close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

Повышение эффективности изготовления металл-металлополимерных формообразующих деталей пресс-форм за счет технологических решений обеспечивающих заданные свойства рабочих поверхностей

код для вставкиСкачать
На правах рукописи
ЛЮБИМЫЙ НИКОЛАЙ СЕРГЕЕВИЧ
ПОВЫШ ЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ИЗГОТОВЛЕНИЯ
МЕТАЛЛ-МЕТАЛЛОПОЛИМЕРНЫХ ФОРМООБРАЗУЮЩ ИХ
ДЕТАЛЕЙ ПРЕСС-ФОРМ, ЗА СЧЕТ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ
РЕШ ЕНИЙ ОБЕСПЕЧИВАЮЩ ИХ ЗАДАННЫЕ СВОЙСТВА
РАБОЧИХ ПОВЕРХНОСТЕЙ
Специальность 05.02.08 – Технология машиностроения
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук
Белгород 2018
2
Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном
образовательном
учреждении
высшего
образования
«Белгородский
государственный технологический университет им. В.Г. Шухова» на кафедре
«технологии машиностроения».
Научный
руководитель:
Чепчуров Михаил Сергеевич,
доктор технических наук, профессор кафедры « Технологии
машиностроения»
ФГБОУ
ВО
«Белгородский
государственный технологический университет им. В.Г.
Шухова»
Официальные
оппоненты:
Шумячер Вячеслав Михайлович,
доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой
«Строительство, технологические процессы и машины»
Волжского политехнического института (филиал) ФГБУ ВО
«Волгоградский
государственный
технический
университет»
Польский Евгений Александрович
Кандидат технических наук, доцент, заведующий кафедрой
«Технология машиностроения» ФГБОУ ВО "Брянский
государственный технический университет"
Ведущая
организация:
Федеральное государственное бюджетное образовательное
учреждение
высшего
образования
«Московский
политехнический университет»
Защита диссертации состоится __ _____ 2018 г. в _:_ на заседании
диссертационного совета Д 212.142.01 на базе ФГБОУ ВО «МГТУ
«СТАНКИН» по адресу: 127994, Москва, Вадковский переулок, д.1.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВО
«Московский государственный технологический университет «СТАНКИН» и
на сайте: http://www.stankin.ru/science/dissertatsionnye-sovety/d-212-142-01/
Отзывы на автореферат в 2-х экземплярах, заверенные печатью
учреждения (организации), просим направлять по указанному адресу в
диссертационный совет Д 212.142.01.
Автореферат разослан «_____» ____________2018 г.
Ученый секретарь диссертационного
совета, д.т.н., профессор
Петухов Ю.Е.
3
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность темы исследования. В производстве пластиковых
изделий основным видом оснастки является пресс-форма. В пресс-формах
получают изделия методом литья под давлением из полиэтилена,
полипропилена и других термопластов, а также из резины, диеновых
соединений и других реактопластов. Эти изделия нашли самое широкое
распространение как в промышленности, так и в быту. Нефте- и
газоперерабатывающие компании производят сотни тысяч тонн различных
полимеров.
Производство изделий из пластмасс всегда являлось массовым. Это
обусловливалось высокой стоимостью оснастки для автоматического
оборудования, которое используется при получении изделий из полимеров.
Производство некоторых видов изделий достигает десятков миллионов в год.
Смена номенклатуры изделий приводит к замене оснастки, стоимость которой
отражается в стоимости изделий. По этой причине производители сложных
технических устройств при смене модели продолжают использовать
полимерные изделия из предыдущих моделей. При выпуске небольших партий
машин или оборудования небольшие предприятия вынуждены использовать
изделия из металла, прибегать к механической обработке, в то же время деталь
из полипропилена или полиамида, получаемая методом литья, обладает
меньшей массой, лучшими эргономическими характеристиками, требует
меньших временных затрат на своё изготовление. Таким образом,
производство изделий небольшими партиями в мелкосерийном производстве
приводит их к значительному удорожанию. Чаще всего выпускаются партии
изделий от 10 тыс. шт. Выпуск меньших партий является не рентабельным.
Значительную часть стоимости пресс-формы составляет стоимость
формообразующей, так как эти детали обеспечивают точность и качество
поверхности полученных в пресс-форме изделий. Стоимость материала
формообразующей высока, так как используются легированные стали с
дорогостоящими элементами. Механическая обработка формообразующих
требует значительных временных и энергетических затрат. Формообразующие
детали подвергаются не только механической обработке, но и другим видам,
например, электроэрозионным или дуговому напылению металла, что требует
использования специального дорогостоящего оборудования, которое не всегда
имеется у производителя. Следовательно, смена номенклатуры выпускаемых
изделий из пластика и выпуск небольших партий изделий менее 10 тыс. шт. в
современных условиях затруднены.
Разработка технологии изготовления
металл-металлополимерных
(комбинированных) формообразующих деталей пресс-форм, позволяющая
снизить временные и энергетические затраты на их получение, является
4
важной и актуальной задачей для всех отраслей промышленности,
выпускающих пластиковые изделия в мелкосерийном производстве.
Использование металлополимерного материала в качестве материала
формообразующей поверхности обусловлено тем, что из-за наличия у него
свойств текучести в неотвержденном состоянии, позволяет применить способ
получения формообразующей поверхности методом отпечатка мастер -модели
в нём. Такой метод получения формообразующих эконо мически значительно
превосходит механическую обработку со снятием припуска. Наличие же у
металлополимерного материала в отвержденном состоянии необходимых для
литья изделий из пластиков свойств температуростойкости, твердости и
износостойкости позволяет использовать такой материал в качестве материала
формообразующей поверхности пресс-форм.
Так как в результате применения технологии получается
комбинированная металл-металлополимерная деталь пресс-формы, которую
на заключительных операциях необходимо подвергнуть абразивной
обработке, возникает необходимость исследования оптимальных режимов
обработки для детали, имеющей разные физико-механические свойства по
телу.
