автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.08, диссертация на тему:Особенности технологии нанесения лакокрасочных покрытий на изделия машиностроения с использованием ультразвука

На правах рукописи

СУНДУКОВ СЕРГЕЙ КОНСТАНТИНОВИЧ

ОСОБЕННОСТИ ТЕХНОЛОГИИ НАНЕСЕНИЯ ЛАКОКРАСОЧНЫХ ПОКРЫТИЙ НА ИЗДЕЛИЯ МАШИНОСТРОЕНИЯ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ УЛЬТРАЗВУКА

Специальность 05.02.08. - Технология машиностроения

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук

5 ДЕК 2013

005542835

МОСКВА-2013

005542835

Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Московский автомобильно-дорожный государственный технический университет (МАДИ)».

Научный руководитель - кандидат технических наук, доцент

Фатюхин Дмитрий Сергеевич

Официальные оппоненты - Зорин Владимир Александрович,

доктор технических наук, профессор, ФГБОУ ВПО «Московский автомобильно-дорожный государственный технический университет (МАДИ)», профессор кафедры «Производство и ремонт автомобилей и дорожных машин»;

Морщилов Максим Витальевич, кандидат технических наук, ООО «Вираж», специалист транспортного отдела

Ведущая организация - ФГБОУ ВПО Московский авиационный

институт (национальный исследовательский университет) «МАИ»

Защита диссертации состоится 12 декабря 2013 г., в 14 часов, на заседании диссертационного совета Д 212.126.03 при федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Московский автомобильно-дорожный государственный технический университет (МАДИ)» по адресу: 125319, Москва, Ленинградский Проспект, 64, ауд. 42.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МАДИ.

Автореферат разослан «1]>> ноября 2013 г.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные печатью организации, просим направлять в адрес диссертационного совета МАДИ.

Ученый секретарь диссертационного совета

Фатюхин Д.С.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Завершающим этапом производства большинства изделий машиностроения является нанесение лакокрасочных покрытий. Окрашиванию подлежат крупногабаритные узлы, корпусные детали, диски, элементы гидравлической и пневматической систем. Качество лакокрасочного покрытия определяет как декоративные, так и защитные свойства изделий.

Типовая технология покраски состоит из следующих этапов: подготовка окрашиваемой поверхности, подготовка лакокрасочного материала к нанесению, нанесение лакокрасочного материала, сушка и, в случае необходимости, полирование. Качество выполнения каждой из этих операций определяет конечные свойства лакокрасочного покрытия.

Используемые в машиностроении технологии получения лакокрасочных покрытий обладают рядом недостатков: высокая трудоёмкость работ, использование токсичных растворителей, ограниченность применения некоторых способов нанесения лакокрасочного материала (ЛКМ) и его большой расход, связанный с потерями на туманообразование, высокая стоимость ЛКМ и вспомогательных материалов.

Совершенствование технологии покраски с целью минимизации (или устранения) негативных проявлений и повышения свойств лакокрасочных материалов и покрытий позволяет получить экономический эффект и повысить надёжность узлов и агрегатов техники.

Одним из путей повышение качества лакокрасочных покрытий является использование ультразвуковых технологий. Эффекты, возникающие в жидкости при введении в неё ультразвуковых колебаний, а также особенности ультразвукового распыления обеспечивают повышение качества и экологической безопасности проведения покрасочных работ.

Цель диссертационной работы - разработка технологии нанесения лакокрасочных покрытий на изделия машиностроения с использованием ультразвука.

Для решения поставленной цели необходимо решить следующие задачи исследования:

1. Обосновать эффективность применения ультразвуковых технологий на различных этапах покраски;

2. Исследовать влияние ультразвуковой обработки на: свойства ЛКМ, качество подготовки окрашиваемой поверхности, параметры распыления лакокрасочного материала и на свойства получаемого покрытия;

3. Определить рациональные акустико-технологические параметры, обеспечивающие максимальную эффективность ультразвукового воздействия при получении покрытий;

4. Разработать технологию, обеспечивающую повышение качества лакокрасочных покрытий за счёт использования ультразвуковых технологий;

5. Разработать оборудование для модернизации существующих технологий покраски.

Научная новизна работы:

- получены результаты по влиянию акустико-технологических параметров ультразвуковой обработки на свойства жидкого ЛКМ: вязкость и степень перетира;

- определён рациональный режим ультразвуковой обработки, позволяющий добиться снижения вязкости до рабочей при уменьшении расхода растворителя;

- на основании результатов исследований предложена модель, позволяющая связать изменение вязкости, амплитуду колебаний, время обработки и количество растворителя;

- установлено влияние предложенного способа ультразвуковой подготовки ЛКМ на характеристики распыления пневматическим методом;

определены характеристики аэрозоля, полученного при ультразвуковом распылении модельного ЛКМ на основе смеси «вода-глицерин», концентрации которой охватывали диапазон рабочей вязкости исследуемого ЛКМ;

- установлена взаимосвязь повышения адгезии покрытия с увеличением маслоёмкости окрашиваемой поверхности в результате ультразвуковой обработки;

- разработана технология пневмоультразвукового распыления, при которой диспергирование ЛКМ осуществляется под действием ультразвуковых колебаний, а работа воздуха расходуется на перенос получаемого аэрозоля, в результате чего увеличивается коэффициент переноса ЛКМ;

- на субмикроуровне исследованы свойства лакокрасочных покрытий, полученных по типовой и разработанной технологиям.

Новизна разработок подтверждена патентами РФ.

