CC BY
9Ер
1ракторное, сельскохозяйственное, лесозаготовительное, коммунальное и дорожно-строительное машиностроение
УДК 621.692.2
ТЕХНОЛОГИЯ ПОВЕРХНОСТНОГО АРМИРОВАНИЯ ПОЛИМЕРОВ
ДЛЯ МАШИН И ОБОРУДОВАНИЯ АГРОПРОМЫШЛЕННОГО КОМПЛЕКСА
TECHNOLOGY OF SURFACE REINFORCEMENT OF POLYMERS FOR MACHINERY AND EQUIPMENT OF THE AGRO-INDUSTRIAL
COMPLEX
DOI: 10.24412/CL-35807-2022-1-62-65
Воронин Н. В., аспирант кафедры «Механика и инженерная графика» ФГБОУ ВО «ТГТУ», преподаватель специальных дисциплин, ТОГБПОУ «Приборостроительный колледж», г. Тамбов, Россия,
Родионов Ю. В., профессор, д. т. н, профессор кафедры «Механика и инженерная графика» ФГБОУ ВО «ТГТУ», профессор кафедры технологии производства, хранения и переработки продукции растениеводства ФГБОУ ВО «Мичуринский ГАУ», г. Тамбов, Россия,
Никитин Д. В., к. т. н, доцент кафедры «Механика и инженерная графика», ФГБОУ ВО «ТГТУ», доцент кафедры инженерных дисциплин Тамбовского филиала ФГБОУ ВО «Мичуринский ГАУ», г. Тамбов, Россия, Филатов И. С., к.т.н., доцент, преподаватель специальных дисциплин, ТОГБПОУ «Приборостроительный колледж», г. Тамбов, Россия
Voronin N. V., postgraduate student of the Department of Mechanics and Engineering Graphics, TSTU, teacher of special disciplines, Instrument-Making College, Tambov, Russia, Rodionov Y. V., Professor, Doctor of Technical Sciences, Professor of the Department of Mechanics and Engineering Graphics, TSTU, Professor of the Department of Technology of Production, Storage and Processing of Plant Products, Michurinsky SAU, Tambov, Russia, Nikitin D. V., Candidate of Technical Sciences, Associate Professor of the Department of Mechanics and Engineering Graphics, TSTU, Associate Professor of the Department of Engineering Disciplines of the Tambov Branch of Michurinsky SAU, Tambov, Russia, Filatov I. S., Candidate of Technical Sciences, Associate Professor, teacher of special disciplines, Instrument-making College, Tambov, Russia
Аннотация. В статье представлен новый запатентованный метод поверхностного упрочнения деталей машин и механизмов агропромышленного комплекса, изготовленных из полимерных материалов, дано описание установки, реализующей представленный метод, а также определена актуальность
Введение
Многие детали современной техники АПК, работающие в условиях интенсивного трения, изготавливаются из доступных, технологичных термопластичных и термореактивных полимеров. Такие детали во многих случаях оказываются
разработки, дальнейшие направления исследований и совершенствования предложенного метода.
недостаточно стоикими при длительном эксплуатации, что требует их частоИ замены в узлах трения, как следствие, необходимости производить частую сборку-разборку механизмов и машин [1].
Annotation. The article presents a new patented method of surface hardening of machine parts and mechanisms of the agro-industrial complex made of polymer materials, describes the installation implementing the presented method, and determines the relevance of the development and further directions of research and improvement of the proposed method.
Значительная часть существующих способов поверхностной м еталлизации являются либо сложными в осуществлении (металлизация взрывом), либо используются в д екоративных целях (нанесение слоя металла гальваническим методом). Предложенный коллективом исследователей ТГТУ метод поверхностного армирования полимерных изделий позволяет решить указанные проблемы.
Ключевые слова: полимерные материалы, поверхностная твердость, износостойкость, детали машин, агропромышленный комплекс.
Keywords: polymer materials, surface hardness, wear resistance, machine parts, agro-industrial complex.
Описание установки и результаты испытаний
Схема установки, реализующей предлагаемый м етод, представлена на рис. 1.
Установка состоит из вертикальной штанги с установленными на ней держателями генератора теплового потока, держателями модифицируемых образцов, катушки-электромагнита и регулируемого источника постоянного тока для ее питания. Генератор теплового потока и образец полимера могут перемещаться в широких диапазонах как относительно друг друга, так и относительно электромагнита. Генератор теплового потока имеет трехступенчатую регулировку расхода воздуха и электронную настройку температуры. Температура в месте контакта металлических частиц и поверхности полимера измерялась электронным термометром с термопарой типа ХК [2, 3].
Основной функциональной задачей созданной установки (рис. 2) являлось формирование в поверхностном слое полимера равномерно расположенных вкраплений частиц металла с обеспечением их надежной фиксации за счет избыточного усилия. Для этой цели было использовано совместное воздействие внешнего теплового потока, направленного на модифицируемую поверхность полимера, и магнитного поля, действующего на металлические частицы.
Рис. 1. Схема экспериментальной установки: 1 — магнитная система (катушка со стальным сердечником); 2 — образец; 3 — слой ферромагнитного порошка; 4 — теплогенератор
DC 0-30 V 0-30 A
Рис. 2. Общий вид экспериментальной установки
Особенностью разрабатываемого метода является использование металлических частиц (металлического порошка) с явно выраженными ферромагнитными свойствами, например, железо, никель и кобальт.
