Содержание к диссертации
Введение
1. Необходимость получения защитного политетрафтор этиленового покрытия на биметаллической проволоке контактных сетей при волочении 8
1.1. Анализ основных повреждений БСМ проводов контактных сетей при эксплуатации 8
1.2. Оценка способов нанесения защитных фторопластовых покрытий на многослойную проволоку различного функционального назначения 13
1.3. Анализ теоретических моделей оценки устойчивости процессов волочения слоистых материалов 19
1.4. Постановка цели и задач исследований 29
2. Математическая модель процесса волочения бездефектной многослойной проволоки 31
2.1. Выбор и обоснование критерия устойчивости процесса волочения п-слойной композиции 31
2.2. Математическое описание деформации n-компонентных систем при волочении
2.2.1. Выбор системы уравнений для описания деформации объема внешнего слоя в волоке 33
2.2.2. Моделирование деформации промежуточных слоев в волоке 41
2.2.3. Математическое описание деформации сердечника в волоке 46
2.3. Постановка задачи оценки устойчивости процесса волочения n-слойных композиций з
2.4. Адаптация задачи к процессу волочения стальной проволоки с ПМ-покрытием 54
2.4.1. Постановка задачи 54
2.4.2. Алгоритм решения задачи 59
Исследование реологических свойств политетра фторэтилена 67
3.1. Методика и оборудование для проведения пластометрических испытаний .67
3.2. Результаты экспериментальных исследований на сжатие ПТФЭ образцов 71
3.3. Статистическая обработка результатов эксперимента и вывод уравнения состояния политетрафторэтилена 75
Теоретические исследования процесса волочения стальной проволоки с пм-покрытием 82
4.1. Оценка уровня внеконтактных сдвигающих напряжений на межслойных границах с позиции условия устойчивости 82
4.2. Комплексное влияние параметров волочения на уровень наиболее опасных внеконтактных напряжений сдвига 95
4.3. Методика определения границ области устойчивого волочения сталь-медь-полимерной проволоки 106
Разработка технологии производства бсм проволоки с полимерным покрытием (бсмп проволоки) для контактных сетей 111
5.1. Улучшение эксплуатационных свойств сталемедной проволоки при её плакировании политетрафторэтиленом 111
5.2. Проектирование рациональных маршрутов волочения бездефектной БСМП проволоки 115 5.2.1. Технологическая схема с нанесением ПТФЭ слоя перед последним переходом без изменения маршрутов волочения 117
5.2.2. Схема маршрутов волочения с максимальным числом переходов БСМП проволоки 119
5.2.3. Проектирование режимов волочения БСМП проволоки при замене части медной оболочки полимером 127
5.3. Промышленное опробование технологии получения БСМП проволоки и технико-экономический анализ её производства 130
Заключение 135
Список используемых источников
- Оценка способов нанесения защитных фторопластовых покрытий на многослойную проволоку различного функционального назначения
- Математическое описание деформации n-компонентных систем при волочении
- Статистическая обработка результатов эксперимента и вывод уравнения состояния политетрафторэтилена
- Проектирование рациональных маршрутов волочения бездефектной БСМП проволоки
Оценка способов нанесения защитных фторопластовых покрытий на многослойную проволоку различного функционального назначения
Промышленное освоение производства политетрафторэтилена (ПТФЭ), а также различных способов его переработки явилось мощным толчком для внедрения этого материала в технику. Широкий интервал рабочих температур, высокие электрические, химические и другие характеристики политетрафторэтилена определили его применение в кабельной промышленности в качестве материала изоляции и защитных оболочек проводов и кабелей [14]. В начале 50-х годов появились первые сообщения США о разработке проводов с изоляцией из политетрафторэтилена, к настоящему времени кабельные изделия с изоляцией из этого материала выпускаются почти во всех промышленно развитых странах: США, Англии, Японии, Франции, ФРГ, Италии, Швейцарии, Чехословакии и др.
Современная радиоэлектронная аппаратура для авиационной, ракетной и морской техники немыслима без кабельных изделий с покрытиями из политетрафторэтилена. Так, в США существуют военные спецификации (MIL) на кабельные изделия, утвержденные Армией, Флотом и Авиацией, представляющие собой Общие и Частные технические условия на изделия разных типов: низковольтные монтажные провода и кабели; высоковольтные провода и кабели; бортовые авиационные провода; обмоточные провода; радиочастотные кабели.
