Технические науки/4. Транспорт

к.т.н. Лахно А.В., к.т.н. Аношкин П.И., к.т.н. Рылякин Е.Г., , Долгова Л.А.

Пензенский государственный университет архитектуры и строительства

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИИ ПРОИЗВОДСТВА АВТОМОБИЛЬНЫХ ПОЛИМЕРНЫХ КОМПОЗИТОВ

Технический прогресс вызывает необходимость создания новых высокоэффективных полимерных материалов, используемых в автомобильной промышленности.

Новые материалы, появляющиеся вследствие стремления к совершенствованию существующих конструкций и изделий, открывают возможности для реализации перспективных конструктивных решений и технологических процессов. В настоящее время перспективы прогресса в автомобилестроении неразрывно связаны с разработкой и широким внедрением полимерных композиционных материалов (ПКМ) в производство.

Разработки и исследования отечественных и зарубежных ученых показали большие перспективы получения композиционных материалов на основе модифицированных эпоксидных и полиэфирных смол. Благодаря уникальному комплексу эксплуатационных свойств эпоксидные, полиэфирные и эпоксиполиуретановые композиционные материалы (КМ) нашли широкое применение при производстве защитных покрытий, плиточных материалов, прокладок, сайлентблоков, втулок, объемных элементов корпуса автомобиля и т.д.

В процессе производства изделий из полимерных КМ повышенной точности, сложной конфигурации, а также при малых объёмах производства, когда использование трудоёмкой и дорогостоящей технологической оснастки (пресс-форм) экономически нецелесообразно, применяют механическую обработку резанием. Во многих случаях детали повышенной точности и высокого качества могут быть получены только механической обработкой – точением, сверлением и фрезерованием.

Современной тенденцией развития производства подобных материалов и элементов является повышение их технологичности за счёт увеличения габаритных размеров и использования механической обработки для получения готового изделия.

Для повышения эффективности производства и достижения высокого качества автомобильных изделий из полимерных КМ, необходима разработка моделей, позволяющих прогнозировать их физико-механические свойства и производить расчёты технологических параметров механической обработки заготовок. Решение данной задачи связано с расчётом параметров физико-механических свойств и нахождением оптимальных технологических показателей (S - подача, V - скорость, t - глубина резания) механической обработки КМ [1].

Определим влияние механической обработки на физико-механические свойства дисперсно-наполненных КМ. Известно, что физико-механические свойства необработанных образцов выше, чем обработанных. С увеличением технологических параметров механической обработки происходит снижение прочностных и упругих характеристик КМ.

В этой связи механическую обработку эпоксидных, полиэфирных, эпоксиполиуретановых композитов следует вести с такими геометрическими параметрами режущего инструмента и технологическими режимами (V - скорость механической обработки, S - подача, t - глубина резания), при которых R_a=2-8 мкм (R_a - средняя величина микронеровностей поверхностей).

При механической обработке термореактивных наполненных композитов происходит деструкция полимерного вяжущего и разрушение дисперсного наполнителя (рис. 1). В результате этих процессов образуется деструктировано-диспергированный слой, ухудшающий эксплуатационные характеристики изделий полимерных композитов.

а)

б)

Рисунок 1 – Внешний вид поверхностей КМ, полученных механической обработкой (а) на входе сверла (х3) и (б) на внутренней поверхности (х20): (ЭД - 20 - 100 мас.ч., ПЭПА - 11 мас.ч., ДБФ - 5 мас.ч., наполнитель =0,3):

1-сколы; 2 - отверстие Æ15; 3 - полимерный КМ; 4 – трещина

Деструктированный слой образуется под действием механических напряжений, теплоты и окислительных процессов поверхностного слоя, претерпевшего механохимические превращения полимера и диспергирование наполнителя.

При контактном взаимодействии полимера с металлом (инструментом) возбуждается механохимический процесс, повышающий кинетическую активность системы. Данный процесс протекает с массовым образованием свободных радикалов за счет разрыва ковалентных связей макромолекул.

В процессе механической обработки контакт ювенильных поверхностей металла и полимера, приводит, с одной стороны, к пластифицированию металлической поверхности, а с другой – к углублению процесса деструктирования макромолекул, вызываемого каталитическим действием металла.

