автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.01, диссертация на тему:Исследование высокотехнологичных композиционных материалов с заданными физико-механическими свойствами для изделий машиностроения

003488248

На правах рукописи

Шафигуллин Ленар Нургалеевич

ИССЛЕДОВАНИЕ ВЫСОКОТЕХНОЛОГИЧНЫХ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ С ЗАДАННЫМИ ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИМИ СВОЙСТВАМИ ДЛЯ ИЗДЕЛИЙ МАШИНОСТРОЕНИЯ

Специальность 05.02.01 - Материаловедение (машиностроение)

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук

1 0 ДМ /009

Набережные Челны - 2009

003488248

Работа выполнена в государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Камская государственная инженерно-экономическая академия».

Научный руководитель - доктор технических наук, доцент

Жарин Денис Евгеньевич Официальные оппоненты - доктор технических наук, профессор

Розен Андрей Евгеньевич кандидат технических наук, доцент Лахно Александр Викторович

Ведущая организация - Технологический центр ОАО «КАМАЗ»

Защита состоится_26_декабря_2009 г. в _1400_ часов на заседании диссертационного совета Д 212.309.01 в ГОУ ВПО Камской государственной инженерно-экономической академии по адресу: 423810, г. Набережные Челны, пр. Мира, 68/19.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГОУ ВПО Камской государственной инженерно-экономической академии

Автореферат разослан «_25_»_ноября_ 2009 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, доктор технических наук

Л.А. Симонова

Актуальность. Современное машиностроение требует разработки новых полимерных композиционных материалов с улучшенными характеристиками.

Благодаря уникальному комплексу эксплуатационных свойств композиционные материалы на основе полимеров нашли ,широкое применение в машиностроении при производстве защитных покрытий, стеклопластиков, фасонных изделий, футеровочных плит для защиты металлических конструкций от воздействия агрессивных сред и ударных нагрузок, элементов станочной системы (станин, направляющих, подрезцовых пластин и державок токарных резцов), а также для восстановления и усиления конструкций и омоноличивания сборных элементов.

Футеровочные плиты и элементы фитинговых систем из полимерных композиционных материалов в процессе своей эксплуатации испытывают различные внешние нагрузки (статические, динамические, ударные), а также действие агрессивных сред (вода, смазочно-охлаждающая жидкость, кислые и щелочные среды), снижающих их физико-механические свойства и приводящих к преждевременному выходу из строя готовых изделий.

В процессе изготовления и применения полимерных композиционных материалов возникает необходимость их механической обработки: резки, фрезерования, сверления. Механическую обработку резанием используют для обеспечения повышенной точности геометрических размеров изделий, при их сложной конфигурации, а также при малых объемах производства, когда использование трудоемкой и дорогостоящей технологической оснастки (пресс-форм) экономически нецелесообразно.

Применение механической обработки в сочетании с оптимизацией составов полимерных композиционных материалов с заданными физико-механическими свойствами отвечает современным требованиям повышения технологичности производства изделий в машиностроении.

С целью повышения эффективности производства и достижения высокого качества изделий из полимерных композиционных материалов необходима разработка моделей, позволяющих оптимизировать их технологические и физико-механические свойства. Решение данной задачи связано с расчетом параметров физико-механических свойств и оптимизацией технологических показателей механической обработки композиционных материалов.

Цель и задачи работы. Целью диссертационной работы является исследование высокотехнологичных композиционных материалов с заданными физико-механическими свойствами для изделий машиностроения.

Достижение поставленной цели потребовало решения следующих задач:

- исследование основных физико-механических свойств полимерных композиционных материалов и выявление закономерностей изменения деформационно-прочностных и коррозионных показателей композиционных материалов на различных смолах (эпоксидных, полиэфирных) в зависимости от вида и концентрации однокомпонентных и комплексных модифицирующих добавок, объёмного содержания, вида наполнителей и их дисперсности для производства изделий в машиностроении;

- исследование влияния режимов механической обработки и агрессивных сред на физико-механические и технологические свойства эпоксидных, полиэфирных, эпоксиполиуретановых композитов;

- разработка достоверных прогнозных моделей влияния рецептурно-технологических факторов на физико-механические свойства полимерных композитов с последующей реализацией в системе автоматизированного проектирования составов полимерных композиционных материалов;

- разработка алгоритмов расчета высокотехнологичных составов композиционных материалов с заданными физико-механическими свойствами, с последующим созданием экспертных подсистем «Расчёт режимов механической обработки полимерных композиционных материалов» и «Прогнозирование и оптимизация физико-механических свойств полимерных композиционных материалов»;

- разработка высокотехнологичных составов композиционных материалов для производства фасонных изделий (фитинги, уголки и т.п.) и футеровочных плит;

- практическое внедрение результатов исследований.

Научная новизна:

- установлены закономерности влияния составов (содержание связующих, модифицирующих компонентов и наполнителей) и технологических факторов на физико-механические и коррозионные свойства полимерных композиционных материалов, предназначенных для получения фасонных изделий и футеровочных плит;

- уточнены модели расчета технологических показателей процесса производства изделий для машиностроения из композиционных материалов, учитывающие их эксплуатационные свойства;

- создана методика расчета оптимальных составов полимерных композиционных материалов, учитывающая закономерности изменения физико-механических, технологических свойств композиционных материалов и их стойкости к агрессивным средам на основе методов многокритериальной оптимизации.

Практическая значимость:

- установлено влияние технологических параметров обработки на физико-механические свойства, структуру и качество полимерных композиционных материалов;

- разработана эффективная двухкомпонентная модифицирующая добавка (полиизоцианата (5 мас.ч) и простого полиэфира (5 мас.ч)) для эпоксидных композитов, позволяющая существенно повысить физико-механические, технологические свойства и качество композиционных материалов, полученных механической обработкой;

- получены оптимальные составы изделий из полимерных композиционных материалов (фасонные изделия, футеровочные плиты) с использованием механической обработки;

- разработан алгоритм автоматизированной системы оптимизации составов, структуры, свойств полимерных композиционных материалов с высокими физико-механическими и технологическими показателями;

- разработана система автоматизированного проектирования и создания полимерных композиционных материалов с заданными физико-механическими свойствами и высоким качеством обработанных поверхностей.

Внедрение результатов исследований:

Результаты исследований нашли свое отражение при изготовлении элементов фитинговых систем из дисперсно-наполненных и волокнистых полимерных композитов в ООО «РенБизнесАвто», а также в ООО «Фарнас - Транссервис» при производстве футеровочных плит и элементов станочной системы в ЗАО «Камский завод Автоагрегатцентр».

Апробации работы:

Результаты выполненной работы обсуждались на таких научно-технических конференциях: II Всероссийская конференция «Теория и практика повышения эффективности строительных материалов» (Пенза, 2007 г.); Международная научно-техническая конференция «Современные строительные материалы, конструкции и технологии. Система менеджмента качества (CMC) серии ISO 9000 на предприятиях» (Новосибирск, 2008 г.); Международная научно-практическая конференция «Современные направления теоретических и прикладных исследований 2008» (Одесса, 2008 г.); VII Конгресс технологов автомобилестроения (Москва, 2008 г.); VIII Конгресс технологов автомобилестроения (Москва, 2008 г.).

На защиту выносятся:

- оптимальные составы высокотехнологичных композиционных материалов для получения материалов высокого качества с заданными физико-механическими свойствами;

- закономерности разрушения и деформирования эпоксидных, полиэфирных и эпоксиполиуретановых композиционных материалов при различных видах на-гружения;

- модели прогнозирования и оптимизации физико-механических, технологических свойств композиционных материалов и их составов в зависимости от концентрации матричных компонентов, дисперсности и объёмного содержания наполнителей;

- состав двухкомпонентной модифицирующей добавки для эпоксидных композиционных материалов, состоящей из простого полиэфира и полиизоциана-та, позволяющей повысить физико-механические и технологические свойства полимерных композитов и качество обработанных поверхностей;

- система автоматизированного проектирования высокотехнологичных полимерных композиционных материалов с заданными физико-механическими свойствами, полученных механической обработкой.

Достоверность результатов работы заключается в использовании при испытаниях композиционных материалов, механического оборудования и измерительной аппаратуры, способных точно регистрировать необходимые параметры с минимальными погрешностями. Количественные результаты исследований обработаны с применением аппроксимирующих функций (степенных, экспоненциальных, полиномиальных и др.), корреляционного и регрессионного анализа. Достоверность полученных аналитических зависимостей подтверждена испытаниями

большого количества различных видов и составов полимерных композиционных материалов и высокой степенью сходимости экспериментальных и расчётных данных с применением статистической обработки.

Публикации:

По результатам выполненных исследований опубликовано 18 работ, в том числе 5 статей в журналах, входящих в перечень ВАК.

Автор выражает особую благодарность академику РААСН, д.т.н., профессору Соколовой Ю.А., член-корр. РААСН, д.т.н., профессору Бобрышеву А.Н. за оказанную помощь при подготовке диссертационной работы.

