автореферат диссертации по энергетическому, металлургическому и химическому машиностроению, 05.04.09, диссертация на тему:Разработка метода расчета пресс-форм с упругими формующими элементами для приводных ремней

^ ^ На правах рукописи

'} 1 ■ : Л о^и

ВОДЯКОВ АЛЕКСЕЙ ВЛАДИМИРОВИЧ

РАЗРАБОТКА МЕТОДА РАСЧЕТА ПРКСС-ФОРМ С УПРУГИМИ ФОРМУЮЩИМИ ЭЛЕМ г \ми для ПРИВОДНЫХ РЕШИ

05.04.09 - Машины и агрегаты нефтеперерао.» I химических производств

Автореферат диссертации па соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва 1997 г.

Работа выполнена на кафедре "ПОЛИМЕРСЕРВИС" МОСКОВСКОЙ ГОСУДАРСТВЕННОЙ АКАДЕМИИ ХИМИЧЕСКОГО МАШИНОСТРОЕНИЯ.

Научный руководитель - доктор технических наук,

профессор КАЗАНКОВ Ю. В.

Официальные оппоненты: доктор техшкеских наук,

профессор ШЕРЫШЕВ М.А., кандидат техншеских наук, КОШЕЛЕВ Г.Г.

Ведущая организация - АО "Научно-исследовательский институт резиновой промышленности" (г. Сергиев Посад Московской области).

Защита состоится " 1997 г. в ¿4 час- ми. на

заседашш специашшгрованного совета по присуждению ученой степени кандидата технических наук (К063.44.01) в МОСКОВСКОЙ ГОСУДАРСТВЕННОЙ АКАДЕМИИ ХИМИЧЕСКОГО МАШИНОСТРОЕНИЯ по адресу: 107884, г.Москва, Б-66, ул. Старая Басманная, дом 21/4, МГАХМ.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке АКАДЕМИИ.

Автореферат разослан 1997 г.

Ученый секретарь специализированного совета кандидат технических наук

A.AJIAX0R10B.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность темы. Сложная структура композиционных изделий задается на стадии сборки и, следовательно, должна сохраняться в процессе формования и вулканизации. Одним из основных требований, определяющих высокие потребительские свойства композиционных изделий, является требование обеспечения высокой адгезионной прочности между элементами структуры, обладающими различными механическими свойствами. Это может быть достигнуто, кроме выбора надлежащих адгезивов, вводимых в рецептуру изделия, высоким давлением формования, однако при этом возможно возникновение сдвиговых деформации в полости из-за истечения избытка в облой, что неминуемо приводит к искажению заданной структуры и, тем самым, к ухудшению качества изделия. Такие противоречивые требования к ведению технологического процесса значительно сужают круг возможных методов изготовления композиционных изделий с эластомерной матрицей. Например, процесс изготовления приводных ремней, в которых требование к сохранению структуры превалирует над требованием обеспечить прочную связь несущего слоя и эластомерной матрицы, предполагает формование и вулканизацию собранных заготовок на специальном оборудовании в условиях довольно низкого давления формования. Наиболее широкое применение в настоящее время получил метод формования и вулканизации ремней в диафрагменных вулканизаторах. Однако, наряду с низким давлением формования (1-1,5 МПа), этот метод предполагает и образование значительного количества невозвратных отходов при изготовлении безоберточных ремней (до 20 %). Альтернативные методы (вулканизация на челюстных и ротационных прессах) позволяют разрешить только некоторые аспекты проблемы, часто за счет увеличения трудоемкости процесса или снижения качества изделия. Перспективным методом формования и вулканизации ремней является компрессионное формование в пресс-формах с упругими формующими элементами. Однако, многие вопросы, связанные с проектированием таких пресс-форм, выбором параметров формования и вулканизации, расчетом ресурса эксплуатации и требуемой конфигурации формующих элементов,до настоящего времени не исследованы. В связи с этим разработка метода расчета и конструирования высокоэффективных компрессионных пресс-форм с упругими формующими элементами, позволяющими существенно уменьшить трудоемкость изготовления и улучшить качество сложных композиционных изделий из эластомеров, в

частности, приводных ремней с использованием традиционного прессового оборудования,является актуальной задачей.

Цель работы. На основе теоретических и экспериментальных исследований процесса компрессионного формования в пресс-формах с упругими формующими элементами разработать на научной основе метод проектирования компрессионных пресс-форм с упругими формующими элементами, обеспечивающий возможность прогнозирования уровня качества изделий при выбранных технологических параметрах формования.

