CC BY
14
ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ ПРЕССОВАНИЯ НА УСАДКУ И ТОЧНОСТЬ ДЕТАЛЕЙ ИЗ ТЕРМОРЕАКТИВНЫХ МАТЕРИАЛОВ
Керимов Д.А.1, Агаева Ш.А.2 ®
12 Доктор технических наук, профессор; старший лаборант
Азербайджанский государственный университет нефти и промышленности г. Баку, Азербайджанская Республика
Аннотация
В статье рассматривается зависимость влияния времени выдержки под давлением в форме на усадку и точность пластмассовых деталей нефтепромыслового оборудования. При этом на деталях и образцах изучается процесс усадочной деформации в зависимости от материалов и технологических параметров переработки. В производстве устанавливаются предельные границы режимных параметров и разрабатываются оптимальные их значения. А также в зависимости от марки в перерабатывающих материалах устанавливаются конкретные возможности использования групп деталей в конкретных материалах, в конструкциях нефтепромыслового оборудования.
Ключевые слова: усадка, точность, термореактивные материалы, температура прессования.
RESEARCH OF INFLUENCE OF TEMPERATURE PRESSING ON SHRINKAGE AND ACCURACY OF DETAILS OUT OF THERMOREACTIVE MATERIALS
D.A. Kerimov, Sh.A. Agayeva
Azerbaijani State University of Oil and Industry
Summary
In article the dependence of influence of hold time under pressure in shape upon shrinkage and accuracy ofplastic details of the oil-field equipment is considered. At the same time on details and samples process of shrinkage strain depending on materials and technological parameters of reprocessing is studied. In production limit borders regime parameters are established and their optimum values are developed. And also, depending on the brand in the reprocessing materials, specific possibilities of using groups of details in specific materials, in oilfield equipment designs are established.
Keywords: shrinkage, accuracy, thermo reactive materials, temperature of pressing.
Температура, при которой происходит прессование, определяет продолжительность выдержки, необходимое удельное давление прессования и конечные свойства изделия. В процессе прессования температура расходуется на нагрев материала до вязко-текучего состояния, на химическую реакцию отверждения, на нагрев пресс-формы и на потери его в окружающую среду.
Температура прессования, как технологический фактор является одним из основных параметров, влияющих на качество деталей из термореактивных материалов.
Выбор оптимальной температуры прессования в каждом конкретном случае определяется в зависимости от характеристики пресс-материала и конструкции деталей. При этом следует руководствоваться следующими положениями: с повышением температуры прессования до определенного предела, зависящего от вида прессовочного материала и
® Керимов Д.А., Агаева Ш.А., 2017 г.
формы детали, исходя из производственного опыта выдержка при прессовании уменьшается, а физико-механические и диэлектрические показатели изделия повышается.
Влияние температуры прессования на усадку и точность прессовочных материалов частично исследованы в работе [1].
Нами исследовано влияние на величину усадки, точность и прочность некоторых пластмасс (03-010-02, Э2-330-02), широкого интервала температур от 90 до 220°С при давлении прессования Р=30 МПа. Время выдержки в пресс-форме в зависимости от марки прессуемого материала было взято 0,8^1 мин/мм.
Эксперименты проводились над образцами с размерами 010x15, и диска 0200 и Ь= 3
мм.
Для установления вида функции усадки от температуры прессования на основе экспериментальных данных, полученных над вышеуказанными образцами, нами выведены корреляционные зависимости для нескольких пресс-материалов. Они приведены в таблице 1.
Таблица 1
Материал Корреляционные уравнения регрессии Корреляционное отношение в 100%,
03-010-02 Э2-330-02 0 = 0,0983 - 0,0056 • / + 0,1 • 10-3 /2 0 = 0,0774 - 0,0054 • / + 0,1 • 10-3 /2 48 56
Чтобы определить тесноту связи между усадкой и температурой прессования, нами рассчитаны эмпирические корреляционные отношения для исследуемых материалов (см. табл.1).
На основании результатов экспериментальных данных нами построены кривые зависимости усадки Q и предела прочности при сжатии осж от температуры прессования (рис.1, 2) для двух вышеупомянутых материалов. Как видно из рис.1 с увеличением температуры прессования ( = 90 ^ 150°С) интервала усадка материала 03-010-02 сперва уменьшается, а прочность заметно повышается. Затем ( = 150 ^ 190°С) наблюдается
обратная закономерность, т.е. при температуре ? = 90°С образцы получились негодными по прочности и внешнему виду. Это связано с тем, что температура для прессования пластмасс на новолачной основе было недостаточная. При повышении температуры до ? = 100°С образцы получились годными и имели определенную усадку, а по прочности негодными. С дальнейшим повышением температуры от 110 до 130°С наблюдается уменьшение усадки и образцы имеют определенную прочность (рис. 1). Начиная от ? = 130°С до ? = 170°С, усадка Q уменьшается, доходит до минимума, а предел прочности при сжатии осж повышается (рис.1).