Практическая значимость:

- на основе проведённых исследований предложен технологический процесс получения лакокрасочных покрытий, и разработано ультразвуковое оборудование для его реализации;

- разработанная технология позволяет получить лакокрасочное покрытие с повышением адгезии и износостойкости до 2 раз, микротвёрдости на 40%, снижением высотных параметров шероховатости на 60% и улучшением свойств на субмикроуровне.

- снижена трудоёмкость малярных работ за счёт обеспечения возможности уменьшения количества слоёв ЛКМ при нанесении;

- повышена производственно-экологическая безопасность за счёт снижения количества применяемого растворителя.

Внедрение результатов работы. Комплекс разработанного оборудования прошёл апробацию на линиях покраски ряда предприятий Москвы и Московской области. Производственные испытания показали, что

предложенная технология позволяет сократить расход ЛКМ и повысить механические свойства покрытия.

Апробация работы. Материалы диссертации докладывались и обсуждались на:

- 11 международном научно-техническом семинаре «Современные проблемы производства и ремонта в промышленности и на транспорте» (г. Свалява, Украина, 2011);

- 25 сессии Российского Акустического общества (г. Саратов, 2011);

- 15 межвузовская конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Подъемно-транспортные, строительные, дорожные, путевые машины и робототехнические комплексы» (г. Москва, 2011);

- 26 сессия Российского Акустического Общества (г. Таганрог, 2012);

- 69, 70 и 71 научно-методической конференции МАДИ (г. Москва, 2011-2013).

Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 12 статей, из которых 4 в изданиях, рекомендованных ВАК Минобрнауки Российской Федерации.

Структура и объём работы. Диссертация состоит из введения, 5 глав, выводов, списка использованных источников из 103 наименований. Работа изложена на 191 странице, содержит 94 рисунка, 22 таблицы.

На защиту выносится:

- обоснование эффективности применения ультразвуковых технологий в процессе получения лакокрасочных покрытий;

- результаты исследований по влиянию ультразвуковой обработки на процессы подготовки ЛКМ, подготовки окрашиваемой поверхности, нанесению ЛКМ;

- результаты оптимизации акустико-технологических параметров ультразвукового воздействия;

- метод получения лакокрасочных покрытий с использованием ультразвуковых технологий.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В первой главе анализируются:

- состав и свойства ЛКМ;

- технология получения лакокрасочных покрытий;

- возможности улучшения покрытия путём использования ультразвука.

К свойствам ЛКМ относятся вязкость, степень перетира, однородность,

время высыхания; к свойствам покрытий — адгезия, твёрдость, износостойкость, блеск.

Технология получения лакокрасочных покрытий включает в себя операции подготовки ЛКМ, подготовки окрашиваемой поверхности, нанесения ЛКМ на поверхность, сушки и полирования (если требуется).

Подготовка ЛКМ к нанесению заключается в доведении его до рабочей вязкости и перемешиванию до полной однородности. Это достигается добавлением растворителя (до 50% по массе) и последующим механическим перемешиванием. Использование растворителя приводит к негативным последствиям: необходимости производить покраску в несколько слоев и снижению укрывистости, повышению вероятности возникновения дефектов, экологической опасности из-за выделения летучих органических веществ в атмосферу.

Подготовка поверхности заключается в очистке от продуктов коррозии, старой краски, пыли, жировых и других загрязнений. Подготовленная поверхность должна быть полностью обезжирена и иметь равномерную шероховатость.

Нанесение ЛКМ осуществляется в основном методами распыления: пневматическим, безвоздушным и электростатическим. Перечисленные методы имеют следующие недостатки: пневматический - больший расход материала, связанный с потерями на туманообразование, невозможность нанесения высоковязких материалов; безвоздушный - ограниченность применения и низкое качество получаемого покрытия (3-го и 4-го класса); электростатический - сложность при покраске не токопроводящих изделий, разнотолщинность покрытия, получаемого на деталях сложной формы.

В работе предложены пути совершенствования операций подготовки ЛКМ, подготовки поверхности и нанесения ЛКМ за счёт введения ультразвуковых колебаний в жидкие среды. При этом в жидкости возникают такие эффекты механической природы как кавитация, акустические потоки и звуковое давление, которые приводят к нагреву, перемешиванию, диспергированию, коагуляции, ускорению химических реакций.

При ультразвуковой обработке жидких сред, обладающих высокой вязкостью и концентрацией дисперсной фазы, возникающие эффекты интенсифицируют процессы полимеризации и деполимеризации, приводят к измельчению размеров частиц дисперсной фазы, что оказывает влияние на начальную вязкость жидкой среды.

Ультразвуковая очистка изделий, как часть технологического процесса подготовки поверхности к нанесению лакокрасочного покрытия, основана на тех же эффектах. Главными преимуществами ультразвуковой очистки является высокая эффективность и качество очистки. Использование в качестве технологической среды моющего раствора позволяет одновременно производить операцию очистки и обезжиривания, при этом ускоряя оба процесса.

Ультразвуковое распыление обладает рядом преимуществ по сравнению с другими методами: однородность факела распыла, высокая концентрация аэрозоля, возможность распыления жидкостей с высокой вязкостью, не требуется подача жидкости под большим давлением, возможность настройки рабочего инструмента на различные частоты и

мощности, что позволяет выбрать оптимальный режим распыления в зависимости от требуемых параметров.

Характеристики процесса ультразвукового распыления жидкостей зависят от их физико-химических свойств (вязкость, плотность, поверхностное натяжение, упругость паров и т.д.) и акустических параметров применяемых устройств (частота и амплитуда колебаний, площадь излучения).

