Введение. Металлополимерные материалы – это олигоэфиракрилатные многокомпонентные материалы имеющие в своей основе пластичную матрицу и заполнитель. Как правило в качестве базы (матрицы) выступает модифицированная эпоксидная смола, а в качестве заполнителя может служить любой мелкодисперсный заполнитель [1, 2]. Сочетание пластичных свойств матрицы и физико-механических свойств заполнителя дает составу ряд уникальных свойств, таких как текучесть в не отвержденном состоянии, прочность и твердость в отвержденном состоянии, электропроводность или свойства изолятора, теплопроводность и многие другие свойства зависящие от того какой именно материал выбран в качестве заполнителя. Различные производители изменяя состав и пропорции компонентов добиваются получения составов находящих свое применение в различных отраслях промышленности. Чаще всего можно встретить вариант [1, 2] когда металлополимеры используют в качестве ремонтных составов, когда ремонтную деталь не представляется возможным вывести из оборудования для её ремонта или замены из-за непрерывности технологического процесса и требуется обеспечить ремонт и восстановление в составе сборочной единицы. Другим вариантом использования металлополимерных составов, является использование металлополимеров для изготовления новых изделий методом литья Кроме того, металлополимеры могут выполнять и роль защитного состава, когда поверхность изделия обрабатывается составом для придания антикоррозийных или антифрикционных свойств. Так же нередко металлополимеры используют в качестве клеевого состава при сборке различных узлов и агрегатов. Благодаря пренебрежительно низкому проценту объемной усадки металлополимерного состава, его так же используют для герметизации неподвижных соединений деталей.
При изготовлении пресс-форм для литья пластиковых изделий используют как стандартные изделия изготовленные согласно нормам взаимозаменяемости, так и специальные детали, выполненные непосредственно под то изделие которое планируется отливать в пресс-форме. Фактически производители оснастки стремятся использовать в конструкции пресс-формы унифицированные детали, объем которых может достигать до 95 % от всего комплекта деталей пресс-формы. Стоимость унифицированных деталей в цене пресс-формы составляет от 15 до 65 %. Изменения процента состава стандартных изделий во многом зависят от конструкции самого изделия которое планируется изготавливать в пресс-форме, а также от опыта и квалификации конструктора оснастки.
К специальным деталям пресс-формы чаще всего относятся формообразующие детали – матрицы и пуансоны. Именно формообразующие детали составляют наибольшую долю в стоимости всей пресс-формы, так как их изготовление является наиболее сложным технологически, а также требует соблюдения высоких точностных и размерных допусков. Формообразующие детали пресс-форм составляют наибольшую часть стоимости пресс-формы, а, следовательно, существует экономическая целесообразность переконструирования таких деталей под вновь изготавливаемые изделия в тех случаях где это возможно.
Материалы и методы. Согласно теории абразивной обработки [] разработанной сотрудниками
Основная часть. Для более простого понимания процесса шлифования необходимо разработать схему абразивной обработки комбинированной детали
На схеме б модель представлена двумя участками: 1 – участок из металлополимера, 2 – участок из металла. С учетом технологии изготовления комбинированной детали, длина металлополимерного участка должна стремиться к минимуму, с целью обеспечения максимальной теплопроводности.
Источником тепла является радиусная поверхность, в качестве начальной температуры взята температура 25 °С (Окружающая среда в цеху). Параметры шлифовального круга – материал 25А, высота круга 40 мм, диаметр круга 450 мм, а также режимы резания – глубина резания изменяется от 0,01 до 0,1 мм, продольная подача стола от 9 до 24 м/мин (0,015 до 0,4 м/с).
В таблицу 1 сведены расчеты мощности тепловыделения на всех диапазонах режимов резания [17, 18] для обоих материалов – стали и металлополимера.