Известные способы формирования ПТФЭ-покрытий можно условно разделить на следующие группы: 1. Методы экструзии пасты политетрафторэтилена на плунжерных прессах; 2. Методы оборачивания проводов пленками политетрафторэтилена; 3. Методы шприцевания; 4. Методы электрофоретического осаждения ПТФЭ-покрытий на проволоку; 5. Метод нанесения в псевдоожиженном слое порошка; 6. Методы осаждения в электростатическом поле; 7. Методы нанесение пленок из суспензий ПТФЭ; 8. Газопламенным напылением; 9. Струйными методами. Впервые технология изготовления проводов с монолитной изоляцией из политетрафторэтилена методом экструзии на плунжерных прессах была разработана фирмой «Дюпон» (США), схема которой показана на рис. 1.4.
Конструкция плунжерного пресса для изолирования проводов, пастами политетрафторэтилена, разработана и запатентована американской фирмой Jennings Machine Corp. (США) [17,18]. Аналогичные прессы выпускает фирма Davis Electrical Corp. (США) [19].
Оборачивание проводов ПТФЭ-пленкой заключается в спиральной намотке с перекрытием обычно в сочетании с лакированными обмотками или оплетками из стеклонитей в качестве скрепляющих элементов с последующей термообработкой. Процесс термообработки заключается в том, что изолированный провод пропускается через горизонтальную или вертикальную трубчатую печь, где пленки усаживаются, изоляция уплотняется, пленки теряют способность самопроизвольно разматываться.
Применение способа наложения лент из ПТФЭ в проводах и кабелях позволяет получать эти изделия практически неограниченной длины, в то время как длина изолируемого провода на плунжерном прессе ограничена емкостью цилиндра. Кроме того, монтажные провода, изолированные пленками политетрафторэтилена, имеют повышенную степень концентричности изоляции.
Эти преимущества в некоторых случаях выгодно отличают кабельные изделия с пленочной изоляцией от изделий с монолитным изоляционным покрытием. Недостатком пленочной изоляции нужно признать пониженную влагостойкость, однако создание и применение специальных типов пленок позволило получить полностью герметичную изоляцию.
Основное применение пленки политетрафторэтилена нашли при изолировании монтажных проводов, а также в качестве изоляции и защитных оболочек радиочастотных кабелей.
Метод шприцевания подобен методу плунжерного прессования, только в качестве исходного материала применяется специально подготовленый мелкодисперстный гранулированный политетрафторэтилен в виде порошка и осуществляется он на одношнековых шприцпрессах [19-21]. Процесс шприцевания является непрерывным и условно может быть разделен на холодное формование и последующее сплавление.
Формование происходит в конической части матрицы пшрицпресса, через центральное отверстие которого пропускается проволока, а сплавление полимерного слоя осуществляется в длинном толстостенном цилиндре-матрице при температуре 327...330 С. Увеличение объема спекаемой оболочки при сплавлении ограничивается стенками матрицы, за счет чего происходит плотное обжатие проволоки ПТФЭ материалом.
Несмотря на малую производительность (скорость шприцевания составляет 0,127 м/мин), этот метод является единственным для получения оболочки полимера толщиной более 0,8 мм.
Широко распространен метод электрофоретического осаждения ПТФЭ-покрытий на проволоку в водной суспензии с последующей сушкой и спеканием покрытия. Он основан на свойстве материалов переходить из нерастворимого состояния в растворимое и обратно при сдвиге равновесия системы кислота-основание. После погружения изделия, являющегося электродом, и создания на нем потенциала, на его поверхности происходит электроосаждение или электрокоагуляция материала покрытия [22,23].
