Применение полимеров в машиностроении

Полимеры занимают одно из ведущих мест среди конструкционных материалов для машиностроения. Так, потребление пластмасс в этой отрасли становится соизмеримым (в единицах объема) с потреблением стали. Непрерывно возрастает также применение лакокрасочных материалов, синтетических волокон, клеев, резины и др.

Целесообразность применения полимеров в машиностроении определяется, прежде всего, возможностью удешевления продукции. При этом улучшаются также важнейшие технико-экономические параметры машин: уменьшается масса, повышаются долговечность, надежность и др. В результате внедрения полимеров высвобождаются ресурсы металла, а благодаря уменьшению отходов при переработке существенно повышается коэффициент использования материалов (средние значения коэффициента использования пластмасс примерно в 2 раза выше, чем для металлов).

---

Основные достоинства полимерных конструкционных материалов:

• высокая удельная прочность (отношение прочности к плотности);
• износостойкость;
• устойчивость к химическим воздействиям;
• хорошие диэлектрические характеристики;
• свойства полимерных материалов можно варьировать в широких пределах модификацией полимеров или совмещением их с различными ингредиентами. В частности, при введении в полимеры соответствующих наполнителей (см. Наполнители пластмасс) можно получать фрикционные и антифрикционные материалы, а также материалы с токопроводящими, магнитными и другими специальными свойствами.

К недостаткам полимерных материалов относятся:

• склонность к старению;
• склонность к деформированию под нагрузкой (ползучесть);
• зависимость прочностных характеристик от режимов нагружения (температуpa, время);
• сравнительно невысокая теплостойкость;
• относительно большой температурный коэффициент линейного расширения;
• изменение размеров при воздействии на материал влаги или агрессивных сред.

Из пластических масс изготовляют обширный ассортимент деталей и узлов машин, а также технологическую оснастку различного назначения.

---

Основные области применения пластмасс в машиностроении:

Виды деталей, узлов машин и технологической оснастки и пригодные для их изготовления полимерные материалы:

• Зубчатые и червячные колеса: полиамиды, полипропилен, пентапласты, поликарбонаты, полиформальдегид, фенопласты, волокниты, текстолит, древесные пластики;
• Шкивы, маховички, рукоятки, кнопки: полиамиды, аминопласты, фенопласты, волокниты, текстолит, древесные пластики;
• Ролики, катки, бегуны: полиамиды, поливинилхлорид, полипропилен, поликарбонаты, древесные пластики;
• Подшипники скольжения: полиамиды, полиэтилен, полипропилен, полиакрилаты, эпоксипласты, пентапласты, поликарбонаты, полиформальдегид, фенопласты, волокниты, текстолит, древесные пластики;
• Направляющие станков: полиамиды, эпоксипласты, текстолит;
• Детали подшипников качения: полиамиды, поликарбонаты, полиформальдегид;
• Тормозные колодки, накладки: фенопласты, волокниты, древесные пластики;
• Трубы, детали арматуры, фильтры масляных и водных систем: полиэтилен, поливинилхлорид, полипропилен, поликарбонаты, стеклопластики;
• Рабочие органы вентиляторов, насосов и гидромашин: полиамиды, полиэтилен, поливинилхлорид, полипропилен, пентапласты, поликарбонаты, стеклопластики.
• Уплотнения: полиамиды, полиэтилен, фторопласты, поливинилхлорид, полипропилен;
• Кожухи, корпуса, крышки, резервуары: полиэтилен, аминопласты, поливинилхлорид, полипропилен, полистирол, полиакрилаты, поликарбонаты, фенопласты, стеклопластики;
• Детали приборов и автоматов точной механики: полиамиды, полиэтилен, поливинилхлорид, полипропилен, пентапласты, поликарбонаты, полиформальдегид, фенопласты, волокниты;
• Болты, гайки, шайбы: полиамиды, полиэтилен, аминопласты, поливинилхлорид, полипропилен, пентапласты, поликарбонаты, полиформальдегид, фенопласты, волокниты;
• Пружины, рессоры, кулачковые механизмы, клапаны: полиамиды, поливинилхлорид, полипропилен, поликарбонаты, полиформальдегид, текстролит, стеклопластики;
• Крупногабаритные элементы конструкций, емкости, лотки и др.: полиэтилен, поливинилхлорид, полистирол, стеклопластики;
• Электроизоляционные детали, панели, щитки, корпуса приборов: полиамиды, полиэтилен, фторопласты, аминопласты, поливинилхлорид, полипропилен, полистирол, полиакрилаты, эпоксипласты, пентапласты, поликарбонаты, полиформальдегид, фенопласты, волокниты, текстолит, древесные пластики, стеклопластики;
• Светопропускающие оптические детали (линзы, смотровые стекла и др.): полиэтилен, аминопласты, полипропилен, полистирол, полиакрилаты, поликарбонаты;
• Копиры, контрольные шаблоны: полиэтилен, поливинилхлорид, полипропилен, эпоксипласты;
• Холоднолистовые штампы: эпоксипласты, пентапласты, фенопласты, стеклопластики;
• Литейные модели: полистирол, полиакрилаты, эпоксипласты, фенопласты, стеклопластики;
  