В связи с интенсивным температурным воздействием на внедряемые частицы существует опасность их окисления и, как следствие, потери магнитных свойств. Поэтому в работе использовался устойчивый к окислению в процессе нагрева порошок никеля марки ПНК-УТ3 с размерностью частиц 40 мкм.
В качестве экспериментальных образцов использовались пластины полипропилена марки «Бален 01270» квадратной формы со стороной 30 мм и толщиной 1,4 мм, что позволяло жестко зафиксировать образец в держателе и металлизировать поверхность в любой его точке. Повышение поверхностной энергии образцов достигалось увеличением шероховатости их поверхности шлифованием до ^40.^^80.
В результате опытов были получены наиболее благоприятные режимы работы установки, обеспечивающие внедрение ферромагнитных частиц в поверхность полипропилена: напряженность магнитного поля Н = 42 кА/м, температура у кромки сопла Т = 230 °С, расстояние от кромки сопла до образца 80 мм, сила тока I = 4 А, напряжение и = 10 В. В этом случае температура поверхности термопласта в месте ее контакта с порошком составила 200 °С. При этом размягчения поверхности и внутренних слоев полипропиленовой пластины не наблюдалось.
Для оценки полученного результата металлизированная поверхность пластика была подвергнута трению по поверхности детали-образца из
сплава Д16, подвергнутого закалке и естествен -ному старению. Металлизированный пластик оставлял на поверхности сплава выраженные борозды, при этом поверхностный слой металлизированного образца оставался визуально целостным и масса образца в целом не изменялась, что говорит о достаточной прочности удержания частиц в полимере.
Армирование поверхности изделий из реак-топластов не требует нагрева, так как ферромагнитные частицы внедряются в поверхность на этапе формования изделия. Поэтому для проведения эксперимента была использована только магнитная система. Формовка проводилась в стальной форме, в качестве реактопласта был применен двухкомпонентный состав ЭДП на основе эпоксидной смолы. Здесь исследовалась возможность получения изделий из реактопластов с повторением внешней поверхностью внутренних контуров формы, одновременно с этим поверхность армировалась ферромагнитным порошком, аналогичным использованному ранее. Для удержания частиц порошка на внутренней поверхности стальной формы было использовано магнитное поле с тем же значением напряженности, что и ранее. Перемешанный до однородного со-
стояния композит заполнял форму под давлением до полного ее заполнения. По окончании полимеризации состава и извлечения образца из формы была проведена проверка износостойкости, аналогичная описанной ранее. Результат оказался таким же, как у образца из термопласта.
Предложенные варианты технологии модифицирования полимерных поверхностей позволяют проводить улучшение поверхностных свойств изделий из термопластов как на этапе изготовления изделия, так и уже готовых изделий. Данная модифицированная технология также может быть использована для получения металлизированной поверхности изделий из реактопластов в процессе формования изделия. В настоящее время обе технологии дорабатываются под использование в промышленных целях и расширения спектра модифицируемых материалов [4—6].
Работа выполнена в рамках гранта РФФИ «Разработка метода магнитно-термического упрочнения полимеров ферромагнитными порошками различной дисперсности для деталей машин широкого спектра применения», конкурс «Аспиранты», 2020 г., № договора 20-33-90298/20.
Список литературы
1. Воронин Н. В., Родионов Ю. В., Филатов И. С., Никитин Д. В. Современное состояние использования и производства деталей и узлов из полимеров для техники агропромышленного комплекса // Сборник трудов II Международной научно-практической конференции «Цифровизация агропромышленного комплекса»: В 2-х т. — Тамбов: Издательский центр ФГБОУ ВО «ТГТУ», 2020. — Том 2, стр. 29—34.
2. Пат. 2761191 С1 Российская Федерация, МПК C23C 26/00, C23C 24/08, C23C 14/35. Способ поверхностного упрочнения детали из полимерного материала. / И. С. Филатов, Н. В. Воронин, Ю. В. Родионов, Д. В. Никитин, Г. В. Рыбин, А. В. Щегольков; заявитель и патентообладатель ФГБОУ ВО ТГТУ. — № 2021106201; заявл. 11.03.2021; опубл. 06.12.2021, Бюл. № 34.
3. Rodionov Yu. V. Study of magneto-thermal surface reinforcement of polymeric materials / Yu. V. Rodionov, D. V. Nikitin, N. V. Voronin, I. S. Filatov // Chemical and Petroleum Engineering. — 2021. — № 7—8. — pp. 595—600.
4. Родионов Ю. В., Никитин Д. В., Махмуд М. А. С., Горюшин Р. С. Конструктивные пути и принципы автоматизации повышения эффективности жидкостно-кольцевых вакуум-насосов // В сборнике: Научные достижения высшей школы 2020. сборник статей Международного научно-исследовательского конкурса. — Петрозаводск, 2020. — С. 99—105.
5. Воронин Н. В., Родионов Ю. В., Скоморохова А. И., Никитин Д. В., Галкин П. А., Филатов И. С. Теоретические исследования контактных и изгибных напряжений лопаток рабочего колеса и корпуса жидкостнокольцевого вакуумного насоса из полимеров // Наука в центральной России. — 2020. — № 3 (45). — С. 85—97.
6. Manufacturing products from polymers and polymerbased composite materials by solid phase pressure forming: problems, solutions and prospects / Kobzev D. Y., Kombarova P. V., Baronin G. S., Rodionov Y. V., Nikitin D. V. // International Multidisciplinary Scientific GeoConference Surveying Geology and Mining Ecology Management, SGEM. 15th. — 2015. — pp. 127—134.