Научную новизну диссертационной работы представляют следующие ее результаты:

- дифференциальная реологическая модель слабосжимаемой термовяз-коупругой структурирующейся среды, в которой связь девиаторов напряжений и деформаций описывается моделью Максвелла, а шаровых компонент - уравнением Ван-дер-Ваальса;

- математическая модель чстырехстадийного процесса компрессионного формования, учитывающая нестационарность и неизотермичность процесса, протекание релаксационных процессов в изделии и формующем элементе и наличие трения скольжения на границе контакта "металл - эластомер", а также результаты анализа процесса формования в пресс-формах с упругими формующими элементами;

- методика и результаты определения фрикционных, компрессионных и вязкоупругих характеристик полимерных материалов,

-методика расчета и конструирования компрессионных пресс-форм с упругими формующими элементами и выбора технологических параметров формования композиционных изделий из эластомеров.

Практическая ценность. Практическую ценность имеет разработанная на основе отмеченных выше результатов методика расчета и конструирования компрессионных пресс-форм с упругими формующими элементами и выбора технологических параметров формования, а также конструкции пресс-форм с упругими формующими элементами для формования и вулканизации приводных ремней. Пресс-формы и технология изготовления клиновых ремней внедрены в производство на АО "Саранский завод "Резинотехника" с экономическим эффектом в 1994 г. - 19,041 млн. руб., 1995 г.- 82,317 млн. руб., 1996 г. - 156,072 млн. руб. Начато опытно-промышленное освоение пресс-формы и технологии компрессионного формования синхронных ремней на указанном

предприятии, при этом ожидаемый экономический эффект от внедрения должен составить в 1997 - 1998 г.г. до 120 млн. руб. / год.

Автор защищает:

- дифференциальную реологическую модель слабосжимаемой термо-вязкоупругой структурирующейся среды, в которой связь девиаторов напряжений и деформаций описывается моделью Максвелла, а шаровых компонент - уравнением Ван-дер-Ваальса,

- методику и результаты определения фрикционных, компрессионных и вязко упругих характеристик материалов,

- математическую модель четырехстадийного процесса компрессионного формования, учитывающую нестационарность и неизотермич-ность процесса, протекание релаксационных процессов в изделии и формующем элементе и наличие трения скольжения на границе контакта "металл - эластомер", а также результаты анализа процесса формования в пресс-формах с упругими формующими элементами;

- .методику расчета и конструирования компрессионных пресс-форм с упругими формующими элементами и выбора технологических параметров формования композиционных изделий из эластомеров;

- конструкции компрессионных пресс-форм с упругими формующими элементами для формования приводных ремней.

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы были доложены на научной конференции МГУ им. Н.П.Огарева "XXII Огаревские чтения", секция "Прикладная механика" (г.Саранск, 1994 г.); на Первой Международной конференции "Дифференциальные уравнения и их приложения" (г. Саранск, 1994 г.); на Четвертой Всероссийской конференции "Динамика процессов и аппаратов химической технологии" (г. Ярославль, 1994 г.); на Республиканской научно-технической конференции "Применение прогрессивных технологий, композиционных материалов и покрытий с целью повышения долговечности сборочных единиц при изготовлении и ремонте машин" (г. Саранск, 1994 г.); на Девятой Международной конференции "Математические методы в химии и химической технологии" (г.Тверь, 1995 г.).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 7 печатных работ.

Структура и объем работы. Содержание диссертации изложено на 222 страницах, включающих 161 страницу машинописного текста, 80 рисунков, 3 таблицы. Диссертационная работа состоит из введения, шести глав, выводов по работе, списка литературы, включающего 168

наименований работ отечественных и зарубежных авторов, и приложения, содержащего акты о внедрении результатов работы.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении показана актуальность работы, изложены ее содержание и основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе проанализирована научно-техническая и патентная литература по современным конструкциям и технологиям изготовления сложных композиционных изделий из эластомеров, в частности, приводных ремней. Приведен обзор публикаций, посвященных созданию и численной реализации комплексных математических моделей компрессионного формования, реокинетическим и фрикционным характеристикам полимерных материалов и методам их определения.