Структура и объём работы:

Диссертация состоит из введения; пяти глав, основных выводов, списка использованных источников и литературы из 158 наименований и приложений. Работа изложена на 188 страницах машинописного текста, содержит 81 рисунков и 23 таблицы.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность проблемы, сформулированы цели исследований и основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе приводится литературный обзор исследований отечественных и зарубежных авторов, посвященных изучению свойств и структуры эпоксидных, полиэфирных, эпоксиполиуретановых композиционных материалов и методов оптимизации их составов. Рассмотрены полимерные композиционные материалы, используемые для получения фасонных изделий, футеровочных плит.

Отмечается вклад в исследование этих проблем Н.К. Барамбойма, Ю.В. Барановского, А.Н. Бобрышева, Г.И. Грановского, А. Кабаяши, Ю.А. Соколовой, В.И. Соломатова, В.Г. Хозина, Б.П. Штучного, П.И. Ящерицына и других учёных.

Рассматриваются проблемы прогнозирования и оптимизации физико-механических свойств композитов, формирование их структуры, проблемы моделирования процессов механической обработки, выделяются факторы, влияющие на эффективность процесса механической обработки функциональных композиционных материалов.

Рассмотрено влияние топологических особенностей термореактивных композиционных материалов, природы отвердителей и различных способов модификации на физико-механические и технологические свойства матричных и наполненных композитов.

Обоснованы выбор эпоксидных, полиэфирных, эпоксиполиуретановых материалов и область их применения в машиностроении. Отмечено, что благодаря уникальному комплексу эксплуатационных свойств эпоксидные и полиэфирные смолы находят широкое применение в качестве связующего для получения композиционных материалов.

Рассмотрены методы оптимизации составов полимерных наполненных композитов, учитывающие физико-механические и технологические свойства, а также стоимостные критерии.

Проанализирована классификация фасонных изделий и футеровочных плит в зависимости от номенклатуры, условий эксплуатации, назначения и вида связующего. Рассмотрены существующие методы изготовления заготовок и деталей из полимерных наполненных композиционных материалов.

В процессе их производства и применения используют механическую обработку: фрезерование, сверление, развертывание, нарезание резьбы, шлифование, зачистку поверхности. Фрезерование и сверление деталей из композиционных материалов являются наиболее распространенными операциями, применяемыми при обработке плоских и фасонных поверхностей, пазов, уступов, фасок, выполнения технологических отверстий. Процесс резания полимерных материалов существенным образом отличается от процесса резания металлов в связи со специфическими свойствами обрабатываемых композиционных материалов, связанных с их анизотропией свойств и малой теплопроводностью. В процессе механической обработки под действием механических и термических нагрузок происходит деструкция композиционных материалов, негативно влияющая на качество получаемых изделий.

В соответствии с современными тенденциями развития производства изделий и деталей из композиционных материалов в машиностроении эффективным представляется их изготовление с использованием механической обработки.

Во второй главе приведены характеристики применяемых материалов. Экспериментальные исследования проводили на эпоксидных, полиэфирных, эпоксиполиуретановых композитах.

В качестве исходных материалов в работе использовали: эпоксидную смолу ЭД-20 (ГОСТ 10587-84), дибутилфталат (ДБФ) (ГОСТ 8728-88), полиэтиленпо-лиамин (ПЭПА) ТУ 2413-357-00203447-99, полиэфирную смолу 540-М 888, пе-роксид №1 (раствор перекиси метилэтилкетона в диметилфталате), простой полиэфир (Сарэл А-04) и полиизоцианат (Сарэл Б-04). Наполнителями композиционных материалов служили: диабаз (ри=2900 кг/м3, 5^=80 -г- 780 м2/кг), маршалит (р„=2650 кг/м3, 5уд=80 * 780 м2/кг), ПЦ 400 ДФ (ри=3100 кг/м3, 5уд=80 + 780 м2/кг), аэросил А 300 (5^=80 4-780 м2/кг), гранитный порошок (ра=2650 кг/м3, 5^=150 м2/кг) и полиамидное волокно (с1(=15мкм, 1=6 мм) (Sya - удельная поверхность наполнителя; 9- объёмное содержание наполнителя).

Оценка физико-механических свойств и коррозионной стойкости композиционных материалов в воде и в СОЖ (смазочно-охлаждающая жидкость) проводилась по измеренным величинам динамического модуля упругости Еа, предела прочности на растяжение при изгибе Rlan предела прочности при одноосном сжатии Лсж, твёрдости по Бринеллю НВ6р, твёрдости по Гепплеру НВГ, условно-мгновенного модуля упругости Е0, равновесного модуля упругости Еуъ, ударной вязкости А, массопоглощению mh коэффициенту химической стойкости А'хс согласно действующим ГОСТам и нормативным документам.

Исследования режимов механической обработки образцов из композиционных материалов при фрезеровании и сверлении проводили на вертикально-фрезерном станке модели 6Р11ФЗ, с применением цилиндрических фрез Р18 0 15-32 мм, и на вертикально-сверлильном станке модели 2С132, с применением

сверл Р6М5 0 5-20 мм (ГОСТ 11902-77) (п - частота вращения шпинделя, 5 - подача, & - подача на зуб фрезы).

Испытания образцов из композиционных материалов, полученных механической обработкой с использованием осевого инструмента, проводили на образцах, поверхность которых предварительно фрезеровалась с различными режимами резания для получения вариации микронеровностей поверхности.

В третьей главе приведены результаты экспериментальных исследований физико-механических свойств, технологических параметров и качества обработанных поверхностей (Ла - средняя величина микронеровностей) композиционных материалов.

Экспериментальным путём подтверждена эффективность модифицирования эпоксидных композиционных материалов, как однокомпонентными добавками (ДБФ, Сарэл Б-04, Сарэл А-04), так и двухкомпонентными (простой поли-эфир+полиизоцианат). Процесс приготовления двухкомпонентной добавки состоял в получении двух различных по составу растворов: первый из эпоксидной смолы и компонента Сарэл А-04 и второй из компонента Сарэл Б-04 и полиэтиленпо-лиамина. Затем полученные растворы перемешивали. Исследования свойств эпоксидной матрицы показали, что введение однокомпонентных добавок повышает Еа до 40%, НВбр до 19%, А до 33% и снижает К2 на 8,3%, а двухкомпонентной добавки увеличивает Ея до 44%, НВ-]р до 33%, А до 67% и уменьшает на 18,7%. Установлено, что оптимальное количество полиизоцианата и простого полиэфира, при котором полимерная эпоксиполиуретановая матрица имеет высокие физико-механические и технологические свойства составляет 5 мас.ч. простого полиэфира А-04 и 5 мас.ч. полиизоцианата Б-04 на 100 мас.ч. эпоксидной смолы.

В результате экспериментальных исследований установлена эффективность эпоксиполиуретановых композитов как высокотехнологичных конструкционных материалов (рис.1).

а)

б)

Рис.1. Влияние технологических параметров механической обработки сверлением на качество полимерных композиционных материалов: а) влияние скорости обработки; б) влияние подачи осевого инструмента: 1 - Полиэфирная смола 540-М 888 -100 мас.ч.; Пероксид №1 - 2,5 мас.ч.; 2 - ЭД-20 - 100 мас.ч.; ПЭПА -11 мас.ч.; 3 - ЭД-20 - 100 мас.ч.; ПЭПА - 11 мас.ч.; ДБФ - 5 мас.ч.; 4 - ЭД-20 - 100 мас.ч.; ПЭПА - 11 мас.ч.; Сарэл 04-10 мас.ч.

Введение наполнителей приводит к изменению физико-механических, коррозионных свойств и качества композитов. Характер изменения исследуемых свойств представлен на рис.2-5.

а)

б)

А СОМ

а)

Рис. 2. Влияние содержания маршалита (5м=250м2/кг) на динамический модуль упругости образцов из полимерных композиционных материалов необработанных (а) и обработанных (б): I - ЭД-20 - 100 мас.ч.; ПЭПА - 11 мас.ч.; Сарэл 04-10 мас.ч.; 2 - ЭД-20 - 100 мас.ч.; ПЭПА -11 мас.ч.; ДБФ - 5 мас.ч.; 3 - ЭД-20 - 100 мас.ч.; ПЭПА -11 мас.ч.; 4 - Полиэфирная смола 540-М 888 - 100 мас.ч.; Пероксид №1 -2,5 мас.ч. б)

сС'ьЭичсв счй-'С"-** н.згсгн мг*г.я

Рис. 3. Влияние содержания маршалита (1Ууд=250м /кг) на предел прочности при одноосном сжатии образцов из полимерных композиционных материалов необработанных (а) и обработанных (б): 1 - ЭД-20 - 100 мас.ч.; ПЭПА -11 мас.ч.; Сарэл 04-10 мас.ч.; 2 - ЭД-20 - 100 мас.ч.; ПЭПА -11 мас.ч.; ДБФ - 5 мас.ч.; 3 - ЭД-20 -100 мас.ч.; ПЭПА -11 мас.ч.; 4 - Полиэфирная смола 540-М 888 - 100 мас.ч.; Пероксид №1 - 2,5 мас.ч. а) т-----------г. -........-----------------б)

о6ь«ыиве свдермнм ж

объсшо* СОД»рк!

