Введение к работе
Актуальность. Современное машиностроение требует разработки новых полимерных композиционных материалов с улучшенными характеристиками.
Благодаря уникальному комплексу эксплуатационных свойств композиционные материалы на основе полимеров нашли широкое применение в машиностроении при производстве защитных покрытий, стеклопластиков, фасонных изделий, футеровочных плит для защиты металлических конструкций от воздействия агрессивных сред и ударных нагрузок, элементов станочной системы (станин, направляющих, подрезцовых пластин и державок токарных резцов), а также для восстановления и усиления конструкций и омоноличивания сборных элементов.
Футеровочные плиты и элементы фитинговых систем из полимерных композиционных материалов в процессе своей эксплуатации испытывают различные внешние нагрузки (статические, динамические, ударные), а также действие агрессивных сред (вода, смазочно-охлаждающая жидкость, кислые и щелочные среды), снижающих их физико-механические свойства и приводящих к преждевременному выходу из строя готовых изделий.
В процессе изготовления и применения полимерных композиционных материалов возникает необходимость их механической обработки: резки, фрезерования, сверления. Механическую обработку резанием используют для обеспечения повышенной точности геометрических размеров изделий, при их сложной конфигурации, а также при малых объемах производства, когда использование трудоемкой и дорогостоящей технологической оснастки (пресс-форм) экономически нецелесообразно.
Применение механической обработки в сочетании с оптимизацией составов полимерных композиционных материалов с заданными физико-механическими свойствами отвечает современным требованиям повышения технологичности производства изделий в машиностроении.
С целью повышения эффективности производства и достижения высокого качества изделий из полимерных композиционных материалов необходима разработка моделей, позволяющих оптимизировать их технологические и физико-механические свойства. Решение данной задачи связано с расчетом параметров физико-механических свойств и оптимизацией технологических показателей механической обработки композиционных материалов.
Цель и задачи работы. Целью диссертационной работы является исследование высокотехнологичных композиционных материалов с заданными физико-механическими свойствами для изделий машиностроения.
Достижение поставленной цели потребовало решения следующих задач:
- исследование основных физико-механических свойств полимерных композиционных материалов и выявление закономерностей изменения деформационно-прочностных и коррозионных показателей композиционных материалов на различных смолах (эпоксидных, полиэфирных) в зависимости от вида и концентрации однокомпонентных и комплексных модифицирующих добавок, объёмного содержания, вида наполнителей и их дисперсности для производства изделий в машиностроении;
- исследование влияния режимов механической обработки и агрессивных сред на физико-механические и технологические свойства эпоксидных, полиэфирных, эпоксиполиуретановых композитов;
- разработка достоверных прогнозных моделей влияния рецептурно-технологических факторов на физико-механические свойства полимерных композитов с последующей реализацией в системе автоматизированного проектирования составов полимерных композиционных материалов;
- разработка алгоритмов расчета высокотехнологичных составов композиционных материалов с заданными физико-механическими свойствами, с последующим созданием экспертных подсистем «Расчёт режимов механической обработки полимерных композиционных материалов» и «Прогнозирование и оптимизация физико-механических свойств полимерных композиционных материалов»;
- разработка высокотехнологичных составов композиционных материалов для производства фасонных изделий (фитинги, уголки и т.п.) и футеровочных плит;
- практическое внедрение результатов исследований.
Научная новизна:
- установлены закономерности влияния составов (содержание связующих, модифицирующих компонентов и наполнителей) и технологических факторов на физико-механические и коррозионные свойства полимерных композиционных материалов, предназначенных для получения фасонных изделий и футеровочных плит;
- уточнены модели расчета технологических показателей процесса производства изделий для машиностроения из композиционных материалов, учитывающие их эксплуатационные свойства;
- создана методика расчета оптимальных составов полимерных композиционных материалов, учитывающая закономерности изменения физико-механических, технологических свойств композиционных материалов и их стойкости к агрессивным средам на основе методов многокритериальной оптимизации.
