Соединение деталей из полимерных материалов


Г. В. Комаров





                СОЕДИНЕНИЯ ДЕТАЛЕЙ ИЗ ПОЛИМЕРНЫХ МАТЕРИАЛОВ




Допущено УМОеь/^ихучебнь/хзаееденииРф по образованию^ области материаловедения, технологии материалов и покрытий в качествеучебного посо бия по дисциплинам сп ециализаций для студентов вь >сших уч ебнь >х заведений, обучающихся по направлениям подготовки магистров и дгтломированнь ix сп ециалистов 150600(551600) Мат ериалов едени е и т ехнология новь >х мат ериалов (сп ециаль ность 150601 (07100 ?
Материалоеедениеи технологияновь>хматериалов)и 150500(651700) Материаловедение, технология материалов и покрытий (специальность 150501(120800) Материаловедениевмашиностроении?






Санкт-П етербург

2006

УДК 676.06
ББК 35.710
К63

      Рецензенты:
      Кафедра материаловедения и технологий материалов и покрытий МГАПИ, зав. кафедрой д-р хим. наук, преф. А. И. Крашенинников
      Кафедра «Основы конструирования оборудования;-»- МГУИЭ, зав. кафедрой, д-р техн, наук, преф. В. С. Ким



      Комаров Г. В.
К63 Соединение деталей из полимерных материал об: Учеб, пособие. — СПб.: Профессия, 2006. — 592 с., ил.
      ISBN 5-93913-103-4

         В издании рассмотрены основные методы ссединения деталей из полимерных материалов на заключительной стадии производства изделий и узлов. Освещены вопросы прогнозирования и оценки работоспособности соединений. Изложены теоретические основы процессов образования соединений. По каждому методу ссединения (прессовые, замковые, механические, сварные, клеевые, формованые) рассмотрены принципы конструирования, используемые материалы и крепежные элементы, технологические процессы и их режимы, оснастка н оборудование.
         Книга носит практический характер и содержит большее количество информации, ранее труднодоступной. Издание адресовано конструкторам, инженерам н технологам, работающим в индустрии пластмасс, в машиностроении и смежных отраслях, а также рекомендуется в качестве учебного пособия студентам профильных специальностей высших и средних специальных учебных заведений.
УДК 676.06
ББК 35.710



Все права защищены. Никакая часть данной книги не может быть воспроизведена в какой бы то ни было форме без письменного разрешения владельцев авторских прав.











ISBN 5-93913-103-4

                  © Комаров Г. В., 2006
                                      © Изд-во 4Профессия», 2 006

Содержание



Введение ....................................................... 9
  Литература....................................................13
1 . Классификациям общие сведения о методах соединения деталей из ПМ...................................................15
  Литература....................................................25
2. Свойства полимерных материалов, влияющие наихповедение во время образования соединений и работоспособность сое дин и тельных швов..........................................27
  Литература....................................................49
3. Прессовые соединения.........................................52
  3.1. Конструированиепрессовыхсоединений.......................54
  3.2. Технологияпрессовыхсоединений............................56
  3.3. Свойствапрессовыхсоединений .............................64
  3.4. Разновидности прессовых соединений.......................67
  Литература....................................................70
4. Замковые соединения .........................................72
  4.1. Виды замковых соединений.................................72
  4.2. Конструированиезамковыхсоединений........................93
  4.3. Технология .............................................104
  4.4. Свойствасоединений......................................112
  4.5. Применение..............................................115
  Литература...................................................117
5. Механическое крепление......................................119
  5.1. Общиесведения.Классификация.............................119
  5.2. Механическая обработка и другие виды обработки при подготовке к механ и чес ко му креплению ..............................120
  5.3. Закпепочныесоединения...................................150
  5.3.1. Выбор заклепок........................................151
  5.3.2. Конструирование соединений ...........................160
  5.3.3. Технология соединений.................................165
  5.3.3.1. Соединения металлическими заклепками................165
  5.3.3.2. Соединения полимерными заклепками...................179

