CC BY
101
МАШИНОСТРОЕНИЕ И МАШИНОВЕДЕНИЕ ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК № 1 (127) 2014
УДК 620.17:678.743.4:539.2/. Д Д НЕГРОВ
8:534.28
Е. Н. ЕРЕМИН В. Ю. ПУТИНЦЕВ О. Д. ПЕРЕДЕЛЬСКДЯ Д. Е. МДТДЛДСОВД
Омский государственный технический университет
ВЛИЯНИЕ
УЛЬТРАЗВУКОВОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ НА МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ПОЛИТЕТРАФТОРЭТИЛЕНА, МОДИФИЦИРОВАННОГО НИТРИДОМ БОРА____________________________
Рассмотрено влияние ультразвуковых колебаний на механические свойства политетрафторэтилена, модифицированного нитридом бора. Показано, что введение ультразвуковых колебаний в прессуемый материал приводит к повышению предела прочности и модуля упругости и снижению относительного удлинения синтезируемого композита. Ключевые слова: полимерный композиционный материал, политетрафторэтилен, механические свойства, ультразвуковые колебания, нитрид бора, модифицирование.
Введение. В настоящее время в различные отрасли промышленности внедряются новые, технически более совершенные производственные процессы, основанные на использовании при обработке полимерных материалов внешнего энергетического воздействия, в том числе ультразвука [1—4]. Влияние энергии ультразвуковых колебаний на механические и триботехнические свойства полимеров обусловлено изменением структуры обрабатываемого материала [5]. В процессе такой обработки полимеров существенно облегчается возникновение и развитие пластической деформации частиц порошка, осуществляется активация дислокаций, происходящая в результате поглощения акустической энергии в местах дефектов кристаллической решетки и других структурных несовершенств [4]. Вследствие этого за короткое время происходит локальный нагрев материала вокруг этих источников поглощения, увеличение молекулярной подвижности, что обусловливает более интенсивное развитие пластической деформации.
Ультразвуковое воздействие (УЗВ) может быть успешно использовано при твердофазной технологии получения (синтезе) полимерных композиционных материалов (ПКМ). Особенно это актуально для дисперснонаполненных композиционных материалов на основе политетрафторэтилена (ПТФЭ) [6].
Это обусловлено тем, что возможности структурной модификации ПТФЭ за счет введения в полимерную матрицу наполнителей различного типа уже в значительной степени исчерпаны. Совершенствование технологии получения ПТФЭ в направлении приложения ультразвука большой интенсивности непосредственно при прессовании композита позволяет достичь существенного повышения его механических свойств [7, 8].
Использование энергии ультразвуковых колебаний при прессовании порошкообразных или гранулированных полимеров и полимерных композиций приводит к уплотнению прессуемого материала, сопровождающееся удалением газовой фазы. Указанный эффект обусловлен тем, что при воздействии вибрационных импульсов отдельным частицам материала сообщаются индивидуальные скорости и ускорения, разрушаются арочные образования и происходит равномерная укладка частиц порошка [9]. Это обусловливает интенсивную дегазацию, перемешивание и сплавление отдельных частиц в однородную безпористую массу, обладающую высокой структурной монолитностью и прочностью. В то же время имеющие место при этом процессы структурообра-зования и их влияние на механические свойства изучены недостаточно.
Цель работы — исследование влияния ультразвукового воздействия на механические свойства политетрафторэтилена, модифицированного нитридом бора при его синтезе.
Методика эксперимента. Объектом исследования является полимерный композиционный материал (ПКМ) на основе политетрафторэтилена (ПТФЭ), модифицированный гексагональным нитридом бора (И-ЫЬ). Для исследований были выбраны следующие концентрации гексагонального нитрида бора в политетрафторэтилене: 0,5; 1,0; 3,0; 5,0 и 10,0 масс. %.
Образцы для исследований получали по технологии холодного прессования шихты, состоящей из порошкообразного политетрафторэтилена с наполнителем, смешанной в мельнице при частоте вращения ножей 7800 мин-1. Для изготовления образцов использовалась специальная экспериментальная установка на базе гидравлического пресса [8].
Результаты исследования предела прочности
^в, МПа с ультразвуком 23,9 24,1 25,8 26,8 22,3
^в, МПа без ультразвука 21,9 22,1 23,1 24,3 20,7
Концентрация И-Ш, % 0,5 1 3 5 10
28
20
0 2 4 6 8 10
Концентрация нитрида бора, %
-•—без ультразвука -Ш-с ультразвуком
Рис. 1. Зависимость предела прочности от концентрации гексагонального нитрида бора (Ь^Б)
Таблица 2
Результаты исследования относительного удлинения
5, % с ультразвуком 282,5 276,8 266 259,7 231,3
5, % без ультразвука 315,8 317,2 312 305,4 260,4
Концентрация Ь^Б, % % 0,5 1 3 5 10
Рис. 2. Зависимость относительного удлинения от концентрации гексагонального нитрида бора (Ь^Б)
При прессовании с использованием энергии ультразвуковых колебаний порошок полимерного композиционного материала засыпается в пресс-форму, закрепленную на шаровой опоре. Ультразвук включается одновременно с касанием волновода-пуансона поверхности порошка. При этом ультразвуковые колебания передаются пресс-форме
и всей массе порошка. Усилие прессования составляло 54 МПа, время прессования 60 секунд, амплитуда колебаний волновода-пуансона 16 мкм. После ультразвукового прессования образцы подвергались термообработке (спеканию) при температуре 360 °С.
