Соединение металлических деталей с пластмассовой приформовкой без дополнительных накладок выполня­ется с помощью ультразвука. Способ получил широкое распространение лишь в последние годы.

При соединении этим способом в пластмассовой де­тали предварительно оформляют гладкое отверстие, ди­аметр которого несколько меньше посадочного диаметра арматуры. Введение металлических деталей в пласт­массовые с помощью ультразвука [8, 124—127] произ­водится по той же схеме, что и сварка пластмасс: меха-

Рис. IV.6. Соединение металлической арматуры с пластмассовой де­талью с помощью ультразвук а прямым (й) - я обратным (б) мето­дами: / — .арматура; ї — инструмент; 3 -»деталь; 4, 5 — иаправляющая и посадочная части арматуры; / — начало введения арматуры, //—собранные детали.

нические колебания ультразвуковой частоты, передава­емые к деталям, и давление при сборке действуют по одной линии.

Энергию ультразвуковых колебаний можно подво­дить при соединении пластмассовой детали с металли­ческой прямым или обратным методами. При прямом методе энергию подводят со стороны металлической ар­матуры (рис, 1V.6, а), а при обратном (только для же­стких пластмасс с модулем упругости при растяжений ^2000 МПа) со стороны пластмассовой детали (рис.

IV. 6, б). Под действием ультразвуковых колебаний про - ■ исходит локальное размягчение слоя пластмассы, при­легающего к металлической арматуре, а под действием осевого усилия Р со стороны инструмента или опоры арматура вводится в пластмассу. Прсле прекращения — действия ультразвука тепло быстро отводится из пласт­массы в холодную арматуру. Считают [101, 126], что. нагрев пластмассы происходит в результате трения меж­ду соприкасающимися участками деталей. Б результате размягчения пластмассы обеспечивается плотное обле­гание ею арматуры, а также прочное сцепление с метал­лом. Образующаяся под действием ультразвуковых колебаний размягченная пластмасса (расплав) запол-

ййет ймекициёсй в арматуре полости, а ее избытой ча­стично выдавливается наружу, так что арматура-с на­тягом вводится в отверстие [128]. При остывании. рас­плава происходит его усадка, что приводит к возникно­вению' на боковой поверхности арматуры радиального давления дополнительно к давлению, созданному в ре­зультате упругого деформирования пластмассы.

Для более прочного закрепления арматуры в дета­лях из термопластов "на ней оформляются канавки (но не более четырех), а на посадочной части — насечка или накатка [129]. Благодаря наличию в арматуре направ­ляющей части, диаметр которой равен диаметру отвер­стия, достигается точная посадка ее в пластмассовую деталь. Такое оформление арматуры особенно важно в тех случаях, когда она играет роль осей, направляющих штифтов и им подобных деталей,-

Отвержденные реактопласти обладают незначитель­ной остаточной пластичностью, поэтому оформление поднутрений у металлической арматуры, вводимой в де­тали из этих материалов, не дает такого же эффекта, как при введении ее в детали из термопластов [126]. При соединении металлической арматуры с деталями из реактопластов с помощью ультразвука [126] проис­ходит лишь снижение усилия запрессовки (по сравне­нию с прессовыми соединениями). Удерживающая сила оказывается больше для вставок, которые перед вводом в отверстия деталей из фенопластов смачивали водой [59]. Можно предположить, что в этом, случае абсор­бированная полимером вода, превращаясь в пар, раз­рыхляет его структуру и этим самым способствует ог­раниченному течению материала' и достижению плот­ного контакта его с. вставкой.

Осевое усилие Q, удерживающее арматуру в пласт­массовой детали, складывается из силы F сцепления пластмассы с. боковой поверхностью арматуры и лдцлы О, которую необходимо приложить, чтобы срезать пла­стмассу в кольцевой канавке арматуры:

Q=K+G

Силу G можно рассчитать по формуле:

G -- тлДДп

где т — разрушающее напряжение при срезе пластмассы; da, h2 — раз­меры частей арматуры (рис. IV.7).

е

*4... Г._
	щ

І—-ті І... Л

V

ft

Рис. IV.7. Основные размеры элементов соединения (о) и схема дей-
ствующих радиальных давлений в разных частях арматуры {б)

1 — пластмассовая деталь; 2 — арматура.

Силу F можно определить из уравнения:

* F = Pi/' ndjit -[- p2f" ncfjftj + psf" ndjiz

где pi, Pt, P'i — радиальные давления в разных частях арматуры; /' и /" — коэффициенты трения; dh hi, dlt Пг, dz, Л3 — размеры частей арматуры (см, рис. IV. 7).

