CC BY
127
УДК 678:53
А.А. Гаджиев, доктор техн. наук, профессор А.С. Кононенко, канд. техн. наук, доцент А.М. Орлов, доцент
ФГОУ ВПО «Московский государственный агроинженерный университет имени В.П. Горячкина»
технологические способы повышения механических характеристик композиционных полимерных материалов
Одно из ведущих мест среди полимерных материалов, применяемых при производстве и ремонте машин, занимает группа термореактивных олигомеров, которые наряду с ценными свойствами имеют и недостатки: недостаточную термостабильность, высокую вязкость расплава, высокую хрупкость в стеклообразном состоянии, невысокие износостойкость и ударную вязкость, что ограничивает их широкое применение. Поиск и применение новых эффективных способов получения полимеров, не обладающих указанными недостатками, является актуальной задачей.
Для получения полимерных материалов с более совершенной структурой, высоким комплексом технологических, физико-механических и эксплуатационных свойств разрабатываются методы модификации этих материалов путем введения различных по природе и назначению ингредиентов в виде наполнителей, пластификаторов, отвердителей, а также совершенствуются режимы формирования покрытий из них.
Наиболее перспективными являются композиции на основе термореактивных олигомеров, модифицированных различными эластомерами и наполненных металлическими порошками (карбидами и оксидами). Эти полимеры выгодно отличаются от других материалов способностью отверждаться в процессе переработки без воздействия повышенных температур и давления.
Общими недостатками полимерных покрытий являются: отслоение от металлической поверхности, растрескивание, низкая теплостойкость и ударная вязкость, значительно снижающие долговечность. Один из путей устранения этих недостатков — воздействие на полимерное покрытие в процессе его формирования ультразвуковым полем.
Композиция на начальном этапе отверждения и в период ее приготовления наиболее чувствительна к внешним проявлениям, в частности к эффектам, вызываемым наложением ультразвукового поля. Поэтому ультразвуковую обработку исследуемой композиции проводили при ее отверждении. Исследования проводили на экспериментальной установке, схема которой представлена на рис. 1. Колебательную систему установки составляют магнитно-стрикционный преобразователь ПМС-15-2А, транс-
форматор скорости, волновод, излучатель и озвучиваемый материал покрытия. Для эффективной работы колебательной системы необходимо согласовать акустические параметры всех узлов с геометрическими размерами установки.
Определение геометрических размеров элементов колебательной системы ведется из условия равенства резонансных частот магнитно-стрикцион-ного преобразователя, концентратора и волновода:
-'и ^к -'в
Излучатель присоединен к свободному концу волновода и существенно влияет на резонансную частоту, а также на распределение механических напряжений в системе. В процессе восстановления
Рис. 1. Схема ввода ультразвуковых колебаний в пресс-форму при восстановлении деталей машин:
1 — преобразователь магнитно-стрикционный;
2 — опора; 3 — основание; 4 — трансформатор скорости; 5 — прокладка; 6 — корпус пресс-формы;
7 — волновод с пассивным фланцем; 8 — крышка пресс-формы в сборе с оформляющей частью пресс-формы; 9 — вкладыш; 10 — излучатель; 11 — сопло;
12 — прижим; 13 — восстанавливаемая деталь;
14 — тонкослойное покрытие; 15 — уплотнение
изменяются геометрические размеры излучателя и давление на излучатель, что сказывается на изменении резонансной частоты системы.
Исходя из этих условий, следует, что резонансная система имеет минимальную зависимость резонансной частоты преобразователя от технологических параметров установки. Колебательная система представляет собой составную стержневую систему с комплексной нагрузкой, при которой отдельно рассчитывают каждое составляющее звено по методике [2].
Расчет волновода зависит от его типа. Наиболее простым при изготовлении и в работе является конусный волновод. Резонансная полуволновая длина I его равна:
I =—-вх 2/ п,
где с — скорость звука в материале волновода; т — корни уравнения, найденные численным методом для заданных или выбранных значений входного диаметра и диаметра рабочей части.