Степень разработанности
темы
исследования.
Проблемам,
связанным с изготовлением пресс-форм для литья изделий из пластмасс,
посвящены труды А.П. Пантелеева, Ю.М. Швецова, И.А. Горячева,
Г. Гастрова, М. Бихлера, И.И. Горюнова, Г. Менгеса, Т.А. Освальда и др.
Вопросами,
касающимися
критериев
качества
получаемых
поверхностей изделий при абразивной обработке, занимались в своих работах
В.Ф. Безъязычный, Н.К. Беззубенко, С.А. Дитиненко, С.П. Корчак,
В.И. Курдюков.
Однако в настоящее время остаются востребованными исследования в
области разработки технологий получения пресс-форм для мелкосерийного
производства, которые позволят получить качественное пластиковое изделие
при низкой себестоимости формующей оснастки и как следствие низкой
себестоимости получаемого в ней изделия.
Цель работы - снижение себестоимости изготовления металлметаллополимерных пресс-форм за счет повышения эффективности
технологического процесса их изготовления, обеспечивающего требуемую
газовую шероховатость и газовую пористость поверхно стного слоя
металлополимерной
формообразующей,
полученную
в
процессе
вакуумирования, и снижения себестоимости изготовления путем назначения
оптимальной продольной подачи и глубины резания при плоском шлифовании
комбинированной поверхности смыкания.
Для достижения цели были поставлены и решены следующие задачи:
5
 установлено предельное значение величины вакуума при отверждении
металлополимерной композиции, обеспечивающее требуемую газовую
шероховатость поверхностного слоя и газовую пористость рабочей части
металлополимерной формообразующей пресс-формы;
 разработана методика назначения глубины резания и продольной
подачи при плоском шлифовании металл-металлополимера периферией круга,
обеспечивающих требуемую шероховатость поверхности смыкания пресс формы при достижении минимальной технологической себестоимости
операции;
 разработана методика назначения допусков на размер от плоскости
смыкания до металлополимерной формообразующей поверхности в
зависимости от величины усадки материала изделия, обеспечивающих
требуемую размерную точность получаемых в пресс -форме пластиковых
изделий;
 разработаны номограммы для назначения глубины резания и
продольной подачи при плоском шлифовании металлополимера периферией
круга, обеспечивающие требуемую шероховатость поверхности пресс -формы;
 получены и испытаны на стойкость формообразующие детали пресс форм из металлополимерной композиции в металлической обойме;
 определена
область
эффективного
использования
металлметаллополимерных формообразующих деталей пресс-форм.
Объектом
исследования
является
металл-металлополимерная
формообразующая деталь пресс-формы, технология её получения и область ее
эффективного использования.
Предметом
исследования
является
технология
изготовления
комбинированной металл-металлополимерной формообразующей детали
пресс-формы.
Основные положения, выносимые на защиту:
 математическая модель назначения глубины резания и продольной
подачи при плоском шлифовании металлополимера периферией круга для
обеспечения требуемой шероховатости поверхности;
 методика назначения допусков на размер от плоскости смыкания до
металлополимерной формообразующей поверхности с учетом усадки
материала изделия, обеспечивающая размерную точность получаемых в пресс форме изделий;
 методика
назначения
оптимальных
режимов
шлифования
поверхности смыкания металл-металлополимерной формообразующей
обеспечивающая требуемую шероховатость поверхности смыкания пресс формы при достижении минимальной технологической себестоимости
операции.
Научная новизна заключается в:
6
 взаимосвязи величин продольной подачи и глубины резания при
плоском шлифовании периферией круга и шероховатости поверхности металлметаллополимерных пресс-форм;
 зависимости допуска на размер от плоскости смыкания до
формообразующей поверхности пресс-формы с точностью получаемого
изделия и величиной усадки материала;
 взаимосвязи бальной оценки дефектов - газовой шероховатости и
газовой пористости в поверхностных слоях металлополимерной детали и
величины применяемого вакуума при отверждении металлополимера.
Теоретическая значимость работы заключается в разработке метода
изготовления металл-металлополимерных формообразующих деталей прессформ, обеспечивающего требуемые показатели качества изготавливаемых
изделий из пластика на основе выявленных связей продольной подачи и
глубины резания при
плоском
шлифовании с
шероховатостью
металлополимерной поверхности, а также величины применяемого вакуума
при отверждении металлополимера и бальной оценки дефектов
поверхностного слоя металлополимерной детали.
Практическая ценность заключается в:
 практических рекомендациях по назначению глубины резания и
продольной подачи при плоском шлифовании металлополимера периферией
круга, обеспечивающих требуемую шероховатость и минимальную
технологическую себестоимость операции;
 методике назначения допуска на размер от плоскости смыкания до
металлополимерной формообразующей поверхности с учетом усадки
материала изделия, обеспечивающего размерную точность получаемых в
пресс-форме изделий;
 разработанной технологии изготовления металл-металлополимерных
формообразующих деталей пресс-форм с использованием способа
вакуумирования металлополимерной части непосредственно в металлической
обойме формообразующей;
 назначении вакуума 93 Па при отверждении металлополимера,
обеспечивающего отсутствие газовой шероховатости поверхностного слоя
металлополимерной детали и газовую пористость соответствующую 1 баллу.
Соответствие диссертации паспорту научной специальности. Работа
соответствует формуле специальности 05.02.08 Технология машиностроения
(область исследования п.1, п.2, п.7).
Методы исследований. При выполнении исследований и решении
поставленных задач автором были использованы основные положения
технологии
машиностроения,
физики
твёрдого
тела,
элементов
математической статистики, методов математического и компьютерного
моделирования. Экспериментальные исследования выполнены с применением
7
сертифицированного
оборудования.
