автореферат диссертации по химической технологии, 05.17.06, диссертация на тему:Разработка технологии литьевого формования резино-технических изделий для судостроения

1111111111111111

003062132

На правах рукописи

Кудин Игорь Игоревич

РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ ЛИТЬЕВОГО ФОРМОВАНИЯ РЕЗИНО-ТЕХНИЧЕСКИХ ИЗДЕЛИЙ ДЛЯ СУДОСТРОЕНИЯ

05 17 Об - технология и переработка полимеров и композитов

АВТОРЕФЕРАТ ДИССЕРТАЦИИ НА СОИСКАНИЕ УЧЕНОЙ СТЕПЕНИ КАНДИДАТА ТЕХНИЧЕСКИХ НАУК

Санкт - Петербург 2007

Работа выполнена в Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Санкт-Петербургский Государственный технологический институт (технический университет)»

Научный руководитель доктор технических наук,

профессор Красовский Владимир Николаевич

Официальные оппоненты доктор технических наук, профессор Агаянц Иван Михайлович, доктор технических наук, профессор Богданов Валерий Владимирович

Ведущее предприятие ГУП НИИСК им Лебедева С В

Защита диссертации состоится " ГЗ " ¡-г* 2007 г в (2 часов

на заседании диссертационного совета 'Д 212 230 05 при Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Санкт-Петербургский государственный технологический институт (Технический университет)»

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Санкт-Петербургский государственный технологический институт (Технический университет)»

Отзывы в одном экземпляре, заверенном печатью, просим направлять по адресу 190013 г Санкт -Петербург, Московский проспект, д 26, Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Санкт-Петербургский Государственный технологический институт (технический университет)», Ученому секретарю

Автореферат разослан " # " ач/кг,,.. 2007 г

Ученый секретарь диссертационного совета,

кандидат химических наук, доцент РжехинаЕ К

1 ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы Одним из основных направлений совершенствования резиновых технических изделий (РТИ), применяемых па современных морских и речных судах, является повышение их надежности и долговечности Особенно это важно для массивных крупногабаритных резинометаллических подшипников, преждевременный выход из строя которых может привести к аварии, а замена требует крупных затрат, связанных с демонтажем ходовой части судна Из анализа работы подшипников следует, что они в ряде случаев не соответствуют предъявляемым к ним требованиям как по комплексу физико-механических свойств, так и по их стабильности Следствием этого является недостаточная надежность изделия Одним из путей решения проблемы является разработка прецизионной технологии литьевого формования РТИ, обеспечивающей высокую стабильность свойств изделий Ее создание, включающее установление оптимальных режимов процесса, невозможно без математического и компьютерного моделирования основных технологических операций

Цель работы — создание прецизионной технологии литьевого формования резинометаллических подшипников для двигателей речных и морских судов, в основе которой лежат компьютерные модели основных технологических операций, совершенствование этапов общего технологического процесса производства изделий, оказывающих наибольшее влияние на их эксплуатационные характеристики

Научная новизна. Разработаны компьютерные модели основных технологических операций литьевого формования резиновых смесей Создана модель операций пластикации эластомеров, включающая вариант подачи резиновой смеси из материального цилиндра через литниковые системы и вариант, использующий червячные узлы в литьевом оборудовании, установлены преимущества дозированной скорости заполнения форм для производства массивных резиновых изделий, предложена модель расчета процесса вулканизации резинометаллических изделий, позволившая обосновать выбор тепловых режимов, влияющих на их качество

Практическая ценность исследования Разработаны методики расчета и найдены оптимальные режимы процессов литья и вулканизации массивных крупногабаритных изделий, применяемых в технологии судостроения

Внесена корректировка в количественный состав традиционных композиций, применяемых для изготовления резинометаллических подшипников, позволившая улучшить их технологические свойства

На основании данных ультразвукового контроля качества эластомерных композиций, полученных различными способами, предложена усовершенствованная технологическая схема их приготовления и варианты ее аппаратурного оформления, обеспечивающие высокую стабильность свойств резиновых смесей

Разработанная технология внедрена на ЗАО «Шеврон-Сервис», выпускающем резиновые и резинометаллические изделия для судостроения Полученные по новой технологии изделия эксплуатируются на судах различных классов

Апробация работы и публикации Материалы диссертации отражены в 1 брошюре и 2 статьях Результаты работы докладывались на секции полимерных композиционных материалов ВХО им Д И Менделеева (2007 г ), научных конференциях кафедры химии и технологии каучука и резины СПбГТИ (ТУ) (2004-2007 гг )

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, выводов, списка литературы (129 наименований), 4-х приложений и содержит 149 страниц текста, 30 рисунков 25 таблиц

Автор защищает Компьютерные модели литья и вулканизации массивных крупногабаритных изделий для судостроения, усовершенствованные рецептуру резин для вкладышей резинометаллических подшипников и технологию ее приготовления.