В результате анализа показано, что наиболее высокое качество изготовления таких сложных изделий, как ремни, может быть достигнуто в пресс-формах с упругими формующими элементами, которые при относительной простоте конструкции реализуют высокое давление формования, требуемую направленность формующего воздействия на заготовку и исключают истечение композиции в облой. Все указанное позволяет сохранить структуру изделия, заданную при сборке, обеспечить высокую прочность связи разномодульных элементов конструкции. Кроме того, при этом может быть резко сокращена доля невозвратных отходов, а процесс формования - легко механизирован на базе имеющегося оборудования, применяемого в производстве формовых РТИ. В то же время, имеющиеся литературные источники не дают сведений о детальных исследованиях компрессионного формования в пресс-формах с упругими формующими элементами, а также о методах их расчета и конструирования, что ограничивает использование пресс-форм подобного типа в практике производства композиционных изделий. В частности, отсутствуют теоретические работы, посвященные соз-даншо математических моделей компрессионного формования, учитывающих нсизотермичность и нестационарность процесса, сложный комплекс вязкоупругих свойств структурирующихся материалов, наличие трепня скольжения на границе контакта формообразующих поверхностей полости пресс-формы и формуемой заготовки, которые в целом позволяли бы рассчитывать на научной основе конфигурацию и размеры формующей полости в зависимости от требуемой геометрии изделия. Причинами, сдерживающими внедрение сложных моделей в практику расчета и конструирования полимерного оборудования яв-

ляется сложность их реализации аналитическими методами, а также отсутствие простых и надежных методов определения многочисленных фрикционных, компрессионных и вязкоупругих характеристик материалов, входящих в уравнения моделей. Изучение этих вопросов и составляет основное содержание диссертации.

Вторая глава посвящена упрощенному теоретическому исследованию процесса компрессионного формования, не учитывающему проте-

кание релаксационных процессов в заготовке и формующем элементе.

Р, МПа

т. С (2 стадия)

Рис. 1. Расчетная схема пресс-формы и график изменения давления по длине полости.

Конфигурации: - исходная, ——— - в конце второй стадии,-----в

конце четвертой стадии, • • • - экспериментальная.

На рисунке 1 представлена расчетная схема пресс-формы для изготовления модельного изделия прямоугольного сечения, включающая пуансоны 1, матрицу 2, упругий формующий элемент 3 и формуемую заготовку 4. Предполагается, что нагружение формующего элемента и заготовки верхней и нижней плитами симметрично, поэтому рассматривается только верхняя от оси симметрии часть полости. При движении верхней плиты вниз с усилием ц, формующий элемент 3 деформируется, его фронтальная поверхность, образованная радиусом Я0 , формоизменяется и перемещается вправо, сообщая заготовке 4 требуемое формующее воздействие. Модель процесса компрессионного формования, отвечающая описанной расчетной схеме, предполагает наличие четырех последовательных стадий. На первой стадии сжатие формующего элемента обеспечивает перемещение его фронтальной поверхности, которая после смыкания пресс-формы становится формообра-

зующей поверхностью. На второй реализуются разогрев заготовки, ее формование и вулканизация. Третья стадия - стадия раскрытия пресс-формы и извлечения готового изделия. На четвертой происходит охлаждение изделия на воздухе, и, связанное с этим, изменение его размеров. Напряженное состояние характерных точек формующего элемента и заготовки на первых двух стадиях формования представлено на этом же рисунке. При разработке математической модели были приняты следующие допущения:

1. Истечение материала заготовки в облой отсутствует, форма и структура заготовки соответствуют форме и структуре изделия;

2. Материалы заготовки и формующего элемента являются упругими и слабосжимаемыми;

3. Процесс формования на всех стадиях является квазистатическим;

4. Пуансоны и матрица пресс-формы являются абсолютно жесткими.

Начальные и граничные условия представляются в виде:

1. На вертикальных границах контакта "матрица-формуюший элемент", "заготовка-матрица" трение отсутствует; на горизонтальных границах контакта "формующий элемент-пуансон" и "заготовка-пуансон" действуют касательные напряжения и о» , связь между которыми определена законом трения;

2. До начала процесса формования внутренние напряжения в заготовке и формующем элементе отсутствуют; температура формующего элемента является постоянной и равной температуре пресс-формы ; температура заготовки на первой стадии равна начальной Тн , на второй изменяется от Тн до Тж , на третьей сохраняет постоянное значение Тл , на четвертой изменяется от Т* до температуры воздушной среды Тс.

