Выбор и обоснование материала для изготовления панели брызговика
|
Введение 3
1. Анализ предметной области 7
1.1 Анализ полимерных материалов, применяемых в автомобиле 7
1.2 Анализ конструкции детали 9
1.3 Проектирование деталей из пластмасс, применяемых в автомобиле..12
1.4 Анализ технологий изготовления изделий полимерных материалов...16
1.5 Патентный поиск 29
2. Материалы и методы исследования 38
2.1 Исследуемые материалы 38
2.2 Методы исследований 42
2.3 Статистическая обработка 48
3. Выбор и обоснование материала 54
3.1 Выбор материала 54
3.2 Выбор технологии изготовления 65
3.3 Определение физико-механических характеристик ПЭВП разных марок 67
Выводы 75
Список литературы
1. Анализ предметной области 7
1.1 Анализ полимерных материалов, применяемых в автомобиле 7
1.2 Анализ конструкции детали 9
1.3 Проектирование деталей из пластмасс, применяемых в автомобиле..12
1.4 Анализ технологий изготовления изделий полимерных материалов...16
1.5 Патентный поиск 29
2. Материалы и методы исследования 38
2.1 Исследуемые материалы 38
2.2 Методы исследований 42
2.3 Статистическая обработка 48
3. Выбор и обоснование материала 54
3.1 Выбор материала 54
3.2 Выбор технологии изготовления 65
3.3 Определение физико-механических характеристик ПЭВП разных марок 67
Выводы 75
Список литературы
Пластмассы являются высокоэффективными в технологическом, потребительском и экономическом плане материалами. Пластмассы способны совмещать в одном материале несколько полезных свойств. Например, конструкционную прочность на уровне металлов и минимальную плотность, коррозионную стойкость и высокие теплоизоляционные показатели, экологическое совершенство и декоративность, универсальность применения и соответствие современным требованиям технической эстетики.
Вследствие множественных особенностей пластмассы получили широкое распространение и эффективно используются практически во всех отраслях глобальной техногенной системы [1].
Особое место занимают полимерные материалы, применяемые в автомобилестроении. В настоящее время перспективы развития автомобилестроения неразрывно связаны с разработкой и широким внедрением изделий из полимерных материалов, отличающихся малой массой, низкой стоимостью, высокой коррозионной стойкостью, возможностью эксплуатации в широком температурном диапазоне, ремонтопригодностью и высокими эстетическими качествами.
Выбор полимерного материала для производства автокомпонентов является сложным многофакторным процессом, включающим не только инженерную, но и экономическую, организационно-производственную, материаловедческую, технологическую, дизайнерскую, эксплуатационную и другие оценки, определяющие конкурентную эффективность и качество готовой продукции.
Несомненно, ключевой оценкой является инженерная, определяющая саму возможность применения конкретного полимерного материала в определенном изделии, применяемом в автомобиле [2].
Полимерные материалы в качестве конструкционных материалов начали применяться значительно позднее традиционных керамики, металлов и их сплавов, и поэтому принципы инженерных расчетов и приемы конструирования оказались базовыми и для аналогичных действий в отношении пластмассовых деталей, изделий и конструкций. Применяемые подходы к конструированию базируются на основной материаловедческой особенности изделий из металлов, заключающейся в практической неизменности их основных свойств в функции времени и принятых условий нагружения в диапазоне наиболее распространенных температур (от -50 до +200 °С). Такими основными свойствами являются прочность, деформативность и твердость. Именно эти критериальные характеристики металлов закладываются в инженерные расчеты в виде значений пределов прочности (опч), относительной деформации при растяжении (s), модуля упругости (Е) и коррелированной им твердости (Н). Особенности эксплуатации металлического изделия приближенно учитываются в виде эмпирических коэффициентов: запаса прочности (n), коэффициента влияния циклической нагрузки и ее возможной неравномерности (г), поправок, компенсирующих воздействие теплового поля, агрессивности окружающей среды. При выборе марки традиционного машиностроительного материала его доминантные характеристики принимаются за квазипостоянные величины, поскольку являются таковыми. Табличные значения любой машиноподелочной конструкционной стали достаточно для главных инженерных действий.
Сохранение металлом своих свойств в процессе эксплуатации (без учета термохимических процессов) приводит, в частности, к тому, что возможное изменение реакции материала в период эксплуатации, зависящее от конструкции соединения, геометрии и кинематики сопряжения, особенностей воздействия нагружающих усилий во внимание практически не принимается в процессе его проектирования и изготовления.