Рис. 1. Кривые зависимости усадки и напряжения сжатия от температуры прессования материала 03-010-02
Увеличение усадки и понижение прочности при повышении температуры прессования ( = 170 — 190°С) видимо, связано с тем, что при указанных интервалах температур заканчивается деструкция смолы материала, из-за этого внешний вид образцов получается негодным. Это подтверждают выводы авторов работы [2].
Усадка и прочность материала Э2-330-02 аналогичны показателям качества (усадка и прочность) материала 03-010-02 (рис.2). Так при г = 110°с - 130°с усадка Q уменьшается, прочность (ссж) интенсивно повышается и при температуре г = 150°С - 170°С усадка Q становится минимальной, прочность (Ссж) достигает максимальной величины (см.рис.2). Однако при г = 190°С наблюдается увеличение усадки Q и понижение прочности (осж), а при г = 200°С образцы получаются негодными. Это объясняется тем, что теплостойкость пластмассы на резольной смоле (Э2-330-02) выше, чем пластмассы на новолачной смоле (03-010-02) [2], вследствие чего деструкция смолы (коксование образцов из пластмассы Э2-330-02 наступает при более высоких температурах -200°С).
Рис.2. Кривые зависимости усадки и напряжения сжатия от температуры материала Э2-330-02: 1 - 0сж - прочность при сжатии; 2 - О усадка расчетная.
Из зависимостей между температурой и пределом колебаний размеров образцов из материала 03-010-02, Э2-330-02 видно, что с увеличением температуры прессования пределы колебаний размеров увеличиваются: при I = 110 ■ 130°С, они для материала 03-010-02 составляют 40 мк-48 мк, что соответствует 9 номеру квалитетов для размеров свыше 6 мм до 10 мм. У материала Э2-330-02 они равны 30 мк-40 мк, соответственно равны 9 и 10 номеру квалитетов. При температуре t = 150°С ■ 170°С их величины сравнительно минимальные 28-32 мк (03-010-02), 22 мк^25 мк (Э2-330-02), что соответствуют почти одно и тому же номеру квалитету - 9 (см.табл.2). При температуре t = 190°С ■ 200°С пределы колебаний размеров образцов из исследуемых материалов, кроме 03-010-02 уменьшаются (39 мк^42 мк - 03-010-02, 24 мк^36 мк - Э2-330-02,), что соответствует в основном 9 номеру квалитетов.
Таблица 2
Материал Усадка - %, пределы колебания Температура прессования,°С
размеров - мк,
Номера квалитетов по системе ОСТ 90 110 130 150 170 190 200
максимальная - 0,84 0,72 0,63 0,56 0,82 0,90
минимальная - 0,36 0,34 0,31 0,28 0,48 0,40
03-010-02 средняя - 0,53 0,46 0,50 0,46 0,58 0,62
пределы колебания - 48 40 32 23 39 42
размеров, мк
номера квалитетов - 9 9 9 8 9 9
0,33 максимальная - 0,64 0,56 0,48 0,42 0,48 0,54
минимальная - 0,24 0,26 0,23 0,20 0,22 0,24
Э2-330-02 средняя - 0,53 0,42 0,28 0,26 0,30 0,33
пределы колебания - 40 30 25 22 26 24
размеров, мк
номера квалитетов - 9 8 8 8 8 8
Исследования авторов [3] на стандартном диске показывают, что уменьшение размеров образцов непосредственно после извлечения их из пресс-формы составляет 0,21 мм, т.е. примерно 0,2%. Следовательно, с момента начала формообразования до его завершения усадка у наружных размеров составляет 0,2%, а у внутренних к этому моменту усадка практически равна нулю.
Естественно, вокруг формующих знаков создаются большие внутренние остаточные напряжения, проявляющиеся после освобождения деталей от знаков и стержней, тем самым оказывая влияние на размеры.
