CC BY
82
S. V. Morozov, S. P. Eresko, L. A. Alifanov
STRUCTURAL ASSESSMENT OF STEEL STRUCTURES WITH SHAPE DEFECTS
The basic statistical rules and distribution laws associated with girder members shape defects are described. The necessity of statistical information generalization to improve calculation procedures of axially loaded members structural evaluation is demonstrated. The improv method of compression bars calculation is discussed.
УЦК 621.923.9
Л. В. Зверинцева
ИНСТРУМЕНТ ДЛЯ АБРАЗИВНОГО ПОЛИРОВАНИЯ ВНУТРЕННЕЙ ПОВЕРХНОСТИ ВОЛНОВОДОВ КОСМИЧЕСКИХ АППАРАТОВ
Описан способ получения эластичного инструмента для отделки токонесущей поверхности волноводов прямоугольного профиля для передающих систем.
Волноводы с различными сечениями служат направляющими системами для передачи энергии от передатчика в передающую антенну и от приемной антенны к радиопередатчику. Наличие потерь в линии передач СВЧ-энергии при передаче высоких и средних мощностей приводит к разогреву линии, а при передаче весьма малых мощностей собственные шумы линии, обусловленные потерями, становятся соизмеримыми с полезным сигналом. Токи СВЧ сосредоточены в поверхностных слоях проводника. Поэтому собственные потери устройств определяются свойствами поверхностного слоя металла, определяемого глубиной проникновения СВЧ-тока вследствие поверхностного эффекта. Потери энергии зависят от качества обработки рабочих поверхностей, т. е. от шероховатости поверхности. Значения глубины проникновения тока для алюминиевых сплавов на частоте 6Ггц составляет 1,1 мкм, на частоте 10 Ггц - 0,83 мкм. Если токонесущая поверхность волновода имеет параметр шероховатости Яа 2,5 мкм, то коэффициент затухания возрастает более чем в 1,8 раза, а при Я 0,4 мкм - в 1, 2 раза [1].
В настоящее время существует тенденция к увеличению частоты СВЧ-тока с целью уменьшения массы изделий и увеличения КПЦ передающих устройств. Требуемая шероховатость при увеличении частоты СВЧ-тока показана в таблице.
С увеличением частоты глубина проникновения СВЧ-тока уменьшается и становится соизмеримой с неровностями поверхности металла. Если глубина проникновения тока меньше глубины неровностей, путь тока удлиняется и, таким образом, величина неровностей увеличивает затухание (рис. 1).
Внутренняя поверхность волновода преимущественно имеет прямоугольный либо овальный профиль (рис. 2), поэтому инструмент для отделки внутренней поверхнос-
Требуемая шероховатость внутренней поверхности волноводов при частоте СВЧ-тока
Частота, ГГц 0,1...1 1.3 0 3 Свыше 10
¥ ероховатость Ra, мкм 1,6...1,25 0,80.0,40 0,40.0,20 0,100.0,025
ти волновода нельзя вращать, а, значит, обеспечение шероховатости внутри некруглого волновода менее 0,2 мкм в настоящее время затруднено.
Рис. 1. Влияние микронеровностей токонесущей поверхности на путь реальной поверхности
Рис. 2. Пример волноводной трубы прямоугольного профиля
В лаборатории отделочных методов обработки кафедры ТМС СибГАУ выполнены поисковые исследования методов абразивной отделки волноводов эластичным инструментом, на поверхности которого нанесены алмазные зерна. Многократное продольное перемещение этого инструмента внутри профиля предложено осуществлять жидкой рабочей средой под давлением в обе сторо-
ны заготовки, за счет чего, как показали предварительные эксперименты, достигается заданная шероховатость.
Преимущества эластичного инструмента заключается в том, что абразивные зерна при обработке, упруго перемещаясь внутрь основы, не образуют глубоких рисок на поверхности.
В качестве основы полирующего элемента предложено использовать полые с двух сторон полиуретановые стержни (рис. 3). Полости стержня выполнены в виде усеченной пирамиды и повторяют его наружный профиль, а на концах с обеих сторон имеют угол 40,5°, образуя эластичную уплотнительную острую кромку.