Рис. 4. Влияние содержания маршалита (£уя= 250 м2/кг) на твёрдость образцов из полимерных композиционных материалов необработанных (а) и обработанных (б): I - ЭД-20 - 100 мас.ч.; ПЭПА - 11 мас.ч.; Сарэл 04-10 мас.ч.; 2 - ЭД-20 - 100 мас.ч.; ПЭПА -11 мас.ч.; ДБФ - 5 мас.ч.; 3 - ЭД-20 - 100 мас.ч.; ПЭПА - И мас.ч.; 4 - Полиэфирная смола 540-М 888 - 100 мас.ч.; Пероксид №1 - 2,5 мас.ч.

|*а,мсм

.....................1..................................1.................................... 1

1

Рис. 5. Влияние содержания маршалита (5,уд=250 м2/кг) на качество обработанных

образцов из полимерных композиционных материалов (/¡=1000 об/мин; 5г=0,2мм/об): 1 - Полиэфирная смола 540-М 888 - 100 мас.ч.; Пероксид №1 - 2,5 мас.ч.; 2 - ЭД-20 - 100 мас.ч.; ПЭПА -11 мас.ч.; 3 - ЭД-20 - 100 мас.ч.; ПЭПА - 11 мас.ч.; ДБФ - 5 мас.ч.; 4 - ЭД-20 - 100 мас.ч.; ПЭПА -11 мас.ч.; Сарэл 04 -10 мас.ч.

В процессе исследований установлено, что введение высокомодульных (маршалит, диабаз, портландцемент) и низкомодульного (аэросил) наполнителей в полиэфирную, эпоксидную и эпоксиполиуретановую матрицу приводит к существенному повышению физико-механических свойств композиционных материалов (для полиэфирных: Ей до 60%, Дсж до 64%, ЯВбр до 60%, А до 30%; эпоксидных: £., до 50%, Ясж до 60%, НВ6р до 55%, А до 35%; эпоксиполиуретановых: Ел до 50%, Лсж до 63%, НВбр до 61 %, Л до 43%) и качества обработанных поверхностей (снижение Яг на 10-20%).

Установлено, что механическая обработка композиционных материалов осевыми инструментами при фрезеровании и сверлении возможна при 9 до 0,4. При 9 более 0,4 происходит разрушение композита вследствие процессов, связанных с механодеструкцией.

Данные прочностных исследований образцов, подвергнутых механической обработке, показывают, что с ростом объёмного содержания высокомодульного наполнителя в исследуемом интервале наполнения увеличивается У?сж. При сжатии основная часть подводимой механической энергии рассеивается вследствие ветвления трещин и их торможения частицами наполнителя, что способствует упрочнению материалов (рис.6).

По результатам исследования определено оптимальное объёмное содержание наполнителей (для низкомодульного 5=0,3+0,4 и для высокомодульных 5=0,2+0,4), при котором композиты имеют повышенные деформационно-прочностные, коррозионные свойства и качество обработанных поверхностей.

Установлено влияние дисперсности наполнителя на физико-механические свойства исследуемых материалов. Введение наполнителя с различной дисперсностью существенно изменяет показатели упругих и прочностных свойств композиционных материалов.

б)

частица

трещины

полимерная

частицы наполнителя

Рис. б. Микроструктуры образцов, подвергнутых механической обработке (х200): а) сверлением; б) фрезерованием: ЭД-20 - 100 мас.ч.; ПЭПА - 11 мас.ч.; ДБФ - 5 мас.ч.; маршалит - ,9=0,3

Анализ результатов экспериментов выявил характерный рост динамического модуля упругости, предела прочности на растяжение при изгибе, предела прочности при одноосном сжатии и твёрдости с увеличением удельной поверхности наполнителя. Уменьшение прочности полимерных композитов с ростом размера дисперсных частиц обусловлено образованием трещин у поверхности крупных частиц наполнителя (рис.7, 8).

б)

80 255 430 ( 6С5

удо&яя* поверхность ($).«-■ КГ

255 430 605

удельная поверхность (8), лАиг

Рис. 7. Влияние дисперсности наполнителя на прочностные (а) и упругие (б) свойства необработанных образцов из полимерных композиционных материалов (ЭД-20 - 100 мас.ч.; ПЭПА -11 мас.ч.; ДБФ - 5 мас.ч.): 1 - маршалит 5=0,4; 2 - диабаз 5=0,4; 3 - цемент 5=0,4; 4 - аэросил 5=0,4

Для определения оптимальных режимов резания установлено влияние технологических параметров обработки на качество обрабатываемых поверхностей композиционных материалов. Экспериментальным путём определены диапазоны оптимальных параметров их обработки для получения изделий высокого качества.

В ходе проведённых исследований установлено, что при обработке резанием полимерных композитов источником возникновения трещин и больших значений микронеровностей являются значительные силы сопротивления частиц наполнителя, приводящие к механодеструкции и росту шероховатости поверхности

Рис. 8. Внешний вид поверхностей композиционных материалов, полученных механической обработкой сверлением (а) на входе инструмента (хЗ) и фрезерованием (б) на внутренней поверхности (х20) (ЭД-20 - 100 мас.ч.; ПЭПА -11 мас.ч.; ДБФ - 5 мас.ч.; маршалит 5=0,3): 1 - сколы; 2 - отверстие 015; 3 - полимерный композиционный материал; 4 - трещина

(рис.8), а)

В процессе обработки наполненных 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.

Установлена эффективность использования комплексного наполнителя, состоящего из полиамидного волокна (5=0,02) и гранитного порошка (5=0,4). Получены оптимизированные составы наполненных эпоксидных, полиэфирных и эпоксиполиуретановых композиционных материалов с высокими физико-механическими свойствами и качеством обработанных поверхностей (табл.1).

Результаты исследований влияния агрессивных сред на свойства обработанных и необработанных образцов показывают, что в процессе механической обработки в полимерном материале образуются трещины, сколы, внутренние дефекты (рис.8), в связи с этим массопоглощение композитов возрастает (для эпоксидных в воде на 22-31% и в СОЖ на 20-30%; для полиэфирных в воде на 25-35% и в СОЖ на 22-32%; для эпоксиполиуретановых в воде на 20-30% и в СОЖ на 1725 %).

Установлен рост коэффициентов химической стойкости композиционных материалов в агрессивных средах с увеличением степени наполнения, в связи с формированием в полимерной матрице уплотненной плёночной структуры, протяженность которой составляет /г0 » 1,4 мкм, обладающей высокой плотностью и инертностью наполнителя к агрессивным средам.

В четвёртой главе приведены результаты моделирования структуры высокотехнологичных композиционных материалов с высокими физико-механическими свойствами.

Таблица 1

Оптимизированные составы наполненных полимерных композиционных __материалов

Полимерная матрица Наполни- 9 ГПа /?0„ МПа ГЩ, МПа /п„ % ^х.с. ГПа Лсж, МПа яд„, МП; Я„ мкм ш„ % ^х.с

тель необработанные образцы обработанные образцы (н=1000 об/мин; £=0,2 мм/об)

Диабаз 0,3 5,50 126,5 139,3 1,45 0,88 4,68 107,6 118,0 6,99 1,54 0,86

0,4 5,84 136,0 149,9 1,25 0,90 3,38 114,7 125,8 6,74 1,30 0,88

Портланд- 0,3 5,02 122,6 135,1 1,80 0,82 4,39 104,9 115,1 6,07 2,02 0,80

ЭД-20 - цемент 0,4 5,36 131,4 144,7 1,70 0,84 4,70 109,6 120,3 5,96 1,89 0,82

100 Аэросил 0,3 4,73 98,1 108,0 1,55 0,84 4,20 83,5 91,6 7,34 1,71 0,82

мас.ч., 0,4 4,88 101,4 111,6 1,40 0,86 4,35 87,9 96,5 7,21 1,52 0,84

ПЭПА- Маршал ит 0,3 5,74 131,5 144,8 1,25 0,86^ 5,11 113,9 125,0 6,85 1,30 0,84

11 0,4 6,32 142,3 156,7 1,05 0,88 5,50 123,3 135,3 6,64 1,06 0,86

мас.ч., ДБФ- Гранитный порошок 0,4 5,80 151,2 166,5 0,79 0,91 5,30 144,0 158,0 7,10 0,82 0,89

5 мас.ч. Гранитный порошок 0,4 6,30 163,0 179,5 0,81 0,89 6,00 157,5 173,8 6,50 0,84 0,87

Полиамидное волокно 0,02

540-М Диабаз 0.3 2,29 84,2 92,3 1,55 0,86 2,09 72,8 79,2 7,66 1,66 0,84

888 0,4 2,50 91,3 99,0 1,35 0,88 2,30 77,8 83,1 7,44 1,42 0,86

100 Портландце- 0,3 2,22 79,8 86,7 1,90 0,80 2,02 70,6 76,2 6,28 2,18 0,78

мас.ч., Перок-сид №1 мент 0,4 2,30 86,9 94,1 1,80 0,82 2,10 73,4 80,2 6,15 2,05 0,80

