Требования к листовым материалам, предназначенным для штампования

 

Штамповкой можно формовать деталь только из полимеров, которые отвечают требованиям данного метода. В процессе формования штамповкой полимер должен проявлять достаточно большие эластические деформации, обеспечивающей получение детали заданной конфигурации без разрушения заготовки. Параметрами оценки при выборе полимера служат зависимости молекулярной массы, температуры стеклования, относительного удлинения при разрыве, прочности при растяжении полимера.

Листовые армированные термопласты, предназначенные для штамповки, представляют собой пропитанные термопластичной матрицей волокнистый наполнитель различной природы и формы [8].

В качестве армирующего наполнителя используются стеклянные (СВ), углеродные (УВ) и органические (ОВ). Они могут быть в форме тканей, однонаправленных лент и матов на основе рубленых волокон. Ткани и однонаправленные ленты могут принимать в листе любую схему ориентации и композиционные материалы на их основе обладают высокими физико-механическими свойствами. Однако в настоящее время такие листовые материалы редко применяются для переработки штамповкой. Это объясняется тем, что при температуре переработки штамповкой способность к вытяжке листа определяется деформационными свойствами армирующего наполнителя. Непрерывные нити при растяжении удлиняются незначительно, что приводит к их разрыву при значительном давлении формования и разрушение листа еще на стадии производства. Исключение составляют листы, армированные тканями трикотажного плетения, способные деформироваться во всех направлениях на величину не менее 50-250% своей начальной площади. Наиболее широкое применение в практике штамповки изделий из армированных листовых термопластов находят листовые материалы, армированные стеклянными матами на основе рубленых волокон. В качестве примера можно привести промышленные листовые материалы марок AZDEL, STX, PP-GM. В листовых материалах такого типа волокна имеет длину (1,25-12,0)·10² м и располагаются хаотично в плоскости листа, объемное содержание волокна не превышает 40%. Низкая стоимость, хорошие деформационные и физико-механические свойства этих материалов способствует их широкому распространению в машиностроительных отраслях. Особый интерес проявляется к созданию штампуемых органопластиков на основе арамидных волокон Kevlar-49 и перспективных матриц J-2 и ПЭЭК. Это связано с потребностью в легких, прочных, радиопрозрачных оболочках в авиакосмической промышленности. Предпринимаются попытки создать листовые штампуемые материалы на основе рубленых волокон с длиной 0,25-15,2 см и по свойствам приближающимся к однонаправленным лентам [8].

Должное внимание надо уделять и природе наполнителя, так как, например, введение минерального наполнителя снижает коэффициент температуропроводности. Введение органического волокна в качестве наполнителя приближает суммарную температуропроводность к значению, характерному для чистой полимерной матрицы, что увеличивает время цикла формования.

Основными технологическими параметрами, определяющими пригодность армированного термопласта к формированию штамповкой, являются интервал температуры формования и степень вытяжки материала.

Армированные листовые термопласты, нагретые до температуры плавления полимерной матрицы, частично теряют монолитность, что в свою очередь ухудшает физико-механические свойства. После деформации такого листа требуется дополнительное давление (0.01 – 4 МПа) в течение 1 – 20 мин для окончательной монолитизации материала и достижение требуемых физико-механических свойств. Дополнительная монолитизация особенно важна для термопластов, армированных матами на основе рубленых волокон. Деформация с вытяжкой таких материалов идет за счет растяжения хаотичной структуры армирующего наполнителя, что приводит к значительной потере монолитности материала. Поэтому требуется высокая температура, давление и значительное время цикла для повторной монолитизации [8].

Штамповка листовых термопластов, армированных непрерывными нитями или тканями, идет преимущественно за счет выравнивания извитости, напряжения, возникающие при этом в листе малы. Уровень нарушения монолитности в материале очень мал и отсутствует необходимость в повторной монолитизации.

Изделия высокого качества получаются в том случае, когда волокна ориентируются в определенном направлении в соответствии с требуемыми свойствами. Для листовых термопластов армированных непрерывными волокнами перераспределение волокон связанно с увеличением или уменьшением поверхности листа за счет изменения кривизны плоской заготовки.

Понятие монолитности листа заготовки из армированного термопласта предполагает сплошность системы компонентов, отсутствие нарушения связи на границе раздела фаз при деформировании компаунда.

Особенностью листовой заготовки на основе термопласта является то, что степень вытяжки заранее известна и деформирование листа не доводится до разрушения армирующего волокна, а прекращается тогда когда полностью или частично исчерпывается заложенный на стадии ткачества извитость и волокно выпрямляется.

Относительное удлинение волокнистой структуры, ε_a связанно с двухосной вытяжкой листа δ₁₂ следующим соотношением:

ε_a=( δ₁₂ - 1) ·100%

В процессе штамповки волокно и термопластичная матрица деформируется совместно, поэтому для сохранения монолитности листа необходимо, чтобы деформация матрицы ε_м была больше деформации армирующего волокна ε_a. Тогда получаем условие монолитности листовой заготовки по деформационному критерию.

ε_м>( δ₁₂ - 1) ·100%

Величину двухосной вытяжки можно определить как произведение степени вытяжки в продольном δ₁ и поперечном δ₂ направлении листа, т.е. δ₁₂=δ₁·δ_2. Эту же величину можно представить как увеличение площади материала, выраженное через относительное утонение листа:

δ₁₂=d₀/d

где: δ₁₂ – двухоосная вытяжка листа: d₀ -начальная толщина: d -толщина листа после вытяжки [8].