Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Герметизация плоских разъемных соединений 10
1.1. Анализ конструкций уплотнений и методов герметизации плоских соединений, применяемых в машиностроении 10
1.2. Актуальность использования адгезивных материалов для герметизации узлов 22
1.3. Технологические методы формирования адгезивных прокладок 26
1.4. Технологические методы формирования разъемных адгезивных соединений 29
Выводы по главе 1 31
1.5. Цель и задачи исследований 32
Глава 2. Разработка и теоретическое исследование процесса герметизации разъемных соединений с термопластичной проклад кой 34
2.1. Анализ конструкционно-технологических требований, предъявляемых к адгезивным прокладкам, и выбор адгезива для разъемных соединений 34
2.2. Исследование механизма герметизации неподвижных соединений с адгезивной термопластичной прокладкой 44
2.3. Методика расчета герметичных разъемных фланцевых соеди- нений с прокладками 51
2.4. Разработка технологического процесса нанесения и формиро- вания адгезивной термопластичной прокладки 54
Выводы по главе 2 59
Глава 3. Экспериментальное исследование процесса герметизации разъем ных соединений с термопластичной прокладкой 60
3.1. Исследование физико-механических характеристик термо пластичной прокладки 60
3.1.1. Определение физических параметров термопластичной прокладки 60
3.1.2. Определение прокладочного коэффициента 68
3.2. Исследование влияния физических параметров поверхностного слоя герметизируемого соединения на величину контактного давления на термопластичной прокладке 75
3.3. Определение эффективных условий сборки герметичных соединений с термопластичной прокладкой 87
3.3.1. Исследование процесса нанесения термопластичной прокладки 87
3.3.2. Исследование процесса формирования профиля термо пластичной прокладки 105
3.4. Исследование технологического процесса сборки разъемных соединений с термопластичной прокладкой при герметиза ции жидкой среды ПО
Выводы по главе 3 124
Глава 4. Назначение рациональных условий по внедрению метода герметизации разъемных соединений термопластичными материалами в машиностроении 126
4.1. Разработка математической модели и методики проектирова ния технологического процесса сборки герметичного разъ емного соединения с термопластичной прокладкой 126
4.2. Назначение конструкторско-технологических рекомендаций по обеспечению качества герметичных соединений с термопластичной прокладкой 135
4.3. Технико-экономическое обоснование внедрения метода герметизации разъемных соединений термопластичными материалами 137
Выводы по главе 4 142
Общие выводы и рекомендации 143
Список литературы 146
Приложения 156
- Актуальность использования адгезивных материалов для герметизации узлов
- Исследование механизма герметизации неподвижных соединений с адгезивной термопластичной прокладкой
- Исследование влияния физических параметров поверхностного слоя герметизируемого соединения на величину контактного давления на термопластичной прокладке
- Назначение конструкторско-технологических рекомендаций по обеспечению качества герметичных соединений с термопластичной прокладкой
Введение к работе
Сокращение сроков, уменьшение трудоемкости, себестоимости сборки узлов с прокладками и повышение качества герметизации является важным условием технического прогресса в машиностроении. Особое значение эта проблема приобретает в условиях единичного и серийного производства, характеризующихся большой номенклатурой, малыми партиями на каждый типоразмер прокладок, частой сменой объекта сборки. Использование традиционных твердых прокладок требует применения дорогостоящего оборудования, высокой квалификации рабочих, точности и качества выполнения соединений, трудоемкости обработки на стадии эксплуатации, технического обслуживания и ремонта. Одним из решений указанных задач является применение адгезивов.
Под адгезивом следует понимать клейкие материалы, образующие адгезионные связи с поверхностью твердого тела. К ним относятся клеи, герметики, мастики, грунтовки, пластизоли, шпаклевки. Условно все применяемые адгезивные материалы можно разделить на термореактивные и термопластичные. Термореактивные адгезивы при отверждении переходят в необратимое нерастворимое и неплавкое состояние. Термопластичные адгезивы после образования соединения сохраняют способность к повторному применению под воздействием температуры.