Таблица 1
Значения мощности тепловыделения кВт при обработке стали 40Х13. ГОСТ 4543
(предел прочности 1840 МПа).
|
Глубина резания, мм |
|||||||||||
|
0,01 |
0,02 |
0,03 |
0,04 |
0,05 |
0,06 |
0,07 |
0,08 |
0,09 |
0,1 |
||
|
Продольная подача стола м/с |
0,015 |
87 |
103 |
113 |
122 |
129 |
134 |
140 |
144 |
148 |
152 |
|
0,03 |
123 |
145 |
161 |
172 |
182 |
190 |
197 |
204 |
210 |
215 |
|
|
0,045 |
150 |
178 |
197 |
211 |
223 |
233 |
242 |
250 |
257 |
263 |
|
|
0,06 |
173 |
206 |
227 |
244 |
257 |
269 |
279 |
288 |
296 |
304 |
|
|
0,075 |
194 |
230 |
254 |
272 |
287 |
300 |
312 |
322 |
331 |
340 |
|
|
0,09 |
212 |
252 |
278 |
298 |
315 |
329 |
342 |
353 |
363 |
372 |
|
|
0,105 |
229 |
272 |
300 |
322 |
340 |
356 |
369 |
381 |
392 |
402 |
|
|
0,12 |
245 |
291 |
321 |
344 |
364 |
380 |
395 |
408 |
419 |
430 |
|
|
0,135 |
260 |
308 |
340 |
365 |
386 |
403 |
419 |
432 |
445 |
456 |
|
|
0,15 |
274 |
325 |
359 |
385 |
407 |
425 |
441 |
456 |
469 |
481 |
|
|
0,165 |
287 |
341 |
376 |
404 |
426 |
446 |
463 |
478 |
492 |
504 |
|
|
0,18 |
300 |
356 |
393 |
422 |
445 |
466 |
483 |
499 |
513 |
527 |
|
|
0,195 |
312 |
370 |
409 |
439 |
464 |
485 |
503 |
519 |
534 |
548 |
|
|
0,21 |
324 |
384 |
425 |
456 |
481 |
503 |
522 |
539 |
555 |
569 |
|
|
0,225 |
335 |
398 |
440 |
472 |
498 |
520 |
540 |
558 |
574 |
589 |
|
|
0,24 |
346 |
411 |
454 |
487 |
514 |
538 |
558 |
576 |
593 |
608 |
|
|
0,255 |
357 |
424 |
468 |
502 |
530 |
554 |
575 |
594 |
611 |
627 |
|
|
0,27 |
368 |
436 |
482 |
517 |
545 |
570 |
592 |
611 |
629 |
645 |
|
|
0,285 |
378 |
448 |
495 |
531 |
560 |
586 |
608 |
628 |
646 |
663 |
|
|
0,3 |
387 |
460 |
508 |
545 |
575 |
601 |
624 |
644 |
663 |
680 |
|
|
0,315 |
397 |
471 |
520 |
558 |
589 |
616 |
639 |
660 |
679 |
697 |
|
|
0,33 |
406 |
482 |
532 |
571 |
603 |
630 |
654 |
676 |
695 |
713 |
|
|
0,345 |
415 |
493 |
544 |
584 |
617 |
645 |
669 |
691 |
711 |
729 |
|
|
0,36 |
424 |
503 |
556 |
597 |
630 |
658 |
683 |
706 |
726 |
745 |
|
|
0,375 |
433 |
514 |
567 |
609 |
643 |
672 |
698 |
720 |
741 |
760 |
|
|
0,39 |
442 |
524 |
579 |
621 |
656 |
685 |
711 |
735 |
756 |
775 |
|
|
0,405 |
450 |
534 |
590 |
633 |
668 |
698 |
725 |
749 |
770 |
790 |
|
Выполнив подобные вычисления для металлополимерного материала на базе паспортных данных металлополимера [2] полученные данные сведем в таблицу 2.