Аэросил 0,3 2,04 64,1 65,3 1,65 0,82 1,88 56,7 58,4 7,40 1,86 0,80

0,4 2,20 66,4 70,7 1,50 0,84 2,00 60,3 62.5 7,20 1,68 0,82

2,5 мас.ч. Маршал ит 0,3 2,60 87,0 95,8 1,35 0,84 2,30 77,2 84,7 7,38 1,42 0,82

0,4 3,00 96,6 106,4 1,15 0,86 2,70 83,4 91,6 7,15 1,18 0,84

ЭД-20 - Диабаз 0,3 6,49 143,8 158,4 1,20 0,90 6,00 116,1 127,4 6,76 1,24 0,88

100 0,4 7,00 153,4 168,9 1,00 0,92 6,50 124,0 136,1 6,50 1,00 0,90

мас.ч.; Портландце- 0,3 6,83 139,6 153,7 1,55 0,84 6,33 112,7 123,6 6,00 1,74 0,82

ПЭПА - мент 0,4 7,50 147,8 162,8 1,45 0,86 7,00 117,7 129,2 5,90 1,61 0,84

11 Аэросил 0,3 5,77 Плод 121,9 1,30 0,86 5,28 96,8 106,3 7,22 1,43 0,84

мас.ч.; Сарэл 04 - 10 0,4 6,00 114,9 126,5 1,15 0,88 5,50 103,0 113,0 7,10 1,24 0,86

Маршал ит 0,3 6,83 150,2 165,4 1,00 0,88 6,33 124,4 136,5 6,70 1,00 0,86

мас.ч. 0,4 7,50 161,3 177,6 0,80 0,90 Г^оГ 134,1 147,1 6,50 0,86 0,88

Рассмотрены научные основы получения и оптимизации составов полимерных композитов с позиций современных представлений теорий перколяции (протекания) и автоматического управления. Процесс формирования структуры рассмотрен на уровне макроструктуры, характерной для наполненного композита, и микроструктуры, присущей полимерным связующим. При формировании структуры одновременно протекают два процесса: 1) упрочнение за счёт перевода матричного материала в контактном пространстве между частицами наполнителя из его объёмного состояния в плёночное, с более высокой прочностью и структурированностью; 2) разупрочнение вследствие различия упругих постоянных, а также коэффициентов линейного термического расширения материалов наполнителя и матрицы.

В результате проведённых исследований установлено, что динамический модуль упругости низконаполненных необработанных и обработанных образцов

адекватно описывается уравнением:

где Ет

мо-

Ет9+Е,(\-9)

дуль упругости матричного материала; Е( - модуль упругости наполнителя. С учётом параметров удельной поверхности наполнителя указанная зависимость преобразуется к виду:

ЕтЕ(+[Ею9 + Е((\-9)]-Ьупр-8уд-кул

0)

Ещ0 + Е{(1-Э)

где Ьупр - постоянный коэффициент, равный тангенсу угла наклона зависимости (аналогично определяется коэффициент 6СЖ); куд - поправочный коэффи-

5,

В результате проведённых экспериментально-теоретических исследований композиционных материалов установлено, что предел прочности при одноосном сжатии эффективно описывается перколяционной зависимостью: ЛСЖс= Дсжт(1+0^ж'9''), где Ксж с и /?сжт- предел прочности при одноосном сжатии компо-

зиционного и матричного материала; асж =

- предел прочности при одноос-

ном сжатии единичного элемента композита; V - критический индекс. Получены параметры моделей расчёта предела прочности при одноосном сжатии для анализируемых наполненных композиционных материалов (табл.2). Для необработанных и обработанных образцов из композиционных материалов наблюдается аналогичный характер изменения показателей.

Таблица 2

Предел прочности при одноосном сжатии полимерных композиционных

Вид композита Наполнитель «сж.п, 1 «:ж 1 V Ясж.т 1 <4* 1 У

необработанные образцы обработанные образцы («=1000 об/мин; £=0,2 мм/об)

Эпоксидный маршал ит 90 1,35 0,82 80 1,15 0,82

диабаз 1,20 1,00

цемент 1,10 0,90

Полиэфирный маршал ит 70 1,30 0,82 60 1,10 0,82

диабаз 1,15 0,90

цемент 1,05 0,80

Эпоксиполи-уретановый маршал ит 120 1,25 0,82 100 1,00 0,82

диабаз 1,10 0,80

цемент 1,00 0.70

Для определения твёрдости полимерных композиционных материалов предложены зависимости:

- для маршапита, диабаза, цемента:

Кп

К,,

- для аэросила:

где НВ5рс(5) и НВб?т(9) - твёрдость композиционного и матричного материала; Ксж - коэффициент пропорциональности между йсжх( ,9) и ЯЛ6рс(Э), характеризующий зависимость между объёмными и поверхностными свойствами композита: к = ; - полином и - степени, описывающий изменение предела

явС1„„

прочности при одноосном сжатии от объёмного содержания наполнителя.

Получены концентрационные полиномиальные зависимости условно-мгновенного модуля упругости, равновесного модуля упругости, ударной вязкости полимерных композиционных материалов от объёмного содержания и дисперсности наполнителей.

Предложена модель (4), описывающая закономерность массопоглощения эпоксидных, полиэфирных, эпоксиполиуретановых дисперсно-наполненных композитов:

Ат = Атт[1~е'к("Т)\, (4)

где Атт - асимптотическое значение массопоглощения полимерного композита

(в воде - Атт =0,80+2,69 %; в СОЖ - Атт =1,18 + 3,25 %); к Т - время, за

которое параметр Аизменяется в е раз (в воде - Т= 14+25 суток; в СОЖ -7М5 + 22 суток); (" - текущее значение времени; г - время переходного запаздывания (в воде и в СОЖ - г =0+2 суток).

По экспериментальным данным установлены значения параметров модели

(4).

Реализован подход к оптимизации составов композиционных материалов. Задачу оптимизации эксплуатационных свойств композитов можно свести к двум последовательным задачам одномерного поиска экстремума. На первом этапе оптимизируется состав полимерной матрицы, находят экстремум целевой функции

т-

где * - массовое содержание матричных компонентов; /;(х) - функция, определяемая эксплуатационными показателями;/2(х) - функция, определяемая стоимостью компонентов; /„¡(х), /„2(х) - нормирующие значения соответствующих показате-

лей; С/, с?

- весовые коэффициенты (^Гс, =1), которые определяются условиями

эксплуатации композитов.

Второй этап оптимизации служит для определения объёмного содержания наполнителя. Выбирается функциональный наполнитель и определяется оптимальное содержание из условия максимума целевой функции 17(3):

т = с гШ. + с.

Л, №

Л 09) 2 /„(-9)'

(б)

Для расчета режимов резания композиционных материалов использовали

С -ЕР

стоикостные модели тейлоровского типа: для операции сверления - к=—

Г'-У"

фрезерования - V --

С ■£)"'

(С,, - коэффициент факторов, не входящих :

Т" ■/'• -В"' т*

уравнение в явном виде (физико-технические свойства обрабатываемого материала и осевого инструмента); £) - диаметр инструмента; Т - лимитируемое время работы инструмента; *„,>',„т,-и*,,,£„,и„ - коэффициенты технологических параметров обработки; В- ширина срезаемого слоя; г - количество режущих кромок инструмента).

Технологические параметры обработки композиционных материалов, полученные по тейлоровским моделям, плохо коррелируют с экспериментальными данными в области низких подач (рис.9).

Рис. 9. Технологические параметры механической обработки сверлением композиционных материалов (ЭД-20 - 100 мас.ч.; ПЭПА -11 мас.ч.; ДБФ - 5 мас.ч.; маршалит 5=0,3): 1 - тейлоровская модель; 2 - модель (7); 3 - экспериментальные данные

Предложены экспоненциальные модели стойкости для операции сверления (7) и фрезерования (8), учитывающие прочность, твёрдость, динамический, условно-мгновенный и равновесный модули упругости и коэффициенты коррозионной стойкости обрабатываемых материалов:

Я...

С„ • й'" ■ К„ ■ е"

V =

Т"- 5"" \Е...

хгЧ'Йг

С -О"' -К -е"

■к."-К,

Т" -I'" •5/" - В"' 1Д Л,

-■К

-■к..,

(7)

где Kv - коэффициент, учитывающий отличие конкретных условий работы инструмента от принятых за основу; w - показатель степени, зависящий от D, S, Т\ кш.сж. ктлв, кщ.упр - коэффициенты стойкости в агрессивных средах; к0 - коэффициент, характеризующий условно-мгновенный модуль упругости композиционных

материалов: кув - коэффициент, характеризующий равновесный модуль

упругости композиционных материалов: ^ = ; z, - z5 - соответствующие показатели степени.

Установлено, что характер изменения исследуемых свойств необработанных и обработанных образцов из композиционных материалов с различными наполнителями в интервале варьирования 5^=80 * 780 м2/кганалогичен.

Для оптимизации технологических режимов разработаны обобщённые критерии для операции сверления (F0tcs) и фрезерования (F^,,), учитывающие экономические и технологические показатели:

л ■ S

+___Vft-^r Д___] ,(9)

П ' о 2

+_k„„-(n-S/*-B°--z«-_^ ,(10)

(A + l)(318-Cv .е-. A:, -[f-^]"' -[f^-^J^f^-^J

где L - длина рабочего хода осевого инструмента; к„ - стоимость одной минуты работы станка; к..„ - стоимость одной минуты рабочего времени работника; кш -стоимость инструмента; к - число переточек осевого инструмента.

