CC BY
67
15. Макашин Д. С. Влияние геометрических параметров спирального сверла на отклонение от цилиндрично-сти при сверлении титанового сплава // Омский научный вестник. 2011. № 2(100). С. 40-44.
16. Макашин, Д. С. Влияние вида подточки поперечной режущей кромки на отклонение от цилиндричности при сверлении титанового сплава // Омский научный вестник. 2011. № 3(103). С. 90-95.
17. Макашин Д. С. Повышение точности сверления титановых сплавов // Россия молодая: передовые технологии - в промышленность. 2011. С. 55-57.
УДК 620.22
СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ЭКСТРУЗИОННОГО ОБОРУДОВАНИЯ И ТЕХНОЛОГИИ ПЕРЕРАБОТКИ ВТОРИЧНЫХ КОМБИНИРОВАННЫХ ПОЛИМЕРНЫХ МАТЕРИАЛОВ И СМЕСЕЙ
IMPROVEMENT OF EXTRUSION EQUIPMENT AND TECHNOLOGIES FOR PROCESSING SECONDARY COMBINED POLYMER MATERIALS AND MIXTURES
В. В. Дядичев1, А. В. Колесников2, А. В. Дядичев1
1 Крымский федеральный университет имени В.И. Вернадского, г. Симферополь, Россия 2Луганский национальный университет имени Владимира Даля, г. Луганск
Valery Dyadichev1, Andrey Kolesnikov2, Aleksandr Dyadichev1
1V.I. Vernadsky Crimean Federal University, Simferopol, Russia
2Luhansk National University named after Vladimir Dal, Lugansk
Аннотация. Статья посвящена решению научно-технической проблемы совершенствования экстру-зионного оборудования и технологии переработки вторичных комбинированных полимерных материалов и смесей, методом экструзии с использованием многосекционного шнека, который позволит производить новую высококачественную продукцию и уменьшить загрязнение окружающей среды. Предлагается новая конструкция шнека, состоящего из нескольких функциональных секций. Разработана математическая модель для описания работы экструдера с многосекционным шнеком, направленная на анализ его эксплуатационных параметров и разработку новых конструкций шнека экструдера, путем последовательного прохождения его отдельных секций с постоянным шагом по длине шнека. На основании исследования функционального назначения зон экструдера и особенностей обработки полимерных смесей с вторичным сырьем предлагается функциональная схема шнека. На основании результатов математического моделирования получены значения толщины полос компонентов полимерной смеси на выходе секций экструдера для анализа смесительных способностей. На основании математического анализа относительного вклада секций в процесс смешения, определено, что наилучшее смешение достигается в барьерной секции, а экструдер с многосекционным шнеком можно использовать, успешно совмещая в нем две стадии: смесительную и основной обработки. С помощью математического моделирования получены эпюры линейных скоростей и скоростей сдвига по зонам экструдера. Математическое моделирование позволяет определить влияния конструктивных параметров: ширины барьерного витка и зазора между поверхностью барьера и цилиндром на показатели работы экструдера.
Ключевые слова: математическая модель, экструзия, шнек, глубина канала, секция, эпюры, скорость сдвига, барьерный зазор, деформация сдвига.
DOI: 10.25206/2310-9793-2018-6-1-162-167
I. Введение
В связи с все возрастающими потоками отходов и сокращающимися природными ресурсами более экологически разумным является производство и использование вторичного сырья. Значительную долю вторичного сырья составляют полимерные материалы [1].
Одним из основных технологических процессов переработки полимерных материалов является экструзия [2]. Экструзия полимерных материалов является достаточно разнообразной по видам производимых изделий: это пленки [3], листы [4], трубы [5], разнообразные фасонные полимерные профили и др.
II. Постановка задачи
Технологическим оборудованием, реализующим технологический процесс экструзии, является экструдер [6]. Шнек - это основная часть экструдера. Шнек должен забирать непластифицированный материал от бункера, однородно перемешивать и равномерно подавать его в виде гомогенного расплава к головке [7].
Продвигаясь по каналу экструдера, материал разогревается и расплавляется, как за счет тепла, выделяющегося вследствие вязкого трения и тепла подводимого от расположенных на корпусе нагревателей [8].
Основными технологическими параметрами работы экструзионной машины являются: частота вращения шнека экструдера [9], температура нагревателей, давление, развиваемое экструдером [10].