Для того чтобы провести конечно-элементные расчеты необходимо также выполнить расчеты времени цикла нагрева и охлаждения согласно выражения (1). Расчетные данные также сведем в таблицу 3.
Таблица 2
Значения мощности (кВт) тепловыделения при обработке металлополимера, наполненного алюминием (предел прочности 140 МПа)
|
Глубина резания, мм |
|||||||||||
|
0,01 |
0,02 |
0,03 |
0,04 |
0,05 |
0,06 |
0,07 |
0,08 |
0,09 |
0,1 |
||
|
Продольная подача стола |
0,015 |
7 |
8 |
9 |
9 |
10 |
10 |
11 |
11 |
11 |
12 |
|
0,03 |
9 |
11 |
12 |
13 |
14 |
14 |
15 |
16 |
16 |
16 |
|
|
0,045 |
11 |
14 |
15 |
16 |
17 |
18 |
18 |
19 |
20 |
20 |
|
|
0,06 |
13 |
16 |
17 |
19 |
20 |
20 |
21 |
22 |
23 |
23 |
|
|
0,075 |
15 |
17 |
19 |
21 |
22 |
23 |
24 |
25 |
25 |
26 |
|
|
0,09 |
16 |
19 |
21 |
23 |
24 |
25 |
26 |
27 |
28 |
28 |
|
|
0,105 |
17 |
21 |
23 |
25 |
26 |
27 |
28 |
29 |
30 |
31 |
|
|
0,12 |
19 |
22 |
24 |
26 |
28 |
29 |
30 |
31 |
32 |
33 |
|
|
0,135 |
20 |
23 |
26 |
28 |
29 |
31 |
32 |
33 |
34 |
35 |
|
|
0,15 |
21 |
25 |
27 |
29 |
31 |
32 |
34 |
35 |
36 |
37 |
|
|
0,165 |
22 |
26 |
29 |
31 |
32 |
34 |
35 |
36 |
37 |
38 |
|
|
0,18 |
23 |
27 |
30 |
32 |
34 |
35 |
37 |
38 |
39 |
40 |
|
|
0,195 |
24 |
28 |
31 |
33 |
35 |
37 |
38 |
40 |
41 |
42 |
|
|
0,21 |
25 |
29 |
32 |
35 |
37 |
38 |
40 |
41 |
42 |
43 |
|
|
0,225 |
26 |
30 |
33 |
36 |
38 |
40 |
41 |
42 |
44 |
45 |
|
|
0,24 |
26 |
31 |
35 |
37 |
39 |
41 |
42 |
44 |
45 |
46 |
|
|
0,255 |
27 |
32 |
36 |
38 |
40 |
42 |
44 |
45 |
47 |
48 |
|
|
0,27 |
28 |
33 |
37 |
39 |
42 |
43 |
45 |
47 |
48 |
49 |
|
|
0,285 |
29 |
34 |
38 |
40 |
43 |
45 |
46 |
48 |
49 |
50 |
|
|
0,3 |
29 |
35 |
39 |
41 |
44 |
46 |
47 |
49 |
50 |
52 |
|
|
0,315 |
30 |
36 |
40 |
42 |
45 |
47 |
49 |
50 |
52 |
53 |
|
|
0,33 |
31 |
37 |
41 |
43 |
46 |
48 |
50 |
51 |
53 |
54 |
|
|
0,345 |
32 |
37 |
41 |
44 |
47 |
49 |
51 |
53 |
54 |
55 |
|
|
0,36 |
32 |
38 |
42 |
45 |
48 |
50 |
52 |
54 |
55 |
57 |
|
|
0,375 |
33 |
39 |
43 |
46 |
49 |
51 |
53 |
55 |
56 |
58 |
|
|
0,39 |
34 |
40 |
44 |
47 |
50 |
52 |
54 |
56 |
58 |
59 |
|
|
0,405 |
34 |
41 |
45 |
48 |
51 |
53 |
55 |
57 |
59 |
60 |
|
Таблица 3
Величина цикла нагрева-охлаждения, мс.