При условии однокритериальной задачи для нахождения оптимальных режимов резания композиционных материалов использовали симплекс-метод, а для решения многокритериальной задачи множество Парето. При этом критериями

оптимизации являлись: для сверления U^=-F,(n,S)=-!— и =-F„lt,(n,S); для

n-S

фрезерования Vmi=-FXn,S.) = -~ и Кш = ~/г,л.фР("^г') ■ Для нахождения компромиссного решения использовали метод идеальной точки, а в качестве координат целевой точки выбирали сочетание наилучших значений.

С применением F(x), F(9), F,(n,S), F,{n,S,), Fota(n,S) и уста-

новлены режимы обработки и определены высокотехнологичные составы композитов для производства фасонных изделий и футеровочных плит (табл.3).

Как видно из табл.3, полученные по рекомендуемым режимам механической обработки изделия из полимерных композитов по показателю качества R-d превосходят изделия, изготовленные по справочным классическим моделям.

Таблица 3

Оптимизированные высокотехнологичные составы полимерных композиционных '__материалов __

№ Состав Рекомендуемые режимы обработки при фрезеровании Справочные режимы обработки при фрезеровании

Полимерная смола Отверди-тель мае. ч. на 100 мае. ч. смолы Модификатор мае. ч. на 100 мае. ч. смолы Пластификатор мае. ч. на 100 мае. ч. смолы Объемное содержание наполнителя

я, об/мин мм/об Ла, мкм об/мин мм/об й, мкм

Фитинги

1 ЭД-20 ПЭПА 11 - ДБФ 5 Диабаз о=0,3 1500 0,20 7,0-8,0 1500 0,20 7,0-8,0

2 ЭД-20 ПЭПА11 - ДБФ 5 ■Ларшадиг и-0.3 1500 0,20 7,0-8,0 1500 0,20 7,0-8,0

3 ЭД-20 НЭПА 11 - ДБФ 5 Цемент о=0,3 1500 0,20 6,5-7,5 1500 0,20 6,5-7,5

4 ЭД-20 ПЭПА11 - ДБФ 5 Аэроеил о-ОЗ 1000 0,14 7,0-3,0 1500 0,20 7,0-8,0

Футеровочные плиты

5 540-М 888 Пероксид 2,5 - - Диабаз о-0,4 1000 0,28 6,5-7,5 1500 0,20 6,5-7,5

6 540-М 888 Пероксид 2,5 - - Маршал ит и=0,4 1000 0,28 6,0-7,0 1500 0,20 6,5-7,5

7 540-М 888 Пероксид 2.5 - - Цемент и-0,4 1000 0,28 6,5-7,5 1500 0,20 6,5-7,5

8 ЭД-20 ПЭПА 11 - ДБФ 5 Диабаз и-0,4 1000 0,20 6,5-7,5 1500 0,20 7,0-8,0

9 ЭД-20 ПЭПА 11 - ДБФ 5 Маршал ит о=0,4 1000 0,20 6,5-7,5 1500 0,20 7,0-8,0

10 ЭД-20 ПЭПА 11 - ДБФ 5 Цемент и-0.4 1000 0,28 6,5-7,5 1500 0,20 7,0-8,0

II ЭД-20 ПЭПА 11 - ДБФ 5 Аэроеил и-0,4 750 0,20 7,0-8,0 1500 0,20 7,0-8,0

12 ЭД-20 ПЭПА 11 - ДБФ 5 Гранитный порошок о=0,4 1500 0,20 7,0-8,0 1500 0,20 7,0-8,0

13 ЭД-20 ПЭПА 11 ДБФ 5 Гранитный порошок и-0,4 Полиамидное волокно и=0,02 1000 0,28 6,5-7,5 1500 0.20 7,0-3,0

14 540-М 888 Пероксид 2,5 - - Аэроеил и=0,4 750 0,20 7,0-8,0 1500 0,20 7,0-8,0

15 ЭД-20 ПЭПА11 Сарэл 04 10 - Диабаз и--0,3 1500 0,28 7,0-8,0 1500 0,20 7,0-8,0

16 ЭД-20 ПЭПА 11 Сарэл 04 10 - Диабаз и=0,4 1000 0,23 6,5-7,5 1500 0,20 6,5-7,5

17 ЭД-20 ПЭПА11 Сарэл 04 10 - Маршал ит и-0,3 1500 0,28 7,0-8,0 1500 0,20 7,0-8,0

18 ЭД-20 ПЭПА 11 Сарэл 04 10 - Маршал ит о=0,4 1000 0,28 6,5-7,5 1500 0,20 6,5-7,5

19 ЭД-20 ПЭПА 11 Сарэл 04 10 - Цемент о-0,3 1500 0,28 6,5-7,5 1500 0,20 6,5-7,5

20 ЭД-20 ПЭПА 11 Сарэл 04 10 Цемент и-0,4 1000 0,28 6,0-7,0 1500 0,20 6,0-7,0

21 ЭД-20 ПЭПА 11 Сарэл 04 10 - Аэроеил и=0,4 750 0,20 7,0-8,0 1500 0,20 7,5-8,5

В пятой главе приведены алгоритмы функционирования, структурная модель и практическая реализация системы автоматизированного проектирования высокотехнологичных полимерных композиционных материалов с заданными физико-механическими свойствами.

Для решения задачи оптимизации режимов обработки композиционных материалов разработана система информационного обеспечения, позволяющая идентифицировать различные альтернативные решения при механической обработке сверлением и фрезерованием эпоксидных, полиэфирных, эпоксиполиурета-

новых композитов.

На основе представленных моделей прогнозирования и оптимизации физи-ко-механнческих, коррозионных и технологических свойств полимерных композиционных материалов разработана автоматизированная система расчёта режимов обработки, являющаяся рабочим модулем системы автоматизированного проектирования полимерных композитов. Предлагаемая система предусматривает возможность накопления информации в базе данных по прогнозным и оптимизационным моделям, процессам обработки, оборудованию, инструменту и экономическим параметрам, отражающим условия работы предприятия.

В рамках системы автоматизированного проектирования полимерных композиционных материалов созданы модули «Расчёт режимов механической обработки полимерных композиционных материалов» и «Прогнозирование и оптимизация физико-механических свойств полимерных композиционных материалов», реализуемые как экспертные системы. Модули позволяют использовать данные о функциональной зависимости компонентов материалов для получения различных вариантов прогнозирования путём ввода дополнительных компонентов, ограничений, усложнений вариантов решений. При необходимости данную систему могут обеспечивать несколько автоматизированных рабочих мест на основе персональных компьютеров. Система автоматизированного проектирования полимерных композиционных материалов может быть интегрирована в общую систему автоматизации производства материалов через единую сеть, связывающую автоматизированную систему научных исследований. Информационное обеспечение единой интегрированной системы улучшит межотраслевое использование глобальных информационных систем по материаловедению.

В системе автоматизированного проектирования полимерных композиционных материалов реализована база данных, предназначенная для хранения информации о физико-механических и технологических свойствах материалов.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1. Проведены исследования высокотехнологичных композиционных материалов с заданными физико-механическими свойствами для изделий машиностроения, на основе которых разработана методика оптимизации составов полимерных композитов, учитывающая закономерности изменения физико-механических, технологических свойств композиционных материалов и их стойкости к агрессивным средам с последующей компьютерной реализацией.

2. Получены математические и топологические модели, описывающие влияние рецептурно-технологических факторов на физико-механические свойства (динамический модуль упругости, предел прочности при одноосном сжатии, твердость), качество поверхности и структуру композиционных материалов. Показано, что эти модели соответствуют классическим представлениям разрушения и деформирования композиционных материалов.

3. Разработан состав двухкомпонентной модифицирующей добавки для высокотехнологичных эпоксидных композиционных материалов, применяемых в машиностроении, состоящей из простого полиэфира и полиизоцианата в соотношениях 1:1. Оптимальное содержание модифицирующей добавки в композите со-

ставляет 10 мас.ч. па 100 мас.ч. смолы, что позволяет существенно повысить фи-зико-механичсскпе (£д на 44%, НВбР на 33%, А на 67%), технологические свойства (/; на 50%, на 40%) композиционных материалов и качество обработанных изделий из эпоксидного композита (Да снизилась на 18,7%) по сравнению с матричным композиционным материалом.

4. Установлены закономерности влияния вида, количества и дисперсности наполнителя на эксплуатационные свойства полимерных наполненных композиционных материалов. Определено, что механическая обработка дисперсно-наполненных композиционных материалов наиболее оптимальна в интервале наполнения 5=0,2+0,4. Установлено, что эпоксидные композиты, наполненные гранитным порошком, обладают высокими физико-механическими (Еа = 5,3 ГПа, Яож = 151,2 МПа, НВбр= 166,5 МПа, А = 0,297 кДж/м2), технологическими свойствами (п = 1500 об/мин, = 0,20 мм/об, Кх с = 0,91, т, = 0,79% и др.) и качеством обработанных изделий (Яй = 7-8 мкм). Введение в композиционные материалы полиамидного волокна повышает их упругие (Ел на 19%), прочностные (7?сж на 8%, Я5бР на 7%, А на 15%), технологические на 42%) свойства и качество обработанных изделий (снижение Ка на 9%).