При повторной переработке полимеров и смесей пластиков наибольшее влияние на качество изделий, получаемых из отходов, оказывают показатели полимерного расплава на выходе из экструдера [11].
Под показателями полимерного расплава подразумевается его структурная однородность, отсутствие нерасплавленных и деструктировавших включений, равномерное температурное поле [12], отсутствие пульсаций давления [13]. Достичь рациональных показателей расплава можно, совершенствуя конструкцию шнека экстру-дера непосредственно под переработку отходов определенной классификационной группы с последующим определением необходимых диапазонов технологических параметров процесса пере-работки [14].
В научных литературных источниках и статьях по результатам практических испытаний отмечается, что из существующих видов вторичного полимерного сырья наиболее сложными и наименее изученными являются вторичные комбинированные материалы [15].
Следовательно, разработка специализированных конструкций шнековых узлов для процесса экструзии является актуальной научно-практической задачей.
Односекционные шнеки при использовании их в процессе переработки вторичного комбинированного полимерного сырья имеют неудовлетворительные показатели качества работы [16].
Изделия, получаемые с их использованием, имеют неоднородную структуру [17], нерасплавленные включения в формуемом расплаве [18], низкие прочностные показатели [19].
Это вызвано особыми свойствами вторичного комбинированного сырья [20], которые требуют прохождения им в процессе переработки нескольких последовательных стадий модификации в экструзионном агрегате [21].
Обеспечить такую переработку, возможно комбинируя шнек из нескольких функциональных секций [22], то есть, разрабатывая многосекционный шнек [23] специальной конструкции для переработки вторичного комбинированного полимерного сырья [24].
Однако на данный момент не достаточно изучена работа экструдера с многосекционным шнеком, не определены рациональные конструктивные параметры секций для различных групп перерабатываемых материалов. Экструдер обеспечивает равномерное плавление компонентов смеси, гомогенное смешение, удаление летучих соединений и создание на выходе поток расплавленного полимера со стабилизированным давлением и производительностью.
В результате исследований функционального назначения зон экструдера и особенностей переработки полимерных смесей с вторичным сырьем для их переработки предлагается функциональная схема шнека рис. 1.
Предлагаемый экструдер для переработки термопластов содержит корпус 1, захватное устройство 2, шнек 3, зону питания 4, зону сжатия 5, которая состоит из барьерной секции 6 и секции декомпрессии 7, зону дозирования 8, сделанную последовательно из конической 9 и цилиндрической секции 10. Экструдер с подобным шнеком обеспечивает равномерное плавление компонентов смеси, гомогенное смешивание, удаление из расплава летучих соединений и создание на выходе расплавленного полимерного потока со стабилизированным давлением и производительностью.
Для определения рациональных параметров конструкции экструдера с многосекционным шнеком необходимо создание математической модели [25]. Модель работы экструдера с многосекционным шнеком представляет собой последовательное и связанное по всем параметрам математическое представление работы экструдера по переработке полимерных материалов с расчетом удельного расхода экструдируемого полимерного расплава на выходе из экструдера; давления, развиваемого на выходе из экструдера; средней толщины полос компонентов перерабатываемой полимерной смеси на выходе из экструдера.
III. Теория
Рис. 1. Функциональная схема шнека по переработке вторичного полимерного сырья
Математическая модель представляет собой цикл по независимой координате 1, выход из которого происходит в случае совпадения текущей координаты длины с длиной шнека.
В конце каждого шага цикла i происходит наращивание параметров моделирования i (1), Li[i] (2) и зависимых геометрических размеров секций от координаты длины шнека (в основном глубины канала Ы) по следующим формулам:
г = г + 1 (1)
4 [] = 4 [-1]+ Л
(2)
Li[i-1] - длина шнека в текущем шаге цикла, мм Li[i] - длина шнека на следующем шаге цикла, мм.
IV. Результаты экспериментов Математическим моделированием получены эпюры линейных скоростей и скоростей сдвига по секциям экс-трудера. На рис. 2 изображены эпюры линейной скорости, а на рис. 3 скорости сдвига в барьерном зазоре, где расплав подвергается наибольшим деформациям сдвига, а, следовательно, и смесительному воздействию.
На основании анализа относительного вклада секций в процесс смешения, определено, что наилучшее смешение достигается в барьерной секции, а экструдер с многосекционным шнеком можно использовать, успешно совмещая в нем две стадии: смесительную и основной обработки.