2 МЕТОДИЧЕСКИЕ ВОПРОСЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОГО ИССЛЕДОВАНИЯ

2.1 Структура теоретических и экспериментальных исследований Качество и надежность резинометаллических подшипников, применяемых в судостроении, формируются не только в процессе литьевого формования, но являются результатом действия группы факторов (свойства исходного сырья, качественный и количественный состав композиции, технология приготовления композиций) Поэтому, учитывая высокие требования, предъявляемые к подшипникам, технологические этапы процесса их изготовления необходимо рассматривать не изолированно, а во всей совокупности Подобный анализ возможен на основе принципов системного подхода

Технологический процесс получения резинометаллических подшипников был представлен как химико-технологическая система, декомпозиция которой позволила рассмотреть его в виде ряда совокупностей, соответствующих последовательности превращения набора исходных компонентов в изделие с заданными свойствами, и наметить рациональный план проведения теоретических и экспериментальных исследований (рисунок 1)

Анализ совокупности состава и свойств исходных компонентов

Анализ совокупности способов и средств приготовления композиций

Определение реологических и теплофизичсских свойств

Создание рациональной

ICXHUJIUI ИЧ1ЛКОЙ

схемы

Анализ совокупности способов и средств формообразовани я изделия

Анализ совокупности способов и средств контроля и регулирования качества

Создание компьютерных миделей литьевого формования

Анализ совокупности способов и средств вулканизации изделия

Разработка модели

Hyji KdHH JdUH И

изделия

Технология изготовления резинометалличе ских подшипников

Рисунок 1 - Структура теоретических и экспериментальных исследований

Центральным звеном исследований является разработка методов компьютерного моделирования процесса литьевого формования и расчет оптимальных режимов процесса для последующего создания прецизионной технологии литья Реализация данной цели требует последовательного решения ряда вспомогательных задач оптимизации состава исходной композиции и определения ее реологических, вулкаметрических и теплофизических характеристик, разработки рациональной схемы приготовления композиций на основе данных о качестве смешения

22 Объекты и методы исследования В качестве основного объекта исследования была выбрана композиция на основе бутадиеннитрильного каучука СКН-26 АСМ, наполненного низкоактивным техническим углеродом П803 Выбор смеси объясняется потребностями предприятий, выпускающих на ее основе резинометаллические подшипники для судостроения Анализ достоверности результатов исследований проводили также на других резинах, используемых для изготовления вкладышей

подшипников судов и гидротурбин ( в соответствии с ОСТ 5 9331-79 «Резины для судостроения »)

Реологические свойства композиций определяли на капиллярном вискозиметре фирмы «Геттферт» (Германия) Использовали методы компьютерной обработки полученных результатов с целью их приведения к реологической модели, удобной для описания процесса литьевого формования

Вулканизационные свойства композиций изучали на реометре «Монсанто 100» в интервале температур 135 -165 °С

Теплофизические характеристик смеси определяли по методике измерений и обработки данных, разработанных на кафедре химии и технологии каучука и резины СПбГТИ (ТУ)

Оценку качества приготовления композиций проводили с помощью ультразвукового метода контроля (УЗ), основой которого является существование рассеяния волн на различных неоднородностях Эластомерные композиции, применяемые для изготовления подшипников, представляют трехфазную систему твердое тело (наполнитель) — высоковязкая среда (полимер) — газ (воздушные включения) Использованные схемы измерений позволили получить сведения о содержании наполнителя в системе (по скорости распространения импульса в образце), его дисперсности (по величине предельного значения коэффициента поглощения), гомогенности смеси (по величине отклонения амплитуд проходящих импульсов в различных образцах), содержании газовой фазы

Физико-механические и эксплуатационные свойства изделий определяли в соответствии с ТУ 38 1051940-04 «Вкладыши резинометаллические для подшипников», утвержденными Российским Морским регистром Судоходства Кроме того, контролировали соответствие вкладышей требованиям по гарантийному сроку эксплуатации

3 КОРРЕКТИРОВКА СОСТАВА, СВОЙСТВА КОМПОЗИЦИЙ И СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИИ ИХ ПРИГОТОВЛЕНИЯ

3.1 Корректировка состава смеси Анализ резии, применяемых для изготовления подшипников, показал, что их отдельные технологических свойства затрудняют переработку литьем под давлением (подвулканизация)