Определяющие уравнения математической модели включают:

1. Уравнения равновесия для плоско-деформированного состояния:

/&;=<); ст^+буР , (1)

■

2. Дифференциальную реологическую модель термоупругой слабосжи-маемой среды, в которой девиаторы напряжений и деформаций связаны законом Гука, а шаровые компоненты - уравнением Ван-дер-Ваальса: <Кв = 2СоРТ / (р0То) сЦ ; с!р = Кс1е, - (Р + а) <1(1пТ)

Р =

1 , к [ т , Т°

р0 М^р + а а

1

; к =

(р + а У( М Тс Яро а)

(2)

+ р + а

3. Уравнение связи касательных и нормальных напряжений на границе контакта формующего элемента и изделия с пуансонами пресс-формы, вытекающее из молскулярно-кинетической теории трения Бартенева: _Т_3/2 и» -ЯТ 1п(у* / V) (Зс, Т„

(3)

иж-КТ01п(у'/у0) 1 + рст/

4. Уравнение нестационарной теплопроводности Фурье-Кирхгофа с граничными условиями первого рода для второй стадии процесса и третьего рода - для четвертой:

5Т/Э1 = а(52Т/5х2+ 52Т/5у2) (4)

5. Условие достижения оптимальной степени вулканизации в заготовке:

I* = Г (х, у, I) = ехр

и

РХ

/ехр)

и

1Щх,у,0

'А,

(5)

при этом Г, отвечающее оптимуму вулканизации, рассчитывается по кривой кинетики реакции вулканизации в изотермических условиях.

Описанная система уравнений не может быть решена аналитически, поэтому для реализации модели использовано численное решение методом конечных элементов с дискретизацией массивов формующего элемента и заготовки треугольными элементами первого порядка. В результате для момента времени ¡ги < I < и получены две системы конечно-элементных соотношений, представленных в скоростной форме: - разновесия конечного элемента (КЭ): [ВД} =5{Р}-5{Р}Р;

[К]=Д[В]Т[Оу] [В];

(6)

[В1=21 ь, ь, ьк 0 0 0 "2 0 0"

0 0 0 ск ; Ру] = С 0 2 0 ;

_с; С; ск Ь, Ь, V 0 0 1

Ь; = у; - ук , С; = Хк - Х|; (С)

8{Р}р = К (4Д)"' 0>1 Ь^ Ьк С; С; ск]Т [Ь( Ьк С; с] ск ш-

- 1/6[Ь; Ь з ьк с ск]Т <р+ а) [50п Т;) + 8(1пТ3) + 5(1п Тк)]

- теплопотоков в конечном элементе:

51

2

[С] = / dV = [Ы]Т[К] А = А

V ' ^

[Н] = а|[Вт]т[Вт]дУ = а [ВТ]Т[ВТ] А ;

[Вт] =

2Д

Ь, Ь,

ai + Ь;х + ^у aJ + ак +Ькх + ску_

Iрг ата Г(Т?П + {Т}п_]

При составлении программ были реализованы известные процедуры объединения конечных элементов массива с получением симметричной глобальной матрицы жесткости. Система линейных матричных уравнений на шаге нагружения 51 для ансамбля КЭ решалась методом Холец-кого. Для поиска неизвестных приростов узловых сил, входящих в правую часть выражения (воспользовался метод начальных напряжений. В процессе теоретического анализа было выявлено, что конечная

конфигурация фронтальной поверхности формующего элемента, задающая форму изделия, является достаточно устойчивой к малым изменениям скорости смыкания, температуры пресс-формы и констант закона трения (3), поскольку при изменении этих параметров на 3-6 %, определяемом точностью их под-деожания в процессе производства, конфигурация фронтальной поверхности

д

¿г

га С

(М-

¿0-

/Гог/нши/оавб.

Рис.2. Зависимость масималъных значений давления

(р) в формующей полости и усилия смыкании (q)npecc-фopмы от погрешности (3) объема заготовки при Т„=423 К.

формующего элемента изменяется не более чем на 1-2 % . При этом, как следует из рисунка 2, наличие формующего элемента в полости существенно снижает влияние погрешности массы заготовки на давление формования, обеспечивая безоблойность изделия. Здесь же пунктирной ли-

нией для сравнения показана указанная зависимость для пресс-формы без формующего элемента с такими же размерами формующей полости (9,25 х 21,7 мм). Оптимальные условия формования реализуются при объеме заготовки на 2-4 % большем номинального, причем объем формующего элемента должен в 3-7 раз превышать объем заготовки.