Несмотря на долгую историю использования адгезивов, до настоящего времени, не создано единой теории адгезии, объясняющей механизм и причины создания адгезивных соединений и связей внутри них. Адгезионные явления лежат на стыке многих классических наук — физики, химии, механики. Отдельно друг от друга разрабатывались теории прочности и теории адгезионного взаимодействия. Создание и работу адгезивных соединений изучали многие зарубежные и отечественные ученые — Волькерсен О., Голанд М., Кейгл И., Шилдз Д., Ковачич Л., Фрейдин А.С, Кардашов Д.А., Петрова А.П., Батизат В.П. Вопросам герметизации полимерными материалами посвящены работы
Пинчука Л.С., Неверова А.С., Макушкина А.П. и других.
Научные исследования в области применения адгезивных материалов давно и успешно проводятся на кафедре «Технология машиностроения» МГТУ им. Н.Э. Баумана. В 1970 г. под руководством д.т.н., профессора Капустина Н.М. защищена кандидатская диссертация Мельникова Г.Н. по исследованию работоспособности металлопластмассовой технологической оснастки [60]. Под руководством Калинина М.А. в 1971 г. защищена кандидатская диссертация Ястребовой Н.А. по исследованию технологических процессов изготовления лопаток осевых вакуумных машин из эпоксидных компаундов [106]. Под руководством д.т.н., профессора Дальского A.M. в 1989 г. защищена кандидатская диссертация Деревягина СИ. по исследованию и разработке методов технологического обеспечения точности прецизионных соединений при их герметизации на основе эпоксидных адгезивов [20], а в 1990 г. — кандидатская диссертация Ходуса В.В. по технологическому обеспечению регулярного рельефа высокоточных деталей из композиционных материалов [101]. В 1992 г. под руководством к.т.н., доцента Холодковой А.Г. защищена кандидатская диссертация Голецяна М.Н. по иследованию и разработке способа автоматизированной сборки клеевых цилиндрических соединений [18].
Такое пристальное внимание к адгезивным соединениям не случайно. Эти соединения применяются на заключительной стадии производства изделия — сборке. Уровень выполнения сборочных работ обуславливает качественный уровень всего изделия, а следовательно влияет и на ее себестоимость. От качественного выполнения герметичного соединения зависят эксплуатационные характеристики изделия, долговечность, экологическая безопасность и непосредственно здоровье обслуживающего персонала.
Герметизация соединений с помощью адгезивов имеет ряд несомненных преимуществ. Только адгезивы способны заполнить все микронеровности на поверхности контакта герметизируемого стыка, устраняя тем самым возмож-
7 ность утечки герметизируемой среды по неплотностям прилегания уплотнения. Адгезивные уплотнения обладают способностью вибро- и шумопоглощения, способностью изменять цвет за счет введения наполнителей, улучшая тем самым дизайн конструкции. В отличие от большинства традиционных твердых прокладок (резина, фибра, паронит, фторопласт, металл и др.), адгезивные прокладки можно наносить в режиме безотходного производства. Мировой опыт применения адгезивных уплотнений позволяет говорить о том, что адгезивные уплотнения можно наносить непосредственно на месте сборки с низкой трудоемкостью процесса и не тратя средства на их транспортировку и хранение.
Однако, в настоящее время, еще мало изучены возможности различных адгезивных материалов для создания герметичных разъемных соединений. Большинство адгезивов разрушается при разборке таких соединений или число разборок ограничено. Термореактивные адгезивы давно применяются для создания герметичных неразъемных соединений. В разъемных соединениях такие материалы не применяются из-за необратимости процесса отверждения. Термопластичные адгезивы занимают около 5% от общего применения адгезивов в машиностроении и их свойства в области герметизации мало изучены, что мешает широкому внедрению в промышленность. Для внедрения в промышленность адгезивных уплотнений существует потребность подобрать такой адгезив, чтобы стало возможным разработать с его применением технологический процесс сборки, позволяющий соединить преимущества адгезивов с необходимостью многократной разборки герметичного соединения без замены адгезивного уплотнения. Разработке и исследованию закономерностей протекания такого технологического процесса с применением термопластичных адгезивов посвящена настоящая работа.
Целью работы является технологическое обеспечение качества герметизации разъемных соединений с термопластичной адгезивной прокладкой путем назначения эффективных условий их изготовления.