Была произведена количественная корректировка состава резиновой смеси (изменение содержания дибутилфталата и технического углерода П803) и получен материал с требуемым уровнем технологических и эксплуатационных свойств

32 Свойства резиновой смеси. Для практической реализации технологии литьевого формования получены данные о реологических, вулканизационных и теплофизических свойствах смесей Первые две группы свойств с помощью компьютерной обработки результатов измерений представлены в виде математических моделей В результате получены количественные характеристики для использования их в технологических расчетах Для реологических свойств создано две модели первая в форме степенного реологического уравнения, вторая - с базовой кривой течения, заданной таблично

О

Параметры ТЭ=150°С, ип=1 2 мин, Еи/Я=6440, Е/Я=8630 К, 1-)ор1=32 5 мин Здесь 1э - эквивалентное время вулканизации, Тэ - температура эквивалентного изотермического режима вулканизации, ^ э - время индукционного периода при Т=Тэ, Ей/Я, Е/Л - параметр температурно-временной суперпозиции процесса соответственно в пределах индукционного и основного периодов вулканизации, 1э0Р1 - оптимальное эквивалентное время вулканизации данной резиновой смеси

Теплофизические характеристики коэффициент температуропроводности л=22 8*10"8, м2/'с, коэффициент теплопроводности /.=0 542 Вт/(м К) 33 Совершенствование технологии приготовления композиций. С целью совершенствования технологии приготовления композиций изучали качество их смешения УЗ методом Смеси получали различными способами обработкой в роторном смесителе при фиксированном времени процесса обработкой в роторном смесителе при фиксированном времени процесса с последующей дополнительной обработкой на вальцах, обработкой в роторном смесителе при сокращенном времени процесса с последующей дополнительной обработкой в червячном смесителе с переменной нарезкой

Степенное реологическое уравнение

Его параметры п=0 24, Т0=105°С, Цо ~149 кПа с", Ь=0 011КЛ Модель с табличной базовой кривой течения

(р{Т) = е Ь{Т Т°\ ее параметры То =Ч5°С, Ь=0 011 К1

Модель неизотермической вулканизации резиновой смеси

червяка и корпуса, обработкой в роторном смесителе при сокращенном времени процесса с последующей обработкой в червячном смесителе с переменной нарезкой червяка и корпуса, снабженном зоной вакуумирования смесей Результаты испытаний представлены в таблице 1 (Здесь А50 и А25— амплитуды УЗ сигнала на расстояниях 50 и 25 мм, соответвенно, а -коэффициент поглощения среды, f и б- прочность и относительное удлинение вулканизатов) Анализ данных свидетельствует о том, что коэффициент поглощения УЗ зависит от степени обработки материала и коррелирует с показателями физико - механических свойств Наблюдается существенное изменение показателей при переходе на непрерывный режим обработки в червячных смесителях Для установления чувствительности метода к гомогенности распределения ингредиентов проведен эксперимент, в ходе которого испытана серия закладок резин Результаты испытаний по УЗ контролю сопоставляли с данными физико-механических испытаний Это позволило получить корреляционную зависимость между дисперсией амплитуд УЗ сигнала и дисперсией физико-механических свойств Анализ представленной зависимости показывает, что взаимные отклонения дисперсий в среднем не превышают 10%, что подтверждает высокую сходимость данных, полученных по различным методикам

Таблица 1 - Сопоставление результатов УЗ контроля и физико-механических испытаний резиновых смесей

Вид обработки Резиносмеситель (стандартный режим) Резиносмеситель (стандартный режим)+ вальцы Резиносмеситель (сокращенный режим)+ червячный смеситель

Показатели

А50, мВ 9,8 19,6 48,1

A2s. МВ 14 2 30,2 84 2

а, см' 0,19 0,12 0,06

fp МПа 9,0 9,2 9,5

ер, % 100 110 120

Полученные результаты не распространяются на контроль воздушных включений в композициях Наличие газовой фазы и плохая дисперсия наполнителя однозначно увеличивают коэффициент поглощения УЗ колебаний Это свидетельствует о плохом