В третьей главе изложены результаты теоретического исследования процесса формования в пресс-форме с упругим формующим элементом с учетом протекания релаксационных процессов в заготовке и накопления элементом пластических деформаций в условиях длительной эксплуатации последнего. Математическая модель также предполагает наличие четырех последовательных стадий. На первой сжатие формующего элемента обеспечивает перемещение его фронтальной поверхности и упрутое деформирование заготовки. Вторая стадия связана с разогревом и вулканизацией заготовки, ростом давления в полости и релаксацией напряжений в формующем элементе и заготовке (сбусла-вливаюшей пластическое формоизменение элемента и формование заготовки). Третья стадия - размыкание и перезарядка пресс-формы -характеризуется неполным восстановлением жлОдИ:..'?' размеров формующего элем^тго накопления пластических деформаций и увеличением объема изделия, вследствие сброса давления формования. На четвертой стадии происходит охлаждение изделия с протеканием усадочных процессов, связанных с изменением температуры изделия и ретардацией девиатора накопленных упругих деформаций. При разработке математической модели были приняты те же допущения, начальные и граничные условия, что и в модели формования (глава 2) за исключением допущений о соответствии формы заготовки и изделия и реологическом поведении материалов формующего элемент и заготовки. Соответственно и уравнения математической модели пластического формоизменения формующего элемента различаются от изложенных в главе 2 только в части описания реологического поведения материалов. Поскольку для большинства полимерных материалов реакции на деформацию формоизменения является вязкоупругой, а на объемную деформацию - упругой, то тензор напряжений был разделен на девиаторную Э и шаровую р части. Для описания связи шаровых компонент тензоров напряжений и деформаций было принято второе уравнение системы (2). Связь девиаторных компонент тензоров напряжений и деформаций была принята в форме модели Максвелла. В итоге реологическое поведение материалов формующего элемента и заготов-

(В)

ки представлено дифференциальной реологической моделью слабо-сжимаемой термовязкоупругой структурирующейся среды следующего вида:

<Кв=2С0рТ/(р0Т0>1бй-8вА/е с!р = Кс1су -(р + а) с!(1пТ) Зависимость времени релаксации от действующих напряжений, температуры и эффективного времени воздействия на среду была принята в соответствии с принципом логарифмической аддитивности в виде: 0 = Г(1ДА,) = {< - (л°к - Лн)ехр[-к0(I - 10• ехр(-АБи) х

РоТо ТЕ(Т-То)

ехр

ЯТ0Т

ехр[-к0(1-10)] = 1 при 1<10

(9)

ОоРТ

Для решения уравнений модели также были использованы метод конечных элементов и алгоритм последовательных нагружений. При этом матричное соотношение (6) преобразовано к виду (10) [К]{С} = 5{Р} - 5{Р}р + 8{Б}9 , (10)

где 5{Р}0 = (51/0) А [В]Т{Б} - вектор прироста узловых сил, обусловленный релаксаций девиатора напряжений на шаге нагружения 51.

Теоретический анализ формования в условиях длительной эксплуатации формующего элемента показал, что ~ " ' процесс изменения раз-

меров и конфигурации формующего элемента в течение времени эксплуатации имеет асимптотический характер, а зависимость среднеквадратичного отклонения с профиля изделия от за-кв107,с-' данного прямолинейного - экстремальный, в связи с чем ресурс эксплуата-

Рис.З. Зависимость среднеквадратичного отклонения Чии формующего Эле-профиля изделия в сомкнутой пресс-форме ( )и вне мента ограничивается не

ее (---)от значений реокинетических параметров искажением формы И

заготовки.

<ьъ(Ои) ■ Т=150°С. ки=1,11 '1(Т7 с1; 8„(ки) - ть=150 размеров изделия, а "С, ео=80 С. БЬ(ТЖ) - 0 =80с, к =1,11-10-1-'. величиной минимально-

а юз ¿00 309 ля МО

/ г л * е т — 1 ■<

го

«3 нз

из

433

4*3

го технологического зазора между фронтальной поверхностью формующего элемента и заготовкой, при котором обеспечивается перезарядка пресс-формы. Влияние реокинетических параметров заготовки на форму изделия в пресс-форме и вне ее носит асимптотический характер (рисунок 3), причем можно выделить такие значения реокинетических параметров, при которых невозможно обеспечить в течение длительного времени эксплуатации формующего элемента стабильное воспроизводство размеров изделия. Как видно из графиков, значения отклонений профиля изделия в пресс-форме (при 150°С) и вне ее (при 30°С) существенно различны вследствие наличия девиатора упругих деформаций в сформованном изделии.