В работе проведен анализ конструкций уплотнений, методов герметизации разъемных соединений в машиностроении и технологических методов формирования адгезивных уплотнений. Доказана актуальность использования термопластичных адгезивных материалов для герметизации соединений. На основе анализа конструкционно-технологических требований, предъявляемых к адгезивным прокладкам выбран термопластичный адгезив для разъемных соединений. Исследован механизм герметизации неподвижных соединений с адгезивной прокладкой и разработан метод нанесения и формирования термопластичной адгезивной прокладки. На основе теоретического и экспериментального исследования разработанного метода предложен технологический процесс сборки разъемных соединений с термопластичной прокладкой и определены эффективные условия сборки при герметизации газовой и жидкой среды. Разработаны конструкторско-технологические рекомендации по обеспечению качества герметичных соединений с адгезивной прокладкой, математическая модель и методика проектирования технологического процесса сборки герметичного разъемного соединения с термопластичной прокладкой. Проведено технико-экономическое обоснование внедрения термопластичных прокладок в изделия машиностроения.
К защите по данной работе представляется:
Методика обеспечения качественной герметизации разъемных соединений с неконтактирующими фланцами и термопластичной прокладкой с учетом выбора марки термопластичного адгезива, действующего на прокладку контактного давления, метода и качества обработки поверхностей разъемного стыка, профиля прокладки и режимов ее нанесения.
Конструкторско-технологические рекомендации по обеспечению качества герметичных разъемных соединений с термопластичной прокладкой.
Рекомендации по определению экономической целесообразности внедрения в производство термопластичной прокладки по сравнению с традицион-
9 ной твердой, на основе технико-экономического анализа балансовой стоимости и себестоимости производства прокладок. Научной новизной работы является:
Выявление механизма герметизации разъемных соединений с термопластичной прокладкой при условии заполнения макро- и микронеровностей поверхностного слоя материала стыка расплавленным термопластичным адге-зивом с одной стороны прокладки, а с другой стороны - устранение путей утечки деформированием термопластичной прокладки в отвержденном состоянии. Определение аналитических зависимостей уровня герметизации от величины контактного давления и качества поверхности стыка.
Определение закономерностей выполнения и управления разработанным методом герметизации разъемных соединений термопластичными материалами для газовой и жидкой герметизируемой среды при различных профилях прокладки.
Установление влияния внешних воздействий (температура и скорость нанесения) на качество формирования термопластичной прокладки по разъемному стыку в безотходном режиме.
Результаты работы могут быть использованы при герметизации изделий различных отраслей машиностроения при действии низкого и среднего избыточного давления.
Диссертационная работа выполнена на кафедре "Технология машиностроения" МГТУ им. Н.Э. Баумана. Основное содержание работы опубликовано в статьях.
Актуальность использования адгезивных материалов для герметизации узлов
Адгезивные материалы (клеи и герметики) давно и активно применяются при герметизации различных соединений. Это обусловлено рядом несомненных преимуществ. Адгезивные соединения не образуют гальванические пары, не вызывают рекристаллизацию материалов, не способствуют (а в большинстве случаев предотвращают) коррозию материалов стыка [47, 91]. Адгезивные соединения обладают хорошим внешним видом, большинство адгезивов позволяют изменять цветовую гамму введением различных красителей непосредственно при формировании уплотнения. Этой уникальной возможностью не обладает ни один герметизирующий материал. В разной степени, все адгезивы обладают способностью к шумо- и вибропоглощению. Эта способность, не присущая большинству традиционных твердых прокладок (за исключением резиновых и группы полимерных комбинированных уплотнений), нашла большую область для применения в различной движущейся технике и технике, работающей в зоне вибраций. В подавляющем большинстве случаев, адгезивные уплотнения обладают меньшей массой и меньшими габаритами, чем традиционные твердые прокладки.
Это объясняется независимостью адгезионных и когезионных характеристик адгезивов от уменьшения высотных габаритов соединения. Наоборот, опыты показывают, что уменьшение высотных габаритов, в ряде случаев, приводит к увеличению степени герметизации стыка [47, 91].
Одним из важных преимуществ адгезивов является способность этих материалов заполнять все микро- и макронеровности поверхности. Эта характеристика присуща только адгезивным материалам, и она позволила найти им большие перспективы для применения. В неразъемных конструкциях достигается равномерное распределение напряжений по площади соединения. Герметичные адгезивные соединения широко применяются в различных областях машиностроения как самостоятельно, так и в комбинации со сваркой и клепкой. Герметично склеивать можно самые различные материалы, которые невозможно соединить другим способом.