5. Изучено влияние рецептурно-технологических факторов на технологические параметры обработки. Установлено, что изделия из полиэфирных наполненных композиционных материалов следует обрабатывать при более низких подачах (при фрезеровании - 5г=0,1-0,2 мм/об; при сверлении - 5=0,1-0,2 мм/об) и более высоких скоростях резания (при фрезеровании - «=1000-1500 об/мин; при сверлении - «=500-1000 об/мин), чем изделия из эпоксидных и эпоксиполиурета-новых композитов.

6. Установлено влияние жидких агрессивных сред (водопроводная вода, смазочно-охлаждающая жидкость) на физико-механические свойства композиционных материалов. Образцы, экспонированные в смазочно-охлаждающей жидкости, через 28 суток имеют массопоглощение на 15-30% больше по сравнению с композиционными материалами, помещёнными в воду. Установлено, что модифицированные двухкомпонентной добавкой эпоксидные композиционные материалы имеют массопоглощение на 20-25% меньше и химическую стойкость на 2-5 % больше по сравнению с эпоксидными. Введение в композиционные материалы высокомодульных наполнителей (маршалит, диабаз, цемент) снижает массопоглощение на 25-50%, увеличивает коэффициент химической стойкости на 10-15 % и ударную вязкость на 10-40% . Предложено кинетическое уравнение массопог-лощения и рассчитаны эмпирические коэффициенты процесса поглощения для предлагаемых материалов (в воде - Атт =0,80+2,69 %, 7М4+25 суток, г =0+2 суток; в СОЖ - Ат„, =1,18+3,25 %, 7Ы5 + 22 суток, т=0+2 суток).

7. Разработан алгоритм расчёта технологических параметров механической обработки композиционных материалов с учётом необходимых физико-механических свойств полимерных композитов.

8. Предложены новые критерии оптимизации режимов механической обработки композиционных материалов, учитывающие экономические и технологические показатели, используемые в методике оптимизации составов полимерных композитов.

9. На основании исследований разработаны рекомендации, направленные на повышение эффективности производства полимерных композиционных материалов в машиностроении. Внедрение предложенных рекомендаций позволило существенно снизить временные (на 20%) и стоимостные (на 15%) затраты на проектирование и производство изделий из полимерных композитов, а также повысить их качество. Результаты работы используются в ООО «РенБизнесАвто» (г. Набережные Челны), ООО «Фарнас - Транссервис» (г. Набережные Челны), ЗАО «Камский завод Автоагрегатцентр» (г. Набережные Челны).

Основные положения диссертации отражены в следующих публикациях:

Научные статьи, опубликованные в журналах, рекомендованных ВАК:

1. Шафигуллин, JI.H. Система автоматизированного проектирования полимерных наполненных композиционных материалов специального назначения [Текст]/ Бобрышев А.Н., Жарин Д.Е., Гумеров М.И., Шафигуллин JI.H.// Журнал: Кузнечно-штамповое производство. Обработка материалов давлением №8. - Москва, 2009. - С. 9 - 16.

2. Шафигуллин, Л.Н. Оптимизация режимов механической обработки дисперсно-наполненных полимерных композиционных материалов [Текст]/ Жарин Д.Б., Юрасов С.Ю., Гумеров М.И., Шафигуллин Л.Н.// Журнал: Вестник машиностроения №10. - Москва, 2009. - С. 53 - 55.

3. Шафигуллин, Л.Н. Вибро-шумопоглощающие матричные полимерные композитные материалы, используемые в машиностроении [Текст]/ Жарин Д.Е., Юрасов С.Ю., Гумеров М.И., Шафигуллин Л.Н.// Журнал: СТИН №11. - Москва, 2009.-С. 38 -40.

4. Шафигуллин, Л.Н. Разработка составов полимерных композиционных материалов специального назначения [Текст]/ Соколова Ю.А., Жарин Д.Е., Шафигуллин Л.Н.// Журнал: ACADEMIA архитектура и строительство №2. - Москва, 2009.-С. 104 -107.

5. Шафигуллин, Л.Н. Моделирование процессов обработки эпоксидных наполненных композитных материалов [Текст]/ Жарин Д.Е., Калимуллин А.Ш., Шафигуллин Л.Н. // Журнал: Пластические массы №6. - Москва, 2007. - С.35 - 37.

Научные статьи и материалы докладов:

6. Шафигуллин, Л.Н. Обработка эпоксидных наполненных композитных материалов методом сверления/ Жарин Д.Е., Шафигуллин Л.Н.// Интернет-журнал: Образование и наука закамья Татарстана №4. - Набережные Челны, 2006. Режим доступа: http://kama.openet.ru: 91/ site/ new/

7. Шафигуллин, Л.Н. Оптимизация режимов обработки строительных эпоксидных наполненных композитных материалов [Текст]/ Соколова Ю.А., Жарин Д.Е., Шафигуллин Л.Н.// Журнал: Вестник Центрального отделения Российской академии архитектуры и строительных наук №6. - Воронеж-Тверь, РААСН, 2007. -С.186- 192.

8. Шафигуллин, Л.Н. Оптимизация режимов резания термореактивных полимерных материалов с использованием системы информационного обеспечения [Текст]/ Жарин Д.Е., Шафигуллин Л.Н.// Журнал: Проектирование и исследование технических систем №10. - Набережные Челны, ИНЭКА, 2007. - С.51 - 53.

9. Шафнгуллин, JI.H. Моделирование режимов обработки резанием эпоксидных наполненных композитных материалов строительного назначения// Интернет-журнал: Образование и наука закамья Татарстана №7. - Набережные Челны, 2007. Режим доступа: http://kaim.openet.ru: 91/ site/ new/'

10. Шафнгуллин, JI.H. Разработка системы проектирования и создания строительных композитов, полученных методом механической обработки [Текст]/ Соколова Ю.А., Жарин Д.Е., Шафнгуллин Л.Н.// Теория и практика повышения эффективности строительных материалов: Материалы И-й всероссийской конференции студентов, аспирантов и молодых учёных. - Пенза, ПГУАС, 2007. - С.291 -293.

11. Шафнгуллин, J1.H. Исследование структуры матричных эпоксидных композитов с высокими вибродемпфирующими свойствами [Текст]/ Соколова Ю.А., Жарин Д.Е., Гумеров М.И., Шафнгуллин Л.Н.// Современные строительные материалы, конструкции и технологии. Система менеджмента качества (CMC) серии ISO 9000 на предприятиях: Материалы международной научно - технической конференции. - Новосибирск, НГАУ, 2008. - С.48 - 50

12. Шафнгуллин, Л.Н. Оптимизация режимов механической обработки дисперсно-наполненных полимерных композитов [Текст]/ Жарин Д.Е., Гумеров М.И., Шафигуллин JI.H., Буторин И.В.// Тезисы докладов к VII Конгрессу технологов автомобилестроения: Москва, 2008. - С.118 -119.

13. Шафигуллин, JI.H. Разработка технологии расчёта и производства шумо-вибропоглощающих полимерных композитных материалов [Текст]/ Жарин Д.Е., Гумеров М.И., Шафигуллин Л.Н., Макарова А.И.// Тезисы докладов к VII Конгрессу технологов автомобилестроения: Москва, 2008. - С.111 -112.

14. Шафигуллин, Л.Н. Разработка составов полимерных композитных материалов для отделочных работ/ Жарин Д.Е., Шафигуллин Л.Н.// Интернет-журнал: Образование и наука закамья Татарстана №10. - Набережные Челны, 2008. Режим доступа: http://kama.openet.ru: 91/ site/ new/

15. Шафигуллин, Л.Н. Строительные полимерные изделия, полученные методом механической обработки [Текст]// Современные направления теоретических и прикладных исследований' 2008: Материалы международной научно -практической конференции. - Одесса, 2008. - С.б -10.

16. Шафигуллин, Л.Н. Исследование звукопоглощающих свойств термореактивных матричных композитов [Текст]/ Жарин Д.Е., Гумеров М.И., Шафигуллин Л.Н., Саримова А.Т.// Тезисы докладов к VIII Конгрессу технологов автомобилестроения: Москва, 2008. - С. 96.

17. Шафигуллин, Л.Н. Оптимизированные составы матричных дисперсно-наполненных и волокнистых полимерных композитных материалов с высокими технологическими показателями [Текст]/ Жарин Д.Е., Шафигуллин Л.Н., Буторин И.В.// Тезисы докладов к VIII Конгрессу технологов автомобилестроения: Москва, 2008. - С. 94 - 95.

18. Шафигуллин, Л.Н. Механическая обработка полимерных композиционных материалов осевым инструментом [Текст]/ Жарин Д.Е., Соколова А.Г., Шафигуллин Л.Н.// Журнал: Проектирование и исследование технических систем №13. - Набережные Челны, ИНЭКА, 2009. - С. 105 - 109.