Давление pi возникает в арматуре в результате на­тяга и усадки расплава пластмассы в углублениях на­сечки, Р2 — при усадке расплава в кольцевой канавке, а рз — - в результате усадки расплава в зазоре между отверстием и направляющей частью арматуры (вслед­ствие малого значения этого зазора давлением р3 в рас­четах можно пренебречь).

Для расчета составляющей ри радиального давления Pi можно воспользоваться уравнением Ламе:

Да+ dj

-Ь Pt

где £і, Ег — модули упругости материала охватываемой (металличе­ской) и охватывающей (пластмассовой) детали соответственно; щ — коэффициенты Пуассона іЩ для стали и Для жестких пласт­масс типа полистирола равны 0,3).

Натяг Н задают с учетом, объема пластмассы, иду­щей на заполнение канавки, углублений в насечке и за-

зо ров, а также с учетом усадки расплава пластмассы:

где К — коэффициент, учитывающий вытекание материала; d— диа­метр арматуры; V — объем пластмассы вокруг отверстия длиной L и диаметром d, перекрытый арматурой; SVb — суммарный объем канавки и зазоров; h=hi+h2+k3 — высота арматуры; Яу=ДЯн—- на­тяг, создаваемый усадкой пластмассы (здесь Д—коэффициент усад­ки; На = - LZ^— — начальный натяг).

При действии на пластмассовую деталь давления р в ней возникают распорные ае и радиальные аг напря­жения, которые можно рассчитать по формулам:

D*+d%

a0~Pi £S_d3; tV— -—Pi

Под действием осевой нагрузки в кольцевом выступе пластмассы, образованном канавкой, создаются каса­тельные напряжения среза: 1

G

х = — ■ • — nd%ht

Главные нормальные напряжения сть сг2, а3 в месте соединения пластмассы и арматуры определяют по фор­мулам: -

<v ^ = 2 - Ьт/" о? + 4т2

^8 = ~£~ —"|/ о? + 4tS j

Анализируя приведенные выше формулы, можно сде­лать вывод, что при увеличении. иатяга одновременно возрастают удерживающая сила и напряжения в пласт­массовой детали.

, Для того чтобы обеспечить прочность пластмассовой детали, должны выполняться следующие условия:

сц < сгр или ст3 < аож

где .(Гр и (Гож — разрушающие напряжения пластмассы соответствен­но при растяжении и сжатии.

Найденный эксперимен­тально [125, 128] оптималь­ный натяг при введении ар­матуры из стали Ст. 3 в де­тали из ударопрочного по­листирола УП-1 составляет 0,3 мм (рис. IV.8); что со­гласуется с данными, при­веденными в других рабо­тах [62, 130, 131]. Натяг, полученный расчетным пу­тем для таких соединений, незначительно отличается от найденного эксперимен­тально. При значениях на­тяга, больших оптимально­го, возможно появление трещин в пластмассе и рез­кое уменьшение удержива­ющей силы.

■Сравнивая _ результаты испытания образцов с ар­матурой типа II и III (см. рис. IV.8), можно определить составляющую G удержи­вающей силы, которая обеспечивается кольцевой канав­кой в арматуре. Насечка способствует не только увели­чению поверхности сцепления, но и увеличению объема материала, работающего на срез,

Как видно из рис. IV.9, оптимальное соотношение наружного и внутреннего диаметров пластмассовой де­тали или ступицы Djd, при котором обеспечивается мак­симальная удерживающая сила Q, составляет 2,0—2,25. Остальные размеры (см. рис. IV.7) рекомендуется при­нимать равными: d% = d—(1—2) м. м; d4=d-f1* мм; L = = (Л1+Л2+Л3)—■£ (I—2) мм]. Когда арматура играет роль резьбовой вставки и не имеет буртика, то она дол­жна выступать над поверхностью пластмассовой детали на 0,1—0,2 мм [130] .

Основными параметрами, определяющими качество соединения,- которые можно регулировать при настройке оборудования на оптимальный режим, являются ампли­туда колебаний инструмента, оказываемое на арматуру давление и продолжительность обработки ультразвуком.

Свойства полимерных материалов мало влияют на вы­бор указанных параметров. Описываемым. способом лучше всего соединять детали из жестких термопла­стов[5] [59, 126, 132].

При введении с помощью ультразвука в пластмас-, совые детали металлической арматуры, диаметр поса­дочной части которой равен 6—12 мм, с увеличением амплитуды колебаний от 25 до 40 мкм скорость' нагре­вания контактирующих участков и производительность процесса возрастают незначительно. При этом диаграм­ма «путь инструмента — время» (рис. IV. 10) не изменя­ется. Поэтому за оптимальную принята амплитуда, рав^ пая 25—30 мкм.