7
Рис. 3. Инструмент для абразивного полирования
Сравнительный анализ доступных для изготовления полиуретанов позволил выбрать необходимый материал
- композицию литьевого полиуретана СКУ-100, состоящую из синтетического каучука и куамина. Исследовались четыре метода получения инструмента из полиуретана: литье по выплавляемым моделям, в металлическую и гипсовую формы и резанием из блочного полиуретана.
Для литья по выплавляемым моделям была изготовлена прессформа (рис. 4) с тремя разными по длине боковыми крышками 4,5, 6, которые позволяют изготовить модель для инструмента длиной 60, 70и 80 мм.
Рис. 4. Прессформа для изготовления модели: 1 - корпус; 2 - крышка верхняя; 3, 4, 5 - сменные боковые крышки; 6 - боковая крышка
Подогретый до пастообразного состояния модельный состав (47,5 % парафина, 47,5 % стеарина и 5 % этилцел-люлозы) запрессовывали в форму. Для образования обо-
лочки модель погружали в суспензию, состоящую из гидролизованного раствора этилсиликата (связующее вещество SiO2и электрокорунды: F1000 - 30 %, F600 - 20 %, F280 - 50 %). Затем обсыпали электрокорундом (1 слой -электрокорунд F100, второй слой - электрокорунд F60, третий и последующий - электрокорунд F36). Каждый слой сушили 8 ч на воздухе. В результате на модели получена корочка - форма толщиной около 5 мм (рис. 5). Модельный состав расплавляется погружением в горячую воду, образуя форму, которая для увеличения прочностных свойств прогревается в печи при температуре 100 °С в течение одного часа.
На моделях были вырезаны канавки различной формы и размеров для придания будущему инструменту специальной геометрической формы и припаян литниковый стояк (рис. 6).
Рис. 5. Вид готовых форм для литья
б
Рис. 6. Стадии получения модели
Для литья в металлические формы спроектирована и изготовлена металлическая форма (рис. 7). Многочисленные опыты литья в такие формы показали, что необходимо изменить форму стержней, все рабочие поверхности полировать и хромировать, а для извлечения заготовки из корпуса по его длине применить три толкателя.
Для получения гипсовой формы использовались заготовки, аналогичные показанным на рис. 5, а. В пластмассовую форму диаметром 90 мм и высотой 60 мм залили раствор гипса, в который поместили модель, с тор-цев предварительно заполненную гипсовым раствором. После затвердевания формировали центральное литниковое отверстие Ш 8 и два наклонных отверстия - выпора Ш 1. Гипсовую форму отделили от пластмассовой. Модельный состав выплавляли в термошкафу при температуре свыше 80 ° (рис. 8).
А-А
Рис. 7. Чертеж формы для получения инструмента литьем в металлические формы: 1- крышка правая, 2 - корпус,
3 - крышка левая, 4 - крышка верхняя, 5 - стержни
Рис. 8. Вид гипсовой формы для литья полиуретанового инструмента
спроектирован и изготовлен специальный реактор (рис. 9). Взвешенное количество каучука заливается, нагревается до температуры 55 ± 5е и перемешивается в течение 30 мин в реакторе. Расплавленный куамин смешивается с каучуковой массой в течение 5 мин. Воздуходувка реактора позволяет перед соединением форполимеров снизить температуру каучуковой массы до 40 ± 5°, как требуется по технологическому процессу;
- смазка формы антиадгезионным составом;
- нагрев формы в термошкафу до 70.80°;
- загрузка готовой смеси в формы с использованием шприца (рис. 10);
- нагрев смеси в форме и выдержка при температуре 110.120 °С в течение 6 ч;
- разборка формы и извлечение заготовки;
- полимеризация изделий в течение 7 дней на воздухе.
Рис. 9. Реактор для смешения форполимеров
Четвертый метод получения инструмента - резанием из блочного полиуретана. Резку производили ленточной пилой со скоростью 400 м/мин, заготовку при этом поворачивали вокруг своей оси. Точение и растачивание осуществляли с применением резцов из быстрорежущей стали со скоростью 350 м/мин. Фрезеровали поверхности цельной фрезой с задним углом 10' и скоростью 600 м/мин в тисках.