Содержание

  5.4. Резьбовые соединения ...................................191
  5.4.1. Болтовые соединения ..................................191
  5.4.2. Винтовыесоединения ...................................247
  5.4.2.1. Соединение с помощью резьбы, оформленной в полимерном мате риал еде тал и..........................................248
  5.4.2.2. Соединение с помощью резьбы.оформленной в промежуточном элементе ....................................................282
  5.4.3. Соединение с помощью резьбы, оформленной насоединяемых по верхи остях де талей ......................302
  5.5. Соединения спомощью специальныхкрепежныхэлементов.......309
  5.6. Сшивные соединения......................................311
  Литература..................................................31 5
6. Сварные соединения .........................................324
  6.1. Историческая справкаи некоторые общие сведения о сварке ПМ ....324
  6.2. Классификация методов сварки ПМ. Основныетермины........331
  6.3. Механизм сварки и свариваемостьПМ.......................337
  6.4. Технология сварки.......................................352
  6.4.1. Сварка нагретым газом.................................352
  6.4.2. Сварка натре ты мин ст руме нт ом ....................358
  6.4.2.1. Сварка нагретыминструментом прямым нагревом.........358
  6.4.2.2. Сварканагретыминструментомкосвеннымнагревом.........383
  6.4.3. С варка закладным нагревательным эле мен том..........385
  6.4.4. Ультразвуковая сварка.................................390
  6.4.5. Сваркатрением.........................................407
  6.4.5.1. Ротационная сварка трением..........................407
  6.4.5.2. Сварка вибротрением.................................41 0
  6.4.5.3. Сварка вибровращением...............................41 2
  6.4.6. Высокочастотная сварка................................412
  6.4.7. Сваркарасплавом......................................41 3
  6.4.8. Лучевая прессовая сварка.............................41 5
  6.4.9. Сварка растворителем..................................424
  Литература...................................................426
7. Клеевыесоединения ..........................................434
  7.1. Термины.Основные понятия................................434
  7.2. Историческая справкаи некоторые общие сведения окпеевых соединенияхи склеивании.....................................438
  7.3. Факторы,влияющие на прочностьклеевыхсоединений..........445
  7.3.1. Влияниенапрочностьклеевыхсоединенийадгезионного взаимодействия .............................................447
  7.3.2. Влияние на прочность клеевых соединений свойств соединяемыхматериалов.......................................455

Содержание

5

   7.3.3. Влияниенапрочностьклеевыхсоединенийкогезионных свойствклеевой прослойки....................................457
   7.4. Клеи....................................................461
   7.3.1. Ре активные клеи......................................463
   7.4.2. Термопластичные клеи..................................477
   7.5. Выборклея...............................................481
   7.5.1. Клеи для соединения отвержденных ре акт о пл ас то в .482
   7.5.2. Клеи для соединения термопластов......................493
   7.6. Конструирование клеевых соединений......................511
   7.7. Технологическийпроцесссклеивания........................524
   Литература...................................................537
8. формование соединения........................................542
   8.1. Соединения деталей изотвержденныхреактопластов спомощью накладок.....................................................543
   8.1.1. Конструирование соединений ...........................543
   8.1.2. Материал накладок.....................................553
   8.1.3. Технология ...........................................555
   8.2. Соединения полимерныхдеталейсдеталями издругих материалов без дополни тельных накладок......................570
   8.2.1. Конструированиесоединения.............................572
   8.2.2. Технология ...........................................578
   Литература...................................................587
Список сокращений...............................................590

            КОМАРОВ


Герман Вячеславович

  Доктор технических наук, профессор кафедры ^Технология переработки неметаллических материал об» МАТ И — Российского государственного технологического университета имени К. Э. Циолковского.
  Окончил указанную кафедру и аспирантуру при ней. После аспирантуры находился на стажир об ке б Дрезденском техническом университете, Германия. В 1964 г. защитил кандидатскую, а б 1992 г. докторскую диссертацию. Имеет 350 научныхра-бот, б том числ е 4 0 п атентоБ. Автор и соавтор 12 кн ижных из да ний. Н аучн ы е интер е-сы лежат в области полимерного материал сведения в процессах сборки изделий из полимерных матер налов (ПМ), сварки ПМ (автор первой в СНГ докторской диссертации), склеивания, технологии многослойных полимерных материалов, технологии ультразвуковой сборки изделий из ПМ, технологии ремонта изделий из ПМ и с пр именен ием П М.

                          Моему учителю заслуженному деятелю наука а техника РСФСР> профессор доктору технических наук Елене Борисовне Тростянской посвящаю

