Коэффициент линейного расширения фторопласта и зазоры во втулках

Цифра «КЛТР фторопласта 12·10⁻⁵» из справочника годится для прикидки, но в узле с перепадом температур ошибка может быть в разы. Проблема в том, что расширение PTFE нелинейно: в одних интервалах оно вдвое больше, чем в других, а при комнатной температуре проходит через пик. Поэтому для фторопласта удлинение считают по участкам и складывают.

ГОСТ 10007-80 даёт коэффициент по восьми интервалам

В ГОСТ 10007-80 коэффициент расширения приведён в справочном приложении 1, вне норм, и записан восемью строками от −60 до +280 °C (текст стандарта). Две цифры в одной строке означают, что внутри этого участка коэффициент плавно переходит от первого значения ко второму.

Пик 25·10⁻⁵ приходится на область около +20 °C. Там у кристаллической части PTFE перестраивается решётка, и объём растёт скачком. Второй подъём выше +200 °C связан с приближением к плавлению кристаллов при 327 °C. Почему верхнюю рабочую границу ставят на 260 °C и что происходит с материалом у этой отметки, разобрано для температуры фторопласта отдельно.

Удлинение складывают по участкам, а не умножают на одно число

Расчёт простой: для каждого интервала берут средний коэффициент, умножают на ширину интервала и складывают проценты. Для участков с меняющимся коэффициентом в примере взята середина, то есть (8 + 25) / 2 = 16,5 и (25 + 11) / 2 = 18·10⁻⁵.

Пример: удлинение от 20 до 120 °C. Участок 20–50 °C даёт 18·10⁻⁵ × 30 = 0,54 %, участок 50–110 °C даёт 11·10⁻⁵ × 60 = 0,66 %, участок 110–120 °C даёт 13·10⁻⁵ × 10 = 0,13 %. Итого 1,33 %. Средний коэффициент на всём интервале получается 13,3·10⁻⁵, и это совпадает с паспортами заготовок, где для 23–100 °C указывают около 13·10⁻⁵ 1/K (паспорт PTFE).

Схема показывает итог такого суммирования для отрезка 1000 мм, отсчёт от 20 °C. При −60 °C длина меньше на 9,0 мм, при −10 °C на 5,0 мм. При +50 °C больше на 5,4 мм, при +100 °C на 10,9 мм, при +150 °C на 17,8 мм, при +200 °C на 25,3 мм, при +260 °C на 37,6 мм. Числа получены по серединам интервалов приложения 1 и служат ориентиром для марок общего назначения.

Почему коэффициент расширения фторопласта не постоянен?

Коэффициент линейного расширения фторопласта зависит от температуры сильнее, чем у металлов и большинства пластиков: на морозе ниже −10 °C он около 8·10⁻⁵ 1/°C, при комнатной температуре проходит пик 25·10⁻⁵, в рабочем диапазоне 50–110 °C держится около 11·10⁻⁵, а к 200 °C растёт до 15·10⁻⁵. Если нужно одно число для прикидки от 20 до 120 °C, берут 13·10⁻⁵ 1/°C.

Замок разрезного кольца считают по длине окружности

Разрезное кольцо удлиняется по окружности, и для него удобна та же таблица: π × D, умноженное на процент удлинения. Кольцо 100 мм при 120 °C прибавляет по окружности около 4,2 мм, кольцо 200 мм при 200 °C около 15,9 мм; стальной корпус за то же время прибавит примерно в 11–12 раз меньше. Как из этого получают зазор в замке поршневого кольца с учётом рабочего зазора и износа, показывает расчёт поршневых колец из PTFE.

На сколько удлиняется 1 метр фторопласта при нагреве?

Метр фторопласта Ф-4 при нагреве от 20 °C удлиняется примерно на 5,4 мм к 50 °C, на 10,9 мм к 100 °C, на 17,8 мм к 150 °C и на 25,3 мм к 200 °C. При охлаждении до −60 °C он укорачивается на 9 мм. Расчёт сделан по интервалам ГОСТ 10007-80 с серединой каждого участка, это ориентир для марок общего назначения.