Рис. 2. Эпюра линейных скоростей в барьерном зазоре
Рис. 3. Эпюра скоростей сдвига в барьерном зазоре
Методом математического моделирования определены зависимости влияния конструктивных параметров: ширины барьерного витка вдоль оси шнека (еЬ), зазора между поверхностью барьерного витка и цилиндром экструдера ^Ь) (рис. 4).
г, мм 0,01
0,009
0,008
0,007
0,006
0,005
0,004
0,003
0,002
0,001
о
/ Г-
/
/
/
\ /
\
\/
/
/
0,1 0,3 0,5 0,7 0,9 1,1 1,3 1,5 1,7 1,9 1_ 1 1 _ 1
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 бе, ММ
Рис. 4. Графики влияния геометрических размеров барьерного витка на качество смешения компонентов смеси в барьерной секции.
V. Обсуждение результатов
Из графиков рис. 4 видно, что качество смешения обратно пропорционально улучшается с увеличением ширины барьерного витка и прямо пропорционально улучшается с уменьшением зазора между поверхностью барьерного витка и цилиндром экструдера.
Для сравнения методом моделирования параметров работы разработанной многосекционной конструкции была проведена аналогичная оценка существующих конструкций односекционных шнеков [26,27].
С этой целью программа математической модели была скорректирована с учетом вида секции, представляющей соответствующий вид шнека.
В качестве основных прототипов для сравнения были выбраны две наиболее применяющихся на сегодняшний момент:
• цилиндрический шнек с постоянной глубиной канала h=4 мм;
• конический шнек с глубиной канала линейно уменьшающейся по длине шнека от величины у загрузочной воронки Ы=4 мм до значения в конце дозирующей зоны Ь2=1 мм.
Первый прототип при анализе смесительных способностей шнека представляется в виде двух смесительных секций: загрузочной и цилиндрической секции зоны дозирования.
Второй прототип при анализе смесительных способностей шнека представляется в виде двух смесительных секций: загрузочной и конической секции зоны дозирования.
Толщина полос для рассматриваемых односекционных прототипов значительно больше, чем для многосекционного шнека. Следовательно, такие односекционные конструкции, возможно, использовать лишь в качестве средства равномерного расплавления полимерной массы. В случае если такая полимерная масса представляет собой многокомпонентную смесь, то перед использованием стандартных односекционных экструдеров необходимо смешение компонентов дополнительными смесительными машинами. Такая необходимость разумеется приводит к дополнительной технологической стадии в процессе переработки и дополнительным затратам на такое смесительное оборудование.
Напротив, при использовании экструдера с разработанным многосекционным шнеком технологически совмещаются две стадии переработки: подготовительная (смесительная) и основная (переработка с получением новых изделий).
Произведем сравнительную оценку разработанной конструкции с многосекционным шнеком, применяемым для переработки полимерных отходов методом соэкструзии [28, 29]. Значительным недостатком данного прототипа является узкий диапазон рациональных рабочих частот переработки: 0,24-0,42 с-1. На рис. 5 приводятся сравнительные зависимости толщины полос компонентов на рабочих диапазонах частот. Диапазон рабочих частот для разработанного экструзионного шнека по переработке вторичного комбинированного полимерного сырья составляет 1,13-1,92 с-1, ширина диапазона в 4,4 раз превышает значение прототипа.
Таким образом, разработанный многосекционный шнек более рационален для процесса экструзионной переработки вторичного полимерного сырья за счет более широкого диапазона эффективных рабочих частот. Использование значений частот с максимальным качеством смешивания даст увеличение производительности в 4,71 раза, что необходимо для процесса экструзии. Кроме того, за счет применения в барьерной секции каналов разной шероховатости и рациональных конструктивных параметров достигнуто увеличение качества смешивания компонентов в 4,3 раза по сравнению с рассматриваемым прототипом.
Рис. 5. График сравнительной оценки
влияния частоты вращения шнека на качество смешения предлагаемой многосекционной конструкции шнека с существующими прототипами:
.....многосекционный шнек, применяемый
для переработки полимерных отходов методом соэкструзии;
_- разработанный экструзионный
многосекционный шнек.
VI. Выводы и заключение
1. На основании результатов математического моделирования получены значения толщины полос компонентов полимерной смеси на выходе секций экструдера для анализа смесительных способностей.