Компьютерное
моделирование
выполнялось в работе с использованием следующих программных продуктов:
система автоматизированного проектирования T-FlexCAD, Компас 3D CAD,
Elcut Student 6.1, Mold Flow Plastic Insight V.3, систем математического
моделирования MathCad, Scilab 5.5.2.
Степень
достоверности
и
апробация
результатов
работы.
Достоверность и обоснованность научных результатов, выводов и
рекомендаций, приведенных в диссертационной работе, обусловлена
применением общепринятых положений теории резания материалов, основ
технологии машиностроения, использованием известных методов получения
формообразующих поверхностей пресс-форм, а также экспериментальной
апробацией полученных результатов в производственных и лабораторных
условиях.
Основные положения диссертационной работы доложены и обсуждены
на конкурсе-выставке научно-технических и исследовательских проектов
студентов и молодых ученых «Оригинальная идея» (г. Губкин, 2015);
Международной научно-технической конференции молодых ученых БГТУ
(Белгород, 2015); IV Международной научно-практической конференции
СибАК «Технические науки - от теории к практике» (Новосибирск, 2016).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 21 труд: семь работ в
ведущих рецензируемых научных журналах и изданиях, входящих в перечень
ВАК; четыре работы в изданиях, входящих в наукометрические базы данных
Scopus; семь работ в сборниках международных научно -технических
конференций; получено два патента на полезную модель и один патент на
изобретение.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения,
четырех глав, общих выводов, списка литературы из 128 наименований и 2
приложений. Диссертация содержит 66 иллюстраций, 30 таблиц и 9 страниц
приложений, общий объем работы составляет 179 страниц.
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во
введении
обоснована
актуальность
темы
диссертации,
сформулированы цели и задачи исследования, определены объект и предмет
исследования, научная новизна, теоретическая и практическая значимость,
перечислены полученные автором результаты работы, приведены основные
положения, выносимые на защиту.
В первой главе рассмотрена конструкция формообразующей детали
пресс-формы и её составные части, к которым относятся матрица и пуансон. В
работе под "матрицей" понимается "неподвижная полуформа", а под
"пуансоном" - "подвижная полуформа". Такие термины приняты в
8
исследуемом производстве и более распространены среди практических
технологов. Поэтому далее в тексте автореферата используются термины
"матрица" и "пуансон". Проанализированы современные методы изготовления
формообразующих деталей пресс-форм в зависимости от их классификации:
детали с формой тел вращения, плоскостные и детали сложной формы.
Описаны методы их изготовления, такие, как метод механической обработки,
холодного выдавливания, полугорячего выдавливания, электроэрозионной
обработки, гальванопластики, метод заливки легкоплавких сплавов с
кристаллизацией
под
давлением,
а
также
метод
изготовления
формообразующих деталей пресс-форм из полимерных композиций.
Проанализированы работы отечественных и зарубежных исследователей,
занимающихся вопросами разработки и проектирования технологий
изготовления пресс-форм для литья изделий из пластиков, среди них:
Пантелеев А.П., Видгоф Н.Б., Дубов К.Х., Панов Ю.Т., Кербер М.Л., Микаэли
В., Менгес Г. Выявлено, что среди всех известных технологий изготовления
пресс-форм для литья изделий из пластиков, отсутствуют экономичные
технологии для мелкосерийного литья партий от 100 до 10000 шт (таблица 1).
Описаны требования, предъявляемые к материалам формообразующих
деталей пресс-форм в зависимости от условий их работы. Представлены
материалы и их физико-механические свойства, используемые для
изготовления формообразующих деталей пресс-форм: цементируемые,
азотируемые, объемно закаливаемые, коррозионностойкие стали и др., никель кобальтовые сплавы, цветные сплавы, полимерные композиции.
Проанализировано оборудование, используемое для изготовления
формообразующих деталей пресс-форм при обработке со снятием припуска.
Используются различные
станки: токарно-винторезные,
фрезерные,
поперечно-строгальные,
сверлильные,
координатно-расточные,
шлифовальные,
профилешлифовальные,
координатно -шлифовальные,
электроискровые, ультразвуковые, гравировочные, опиловочные, фасонно строгальные. Однако развитие цифровой техники и станкостроительных
производств в мире привело к более широкому использованию
обрабатывающих центров с ЧПУ.
Таблица 1
Современные технологии получения формообразующих деталей прессформ для мелкосерийного производства
Вид те хнологии
Достоинства
Недостатки
Получае мые
со съе мом
припуска
- Высокая стойкость
формообразующих
деталей, до нескольких
миллионов циклов
- Значительные временные и энергетические
затраты (сроки изготовления до 1 года)
- Высокая себестоимость
- Невозможность оперативной смены
получаемого в форме изделия
9
Продолжение таблицы 1
Аддитивные технологии
Силиконовые
формы
Быстрая
смена
номенклатуры
- Малые сроки получения
формообразующих деталей
Сложность
получения
формообразующих (вакуумирование,
термообработка)
- Низкая стойкость (до 100 циклов)
3-D пе чать
ме таллом
Быстрая
смена
номенклатуры
Высокая
стойкость
формообразующих деталей
до нескольких миллионов
циклов
- Стоимость в разы превышает
технологии механической обработки
- Необходимость дополнительной
механической обработки
Подробно описана конструкция пресс-формы, её основные элементы и
системы.
Дана характеристика современных металлополимерных материалов,
обладающих высокой прочностью и теплостойкостью.
Проанализированы методы получения изделий из металлополимерных
материалов, суть которых сводится к получению отпечатка мастер-модели в
полимерной композиции и использовании полученного отпечатка в качестве
полости пресс-формы. Однако имеющиеся методы имеют ряд недостатков,
которые не позволили получить им широкого распространения в
промышленности,
что
обусловливает
необходимость
выполнения
дополнительных исследований.
