ГОСТ 15173-70: коэффициент линейного расширения пластмасс

Коэффициент линейного расширения из паспорта пластмассы нужен для одного расчёта: насколько изменится зазор или натяг пластмассовой детали на стальной, когда узел нагреется или остынет.

ГОСТ 15173-70 действует и описывает средний коэффициент

По карточке стандарта ГОСТ 15173-70 «Пластмассы. Метод определения среднего коэффициента линейного теплового расширения» действует, введён с 1 июля 1970 года, в 1982 году изменён и соответствует СТ СЭВ 2899-81. Стандарт определяет коэффициент двумя способами: в минимальном интервале температур 10 °C с отнесением к средней температуре этого интервала и в установленном интервале, кратном 10 °C, с отнесением ко всему интервалу.

Вводная часть стандарта прямо называет метод приближённым. Он измеряет только тепловое расширение и не учитывает изменения размеров от влаги, доотверждения, потери пластификатора и снятия внутренних напряжений. Для детали все эти эффекты складываются, и для полиамида влага часто даёт больше, чем нагрев.

Два коэффициента одного материала не заменяют друг друга

Пункт 1.2 прямо оговаривает: в тех интервалах, где коэффициент меняется с температурой, коэффициент в минимальном интервале и средний по установленному интервалу как правило не совпадают, и замена одного другим не допускается. Первый характеризует поведение пластмассы около конкретной температуры, второй усредняет поведение по всему диапазону.

Для пластмасс это существенно, потому что коэффициент растёт с нагревом. В паспорте полиацеталя POM-C одного изготовителя приведено 110 · 10⁻⁶ °C⁻¹ для интервала 23–60 °C и 125 · 10⁻⁶ для 23–100 °C, у PET-P 60 и 80 · 10⁻⁶ для тех же интервалов. Разница между интервалами составляет 14–33 %, и её нельзя списывать на погрешность при расчёте посадки.

Образец длиной 50 мм греют не быстрее 1,5 °C в минуту

Образец имеет длину не меньше 50 мм, при разногласиях ровно 50 мм, круглое сечение диаметром 10 ± 0,5 мм или квадратное со стороной 7 ± 0,5 мм. В середине боковой поверхности сверлят отверстие диаметром 1 мм до оси под термопару. Из анизотропного листа образцы режут по главным осям, и коэффициент определяют для каждой оси; образцов не меньше трёх на партию и на ось.

Прибор держит одинаковую температуру по длине образца с погрешностью до 0,2 °C, передаёт удлинение через систему из материала с минимальным расширением, рекомендован плавленый кварц, и давит на образец не больше 29 кПа. Нагрев ведут не быстрее 1,5 °C/мин или ступенями с выдержкой до окончания удлинения. Длину образца перед испытанием измеряют при 23 ± 2 °C и влажности 50 ± 5 %.

Верхнюю границу интервала задаёт теплостойкость

Пункт 1.6 запрещает определять коэффициент выше температуры размягчения пластмассы по методу изгиба под нагрузкой, а внутри интервала прирост длины должен быть линейным. Это ограничение полезно перенести на расчёт детали: выше температуры изгиба под нагрузкой паспортный коэффициент уже не описывает поведение материала, и деталь начинает деформироваться под нагрузкой сильнее, чем расширяется.

Если образец при испытании дал усадку, его термообрабатывают при наибольшей температуре испытания не меньше пятикратного времени испытания и измеряют снова. При ступенчатом режиме расхождение при нагреве и обратном охлаждении не должно превышать 10 мкм на каждые 100 мкм удлинения. Для литых и точёных заготовок с внутренними напряжениями это правило показывает, почему первый нагрев детали иногда даёт остаточное изменение размера.

Что такое коэффициент линейного теплового расширения пластмассы?

Коэффициент линейного теплового расширения пластмассы по ГОСТ 15173-70 равен приросту длины образца при нагреве, делённому на исходную длину и на разность температур, в °C⁻¹. Средний коэффициент относят либо к интервалу 10 °C, либо к установленному интервалу, кратному 10 °C. У распространённых конструкционных пластмасс он в 5–17 раз больше, чем у стали, и растёт с температурой.