Только адгезивные материалы можно формировать в процессе сборки герметичного соединения. Существует целая гамма герметиков, которые можно наносить на поверхности различной конфигурации в пространстве, отверждаясь на них, формируется готовая к работе прокладка. Разработано большое количество средств механизации и автоматизации, позволяющих наносить адгезивы различных физико-механических характеристик на рабочие поверхности разного профиля. Траектория нанесения адгезива может быть абсолютно произвольной — замкнутой и незамкнутой, плоской и пространственной.
Традиционные твердые прокладки (металл, резина, фибра, бумага, па-ронит и т.п.) можно использовать только по замкнутому плоскому стыку. Такие уплотнения хорошо зарекомендовали себя в массовом производстве. На наиболее распространенные материалы существуют ГОСТы, ОСТы и нормативы на предприятиях, регламентирующие габаритные размеры уплотнений. Это выгодно для больших партий продукции. Для единичного, мел ко- и среднесерийного производства конструкторам рекомендуется придерживаться таких размеров в своих разработках, которые позволяют герметизировать стыки с помощью стандартных уплотнений.
Применение нестандартных уплотнений в мелкосерийном и единичном производстве оказывается экономически невыгодным. Это будет понятно, если рассмотреть этапы типового технологического процесса изготовления прокладки из листового материала и сборки стыка: 1. Заготовка — лист материала прокладки требуемой толщины (резина, паронит, металл и т.д.). 2. Вырубка на штампах профиля прокладки. Металлические прокладки иногда режут лазером. Сложнопрофильные резиновые прокладки вулканизируют в специальных формах. 3. Пробивка отверстий под крепеж. 4. Контроль качества прокладки. 5. Установка прокладки с выверкой положения по стыку. 6. Сборка соединения. 7. Установка крепежа и контролируемая затяжка соединения. 8. Испытание изделия (в зависимости от требований к качеству соединения проводят 1ч-7 типов различных испытаний изделия со сменой прокладок после каждого испытания.). Этот метод имеет ряд недостатков [36]: до 80% дорогостоящего материала идет в отход; для каждой новой конструкции стыка изготавливают новый штамп, что экономически невыгодно для серийного и единичного производства; для надежность герметизации зависит от величины контактного давления, что увеличивает габариты изделия и число крепежных элементов. Для ремонта всех применяемых типо-размеров требуется запас прокладок. При использовании многослойных прокладок стоимость уплотнения возрастает пропорционально их количеству. Необходима точная подгонка сопря гаемых поверхностей; для обеспечения герметизации часто требуется получить определенный профиль стыка (например, фрезерованную канавку для замкнутых резиновых колец круглого сечения).
По ряду публикаций, применение адгезивных прокладок снижает себестоимость изделия. По сравнению с листовыми прокладками адгезивные требуют специальной химической подготовки поверхности стыка. При этом снижаются требования к качеству и точности поверхности для нанесения прокладки, что сокращает время на изготовление изделия. В ряде случаев можно избежать применения комбинированных листовых прокладок, заменив их одной адгезивной, благодаря адгезии к поверхности нанесения и химической стойкости этих материалов.
Большинство адгезивных материалов, применяемых для герметизации стыков, обладают упруго-эластичными характеристиками. Это делает предпочтительными адгезивные уплотнения в случаях, когда необходима компенсация перекосов, возникающих при эксплуатации стыка.
При использовании адгезивных материалов не требуется иметь весь набор типо-размеров прокладок для разных стыков. Нанесение таких прокладок - безотходный процесс. При ремонте уплотнения можно удалить поврежденный участок прокладки, заменив его новым, а не менять все уплотнение.
Процесс автоматизации сборки узлов с листовыми прокладками трудоемок. Листовые прокладки не обладают достаточной жесткостью и прочностью для транспортировки их на место сборки. Прокладки рвутся, мнутся и загибаются в рабочих органах механизмов транспортировки, что требует постоянного контроля за процессом сборки. Твердые листовые прокладки трудно фиксировать на герметизируемом стыке.
Исследование механизма герметизации неподвижных соединений с адгезивной термопластичной прокладкой
Существуют два метода теоретического исследования герметичности между двумя реальными поверхностями, каждая из которых имеет сложную геометрическую форму. Первый метод основан на модели течения среды по системе микрощелей с параметрами Si — высота і-ой щели, В; — ширина і-ой щели, li — длина і-ой щели (8j« Bj 1і«Ь-ширина прокладки). Эта система заменяется эквивалентной щелью с функцией формы Р и эквивалентным зазором 5. Метод учитывает возможность случайных дефектов поверхностей, загрязнений в межповерхностном слое и контактную диффузию (рис. 2.1).