2. Произведена оценка влияния конструктивных параметров барьерного витка на значение толщины полос методом последовательного моделирования ряда значений параметров с целью рационализации конструкции барьерной секции. Рациональным диапазоном ширины барьерного витка являются значения ев=4-6 мм с толщиной полос компонентов r=0,00173-0,00112 мм. Дальнейшее увеличение размера оказывает незначительное влияние, однако сокращает общую ширину канала барьерной секции.
3. Методом математического моделирования определен диапазон рациональных значений частоты вращения шнека экструдера, который составляет 1,13-1,92 с-1 и обеспечивает значения толщины полос компонентов r=0,0007-0,0004 мм.
4. На основании математического моделирования и сравнительной оценки предложенной многосекционной конструкции шнека с существующими односекционными прототипами определено, что в отличие от односекционных, многосекционный шнек может сочетать в себе как смесительные, так и перерабатывающие функции, с целью улучшения технологического процесса переработки многокомпонентных полимерных структур.
5. На основании сравнительного анализа диапазонов рабочих частот для рассматриваемого прототипа и разработанной многосекционной конструкции определено, что ширина диапазона рабочих частот для разработанного шнека в 4,4 раза больше, а минимальная толщина полос в 4,3 раза меньше, чем у рассматриваемого прототипа. Поэтому разработанная многосекционная конструкция позволяет повысить производительность процесса переработки вторичных комбинированных полимерных материалов методом экструзии в 4,8 раза и расширить гибкость переналадки оборудования на другие вторичные изделия.
Список литературы
1. Rauwendaal С., Ingen Housz J. F. Polymer Extrusion // Journal of Reinforced Plastics and Composites. 1990. № 9. P. 583-601.
2. Быстров Г. А., Гальперин В. М., Титов Б. П. Обезвреживание и утилизация отходов в производстве пластмасс. Ленинград: Химия, 1982. 264 с.
3. Дядичев В. В., Локотош Б. Н., Леваничев В. В. Моделирование процессов соэкструзии. Луганск: ВУГУ, 1998. 74 с.
4. Дядичев В. В. Переработка отходов полимерных материалов методом соэкструзии. Луганск: ВНУ им. В. Даля, 2003. 220 с.
5. Дядичев В. В. Экструзия вторичных полимеров. Луганск: ВНУ им. В. Даля, 2003. 48 с.
6. Каган Д. Ф., Гуль В. Е., Самарина Л. Д. Многослойные и комбинированные пленочные материалы. М.: Химия, 1989. 288 с.
7. Калиновская Г. Д. Пути переработки отходов слоистых пластиков. Л.: Химия, 1997. 94 с.
8. Reitemeyer P. Coextrusions werkzeuge zum Herstellen von Flachfolien fur den Verpakung sbereich // Kunststoffe. 1988. № 5. P. 395-397.
9. Малицкова Е. А., Потапов И. И. Переработка отходов пластмасс. М.: Авис Оригинал, 1997. 159 с.
10. Perdikonlias J., Petric J. Annuler Coextrusion Die Cherts New Territory // PM & E. 1992. № 9. P. 35-39.
11. Auffermenn A. Coextrudierte Verbuwdfolien, Coextrudierte Folien und Pletten, Dussldorf // VDI. 1990. № 1. P. 11-32.
12. Бартенев Г. М. Физика и механика полимеров. М.: Высшая школа, 1983. 244 с.
13. Беспалов Ю. А. Многокомпонентные системы на основе полимеров. Л.: Химия, 1981. 214 с.
14. Вольфсон С. А. Композиционные полимерные материалы сегодня и завтра. М.: Химия, 1982. 172 с.
15. Дак Э. Пластмассы и резины. М.: Мир, 1976. 456 с.
16. Rauwendaal С. Melting Theory for Temperature-Dependent Fluids, Exact Analytical Solution for Power Law Fluids // Adv. Polym. Techn. 1992. № 11. P. 19-25.
17. Davis В. Grooved Feed Single Screw Extmders - Improving Productivity and Reducing Viscous Heating Effects // Polym. Eng. Sci. 1998. № 7. P. 19-25.
18. Бернхардт Э. Переработка термопластичных материалов: перевод с англ. Р. В. Торнера, Е. В. Закс [и др.]., под ред. Г. В. Виноградова. М.: Химия, 1965. 747 с.
19. Elemans P., J.M. van Wunnik. The Effect of Feeding Mode on the Dispersive Mixing Efficiency in Single-Screw Extrusion // in Proc. SPE ANTEC. 2000. № 1. P. 265-267.
