Введение к работе
Актуальность. Современное машиностроение требует разработки новых полимерных композиционных материалов в том числе с комплексом заданных специальных свойств.
Периодические вибрации и шумы, возникающие при механической обработке резанием, оказывают нежелательное воздействие на качество изготавливаемых деталей и изделий, а также на условия труда на производстве (уровень шума составляет более 70 дБА). В этой связи задача разработки материалов, снижающих вредные вибрации и шумы, для использования в элементах станочной системы является весьма актуальной. Поэтому разработка указанных материалов становится перспективным направлением материаловедения.
Проблема снижения уровня звука в строительной индустрии эффективно решается путём использования деталей или прокладочных материалов с открытой пористостью (гидробетон, паста «Антивибрит»). Но из-за отсутствия в комплексе одновременно-высоких звукопоглощающих, вибродемпфирующих и деформационно-прочностных свойств такие материалы не нашли широкого распространения в машиностроении в качестве конструкционных материалов и изделий, например, установочных пластин под резцы токарных станков. Однако варьируя широким спектром подбора термореактивных смол, модифицирующих компонентов, наполнителей, оптимизацией конструирования композитной системы возможно получение такого рода уникальных композитов.
Существующие подобные монолитные композитные системы - резцы с державками из бетонополимерных и полимербетонных композиционных материалов обладают следующими недостатками:
необходима специальная оснастка для их производства;
необходимы дополнительные операции обработки деталей для обеспечения повышенной точности геометрических размеров;
- высокая себестоимость изготовления резца.
В этой связи для решения данной проблемы необходима разработка дискретной конструкции резца (металлическая державка + установочная пластина из композиционных материалов) с высоким сопротивлением вибро-звукочастотному нагружению. Решение данной задачи связано с разработкой новых методов расчёта и прогнозирования звукопоглощающих, вибродемпфирующих и упругих свойств полимерных композиционных материалов, а также оптимизацией составов при их создании.
Диссертационная работа выполнялась в соответствии с заявкой на грант ОАО «КАМАЗ» 2007-2009 гг. «Снижение внешнего и внутреннего шума автомобиля, повышение теплошумоизоляции кабины за счёт использования новых материалов и перспективных технологий производства».
Цель и задачи работы. Целью диссертационной работы является разработка составов композиционных материалов с повышенными виброзвукопоглощающими свойствами для установочных пластин токарных станков.
Достижение поставленной цели потребовало решения следующих задач:
- исследование основных звукопоглощающих, демпфирующих и упругих
свойств полимерных композиционных материалов на различных смолах (эпок
сидных, полиэфирных) и выявление закономерностей изменения их показателей в
зависимости от вида и концентрации однокомпонентных и многокомпонентных модифицирующих и пластифицирующих добавок, вида наполнителей;
- разработка топологической модели звукопоглощающих дисперсно-
наполненных полимерных композитов с применением теории протекания;
- разработка уточнённой модели вибропоглощения установочной пластины
из композиционного материала как дискретного элемента системы токарного рез
ца с применением элементов теории виброизолирующей подвески;
- разработка составов матричных, модифицированных и дисперсно-
наполненных полимерных композитов с учётом микроструктурного анализа, тео
рии синергетики, структурно-фазовых переходов с требуемыми упругими и по
вышенными звукопоглощающими свойствами и эффективной стойкостью к виб
рочастотному воздействию инструментальных систем токарных станков;
разработка математической модели, позволяющей оптимизировать структуру и свойства композиционных материалов с эффективным сопротивлением виброчастотному нагружению с учётом технологических параметров токарных станков;
исследование влияния установочных пластин из различных композиционных материалов как дискретных элементов систем токарных станков на качество (шероховатость, волнистость) изделий полученных механической обработкой резанием и оцеки избыточного давления шума в процессе эксплуатации станков (16К20, CNC-2392) при различных технологических режимах обработки;
- практическое внедрение результатов исследований.