Второй метод основан на модели межповерхностной полости в виде пористого слоя и использовании уравнений течения теории фильтрации.
Для определения коэффициента проницаемости выполняют математические исследования геометрических параметров межповерхностных зазоров в зависимости от сближения поверхностей под действием контактного давления. Этот метод нашел применение преимущественно при расчетах клапанных уплотнений типа металл-металл для пневмоагрегатов [94].
Для уплотнительных систем с герметичными прокладками, в основном используют первый метод теоретического исследования герметичности стыка.
После механической обработки поверхности на ней остается сложный микрорельеф, состоящий из множества взаимосвязанных микровпадин и микровыступов. Их ориентация в пространстве и величина зависят от метода обработки, режимов обработки, характеристик металла и многих других факторов. При соприкосновении поверхностей прокладки и герметизируемого фланца образуется большое количество микрощелей разной величины и протяженности, по которым возможно взаимное проникновение сред. Происходит утечка среды из области большего давления в область меньшего давления. Основная цель при герметизации стыков состоит в том, чтобы создать такое контактное давление на уплотнение, чтобы оно оказалось достаточным для деформации поверхностных слоев материала герметизатора до заполнения микронеровностей контактной поверхности.
Теоретическое исследование процесса герметизации контактных уплотнений неподвижных соединений, основанное на длительном изучении практических данных, позволило выделить два вида утечек различной природы [94].
Одним из этих видов является диффузионная проницаемость по контактной поверхности уплотнений. Область контакта уплотнителя с уплотняемой поверхностью отличается неоднородностью структуры. В ней нет полной сплошности, свойственной материалу основных деталей, и можно выделить участки контакта поверхностных пленок, пустоты, участки контакта уплотнителя и уплотняемой поверхности. Механизм контактной диффузии сложен и ко личественно не изучен [94]. Для определения коэффициента диффузии проводят эксперименты и неявно находят контактную диффузионную проницаемость по периметру уплотнения.
Основным механизмом утечки является течение среды через неплотности — микроканалы между поверхностями уплотнителя и детали, возникающие вследствие шероховатости поверхностей и наличии дефектов, температурных и силовых деформаций. При действии перепада давлений по отдельным капиллярам возникают утечки І. ДЛЯ утечек в каждом канале І, МОЖНО предложить формулу для общей утечки [94]: где В — периметр уплотнения, м; Др — перепад давлений герметизируемых сред, Па; b — ширина прокладки, м; л — вязкость герметизируемой среды, Пас; Rz — параметр шероховатости фланца; — коэффициент формы, характеризующий проводимость микроканалов и являющийся безразмерной функцией состояния поверхности (параметров шероховатости), свойств материалов и контактного давления.
Коэффициент учитывает наличие микроканалов, образованных достаточно регулярными следами механической обработки, и влияние совершенно случайных дефектов поверхностей — рисок, раковин, пор, частиц загрязнений.
Режим течения определяют сравнением числа Рейнольдса Re=4uRr/v с его критическим значением Re (и — средняя скорость потока, м/с; Rr — гидравлический радиус канала, м; v — кинематическая вязкость жидкости, м2/с). Число Рейнольдса выражает отношение сил инерции к силам трения, действующим на элемент жидкости. При Re ReKp происходит ламинарное течение, при Re ReKp — турбулентное; последнее при Re»Re, p соответствует области автомодельности (режим квадратичного сопротивления) [94].
Механизм герметизации неподвижных соединений с термопластичными прокладками можно разделить на три стадии. Эти стадии отличаются по гео метрической величине, характеру и количеству микроканалов утечки герметизируемой среды, по деформационному состоянию уплотнительной системы. Поскольку габариты канала утечки напрямую влияют на величину числа Рей-нольдса, которое характеризует режим течения. То при переходе от стадии к стадии может изменяться и режим течения герметизируемой среды.