Длинная лента и футеровка требуют компенсации

Направляющие ленты, полосы скольжения и вкладыши длиной больше полуметра ведут себя как метровая полоса на схеме. Лента 600 мм, зажатая в пазу без зазора, при нагреве до 100 °C должна удлиниться на 6,5 мм. Деваться ей некуда, и она выпучивается из паза. На морозе та же лента укорачивается, и между концами в пазу появляется щель.

Решения стандартные: оставить зазор по торцам на рабочую температуру, разрезать ленту на участки с зазорами, крепить так, чтобы один конец оставался свободным. Для деталей из листа большого размера то же правило касается отверстий под крепёж: их делают овальными вдоль длинной стороны.

Наполнитель снижает расширение на 15–20 %

У наполненных марок расширение ниже, но сравнивать их с чистым Ф-4 приходится по паспортам с одинаковым методом. В листе типичных свойств по ASTM D696 у чистого PTFE указано 7,5·10⁻⁵ дюйм/дюйм на °F, у PTFE с 25 % стекла 6,4, с 25 % углерода 6,0 (свойства PTFE). В пересчёте на градус Цельсия это около 13,5, 11,5 и 10,8·10⁻⁵ 1/°C, то есть наполнитель снижает расширение на 15–20 %, и всё равно оно примерно в 9–10 раз больше, чем у стали.

Единицы в паспортах американских изготовителей часто в дюймах на дюйм на градус Фаренгейта, и при сравнении их забывают умножить на 1,8. Тогда наполненный фторопласт кажется почти вдвое стабильнее, чем он есть. Для точной детали коэффициент берут из паспорта именно той марки, из которой её будут точить, и проверяют, в каких единицах и в каком интервале он указан.

Посадки и замеры зависят от температуры сборки

Переход около +20 °C бьёт по приёмке сильнее, чем по работе узла. Между 15 и 25 °C коэффициент близок к пиковому, и деталь длиной 100 мм теряет на этом отрезке около 0,2 мм. Если токарь мерил её в тёплом цехе, а ОТК на холодном складе, разница целиком уйдёт в «брак». Поэтому температура замера должна стоять в чертеже, а детали перед контролем выдерживают в помещении; отжиг и режимы, которые снимают ещё и внутренние напряжения, относятся к точению фторопласта.

Для втулок картина сложнее: корпус не даёт им расширяться наружу, и рост стенки уходит внутрь, к валу. Расчёт потери зазора для втулки отличается от расчёта кольца, его ведут по толщине стенки, как в разборе втулок из фторопласта.

Заявку на деталь с перепадом температур оценивают по светофору

Зелёный: чертёж уже учитывает расширение. На нём есть рабочая температура, температура замера, зазоры по торцам или размер замка, деталь короче 200 мм, перепад до 50–60 °C. Технолог проверяет расчёт и запускает по чертежу.

Жёлтый: температура указана, а зазоры и замки нет, или деталь длинная, или перепад больше 100 °C. Технолог считает удлинение по интервалам ГОСТ 10007-80 и предлагает в КП размер замка, зазоры по торцам или разрезку ленты. Эти размеры подписывают как предложение изготовителя и согласуют до точения.

Красный: криогенный узел, работа выше 200 °C под нагрузкой, кислород. Здесь коэффициент из справочника не основа для обещаний: нужны данные марки, расчёт конструктора узла и отдельная техническая оценка, без которой изготовитель размеры не гарантирует.

Данные для расчёта детали из фторопласта

Чтобы посчитать удлинение без лишних вопросов, к чертежу или образцу добавляют четыре сведения: при какой температуре деталь ставят, при какой работает, из чего сделаны соседние детали и как деталь закреплена, жёстко или с одним свободным концом. Наша компания изготавливает фторопластовые кольца и другие детали из фторопласта по чертежу и образцу, а чем чистый Ф-4 отличается от наполненных марок, видно на странице фторопласта PTFE.