В результате анализа существующих технологий получения лакокрасочных покрытий и механизмов ультразвукового воздействия предложены пути повышения эффективности технологии покраски. Сформированы цель и задачи исследований.

Во второй главе дана методика экспериментальных исследований.

Методика исследований включает стандартные и оригинальные методы определения акустико-технологических параметров ультразвуковой обработки и определения свойств JIKM и покрытий.

Основными факторами, определяющими режим ультразвуковой обработки, являются: частота ультразвуковых колебаний - /, Гц\ амплитуда смещения торцевой поверхности излучателя £т, мкм; продолжительность обработки t, с. Для их контроля использовался измерительный комплекс с датчиками частоты, акселерометром и таймером.

Свойства JIKM и покрытий разделены на 3 группы в зависимости от агрегатного состояния вещества:

1. Свойства суспензии - при подготовке лакокрасочного материала;

2. Свойства аэрозоля - при распылении лакокрасочного материала;

3. Свойства твёрдой плёнки — после высыхания нанесённого лакокрасочного материала (лакокрасочное покрытие).

При подготовке JIKM оценивались такие свойства как вязкость, степень перетира и однородность.

Определение вязкости осуществлялось методом ротационной вискозиметрии на приборе Fungilab EXPERT L, позволяющем измерять вязкость жидкостей в диапазоне 0 - 6000000 сПз с высокой точностью.

Для измерения степени перетира JIKM использовался гриндометр, предназначенный для определения максимального диаметра частиц испытуемого материала.

Однородность JIKM оценивалась методом визуального осмотра на наличие сгустков, вспенивания и осадков на дне.

При распылении JIKM по разработанной методике измерялись параметры факела распыла: угол на выходе из сопла пистолета, высота и щирина факела. Распылитель под небольшим углом направлялся к заранее подготовленному измерительному шаблону. На видеокамеру снимался процесс распространения факела в течение 5 с. Видеоданные в формате высокой чёткости передавались на компьютер, где с помощью специального программного обеспечения производилась покадровая обработка.

Методика определения дисперсности и скорости капель аэрозоля при ультразвуковом распылении заключалась в высокоскоростной съёмке процесса распыления капли смеси «глицерин-вода» и последующей покадровой обработки видеоматериала.

Для проведения исследований по интенсификации ультразвукового распыления потоком сжатого воздуха разработан экспериментальный стенд, позволяющий производить ультразвуковое распыление JIKM при подводе воздуха с различным давлением, и осуществлять перемещение окрашиваемой пластины в плоскости нормальной к оси распыления.

У лакокрасочного покрытия оценивались: толщина, шероховатость и субшероховатость плёнки, адгезия к поверхности, твёрдость и износостойкость.

Толщина плёнки лакокрасочного покрытия определялась многофункциональным прибором измерения геометрических параметров «Константа К5», используемым для определения толщин покрытий до 2 мм на электропроводящих основаниях.

Методика измерения адгезии лакокрасочного покрытия заключалась в измерения усилия его отрыва от поверхности с помощью адгезиметра, фиксирующего усилие отрыва до 10 МПа.

Измерение параметров шероховатости производилось на профилометре модели 130, действие которого основано на принципе ощупывания неровностей измеряемой поверхности.

Для определение твёрдости плёнки высохшего J1KM использовался прибор ПМТ-3, позволяющем получить значение твёрдости по отпечатку, полученному на поверхности методом вдавливания пирамидального индентора.

Субмикроструктура лакокрасочного покрытия исследовалась на сканирующем зондовом микроскопе СММ-2000 в атомно-силовом режиме, предназначенном для исследований диэлектрических поверхностей.

Для оценки износостойкости лакокрасочного покрытия проводились его испытания на абразивный износ.

Для осуществления ультразвуковой обработки в процессе проведения экспериментов использовался ультразвуковой генератор УЗГ 2/22 и трёхполуволновая магнитострикционная колебательная система ПМС-2,0-22.

Для получения контрольных покрытий по типовой технологии и ряда вспомогательных исследований использовались: шлифовальная машинка, компрессор и пневматический краскопульт.

В качестве испытуемых материалов использовались эмали на основе алкидных и меламиноформальдегидных смол.

Третья глава содержит результаты экспериментальных исследований по влиянию акустико-технологических характеристик на свойства жидкого JIKM и математическое описание полученных зависимостей.

Исследование проводилось по следующим направлениям работы:

- достичь раоочей вязкости при снижении количества применяемого растворителя в 3 раза, что приводит к значительному сокращению негативных последствий, связанных с его применением;

- понизить степень перетира ЛКМ, что ведёт к повышению укрывистости и улучшению цветораспределения лакокрасочного покрытия.

Достижение рабочей вязкости ЛКМ, подготовленного с помощью ультразвука, позволяет наносить его методом пневмораспыления на тех же ' подготовленный по типовой технологии (рис. 2).

а б

Рис. 2. Факелы распыла ЛКМ, подготовленного: а - по типовой технологии; б - по разработанной технологии

Угол факела распыла после ультразвуковой обработки ЛКМ изменился незначительно, так как вязкость образцов одинакова. При распылении обработанного ЛКМ ширина факела распыла увеличивается с 18 до 25 мм, что связано с увеличением плотности краски, вследствии чего возрастает скорость капель аэрозоля и уменьшается количество капель, уходящих на туманообразование. Этим же объясняется увеличение высоты факела с 250 до 300 мм.