Первая стадия характеризуется малыми значениями контактного давления. В уплотнительной системе происходят упругие деформации всех элементов системы. Под уплотнительной системой рассматриваются фланцы стыка, прокладка и крепежные элементы. Сближение поверхностей происходит на уровне самых больших микровыступов высотой примерно равной Rz. Происходит упругое вдавливание микровыступов материала фланца в более мягкий материал прокладки. По всей площади контакта прокладка-фланец образуется система впадин и капиляров произвольной формы. Для упрощения расчетов эти каналы утечки можно рассматривать как плоские щели высотой (Rz-eRz) где є — относительное сжатие материала прокладки под действием контактного давления, создаваемого силой затяжки болтов. Первая стадия не решает проблемы герметизации стыка (рис. 2.1).
Исследование влияния физических параметров поверхностного слоя герметизируемого соединения на величину контактного давления на термопластичной прокладке
Качество поверхностного слоя элементов герметизируемого соединения оказывает сильное влияние на уровень герметизации. От шероховатости, наличия и формы макро- и микронеровностей зависит как будет происходить процесс герметизации. Анализируя механизм герметизации, можно сказать, что наличие третьей стадии на прямую зависит от качества обработки поверхностей стыка. Шероховатость поверхности, волнистость и неизбежные дефекты после механической обработки, являются потенциальными путями утечки герметизируемой среды. Если нельзя избежать появления этих дефектов на поверхности, то необходимо определить их влияние, найти возможность предсказать их форму и величину, дающие наиболее оптимальное значения уровня герметизации.
Третьей стадии механизма герметизации можно избежать исключением возможности образования случайных дефектов поверхности. Для осуществления второй стадии герметизации необходимо установить какие значения силы необходимо приложить к стыку для перекрытия макро- и микронеровностей, оставшихся после механической обработки. Эти данные важны еще и потому, что от них будет зависеть выбор метода обработки герметизируемого соединения, определение режимов сборки, подбор сборочного оборудования.
Определение влияния физических параметров поверхностного слоя герметизируемого стыка на величину контактного давления на термопластичной прокладке позволит наполнить теоретические исследования механизма герметизации неподвижных разъемных соединений практическими результатами. Дает возможность говорить о стадиях герметизации с конкретными значениями параметров процесса сборки.
Основным назначением прокладок при обеспечении герметичности соединения является их способность компенсировать погрешности поверхностного слоя стыка, возникающих при обработке поверхностей. В литературе [3, 8, 19, 94] встречается назначение требуемой шероховатости, отклонение от плоскостности и волнистости на поверхности для герметизации традиционными твердыми прокладками (резина, паронит, картон, металл и др.) Можно встретить сведения по этим параметрам для клеев и герметиков [70,47,94]. Все данные приведены в зависимости от герметизируемой среды и ее давления. Однако эти данные касаются в основном герметичных неразъемных адгезивных соединений. Для разъемных соединений с термопластичной прокладкой рекомендаций по качеству поверхностного слоя и режимам сборки не обнаружено. Поэтому возникла необходимость проведения эксперимента по определению возможности компенсации макро- и микронеровностей поверхностного слоя такими прокладками.
Для проведения эксперимента была создана экспериментальная установка, внешний вид которой представлен на рис. 3.6.В установку входит экстензо-метр (6), который измеряет деформацию с точностью до 5 10 5. Когда, через окуляр микроскопа (2), обнаруживается, что макро- и микронеровности образца с испытываемой шероховатостью (5) перекрыты термопластичным образцом Рис. 3.6. Установка для (4), т.е. заполнены им, то с измерительного индикатора испытательной машины INSTRON 1185, к которой подключен экстензометр (6), снимается показание силы сжатия.
Сила для перекрытия микронеровностей образца с испытываемой шероховатостью (5) задавалась перемещением подвижного стола (1) испытательной машины INSTRON 1185. Механизм перемещения подвижного стола (1) позволяет задавать требуемую скорость перемещения.
Окуляры микроскопа (2) можно снять и произвести фотосъемку исследуемого объекта с помощью специальных насадок на микроскоп.
Первым этапом проведения эксперимента было изготовление металлических образцов с различной шероховатостью. Образцы были изготовлены из легированной стали и представляли из себя прямоугольную пластину с размерами 55x35 мм и высотой 3 мм. На одной поверхности каждого из образцов была сформирована своя шероховатость. Образцы для исследования были обработаны методами торцевого и цилиндрического фрезерования, как наиболее распространенными для данных условий. Шероховатость образцов измерена с помощью микроскопа.
Образцы были изготовлены с параметрами шероховатости: методом торцевого фрезерования: Ral,6; Rzl3; Rz25; Rz41; -методом цилиндрического фрезерования: Rz28; Rz38; Rz65; Rz80.