Научная новизна:
- установлены закономерности влияния составов (содержание концентрации
отвердителя, однокомпонентных и многокомпонентных модифицирующих и пла
стифицирующих добавок и дисперсных наполнителей) на звукопоглощающие,
демпфирующие и упругие свойства полимерных композиционных материалов,
предназначенных для получения установочных пластин, применяемых в качестве
дискретных элементов систем токарных резцов;
.- впервые теоретически обосновано влияние структурно-топологических особенностей (тупиковых ветвей структурного каркаса композита, за которые отвечает определённый нами критический индекс) полимерных материалов, разработанных в рамках данного исследования, на их звукопоглощающие свойства;
- создана методика расчёта эффективных составов полимерных композици
онных материалов, учитывающая закономерности изменения звукопоглощающих
свойств композиционных материалов и их стойкости к различным условиям виб
рочастотного нагружения.
Практическая значимость:
- разработаны эффективные матричные, модифицированные и пластифици
рованные составы композитов для установочных пластин с повышенными звуко
поглощающими, демпфирующими и требуемыми упругими свойствами для усло
вий виброчастотного нагружения композитной системы 1600 Гц;
- разработана эффективная комплексная модифицирующая добавка, со
стоящая из простого полиэфира Сарэл-А-04 (1,875 - 2,5 мас.ч) и полиизоцианата
Сарэл Б-04 (1,875 - 2,5 мас.ч) для эпоксидных композитов, позволяющая существенно повысить их звукопоглощающие и демпфирующие свойства;
разработаны эффективные дисперсно-наполненные композиционные материалы с повышенными звукопоглощающими, демпфирующими и требуемыми упругими свойствами для условий виброчастотного нагружения установочных пластин в интервале 315 -1600 Гц;
разработана (с применением элементов теории виброизолирующей подвески) система расчёта композитных составов для получения установочных пластин, учитывающая условия изменения технологических параметров токарных станков.
Внедрение результатов исследований:
Результаты исследований нашли практическое применение при изготовлении элементов станочной системы в ЗАО «Камский завод Автоагрегатцентр» и НТЦ ОАО «КАМАЗ».
Апробация работы:
Результаты выполненной работы обсуждались:
на Международной научно-технической конференции «Современные строительные материалы, конструкции и технологии. Система менеджмента качества (CMC) серии ISO 9000 на предприятиях» (Новосибирск, 2008 г.);
VII-м Конгрессе технологов автомобилестроения (Москва, 2008 г.);
VIII-м Конгрессе технологов автомобилестроения (Москва, 2008 г.);
Международной научно-технической конференции «Образование и наука-производству» (Набережные Челны, 2010 г.).
На защиту выносятся:
закономерности вибро-звукопоглощения эпоксидных и полиэфирных композиционных материалов при различных условиях частотного нагружения;
топологическая модель звукопоглощения композиционного материала;
уточнённая физическая виброупругая модель установочной пластины из композиционного материала;
математические модели, позволяющие оптимизировать структуру и свойства композиционных материалов с эффективным виброчастотным нагружением, учитывающие технологические параметры токарных станков;
- оптимальные составы (матричных, модифицированных, пластифициро
ванных и наполненных) композиционных материалов для получения установоч
ных пластин с высокими звукопоглощающими свойствами и стойкостью к раз
личным условиям виброчастотного нагружения;
- эффективный состав комплексной модифицирующей добавки, состоящей
из простого полиэфира Сарэл-А-04 (1,875 - 2,5 мас.ч) и полиизоцианата Сарэл Б-
04 (1,875 - 2,5 мас.ч) для эпоксидных композитов, позволяющий существенно по
высить их звукопоглощающие и демпфирующие свойства;
- эффективные составы композиционных материалов из матричных компонентов с повышенными звукопоглощающими, демпфирующими и требуемыми упругими свойствами в условиях виброчастотного нагружения 1600 Гц,
- эффективные составы дисперсно-наполненных композиционных материа
лов с повышенными звукопоглощающими, демпфирующими и требуемыми упру-
гими свойствами для различных условий виброчастотного нагружения установочных пластин в интервале 315 - 1600 Гц.
Достоверность результатов работы заключается в использовании при испытаниях полимерных композиционных материалов, тестированного механического оборудования и измерительной аппаратуры, способной 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 расчетных данных с применением статистической обработки.
Публикации:
По результатам выполненных исследований опубликовано 7 работ, в том числе 3 статьи в журналах, входящих в перечень ВАК.
Структура и объём работы:
Диссертация состоит из введения, пяти глав, основных выводов, списка использованных источников и литературы из 140 наименований и приложений. Работа изложена на 142 страницах машинописного текста, содержит 51 рисунок и 26 таблиц.