В четвертой главе изложены разработанные методики и результаты определения фрикционных, компрессионных и реокинетических характеристик материалов формующего элемента и заготовки.

Для проведения исследований была разработана экспериментальная установка, представляющая собой винтовой пресс с тиристсрным приводом, на который монтируются сменные блоки: устройство для исследования компрессионных и фрикционных характеристик эластомеров, устройство для изучения реологических характеристик материалов в условиях одноосного сжатия и модельная пресс-форма с упругим формующим элементом и системой силоизмерения.

Устройство для измерения компрессионных и фрикционных характеристик эластомеров представляет собой толстостенную матрицу, которая снабжена спиральными электронагревателями, размещенными в винтовой канавке на внешней цилиндрической поверхности. Образец сжимается двумя притертыми к матрице пуансонами с измерением усилия сжатия на каждом из них пружинным динамометром. Перемещение верхнего пуансона измеряется двумя часовыми индикаторами, укрепленными в плите, жестко связанной с пуансоном.

Устройство для измерения реологических характеристик в условиях одноосного нагружения представляет собой ту же матрицу, с размещенными в ней образцом и пуансоном. Постоянное заданное усилие сжатия на образец реализуется с помощью грузов, размещенных на термоизолирующем диске. Измерение перемещения пуансона осуществляется с помощью системы, состоящей из сменных тензодатчиков растяжения и станции измерения деформации СИД-1, позволяющей регистрировать обработанный сигнал тензодатчика на диаграммной ленте.

В качестве объектов исследования были выбраны термостойкая резиновая смесь на основе СКЭПТ шифра Л-1282 и резиновая смесь на основе хлоропрена шифра 57-9014-10. Реологические, фрикционные и компрессионные свойства резины Л-1281 изучались на вулканизованных образцах цилиндрической формы. Цилиндрические образцы из резины 57-9014-10 для исследования компрессионых характеристик были свулканизованны в виде композитов следующего состава: резиновая смесь - 50% , стеклокорд 60С-КШ - 25 % , ткань НУЕЛА-120 - 25 % (в объемных процентах), соответствующего типичному составу синхронных ремней. Вязкоупругие характеристики смеси 57-9014-10 изучались на невулканизованных образцах. Реокинетические характеристики резиновых смесей были исследованы на реометре "MONSANTO-100".

В результате исследований были получены следующие, приведенные к 20 °С значения констант:

- для резиновой смеси 57-9014-10: riK°=7,8'105 МПа-с, г|но=280 МПа<с, Е=30,8 кДж/моль, А=39,5 МПа1, G0=l,31 МПа; а=147 МПа, М=203 г/моль, р0= 1,493 г/см3; а=20,1 108 м2/е, >.=0,374 Вт/(м.К), U=67 кДж/моль, ко=1,1М0"7с-', 1о=0, Г=1,5 107 с;

- для резины Л-1281: Лк°=7,47-107 МПа с, V>=U5-107 МПа с, U=35,5 кДж/моль, ko=4,03 10"7 с-', 1о=0, Е=47 кДж/моль, А=0, G0=l,2Mna; а=327 МПа, М=64 г/моль, р0=1,1 г/см3; Uw=63 кДж/моль, (3=0,28 МПа-!, Со=0,83 МПа, Vo=6'10-3 мм/с, v*=106 мм/с.

В пятой главе изложены результаты экспериментальной проверки математических моделей и теоретических результатов, полученных во второй и третьей главах.