        Введение




   Производств о изделий из полимерных материал об (ПМ), каки из многих других матер налов .включает три стадии [1 ]:
   *  из готов л ение п олу фа бр икатов;
   *  из готов л е ние (пр еиму ществ енно формов а ние) дета л ей;
   *  сборка.
   Указанные стадии с учетом степени вез действ ия на ПМ называют также процессами предварительной, промежуточной и завершаю щей обработки. Путем предварительной обработки ПМ придают необходимые технологические свойств а. Пристом химическая структура полимера в редких случаях подвергается изменению, но в широких предел ах регулируются физические свойства. Это достигается введениемв п ол имер добав ок (стабил из атср ов, на пол нител ей, пл а стификаторов, кр а сител ей, других п ол имер ов и т. п.). Л ишь тол ь ко п осле стого П М пр едстав ляют собой сп особны е к переработке порошок, гранулят, препрег, пасту и т.д
   Дал ь нейшая п ер ер а ботка пр оизв одится методами п ерв ичного формов а ния, к ко-торым относятся прессование, термокомпрессионное формование, литье под давлением, •экструзия, пултрузия, каландрованщ спекание и др., ил и методами втор ичного формования, к которым относят прежде в сего штамповку, гибку и методы, связанные с доп ол нител ь ной обр а боткой уже имею щихся п ол имер них дета л ей [1 -4 ]. В р езул ь -тате такой переработки, когда Бездействию технологических факторов подвергают весь объем ПМ, п случают полу фабрикаты в виде пленок, л истов, тру б, профилей для дал ь нейшей обр аботки ил и готов ы е фа сонны е дата л и. В овр емя формов а ния П М пр и-обр era ет оптимал ь ны е п отр ебигел ь ские (эксп луата ц ионны е) св ойств а.
   Но формованием деталей процесс из готов ления изделия из ПМ не заканчивается. Деталь —сто изготовленная без применения сборочных операций составная часть изделия, которое образуется лишь после зав ерше ния процесса сборки.
   Н еобходимость исп ол ьз ов а ния сбор ки в св ника ет в пр оизв одств е сложных п о кон-стру кц ии и круп них пор азмер ам из дел ий (а п п ар атов химического и п ищев ого ма ши-

Введение

ностр сенил, бытов ой техники, тр а нсп ортных ср едсгв, л етател ь них а п п ар атов, тру бо-проводов, 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 ил и элементы из полиэфирных (ил и на основ е в инил ов ых эфир ов) стекл оп л а стиков в ы п ол няют сил ову ю фу нкц ию, а химическую стойкость обесп ечив а ет обл ицовкаизПВХ.ПЭВПилииз фтор оп л а стов [5]. Крупногабаритные и большой массы изделия трудно целиком доставлять кместу эксплуатации. Часто экономически более выгодна (если речь не идет о трансформируемой конструкции) доставка деталей по отдельности и их сборка на месте. Вся но-менкл атур а сотов ых з а п ол нител ей идет на из готов л ение многосл ойных п а нел ей и из -дел ий тип а обтекател ей р а кет, ц ил индр ических кор пу сов, хв остов ых секц ий л оп а стей вертолетов и др. Для демонстрации преимуществ сотовых трехслойных панелей, изготавливаемых с применением сборки, перед однослойной панелью толщиной 0,81 мм, не имеет большого значения то, что материалом для последней и обшивок в трехслойных панелях служит алюминий [6]:

   П ерв ы е конструкц ии с сотов ым запол нител ем был и ссз да ны в 194 2-194 3 гг. [7]. Расширению применения сотовых конструкций с обшивками из стекло-и углепластиков, в первую очередь в вертол етостроении, а затем в строительстве и производстве спортинвентаря, способствовало появление в 1974 г. сот на основе арамидной бума ги тип а № п&х.
   В п осл едние годы сотов ы е з а п ол нител и в сбор них констру кц иях п стеснил ись п е-нопластовыми, характеризующимися более низкой стоимостью, повышенной стойкостью кползучести при сжатии, меньшим вл а гоп оглощением, боль шей дел говечнос-ть ю. Н а р ы нке п оявил ись термоп л а сгичные соты, на пр имер, на основ е пол ипроп ил ена, котор ы е хор ошо п огл оща ют удар ны е на груз ки, деформируются, не р азрушаясь, имеют малое в одопоглощение, отличные звуке- и теплоизоляционные свойства, могут п одв ер гать ся втор ичной п ер ер а ботке [8]. Пр именение та ких сот в пр оизв одств е сл ои-стых конструкцийтребует создания соответствующих их свойствам методов сборки. Почти в полном объеме на изготовление сборных изделий, конструкций и сооружений идут детали из полимерных композиционных материалов (КМ) и такие полуфабрикаты из термопластов, как пленки (для оболочек, пакетов, мешков, упаковки, емкостей, геомембран), трубы (длятрубопроводов), профили (для рам, подкреплен-

Введение

11

них п а нел ей), л исты (для п а нел ей, обл иц обок) . Расшир ение б ы пуска б России (та бл. 1) и п остаБ ок из -з а ру бежа та ких п ол имер ных п олуфа бр икатоБ теряет смы сл без дал ь -нейшегоразБития технологии сборки изделий из них. Да и б целсмв мире преобладает выпуск ПМ, используемых б пр оизБодстБе указанных полу фабр икатоБ (табл. 2). Прогнозируется, что к2005г. дсляПМ общего назначения (ПЭ, ПП, ПВХ, ПС, АБС и ПЭТ) БОБсем объеме ПМ по тоннажу состаБит 90% [10].