Подписано в печать 23.11.09 г. Формат 60x84/16 Бумага офсетная Печать ризографическая Уч.-изд.л. 1,3 Усл.-печ.л. 1,3 Тираж 100 экз. Заказ 1437 Издательско-полиграфический центр Камской государственной инженерно-экономической академии

423810, г. Набережные Челны, Новый город, проспект Мира, 68/19 тел./факс (8552) 39-66-27 e-mail: ic@ineka.ru

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. АНАЛИЗ МАТЕРИАЛОВ И МЕТОДОВ ПОЛУЧЕНИЯ ПОЛИМЕРНЫХ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ В

МАШИНОСТРОЕНИИ

1.1 Эпоксидные, полиэфирные и эпоксиполиуретановые полимерные композиционные материалы в машиностроении.

1.2 Методы оптимизации составов полимерных композиционных материалов.

1.3 Композиционные материалы для футеровочных плит и фитингов.

1.4Механическая обработка полимерных композиционных материалов осевыми инструментами.

Выводы по главе 1.

ГЛАВА 2. МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ

2.1 Исследуемые материалы.

2.2 Приборы и установки, методы исследований.

2.3 Статистическая обработка экспериментальных данных.

ГЛАВА 3. ВЛИЯНИЕ МАТРИЧНЫХ КОМПОНЕНТОВ И НАПОЛНИТЕЛЕЙ НА ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИЕ И

ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ПОЛИМЕРНЫХ

КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ

3.1 Влияние матричных компонентов на физико-механические и техно логические свойства полимерных композитов.

3.2 Влияние объемного содержания наполнителей на физико-механические и технологические свойства полимерных композитов.

3.3 Влияние агрессивных сред на физико-механические, технологические свойства и качество полимерных композиционных материалов.

Выводы по главе 3.

ГЛАВА 4. МОДЕЛИРОВАНИЕ ПОЛИМЕРНЫХ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ

4.1 Топологическая модель дисперсно-наполненных композиционных материалов.

4.2 Прогнозирование и оптимизация физико-механических свойств композиционных материалов.

4.3 Кинетические модели коррозионной стойкости полимерных композиционных материалов.

4.4 Оптимизационная модель расчета технологических параметров механической обработки полимерных композиционных материалов

Выводы по главе 4.

ГЛАВА 5. ПРАКТИЧЕСКАЯ РЕАЛИЗАЦИЯ РЕЗУЛЬТАТОВ ИССЛЕДОВАНИЙ В МАШИНОСТРОЕНИИ

5.1 Автоматизированная система проектирования и создания полимерных композиционных материалов с заданными физико-механическими свойствами, используемых в машиностроении.

5.2 Практическое применение высокотехнологичных полимерных композиционных материалов в машиностроении.

5.2.1 Футеровочные плиты из полимерных композиционных материалов.

5.2.2 Фитинговые системы из полимерных композиционных материалов

Выводы по главе 5.

Технический прогресс вызывает необходимость создания высокотехнологичных полимерных материалов, используемых в машиностроении.

Новые материалы, появляющиеся вследствие стремления к совершенствованию существующих машиностроительных конструкций и изделий, открывают возможности для реализации перспективных конструктивных решений и технологических процессов. В настоящее время перспективы прогресса в машиностроении 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 композиционные материалы на основе полимеров нашли широкое применение в машиностроении при производстве защитных покрытий, стеклопластиков, фасонных изделий, футеровочных плит для защиты металлических конструкций от воздействия агрессивных сред и ударных нагрузок, элементов станочной системы (станин, направляющих, подрезцовых пластин и державок токарных резцов), а также для восстановления и усиления конструкций и омоноличивания сборных элементов.

Футеровочные плиты и элементы фитинговых систем из полимерных композиционных материалов в процессе своей эксплуатации испытывают различные внешние нагрузки (статические, динамические, ударные), а также действие агрессивных сред (вода, смазочно-охлаждающая жидкость, кислые и щелочные среды), снижающих их физико-механические свойства и приводящих к преждевременному выходу из строя готовых изделий.

В процессе изготовления и применения полимерных композиционных материалов возникает необходимость их механической обработки: резки, фрезерования, сверления. Механическую обработку резанием используют для обеспечения повышенной точности геометрических размеров изделий, при их сложной конфигурации, а также при малых объемах производства, когда использование трудоемкой и дорогостоящей технологической оснастки (пресс-форм) экономически нецелесообразно. Во многих случаях детали повышенной точности и высокого качества могут быть получены только механической обработкой - точением, сверлением и фрезерованием.

Применение механической обработки в сочетании с оптимизацией составов полимерных композиционных материалов с заданными физико-механическими свойствами отвечает современным требованиям повышения технологичности производства изделий в машиностроении.

С целью повышения эффективности производства и достижения высокого качества изделий из полимерных композиционных материалов необходима разработка моделей, позволяющих оптимизировать их технологические и физико-механические свойства. Решение данной, задачи связано с расчетом параметров физико-механических свойств и оптимизацией технологических показателей механической обработки композиционных материалов.

Отправными положениями для теоретических и экспериментальных исследований послужили работы проблем Н.К. Барамбойма, Ю.В. Барановского, А.Н. Бобрышева, Г.И. Грановского, Д.Е. Жарина, А. Кабаяши, Ю.А. Соколовой, В.И. Соломатова, В.Г. Хозина, Б.П. Штучного, П.И. Ящерицына и других учёных.

Цель и задачи исследования. Целью диссертационной работы является исследование высокотехнологичных композиционных материалов с заданными физико-механическими свойствами для изделий машиностроения.

Достижение поставленной цели потребовало решения следующих задач:

- исследование основных физико-механических свойств полимерных композиционных материалов и выявление закономерностей изменения деформационно-прочностных и коррозионных показателей композиционных материалов на различных смолах (эпоксидных, полиэфирных) в зависимости от вида и концентрации однокомпонентных и комплексных модифицирующих добавок, объёмного содержания, вида наполнителей и их дисперсности для производства изделий в машиностроении;

- исследование влияния режимов механической обработки и агрессивных сред на физико-механические и технологические свойства эпоксидных, полиэфирных, эпоксиполиуретановых композитов;

- разработка достоверных прогнозных моделей влияния рецептурно-технологических факторов на физико-механические свойства полимерных композитов с последующей реализацией в системе автоматизированного проектирования составов полимерных композиционных материалов;

- разработка алгоритмов: расчета высокотехнологичных составов композиционных материалов с заданными физико-механическими свойствами, с последующим созданием экспертных подсистем «Расчёт режимов механической обработки полимерных композиционных материалов» и «Прогнозирование и оптимизация физико-механических свойств полимерных композиционных материалов»; разработка высокотехнологичных составов композиционных материалов для производства фасонных изделий (фитинги, уголки и т.п.) и футеровочных плит;

- практическое внедрение результатов исследований.

Научная новизна работы состоит в следующем:

- установлены закономерности влияния составов (содержание связующих, модифицирующих компонентов и наполнителей) и технологических факторов на физико-механические и коррозионные свойства полимерных композиционных материалов, предназначенных для получения фасонных изделий и футеровочных плит;

- уточнены модели расчета технологических показателей процесса производства изделий для машиностроения из композиционных материалов, учитывающие их эксплуатационные свойства;

- создана методика расчета оптимальных составов полимерных композиционных материалов, учитывающая закономерности изменения физико-механических, технологических свойств композиционных материалов и их стойкости к агрессивным средам на основе методов многокритериальной оптимизации.

Практическое значение. Установлено влияние технологических параметров обработки на физико-механические свойства, структуру и качество полимерных композиционных материалов. Разработана эффективная двухкомпонентная модифицирующая добавка (полиизоцианата (5 мас.ч) и простого полиэфира (5 мас.ч)) для эпоксидных композитов, позволяющая существенно повысить физико-механические, технологические свойства и качество композиционных материалов, полученных механической обработкой. Получены оптимальные составы изделий из полимерных композиционных материалов (фасонные изделия, футеровочные плиты) с использованием механической обработки. Разработан алгоритм автоматизированной системы оптимизации составов, структуры, свойств полимерных композиционных материалов с высокими физико-механическими и технологическими показателями. Разработана система автоматизированного проектирования и создания полимерных композиционных материалов с заданными физико-механическими свойствами и высоким качеством обработанных поверхностей.

Реализация работы. Результаты исследований нашли свое отражение при изготовлении элементов фитинговых систем из дисперсно-наполненных и волокнистых полимерных композитов в ООО «РенБизнесАвто», а также в ООО «Фарнас - Транссервис» при производстве футеровочных плит и элементов станочной системы в ЗАО «Камский завод Автоагрегатцентр».

Апробация работы. Результаты выполненной работы обсуждались на таких научно-технических конференциях: II Всероссийская конференция «Теория и практика повышения эффективности строительных материалов» (Пенза, 2007 г.); Международная научно-техническая конференция «Современные строительные материалы, конструкции и технологии. Система менеджмента качества (CMC) серии ISO 9000 на предприятиях» (Новосибирск, 2008 г.); Международная научно-практическая конференция «Современные направления теоретических и прикладных исследований 2008», (Одесса, 2008 г.); VII Конгресс технологов автомобилестроения (Москва, 2008 г.); VIII Конгресс технологов автомобилестроения (Москва, 2008 г.).