Условия заполнения макронеровностей изучались на базе образцов обработанных методом торцевого фрезерования с волнистостью поверхности: 21 мкм, 26 мкм, 31 мкм, 38 мкм. Волнистость определялась с помощью микроскопа на всей длине образца. Шероховатость и волнистость образцов определялась с точностью до 0,1 мкм.
Для получения четкой картины заполнения микронеровностей термопластом металлические образцы были дополнительно обработаны по торцу с большей стороны, так как микронеровности располагались поперечно именно к
тому торцу. Торец образца после шлифования был обработан мелкой шкуркой, а затем методом притирки дополнительно обработан пастой ГОИ.
На втором этапе изготовлены термопластичные образцы для эксперимента, которые были получены методом отливки в закрытой форме. Термопластичные образцы выполнены в виде прямоугольных пластин с размерами 55x30 мм. Высота образцов варьировалась в следующих размерах: 0,5 мм; 1,0 мм; 1,5 мм (с точностью до ±0,1 мм, измерение производилось микрометром).
Третьим этапом было непосредственное снятие результатов эксперимента. Оно происходило следующим образом. Образец клея (4) помещался между прижимной планкой (3) экспериментальной установки и металлическим образцом с исследуемой шероховатостью (5). При этом их торцы, обращенные к микроскопу, выравнивались до получения четкой картины в окуляре микроскопа. В этом положении образцы фиксировались и прикладывалась сила, под действием которой заполнялись исследуемые неровности. Это значение силы регистрировалось с измерительного индикатора испытательной машины INSTRON 1185. Измеренная сила переводилась в контактное давление. Полученные результаты представлены в виде графиков на рис. 3.7, 3.8, 3.9,3.10.
LINK4 Назначение конструкторско-технологических рекомендаций по обеспечению качества герметичных соединений с термопластичной прокладкой LINK4 После завершения разработки технологического процесса нанесения и формирования термопластичной прокладки. Был накоплен экспериментальный опыт по нанесению адгезивной термопластичной прокладки на различные плоские поверхности. Проводимые в предыдущих главах эксперименты позволили выработать рекомендации к конструкции соединений, применяемых для герметизации термопластичными прокладками. Эти рекомендации позволят повысить качество сборки, а следовательно уровень герметизации объекта.
Полученные результаты можно свести к следующим выводам: 1. Исключить контактное давление на прокладку более допустимых значений во избежание образования трещин на поверхности прокладки, или пластической деформации прокладки. 2. Исключить крепежные отверстия, пазы и т. п. на пути нанесения термопластичной прокладки. Нанесение прокладки поверх крепежных отверстий или подобных углублений поверхности, недопустимо, так как в этой области резко снижается прочность соединения. Огибание таких элементов по малым радиусам приводит к погрешностям профиля, его не равномерности. Необходимо прибегать к специальным приливам на корпусе герметизируемого соединения и выносить крепежные отверстия за зону нанесения прокладки. 3. Исключить окисную пленку или остатки продуктов обработки (например СОЖ) на пути нанесения термопластичной прокладки. В противном случае в таких местах образуется непрочные адгезионные связи с поверхностью, образуется канал утечки, и уровень герметизации резко падает. 4. Избегать угловых перепадов поверхности стыка более 30 к горизонтали. С увеличением угла, по поверхности сопряжения возможно отслоение прокладки, т.к. формирующий ролик любого диаметра не может обеспечить плотного прилегания прокладки к поверхности в таких местах. Для избежания возможности формирования некачественной прокладки, места соединения наклонных поверхностей на пути нанесения термопластичной прокладки нужно сопрягать по радиусу. Причем радиус сопряжения наклонных поверхностей должен быть больше чем радиус формирующего ролика не менее 1,2. 5. Избегать изгибов траектории нанесения с углами меньше 60. Иначе в зоне резкого изменения траектории нанесения прокладки возможно образование неравномерного профиля и даже трещины. В таких местах формирующий ролик не способен обеспечить равномерный профиль при резком изменении пути перемещения. Во избежание этого резкие углы на траектории нанесения нужно скруглять радиусами сопряжения близкими к радиусу описанной окружности периметра разъема. 6. Исключить неполное закрытие термопластичной прокладки деталями сопряжения по герметизируемому стыку. Если прокладка вытеснена за зону стыка, она начинает неравномерно деформироваться под действием контактного и рабочего давлений. Таким образом, в зоне перепада давлений происходит резкое образование и развитие трещин, что приводит к преждевременному выходу термопластичной прокладки из строя.