Инструмент не получился из-за отсутствия опыта работы с полиуретаном. На заводах Красноярска применяют только готовые изделия или изготавливают их из гранулированного полиуретана в термопластавтоматах путем литья в специальные прессформы.
Для изготовления полиуретановых заготовок методом литья разработан технологический процесс, состоящий из следующих операций:
- смешение форполимера (синтетического каучука и отвердителя куамина). Попытки смешения полимера на воздухе не дали положительных результатов, поэтому
Рис. 10. Шприц для заливки жидкой композиции полиуретана в формы
Заготовки, полученные литьем в металлические формы, могут быть изготовлены только с гладкой поверхностью профиля по всей длине.
Практика показала, что из рассмотренных методов формирования заготовок с гладкой поверхностью наиболее простым является способ литья в металлические формы, а для получения заготовок с канавками различной формы и любым шагом (рис. 11) - литье в разовые гипсовые формы.
Закрепление алмазных зерен на рабочей поверхности инструмента осуществляли следующим образом [2; 3]. Сначала на рабочую поверхность кисточкой наносили слой жидкого каучука (~ 0,2 мм), а затем на него - слой алмазного зерна, слой жидкого каучука нанесением кисточкой и вновь слой алмазного зерна. После нанесения каждого слоя инструмент сушили в естественных условиях.
Для исследования режущей способности изготовленного инструмента, его износостойкости (ГОСТ 27674-88), проверки действия поверхностно-активного вещества на процесс обработки изготовлены образцы в количестве 8 штук из алюминиевого сплава АМгб с механически обработанной поверхностью с размерами 4,5 х 20 х 70, промаркированы и промыты в бензине «Галоша».
Рис. 11. Конструкции заготовок инструмента с канавками различной формы и шагом
Испытание проводилось следующим образом [3]: три образца подвергались сухой обработке пластиной из полиуретана с закрепленными алмазными зернами в два слоя, один образец - пластиной из полиуретана с закрепленными алмазными зернами в один слой, четыре образца той же пластиной из полиуретана с закрепленными алмазными зернами в два слоя с добавлением ПАВ [4] (состав: вода, гидроксид натрия, метилгидроксипро-пилцеллюлоза, диэтаноламид ТУ 2383-006-56669436-01).
Взвешивание образцов производилось до и после обработки на весах ВЛА -200г-М с точностью до 0,000 1 г. Измерение шероховатости - на профилографе 253.
В связи с отсутствием специальной машины [4] для проведения испытаний на износостойкость, был использован шлифовально-полировальный станок «Нерис» с прижимным устройством. На вращающийся круг была приклеена круглая пластина из полиуретана с закрепленными алмазными зернами. Последовательно три, один и четыре образца устанавливались одновременно в приспособление, обеспечивающее прижим образцов к вращающему кругу [5]. В течение 1 мин, а затем еще 1,5 мин проводилось полирование поверхности образцов на круге с постоянной скоростью, после чего образцы промывались, просушивались и повторно взвешивались.
Результаты исследования представлены на графиках (рис. 12, 13).
Анализируя полученные результаты испытаний по массе, можно сделать следующие выводы.
При трении в течение 1 и 2,5 мин на всех без исключения образцах наблюдается снижение массы. Наибольшая потеря массы у образцов при использовании пластины из полиуретана с закрепленными алмазными зернами в два слоя с применением ПАВ. Незначительное изменение массы при применении полиуретановой пластины с закрепленными алмазными зернами в один слой. Обильное применение ПАВ способствует увеличению съема слоя металла, но при этом изнашивается и засаливается притир.
Анализируя полученные результаты испытаний по шероховатости, можно сделать следующие выводы.
При трении в течение 1 и 2,5 мин на образцах наблюдается снижение шероховатости. При применении полиуретановой пластины с закрепленными алмазными зернами в один слой шероховатость снизилась с 1,310 0 до 0,283 0 мкм. При применении ПАВ в ограниченном количестве наблюдается снижение шероховатости с 0,042 4 до 0,011 8 мкм.