Волноводная система состоит из магнитно-стрикционного преобразователя 1 с трансформатором скорости 4, волновода 7 и излучателя 10 (см. рис. 1). Для лучшего акустического контакта перед затяжкой сопрягаемые поверхности волновода и концентратора покрывают тонким слоем машинного масла. Резонанс системы достигается изготовлением волновода и излучателя полуволновой длины. Вследствие больших статических нагрузок в колебательных системах для ультразвуковой обработки полимерных композиционных покрытий в конструкции волноводной системы предусмотрен пассивный фланец. Для уменьшения рассеяния колебательной энергии во избежание нарушений режима работы системы фланец, расположенный в узле смещения, присоединяют к опоре 2 через па-ранитовые прокладки 5.
Так как обычно при частоте колебаний 18.. .20 кГц амплитуда не превышает 310-5 м, конструкцию корпуса приспособления выполняют так, чтобы между излучателем колебаний, вкладышем 9 и восстанавливаемой деталью 13 обеспечить зазор 510-5 м. В этом случае ультразвуковая энергия почти полностью передается в покрытие, а потери в системе весьма незначительны.
После расчета колебательной системы и выбора оптимальной схемы ввода ультразвуковых колебаний в пресс-форму переходят к определению режимов ультразвуковой обработки полимерных покрытий — частоты и амплитуды колебаний.
В процессе обработки полимерных покрытий в ультразвуковом поле за счет приложения нагрузки к концентратору 7 наблюдается изменение частоты, что приводит к рассогласованию всей системы и изменению амплитуды колебаний. По этой при-
чине давление на полимерное покрытие со стороны волновода-излучателя должно иметь оптимальное значение. При меньшем усилии происходит потеря передаваемой к материалу энергии, при большем — материал композиции под действием ультразвуковой энергии становится менее вязким и вытекает из пресс-формы, при этом его обработка неравномерна по объему, а структура отвержденной композиции получается неоднородной.
Композиционное покрытие наносили на восстанавливаемую деталь перед ультразвуковой обработкой в следующей последовательности: пресс-форму с восстанавливаемой деталью устанавливали на корпусе и закрепляли. Готовую композицию наносили на подготовленную поверхность образца. В пресс-форму одновременно с деталью помещали центрирующий стержень, ось которого является одновременно и осью детали, на поверхность которой наносится покрытие. Поверхность центрирующего стержня предварительно смазывали разделительной смазкой АКЗП-6 для предотвращения прилипания композиции к поверхности стержня.
Зазор между внутренней поверхностью детали и наружной поверхностью центрирующего стержня заполняли приготовленной композицией. Затем осуществлялась передача нагрузки и наложение ультразвукового поля через торцовую поверхность волновода-излучателя путем прижима волновода кольцевой формы к обрабатываемой композиции.
Полимерные материалы и композиции на их основе в отличие от металлов и сплавов долгое время находятся в состоянии термодинамического неравновесия, т. е. даже без внешних механических нагрузок и теплового воздействия в них происходит изменение свойств — внутреннего напряжения и прочностных характеристик. При эксплуатации деталей под нагрузкой они усиливаются и значительно снижают эксплуатационные свойства композиций [1, 2, 3]. Термодинамическую нестабильность полимерного покрытия в значительной степени можно снизить, а в некоторых случаях даже устранить физикохимическим воздействием на него в процессе и после формирования.
Исследования показали, что после ультразвуковой обработки в течение 1,5 мин прочность покрытия достигает больших значений, чем при полном режиме термообработки.
Улучшение структуры и повышение физико-механических и эксплуатационных свойств покрытий из композиций на основе эпоксидных смол достигается обработкой ультразвуковых покрытий на стадии нанесения полимера, формирования покрытия или воздействием на готовое покрытие. Ультразвуковая обработка в значительной степени влияет на вязкость эпоксидных олигомеров. Так, ультразвуковая обработка мощностью 7.10 Вт/см2 уменьшает вязкость эпоксидной смолы ЭД-16 на 15.25 %.