Во второй главе подробно описаны характеристики формообразующей
детали на примере формы изделия «медаль», которые позволяют сделать
вывод о том, что формообразующая деталь является сложным с
технологической точки зрения изделием.
С использованием программных средств Mold Flow Plastic Insight V.3. и
КЭ-ELCUT было выявлено, что под действием давления впрыска и
температуры расплава в формообразующей пресс-формы, выполненной из
металлополимерной композиции, не наблюдается деформаций, влияющих на
точность получаемого изделия.
Для сравнительного анализа времени изготовления формообразующей
по двум технологиям, с применением металлополимера и со снятием припуска,
была
построена
схема
технологического
процесса
получения
формообразующей детали пресс-формы для изделия «медаль» со снятием
припуска (механическая обработка) и схема технологического процесса
изготовления металлополимерной формообразующей детали пресс -формы
(рисунок 1).
10
а)
б)
Рисунок 1 - Схемы технологического процесса получения формообразующей для
изделия «медаль»: а – механической обработкой; б – с использованием металлополимера
Сравнение производилось по основному времени, затраченному на
изготовление формообразующей детали, так как требуется изготовить только
одно изделие. Время можно вычислить по формуле
∑
∑
 = max (∑
(1)
=1  + =1  ) +  =1  .
В то же время стоимость изготовления формообразующей определяется
согласно данным документации по изготовлению формообразующей,
предоставленной автору работы, время изготовления ФО составляет 12 дней;
временные затраты на изготовление ФО – 110 н/ч; цеховая стоимость ФО –
20 300 руб.
Из структуры себестоимости затрат на изготовление ФО пресс-формы
изделия «медаль» (по данным производителя) видно, что наибольшие затраты
отводятся получению формообразующих поверхностей (рисунок 2).
500; 2%
1200; 6%
2900; 14%
Заготовительные работы. Предварительная обработка
Чистовая обработка. Координатно-сверлильная, координатно-фрезерная с ЧПУ
Термообработка
7700; 38%
800; 4%
Плоскошлифовальная, внутришлифовальная
2000; 10%
5200; 26%
Изготовление электрода-инструмента
Получение формообразующих поверхностей
Доводка рабочих поверхностей
Рисунок 2 - Структура себестоимости затрат на изготовление ФО пресс-формы
изделия «медаль» (по данным производителя)
11
Затраты на изготовление металлополимерной формообразующей для
малых партий изделий можно выразить следующим образом:
Смо = Спп + См + Смп + Сд .
(2)
Таким образом получили условие:
Смо < Со .
(3)
Важным вопросом, рассматриваемым во второй главе, является
построение модели финишной механической обработки комбинированной
металл-металлополимерной поверхности смыкания формообразующей детали
пресс-формы.
Опорные поверхности воспринимают усилия смыкания полуформ,
удерживая полуформы в замкнутом состоянии, уплотняют и герметизируют
полость формы, поэтому важно соблюсти условия получения шероховатости
Ra 0,8 мкм, плоскостности, соответствующей 6-й степени точности, и при этом
не превысить температуру разрушения матрицы металлополимера в
поверхностных слоях.
Анализ существующих методов механической обработки плоских
поверхностей деталей показал, что для достижения требуемых параметров
шероховатости, размерной точности и точности взаимного расположения
поверхностей
комбинированных
металл-металлополимерных
деталей
подходит шлифование, в частности плоское шлифование периферией круга,
так как обеспечивает требуемое качество поверхности при невысокой
стоимости операции. Это обусловлено тем, что из-за большой разности в
значениях модулей Юнга для металла и металлополимера (более 2000 раз), при
врезании лезвийного инструмента в металлополимер на режимах,
предназначенных для металла, в металлополимерной части детали образуются
неисправимые дефекты в виде сколов и прожогов и не обеспечивается
требуемая шероховатость металлополимерной поверхности.
В качестве основы построения модели используются формулы
вычисления шероховатости при шлифовании периферией круга .
Также были использованы зависимости для вычисления мощности
источника тепла трения заготовки по поверхности, позволившие автору
получить:
з.п = 0,4899 ∙  г ∙ в ∙  ∙ 2 ∙  2 ∙  ∙  ∙ , Вт.
(4)
Следующей задачей, решаемой во второй главе, является оптимизация
процесса абразивной обработки поверхности смыкания формообразующей
пресс-формы по критерию минимальной технологической себестоимости.
Автором была получена формула вычисления технологической себестоимости
операции при плоском шлифовании периферией круга:
р.х.

∆
В
) ∙ ∙ ( ( ш ) + 1) .
тех = Б ∙ ( +
(5)
пр
поп

В −
Таким образом в общем виде была получена система уравнений и
12
ограничений для оптимизации:
р.х.

∆
) ∙ ∙ ( (
Б ∙ ( +
пр
поп
Вш
) + 1) ⇒ min;

В −
доп
мп
> 1 (, пр) ;
мдоп > 2 (, пр) ;
доп
(
)
(6)

>  , пр ;
кр = const.
{
При помощи ELCUT 6.1. и расчетов по вышеприведенным формулам
было выполнено моделирование нагрева поверхности смыкания при плоском
шлифовании периферией круга (рисунок 3).
Рисунок 3 - Распределение температурных полей металлополимерного образца
Исследования комбинированного образца – металл – металлополимер –
показали, что от металла металлополимер прогревается незначительно даже
при большой глубине и высокой продольной подачи стола, что объясняется
высокой теплопроводностью металла по сравнению с металлополимером и его
более высокой плотностью. Таким образом, результаты по комбинированному
образцу не представляют интереса для исследований и из системы (6) можно
исключить выражение – 2, как не оказывающие влияния в качестве
ограничения.
Проведенные исследования также показали, что металлополимер при
шлифовании на режимах, находящихся в области эксперимента, нагревается
незначительно (до 46 °С), что значительно ниже критической температуры
разрушения матрицы металлополимера равной 220°С. Следовательно, из
системы (6) также можно исключить ограничение – 3.