качестве композиции в целом Для внесения соответствующих изменений в технологический режим процесса необходимо разделение влияния перечисленных факторов Проведение подобного контроля был реализовано в УЗ методе контроля композиций при переменном давлении Согласно данному методу смеси одинакового состава, имеющие более низкий коэффициент а, обладают лучшей дисперсией наполнителя, а имеющие наименьший коэффициент К (Ln (An / А ¡2) = Ki ( 1/Р2 - 1/Pj ), где Ац и А12- амплитуды импульсов на расстоянии х, при давлениях Pi и Р2 , соответственно, К]- коэффициент, определенный на расстоянии xj), содержат меньшее число газовых включений Смеси для экспериментов изготавливали по схеме «резиносмеситель (сокращенный режим)— червячный смеситель», причем во втором случае червячный смеситель был снабжен зоной вакуумирования

Анализ представленных данных (таблица 2) свидетельствует о существенном влиянии вакуумирования на стабильность показателей получаемой смеси Так, режим приготовления №2 предполагает меньшее содержание в ней воздушных включений по сравнению с композицией Xsl, что и подтверждается меньшим значением коэффициентов Ki и Кг а также меньшим разбросом величин физико-механических показателей

Таблица 2 - Сопоставление результатов УЗ контроля и физико-механических испытаний резиновых смесей

Параметры Роторный смеситель + червячный смеситель Роторный смеситель + червячный смеситель + вакуумирование

Р| Рг Pi Рг

Азо А,5 а, см"1 к, 43,32 85 6 0,422 4,3 8,7 0 847 616,8 84,2 174,0 0,278 79,6 166,6 0,294 22,0

К2 454,0 12,8

fp МПа 9 5 10,6

Дисперсия fp 1,11 0,3

£р,% 120 125

Дисперсия ер 12,5 8

Проведенный анализ указывает на необходимость изменения существующей технологии изготовления изделий Исходя из этого, рекомендована следующая схема приготовления композиций резиносмеситель одностадийного смешения, агрегированный с червячной машиной, снабженной зоной вакуумирования Анализ конструкций выпускаемых червячных смесителей и патентной литературы позволил рекомендовать наиболее рациональное аппаратурное оформление данного этапа изготовления подшипников

4 РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ ЛИТЬЕВОГО ФОРМОВАНИЯ

4.1 Количественное описание процесса литьевого формования В предлагаемой системе основ технологических расчетов выделены следующие базовые модели, подкрепленные созданным их математическим обеспечением

-модель неизотермического стационарного процесса переработки резиновой смеси в одночервячной машине для расчета пластикации эластомера и возможного его интрузионного нагнетания в гнезда форм,

-модель неизотермического стационарного потока эластомера в осесимметричных и ленточных литниковых каналах,

-модель квазистационарного ламинарного неизотермического потока эластомера при заполнении литьевых форм щелевого типа,

-модель вулканизации изделия после заполнения формы

Первая модель относится к средствам инженерного расчета процесса пластикации полимерных материалов в червячных узлах литьевой машины Как правило, предполагается схема пластикации с набором дозы разогретого материала и последующим ее впрыском в одно- или многогнездную форму инжекционным узлом Процесс набора дозы, как и вся работа червячного узла, является нестационарным Применение же модели стационарного режима переработки рекомендовано лишь с целью упрощения решаемой задачи, то есть в качестве инженерного приближения, не претендующего на подробное описание всех стадий цикла Применение модели здесь имеет главной целью прогнозирование повышения температуры перерабатываемого полимерного материала с учетом его механических и теплофизических характеристик, геометрии червяка, частоты его вращения, теплообмена с терморегулируемым корпусом машины, а также с учетом возможного теплообмена с червяком Сопутствующей задачей служила оценка энергосиловых параметров переработки, определяющих выбор типоразмера червячной матчины

Вторая модель служила двум основным целям в зависимости от геометрии литниковых каналов Это проверка пластикационного эффекта литников и определение их расходно-напорных характеристик Так при размещении непрогретой дозы резиновой смеси в предварительную цилиндрическую камеру с последующим плунжерным нагнетанием ее через литники в гнезда формы рассматриваемая модель оценивает возможность пластикации материала при течении его через каналы разогретой формы В случае червячной пластикации эластомера литники способны содействовать наиболее быстрому нагреву материала до температуры вулканизации во время заполнения формы Во всех случаях проектирования формовой оснастки и инжекционных узлов литьевых машин требуется произвести оценку сопротивления литников потоку перерабатываемого материала, то есть построить расходно-напорные характеристики