|
Глубина резания, мм |
|||||||||||
|
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
8 |
9 |
10 |
||
|
0,01 |
0,02 |
0,03 |
0,04 |
0,05 |
0,06 |
0,07 |
0,08 |
0,09 |
0,1 |
||
|
Продольная подача стола м/с |
0,015 |
141 |
200 |
245 |
283 |
316 |
346 |
374 |
400 |
424 |
447 |
|
0,03 |
71 |
100 |
123 |
141 |
158 |
173 |
187 |
200 |
212 |
224 |
|
|
0,045 |
47 |
67 |
82 |
94 |
105 |
116 |
125 |
133 |
141 |
149 |
|
|
0,06 |
35 |
50 |
61 |
71 |
79 |
87 |
94 |
100 |
106 |
112 |
|
|
0,075 |
28 |
40 |
49 |
57 |
63 |
69 |
75 |
80 |
85 |
89 |
|
|
0,09 |
24 |
33 |
41 |
47 |
53 |
58 |
62 |
67 |
71 |
75 |
|
|
0,105 |
20 |
29 |
35 |
40 |
45 |
50 |
54 |
57 |
61 |
64 |
|
|
0,12 |
18 |
25 |
31 |
35 |
40 |
43 |
47 |
50 |
53 |
56 |
|
|
0,135 |
16 |
22 |
27 |
31 |
35 |
39 |
42 |
44 |
47 |
50 |
|
|
0,15 |
14 |
20 |
25 |
28 |
32 |
35 |
37 |
40 |
42 |
45 |
|
|
0,165 |
13 |
18 |
22 |
26 |
29 |
32 |
34 |
36 |
39 |
41 |
|
|
0,18 |
12 |
17 |
20 |
24 |
26 |
29 |
31 |
33 |
35 |
37 |
|
|
0,195 |
11 |
15 |
19 |
22 |
24 |
27 |
29 |
31 |
33 |
34 |
|
|
0,21 |
10 |
14 |
18 |
20 |
23 |
25 |
27 |
29 |
30 |
32 |
|
|
0,225 |
9 |
13 |
16 |
19 |
21 |
23 |
25 |
27 |
28 |
30 |
|
|
0,24 |
9 |
13 |
15 |
18 |
20 |
22 |
23 |
25 |
27 |
28 |
|
|
0,255 |
8 |
12 |
14 |
17 |
19 |
20 |
22 |
24 |
25 |
26 |
|
|
0,27 |
8 |
11 |
14 |
16 |
18 |
19 |
21 |
22 |
24 |
25 |
|
|
0,285 |
7 |
11 |
13 |
15 |
17 |
18 |
20 |
21 |
22 |
24 |
|
|
0,3 |
7 |
10 |
12 |
14 |
16 |
17 |
19 |
20 |
21 |
22 |
|
|
0,315 |
7 |
10 |
12 |
14 |
15 |
17 |
18 |
19 |
20 |
21 |
|
|
0,33 |
6 |
9 |
11 |
13 |
14 |
16 |
17 |
18 |
19 |
20 |
|
|
0,345 |
6 |
9 |
11 |
12 |
14 |
15 |
16 |
17 |
18 |
19 |
|
|
0,36 |
6 |
8 |
10 |
12 |
13 |
14 |
16 |
17 |
18 |
19 |
|
|
0,375 |
6 |
8 |
10 |
11 |
13 |
14 |
15 |
16 |
17 |
18 |
|
|
0,39 |
5 |
8 |
9 |
11 |
12 |
13 |
14 |
15 |
16 |
17 |
|
|
0,405 |
5 |
7 |
9 |
11 |
12 |
13 |
14 |
15 |
16 |
17 |
|
Для расчетов использовалось ПО ELCUT 6.1., а также рекомендации [19, 20]. Порядок расчета:
- На первом этапе была составлена геометрическая модель толщиной 40 мм в соответствии с данными из таблицы 1 и таблицы 2.