При формовании втулки в течение всего времени отверждении материала (03-010-02) в
пресс-форме существует разность Аt = (1 — ¿2, где ¿1 -температура стенок матрицы, а ¿2 -температура формующего знака, оформляющего периметр по внутреннему диаметру (разная температура в разных точках и сечениях пресс-формы доказана многими исследователями, в том числе автором [4].
В этих условиях напряжения, возникающие при разности температур А( = ¿1 — ¿2,
остаются «замороженными» и не могут отрелаксировать, хотя после охлаждения втулки
через некоторое время возникает равенство ¿1 = ¿2. Это связано с тем, что отверждение
сопровождается необходимыми изменениями структуры вещества, которые закрепляют существующую разность линейных расширений по обоим диаметрам втулки. При остывании же втулки вне пресс-формы исчезают только упругие деформации.
При равномерном остывании втулки по всей толщине ее параметр уменьшился бы на 0,85% (расчет не приводится) и никаких остаточных напряжений после полного остывания не было бы. В действительности остывание начинается с наружных слоев втулки в то время, когда ее сердцевина еще имеет начальную температуру 180°С, вследствие высокой температуры и малой температурно-проводности материала 03-010-02. В каждый момент времени остывания втулки наружные ее слои более или менее быстро воспринимают температуру окружающей среды, тогда как ее сердцевина остывает значительно медленнее.
Предположим, что наружные слои материала успели охладиться до температуры помещения 20°С, в то же время как при охлаждении внутреннего слоя сечения втулки, температура его может достигнуть температуры теплостойкости данного материала (115°С), когда происходит стеклование связующего. Тогда, произведя аналогичные расчеты, получим усадку среднего слоя втулки, которая равна 0,34%.
Разность усадок наружного и внутреннего слоев (0,86% - 0,34% = 0,52%) определяет величину остаточных термических напряжений в рассмотренный момент.
Автор [1] указывает, что если эту полную разность усадок рассматривать как деформацию растяжения, то согласно кривой растяжения материала 03-010-02, она соответствует напряжению, примерно, 35 МПа-^38 МПа.
В зависимости от степени наполнения [2] усадка смолы и наполнителя происходит свободно и влияние частиц наполнителей на связующее, с точки зрения усадки, будет проявляться незначительно, хотя и в этом случае наполнитель, занимая определенный объем и равномерно располагаясь в связующем, будет создавать более равновесное состояние и уменьшать коробление детали.
Если степень наполнителя такая, что крупные частицы контактируют между собой, то общая величина усадки будет в основном определяться усадкой наполнителя. Однако даже при наступлении полного контактирования частиц. Между ними еще остается объем, заполненный связующим, который будет влиять на усадку всей композиции и в котором при
охлаждении будут возникать внутренние напряжения, отрицательно влияющие на прочность и могущие привести к появлению неровностей на поверхности изделия.
Характер усадки материалов с волокнистым наполнителем несколько иной. По мере охлаждения композиции между связующим и наполнителем (вдоль волокон) в случае прочной адгезионной связи между ними будут возникать напряжения, сдерживающие усадку связующего. По мере возникновения напряжения связующее и наполнитель будут стремиться деформировать друг друга, в результате чего при охлаждении деталей появляется большой разброс размеров, тогда общая величина деформации будет зависеть от модулей упругости связующего и наполнителя [2].
При применении материала с длинноволокнистым однонаправленным наполнителем неизбежно искривление поверхности и коробление, а отсюда - неизбежность получения деталей с низкой степенью точности и направлении перпендикулярной к расположению направления волокон (высотное).
Резюмировав данные исследования можно прийти к выводу, что при изготовлении конструкционных деталей из термореактивных материалов температура прессования является главным фактором, определяющим качество деталей. В зависимости от марки материалов и конструкций пластмассовых деталей для получения качественного изделия необходимо, исходя от назначения деталей и предъявляемым требованиям при выборе их оптимальных режимов, руководствовать материалами, разработанными в данной статье.
Литература
1. Карсанов И.Н. Влияние метрологических параметров и конструкции деталей на точность их изготовления из термореактивных пластмасс. Канд.диссерт., Баку, 1971
2. Керимов Д.А., Курбанова С.К. Основы конструирования пластмассовых деталей и пресс-форм. Баку: Изд-во «Елм», 1997, 504 с.
3. Мирзоев Р.Г. Пластмассовые детали машин и приборов. М-Л, «Машиностроение», 1965
4. Гасанова Н.А. Поведение пластмасс, работающих в нефтепромысловых оборудованиях. Актуальные проблемы гуманитарных и естественных наук, №8 (август), 2016