Соблюдение описанных рекомендаций позволит создать качественную по профилю прокладку и увеличить ее долговечность.
Методика технико-экономического обоснования [98, 117] базируется на ряде основных положений: 1. Экономический эффект определяется при соблюдении сопоставимости сравниваемых вариантов по объему продукции, качественным параметрам, фактору времени, социальным факторам. 2. Расчет экономического эффекта на стадии проектирования выполняется на проектный объем производства, на стадии внедрения - на фактический объем. 3. Учет фактора времени осуществляется приведением к единому моменту всех единовременных и текущих затрат. 4. Расчет производится при сравнении с лучшим освоенным объектом.
На основании выше описанного определение экономической эффективности нового метода герметизации производится при сравнении его с методом герметизации с использованием паронитовых прокладок по ценам 1987 года.
Технико-экономическое сравнение производится на основании расчета ряда показателей, наиболее полно отражающих суть произошедших изменений и полученную от этого экономическую выгоду, преломленную в текущем времени. Исходные данные для технико-экономического расчета по представленной методике [, ] сведены в таблицу 4.
Для представленных исходных данных произведен расчет технико-экономических показателей для заказа в 50 штук одного типоразмера прокладки. Полученные данные сведены в таблицу 5. Расчеты проводились для условной плоской круглой цилиндрической прокладки с внешним диаметром 100 мм, внутренним диаметром 80 мм, высотой 2 мм. В качестве материала-представителя для изготовления твердой прокладки был выбран паронит, а для термопластичной прокладки - СТЕК. Из таблицы 5 очевидно, что при сравни мой себестоимости материала прокладок получен годовой экономический эффект 1021,50 рублей, который будет расти с ростом партии выпуска изделий.
Для изучения изменений наиболее характерных технико-экономических показателей в зависимости от роста партии изготовления изделий с герметичным соединением построены графики, представленные на рис. 4.3, 4.4.
На рис. 4.3 показан график изменения удельной себестоимости герметичного соединения, приходящейся на одно изделие. Из графика видно значительное превышение удельной себестоимости паронитовой прокладки над термопластичной при малых партиях заказа. Для партий выпуска изделий одного типоразмера от 50 до 300 штук разница по себестоимости отличается в 11 раз. Такое большое отличие происходит из-за большей трудоемкости, а следовательно и себестоимости сборки и обработки поверхности герметизируемого стыка в случае применения паронитовой прокладки. Отсюда вывод, применение термопластичных герметизирующих прокладок для партий менее 300 штук одного типоразмера значительно выгоднее, чем традиционных твердых прокладок. Эта тенденция сохраняется и при больших партиях выпуска, но в меньшей степени.
На рис. 4.4 представлен график зависимости балансовой стоимости оборудования от величины партии. Балансовая стоимость характеризует занятость технологического оборудования при производстве одного герметичного соединения из расчета двухсменной работы. Из графиков видно, что с ростом партии заказа увеличивается разрыв между паронитовой прокладкой и термопластичной, что потребует большего срока окупаемости оборудования, однако разница эта не велика. 1 .Разработанные конструкторско-технологические рекомендации позволяют обеспечить качество и повысить уровень герметизации соединения с термопластичной прокладкой путем выбора эффективных условий их изготовления (метод обработки разъемных поверхностей, их шероховатость, величины контактного давления, высота прокладки). 2.Разработанные математические модели процесса сборки герметичных разъемных соединений с термопластичной прокладкой следует использовать в качестве технологических модулей в системах подготовки производства машиностроительных предприятий. Они позволяют прогнозировать условия герметизации соединений, работающих при избыточном давлении среды. 3.Разработанная методика проектирования технологического процесса сборки герметичного разъемного соединения с термопластичной прокладкой позволяет: назначить эффективные условия выполнения технологического процесса при минимуме затрат времени, высокой точности и производительности. 4.Применение термопластичных герметизирующих прокладок для партий выпуска изделий менее 300 штук одного типоразмера дает снижение себестоимости изготовления герметичных разъемных соединений в 11 раз по сравнению с традиционными твердыми прокладками.