  ---

Ниже рассматриваются примеры использования полимерных материалов в производстве деталей общемашиностроительного назначения (подшипники, зубчатые колеса, ремни, шкивы и др.). О специфике применения этих материалов в различных отраслях машиностроения См. Полимеры в авиастроении, Полимеры в автомобилестроении, Полимеры в пищевой промышленности, Полимеры в судостроении, Полимеры в электротехнике, Полимеры на железнодорожном транспорте.

• Для изготовления подшипников скольжения используют разнообразные материалы, обладающие большой износостойкостью и низким коэффициентом трения (см. Антифрикционные полимерные материалы), а также теплостойкостью, стабильностью размеров в условиях эксплуатации и длительным сроком службы при больших значениях несущей способности (произведения допустимых нагрузки и скорости скольжения). Износостойкость, несущая способность и другие свойства подшипниковых материалов резко повышаются при введении в них наполнителей (при наполнении фторопласта-4 скрытокристалличным графитом износостойкость возрастает в 1000 раз). Подшипники из графитонаполненного фторопласта-4 могут работать без смазки, а также в агрессивных средах (см. Графитопласты).
• Основные требования к пластмассам для зубчатых колес — высокие контактная прочность и сопротивление изгибу, износостойкость, демпфирующая способность, динамическая выносливость, стабильность размеров. При использовании пластмасс, удовлетворяющих этим требованиям, повышается долговечность колес, в среднем в 1,5 раза снижается уровень шума, уменьшается чувствительность передачи к наличию смазки, снижаются требования к точности изготовления колеса. Однако единичный зуб из полиамида со стандартным контуром по статической прочности уступает зубьям из алюминия, улучшенной или закаленной стали соответственно в 1,4, 3—5 и 7 раз. Деформация зубьев из пластмассы достигает десятых долей мм, а размеры контактной площадки становятся соизмеримыми с размером зуба. Все же благодаря новым технологическим и коструктивным решениям удалось расширить области применения зубчатых колес из пластмасс, увеличить их несущую способность, повысить кинематическую точность, износостойкость и др. Армирование колес из пластмасс металлом (из него изготовляют ступицы, диск, венец и др. элементы) позволяет наиболее эффективно использовать достоинства обоих материалов.
• Пластмассы все более широко используют вместо нержавеющих сталей и других материалов в волновых передачах, отличающихся компактностью и большими передаточными отношениями (например, от 64 : 1 до 320 : 1), а также для изготовления звездочек в цепных передачах.
• Плоские, клиновые и зубчатые ремни из пластмасс (полиамидов, поливинилхлорида), а также из резины (см. Резино-технические изделия) могут быть использованы для передачи даже значительных мощностей. В отличие от ремней из традиционных материалов, ремни из полимерных материалов можно эксплуатировать в агрессивных средах без применения натяжных роликов. Многослойные ремни шириной 10—1200 мм, армированные синтетическими волокнами, могут быть использованы для передачи мощностей до 3600 кет при скоростях 50 —80 м/сек. Применение в ременных передачах прочных и износостойких шкивов из пластмасс, характеризующихся малой плотностью, высоким коэффициентом сцепления с ремнем, стабильностью размеров, позволяет уменьшить инерционные силы, увеличить срок службы ремней, сократить мощность, потребляемую станком, а в некоторых случаях повысить тяговую способность передачи.
• Использование полимерных материалов для футеровок блоков и барабанов подъемных устройств повышает коррозионную стойкость этих деталей и увеличивает долговечность канатов.
• Использование труб из полимерных материалов вместо металлических приводит к упрощению их монтажа вследствие снижения массы, уменьшению гидравлических потерь и расхода мощности на транспортировку материалов, увеличению пропускной способности труб, повышению срока службы (особенно в агрессивных средах, в земле и воде) и стойкости к гидравлическому удару.
• Применение прозрачных полимерных труб позволяет, кроме того, визуально наблюдать за движением продукта. О трубах из полимерных материалов см. также Полимеры в сельском и водном хозяйстве, Полимеры в строительстве.
• Основным материалом для уплотнительных прокладок, которые, помимо высокой износо- и теплостойкости, должны обладать эластичностью, а также стойкостью в различных агрессивных средах, служат резины на основе хлоропренового, бутадиен- нитрильного, кремнийорганических, фторсодержащих и других каучуков специального назначения (см. Каучуки синтетические, Резино-технические изделия). Для уплотнения подвижных соединений или соединений, которые подвергаются действию высоких давлений, используют обычно уплотнители из пластмасс.
• Полимерные материалы применяют для фиксации резьбовых соединений, осуществляемой различными способами: использованием гаек из пластмасс, нарезку на которых создают при ввинчивании в них металлических болтов, применением шайб и вкладышей из пластмасс, а также с помощью быстроотверждающихся компаундов (см. Компаунды полимерные). Эти способы фиксации обеспечивают повышение срока службы резьбовых соединений, выполняющих одновременно функции уплотнительных элементов.
• Эпоксидные и акрилатные компаунды применяют в качестве универсальных компенсаторов погрешностей при сборке узлов машин и приборов. Благодаря их использованию процесс сборки (например, редукторов) сводится к установке деталей с требуемой точностью и заливке компаундом пространства между сопрягаемыми деталями. Заполняя зазоры, компаунд компенсирует все погрешности обработки и сборки деталей. Применение компенсаторов позволяет на 2—3 класса расширить допуски на изготовление поверхностей, снизить себестоимость обработки деталей, уменьшить трудоемкость их сборки. Заданная точность замыкающего звена сборочных размерных цепей может быть обеспечена за одну выверку.
• С помощью клеев (см. Клеи синтетические) удалось создать сборные зубчатые колеса из металлов и пластмасс, упростить сборку узлов подшипников, удешевить ремонт машин, повысить их надежность. Например, в результате применения направляющих с приклеенными накладками из антифрикционных материалов повысились эксплуатационные свойства станков и упростился их ремонт. Использование синтетических клеев при изготовлении магнитных плит привело к улучшению их электроизоляционных свойств.
• Технологическая оснастка из пластмасс (кондукторы для сверления деталей, шаблоны для контроля деталей сложной конфигурации, штампы, приспособления для разметки и др.) легче, дешевле, проще в изготовлении, чем аналогичная металлическая. Эксплуатационные свойства такой оснастки повышаются при ее армировании металлами, применением в качестве наполнителей металлических волокон или металлизацией рабочих поверхностей (см. Металлизация пластмасс). Из пластмасс изготовляют различную литейную оснастку. Так, в промышленности широко используют метод литья деталей по выжигаемым моделям из пенополистирола, из фенопластов изготовляют формовочные смеси, оболочковые формы и стержни. Полимерные материалы служат также связующим в абразивном инструменте (например, при изготовлении термо- и водостойких шлифовальных шкурок).
• Важное хозяйственное значение имеет применение лакокрасочных и других полимерных материалов для антикоррозионной защиты металлических конструкций при их сооружении, транспортировке, консервации и эксплуатации, а также для декоративной отделки и придания специальных свойств (электроизоляционных, антифрикционных и др.). Объем потребления таких материалов составляет —30% общего потребления полимерных материалов в машиностроении. См. Лакокрасочные покрытия, Антикоррозионные полимерные покрытия, Защитные лакокрасочные покрытия, Напыление.