Отрезок аб па диаграмме характеризует продолжи­тельность холостого хода инструмента, которая зависит от расстояния между арматурой и рабочим концом ин­струмента и от скорости применяемого привода. Чтобы

девременного включения ультразвука происходит ин­тенсивный износ арматуры и. рабочего конца инстру­мента.

В течение времени, соот­ветствующего' отрезку 80, В пластмассовой детали появ­ляются сдвиговые деформа­ции, фиксируемые по подъ­ему температуры. При этом пластмасса размягчается и начинают вводить арматуру. Введение арматуры. происходит на отрезке гд.

Натяг влияет не только на прочность. соединения, но и па технологические параметры процесса [127]. Как видно из рис. IV. 11, при увеличении натяга повышается

туры в детали из термопластов и реактопластов состав­ляет соответственно от долей секунды [62, 130] до 1,5—

2,0 с [42Й, 131] и 2,0—4,0 с [59].

После отключения ультразвука начинается быстрое охлаждение, в результате которого через 1 с пластмас­са вблизи арматуры охлаждается до 313—323 К (рис. IV. 12). Охлаждение сначала происходит под давлением (отрезок еж на диаграмме; см. рис. IV, 10), затем усилие прижима снимается (точка ж) и инструмент возвраща­ется в исходное положение,

Рис. IV. И. Зависимость продолжительности t действия ультразвука при вводе арматуры с кольцевой, канавкой и насечкой в ударопроч­ный полистирол (/)' н полиэтилен (2) от патяТа Н. Амплитуда коле­баний инструмента 25 мкм, усилие прижима 0,45 кН; диаметр отвер­стия в пластмассе 8 мм.

Рис. IV.12. Изменение температуры Т пластмассы в зоне поднутре­ния арматуры (d; = 9 мм; й2—7,5 мм; di~ 11 мм), при ее введении (/) в ударопрочный полистирол СНП-2 (#=8 мм; £>=20 мм) и по- ' вторной обработке соединения ультразвуком (2): it — продолжи толь кость обработки ультразвуком; 4 — продолжительность ох­лаждения, Амплитуда колебаїгнй инструмента 25 мкм; усилие прижима

0,45 кН.

Качество соединения арматуры с деталями из отвер­жденных реактопластов не зависит от того, будет ли проводиться охлаждение под давлением или в свобод­ном состоянии [59].

Весь цикл ультразвуковой сборки пластмассовой де­тали с металлической арматурой длится несколько се­кунд. •

При повторной обработке ультразвуком пластмассо­вой детали с введенной в нее арматурой наблюдалось незначительное повышение температуры в зоне, приле­гающей к арматуре £124].

Качество полученных соединений во многом зависит. от усилия прижима инструмента к арматуре. П, ри ма­лых усилиях прижима вследствие плохого контакта ин­струмента с арматурой не обеспечивается равномерного и быстрого размягчения пластмассы, а при больших — происходит преждевременная посадка арматуры в не - размягченную пластмассу, т., е. до момента включения ультразвука, что приводит к появлению. в изделиях больших остаточных напряжений. Оптимальное усилие

Прижима Инструмента к арматуре с диаметром посадоч­ной части 8—10 мм составляет 0,4—0,5 кН [124]. В слу­чае соединения деталей из реактопластов с металличе­ской арматурой, имеющей четыре кольцевые канавки н посадочную часть с диаметром около 10 мм, усилие дри - жима принимают равным 0,6—1,2 кН при продолжи­тельности воздействия ультразвука 2—4 с [59].

Для введения металлической арматуры в детали из пластмасс с помощью ультразвука применяют "оборудо­вание, используемое для ультразвуковой сварки пласт­масс и других процессов соединения деталей [126, 130, 132].

Описываемый способ соединения металлических де­талей о пластмассовыми получил широкое распростра­нение при массовом изготовлении армированных изде­лий из термопластов [130] в электротехнике, авиацион­ной промышленности, автомобилестроении [124], в производстве предметов домашнего обихода, игрушек, изделий оптического назначения и т. д. В детали из пластмасс этим способом вводят резьбовые втулки,—. шарнирыг оси, контакты, проволоку, штифты {126]. Вводя резьбовой штифт, а затем вывинчивая его., мож­но оформить резьбу в пластмассе:

По сравнению с литьем'под давлением изготовление армированных изделий, из пластмасс, с помощью: уль­тразвука имеет следующие преимущества:

значительно упрощается конструкция пресс-формы для литья детали;

исключается" опасность повреждения пресс-формы арматурой; . . ■ *

появляется .возможность проводить литье не ар миро - ванных деталей в автоматическом режиме при одновре­менном обслуживании нескольких машин;

повышается производительность процесса и снижает­ся стоимость изделий; - .