Показатели эпоксидных композиций при ультразвуковой обработке
Время обработки, мин А, Па мПа НВ, МПа Время обработки, мин А, Па МПа НВ, МПа
0 1100 13 70 4 1800 32 29
1 1200 19 56 6 1950 35 12
2 1400 27 42 9 2100 37 3
3 1600 30 35 12 2100 37 2
А — адгезионная прочность; ар — предел прочности на растяжение; НВ — твердость
При снятии ультразвука вязкость смолы восстанавливается за 5.45 с.
Ультразвуковая обработка при определенной длительности повышает адгезионную прочность металлополимерных соединений и сокращает длительность отверждения эпоксидных покрытий, полученных из композиции, содержащей 100 масс.-ч. смолы ЭД-16, 10 масс.-ч. дибутилфталата, 6 масс.-ч. отвердителя АФ-2 и другие наполнители. Такая обработка повышает равномерность распределения наполнителя, способствует измельчению надмолекулярной структуры, повышает антикоррозийные, прочностные и эксплуатационные свойства покрытий.
Обработка ультразвуком при частоте 22 кГц эпоксидных композиций до их отверждения позволяет получить более высокие показатели свойств получаемых из них готовых изделий. Так, адгезионная прочность покрытий возрастает на 30.65 %, долговечность — на 50.60 %о.
С целью установления оптимального режима ультразвуковой обработки исследовано влияние мощности и продолжительности воздействия ультразвука на свойства композиционных покрытий на основе эластофицированных эпоксидных смол, содержащих 20 масс.-ч. акриловой пластмассы АСТ-Т, герметик Ф6 и различные наполнители. Как видно из таблицы, при постоянной мощности ультразвукового поля с увеличением времени обработки адгезионная прочность покрытия монотонно увеличивается, а при 12 мин ультразвукового воздействия достигает предельно высоких значений. Это, по всей видимости, объясняется тем, что в термореактивной композиции, находящейся в вязкотекучем состоянии, поглощение ультразвуковой энергии сопровождается повышением температуры компо-
зиционного покрытия. При относительно невысокой температуре полимерная композиция в активированном состоянии растекается и проникает в щели и микропоры поверхности субстрата. В этом случае надо стремиться к тому, чтобы большая часть энергии поглощалась композиционным покрытием, поскольку энергию, поглощаемую субстратом, можно рассматривать как потери.
Авторами также исследовано влияние ультразвуковой обработки на свойства покрытий, наполненных алюминиевой пудрой и чешуйчатым графитом (рис. 2). Как видно из рисунка, композиции с разными наполнителями при одной и той же продолжительности обработки имеют разные физико-механические свойства. Так, при продолжительности обработки от 10 до 20 мин у композиции с алюминиевой пудрой прочность сцепления снижается с 2,4 до 2,1 кН/м2, а у композиции с чешуйчатым графитом прочность сцепления вначале растет, а затем резко падает от 3 до 2,3 кН/м2 (рис. 2а).
При обработке композиции, наполненной чугунным порошком, в течение 10 мин ее адгезионная прочность резко возрастает, а затем снижается и через 25 мин достигает исходного значения.
т, мин т, мин
а б
Рис. 2. Зависимость механических характеристик модифицированных эпоксидных композиций от времени озвучивания:
а — адгезионная прочность; б — предел прочности на растяжение;
1 — чугунный порошок (100 масс.-ч.); 2 — чешуйчатый графит (10 масс.-ч.); 3 — алюминиевая пудра (25 масс.-ч.)
Предел прочности при растяжении композиции с чугунным порошком (рис. 2б) при увеличении времени озвучивания растет и через 10 мин достигает максимального значения. Дальнейшее озвучивание полимерного покрытия не влияет на предел прочности при растяжении.