Таким образом модель назначения оптимальной глубины резания и
продольной подачи металл-металлополимерной поверхности смыкания при
плоском шлифовании периферией круга приобрела вид:
13
Б ∙ (

пр
+
р.х.
поп
∆
Вш

В  −
) ∙ ∙ ( (
) + 1) ⇒ min
0,01 ≤  ≤ 0,1
2 ≤ пр ≤ 40
доп ≤  (, пр) ,
кр = const
{
(7)
Расчет
термостатирования
комбинированной
металлметаллополимерной пресс-формы изделия «звездочка» [7] позволил сделать
рекомендации, применимые при проектировании комбинированных прессформ для изделий других типоразмеров.
В третьей главе описаны проведенные экспериментальные
исследования.
При подготовке образцов для экспериментальных работ была
произведена экспериментальная оценка влияния применяемого вакуума при
отверждении металлополимерной отливки на газовую шероховатость
поверхностного слоя и газовую пористость (рисунок 4, 5), а также его
теплопроводность. Исследования показали, что образцы, полученные с
применением вакуума 93 Па, имеют более плотную структуру, соответствуют
1 баллу газовой пористости и не имеют газовой шероховатости
поверхностного слоя. Более плотная структура металлополимера также
обеспечивает более высокие параметры теплопроводности металлополимера.
Установленная величина вакуума позволяет сократить кол-во проходов при
шлифовании, а следовательно и снизить себестоимость обработки.
а
б
Рисунок 4 – Газовая пористость при макро анализе металлополимерных
темплетов: а – отверже ние при 101325 Па; б – отверждение при 93 Па
Проведено экспериментальное исследование по
определению
теплопроводности металлополимерной композиции, наполненной алюминием
«Weidling C» [3]. Этот параметр необходим для расчета термостатирования
формообразующей детали пресс-формы, полученной с применением
металлополимера и моделирования нагрева металлополимера при
шлифовании.
70
3,5
60
3
50
2,5
93
40
30
2
20
1,5
10
0
1
1
21
41
61
81
101
Газовая пористость, балл
Газовая шероховатость, ед.
деф./см2
14
121
Давление, Па
Зависимость газовой шероховатости от
давления
Зависимость газовой пористости от давления
Рисунок 5 – Зависимость газовой шероховатости и пористости
металлополимерной отливки от величины применяемого при отверждении
вакуума. Диапазон вакуума 100 Па – 50 Па
Для определения коэффициента теплопроводности использовался метод
продольного теплового потока [3]. Схема проведения эксперимента показана
на рисунке 6.
Рисунок 6 - Схема определения изменения температуры на поверхности грани
металлополимерного образца: 1 – инфракрасный пирометр, 2 – металлополимерный
образе ц, 3 – те плоизоляционный элемент, 4 – корпус, 5 – источник инфракрасного
излучения
Вычисление
выражению
коэффициента
теплопроводности
=
 ∙′
,
Вт
 ∙(2−1) м ⋅К
.
производилось
по
(8)
15
Вт
Коэффициент теплопроводности  составил 3,13 .
м⋅К
Для подтверждения полученных данных при моделировании по нагреву
металлополимера при шлифовании был проведен эксперимент. Эксперимент
заключался в шлифовании на станке 3Б722 металлополимерного образца
Weidling C (61 HRC) при различных режимах резания и регистрации
температуры нагрева образца тепловизором Fluke Ti400. На рисунке 7 показано
распределение температурных полей металлополимерного образца при
шлифовании на режимах: продольная подача стола 13,5 м/мин и глубина
резания 0,08 мм. Температура нагрева составила 39,1 °С.
Рисунок 7 - Распределение температурных полей при шлифовании
металлополимерного образца в зоне резания
При
исследовании
технологического
процесса
шлифования
металлополимерной детали пресс-формы использовалась методика с
применением рототабельного планирования второго порядка . Эксперимент
учитывал изменение трех факторов: продольной подачи стола, глубины
резания и высоты круга. Матрица планирования и выходные параметры
опытов показаны в таблице 2.
Таблица 2
План эксперимента и выходные параметры опытов
Номер
опыта (u)
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
Матрица
планирования
x1
x2
x3
-1
+1
-1
-1
-1
0
0
0
0
0
-1
-1
+1
-1
0
-1
0
0
0
0
-1
-1
-1
+1
0
0
-1
0
0
0
Натуральные значения переменных Выходной параметр
(Ra мкм)
Пр. подача глубина рез.высота кр.
м/мин
мм
мм
9
0,01
30
27,8
0,01
30
9
0,09
30
9
0,01
50
9
0,05
40
18,4
0,01
40
18,4
0,05
30
18,4
0,05
40
18,4
0,05
40
18,4
0,05
40
y(u, 1)
y(u, 2)
0,12
0,12
0,68
0,09
0,36
0,11
0,24
0,25
0,23
0,26
0,1
0,11
0,7
0,11
0,35
0,12
0,26
0,24
0,25
0,24
16
На шероховатость поверхности при шлифовании влияют не только
режимы резания но и в значительной степени зернистость круга. Выбор
характеристик абразивного круга осуществлялся исходя из рекомендаций
энциклопедии машиностроения под редакцией академика РАН К.В. Фролова.
В частности для стали 40Х13 (материала обоймы) зернистость для чистового
шлифования с глубиной резания 0,01-0,1мм рекомендуется выбирать 16 по
ГОСТ 3647-80, что соответствует F90 по ГОСТ Р52381-2005.
По результатам статистической обработки результатов эксперимента
была получена математическая модель параметра шероховатости поверхности
при плоском шлифовании металлополимера кругом 1 450х40х203 25А F90 L 6
V 35 м/с 2 кл. ГОСТ Р 52781 - 2007 для скорости вращения круга 35м/с:
( )
 (пр , ) = 29.271 ∙ пр0 .2168∙ln  −0.077 ∙  1.099 , мкм
(8)
Достоверность математической модели была подтверждена путем
сравнения расчетных значений шероховатости с экспериментальными.