Пластмассы, как материалы на основе органических длинноцепных полимеров, по своему поведению сложнее традиционных металлов и тем более керамики. Их работоспособность с течением времени может
существенно изменяться в результате комплекса причин, определяемые полимерными физико-химическими особенностями. Однако в настоящее время полимерные материалы продолжают оцениваться преимущественно традиционными конструкторскими параметрами «прочность, жесткость, теплостойкость» без учета особенностей физико-химической организации пластмасс, их релаксационного поведения, реакции на тепловое воздействие, изменение физико-механических свойств, вызванное старением и усталостью, а также влияния технологической переработки [2-4].
Причинами неудачных конструкций из полимерных материалов являются недостаточная и неполная оценка свойств и конкретных инженерных условиях их эксплуатации.
Выбор полимерного материала должен быть выполнен на основе комплексного подхода, учитывающего физико-химические особенности материалов, их релаксационное поведение, реакцию на тепловое воздействие, изменение свойств, вызванное старением и усталостью, учитывают также влияние технологии переработки. [17]
Правильный выбор материала для того или иного конкретного приложения представляется одной из основных задач для конструктора изделий из пластмасс. В настоящее время проектировщик имеет перед собой широкий набор полимеров и различных марок одного и того же материала. Однако многие специалисты испытывают затруднения по оптимальному выбору необходимого материала в связи с отсутствием базы данных отечественных полимерных материалов, а также соотнесение свойств с импортными аналогами. Трудности выбора усугубляются тем, что имеющиеся данные могут оказаться недостаточными для понимания поведения полимера, поскольку результаты испытаний и исследований полимеров, выполненных производителями материала, далеко не всегда получены в общепринятых условиях. В настоящее время отсутствует единая система стандартизации в отношении типа испытываемых образцов, их геометрической формы и методики испытания, очень часто не учитываются изменения свойств, вызванные технология изготовления изделия. Все это приводит к тому, что анализ различных материалов становится исключительно трудной задачей.
В процессе переработки полимерный материал находится в суровых физических условиях: на него воздействуют высокие температуры, большие давления, высокие скорости деформации. Довольно часто получается так, что с целью высокой производительности переработчики неправильно выбирают технологический режим, что приводит к тому, что на стадии сборки изделие катастрофически разрушается. На этой стадии также необходимо знание поведения полимерных материалов, чтобы избежать неожиданных проблем, а также методов контроля качества готовой продукции. Примером может являться переработка полифениленсульфида, являющегося полукристаллическим полимером. Недостаточное время стадии охлаждения после формования изделия приводит к тому, что полимер имеет аморфную структуру. В процессе эксплуатации при температурах, превышающих комнатную, происходит изменение геометрии изделия.
Потребитель также должен понимать свойства полимерных материалов в отношении правильного использования материала, и при этом должен быть уверенным, что выбранный материал отвечает желаемым условиям применения изделия. Изделия из пластмасс часто выходят из строя из-за умышленного или неумышленного неверного применения
Целью работы является выбор и обоснование полимерного материала для изготовления детали «панель брызговика»
Для достижения цели в работе были решены следующие задачи:
- анализ предметной области;
-изучены требования к детали;
-проведен сравнительный анализ полимерных материалов и выбран по физико-механическим показателям материала для панели брызговика.
Вследствие множественных особенностей пластмассы получили широкое распространение и эффективно используются практически во всех отраслях глобальной техногенной системы [1].
Особое место занимают полимерные материалы, применяемые в автомобилестроении. В настоящее время перспективы развития автомобилестроения неразрывно связаны с разработкой и широким внедрением изделий из полимерных материалов, отличающихся малой массой, низкой стоимостью, высокой коррозионной стойкостью, возможностью эксплуатации в широком температурном диапазоне, ремонтопригодностью и высокими эстетическими качествами.
Выбор полимерного материала для производства автокомпонентов является сложным многофакторным процессом, включающим не только инженерную, но и экономическую, организационно-производственную, материаловедческую, технологическую, дизайнерскую, эксплуатационную и другие оценки, определяющие конкурентную эффективность и качество готовой продукции.
Несомненно, ключевой оценкой является инженерная, определяющая саму возможность применения конкретного полимерного материала в определенном изделии, применяемом в автомобиле [2].