---

Чтобы получить дополнительную информацию и (или) узнать последние новости по данной теме посетите тематическую закладку: Полимеры в машиностроении. Кроме того вы можете воспользоваться и другими тематическими метками (см. ниже).

Список литературы: Лит.: ВольмирА. С, Павленко В. Ф., Пономарев А. Т., Механика полимеров, № 1, 105 A972); Применение конструкционных пластмасс в производстве летательных аппаратов, под ред. А. Л. Абибова, М., 1971; Павленко В. Ф., Силовые установки летательных аппаратов вертикального взлета и посадки, М., 1972; Булатов Г. а., Пенополиуретаны и их применение на летательных аппаратах, М., 1970; Пригода Б. А., Кокунько В. С, Обтекатели антенн летательных аппаратов, М., 1070; Scow A. L., SAMPE Journal, 8, № 2, 25 A972); Peterson G. P., AIAA Paper, № 367, 1, A971); WetterR., Kunststoffe, 10, № 10, 756 A970); Johnson Z. P., Rubber World, 161, № 6, 79 A970); Encyclopedia of polymer science and technology, v. 1, N. Y.— [a. o.], 1964, p. 568. Г. С. Головкин.
Автор: Каргин В.А., академик АН СССР
Источник: Энциклопедия полимеров, под редакцией В.А. Каргина
Дата в источнике: 1972 г.