Графически математическая модель представлена на рисунке 8.
Рисунок 8 - Шероховатость металлополимерной поверхности при шлифовании
от глубины резания (t мм) и продольной подачи стола (Sпр м/мин)
17
Четвертая глава посвящена разработке технологии изготовления
металл-металлополимерных формообразующих деталей пресс-форм.
Разработанная технология изготовления металл-металлополимерных
формообразующих деталей пресс-форм включает послойное изготовление
модели на 3D принтере, установку её в полуформу с заливкой
металлополимером и отверждение. В качестве полуформы используется
металлическая плита с выполненными в ней полостью для металлополимерной
формообразующей, выпорами, каналами охлаждения, отверстием под
литниковую
втулку,
центрирующими
отверстиями.
Отверждение
металлополимера происходит при давлении 93 Па в течение трёх ч.
Механическую обработку комбинированной детали производят после полного
отверждения металлополимера в течении 24 часов.
Способ изготовления металл-металлополимерных формообразующих
деталей пресс-форм поясняется рисунком 9 и подразумевает следующую
последовательность.
На трёхмерном принтере производится послойное выращивание
половины модели 7, ограниченной плоскостью смыкания 6, металлическая
плита 1 с отверстием под литниковую втулку 3, выпорами 4, каналами
охлаждения 5 и центрирующими отверстиями 9, изготавливается заранее.
Полость для заливки жидкого металлополимера образовывается поверхностью
колодца металлической плиты 1 и поверхностью половины модели 7.
Металлическая плита 1 устанавливается плоскостью смыкания 6 к
половине модели 7. Металлическая плита 1 центрируется относительно
половины модели 7 при помощи пальцев 8 и центрирующих отверстий 9.
Далее, готовится жидкий металлополимерный состав с алюминиевым
наполнителем
Weicon,
имеющим
высокую
теплопроводность.
Приготовленный жидкий металлополимерный состав через отверстия выпоров
4 заливается в полость. Отверстие под литниковую втулку 3 предварительно
заглушается от попадания в него жидкого металлополимера.
Металлическая плита 1 в сборе с половиной модели 7 и залитым жидким
металлополимером, помещается в вакуум 93 Па для удаления газообразных
включений из жидкого металлополимера, влияющих на припуск под
механическую обработку, и теплопроводность. После отверждения
металлополимера в течение трёх ч, половина модели 7 отделяется от
металлической плиты 1.
Образовавшийся отпечаток половины модели 7 в отвержденном
металлополимере является металлополимерной формообразующей частью 2
матрицы пресс-формы.
Далее
производят
шлифование
поверхности
смыкания
на
установленных оптимальных режимах и выполнение отверстий под толкатели.
18
Изготовление металл-металлополимерного
производится аналогичным образом.
пуансона
пресс-формы
Рисунок 9 - Матрица металл-металлополимерной формообразующей детали
пресс-формы в сборе с половиной модели
Испытание на стойкость путем получения изделия «звездочка» из
ПП0030 ГОСТ 26996-86, температура впрыска - 135-140 °С, давление впрыска
– 120 МПа, давление выдержки 10 МПа в пресс-форме с металлметаллополимерными формообразующими деталями, изготовленными по
вышеизложенной технологии, представлено на видео по ссылке:
https://yadi.sk/i/yyBBiQmwsVLHL.
Для оптимизации параметров обработки металл-металлополимерной
поверхности по критерию минимальной технологической себестоимости были
проанализированы методы оптимизации: симплекс - методы, градиентные
методы, метод штрафных функций, метод деформируемого многогранника,
метод с использованием формы Бернштейна, графический метод и метод
дискретного программирования.
Учитывая то, что функции системы оптимизации являются гладкими, а
диапазон регулирования режимов резания дискретен, то в качестве метода
оптимизации был выбран метод дискретного
программирования.
Программирование производилось в системе scilab 5.5.2.
Оптимальные параметры шлифования металлополимерной поверхности
по критерию минимальной технологической себестоимости: продольная
подача стола S пр = 37 м/мин, глубина резания 0,09 мм, S п = 38 мм/дв.ход.
Себестоимость операции при этом будет равна 27 руб., а достигаемая
шероховатость Ra = 0,79мкм.
Построенные
номограммы
шероховатости
металлополимерной
поверхности от глубины резания и продольной подачи стола (рисунок 10)
позволяют выбрать режимы резания при плоском шлифовании в зависимости
от требуемой шероховатости металлополимерной поверхности.
19
Рисунок 10 - Номограммы для назначения режимов резания при плоском
шлифовании металлополимерной поверхности при получении требуемой
шероховатости
Для изделия «звездочка», выбранного в качестве примера, была
рассчитана требуемая точность изготовления полуформ (матрицы и пуансона)
по разработанной технологии, для чего была построена размерная цепь и
методом полной взаимозаменяемости найдены номинальные размеры ,
допуски, координаты середин полей допусков, верхнее и нижнее отклонение
расстояний от плоскости разъема до верхней и нижне й частей полуформ.
Проведена проверка обеспечения требуемого размера операцией плоского
шлифования периферией круга.
В связи с многообразием изделий, изготавливаемых литьем пластика в
пресс-формы,
описаны
примерные
конструкции
обойм
для
металлополимерных формообразующих,
в
которых предусмотрены
поднутрения, оформляющие фиксирующий элемент металлополимерной
части пресс-формы. Геометрические характеристики поднутрения получены
на основе аналитических исследований с использованием метода конечных
элементов. Для изготовления изделий разных габаритных размеров
рекомендуется иметь ряд металлических обойм с различными типоразмерами
колодцев.