Определение толщины покрытий показало возможность нанесения ЛКМ, подготовленного по разработанной технологии, в один слой, в отличие от 2-х слоев, требуемых по технической документации. Толщина типового двухслойного покрытия составила 34 мкм, а однослойного 27 мкм. Свойства лакокрасочных покрытий приведены в таблице 2.

Таблица 2.

Параметр ЛКМ, подготовленный по типовой технологии ЛКМ, подготовленный ультразвуком

Яа, мкм 0,037 0,024

Яг, мкм 0,404 0,273

Микротвёрдость, кг/мм2 2,29 3,1

Адгезия, МПа 4 5

Массовый износ 0,43 0,27

Свойства на субмикроуровне:

Яа, нм 8,7 3,4

Рто, Н 1,52 х Ю-'2 1,36 х 10"12

твк, н 0,31 х 10"15 0,23 х Ю-15

Рис. 10. Устройство для ультразвуковой очистки изделий: 1 - магнитострикционный преобразователь; 2- рубашка жидкостного охлаждения; 3 - излучатель; 4 - осевой канал; 5 - соединительный шланг; 6 — штуцер; 7 - рабочий объём; 8 - обрабатываемая поверхность; 9 - насадка; 10 - выпускной клапан

Принцип работы устройства основан на локализации зоны очистки в рабочем объёме, образованном за счёт герметизации пластичной насадки относительно очищаемой поверхности.

Для распыления ЛКМ разработана двухполуволновая колебательная система, включающая в себя пьезокерамический преобразователь и разработанный распыляющий излучатель.

Для реализации способа пневмоультразвукового распыления предлагается конструкция, представленная на рис. 11 (патент 1Ш 130238 111).

ЛКМ из ёмкости 5 подаётся в осевой канал излучателя и, распыляясь, попадает в «рабочую камеру» ограниченную дном насадки 3 и торцом распыляющей поверхности излучателя. Из рабочей камеры аэрозоль выдувается потоком сжатого воздуха, поступающего из пнемопистолета 6. При этом высота факела распыла зависит от давления сжатого воздуха, а угол факела распыла от разности величин диаметра входного и выходного отверстия насадки 3. Экспериментально установлено, что угол получаемого факела распыла сопоставим с углом факела, получаемого при пневмораспылении (рис. 2), при диаметре входного диаметра 1,5 мм и выходного 4.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1. В результате теоретических и экспериментальных исследований разработаны технология и оборудование нанесения лакокрасочных покрытий с использованием ультразвука, обеспечивающая повышение качества лакокрасочного покрытия, снижение трудоёмкости работ за счёт уменьшения количества наносимых слоёв и экономию ЛКМ вследствие минимизации потерь на туманообразование

2. Разработаны методики определения параметров факела распыла ЛКМ, основанные на видеорегистрации при различных скоростях съёмки процесса распыления, позволяющие проводить измерения на компьютере с помощью современного программного обеспечения.

3. Экспериментальные исследования показали, что ультразвуковая обработка ЛКМ позволяет снизить вязкость ЛКМ на 70% и уменьшить размер пигментов, в результате чего снижается требуемый расход растворителя и повышается укрывистость.

4. При получении лакокрасочного покрытия методом пневматического распыления ЛКМ, предварительно обработанного ультразвуком, по сравнению с покрытием, полученным по типовой технологии, в результате кавитационного воздействия повышается микротвёрдость на 30%, адгезия на 20%, износостойкость в 2 раза, на микро- и субмикроуровне высотные параметры шероховатости снижаются до 1,5 раз.

5. На основе результатов экспериментальных исследований получена математическая модель, связывающая снижение вязкости с режимом обработки и применяемым растворителем, позволяющая определять значение вязкости при выбранном режиме обработки или выбирать режим обработки в зависимости от требуемого значения вязкости.

6. Экспериментальные исследования по подготовке поверхности к покраске методом ультразвуковой обработки позволили установить оптимальный режим очистки и показали, что повышение маслоёмкости поверхности в результате воздействия ультразвука приводит к повышению адгезии лакокрасочного покрытия на 1 МПа.

7. Разработан совмещённый пневмоультразвуковой способ распыления ЛКМ позволяющий снизить давление в используемой пневмосистеме в 4 раза и повысить адгезию лакокрасочного покрытия на 50%.

8. Разработанные технологии и технологические устройства легли в основу спроектированного и изготовленного комплекса ультразвукового оборудования для применения в операциях подготовки ЛКМ к нанесению, подготовки окрашиваемых поверхностей и нанесения покрытий.

9. Результаты производственных испытаний комплекса разработанного оборудования подтвердили повышение качества получаемого покрытия и снижение расхода ЛКМ. Ожидаемый экономический эффект от внедрения одного комплекса ультразвукового оборудования составляет 800 000 руб/год.

Публикации в рецензируемых научных изданиях, рекомендованных ВАК Минобрнауки Российской Федерации:

1. Сундуков, С.К. Автоматизация процессов ультразвуковой обработки жидких сред / С.К.Сундуков, Д.С.Фатюхин, Е.Г. Юдаков // Автоматизация, телемеханизация и связь в нефтяной промышленности - Москва, 2011, № 11, с. 25-28.

2. Сундуков, С.К. Эффективность применения ультразвука в технологическом процессе покраски / Ливанский А.Н., Нигметзянов Р.И., Сундуков С.К., Фатюхин Д.С. // Наукоемкие технологии в машиностроении -Москва, 2012, №2, с. 14-18.

3. Сундуков, С.К. Совершенствование технологии ремонтной покраски транспортной техники с использованием ультразвука / С.К. Сундуков, Д.С. Фатюхин // В мире научных открытий - Красноярск, 2012, № 2.6, с. 58-67.

4. Сундуков, С.К. Использование ультразвуковых технологий при получении лакокрасочных покрытий в машиностроении / Р.И. Нигметзянов, С.К. Сундуков, Д.Д. Панасенко // Наукоемкие технологии в машиностроении - Москва, 2013, № 3, с. 27-33.

Полученные патенты:

5. Патент 1Ш 130238 Ш, МПК В05В 17/06. Устройство ультразвукового распыления жидкой среды / Нигметзянов Р.И. (1Ш), Рухман А.А. (Яи), Сундуков С.К. (Яи), Фатюхин Д.С. (1Ш) // Заявка 2012125399/05,

20.06.2012, опубл. 20.07.2013.

6. Патент 1Ш 130240 Ш, В08В 3/12. Устройство для ультразвуковой обработки изделий / Нигметзянов Р.И. (ГШ), Сундуков С.К. (Яи), Фатюхин Д.С. (Яи), Юдаков Е.Г. (Яи) // Заявка 2012155371, 20.12.2012, опубл.

20.07.2013.

Публикации в других научных изданиях:

7. Сундуков, С.К. Совершенствование технологии нанесения лакокрасочных покрытий путем использования ультразвука / А.И. Аристов, С.К.Сундуков, Д.С. Фатюхин // Современные проблемы производства и ремонта в промышленности и на транспорте: материалы 11-го Международного научно-технического семинара - Киев, 2011.

8. Сундуков, С.К. Технология нанесения лакокрасочных материалов с применением ультразвука / А.И. Аристов, С.К.Сундуков, Д.С. Фатюхин // Сборник трудов Научной конференции «Сессия научного совета РАН по акустике и XXV сессия РАО», Раздел: ультразвук и ультразвуковые технологии - Москва, 2011.

9. Сундуков, С.К. Применение ультразвука в процессе подготовки лакокрасочного материала / С.К. Сундуков, Д.С. Фатюхин // Новые и нетрадиционные технологии в ресурсо- и энергосбережении: материалы научно-практической конференции - Киев, 2011.

10. Сундуков, С.К. Использование ультразвука в процессе нанесения лакокрасочных покрытий / С.К. Сундуков, В.Д. Титков, Д.С. Фатюхин // Подъемно-транспортные, строительные, дорожные, путевые машины и

робототехнические комплексы: Материалы XV межвузовской конференции студентов, аспирантов и молодых ученых - Москва, 2011.

11. Сундуков, С.К. Определение акустико-технологичесикх параметров ультразвуковой очистки и их влияние на эффективность процесса / В.М.Приходько, С.К. Сундуков, Е.Г. Юдаков // Качество, стандартизация, контроль: теория и практика. Материалы 11-й международной научно-практической конференции - Киев, 2011.

12. Сундуков, С.К. Повышение эффективности ультразвуковых стержневых колебательных систем / С.К. Сундуков, Д.С. Фатюхин // Современные проблемы производства и ремонта в промышленности и на транспорте: Материалы 12-го Международного научно-технического семинара — Киев, 2012.

13. Сундуков, С.К. Современное ультразвуковое оборудование / В.М. Приходько, С.К. Сундуков, Д.С. Фатюхин // Материалы международной научно-практической конференции «Образование, наука и производство. Новые технологии как инструмент реализации стратегии развития и модернизации - 2020» - Казань,, 2012.

14. Сундуков, С.К. Ультразвуковое распыление лакокрасочных материалов / Р.И. Нигметзянов, С.К. Сундуков, Д.С. Фатюхин // «Сессия научного совета РАН по акустике и XXVI сессия Российского акустического общества - Москва, 2012.

Подписано в печать 12.11.2013г. Формат 60x84/16. Усл.печ.л. 1,2. Уч.-изд.л. 1,1. Тираж 100 экз. заказ 415. МАДИ, 125319, Москва, Ленинградский пр-т, 64.

VI

* г***

МОСКОВСКИЙ АВТОМОБИЛЬНО - ДОРОЖНЫЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ (МАДИ)

На правах рукописи

04201365456

СУНДУКОВ СЕРГЕЙ КОНСТАНТИНОВИЧ

1

ОСОБЕННОСТИ ТЕХНОЛОГИИ НАНЕСЕНИЯ ЛАКОКРАСОЧНЫХ ПОКРЫТИЙ НА ИЗДЕЛИЯ МАШИНОСТРОЕНИЯ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ

УЛЬТРАЗВУКА

Специальность 05.02.08 - Технология машиностроения

Диссертация на соискание учёной степени кандидата технических наук

| III

Научный руководитель -кандидат технических наук, доцент Фатюхин Д.С.

I

МОСКВА-2013

1

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ............................................................................................................................................................5

1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА, ПОСТАНОВКА ЦЕЛИ И ЗАДАЧ ИССЛЕДОВАНИЯ..........................................................................................................................................6

1.1. СВЕДЕНИЯ О ЛАКОКРАСОЧНЫХ МАТЕРИАЛАХ И ОБЗОР СОВРЕМЕННЫХ СПОСОБОВ ИХ НАНЕСЕНИЯ........................................................6

1.1.1. Состав лакокрасочных материалов......................................................................6

1.1.2. Свойства лакокрасочных материалов................................................................9

1.1.3. Этапы покраски 12

1.2. ВОЗМОЖНОСТИ ПРИМЕНЕНИЯ УЛЬТРАЗВУКОВЫХ

ТЕХНОЛОГИЙ ПРИ ПОКРАСКЕ...........................................................................................26

♦ I '.г 1

1.2.1. Влияние ультразвуковых колебаний для интенсификации процессов в вязких жидкостях............................................................................................................26

1.2.2. Особенности ультразвукового распыления..................................................31

1.2.3. Технологические возможности ультразвуковой очистки для

!

подготовки поверхности............................................................................................................................41

1.3. ПОСТАНОВКА ЦЕЛИ И ЗАДАЧ ИССЛЕДОВАНИЯ................................50

2. МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ........................52

2.1. МЕТОДИКА ОБЩИХ ИССЛЕДОВАНИЙ............................................................52

2.1.1. Параметры, определяющие режимы ультразвуковой обработки................................1.Л........................................................................................54

2.1.2. Методы исследования свойств лакокрасочных материалов и покрытий............................................................................................................................................................57

2.2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ОБОРУДОВАНИЕ..................................................80

2.2.1. Ультразвуковое оборудование..................................................................................80

2.2.2. Оборудование для покраски......................................................................................84

3. ВЛИЯНИЕ УЛЬТРАЗВУКОВОЙ ОБРАБОТКИ НА СВОЙСТВА ЛАКОКРАСОЧНОГО МАТЕРИАЛА............................................. 86

3.1. ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ЭФФЕКТА ПРИ ПОДГОТОВКЕ ЛАКОКРАСОЧНОГО МАТЕРИАЛА

С ПРИМЕНЕНИЕМ УЛЬТРАЗВУКА............................................. 86

3.1.1. Экспериментальное исследование изменения свойств лакокрасочного материала под действием ультразвуковых колебаний.... 86

3.1.2. Исследование влияния ультразвуковой подготовки лакокрасочного материала на процесс его распыления....................... 96

3.1.3. Определение свойств покрытия, полученного при использовании лакокрасочного материала, подготовленного с применением ультразвука............................................................ 99

3.2. МАТЕМАТИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА РЕЗУЛЬТАТОВ ИССЛЕДОВАНИЯ ПО злйянию УЛЬТРАЗВУКОВЫХ

I 1 ! 1

КОЛЕБАНИЙ НА СВОЙСТВА ЛАКОКРАСОЧНОГО МАТЕРИАЛА... 109

4. ПРИМЕНЕНИЕ УЛЬТРАЗВУКОВЫХ ТЕХНОЛОГИЙ ДЛЯ НАНЕСЕНИЯ ЛАКОКРАСОЧНОГО МАТЕРИАЛА.......................... 121

4.1. ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ВОЗМОЖНОСТИ УЛЬТРАЗВУКОВОЙ ОЧИСТКИ В ПРОЦЕССЕ ПОДГОТОВКИ ПОВЕРХНОСТИ К ОКРАШИВАНИЮ..................................................................... 121

4.2. НАНЕСЕНИЕ ЛАКОКРАСОЧНОГО МАТЕРИАЛА МЕТОДОМ УЛЬТРАЗВУКОВОГО РАСПЫЛЕНИЯ.......................................... 125

5. ПРАКТИЧЕСКОЕ ПРИМЕНЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ ИССЛЕДОВАНИЙ И ИХ ЭКОНбМЙ^ЕСКИЙ ЭФФЕКТ................... 148

(, , > * < I, • 1 I - I ' 1 3

'1 1 " ' • ' • " '''С.

5.1. РАЗРАБОТКА ОБОРУДОВАНИЯ ДЛЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО

ПРОЦЕССА............................................................................. 148

5.1.1. Разработка оборудования для ультразвуковой подготовки лакокрасочных материалов........................................................*.. 148

5.1.2. Разработка оборудования для ультразвуковой очистки окрашиваемой поверхности...........ф............................................ 163

5.1.3. Разработка оборудования для пневмоультразвукового распыления лакокрасочных материалов.......................................... 165

5.1.4. Получение лакокрасочных покрытий с использованием ультразвуковых технологий на всех этапах покраски.......................... 174

5.2. ОЦЕНКА ЭКОНОМИЧЕСКОГО ЭФФЕКТА ИСПОЗОВАНИЯ

I

РАЗРАБОТАННОЙ ТЕХНОЛОГИИ............................................................................................177

ВЫВОДЫ................................................................................................................................................................180

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ............................................................182

. и

ВВЕДЕНИЕ

Завершающим этапом производства большинства изделий машиностроения является нанесение лакокрасочных покрытий. Окрашиванию подлежат элементы крупногабаритные узлы, корпусные детали, диски, элементы гидравлической и пневматической систем. Качество лакокрасочного покрытия определяет как декоративные, так и защитные свойства изделий.

Типовая технология покраски состоит из следующих этапов: подготовка окрашиваемой поверхности, подготовка лакокрасочного материала к нанесению, нанесение > лакокрасочного материала, сушка и полирование (если требуется). Качество выполнения каждой из этих операций определяет конечные свойства лакокрасочного покрытия.

Используемые в промышленности технологии получения лакокрасочных покрытий обладают рядом недостатков: высокая трудоёмкость работ, использование токсичных растворителей, ограниченность применения некоторых способов нанесения лакокрасочного материала и его большой расход, связанный с потерями на туманообразование, высокая стоимость ЛКМ и вспомогательных материалов.

Совершенствование технологии покраски с целью минимизации (или устранения) негативных эффектов, и повышения свойств лакокрасочных материалов и покрытий позволяет получить экономический эффект и повысить надёжность узлов и агрегатов техники.

Одним из путей повышение качества лакокрасочных покрытий является использование ультразвуковых технологий. Эффекты, возникающие в жидкости при введении в неё .ультразвуковых колебаний, а также особенности ультразвукового распыления обеспечивают повышение качества и экологической безопасности проведения покрасочных работ.

1 ' Г 1 ' I й

1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА, ЦОСТАНОВКА ЦЕЛИ И ЗАДАЧ

ИССЛЕДОВАНИЯ

1.1. СВЕДЕНИЯ О ЛАКОКРАСОЧНЫХ МАТЕРИАЛАХ И ОБЗОР СОВРЕМЕННЫХ СПОСОБОВ ИХ НАНЕСЕНИЯ

1.1.1. Состав лакокрасочных материалов

Лакокрасочные материалы (ЛКМ) - это многокомпонентные составы (жидкие, пастообразные или порошкообразные), которые при нанесении тонким слоем на твердую подложку высыхают с образованием лакокрасочного покрытия с заданными свойствами.

Все лакокрасочные материалы являются дисперсными системами.

Дисперсная система - это система, состоящая из двух или более фаз, одна из которых- дисперсная фаза - распределена в другой фазе -дисперсионной среде - в виде мелких твердых частиц, капель или пузырьков.

Дисперсность - степень раздробленности вещества на частицы. Чем меньше частицы, тем выше дисперсность.

К дисперсным системам относятся:

Суспензии - системы, в которых частицы твердой фазы распределены в жидкой среде во взвешенном состоянии. Суспензиями являются готовые краски, эмали, шпатлевки.

Эмульсии - системы, в которьрс мельчайшие капельки жидкой фазы распределены в жидкой среде. Примером эмульсии может служить молоко.

Латекс синтетический - водная дисперсия синтетических полимеров, выступает в роли связующего (пленкообразующего) вещества при производстве ЛКМ на водной основе.

Все ЛКМ состоят из пленкообразующего вещества, пигментов,

наполнителей, растворителей, аддитиров.

»

Пленкообразующие вещества ответственны за создание пленки,

адгезию ее к поверхности окрашиваемого предмета, удерживание внутри слоя покрытия частиц пигмента и наполнителя. Помимо этого, хорошее пленкообразующее вещество обеспечивает покрытию водонепроницаемость, но в то же время позволяет ему ("дышать", препятствует размножению микроорганизмов, не являясь 'ядовитым для человека, задерживает ультрафиолетовые лучи и т д.

Пигменты - сухие красящие вещества, неорганические или органические, природные или искусственные, диспергируемые в пленкообразующих веществах для придания краскам, эмалям, грунтовкам, шпатлевкам цвета и непрозрачности. Пигмент сообщает лакокрасочному покрытию определенные механические свойства, устойчивость к действию воды, света и атмосферных влияний. Наиболее широкое распространение в лакокрасочной промышленности получили неорганические пигменты, такие как диоксид титана, сурик железный, охра и др.

Органические пигменты применяют в меньшем объеме, к ним относятся пигмент алый, фталоциайиновый голубой и зеленый.

Наполнители - неорганические природные или синтетические вещества, применяемые для улучшения малярно-технических и эксплуатационных свойств покрытий и экономии пигментов. Природные неорганические наполнители получают путем измельчения, обогащения, термической обработки горных цород и минералов. Синтетические неорганические наполнители получают в результате химических реакций по специальной технологии. Наполнители - порошки с низкой красящей способностью, они придают материалам прочность, атмосферостойкость и др. свойства. Наполнителями служат мел, каолин, микромрамор, слюда, тальк, химически осажденный мел и др.

Растворители - летучие, ^щ^ости, применяемые для растворения пленкообразующих веществ, а также для разбавления лакокрасочных материалов до рабочей вязкости перед нанесением на окрашиваемую поверхность. К ним относятся вода, уайт-спирит, ацетон, ксилол, спирт, и др.

I I 81 8Д1 )1

Аддитивы - компоненты, которые ускоряют такие процессы, как диспергирование пигментов, смачивание подложки, устранение поверхностных дефектов, отверждение и многие другие на стадиях изготовления, транспортирования, хранения красок и формирования покрытия. Аддитивы также называют "технологическими добавками", "функциональными добавками" и т.д. К аддитивам относят диспергаторы, эмульгаторы, сиккативы, пеногасители и др [65].

По составу и назначению ЛКМ подразделяют на лаки, грунтовки,

шпатлевки, краски (в том числе эмали) [66].

*

Лак - раствор пленкообразующих веществ в воде или органических растворителях, может содержать растворимые красители, сиккативы, пластификаторы, отвердители, матирующие вещества и образует после высыхания твердую, прозрачную, однородную пленку, прочно сцепленную с поверхностью. Лаки придают поверхности декоративный вид и создают защитные покрытия.

Грунтовка (грунт) - суспензия пигмента или смеси пигментов и наполнителей в связующем веществе. Образует после высыхания однородную непрозрачную пленку с хорошей адгезией к подложке ( адгезия-прилипание, сцепление). Грунтовки образуют нижние слои покрытий, создавая надежное сцепление верхних слоев покрытия с окрашиваемой поверхностью. Кроме того, они защищают металл от коррозии, выделяют структуру древесины, закрывают поры материала, выравнивают и создают однородную поверхность перед окраской.

Шпатлевка - густая вязкая масса, состоящая из пигментов, наполнителей или их смеси в связующем веществе с введением добавок или без них, для выравнивания шероховатых, пористых и волнистых поверхностей перед их окраской. Содержание наполнителей и пигментов в шпатлевке в несколько раз превышает количество пленкообразующего.

Краски - однородные суспензии пигментов или их смеси с наполнителями в связующем веществе, образующие после высыхания

однородную непрозрачную твердую окрашенную пленку. Основой водноднсперсионных красок являются синтетические латексы (иногда такие краски называют латексными), водные эмульсии алкидных смол и др. Могут также содержать эмульгаторы, диспергаторы, сиккативы, пеногасители и другие аддитивы (добавки).

Эмаль - суспензия высокодисперсного пигмента или смеси его с наполнителями в связующем, образующая после высыхания однородную непрозрачную твердую окрашенную пленку. В остальном эмаль похожа на краску.

Из всего обширного спектра лакокрасочных материалов особую нишу занимают водоразбавляемые ЛКМ.

Водоразбавляемые ЛКМ, ,в.. зависимости от состояния полимерного связующего, подразделяются на воднодисперсионные и водорастворимые.

Воднодисперсионные (водоэмульсионные) ЛКМ представляют собой суспензии пигментов и наполнителей в водных дисперсиях пленкообразующих веществ типа синтетических полимеров с добавкой эмульгаторов, диспергаторов и другие вспомогательных веществ. ЛКМ этого типа присвоен начальный индекс "ВД" при обозначении марок, например: краска ВД-ВА-17 или краска ВД-КЧ-26.

1.1.2. Свойства лакокрасочных материалов

Адгезия.

Способность лакокрасочных покрытий к прилипанию или прочному сцеплению с окрашиваемой поверхностью. От величины адгезии зависят механические и защитные свойства покрытий.

Степень перетира.

Степень перетира ЛКМ определяется максимальным размером частиц входящих в состав сырья. Чем меньше размер частиц - тем лучше перетёрт материал. Уменьшение размера частиц, входящих в состав ЛКМ, приводит к

улучшению внешнего вида образуемой поверхности и повышению укрывистости краски [1]. Уменьшение размера частичек происходит в процессе перетира наполнителей в мельницах различного устройства (краскотерки, шаровые, бисерные).

Время и степень высыхания покрытия.

За время высыхания принимают время, за которое покрытие определенной толщины с нанесенное на пластинку, достигает необходимой степени высыхания при заданных условиях сушки [67].

Степень высыхания характеризует состояние поверхности покрытия при определенной температуре и продолжительности сушки в стандартных условиях испытания:

- высыхание от пыли - момент, когда на поверхности покрытия образуется тончайшая поверхностная пленка;

- практическое высыхание - пленка утрачивает липкость и изделие с

лакокрасочным покрытием может подвергаться дальнейшим операциям;

} *

- полное высыхание - ■ окончание формирования покрытия на окрашенной поверхности.

Условная вязкость.

При выборе способа нанесения покрытия определяющее значение имеет условная вязкость лакокрасочного материала. Условной вязкостью называют время непрерывного истечения в секундах определенного объема материала через сопло определенного размера. Повышенная вязкость окрасочных составов является причиной получения неровной шероховатой пленки и образования натеков краски; при пониженной же вязкости слой краски получается тонким и неукрывистым [2].

Укрывистость. 1

*

Укрывистостью краски называют способность лакокрасочного материала делать невидимым цвет или цветовые различия окрашиваемой поверхности (ГОСТ 8784-75). Укрывистость показывает, сколько сухой плёнки испытуемого материала необходимо, чтобы укрыть один квадратный

метр не впитывающей, контрастной поверхности [1]. Значение этого показателя определяет равномерность нанесения слоя лакокрасочного материала, что обуславливает его экономическую эффективность. Укрывистость зависит от оптических свойств пигмента, его дисперсности и объемной концентрации в связующем. Существенное влияние на укрывистость оказывают также химический состав, цвет и физико-химические свойства связующего,, т^п растворителя и др. Однако, главным образом, укрывистость обусловлена оптическими явлениями, протекающими в пленке.

Твердость - сопротивление, оказываемое покрытием при проникновении в него другого тела. Твердость пленки - одно из важнейших механических свойств лакокрасочного покрытия характеризующее прочность поверхности.

Эластичность - определяет способность лакокрасочной пленки принимать свою прежнюю форму после снятия деформирующего усилия. Для лакокрасочной пленки, это способность следовать за деформацией подложки без отслаивания и растрескивания. Изменение линейных размеров подложки могут возникать в результате изменения температуры и относительной влажности окружающей среды.

Водостойкость - способность лакокрасочного покрытия выдерживать длительное воздействие пресной или морской воды.

Атмосферостойкость - способность лакокрасочного покрытия сохранять в течение продолжительного времени свои защитные и декоративные свойства в атмосферных условиях. Срок службы зависит от климатических и специфических условий местности. К видам разрушений, связанным с потерей декоративных свойств лакокрасочных покрытий относятся: потеря блеска, изменение цвета, белесоватость, грязеудержание и

ДР.[3].

Износостойкость или абраз^ц(3|Стойкость - физическое свойство, характеризующее устойчивость лакокрасочного покрытия к истиранию,

является одним из основных параметров определяющих долговечность пленки [4].

Устойчивость краски к мытью (смываемость). Способность покрытия выдерживать механическое воздействие с применением воды