Соблюдая те же режимы прессования, для сравнения, изготавливали образцы по традиционной
ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК № 1 (127) 2014 МАШИНОСТРОЕНИЕ И МАШИНОВЕДЕНИЕ
МАШИНОСТРОЕНИЕ И МАШИНОВЕДЕНИЕ ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК № 1 (127) 2014
Результаты исследования модуля упругости
Е, МПа с ультразвуком 269,7 278 325,4 360,2 368,8
Е, МПа без ультразвука 197,7 203,6 242,8 295,7 298,9
Концентрация И-Ш, % 0,5 1 3 5 10
Рис. 3. Зависимость модуля упругости от концентрации гексагонального нитрида бора (Ь^Б)
технологии без воздействия ультразвуковых колебаний.
Для исследования механических свойств применялась разрывная машина Р 0,5 ГОСТ 11262-80, пошедшая аттестацию. Испытания образцов на растяжение проводились со скоростью деформации 20 мм/мин.
Результаты исследований и их обсуждение. Результаты изменения предела прочности ПТФЭ с различной концентрацией И-ИВ для двух технологий изготовления ПКМ приведены в табл. 1.
Было установлено, что зависимость предела прочности ПКМ от содержания И-ИВ для образцов, изготовленных по обычной технологии и с наложением ультразвуковых колебаний, имеют одинаковый характер с экстремумом при концентрации И-ИВ 5 масс. % (рис. 1). При этой концентрации имеют место и наибольшие значения предела прочности, которые при воздействии ультразвуковых колебаний повышаются с 24,3 МПа до 26,8 МПа, что составляет 10,3 %.
Полученные результаты изменения относительного удлинения ПТФЭ с различной концентрацией И-ИВ для двух технологий изготовления ПКМ приведены в табл. 2.
Относительное удлинение при разрыве, характеризующее пластические свойства материала, при наложении ультразвуковых колебаний снижается (рис. 2). Характер кривых для образцов изготовленных по традиционной технологии изготовления ПКМ и с наложением ультразвуковых колебаний абсолютно идентичен. Относительное удлинение для обоих способов изготовления ПКМ с увеличением концентрации нитрида бора снижается, для традиционного способа с 315, 8 до 260,4 % и с 282,5 до 231,3 % для технологии с наложением ультразвука. Наибольшее уменьшение относительного удлинения с 305,4 до 259,7 % наблюдается также при 5 масс. % и составляет 17,6 %.
Воздействие ультразвуковых колебаний на ПКМ приводит к повышению модуля упругости. Резуль-
таты изменения модуля упругости ПТФЭ с различной концентрацией И-ИВ приведены в табл. 3.
Построенные по этим результатам концентрационные зависимости приведены на рис. 3.
Анализ зависимостей модуля упругости образцов, изготовленных по обычной технологии и с наложением ультразвуковых колебаний, показал, что значительное повышение модуля упругости достигается при концентрации нитрида бора 5 масс. %. Дальнейшее повышение концентрации И-ИВ в ПТФЭ не приводит к существенному увеличению модуля упругости. Введение ультразвуковых колебаний, в ПТФЭ с 5 масс. % И-ИВ, приводит к увеличению модуля упругости на 18,1% (с 295,7 до 360,2 МПа).
Вывод. В результате проведенных исследований установлено, что модифицирование ПТФЭ гексагональным нитридом бора в количестве 5 масс. % оказывает существенное влияние на прочностные и пластические свойства ПКМ. Воздействие ультразвуковых колебаний на ПТФЭ, модифицированный нитридом бора, в процессе прессования вызывает значительное изменение механических свойств материала, при этом модуль упругости увеличивается на 18,1%, предел прочности — на 10,3 %, а относительное удлинение уменьшается на 17,6 %.
Библиографический список
1. Ударно-волновая обработка полимеров и полимерных композиций / Н. А. Адаменко [и др.] // Физика и химия обработки материалов. — 2006. — № 5. — С. 82 — 87.
2. Влияние вибромеханического воздействия на структуру и свойства полимерных мембран / Н. А. Булычев [и др.] // Материаловедение. — 2010. — № 4. — С. 3 — 8.