Полимерные материалы в качестве конструкционных материалов начали применяться значительно позднее традиционных керамики, металлов и их сплавов, и поэтому принципы инженерных расчетов и приемы конструирования оказались базовыми и для аналогичных действий в отношении пластмассовых деталей, изделий и конструкций. Применяемые подходы к конструированию базируются на основной материаловедческой особенности изделий из металлов, заключающейся в практической неизменности их основных свойств в функции времени и принятых условий нагружения в диапазоне наиболее распространенных температур (от -50 до +200 °С). Такими основными свойствами являются прочность, деформативность и твердость. Именно эти критериальные характеристики металлов закладываются в инженерные расчеты в виде значений пределов прочности (опч), относительной деформации при растяжении (s), модуля упругости (Е) и коррелированной им твердости (Н). Особенности эксплуатации металлического изделия приближенно учитываются в виде эмпирических коэффициентов: запаса прочности (n), коэффициента влияния циклической нагрузки и ее возможной неравномерности (г), поправок, компенсирующих воздействие теплового поля, агрессивности окружающей среды. При выборе марки традиционного машиностроительного материала его доминантные характеристики принимаются за квазипостоянные величины, поскольку являются таковыми. Табличные значения любой машиноподелочной конструкционной стали достаточно для главных инженерных действий.
Сохранение металлом своих свойств в процессе эксплуатации (без учета термохимических процессов) приводит, в частности, к тому, что возможное изменение реакции материала в период эксплуатации, зависящее от конструкции соединения, геометрии и кинематики сопряжения, особенностей воздействия нагружающих усилий во внимание практически не принимается в процессе его проектирования и изготовления.
Пластмассы, как материалы на основе органических длинноцепных полимеров, по своему поведению сложнее традиционных металлов и тем более керамики. Их работоспособность с течением времени может
существенно изменяться в результате комплекса причин, определяемые полимерными физико-химическими особенностями. Однако в настоящее время полимерные материалы продолжают оцениваться преимущественно традиционными конструкторскими параметрами «прочность, жесткость, теплостойкость» без учета особенностей физико-химической организации пластмасс, их релаксационного поведения, реакции на тепловое воздействие, изменение физико-механических свойств, вызванное старением и усталостью, а также влияния технологической переработки [2-4].
Причинами неудачных конструкций из полимерных материалов являются недостаточная и неполная оценка свойств и конкретных инженерных условиях их эксплуатации.
Выбор полимерного материала должен быть выполнен на основе комплексного подхода, учитывающего физико-химические особенности материалов, их релаксационное поведение, реакцию на тепловое воздействие, изменение свойств, вызванное старением и усталостью, учитывают также влияние технологии переработки. [17]
Правильный выбор материала для того или иного конкретного приложения представляется одной из основных задач для конструктора изделий из пластмасс. В настоящее время проектировщик имеет перед собой широкий набор полимеров и различных марок одного и того же материала. Однако многие специалисты испытывают затруднения по оптимальному выбору необходимого материала в связи с отсутствием базы данных отечественных полимерных материалов, а также соотнесение свойств с импортными аналогами. Трудности выбора усугубляются тем, что имеющиеся данные могут оказаться недостаточными для понимания поведения полимера, поскольку результаты испытаний и исследований полимеров, выполненных производителями материала, далеко не всегда получены в общепринятых условиях. В настоящее время отсутствует единая система стандартизации в отношении типа испытываемых образцов, их геометрической формы и методики испытания, очень часто не учитываются изменения свойств, вызванные технология изготовления изделия. Все это приводит к тому, что анализ различных материалов становится исключительно трудной задачей.
В процессе переработки полимерный материал находится в суровых физических условиях: на него воздействуют высокие температуры, большие давления, высокие скорости деформации. Довольно часто получается так, что с целью высокой производительности переработчики неправильно выбирают технологический режим, что приводит к тому, что на стадии сборки изделие катастрофически разрушается. На этой стадии также необходимо знание поведения полимерных материалов, чтобы избежать неожиданных проблем, а также методов контроля качества готовой продукции. Примером может являться переработка полифениленсульфида, являющегося полукристаллическим полимером. Недостаточное время стадии охлаждения после формования изделия приводит к тому, что полимер имеет аморфную структуру. В процессе эксплуатации при температурах, превышающих комнатную, происходит изменение геометрии изделия.