Пластмасса расширяется в разы сильнее стали

Значения пластмасс типичные для полуфабрикатов одного изготовителя. Для стали взят ориентир для конструкционных марок, точное значение зависит от марки. Даже самый «спокойный» из пластиков таблицы, PET-P, расширяется в пять–семь раз сильнее стальной оси, а СВМПЭ почти в семнадцать раз.

Натяг втулки и ролика считают по разнице коэффициентов

Пример: корпус стальной, в нём втулка из POM-C с наружным диаметром 60 мм, при пуске узел прогревается с 23 до 73 °C. Перепад 50 °C выходит за интервал 23–60 °C, поэтому берём паспортные 125 · 10⁻⁶ для интервала до 100 °C и вычитаем ориентир для стали 12 · 10⁻⁶. Свободная втулка выросла бы относительно корпуса на 60 · 113 · 10⁻⁶ · 50 ≈ 0,34 мм. Металл её не пускает, прирост превращается в дополнительное сжатие, и отверстие под вал становится меньше; при посадке с малым зазором вал на горячем узле может закусить.

Обратная ситуация на холоде. Ролик из полиацеталя, посаженный на стальную ось с натягом при 23 °C, при −30 °C сжимается сильнее оси: на посадочном диаметре 30 мм разница 30 · (110 − 12) · 10⁻⁶ · 53 ≈ 0,16 мм. Если натяг при сборке был меньше, ролик на морозе провернётся на оси. Здесь коэффициент интервала 23–60 °C применён к охлаждению условно, для оценки; точный расчёт требует данных изготовителя для минусовых температур.

Для фторопласта коэффициент ещё выше и сильно меняется около комнатной температуры, и зазоры втулок из него считают по своим данным: расширение фторопласта удобнее брать из отдельной таблицы по интервалам. У роликов из капролона к нагреву добавляется набухание от влаги, и оба изменения складывают.

Как учесть тепловое расширение при выборе материала для втулки?

Тепловое расширение при выборе материала для втулки учитывают так: из паспорта берут коэффициент пластмассы для рабочего интервала температур, вычитают коэффициент металла корпуса и умножают на посадочный диаметр и на перепад температур. Результат показывает, на сколько изменится натяг или зазор. Из распространённых пластиков меньше всего расширяется PET-P, около 60–80 · 10⁻⁶ °C⁻¹, больше всего СВМПЭ, около 200 · 10⁻⁶.

Протокол расширения проверяют по интервалу и режиму

Пункт 5.4 перечисляет состав протокола. Для расчёта детали важны четыре строки: пределы температур и режим испытания, способ изготовления и размеры образцов, термообработка, ось анизотропии для листовых материалов. Коэффициент без интервала температур для расчёта непригоден, а коэффициент поперёк оси экструзионного стержня может отличаться от продольного.

Паспорта зарубежных материалов чаще дают коэффициент по термомеханическому анализу по ASTM E831 или ISO 11359-2, иногда в дюймовых единицах, µin/in/°F. Один µin/in/°F равен 1,8 · 10⁻⁶ °C⁻¹, так что 50 µin/in/°F у литого полиамида соответствуют 90 · 10⁻⁶ °C⁻¹.

Посадку в узле с нагревом задают в КП вместе с температурой

Коэффициент из паспорта описывает свободный образец, а деталь сидит в корпусе, имеет остаточные напряжения после точения и может дать усадку при первом прогреве, как образец по пункту 3.6. Поэтому в КП на точёную деталь мы пишем материал, размеры при 23 °C и интервал температур, под который посчитан зазор, а поведение посадки на горячем или холодном узле без пробы не гарантируем. Для ответственного узла после первого прогрева меряют зазор и при необходимости корректируют размер следующей партии.

Для изготовления втулок и роликов из инженерных пластиков пришлите чертёж с посадками, материал корпуса и вала, минимальную и максимальную температуру узла и есть ли контакт с водой. По этим данным выбирают материал и рассчитывают размеры под механическую обработку с учётом расширения в рабочем интервале.