + włókno szklane

• FP + włókno

2011-01-24

21

41

Koła zębate - materiałyZalety materiałów polimerowych

• możliwość pracy bez smarowania,

• cichobieżność przekładni,

• tłumienie drgań,

• odporność na korozję,

• mały ciężar i masa,

• niskie koszty wytwarzania

(wtryskiwanie)

Rozgrzewanie materiału w wyniku tarciaNajczęściej jedno z kół jest metalowe (zwykle jest to zębnik, ze względu na większe obciążenie zębów)

42

Przekładnie zębate - zalecenia konstrukcyjne

Duże koła zębate oraz produkowane w liczbie poniżej 1000 szt. wykonuje się metodą obróbki wiórowej z półfabrykatów (płyt, tarcz, tulei, itp.)

Wtryskiwanie dużych kół z maksymalną grubością ścianek (14 mm) jest mało opłacalne ze względu na długi czas stygnięcia

2011-01-24

22

43

Materiały polimerowe na ślizgowe elementy maszyn

Termoplasty

PA, POM, PTFE, PEEK, PET, PBT, PC, PE-HD,PE-UHMW.......Kompozyty termoplastyczne zawierające napełniacze włókniste (wł. szklane, węglowe, aramidowe itp.) a także dyspersyjne (grafit, MoS2, PTFE, proszki metali)

Duroplasty

Kompozyty na osnowie EP, FP

44

Zalety polimerowych materiałów ślizgowych

Możliwość pracy bez smarowania, mała wartość współczynnika tarcia po innych materiałach,

Dobra odporność chemiczna (oleje, smary, śro-dowisko agresywne) oraz odporność na korozję

Dobra odporność na zużycie tribologiczne

Łatwość formowania, niski koszt wytwarzania

Możliwość wchłaniania przez powierzchnię mate-riału polimerowego pewnej ilości zanieczyszczeń

Cichobieżność i tłumienie drgań

Mały ciężar właściwy

2011-01-24

23

45

Wady polimerowych materiałów ślizgowych

Mała przewodność cieplna (kilkaset razy mniejsza niż stali)

Duża rozszerzalność cieplna

Higroskopijność niektórych materiałów polimerowych

Mniejsza wytrzymałość mechaniczna w porównaniu z metalami

Wymienione wady dotyczą przede wszystkim polimerów niemodyfikowanych (tzw. „czystych”). Z tego powodu na elementy ślizgowe najczęściej stosuje się kompozyty polimerowe w których wymienione wady nie są tak widoczne

46

Materiały stosowane w technice uszczelniania

Kauczuki: naturalny i syntetyczne (NR, NBR, BR, SBR, EPDM itp.)

Elastomery termoplastyczne - PUR, PVC miękki, polietylen chlorosulfonowy

Termoplasty PTFE, PA,

Żywice silikonowe SI

2011-01-24

24

47

PODSUMOWANIE

Wykład 1

Co to są tworzywa sztuczne oraz

jak odkształcają się polimery ?

Wykłady 2, 3

Jakie właściwości mają polimery oraz

gdzie je stosujemy ?Wykład 4

Jak kształtujemy elementy maszyn z tworzyw sztucznych oraz jak je łączymy ze sobą ?

SPRAWDZIAN WIADOMOŚCI

TEST

48

Wymagany zakres wiedzy

Podstawowa terminologia dotycząca tworzyw sztucznych (mer, polimer, kompozyt, pełzanie ...)

Wpływ temperatury i czasu na właściwości tworzyw sztucznych

Oznaczenia polimerów oraz ich podstawowe właściwości i zastosowanie

Zasady kształtowania korpusów, łożysk oraz kół zębatych

Rodzaje oraz charakterystyka połączeń