О4"
я
О
о
■я
й
и
К
к
и
ЇП
■и
Е
го
от времени истирания при использовании полиуретановой пластины: х - с алмазными зернами в один слой;
- с алмазными зернами в два слоя; - с алмазными зернами в два слоя с применением ПАВ
§ й Рн
(3
о
о
Е=
Щ
о М о а
■и'
0
О 0,5 1 1,5 2 2,5
Время обработки 1, мик
Рис. 13. Графики зависимости шероховатости от времени истирания при использовании полиуретановой пластины с алмазными зернами: 1 - закрепленными в два слоя с применением ограниченного количества ПАВ;
2 - закрепленными в два слоя с обильным применением ПАВ; 3 - закрепленными в два слоя;
4 - закрепленными в один слой
Настоящие испытания дают относительные предварительные результаты только по количеству снимаемого слоя материала и качеству полученной поверхности без воспроизведения реальных условий (по удельному давлению, характеру нагружения, условиям смазки, скорости скольжения, температуры вблизи поверхности). Точные данные о процессе обработки могут дать только натуральные испытания.
Проверку эластичности заготовки из полиуретана проводили путем вдавливания закаленного шарика диаметром 5 мм под нагрузкой 1 кг в течение 15с [2] в пяти точках.
Давление р по плоскости контакта при внедрении сферы в упругую плоскую поверхность распределяется по закону Герца [6]:
Время истирания, I мин Рис. 12. Графики зависимости изменения массы
3 Р
р = - — V а2—;
2 па
(1)
где Р - общая нагрузка на сферу; а - площадка деформирования; х - расстояние от центра до площадки деформирования.
Максимальное давление, равное 3Р/(2па2) наблюдается в центре круга, а минимальное - на краю. Распределение давления по поверхности контакта имеет форму полуокружности. Упругое перемещение Н в произвольной точке площадки деформирования определяется по формуле
h =
3 Р 2а
1 -
2 а2
2
т — 1
2
т Ь
(2)
где т - величина, обратная коэффициенту Пуассона; Е - модуль упругости материала.
Глубина лунки в точках 1...5 составляет 0,12. ..0,08 мм, что соответствует низкой степени эластичности.
При полировании алмазным эластичным инструментом важно знать как влияет температура на инструмент при обработке. На трех образцах с разной твердостью определена упругость при температуре - 20, 0, 20, 40, 60, 80 °С.
Результаты эксперимента представлены на графиках (рис. 14).
Рис. 14. Графики зависимости модуля упругости от температуры при твердости по Шору:
1 - 70°; 2 - 80°; 3 - 90°
Изготовленный алмазный инструмент из полиуретана, по результатам испытаний на истирание, снижение шероховатости образцов, эластичность и упругость, при изменении температуры до 80 °С показал положительные характеристики.
Полученный алмазный инструмент из полиуретана может быть применен для полирования внутренней поверхности волновода.
Библиографический список
1. Байгурин, А. С. Расчет, конструирование и изготовление волноводных устройств и объемных резонаторов / А. С. Байгурин. М. : ГЭИ, 1963. 320 с.
2. Ящерицын, П. И. Тонкие доводочные процессы обработки деталей машин и приборов / П. И. Ящерицын,
A. Г. Зайцев, А. И. Бартатько. Минск : Наука и техника, 1976. 326 с.
3. А. с. В 23Р 3/06. Способ нанесения алмазного порошка на металлическую ленту / В. В. Воронин, А. Т. Хмелев, Г. Н. Богданов. № 633705 ; заявл. 27.12.75 ; опубл. 25.11.78, Бюл. №43.
4. ГОСТ 25593-83. Паста алмазная. Технические условия. Введ. 1984-01-01. М. : Изд-во стандартов, 1988. 19 с.
5. Цыпкин, Р. З. Алмазное шлифование неметаллических материалов. Обзор / Р. З. Цыпкин [и др.] ; НИИмаш. М., 1978. 60 с.
6. Малкин, А. Я. Методы измерения механических свойств полимеров / А. Я. Бмалкин, А. А. Аскадский,
B. В. Коврига. М. : Изд-во «Химия», 1978. 336 с.
L. V. Zverentseva
THE TOOL FOR ABRASIVE POLISHING INTERNAL SURFACE OF WAVE GUIDES OF SPACE VEHICLES
The way of reception of the elastic tool for furnish is described surfaces of wave guides of a rectangular structure for transmitting systems.