снижается уровень остаточных напряжений в зоне материала, окружающей арматуру.

По сравнению со сборкой с помощью прессовой по­садки при сборке с помощью ультразвука повышается качество изделий и получаются более стабильные во времени соединения. Кроме того, появляется возмож­ность производить разборку. и повторную сборку [101] соединений.

Р

f Рис. IV.13. Расположение вставок в деталях из термопластов перед сборкой (/) и после сборки (//), закрепляемых с помощью ультра­звука, при сварке двух деталей (а) и формований буртика (б): 1— детали; 2 — вставка; 3 —сварной шов; 4 — инструмент; 5 — буртик. :

’ . С помощью ультразвука можно заформовывать (за­

креплять) вставки в детали из термопластов по схемам,

[ приведенным на рис. IV. 13 [8].

.і. Вставки в детали из термопластов. можно закреп-

? лять также по схеме рис. IV.14 путем осадки инструмен-

| том 3 материала пластмассовой детали 1 в зоне, окру-

t жающей вставку 2.

Ультразвук к детали, в которую заформовывают ■I вставку,, подводят по схемам, применяемым при введе-

■I нии металлической арматуры в пластмассовую деталь

и при сварке. Вместе с тем яри формовании буртика ре­шающую роль играют не соударение поверхностей дета­лей и не трение между ними, вызывающие нагревание зоны контакта деталей, а поглощение энергии объемом материала детали.

Сущность формования буртика с помощью ультразвука может быть объяснена следующим образом. В ус­ловиях высокочастотных переменных напряжений наблюдается явление ги­стерезиса, эффект которого тесно связан с релаксационным характером эластичности. В общем случае отно­сительная деформация полимера вовщ складывается из упругой деформация Вуїгр, эластической деформации еэл и пластической епл, т. е. еобщ=іЄуПр +

+'Вэл “ЬЗпл*

При приложении переменного на­пряжения с амплитудой о0 и часто­той <л потери энергии Q в переходной области между стеклообразным и эла­стическим состоянием составят [127, 133, с. 61]: Q=l/2 (taadeosintp)f

(здесь ф —угол сдвига фаз между напряжением. и деформацией; «о — амплитуда деформации). Заменив со характеризующий деформацию, кото - получим

<005 sin<p Q = 2£/

В стеклообразном состоянии Et равен модулю упругости Е полимера, а в эластическом, состоянии равновесному модулю Езп эластичности.

Анализируя полученное уравнение, можно заключить, что тепло, выделяющееся в полимере, зависит от модуля упругости. При этом чем он больше, тем меньше тепла выделяется в материале при про­хождений ультразвуковых колебаний.

Размер заформовываемой детали зависит от разме­ров применяемого ультразвукового инструмента, макси­мальный диаметр которого при частоте: колебаний 20 кГц может составлять 75—100 мм.

Детали из термопластов к металлическим деталям можно приформовывать также методом индукционного или контактного нагрева [101, 134, 135]. При этом про­исходит плавление пластмассы вокруг вставки и проч­ное схватывание ее с последней после охлаждения.

Основной опасностью при введении вставок за счет их нагрева является появление трещин в пластмассовой детали после ее охлаждения (в результате усадки). Пре­имуществом же такого способа служит низкая стоимость оборудования по сравнению со стоимостью'ультразвуко­вого оборудования, что обусловливает его применение

в основном при изготовлении небольших партий изде­лий. Способ легко автоматизируется, однако по сраівне - нию с ультразвуковым способом занимает много вре­мени.

Приформовкой соединяют полимерные пленки с ме­таллическими фланцами и штуцерами в конструкциях из пленок [135]. Прочность таких соединений обуслов­лена силами адгезии и зависит от температуры. Макси­мальная прочность достигается при. температурах, близ­ких к температурам деструкции соответствующих тер­мопластов: 693—708 К (для системы политетрафтор­этилен—гст а ль) и 433 К (для соединений полиэтилен— сталь). При повышении температуры происходит сни­жение вязкости расплава, благодаря чему улучшается контакт между полимером и металлом. Предполагается также, что при высоких температурах между полиме­ром и металлом в соединении могут возникать химиче­ские связи.

Для повышения прочности соединений и снижения температуры процесса перед приформовкой рекоменду­ется проводить химическую модификацию поверхности металла продуктами, содержащими активные функцио­нальные группы [135]. В качестве химических модифи­каторов применяют кремнийорганические продукты: для полиолефинов — насыщенные кремнийорганические мо­номеры, для галогенсодержащих полимеров — кремний­органические продукты, содержащие аминогруппу, или полимеры, содержащие изоцианатные группы. Листы термопласта можно соединять с металлическими листа­ми за счет перфорации последних [134].