- На втором этапе были внесены данные о материалах: металлополимера – плотность 1850 кг/м3; теплоёмкость 7,5 Дж/кг·К [18]; теплопроводность 0,3 Вт/К·м; Сталь 40Х13 – плотность 7850 кг/м3; теплоёмкость 400 Дж/кг·К; теплопроводность 385 Вт/К·м.
- В третью очередь были указаны начальные условия – температура 298 К.
- Далее обозначено место (грань модели) по которой производился нагрев.
- В заключении был выполнен сам расчет. Значение максимальных температур (К) были записаны в таблицу 4.
Для примера на рис. 3 показана геометрическая модель при глубине резания 0,1 мм.
Сами же результаты расчета методом конечных элементов и диаграммы температурных полей представлены на рис. 4. (глубина резания 0,1 мм, скорость резания 0,015 м/с.)
Необходимо отметить следующее наблюдение, так при моделировании нагрева комбинированного образца было установлено, что нагрев металлополимера от металлической части образца затруднен, так как металл обладает более высоким коэффициентом теплопроводности по сравнению с металлополимером, именно поэтому в дальнейшем исследования комбинированного образца не проводилось, а все внимание было уделено металлополимерному образцу.
Данные по исследованию металлополимерного образца были сведены в таблицу 4.
Таблица 4
Максимальное значение температуры металлополимера, °К.
|
Глубина резания, мм |
|||||||||||
|
0,01 |
0,02 |
0,03 |
0,04 |
0,05 |
0,06 |
0,07 |
0,08 |
0,09 |
0,1 |
||
|
Продольная подача стола м/с |
0,015 |
299 |
301 |
304 |
307 |
309 |
310 |
311 |
311 |
312 |
311 |
|
0,03 |
299 |
301 |
304 |
307 |
309 |
310 |
311 |
312 |
312 |
312 |
|
|
0,045 |
300 |
302 |
304 |
307 |
309 |
311 |
312 |
312 |
312 |
312 |
|
|
0,06 |
300 |
302 |
305 |
307 |
309 |
311 |
312 |
312 |
312 |
312 |
|
|
0,075 |
300 |
302 |
305 |
307 |
309 |
311 |
312 |
312 |
312 |
312 |
|
|
0,09 |
300 |
302 |
305 |
307 |
309 |
311 |
312 |
312 |
312 |
312 |
|
|
0,105 |
300 |
302 |
305 |
308 |
309 |
311 |
312 |
312 |
312 |
312 |
|
|
0,12 |
300 |
302 |
305 |
308 |
310 |
311 |
312 |
312 |
313 |
312 |
|
|
0,135 |
300 |
302 |
304 |
307 |
309 |
311 |
312 |
312 |
312 |
312 |
|
|
0,15 |
300 |
302 |
305 |
307 |
309 |
311 |
312 |
312 |
312 |
312 |
|
|
0,165 |
300 |
302 |
305 |
307 |
309 |
311 |
312 |
312 |
312 |
312 |
|
|
0,18 |
300 |
302 |
305 |
307 |
309 |
311 |
312 |
312 |
312 |
312 |
|
|
0,195 |
300 |
302 |
305 |
308 |
309 |
311 |
312 |
312 |
312 |
312 |
|
|
0,21 |
300 |
302 |
305 |
308 |
310 |
311 |
312 |
312 |
313 |
312 |
|
|
0,225 |
300 |
302 |
305 |
308 |
310 |
311 |
312 |
313 |
313 |
313 |
|
|
0,24 |
301 |
303 |
305 |
308 |
310 |
312 |
313 |
313 |
313 |
313 |
|
|
0,255 |
301 |
303 |
306 |
309 |
311 |
312 |
313 |
313 |
314 |
313 |
|
|
0,27 |
302 |
304 |
306 |
309 |
311 |
313 |
314 |
314 |
314 |
314 |
|
|
0,285 |
302 |
304 |
307 |
310 |
312 |
313 |
314 |
314 |
315 |
314 |
|
|
0,3 |
303 |
305 |
307 |
310 |
312 |
314 |
315 |
315 |
315 |
315 |
|
|
0,315 |
303 |
305 |
308 |
311 |
313 |
314 |
315 |
315 |
316 |
315 |
|
|
0,33 |
304 |
306 |
308 |
311 |
313 |
315 |
316 |
316 |
316 |
316 |
|
|
0,345 |
304 |
306 |
309 |