Исследование процессов формования при низких и высоких температурах и пластического формоизменения упругого формующего элемента проводилось на описанной выше экспериментальной установке с помощью модельной пресс-формы для формования изделия в форме параллелепипеда с размерами 21,7 х 9,25 х 24 мм, расчетная схема которой приведена на рисунке 1. Модельная пресс-форма включает составную стальную матрицу 2, к которой притерты пуансоны 1. Для визуального наблюдения за процессом деформирования упругого элемента 3 при низких температурах используется сменная плита из оргстекла толщиной 20 мм, входящая в состав матрицы (на схеме не показана). Для изучения процесса формования при высоких температурах оргстекло заменяется на стальную плиту с теми же размерами. Формующие элементы из резиновой смеси Л-1281 вулканизовались в специальной пресс-форме, на боковой плите которой была выполнена сетка из вы-

цуклых точек с шагом расположения 5 мм. Отформованная на боковой плоскости элемента сетка из вогнутых точек, заполненных белой краской, позволяла фотохрафическим способом фтссировать во время опытов при низкой температуре (20°С) характер его формоизменения.

При высокой температуре изучались изменение усилия смыкания пресс-формы в течение всех стадий цикла формования и изменение размеров формующего элемента из-за накопления пластических деформаций в течение времени эксплуатации.

Расчетное время вулканизации, соответствующее Т*=1,5-107 с, составило 30 минут при Ти,=150°С. Изменение конфигурации упругого элемента изучалось в течение 100 циклов формования, в течение которых изготавливались композиционные изделия вышеописанного состава. После каждых 10 циклов формования упругий элемент извлекался из пресс-формы и производились замеры размеров изделия и элемента. На рисунке 4 представлены теоретические (линии) и экспериментальные (точки) кривые изменения усилия смыкания и конфигурации формующего элемента в течение времени его эксплуатации, анализируя которые можно сделать вывод, что математическая модель адекватно отражает результаты эксперимента.

В шестой главе приведена методика расчета и конструирования компрессионных пресс-форм с упругими формующими элементами и выбора технологических параметров формования композиционных изделий из эластомеров, а также конструкции пресс-форм и основные особенности техпроцессов изготовления синхронных и клиновых ремней.

10

20

40

Ь,час 30

Рис.4 Зависимость усилия смыкания в конце первой стадии (1), пластической деформации сжатия формующего элемента (2) и комплекса (х -х )/х0 , характеризующего изменение конфигурации элемента,от длительности эксплуатации элемента.

ВЫВОДЫ И ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. Предложена дифференциальная реологическая модель слабосжимае-мой термовязкоупругой структурирующейся среды, в которой связь де-виаторов напряжений и деформаций описывается соотношением Максвелла, а шаровых компонент - уравнением Ван-дер-Ваальса.

2. Разработаны математическая модель и программы расчета процесса компрессионного формования в пресс-формах с упругими формующими элементами, позволяющие описать все четыре стадии процесса формования (смыкание пресс-формы; нагрев, формование и вулканизация; раскрытие пресс-формы; охлаждение изделия) с учетом трения на границе контакта упругого элемента с металлом пресс-формы и релаксационных процессов, протекающих в элементе и формуемой заготовке. Адекватность модели и программ подтверждена тестовыми задачами, экспериментальными исследованиями физической модели и опытным производством приводных ремней на ОАО "Саранский завод "Резино-техника".

3. Установлено, что упругий формующий элемент, размещенный в полости, кроме оказания направленного формующего воздействия на заготовку, позволяет значительно уменьшить колебания давления формования, связанные с погрешностью массы заготовок, что гарантирует получение безоблойных изделий. Оптимальные условия формования реализуются при соотношении объем а элемента и объема заготовки 3-7 при объеме формующей полости на 2-й % меньшем, чем объем изделия.

4. Установлено, что в процессе эксплуатации формующего элемента происходит существенное изменение его конфигурации, связанное с накоплением пластических деформаций и искажающее с течением времени конфигурацию изделия. При этом меньшие изменения заданной конфигурации изделия достигаются при формовании заготовок с большими значениями времени релаксации и скорости вулканизации резиновой смеси.

5. Разработаны методики и устройства для определения компрессионных, фрикционных и реокинетических характеристик вязкоупругих материалов; эти характеристики определены для резиновой смеси на основе хлоропрена и вулканизата на основе СКЭПТ.

6. Разработана методика расчета и проектирования компрессионных пресс-форм с упругими формующими элементами для изготовления изделий типа приводных ремней, учитывающая влияние пластического

формоизменения элементов в процессе эксплуатации на геометрию изделий. На основании этой методики разработаны конструкции пресс-форм для изготовления клиновых и синхронных ремней. 7. Показана возможность изготовления приводных ремней с существенно лучшими характеристиками как по геометрии, так и по работоспособности на прессовом оборудовании с помощью пресс-форм с упругими формующими элементами за счет того, что в них реализуется давление формования в 10-20 раз превышающее давление при изготовлении ремней традиционными методами в диафрагменных вулканизаторах.

Основное содержание диссертации отражено в следующих работах:

1.Л.В. Водяков, В.Н. Водяков, Ю.В. Казанков. Исследование коэффициента трения эластомерных композитов в условиях объемного сжатия. "Применение прогрессивных технологий, композиционных материалов и покрытий с целью повышения долговечности сборочных единиц при изготовлении и ремонте машин". Тез. докл. / Респубикан-ская научно-техническая конференция, г.Саранск, 1994.

2. Коешов Н.М., Водяков A.B. Моделирование работы эластомерных формующих элементов в компрессионных пресс-формах. "XXII Ога-ревские чтения". Тез. докл. / Мордовский государственный университет им. Н.П.Огарева, г.Саранск, 1994.

3. Водяков A.B., Водяков В.П., Казанков Ю.В. Математическая модель процесса компрессионного формования композитных изделий заданной структуры. "Динамика процессов и аппаратов химической технологии". Тез. докл. / Четвертая Всероссийская научная конференция, г .Ярославль, 1994.

4. Водяков A.B. Численное моделирование пластического формоизменения эластомерных формующих элементов пресс-форм. "Дифференциальные уравнения и их приложения." Тез. докл. / Первая международная конференция, г.Саранск, 1994.

5. Водяков A.B., Водяков В.Н., Казанков Ю.В. Математическое моделирование поведения формующих элементов компрессионных пресс-форм в процессе их длительной эксплуатации. "Математические методы в химии". Тез. докл. / Девятая Международная конференция, г.Тверь, 1995.

6. Водяков A.B., Водяков В.Н., Парамонов В.Н., Казанков Ю.В. Математическая модель процесса компрессионного формования в пресс-

формах с упругими формующими элементами. Каучук и резина, 1995, №5, С. 26-29.

7. Водяков A.B., Водяков В.Н., Парамонов В.Н., Казанков Ю.В. Расчет ресурса эксплуатации формующих элементов компрессионных пресс-форм. Каучук и резина, 1996, №5.

УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ

Стц - тензор напряжений; Sij и р - соответственно девиаторная и шаровая части тензора напряжений; 8ц - символ Кронекера; G0 - модуль сдвига; Ö - время релаксации; К - объемный модуль упругости; а и М - константы уравнения Ван-дер-Ваальса; ev - объемная деформация; р0 -плотность среды; Т0 - температура приведения; Tw - температура пресс-формы; c,j - линейный тензор деформаций; С0 и ß - постоянные закона трения; Uw - энергия активации процесса трения; ?.иа- коэффициенты теплопроводности и температуропроводности; А - реологическая константа; ко - константа скорости вулканизации или старения; I - эффективное время воздействия на среду; 10 - эффективная длительность воздействия, при которой начинает наблюдаться рост вязкости; tih° и г|к° -начальное и конечное значения ньютоновской вязкости; SH - интенсивность напряжений; Е - энергия активации вязкого течения; U - энергия активации вулканизации или старения; R - универсальная газовая постоянная; v - скорость скольжения; xw и aw - касательные и нормальные напряжения на границе контакта; [К] - текущая матрица жесткости КЭ; 8{F}- вектор прироста узловых сил на шаге нагружения 5 t; 6{F}P -вектор прироста узловых сил, обусловленный изменением объема КЭ; {С}- вектор прироста узловых смещений на шаге 5 t; [В] - текущая матрица производных функций формы поля перемещений в КЭ; [N] - текущая матрица функций формы поля перемещений в КЭ; х; , у, ... - текущие узловые координаты КЭ; i, j, k - номера узлов КЭ; А - текущая площадь КЭ; [Dy] - матрица упругости КЭ; Ti , Tj , Tk - текущие узловые значения температуры; [Н] - текущая матрица температуропроводности КЭ; [Вт] - текущая матрица производных функций формы температурного поля в КЭ; [С] - матрица теплоемкости КЭ; {F}- текущий вектор теплопотоков в КЭ; аг - коэффициент теплоотдачи; X, , Y, , ... -текущие узловые координаты конечных элементов на границе массивов заготовки и изделия; {Т}„ , {T}„-i - узловые значения температуры, отвечающие моментам времени t„ и tn-i ; Тс - температура охлаждающей среды (воздуха).