Наличие кислорода резко изменяет механизм и скорость деструктивных процессов. Интенсивные окислительные процессы, происходящие в зоне обработки, углубляют процесс деструкции полимера.

В результате деструкции в зоне механической обработки образуются продукты деструкции - это метиленовая, гидроксильная, карбонильная и альдегидная группы, углеводные комбинации, являющиеся поверхно-активными веществами, вызывающие специфический вид износа инструмента. Также выделяются токсичные летучие вещества.

Изменение эксплуатационных характеристик поверхностного слоя эпоксидного, полиэфирного, эпоксиполиуретанового композита зависит от глубины деструкции. На величину и интенсивность деструктивных процессов влияет главным образом теплота, выделяемая в зоне резания и механическое воздействие, приводящее к разрыву молекулярных цепей полимера [1,2].

При механической обработке полимерных композитов под действием больших локальных механических напряжений, высокой температуры, превышающей теплостойкость органических составляющих материала, и интенсивных окислительных процессов происходит деструкция полимера, приводящая к ухудшению эксплуатационных свойств поверхностного слоя материала. Продукты деструкции, являющиеся ПАВ (поверхностно-активными веществами), ускоряют процесс изнашивания режущего инструмента.

На рис. 2 представлена структура поверхностного слоя термореактивного композита после механической обработки. Видно, что значительное влияние на качество получаемых автомобильных изделий из термореактивных композитов оказывает и S_уд.

При малом свойства эпоксидного, полиэфирного и эпокисполиуретановых КМ, в основном, определяются матричным материалом, обладающим значительной хрупкостью. В связи со значительной механодеструкцией низконаполненных КМ диапазон режимных параметров варьируется в пределах: n=250-1000 об/мин (n – частота вращения шпинделя) и S = 0,1…0,2 мм/об. Шероховатость получаемых поверхностей удовлетворительная (R_a мкм), а износ инструмента значителен.

Рисунок 2 – Схема деструктированного поверхностного слоя термореактивного КМ:

1-адсорбированная пленка; 2 - модифицированный слой; 3 - уплотненный, собственно деструктированный слой; 4 - раздробленный и разрыхленный слой; 5 - переходной слой; 6 - исходная структура материала [1].

При =0,1…0,16 вследствие неоднородности строения термореактивных композитов и различной твердости их составных частей невозможно достижение низкой шероховатости (R_a мкм). При этом сужается диапазон режимных параметров n = 250…500 об/мин и S=0,1…0,2 мм/об.

При образуется первичный перколяционный каркас, приводящий к росту прочности эпоксидных, полиэфирных и эпоксиполиуретановых композитов. Расширяется диапазон эффективных режимных параметров n = 250…1400 об/мин и S=0,1…0,28 мм/об, позволяющих достичь высокого качества обработанных поверхностей (R_a мкм). В связи с увеличением количества отводимой теплоты стружкой и непрерывного характера механической обработки износ инструмента уменьшается.

Большое влияние на качество получаемых автомобильных изделий из полимерных композитов оказывает S_уд. С ростом удельной поверхности качество обработанных поверхностей улучшается (снижается шероховатость, уменьшается количество сколов и трещин), а также снижается износ инструмента. Данный эффект обусловлен увеличением прочностных и упругих свойств, снижением внутренних напряжений.

Следовательно, обработанные эпоксидные и эпоксиполиуретановые наполненные композиты обладают более высокими качественными показателями, чем полиэфирные. Данный эффект обусловлен более высокими прочностными, упругими и адгезионными свойствами эпоксидных и эпоксиполиуретановых композитов. В этой связи механическую обработку полиэфирных композитов следует вести при малых подачах и высоких скоростях резания, в отличие от эпоксидных и эпоксиполиуретановых КМ.

Литература:

1. Шафигуллин, Л. Н. Исследование высокотехнологичных композиционных материалов с заданными физико-механическими свойствами для изделий машиностроения [Текст] / Л. Н. Шафигуллин. Дисс... канд. техн. наук. – Наб. Челны. 2009. – 227 с.

2. Синергетика композитных материалов [Текст] / В.И. Соломатова
[и др.]. – Липецк: НПО «ОРИУС», 1994. – 153 c.