Зяблая 1 Характеристика выпуска полимерной продукции в России [9]

Продукция       Объе м в ы пуска по подам, тыс. т      
                1995  1999   2000  2001  2002  Рост,% 
Пленки           95    133    130   210  290     305  
Трубы и детали   31    S3     32    90    97     312  
трубопроводов                                         
Листы            16    16     20    29    32     200  
Фасонные детали 136    222    309   404  420     303  
Итого           273    434    591   733  339     302  

Объем выпуска основных видов ПМ в мире ив Западной Европе в 2000 г.

Виды ПМ         В мире   В Западной Европе  
                млнт  %  млнт       %      
ПЭ               51  34  12,5     36,2     
ПП              23,5 19   Z1      20,6     
ПВХ             25,5 17  5,75     16,7     
ПС, в том числе 13,5  9  5,1       9,0     
ударопрочный                               
АБС, САН и др.  5,25 3,5 0,7       2,0     
ПЭТ             6,75 4,5 5,1       9,0     
ПУР             9,0   6     Нет данных      
ПА              2,25 1,5 1,2       5,5     
ПК              1,5  1,0 0,36      1,0     
Другие ПМ       6,75 4,5 0,69      2,0     
Всего:          150  100 34,5      100     

   Используя процессы сборки, можно изготобить изделия из трудноформуемых ПМ, например, из тугоплавких ил ИБыеоконаполненных. Из готов л ение круп нога ба-р итных дет ал ей формов а нием на ма шинах ил и в осна стке, кр оме в ы сокой стоимости и сл ожности, имеет тот недостаток, что пр ив одит к неоднор одно сти св ойств враз ных ча стях дета л и, та к ка к не уда ется обесп ечить п о стоянств о техн ол огических п ар амет-р ов (на пр имер, темп ер атур ы и дав л ения) п о в сему ее объ ему. К методам сбор ки следует отнести из готов л ение многослойных пол имер-пол имерных КМ с применением клеевых прослоек, поскольку подлежащие соединению слои имеют оптимальные технические характеристики, то есть выступа ют в роли готовых дета л ей. Применяятех-нологию изготовления изделий с расширенным использованием сборочных опера-

Введение

ц ий, можно п об ы сить коэффиц иент исп ол ьз ов а ния матер иа л об , •экономить энер гию, ускорять и удешевлять производство. Членение конструкции на части (узлы, агрегаты, блоки и т. п.) может быть обусловлено также требованиями обеспечения ее р азъ емно сти для пр офил а ктических осмотр ов, р емонта, з амены в ы шедших из стр оя узлов и деталей и др. целей или необходимостью введения подвижного соединения.
   Стоимость сбор очных операций может составлять более 50% стоимости изготовления изделий [И]. В развитии процессов сборки видится один из резервов роста производительности труда в производстве изделий из ПМ.
   В связ и с в ы шеиз л оженн ым для п олучения обр аз ов а ния в обл а сти пр оизв одств а изделий из ПМ необходимо изучать не только технологию изготовления (формования) деталей, но и технологию сборки изделий.
   Наука о сборке изделий из ПМ зарождалась иразвивалась по мере расширения их пр име нения в технике, п ояв л ения нов ых в идов П М, р а зв ития ма шиностр оения и приборостроения, строительной отрасли.
   Согласно ГОСТу 31109-82 сборка —это образование соединения составных частей изделия. Соединение — конструкторское понятие. Под ним в машиностроении п онима ют место сочета ния двух и бол ее дета л ей, а та кже сбор оч них ср едств в едином уз л е ил и другом эл ементе констр у кц ии.
   Пр а кгически нет ни одной дета л и из П М, котор ая нетр ебов ал а бы соединения ил и (в общем случае) совмещения с другими деталями, веществами или материалами, чтобы она, таким образом, могла выполнять свою функцию. Так, например, такие полимерные дета л и как ста кан, банка, канистра, бочка ит. 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 в свможностями, избежать сборочных операций не представляется возможным. Указание на то, что толь ко оксл о 40% деталей из ПМ идут на сборку [12], относится к производству изделий, соединения в которых вовремя эксплуатации испытывают механическое воздействие, то есть являются конструкционными, и не распространяется на все виды изделий.
   Сбор ка п о сути св оей бл из ка к формов а ни ю дета л ей методом синтез а [1 ], а отл и-чается от него тем, что придание формы изделию происходит в результате соединения не за готов ок полу фабриката, а готовых дета л ей. Вместе с тем сборка по способам формообр аз ов а ния на мно го беднее формоо бр аз ов а ния дета л ей, котор ое пр и сбор ке определяется формой базовой детали, узла или агрегата и/ил и сборочного приспособления.
   Соединения деталей при сбсрке изделий принципиально отличаются от соединений матер иа л ов и огдель ныхэл агентов детал и, котср ы емогуг иметь место при изготов -лении последней (напримф, армированной металлической вставкой) формованием.
   В о- п ерв ых, на сбор ку п осту п а ют ча сти из дел ий (сбор очны е единиц ы) из монол и-тизирова иного 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 мер е, минимизация изменения свойств ПМ в зоне соединения деталей.