Потребитель также должен понимать свойства полимерных материалов в отношении правильного использования материала, и при этом должен быть уверенным, что выбранный материал отвечает желаемым условиям применения изделия. Изделия из пластмасс часто выходят из строя из-за умышленного или неумышленного неверного применения
Целью работы является выбор и обоснование полимерного материала для изготовления детали «панель брызговика»
Для достижения цели в работе были решены следующие задачи:
- анализ предметной области;
-изучены требования к детали;
-проведен сравнительный анализ полимерных материалов и выбран по физико-механическим показателям материала для панели брызговика.
1. По методу аналогий выбран полимерный материал для изготовления детали с обозначением 54901-8403313Брызговик переднего крыла задний левый.
2. По результатам анализа данных о свойствах и эксплуатационных характеристиках наиболее подходящим материалом является полиэтилен высокой плотности (полиэтилен низкого давления).
3. Оптимальным режимом переработки выбранной марки полиэтилена высокой плотности (полиэтилена низкого давления) средней вязкости является литье под давлением.
4. Определены оптимальные технологические режимы переработки полиэтилена высокой плотности: температура расплава- 230±10 0С, температура формы- 50±5 0С, удельное давление- 90±10 МПа; с предварительной сушкой сырья при 85±50С в течение 0,5-1 часа.
5. Проведены физико-механические испытания образцов полиэтилена высокой плотности различных марок по показателям:предел текучести при растяжении,плотность, твердость по ШоруЭ, теплостойкость при 90°С в течение 6 часов, морозостойкость при минус 60°С в течение 6 часов.
6. Испытанные образцы полиэтилена марок Полиэтилен 273-79 черный ГОСТ16338 и листовой полиэтилен низкого давления (ПНД) являются экструзионными марками полиэтилена. Экструзионные марки полиэтилена высокой плотности можно применять для изготовления детали методом термоформования из листов полиэтилена. Применение данной марки полиэтилена с показателем текучести расплава 0,30-0,55г/10 мин для литья под давлением может привести к неоптимальному подбору технологических режимов литья и, соответственно, не гарантированному длительному сроку службы без образования дефектов.
7. Таким образом, наиболее предпочтительным методом переработки для изготовления детали 54901-8403313/05Брызговик переднего крыла задний левый является литье под давлением с применением базового полиэтилена высокой плотности литьевой марки средней вязкости ПНД 276-73 черный ГОСТ 16338. Применение данной марки позволит снизить технологические напряжения детали и в последующем эксплуатировать деталь без образования дефектов.
2. По результатам анализа данных о свойствах и эксплуатационных характеристиках наиболее подходящим материалом является полиэтилен высокой плотности (полиэтилен низкого давления).
3. Оптимальным режимом переработки выбранной марки полиэтилена высокой плотности (полиэтилена низкого давления) средней вязкости является литье под давлением.
4. Определены оптимальные технологические режимы переработки полиэтилена высокой плотности: температура расплава- 230±10 0С, температура формы- 50±5 0С, удельное давление- 90±10 МПа; с предварительной сушкой сырья при 85±50С в течение 0,5-1 часа.
5. Проведены физико-механические испытания образцов полиэтилена высокой плотности различных марок по показателям:предел текучести при растяжении,плотность, твердость по ШоруЭ, теплостойкость при 90°С в течение 6 часов, морозостойкость при минус 60°С в течение 6 часов.
6. Испытанные образцы полиэтилена марок Полиэтилен 273-79 черный ГОСТ16338 и листовой полиэтилен низкого давления (ПНД) являются экструзионными марками полиэтилена. Экструзионные марки полиэтилена высокой плотности можно применять для изготовления детали методом термоформования из листов полиэтилена. Применение данной марки полиэтилена с показателем текучести расплава 0,30-0,55г/10 мин для литья под давлением может привести к неоптимальному подбору технологических режимов литья и, соответственно, не гарантированному длительному сроку службы без образования дефектов.
7. Таким образом, наиболее предпочтительным методом переработки для изготовления детали 54901-8403313/05Брызговик переднего крыла задний левый является литье под давлением с применением базового полиэтилена высокой плотности литьевой марки средней вязкости ПНД 276-73 черный ГОСТ 16338. Применение данной марки позволит снизить технологические напряжения детали и в последующем эксплуатировать деталь без образования дефектов.