312 |
314 |
315 |
316 |
316 |
317 |
316 |
|
|
0,36 |
305 |
307 |
309 |
312 |
314 |
316 |
317 |
317 |
317 |
317 |
|
|
0,375 |
305 |
307 |
310 |
313 |
315 |
316 |
317 |
317 |
318 |
317 |
|
|
0,39 |
306 |
308 |
310 |
313 |
315 |
317 |
318 |
318 |
318 |
318 |
|
|
0,405 |
306 |
308 |
311 |
313 |
315 |
317 |
318 |
318 |
318 |
318 |
|
Проведенные расчеты позволили получить номограммы (рис. 5) взаимосвязи температуры металлополимера при плоском шлифовании периферией круга от глубины резания и подачи стола.
Проведенные теоретические расчеты позволяют сделать вывод, что даже при максимальных значениях подачи и глубины резания, тех что позволяет диапазон регулирования станка и рекомендации при обработке стальной детали, металлополимерный темплет не нагревается до температуры деструкции матрицы, что могло бы привести к нарушению целостности детали и поменять его физико-механические свойства.
С целью обеспечения достоверности расчетных данных также был поставлен эксперимент по шлифованию металлополимерного темплета на станке 3Б722 с теми же исходными данными, что были использованы для теоретических расчетов.
Обработка результатов эксперимента производилась с использованием программного продукта SmartView 3.7.19.0, позволяющего покадрово производить анализ записанных данных (рис. 6), что несмотря на высокий градиент рассеивания тепла в зоне резания, всё же позволило зафиксировать достоверные данные.
Распределение температурных полей тепловизора Ti400 показано на рис. 7.
На рис. 7 можно видеть диаграмму распределения температур при шлифовании металлополимерного образца, со следующими режимами резания: продольная подача стола 13,5 м/мин, глубина резания 0,08 мм. Анализируя диаграмму можно установить, что максимальная температура в зоне резания соответствует значению 39,1 °С. Проведя ряд замеров и обработав результаты эксперимента, получили следующие данные (табл. 5).
Таблица 5
Экспериментальные значения температур металлополимера при шлифовании
|
Глубина резания, мм |
||||
|
0,01 |
0,05 |
0,08 |
||
|
Продольная подача стола, м/с |
0,045 |
26,6 |
35,7 |
38,8 |
|
0,225 |
27,1 |
36,4 |
39,3 |
|
|
0,405 |
32,6 |
41,9 |
45,1 |
|
Выводы. В исследовании были проведены теоретические расчеты и эксперементальные исследования, которые позволили установить, что на всем диапазоне изменения режимов резания при шлифовании металлополимерного образца температура в зоне резания при обработке металлополимера плоским шлифованием периферией круга не достигает критических значений, приводящих к разрушению его матрицы. Максимальная зарегистрированная температура составила 46°С, тогда как предельное значение температуры для металлополимера 220°С. Таким образом было доказано, что металлополимер возможно обработать на тех режимах резания которые устанавливаются технологом для обработки стальной детали и основной задачей, стоящей перед конструктором теперь будет являться назначение тех режимов резания из исследованного диапазона, которые обеспечат требуемую шероховатость и размерную точность формообразующей детали пресс-формы.