Введение

13

   В о-втор ы х, в 0 вр емя сб 0р ки дета л и п одв ер га ют л ока л ь ному втор ичному (п 00л е формования) воздействию технологических факторов (нагрев, механическая обра-бстка, счистка р а ств ср ител ем, сбл учение эл екгр сма гнитным полемит. двзав иси-мссти ст метсда ссединения). Поэтому вы бранные спсссбы воздействия (например, нагрев) и их параметры не должны вызвать повреждение или ослабление пелимер-нейдетали
   В-третьих, для образования ссединенийиспсльзуют специальнс ссвданныемате-р иал ы (кл ей, пр исадки, грунты и т. п.), инегда нетечне наз ыв а емы е в сп смсгател ь ны -ми, и крепежные элементы (вставки, винты, бслты, заклепки, нити и т. п.). В конструкцию сниввсдятся локально —в местах соединения. Роль указанных материалов при сборке иная, чем при формовании. Существенно влияя на качество соединения, онивыполняютв собранном изделиитакую жероль, как, например, матрицав ПМ.
   В-четвертых, сборочные работы под влиянием целого ряда специфических особенностей кон стру кц ий л етател ь них а п п а р атов (сл ожность формы, б ол ь шие р азмеры) и других тр а нсп ортных ср едств, стр оит ел ь них объ екгов и т. д не достигл и та кой степени механизации и автоматизации, какформование деталей из ПМ и ПКМ. При сбор ке н аходят пр именен ие ручны е и ма ши нно-ручны е пр оц ессы труда: уст а нов ка и фиксир ов а ние дета л ей в сбор очных пр исп о собл ениях, св ер л ение отв ер стий, монтаж кр еп ежны х эл ементов, л окал ь ная очистка п ов ерхностей и т. д
   Технологический процесс сборки изделий из ПМ, также, каки из друг их матер и-а л ов, в общем случа е пр едстав ляет собой сов окуп ность операцийпо уста нов ке дета -лей 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.


   Литература

1. Виноградов В.М., Комаров Г.В. К вопросу о классификации в области технологии изготовления деталей и сборки изделий из полимерных материалов // Пласт, массы,— 2003. — Н 4. - С. 33-38.
2. Практикум по технологии переработки пластических масс/ Подред В.М. Виноградова и ЕС. Головкина. — М.: Химия, 1973. — 236 с.
3. Schaaf W, Hahnemann A. Verarbeitung von Plas ten. - Leipzig: VEB Deutscher \ferlag fur Grundstoffindustrie, 1968. — S. 321.
4. Kbnstruiren mit thermoplastischen Kunststoffen. Teil 4. Fiigeverbindungen inder Techrdk. Herausgeber BASE — S. 22.
5. Zahn К.-H., Jager K. Vferkstoffe und Fiigetechnik im Chemieanlagenbau - Anforderungen und Tendenzen // DVS-Berichte. — 2003. — Nr. 225. — S. 213-221.
6. CordenJ. Honeycomb structure // Engineered Materials Handbock. Vol. 1. Composites, lechn. Chairman Th. J. Reinhart. — Metal Park Ohio: ASM Int. Handbeck Committee, 1988. — P 721-728.
7. Rcsato D.V Handbook of Fiberglass and Advanced Plastic Composites / Ed. G. Lubin. — N.-Y.: Van Nostrand Reinhold, 1969. — P 1-19.
8. Боголюбов B.C., Сироткин О.С., Рынкевич С.Ю., Комаров Г.В. JEC-2003. Париж (Заметки с выставки) // СИБ «Полимерные материалы*. — 2003. — № 12. — С. 16, 18, 20.