Автор выражает глубокую признательность академику РААСН, д.т.н., профессору Ю.А. Соколовой за ценные консультации при выполнении работы, чл. - кор. РААСН, д.т.н., профессору А.Н. Бобрышеву за оказанную помощь при подготовке диссертационной работы.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1. Проведены исследования высокотехнологичных композиционных материалов с заданными физико-механическими свойствами для изделий машиностроения, на основе которых разработана методика оптимизации составов полимерных композитов, учитывающая закономерности изменения физико-механических, технологических свойств композиционных материалов и их стойкости к агрессивным средам с последующей компьютерной реализацией.

2. Получены математические и топологические модели, описывающие влияние рецептурно-технологических факторов на физико-механические свойства (динамический модуль упругости, предел прочности при одноосном сжатии, твердость), качество поверхности и структуру композиционных i материалов. Показано, что эти модели соответствуют классическим представлениям разрушения и деформирования композиционных материалов.

3. Разработан состав двухкомпонентной модифицирующей добавки для высокотехнологичных эпоксидных композиционных материалов, применяемых в машиностроении, состоящей из простого полиэфира и полиизоцианата в соотношениях 1:1. Оптимальное содержание модифицирующей добавки в композите составляет 10 мас.ч. на 100 мас.ч. смолы, что позволяет существенно повысить физико-механические (Ел на 44%, НВ5р на 33%, А на 67%), технологические свойства (п на 50%, S на 40%) композиционных материалов и качество обработанных изделий из эпоксидного композита (Ra снизилась на 18,7%) по сравнению с матричным композиционным материалом.

4. Установлены закономерности влияния вида, количества и дисперсности наполнителя на эксплуатационные- свойства полимерных наполненных композиционных материалов. Определено,- что механическая обработка дисперсно-наполненных композиционных материалов наиболее оптимальна в интервале наполнения 5=0,2^-0,4. Установлено, что эпоксидные композиты, наполненные гранитным порошком, обладают высокими физико-механическими (Еа = 5,3 ГПа, RCVK = 151,2 МПа, НВбр = у

166,5 МПа, А = 0,297 кДж/м"), технологическими свойствами (п = 1500 об/мин, Sz = 0,20 мм/об, с. = 0,91, mt = 0,79% и др.) и качеством обработанных изделий (R:i = 7-8 мкм). Введение в композиционные материалы полиамидного волокна повышает их упругие (Ед на 19%), прочностные (7?сж на 8%, HBqp на 7%, А на 15%), технологические (Sz на 42%) свойства и качество обработанных изделий (снижение Ra на 9%).

5. Изучено влияние рецептурно-технологических факторов на технологические параметры обработки. Установлено, что изделия из полиэфирных наполненных композиционных материалов следует обрабатывать при более низких подачах (при фрезеровании - £>=0,1-0,2 мм/об; при сверлении - S=0,1-0,2 мм/об) и более высоких скоростях резания (при фрезеровании - «=1000-1500 об/мин; при сверлении - и=500-1000 об/мин), чем изделия из эпоксидных и эпоксиполиуретановых композитов.

6. Установлено влияние жидких агрессивных сред (водопроводная вода, смазочно-охлаждающая жидкость) на физико-механические свойства композиционных материалов. Образцы, экспонированные в смазочно-охлаждающей жидкости, через 28 суток имеют массопоглощение на 15-30% больше по сравнению с композиционными материалами, помещёнными в воду. Установлено, что модифицированные двухкомпонентной добавкой эпоксидные композиционные материалы имеют массопоглощение на 20-25% меньше и химическую стойкость на 2-5 % больше по сравнению с эпоксидными. Введение в композиционные материалы высокомодульных наполнителей (маршалит, диабаз, цемент) снижает массопоглощение на 2550%, увеличивает коэффициент химической стойкости на 10-15 % и ударную вязкость на 10-40% . Предложено кинетическое уравнение массопоглощения и рассчитаны эмпирические коэффициенты процесса поглощения, для предлагаемых материалов (в воде - Атт =0,804-2,69 %, 7М4*25 суток, т =0-5-2 суток; в СОЖ - Атт =1,18*3,25 %, Г=15*22 суток, т =0*2 суток).

7. Разработан алгоритм расчёта технологических параметров механической обработки композиционных материалов с учётом необходимых физико-механических свойств полимерных композитов.

8. Предложены новые критерии оптимизации режимов механической обработки композиционных материалов, учитывающие экономические и технологические показатели, используемые в методике оптимизации составов полимерных композитов.

9. На основании исследований разработаны рекомендации, направленные на повышение эффективности производства полимерных композиционных материалов в машиностроении. Внедрение предложенных рекомендаций позволило существенно снизить временные (на 20%) и стоимостные (на 15%) затраты на проектирование и производство изделий из полимерных композитов, а также повысить их качество. Результаты работы используются в ООО «РенБизнесАвто» (г. Набережные Челны), ООО «Фарнас - Транссервис» (г. Набережные Челны), ЗАО «Камский завод Автоагрегатцентр» (г. Набережные Челны).

174

1. Бобрышев, А.Н. Прочность эпоксидных композитов с дисперсными наполнителями: Автореф. . канд. техн. наук,- М.: 1982. 18 с.

2. Козомазов, В.Н. Структура и свойства высоконаполненных строительных полимерных композитов: Автореф. . доктор, техн. наук. -М.: 1996.-42 с.

3. Бобрышев, А.Н. Прочность эпоксидных композитов с дисперсными наполнителями: Автореф. . доктор, техн. наук. М.: 1996. - 42 с.

4. Синергетика композитных материалов / В.И. Соломатова и др.. -Липецк: НПО "ОРИУС", 1994. 153 с.

5. Mandelbrot В.В. The fractal geometry of nature. N.Y.: Freemen, 1983. -480 p.

6. Смирнов, Б.М. Фрактальные кластеры // Успехи физических наук. -. 1986. Т.149, № 2. - С.177 - 219.

7. Хакен, Г. Синергетика / Хакен. Г. М.: Мир, 1980. - 404 с.

8. Хакен, Г. Синергетика. Иерархии неустойчивости в самоорганизующихся системах и устройствах / Хакен Г. М.: Мир, 1985. -419 с.

9. Кардашов, Д.А. Полимерные клеи. Создание и применение / Д.А. Кардашов, А.П. Петрова. М.: Химия,1983. - 256 с.

10. Пакен, A.M. Эпоксидные соединения и эпоксидные смолы / A.M. Пакен. Пер. с англ. Л.: Госхимиздат,1962. - 964 с.

11. Благонравова, А.А. Лаковые эпоксидные смолы / А.А. Благонравова, А.И. Непомнящий. М.: Химия, 1970. - С. 110-155

12. Воробьев, В.А. Технология полимеров: учебное пособие/ В.А. Воробьев. 1-е. изд. - М.: Высшая школа, 1971. - С.284-288

13. Лапицкий, В.А. Физико-механические свойства эпоксидных полимеров и стеклопластиков / В.А. Лапицкий, А.А. Крицук. Киев: Наук. Думка,1986. 96 с.

14. Ли, X. Справочное руководство по эпоксидным смолам / X. Ли., К. Невилл; Пер. с англ. под ред. Н.В. Александрова. М., Энергия, 1973. -415 с.

15. Соколова, Ю.А. Модифицированные эпоксидные клеи и покрытия в ' строительстве / Ю.А. Соколова, Е.М. Готлиб. М.: Стройиздат, 1990. -176 с.

16. Справочник по композитным материалам / Под ред. Дж. Любина; Пер. с англ. А.Б. Геллера, М.М. Гельмонта; под ред. Б.Э. Геллера. Кн.1. М.: Машиностроение, 1988. - 448 с.

17. Справочник по пластическим массам / Под ред. В.М. Катаева. 2-е изд. - М.: Химия, 1978.Т.2. - 568 с.

18. Технология пластических масс / Под ред. В.В. Коршака. 3-е изд. пераб. и доп. - М.: Химия, 1985. - 560 с.

19. Гаврилина, С.А. Лакокрасочные материалы на основе эпоксидных смол / Гаврилина С.А. Черкассы.: НИИ техн.- эконом, информации в хим. Промышленности, 1977. - 32 с.

20. Камон, Т. Отвердители эпоксидных смол / Т. Камон // ВЦП №А 79800. Кобунси како. 1977. - №26. - С. 120-133.

21. Орлова, О.В. Технология лаков и красок: учебник для техникумов / О.В. Орлова, Т.Н. Фомичева. М., Химия, 1990. - С. 101-126.

22. Хувинк, Р. Химия и технология полимеров / Р. Хувинк, А. Ставерман. -М.; Л.: Химия, 1966. 891 с.

23. Чернин, И.З. Эпоксидные полимеры и композиции / И.З. Чернин, Ф.М. Смехов, Ю.В. Жердев. М.: Химия, 1982. - 230 с.

24. Эпоксидные олигомеры и клеевые композиции / Ю.С. Зайцев и др.. -Киев: Наукова думка, 1990. 220 с.

25. Кардашов, Д.А. Эпоксидные клеи / Кардашов Д.А. М.: Химия, 1973. -192 с.26.