В заключении была произведена экономическая оценка эффективности
внедрения металлополимерных формообразующих, которая показа ла
относительное снижение себестоимости формообразующей детали пресс формы, изготовленной по разработанному технологическому процессу
относительно заводского из легированной стали на 38,12%, а при повторном
использовании металлической обоймы на 88,18%.
20
ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ
1. Выполнена научно-квалификационная работа, имеющая важное
значение для предприятий инструментальной промышленности, в которой
решена совокупность научно-технических задач проектирования технологии
изготовления
модифицируемых
металл-металлополимерных
формообразующих пресс-форм, обеспечивающих требуемую газовую
шероховатость
и
газовую
пористость
поверхностного
слоя
металлополимерной
формообразующей,
полученную
в
процессе
вакуумирования, и снижения себестоимости изготовления путем назначения
оптимальной продольной подачи и глубины резания при плоском шлифовании
комбинированной поверхности смыкания.
2. Установлено предельное значение величины вакуума – 93 Па при
отверждении металлополимерной композиции, гарантирующее отсутствие
газовой
шероховатости
поверхностного
слоя
рабочей
части
металлополимерной
формообразующей
и
газовую
пористость
соответствующую 1 баллу.
3. Разработана модель формирования шероховатости металлополимера
при плоском шлифовании периферией круга для диапазона глубины резания
от 0,01мм до 0,1мм и продольной подачи от 2м/мин до 40 м/мин, позволяющая
получить заданную шероховатость металл-металлополимерной поверхности.
4. Разработана методика назначения допусков на размер от плоскости
смыкания до металлополимерной формообразующей поверхности с учетом
усадки материала изделия в диапазоне от 1,2% до 2,5%, обеспечивающая
размерную точность получаемых в пресс-форме изделий, в частности, для
изделия «звездочка» был установлен допуск на размер Т=0,12мм, а
Eс=+0,08мм.
5. Разработаны номограммы для назначения глубины резания в
диапазоне от 0,01мм до 0,1мм и продольной подачи от 2м/мин до 40 м/мин при
плоском шлифовании периферией круга металлополимерной поверхности,
позволяющие получить требуемую шероховатость поверхности в диапазоне от
Ra 0,1мкм до Ra 1,9 мкм.
6. На разработанную технологию изготовления пресс-форм получен
патент на изобретение №2631785 «Способ изготовления металлополимерных
формообразующих поверхностей матриц и пуансонов пресс -форм».
7. Результаты научной работы внедрены на ОАО «Белгородский завод
РИТМ»; согласно акту внедрения был достигнут экономический эффект,
выражающийся в сокращении затрат на изготовление пресс-форм на 32%, а
21
общих затрат на получение изделий партиями до 1000 шт. с использованием
металл-металлополимерной оснастки – на 14%.
8. Полученные в ходе выполнения работы результаты рекомендуется
использовать в учебном процессе при подготовке инженерных кадров по
направлению 15.04.05 – «Конструкторско-технологическое обеспечение
машиностроительных производств» в ФГБОУ ВО «БГТУ им. В.Г. Шухова».
Список работ, опубликованных автором по теме диссертации
В научно-технических журналах, рекомендуемых ВАК Минобрнауки РФ:
1. Любимый Н.С. Изготовление формообразующих деталей пресс-форм
из композиционных материалов / Н.С. Любимый, М.С. Чепчуров // Вестник
Сибирской государственной автомобильно -дорожной академии. – 2015. - №6.
– С. 76-81.
2. Любимый Н.С. Использование металлополимеров в пресс-формах
для литья пластмасс / Н.С. Любимый, М.С. Чепчуров // Вестник Сибирской
государственной автомобильно-дорожной академии. – 2015. - №4. – С. 86-90.
3. Любимый Н.С. Определение теплопроводности металлополимера,
наполненного алюминием / Н.С. Любимый, М.С. Чепчуров, В.А. Грудина //
Вестник ИрГТУ. – 2016. - №9. – С. 111-118.
4. Любимый Н.С. Обеспечение требуемой шероховатости поверхностей
изделий из металлополимера, наполненного алюминием при обработке
шлифованием / Н.С. Любимый, М.С. Чепчуров, Е.Э. Аверченкова // Вестник
БГТУ им. В.Г. Шухова. 2017. № 1. С. 162–169.
5. Любимый
Н.С.
Обработка
комбинированной
металлметаллополимерной
плоской
поверхности
детали
пресс-формы
/
Н.С. Любимый, М.С. Чепчуров, И.А. Тетерина // Вестник БГТУ им.
В.Г. Шухова. - 2017. - № 6. - С. 119–123.
6. Любимый
Н.С.
Оптимизация
параметров
шлифования
металлополимерной поверхности смыкания формообразующих деталей прессформ / Н.С. Любимый, М.С. Чепчуров, В.Е. Минасова // Вестник БГТУ им.
В.Г. Шухова. - 2017. - № 7. - С. 125–130.
7. Любимый Н.С. Оценка возможности обеспечения точности
получаемых изделий на примере анализа размерной цепи детали «Звездочка» /
Н.С. Любимый, М.С. Чепчуров, И.А. Тетерина // Вестник БГТУ им.
В.Г. Шухова. - 2017. - № 7. - С. 140–145.
В научно-технических журналах, входящих в перечень ВАК РФ и
индексируемых в базах данных Web of Science и Scopus:
8. Lubimyi N.S. The technological heredity in the manufacture of the
metallopolymeric build-forming molds/ N.S. Lubimyi, M.S. Chepchurov,B.S.