Практическая значимость:
- установлено влияние технологических параметров обработки на физико-механические свойства, структуру и качество полимерных композиционных материалов;
- разработана эффективная двухкомпонентная модифицирующая добавка (полиизоцианата (5 мас.ч) и простого полиэфира (5 мас.ч)) для эпоксидных композитов, позволяющая существенно повысить физико-механические, технологические свойства и качество композиционных материалов, полученных механической обработкой;
- получены оптимальные составы изделий из полимерных композиционных материалов (фасонные изделия, футеровочные плиты) с использованием механической обработки;
- разработан алгоритм автоматизированной системы оптимизации составов, структуры, свойств полимерных композиционных материалов с высокими физико-механическими и технологическими показателями;
- разработана система автоматизированного проектирования и создания полимерных композиционных материалов с заданными физико-механическими свойствами и высоким качеством обработанных поверхностей.
Внедрение результатов исследований:
Результаты исследований нашли свое отражение при изготовлении элементов фитинговых систем из дисперсно-наполненных и волокнистых полимерных композитов в ООО «РенБизнесАвто», а также в ООО «Фарнас - Транссервис» при производстве футеровочных плит и элементов станочной системы в ЗАО «Камский завод Автоагрегатцентр».
Апробация работы:
Результаты выполненной работы обсуждались на таких научно-технических конференциях: II Всероссийская конференция «Теория и практика повышения эффективности строительных материалов» (Пенза, 2007 г.); Международная научно-техническая конференция «Современные строительные материалы, конструкции и технологии. Система менеджмента качества (СМС) серии ISO 9000 на предприятиях» (Новосибирск, 2008 г.); Международная научно-практическая конференция «Современные направления теоретических и прикладных исследований 2008» (Одесса, 2008 г.); VII Конгресс технологов автомобилестроения (Москва, 2008 г.); VIII Конгресс технологов автомобилестроения (Москва, 2008 г.).
На защиту выносятся:
- оптимальные составы высокотехнологичных композиционных материалов для получения материалов высокого качества с заданными физико-механическими свойствами;
- закономерности разрушения и деформирования эпоксидных, полиэфирных и эпоксиполиуретановых композиционных материалов при различных видах нагружения;
- модели прогнозирования и оптимизации физико-механических, технологических свойств композиционных материалов и их составов в зависимости от концентрации матричных компонентов, дисперсности и объёмного содержания наполнителей;
- состав двухкомпонентной модифицирующей добавки для эпоксидных композиционных материалов, состоящей из простого полиэфира и полиизоцианата, позволяющей повысить физико-механические и технологические свойства полимерных композитов и качество обработанных поверхностей;
- система автоматизированного проектирования высокотехнологичных полимерных композиционных материалов с заданными физико-механическими свойствами, полученных механической обработкой.
Достоверность результатов работы заключается в использовании при испытаниях композиционных материалов, механического оборудования и измерительной аппаратуры, способных точно регистрировать необходимые параметры с минимальными погрешностями. Количественные результаты исследований обработаны с применением аппроксимирующих функций (степенных, экспоненциальных, полиномиальных и др.), корреляционного и регрессионного анализа. Достоверность полученных аналитических зависимостей подтверждена испытаниями большого количества различных видов и составов полимерных композиционных материалов и высокой степенью сходимости экспериментальных и расчётных данных с применением статистической обработки.
Публикации:
По результатам выполненных исследований опубликовано 18 работ, в том числе 5 статей в журналах, входящих в перечень ВАК.
Автор выражает особую благодарность академику РААСН, д.т.н., профессору Соколовой Ю.А., член-корр. РААСН, д.т.н., профессору Бобрышеву А.Н. за оказанную помощь при подготовке диссертационной работы.
Структура и объём работы:
Диссертация состоит из введения, пяти глав, основных выводов, списка использованных источников и литературы из 158 наименований и приложений. Работа изложена на 188 страницах машинописного текста, содержит 81 рисунков и 23 таблицы.