Третья базовая модель, относящаяся к заполнению самого гнезда формы, сформулирована в рамках теории плоских ламинарных стационарных неизотермических потоков аномально вязких полимерных материалов с привлечением гипотезы о переменной по длине потока интенсивности объемного расхода материала через каждое его поперечное сечение Такой постановке эквивалентна задача о потоке переменной ширины, что фактически рассматривается в качестве причины изменения объемного продольного расхода в расчете на единицу ширины потока Указанный прием позволяет охватить моделью довольно обширный класс задач ламинарного заполнения форм щелевого типа, например, для прямоугольной пластины, круглого диска, баллона, сферической оболочки, треугольной или трапецеидальной в плане пластины, оболочек вращения с более сложной образующей, отдельных секторов этих геометрических тел и другие варианты

На данном этапе создания формализованных средств технологических расчетов рассмотрены лишь программы, относящиеся к анализу формования изделий с постоянной толщиной стенок или упрощенно приводимых к такой геометрии Однако возможность трансформации соответствующих алгоритмов к случаям переменной толщины потока в направлении движения его фронта имеется и не представляет принципиальных затруднений В целом третья базовая модель позволяет выполнить систематический расчет расходно-напорных характеристик заполнения формы применительно к разным глубинам продвижения фронта потока и для различных интересующих тепловых граничных условий, а также при разных температурах питающего форму материала

Четвертая базовая модель относится к расчету процесса вулканизации изделия после заполнения формы Компьютерные средства анализа подготовлены для класса

длинномерных и осесимметричных в отношении геометрической формы изделий В иных случаях использовали приближенное приведение к ним

Наиболее удобным для анализа (в отношении расчета вулканизации) является случай струйного заполнения гнезда формы и поддержание ее температуры постоянной Для расчета поля температуры здесь принято начальное условие однородного теплового поля для момента завершения заполнения формы и граничное условие первого рода на поверхности изделия При этом становится возможным применение двумерного (в отношении линейных координат) метода сеток и получение с его помощью текущего поля температуры в цветном изображении на экране компьютера Геометрию изделия задавали множеством точек замкнутого контура его поперечного сечения, то сеть наиболее универсальным путем Главный результат расчета - это оптимальное время выдержки в форме и возникающее развитие вулканизации поверхности изделия по отношению к оптимуму С ним связано качество производимых изделий

В качестве примера рассмотрим более подробно модель вулканизации резинометаллических изделий

Основной частью решаемой задачи является расчет температурного поля изделия Для этого выбран численный метод интегрирования уравнения теплопроводности Задача соответствует нестационарному теплообмену При ее формулировке существенным явилось задание неоднородной начальной температуры изделия и однородных по его поверхности тепловых граничных условий первого рода Формализованная в виде компьютерной программы методика расчета распространяет свое действие на класс длинномерных и осесимметричных изделий или близких к ним по геометрической форме и предусматривает универсальный путь табличного задания наружного контура сечения изделия и контура сечения металлического сердечника

Разработка условий теплового баланса между резиновой частью изделия и сердечником определяет корректность расчета температуры металлического сердечника Уравнение теплового баланса составлено относительно повышения температуры АГм сердечника за шаг по времени А Г-

где Ом - тепловой поток через границу контакта резиновой части детали с сердечником, им и лм — козффициенты температуро- и теплопроводности металла лр — коэффициент теплопроводности резины, Ум - объем участка сердечника длиною Л/., Эм -периметр сечения сердечника, п - координата в направлении нормали к его поверхности Для резиновой части изделия принято следующее уравнение теплопроводности

дТ (82Т д2т)

— = а —- +—-

а/ ду2

В пределах каждого пятиточечного шаблона сетки оно аппроксимировано следующим локальным уравнением, называемым в дальнейшем двумерным сеточным уравнением

где г,} - индексы узлов сетки в направлении осей х и у, ДЛэ - относительный размер ячейки сетки в форме критерия Фурье в локальной системе координат этой ячейки, А/7о = а А1 / И2, И-меньший из размеров Дх и Лу ячейки

Для металлической части изделия установлены независимым путем пренебрежимо малые изменения температуры по толщине сердечника. Основание к этому - аккумуляция им тепловой энергии, а функция теплопередачи Модель дает непрерывную графическую картину температурного поля резиновой и металлической частей изделия с периодическим отображение ее на экран компьютера

42 Оптимизация режимов формования изделий. Взяты примеры технологии вулканизации двух изделий, имеющих отношение к конкретному производству Одно из них массивное и однородное по сечению, другое - резинометаллическое (рисунок 2) Габаритные размеры первого изделия 150x150x210 мм Габаритные размеры второго 16 8x59x250 мм Оба изделия с точки зрения расчета поля температуры в наиболее ответственном центральном поперечном сечении отнесены к длинномерным Вид сечений показан на рисунке 2

Для первого изделия предварительно произведена оценка возможности его вулканизации прессовым методом при укладке в гнездо формы дозы резиновой смеси Расчет выполнен с помощью двумерного сеточного метода интегрирования уравнения теплопроводности Принята температура формы Тф=165 и начальная температура смеси Тнач =40°С Результатом вычислений явилось расчетное время вулканизации 183,75 мин. шо!ветствующее достижению оптимума вулканизации в центре изделия, и степень вулканизации поверхности изделия по отношению к оптимуму 1136 % Это означает, что произойдет недопустимая перевулканизация поверхностного слоя изделия

Т

ЛГ4 = ЛРо

(4)

о in

ЧО v-i

Ov

W/M////A

59

150

Рисунок 2 - Конфигурация поперечных сечений изделий

Далее рассчитан вариант литьевого заполнения формы Принята геометрия литника с каналом сплошного круглого сечения следующих размеров в сечениях на границах секций

Температура стенки литника взята равной 150°С при начальной температуре смсси, вытесняемой из материального цилиндра плунжером, Т„ач=40°С Объемный расход смеси через литник принят равным Q=5 см3/с Учтен объем изделия V=4500 см3 Результатом расчета режима заполнения явилось повышение температуры смеси до 81°С, время заполнения формы 15 мин и расходование времени индукционного периода вулканизации 64% Для продавливания смеси потребуется удельное давление перед литником 70 МПа Дальнейший расчет режима вулканизации изделия в форме после указанного режима заполнения привел к следующему результату Расчетное время вулканизации составило 150 мин, а степень вулканизации поверхности 925% Снижение перевулканизации остается недостаточным

Наконец, сформулировано предложение применить ленточный литник Выбраны следующие размеры его поперечных сечений (ширина и высота) на границах последовательных секций канала

Найден приемлемый объемный расход смеси при ее заполнении (2=12 см3/с Принята температура стенок литника 150°С и прежняя начальная температура смеси Т„ач=40°С Результатом расчета течения в ленточном литнике явилось повышение температуры смеси до 104°С и расходование времени индукционного периода вулканизации 81% Расчет

Z, мм 0 50 200 Юш 10 2 5 2 5

Z,mm 0 50 200 W, мм 40 30 20 Н мм 40 3 3

вулканизации в форме после ее заполнения и при температуре формы ТФ=165°С привел к следующему результату Расчетное время вулканизации составило 112 мин, а степень вулканизации поверхности 615% по отношению к оптимуму

Продемонстрированные три режима вулканизации массивного изделия показывают сложность назначения рациональной технологии и подсказывают пути решения проблемы, не изменяя конструкцию изделия Главный из выводов - целесообразность рецептурным путем увеличить длительность индукционного периода вулканизации, во-вторых, применить ленточные литники при дозированном объемном расходе смеси при заполнении формы Процесс литьевого формования должен быть построен при этом прецизионно

Рассмотрен еще один способ разогрева резиновой смеси и заполнения ею формы Это случай интрузионного впрыска с помощью червячного узла Для назначения такой технологии использована современная теория переработки эластомеров в червячных машинах, основанная на применении метода итераций распределения эффективной вязкости полимерного материала по глубине винтового канала Примененная компьютерная модель, хотя и рассматривает стационарный режим переработки, все же способна определить необходимые внешние параметры процесса, включая геометрию червяка, частоту его вращения и теплообмен материала с корпусом машины с использованием теплоносителей Методика учитывает также взаимодействие червяка с формующей головкой, которую в данном случае заменяет конструкция с подводом литника к гнезду формы Технологический регламент должен при этом обеспечить заполнение формы за время индукционного периода вулканизации и достаточное повышение при этом температуры смеси В качестве возможного режима рассчитан вариант переработки в узле с диаметром червяка 90 мм, с шагом нарезки равным диаметру, его длиной 750 мм, глубиной винтового канала, уменьшающейся линейно от 16 до 8 мм, толщиной гребня 12 мм и радиальным зазором 0 1 мм Принята частота вращения червяка 30 об/мин В рубашку корпуса предусмотрена подача воды с температурой 60°С Применительно к рассматриваемой резиновой смеси результат расчета показал Повышение температуры смеси с 40 до 133°С при объемном расходе Q=36 см3/с, а при выходе из литникового канала 139°С Предложен литник, имеющий канал круглого сечения с двумя секциями, имеющими следующие размеры и положения вдоль оси граничных сечений

Z,mm 0 40 80

R, лш 10 4 2

Температура стенок литника принята равной 90°С В соответствии с найденной рабочей точкой червячной машины перепад давления в литнике составил 25,6 МПа Расчетное среднее время пребывания смеси в червячном узле равно 1 0 мин Расходование индукционного периода вулканизации за это время составило 12 5 % Кроме этого времени, учтено время заполнения гнезда формы, в течение которого смесь пребывала при температуре 139°С Прибавка к относительному эквивалентному времени вулканизации составила при этом 82 2 % В сумме расходование индукционного периода составило 94 7 %, что допустимо, но для надежности следует увеличить рецептурным путем время индукционного периода резиновой смеси

Еще одной особенностью использования червячного узла явился разогрев смеси в основном за счет подвода механической энергии Расчетная плотность поглощенной механической энергии составила 265 МДж/м3 На повышение же теплосодержания израсходовано лишь 221 МДж/м3 Это означает, что происходило частичное охлаждение материала через корпус машины

Последующий расчет двумерным методом сеток вулканизации изделия в форме с постоянной температурой 165°С привел к следующему результату время выдержки в форме 52,3 мин , степень вулканизации поверхности изделия по отношению к оптимуму 323 %, температура в центре сечения изделия к моменту завершения вулканизации 144°С При этом нет недопустимой перевулканизации поверхности, а общее время формования изделия составило 55 мин, что существенно меньше, чем в трех предыдущих примерах технологических режимов формования изделия

Для второго типа изделия, показанного на рисунок 3, расчет процесса вулканизации выполнен с помощью созданной компьютерной программы, предназначенной для длинномерных резинометаллических изделий и охватывающей целый класс их геометрических форм путем универсального табличного задания наружного контура изделия и замкнутого контура металлического сердечника Предварительно анализ выполнен применительно к обыкновенному прессовому методу изготовления детали с укладкой заготовки резиновой смеси непосредственно в гнездо формы с предварительно закрепленным в ней сердечником При этом задано однородное начальное поле температуры эластомера и металлической части изделия Расчет при температуре формы 165°С и при начальной температуре изделия 30°С привел к следующему результату время вулканизации изделия t=19,4 мин, степень вулканизации поверхности изделия по отношению к оптимуму гэЛэ 0pi ~120 % Это означает, что по отношению к изделиям с относительно небольшим поперечным сечением использованная типовая резиновая смесь является технологичной, обладая высокой теплопроводностью и достаточно длительным

периодом вулканизации до оптимума свойств резины В итоге достигаются однородные свойства эластомера по сечению изделия

Оценка преимуществ литьевого формования того же изделия произведена приближенно без расчета самого процесса ламинарного заполнения гнезда формы Для этой цели принят во внимание объем резиновой части изделия, назначен режим заполнения через литник при постоянным объемном расходе смеси, рассчитано повышение ее температуры к моменту поступления в гнездо формы и далее проанализирован процесс вулканизации изделия при принятой приближенно начальной температуре сердечника равной температуре поступившей смеси Среди указанных задаваемых величин принят объем гнезда формы У=200 см3, объемный расход смеси через литник С?=5 см3/с, поддерживаемая температура стенок литника 140°С, температура смеси в материальном цилиндре 40°С, температура формы 165°С, тип литника -ленточный, его длина 100 мм, высота его канала 3 мм, ширина линейно уменьшается от 20 до 10 мм

По результатам расчета потока в литнике получено повышение температуры смеси до 9б°С и расходование индукционного периода вулканизации за время заполнения формы 6% при времени заполнения 40 с Расчетное время вулканизации в форме составило 18,6 мин, а степень вулканизации поверхности по отношению к оптимуму 114% В итоге разница в сравнении с обыкновенным прессовым методом вулканизации оказалась несущественной, а качество изделия также высокое

4.4 Физико-механические и эксплуатационные свойства изделий. В соответствии со сделанными рекомендациями по технологии производства резинометаллических подшипников на различных стадиях технологического процесса, из резиновой смеси 8130 были изготовлены образцы изделия, которые были испытаны по показателям качества в соответствии с ТУ 38 1051940-04 Помимо абсолютных значений таких показателей как условная прочность при растяжении, относительное удлинение при разрыве, сопротивление истиранию, прочность связи резины с металлом оценивали также дисперсию этих показателей, что позволяет судить о стабильности свойств получаемых изделий и косвенно об их надежности

Аналогичные испытания были проведены также для другой марки резиновой смеси (условное обозначение 8075) Основу смеси составляет комбинация бутадиен-нитрильных каучуков СКН-26+ СКН-18 Результаты исследований представлены в таблице 4 Анализ представленных данных позволяет сделать следующий вывод

предлагаемая технология существенно повышает стабильность свойств резинометаллических подшипников и таким образом обеспечивает их высокую надежность

Таблица 4 - Контролируемые показатели и результаты испытаний вкладышей резинометаллических для подшипников

Смесь 8130 Смесь 8075

Наименование Показателя/ Дисперсия показателя Стандартная технология Предлагаемая технология Стандартная технология Пред лагае мая техно логия

Условная прочность при растяжении, МПА (кгс/см2) 9,5/1,11 10,6/0,3 9,5/1,12 10,2/ 0,30

Относительное удлинение при разрыве, % 100/12,5 120/8 150/14 160/ 8,2

Твердость по Шору А 80/8 80/2 76/6,6 77/ 1,8

Сопротивление истиранию Дж/мм 4,2/0,12 4,3 / 0,08 4,6 /0,22 4,6/ 0,07

Прочность связи резины с металлом, МПа 1,9/0,15 1,9/0,06 1,9/0,15 1,9 /0,06

Изменение массы после

воздействия раствора хлористого натрия по ГОСТ 4233-77 массовой доле 0,1 (10%) в 1,5 1,5 1,5 1,5

течение 24 ч при температуре (70±1)°С,%

Изменение массы после

воздействия стандартной жидкости СЖР-2 в течение 24 ч Минус 6 Минус 6 Минус 5 Мину с 5

при температуре (100±2)°С

Разработанная технология внедрена на ЗЛО «Шеврон-Сервис», выпускающем резиновые и резинометаллические изделия для судостроения

Полученные по новой технологии изделия эксплуатируются на судах различных классов

Заключения о высоком качестве новых изделий получены от следующих организаций, занимающихся поставкой запасных частей для судоремонта, а именно судовых двигателей, валовых линий и нулевого цикла ООО «Мальстрем» (суда различных классов), ООО «Ладога-Сервис» (суда различных классов Северо - Запада России, Сибири и Дальнего Востока), ООО «Волга-Нева» (компании «Волжское пароходство» суда типа река-море и пассажирские теплоходы) , «Ватерлайн» (суда различных типов)

ВЫВОДЫ

1 Теоретически обоснована, разработана и внедрена прецизионная технология получения эластомерных резинометаллических подшипников для судостроения Задача решена в следующих направлениях методологическом (постановка задачи комплексного изучения процесса), теоретическом ( методы количественного описания всех последовательных операций литьевого формования типового массивного однородного по сечению изделия), практическом (корректировка количественного состава композиции, совершенствование технологии ее приготовления, расчет оптимальных режимов литья и вулканизации, внедрение в производство)

2 Разработаны компьютерные модели основных технологических операций литьевого формования резиновых смесей Создана модель операций пластикации эластомеров, включающая вариант подачи резиновой смеси из материального цилиндра через литниковые системы и вариант, использующий червячные узлы в литьевом оборудовании Установлены преимущества дозированной скорости заполнения форм для производства массивных резиновых изделий

3 Предложена модель расчета процесса вулканизации резинометаллических изделий, позволившая обосновать выбор тепловых режимов процесса, влияющих на их качество

4 Разработаны методики расчета и найдены оптимальные режимы процесса литьевого формования массивных крупногабаритных изделий, применяемых в технологии судостроения.

5 Внесена корректировка в количественный состав традиционных композиций, применяемых для изготовления резинометаллических подшипников, позволившая улучшить их технологические характеристики

г

6 На основании данных ультразвукового контроля качества эластомерных композиций, полученных различными способами, предложена усовершенствованная технологическая схема их приготовления и варианты ее аппаратурного оформления, обеспечивающие высокую стабильность свойств резиновых смесей

7 Разработанная технология внедрена на ЗАО «Шеврон-Сервис», выпускающем резиновые и резинометаллические изделия для судостроения Полученные по новой технологии изделия эксплуатируются на судах различных классов

Основное содержание диссертации изложено в следующих работах

1 Кудин И И, Воскресенский А М, Красовский В Н Основы интенсивной технологии вулканизации массивных резиновых изделий для судостроения // Каучук и резина 2005 -№6-С 28-31

2 А М Воскресенский А М, Кудин И И, Шаховец С Е Компьютерное моделирование работы червячных машин для переработки эластомеров // Каучук и резина - 2006 №1 - С 30-34

22 02 07 г Зак 31-70 РТП Ж «Синтез» Московский пр , 26