22
Chetverikov, N.A. Tabekina, E.I. Evtushenko // ARPN Journal of Engineering and
Applied Sciences. – 2016. – Vol. 11, N 20. - P. 12302-12310. (Личное участие –
50%)
9. Lubimyi N.S. Thermostating calculation for combined metal-metal polymer
press mold for plastic casting / N.S. Lubimyi, M.S. Chepchurov, E.I. Evtushenko //
International Journal of Pharmacy & Technology. – 2016. - Vol. 8, N 4. - P. 2488924899. (Личное участие – 50%)
10. Lubimyi N.S. Calculation of fixing element of metal-polymeric moldforming surface of mold in metal cage // N.S. Lubimyi, M.S. Chepchurov, E.I.
Evtushenko, V.P. Voronenko // Actual Issues of Mechanical Engineering. – 2017. –
Vol. 133, - P. 433-438. (Личное участие – 40%)
11. Lubimyi N.S. Technology of metal-polymer form-building parts of
compression molds. // N.S. Lubimyi, M.S. Chepchurov, E.A. Yakovlev, I.A. Teterina
// Actual Issues of Mechanical Engineering. – 2017. – Vol. 133, - P. 439-444.
(Личное участие – 40%)
Публикации в других научных журналах и изданиях:
12. Любимый Н.С. Насыщаемость заливочных металлополимеров
воздухом / Н.С. Любимый // Международная научно-техническая
конференция молодых ученых БГТУ им. В.Г. Шухова. – 2015. –С. 1456-1459.
13. Любимый Н.С. Получение отпечатков в металлополимере/
Н.С. Любимый, М.С. Чепчуров. // Междисциплинарные подходы в
материаловедении и технологии. Теория и практика. - 2015. – 75-81 с.
14. Любимый Н.С. Применение металлополимеров в промышленности /
Международная научно-техническая конференция молодых ученых БГТУ им.
В.Г. Шухова. – 2015. – С. 1460-1464.
15. Любимый Н.С. Влияние времени размешивания металлополимерной
композиции на качество поверхности отливки / Н.С. Любимый,
М.С. Чепчуров, В.Е. Никольская // Междисциплинарные подходы в
материаловедении и технологии. Теория и практика. – 2015. - С. 153-155.
16. Любимый Н.С. Влияние применения вакуумирования при
отверждении металлополимера на его теплопроводность / Н.С. Любимый,
М.С. Чепчуров // Междисциплинарные подходы в материаловедении и
технологии. Теория и практика. – 2015. - С. 159-162.
17. Любимый Н.С. Влияние разделяющей смазки на качество
поверхности отпечатка и сложность извлечения модели из металлополимерной
формы /
Н.С. Любимый, М.С. Чепчуров, И.А. Тетерина //
Междисциплинарные подходы в материаловедении и технологии. Теория и
практика. – 2015. - С. 156-158.
18. Любимый Н.С. Изготовление пресс-форм с использованием
металлополимера для получения малых серий деталей из пластмасс /
Н.С. Любимый // Естественнонаучные, инженерные и экономические
23
исследования в технике, промышленности, медицине и сельском хозяйстве:
материалы
I
Молодёжной
научно-практической
конференции
с
международным участием. – 2017. – С. 434-438.
Патенты:
19. Пат. №155384U1. Российская Федерация, МПК G01B13/03. Датчик для
точных измерений линейных размеров / Н.С. Любимый, М.С. Чепчуров,
Б.С. Четвериков. - 2015113237/28, заяв. 09.04.2015, опубл.10.10.2015, Бюл.
№28.
20. Пат. №2631785. Российская Федерация, МПК B22C9/06. Способ
изготовления металлополимерных формообразующих поверхностей матриц и
пуансонов пресс-форм / Н.С. Любимый, М.С. Чепчуров. – № 2016110341/02,
заяв. 21.03.2016. опубл. 26.09.2017, Бюл. №27.
21. Пат. №172991. Российская Федерация, МПК G01B13/03. Мобильное
устройство для измерения твёрдости поверхностей деталей / Н.С. Любимый,
М.С. Чепчуров, И.А. Тетерина. – № 2016144815/28, заяв. 15.11.2016. опубл.
03.08.16.
22.
Система основных буквенных обозначений
ФО – формообразующая деталь пресс-формы;  – количество
операций от электроэрозионной обработки;  – номер операции с начала
электроэрозионной обработки;  – количество операций по изготовлению
электрода-инструмента;  – номер операции по изготовлению электродаинструмента;  – номер операции до электроэрозионной обработки;  –
количество операций до электроэрозионной обработки;  – время выполнения
операции; Спп – стоимость подготовительных работ по изготовлению
металлополимерной формообразующей; См – стоимость изготовления модели;
Смп – стоимость изготовления металлополимерной поверхности; Сд –
стоимость доводочных работ; Со – стоимость изготовления формообразующей
из металла;  г – коэффициент трения зерна о заготовку по задней поверхности
зерна; в – предел прочности обрабатываемого материала, МПа;  – скорость
резания при шлифовании, мм/с; 2 – ширина среза зерна, мм;  2 – длина
контакта зерна с обрабатываемым материалом по задней поверхности, мм; 
– количество зерен при одновременном контакте;  – длина контакта круга с
заготовкой, мм; Б – полная себестоимость одной минуты станка и станочника,
руб.;  – длина шлифования, мм; пр – подача стола в продольном
24
направлении, мм/мин; р.х. – длина рабочего хода р.х. = В −  , мм; В –
ширина круга, мм;  – величина перекрытия круга, мм; п – скорость
перемещения заготовки в поперечном направлении, мм/дв.ход; ∆ - припуск,
доп
мм;  – глубина резания, мм; Вш – ширина шлифования, мм; мп
–
доп
максимально допустимая температура металлополимера, °С; м
–
максимально
допустимая
температура
металла
на
границе
с
металлополимером, °С; доп – максимально допустимая шероховатость при
получении поверхности смыкания; кр – скорость круга, м/мин;  – тепловой
поток, Вт; ′ - расстояние между двумя сечениями образца, м;  – площадь
поперечного сечения образца, м 2 ; 2 , 1 – температуры сечений образца, К.
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа