Втулки из фторопласта: наполнители, зазоры, ползучесть

Втулка из фторопласта работает как подшипник скольжения, направляющая или изолирующая проставка. Во всех трёх случаях размеры считают иначе, чем для металла: PTFE сильно расширяется при нагреве, медленно оседает под нагрузкой и почти не держит натяг. Наполнители ослабляют все три эффекта, но не убирают их, поэтому расчёт на коэффициентах чистого Ф-4 даёт для композиции оценку с запасом. Тот же узел иногда закрывают втулками на заказ из капролона или полиуретана, и сравнивать их с фторопластом удобно по этим трём эффектам.

Зазор бронзовой втулки закусывает вал при нагреве

Считаем удлинение для нагрева с 20 до 120 °C. Коэффициент Ф-4 по справочному приложению 1 к ГОСТ 10007-80 на этом отрезке не постоянен: 25 × 10⁻⁵ в начале снижается до 11 × 10⁻⁵ к 50 °C, остаётся таким до 110 °C и растёт до 15 × 10⁻⁵ к 120 °C. Средние по трём участкам дают в сумме около 1,3 %. У стали с ориентиром 1,2 × 10⁻⁵ на градус те же 100 °C дают 0,12 %.

Пример: втулка с отверстием 50 мм и наружным диаметром 60 мм запрессована в стальной корпус, вал стальной, нагрев с 20 до 120 °C.

Почему зазор съедает именно толщина стенки. Снаружи втулка заперта корпусом и расширяется вместе с его отверстием, а сама стенка толстеет на 1,33 % и уходит к валу. Из этого короткая формула: потеря зазора ≈ 2 × s × (α фторопласта − α стали) × ΔT, s здесь толщина стенки, α × ΔT удлинение на рабочем нагреве. При s = 5 мм выходит 2 × 5 × (1,33 % − 0,12 %) ≈ 0,12 мм, и диаметр отверстия на результат почти не влияет. Цифра занижена: стеснённый по окружности рост частично переходит в толщину, и на деле потеря бывает примерно в 1,4 раза больше, до 0,17 мм.

Тонкая стенка почти не сжимает отверстие

Тонкостенная втулка 50 × 55 мм со стенкой 2,5 мм по той же формуле теряет 2 × 2,5 × 1,21 % ≈ 0,06 мм. Корпус Ø55 раздаётся на 0,066 мм, стенка с двух сторон толстеет на те же 0,066 мм, и отверстие втулки почти не меняется: зазор здесь уходит главным образом на рост вала. С поправкой на стеснение потеря около 0,08 мм, вдвое меньше, чем 0,17 мм у стенки 5 мм.

На схеме те же цифры в микрометрах по нижней оценке: отверстие корпуса Ø60 растёт на 72 мкм, стенка 5 мм утолщается в сумме на 133 мкм, вал растёт на 60 мкм, итог 120 мкм; при стенке 2,5 мм итог 60 мкм, и почти весь он приходится на рост вала. Поэтому для горячих узлов фторопластовую втулку стараются делать тонкостенной, если это допускает корпус. Тонкая стенка лучше и для ползучести: оседание пропорционально толщине материала под нагрузкой, и у стенки 2,5 мм радиальная просадка вдвое меньше, чем у стенки 5 мм при той же деформации.

Сборочный зазор при 20 °C тогда считают как сумму потери зазора на рабочей температуре и зазора, который должен остаться на горячем узле. Если в нашем примере горячему узлу нужно 0,10 мм, толстостенная втулка требует при сборке 0,22–0,27 мм, тонкостенная 0,16–0,19 мм: нижняя цифра по формуле, верхняя с поправкой на стеснение стенки. Цифры условные, для другого диаметра и температуры их пересчитывают тем же способом.

На холоде втулка теряет натяг в корпусе

Охлаждение даёт обратный эффект. По тем же интервалам приложения 1 при охлаждении с 20 до −40 °C Ф-4 укорачивается примерно на 0,7 %, сталь примерно на 0,07 %. Наружный диаметр 60 мм свободной втулки уменьшился бы на 0,44 мм, корпус только на 0,04 мм. Натяг запрессовки в несколько десятых миллиметра на морозе исчезает, и втулка начинает проворачиваться вместе с валом.

Вдоль оси втулка растёт на те же 1,3 % при нагреве до 120 °C: длина 40 мм прибавляет около 0,5 мм. Если втулка зажата между торцами корпуса и крышки без осевого зазора, она выпучивается внутрь и сжимает вал по краям. Для узлов с перепадом температур осевой зазор и способ фиксации указывают на чертеже, иначе изготовитель выточит втулку точно в размер, а клинить она будет на месте.

Давление на втулку считают по проекции отверстия

Ползучесть, или хладотекучесть, зависит от удельного давления. Для подшипника скольжения его считают по проекции: радиальная нагрузка делится на произведение диаметра отверстия на длину втулки. Пример: нагрузка 3 000 Н, отверстие 50 мм, длина 40 мм, давление 3 000 / (50 × 40) = 1,5 МПа.

С чем сравнивать это число, зависит от марки. В справочном приложении ГОСТ 10007-80 для Ф-4 указано разрушающее напряжение при сжатии 11,8 МПа, но ползучесть начинается задолго до разрушения, особенно при нагреве. Допустимое длительное давление и произведение давления на скорость скольжения берут из паспорта конкретной марки заготовки; если их нет, расчёт заканчивается пробной партией. Оседание под постоянной нагрузкой называют хладотекучестью фторопласта, и для втулки из неё следует одно: длину увеличивают раньше, чем меняют марку, потому что давление падает пропорционально длине.

Для подшипника скольжения чистый Ф-4 подходит редко

Чистый Ф-4 оставляют для изолирующих втулок, направляющих без нагрузки и деталей в среде, где любой наполнитель разрушится. Для вращения и возвратного хода под нагрузкой берут композицию. Обозначения марок фторопласта читают по своим правилам, а для наполненного фторопласта наполнитель подбирают под среду.

Для втулок решающим оказывается не только наполнитель, но и вал. Стекловолокно повышает сопротивление ползучести и износостойкость PTFE. Зато стеклонаполненная втулка изнашивает мягкий вал, и под неё нужна закалённая или хромированная шейка. Кокс и углеродное волокно мягче к валу, бронза лучше отводит тепло в масле. Если узел решается между пластиками, выбор идёт между капролоном и фторопластом для втулок.

Втулку фиксируют упором, потому что натяг слабеет

Фторопласт под постоянным напряжением со временем релаксирует, и натяг запрессовки медленно падает даже без перепада температур. Обычные клеи к PTFE не пристают без специальной подготовки поверхности. Поэтому надёжнее держать втулку геометрией, чем натягом.

Запрессовка тоже отнимает зазор: тонкая стенка передаёт натяг в отверстие почти целиком. На чертеже поэтому пишут, к какому состоянию относится размер отверстия, до запрессовки или после. Без этой отметки изготовитель выточит отверстие по номиналу, и при сборке вал не войдёт.

Ресурс втулки подтверждают пробной партией

Что изготовитель может гарантировать, так это размеры по чертежу и марку заготовки по документу. Срок службы втулки зависит от вала, скорости, температуры, грязи и смазки, и без испытаний на узле его не обещают. Для новой втулки из фторопласта разумный порядок такой: две-четыре штуки пробной партии, замер отверстия и наружного диаметра до установки, повторный замер после оговорённого времени работы. Износ на диаметр за этот срок даёт реальную картину, и следующую партию уже заказывают с поправкой.

Результаты пробы стоит сохранить в карточке изделия: марку, размеры, условия, износ. При повторном заказе по тому же артикулу втулку делают без нового расчёта, а если условия узла поменялись, видно, от чего отталкиваться.

Данные для расчёта втулки собирают по узлу

Чтобы посчитать зазор и выбрать марку с первого раза, нужны такие сведения:

• отверстие и наружный диаметр, длина, наличие бурта, чертёж или эскиз;
• диаметр и материал вала, твёрдость или покрытие шейки;
• материал корпуса и способ фиксации втулки;
• рабочая температура, минимальная и максимальная, и перепады;
• радиальная нагрузка, скорость вращения или хода, режим работы;
• среда: сухо, масло, вода, химия;
• количество сейчас и расход в год.

Если нет чертежа, а есть изношенная втулка, по ней можно снять размеры, но по изношенному отверстию рабочий зазор не восстановить. Его считают заново от диаметра вала.

Короткие ответы о втулках из фторопласта

Насколько расширяется фторопласт при нагреве?

Фторопласт-4 при нагреве расширяется примерно в десять раз сильнее стали. С 20 до 120 °C деталь из Ф-4 удлиняется примерно на 1,3 %, стальная около 0,12 %, и втулка длиной 40 мм прибавляет около 0,5 мм. Коэффициент берут по интервалам справочного приложения ГОСТ 10007-80: 11 × 10⁻⁵ на градус от 50 до 110 °C, 15 × 10⁻⁵ от 120 до 200 °C, у комнатной температуры он меняется скачком. Для втулки в корпусе потерю зазора задаёт удвоенная толщина стенки, умноженная на разницу удлинений пластика и стали.

Какой зазор нужен втулке из фторопласта?

Зазор втулки из фторопласта считают от рабочей температуры и толщины стенки. В примере с нагревом до 120 °C втулка 50 × 60 мм в стальном корпусе теряет 0,12–0,17 мм диаметрального зазора, втулка 50 × 55 мм 0,06–0,08 мм. К этой потере добавляют зазор, нужный горячему узлу. Для другой температуры и диаметра расчёт повторяют по коэффициентам ГОСТ 10007-80 или паспорта марки.

Почему втулка из фторопласта разбивается под нагрузкой?

Втулка из чистого фторопласта разбивается под нагрузкой из-за ползучести: Ф-4 медленно оседает даже при давлении намного ниже разрушающего, а нагрев ускоряет процесс. Давление считают как нагрузку, делённую на диаметр отверстия и длину втулки. Помогают удлинение втулки, тонкая стенка в жёстком корпусе и композиция с наполнителем, например стекловолокном, коксом или углеродным волокном.

Что приложить к заявке на втулки

Наша компания производит детали из фторопласта токарной обработкой из стержней и трубных заготовок Ф-4 и композиций. Под тот же вал делают и втулки по чертежу из капролона или полиуретана, если фторопласт не проходит по нагрузке. Снятие размеров и чертёж по образцу делаем бесплатно при заказе от 9 000 ₽ с НДС. Ориентир по странице цен: втулка вала мешалки из Ф-4К20 точением, партия 6 штук, около 1 600 ₽ за штуку, ориентировочно, с НДС, точная цена в КП.

К заявке полезно приложить температуру узла и материал вала. Без этих двух строк отверстие придётся считать по комнатной температуре, и это предположение будет записано в КП отдельно, чтобы при пуске не искать, откуда взялся зазор.