Оптимальная продолжительность ультразвуковой обработки полимерных композиций на основе эластофицированных термореактивных олигомеров и акрилопластов, а также их показатели приведены в таблице.
Ультразвуковая обработка композиции значительно повышает долговечность полимерных покрытий. Так, покрытия, обработанные в ультразвуковом поле в течение 10.15 мин, теряют адгезионную прочность всего на 10.15 %, а у покрытий, не обработанных в ультразвуковом поле, наблюдается значительное падение адгезионной прочности. Это, по-видимому, обусловлено высокой степенью отверждения покрытий после обработки композиций ультразвуком.
Для получения качественных соединений и определения оптимальных режимов отверждения были заданы следующие основные технологические параметры:
• интенсивность ультразвуковых колебаний
20 Вт/см2;
• усилие прижима волновода-излучателя 500 Н.
Экспериментальные исследования показали,
что оптимальное время озвучивания при этих па-
раметрах составило 10.12 мин. При этом композиционное покрытие имеет однородную структуру без воздушных включений, адгезионная прочность имеет наибольшее значение, а время формирования композиционного покрытия уменьшилось в 5.6 раз по сравнению с типовой технологией.
Выводы
Разработанный метод ультразвукового воздействия на термореактивные композиционные материалы с дисперсионными наполнителями позволяет:
• интенсифицировать технологический процесс приготовления полимерных композиций и формирования покрытий на поверхности металлических деталей;
• повысить их физико-механические свойства;
• определить оптимальный режим ультразвукового воздействия, что сокращает время формирования композиционного покрытия почти в 6 раз.
Список литературы
1. Беневоленский, И.Е. Вопросы совершенствования технологических процессов в машиностроении / И.Е. Беневоленский. — Ижевск, 1973. — С. 64.
2. Виксне, А.В. Модификация полимерных материалов / А.В. Виксне [и др.]. — Рига, 1976. — Вып. 6. — С. 3-9.
3. Власов, В.П. Новые полимерные материалы, их переработка и применение в машиностроении / В.П. Власов, Г.А. Канн. — М.: ЦПНТОмашпром, 1972. — С. 149-151.
УДК 631:621.797.004.12
А.С. Дорохов, канд. техн. наук, доцент
ФГОУ ВПО «Московский государственный агроинженерный университет имени В.П. Горячкина»
совершенствование входного контроля качества сельскохозяйственной техники на дилерских предприятиях
Обеспечение качества сельскохозяйственной техники у изготовителя начинается с входного контроля материалов и комплектующих изделий. Далее следует целый комплекс мер, направленных на повышение качества выпускаемой техники в процессе ее изготовления. Но главным служит входной контроль у дилера, так как он является последним рубежом по обеспечению качества поставляемой техники.
Актуальность проблемы входного контроля качества сельскохозяйственной техники обусловлена в первую очередь недостаточным уровнем механизации сельского хозяйства, например, в настоящее время, обеспеченность техникой сельхозтоваропроизводителей не превышает 50 %, а также низким качеством техники и запасных частей, поставляемых селу. По данным Гостехнадзора, машиноиспытатель-
ных станций, предприятий Росагроснаба и хозяйств, в настоящее время 95.96 % поставляемых машин не соответствует требования НТД, сельхозтоваропроизводителям поступает более 35 % бракованных изделий сельхозмашиностроения. Интенсивность отказов реализованной техники, возникших по вине заводов-изготовителей, характеризуется следующими показателями. Например, среднее число отказов у зерноуборочных комбайнов Дон-1500Б в 2007 г. составило 43 на 100 машин, а среднее число отказов на 100 машин у тракторов ДТ-75 в этом же году по сравнению с 1996 г. увеличилось в 4 раза. Структура отказов новых машин в гарантийный период эксплуатации такова: в основном отказывают двигатель, гидравлическая система, трансмиссия и ходовая система, электрооборудование.
73