20. Швецов П. А. Технология переработки пластических масс. М.: Химия, 1988. 462 с.
21. Kwon Т. Н., Joo J. W., Kirn S. J. Kinematics and Deformation Characteristics as a Mixing Measure in the Screw Extrusion Process // Polym. Eng. Sci. 1994. № 3. P. 174-189.
22. Торнер Р. В. Основные процессы переработки полимеров (теория и методы расчета). М.: Химия, 1972. 456 с.
23. Шенкель Г. Шнековые прессы для пластмасс. Л.: Госхимиздат, 1982. 252 с.
24. Migauchi N., Saito N., Osada Y. Experimental study on multilayer shut coextrusion using feedblock method // JSW Techmical Review. 1990. № 14. P. 103-108.
25. Завгородний С. М. Оборудование для переработки пластмасс. М.: Машиностроение, 1976. 315 с.
26. Грузнов Г. Ф. Машины для переработки пластических масс. М.: Машиностроение, 1966. 220 с.
27. Dooley J., Dietsche L. Numerical simulation of viscoelastic polymer flow - effects of secondary Flows in multilayer coestrusion // Plastics engineering. 1995. № 4. P. 37-39.
28. Schrenk W.J., Veazely E.W. Multilayer // Enc. Polym. Sci. Eng. 1987. № 7. P. 106-127.
29. Hegel R. Coextrusion flow molding of large hollow articles // Coex. Europe. 1986. № 1. P. 385-389.
УДК 621.9.047/.048:621.833
ИССЛЕДОВАНИЕ ТОЧНОСТИ ЗУБЧАТЫХ КОЛЕС, ИЗГОТОВЛЕННЫХ С ПРИМЕНЕНИЕМ ЭЛЕКТРОЭРОЗИОННОЙ ОБРАБОТКИ
INVESTIGATION OF THE ACCURACY OF GEARS PRODUCED BY ELECTRICAL DISCHARGE MACHINING
А. В. Линовский, А. А. Федоров, А. В. Тигнибидин, С. В. Такаюк, С. В. Лаврентьев
Омский государственный технический университет, г. Омск, Россия
A. V. Linovsky, A. A. Fedorov, A. V. Tignibidin, S.V. Takauk, S. V. Lavrentev
Omsk State Technical University, Omsk, Russia
Аннотация. В статье представлены результаты исследования изготовления мелкомодульных зубчатых колес из стали 35 методом проволочно-вырезной электроэрозионной обработки на станке SODICK VZ300L. Цель работы - повышение точности изготавливаемых зубчатых колес. Задачей данной работы является исследование точности зубчатых колес, изготовленных по управляющей программе, при этом контур колеса отрисовывается из построенных с применением CAD-системы дуг с большим количеством расчетных точек. Контактным и бесконтактным методами исследованы геометрические параметры изготавливаемых зубчатых колес. Контактные измерения проведены на координатно-измерительной машине Лапик модели КИМ-750, бесконтактные - на инструментальном микроскопе Walter UHL VMM 150. Проведенное исследование позволило сделать вывод о том, что метод позволяет получать колеса высокой точности и есть тенденция к увеличению этой точности за счет увеличения числа аппроксимирующих элементов при построении контура изготавливаемого зубчатого колеса.
Ключевые слова: зубчатое колесо, электроэрозионная обработка, точность.
DOI: 10.25206/2310-9793-2018-6-1-167-174
I. Введение
Электроэрозионная проволочно-вырезная обработка в настоящее время получила широкое распространение при изготовлении деталей в различных отраслях промышленности. Возможность изготавливать детали сложной формы без специального инструмента является важным преимуществом проволочно-вырезной электроэрозионной обработки (ПЭЭО), что позволяет применять эту обработку к изготовлению зубчатых колес. Отсутствие потребности в специальном инструменте позволяет получить высокую экономическую эффективность данного метода обработки в единичном производстве, а также в производстве зубчатых колес нестандартного модуля. А отсутствие зависимости производительности обработки от механических характеристик при изготовлении зубчатых колес из труднообрабатываемых механически материалов является важным преимуществом.
Однако ПЭЭО имеет свои специфические недостатки при изготовлении зубчатых колес. Одним из них является то, что при ПЭЭО не может быть реализована кинематика обката, как на зубообрабатывающем оборудовании, поэтому профиль зуба будет аппроксимирован некоторым количеством элементов в виде отрезков или