3. Получение халькогенидных стеклокристаллических материалов ультразвуковой обработкой стекол / Е. А. Чечет-кина [и др.] // Материаловедение. — 2011. — № 5. — С. 24 — 31.
4. Интенсификация твердофазной плунжерной экструзии наномодифицированного полиэтилена высокой плотности
ультразвуковым воздействием / Кобзев Д. Е. [и др.] // Материаловедение. — 2012. — № 4. — С. 37—40.
5. Еремин, Е. Н. Структурная модификация дисперсно-наполненного политетрафторэтилена ультразвуковым воздействием при синтезе композиционного материала / Е. Н. Еремин, Д. А. Негров // Физическая мезомеханика. — 2013. — Т. 16, № 5. - С. 95-101.
6. Машков, Ю. К. Влияние энергии ультразвуковых колебаний на структуру и свойства полимерных композиционных материалов / Ю. К. Машков, Е. Н. Еремин, Д. А. Негров // Материаловедение. — 2013. — № 3. — С. 42-45.
7. Негров, Д. А. Исследование влияния ультразвуковых колебаний на структуру и механические свойства полимерного композиционного материала / Д. А. Негров, Е. Н. Еремин // Омский научный вестник. — 2011. — № 2 (100). — С. 17 — 20.
8. Негров, Д. А. Разработка ультразвукового инструмента для изготовления изделий из полимерных композиционных материалов / Д. А. Негров, Е. Н. Еремин // Технология машиностроения. — 2012. — № 5. — С. 44 — 47.
9. Шаталова, И .Г. Физико-химические основы вибрацион-
ного уплотнения порошковых материалов / И. Г. Шаталова, П. С. Горбунов, В. И. Лихтман. — М. : Наука, 1966. — 98 с.
НЕГРОВ Дмитрий Анатольевич, кандидат технических наук, доцент (Россия), доцент кафедры «Машиностроение и материаловедение».
ЕРЕМИН Евгений Николаевич, доктор технических наук, профессор (Россия), заведующий кафедрой «Машиностроение и материаловедение», декан машиностроительного института.
ПУТИНЦЕВ Виталий Юрьевич, студент группы МТМ-212.
ПЕРЕДЕЛЬСКАЯ Ольга Андреевна, студентка группы МТМ-212.
МАТАЛАСОВА Арина Евгеньевна, студентка группы С-113.
Адрес для переписки: neqrov_d_a@mail.ru
Статья поступила в редакцию 15.01.2014 г.
© Д. А. Негров, Е. Н. Еремин, В. Ю. Путинцев, О. А. Передельская, А. Е. Маталасова
УДК 621313 С. В. ПЕТРОЧЕНКО
А. А. ФЁДОРОВ
Омский государственный университет путей сообщения
Омский государственный технический университет
ТЕХНОЛОГИЯ ПОВЫШЕНИЯ КАЧЕСТВА РАБОЧЕЙ ПОВЕРХНОСТИ КОЛЛЕКТОРОВ МАШИН ПОСТОЯННОГО ТОКА ПРИ ЕЕ МЕХАНИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКЕ
В статье представлена технология повышения качества рабочей поверхности коллекторов машин постоянного тока при ее механической обработке, включающая в себя операции по обточке коллектора и поверхностное упрочнение коллекторных пластин методом ударно-акустической обработки. Рассмотрено применение технологии при ремонте коллектора машины постоянного тока модели 2ПН100.
Ключевые слова: электрическая машина постоянного тока, коллектор, ударноакустическая обработка.
В существующей технологии механической обработки коллекторных пластин машин постоянного тока (МПТ), изготовленных из холоднотянутой меди, для достижения шероховатости Яа = 0,63 мкм применяется обтачивание токарным резцом с режущей частью из ВК8 и шлифование абразивными полотнами Р320; Р400 или брусками марки Р16, Р17Б [1].
В настоящее время обточка рабочей поверхности коллектора на установленных режимах резания инструментом из ВК8, с необоснованными значениями геометрических параметров режущей части инструмента, приводит к образованию заусенцев на кромках коллекторных пластин, снижающих коммутацию МПТ. Операция, связанная с зачисткой за-
усенцев, является весьма трудоемкой и реализуется исключительно вручную.
Наряду с обточкой процесс шлифования имеет ряд существенных недостатков, снижающих качество изготовления и ремонта МПТ, таких как:
— зерна абразивного инструмента шаржируют материал поверхностного слоя коллектора, что приводит к повышению интенсивности механического и элек-троэрозионного изнашивания коллектора и щеток [ 1];
— шлифование абразивным полотном приводит к возникновению завалов на краях пластин глубиной до 0,2 — 0,5 мм, уменьшающих площадь контакта коллектор — щетка и, как следствие, — ухудшение коммутации МПТ;
ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК № 1 (127) 2014 МАШИНОСТРОЕНИЕ И МАШИНОВЕДЕНИЕ