Типовая схема нанесения покрытия на проволоку методом электрофореза приведена на рис. 1.5 [18]. Из резервуара 1 с мешалкой 2 суспензия 8 непрерывно течет по трубопроводу 7 и через вентиль 8 попадает в ванну 9. Затем насосом 5 по трубопроводам 6 и 4 суспензия подается обратно в резервуар, куда непрерывно добавляется суспензия повышенной концентрации для пополнения израсходованной на покрытие проволоки 10. Электрическая схема состоит из источника постоянного тока с устройствами для регулирования тока и контактами 11 и 12. Положительный полюс источника с помощью скользящего контакта соединяется с проволокой, а отрицательный - с металлической ванной.
Математическое описание деформации n-компонентных систем при волочении
Разработка рациональных режимов волочения проволоки с многослойными покрытиями вызвана достаточно острой проблемой повышения качества продукции метизного производства, в частности, резким повышением требований к увеличению антикоррозионных свойств изделий. Это обеспечивается применением в композиции высокоэффективных, коррозионно-стойких внешних полимерных пленок.
Однако, как показывает практика, существует нерешенная на сегодняшний день проблема, связанная с высокой вероятностью получения изделий с многочисленными локальными дефектами, а именно - местными отслоениями элементов покрытий друг от друга и от основы [66].
Предотвращению этого дефекта, а точнее описанию процесса волочения бездефектной п-слойной проволоки, посвящена данная теоретическая глава.
На наш взгляд процессы нарушения целостности композиции (отслоения элементов слоистых покрытий) обусловлены возникновением напряжений сдвига Xі х, действующих на межслойных (/=1) границах со стороны входа (г=0) и выхода (і=ї) из очага деформации. Причиной их появления является разность сил подпора FN —FN в соседних у и (/+1) слоях композиции со стороны собственных "недеформированных зон" (переднего и заднего "жестких" концов).
В связи с этим, на наш взгляд, критерием устойчивости волочения п-мерной композиции должно являться условие, при котором на любой межслойной границе на входе и выходе из волоки T „A (2.1) где \т .\ - допускаемое напряжение сдвига, превышение которого приводит к нарушению сплошности контакта слоев (отслоению). Здесь и далее верхние символы (і) при переменных обозначают её принадлежность к плоскости входа (г=0) или плоскости выхода (і=1) из очага деформации. Нижние символы (/) обозначают номер слоя или его наружной границы, начиная с внешнего, для которого /=1 и заканчивая п-ным (внутренним) слоем, т.е. сердечником, для которогоу=п.
Согласно работе [58] нарушение сплошности контакта на межслойной границе определяется возникновением пластической деформации более мягкого материала во внеконтактных зонах по условию [ф , (2.2) где JS\ - предел текучести более «мягкого» материала, МПа. С учетом (2.1) и (2.2) критерием устойчивости процесса волочения п-слойной композиции должно являться условие: F -F N j Nj+Ї 1(2жК П а (2.3) т,« = где FN\ = УЫ\ S j - силы подпора, действующие в j-том слое композиции на входе (/=0) и выходе (F=1) из волоки, Н; S - 7l\R. —R . ) - площади поперечных сечений j-тых слоев композиции на R\ входе и выходе из волоки, мм2; - радиусы поперечных сечений композиции по j-тым межслойным границам на входе и выходе из очага деформации, мм; длины вне контактных участков (/+1)-вых межслойных границ на входе и выходе из волоки, в пределах которых действуют расчетные напряжения сдвига Tj+1 [58], мм; fj+x- коэффициент трения на (/+1)-вой межслойной границе. Для определения неизвестных напряжений подпора crN . и выяснения возможности устойчивого волочения n-компонентных композиций по критериям (2.1) в работе предложено записать задачу в виде статически определимой совокупности систем уравнений, описывающих поведение деформируемых в волоке объемов каждого слоя композиции, учитывая их взаимодействие. Будем рассматривать поочередно каждый слой, начиная с первого (внешнего) и заканчивая последним (n-ным), т.е. сердечником. При этом процесс волочения осуществляется с наличием сил противонатяжения при упрочняющихся материалах покрытий и сердечника. Постановка задачи подробно рассмотрена в следующем разделе главы.
При постановке задачи приняты следующие допущения: твердость материалов композиции возрастает от внешнего (/=1) слоя к сердечнику (/=п); слой из "мягкого" материала в процессе обработки стремится "течь" из очага деформации по более твердому основанию как в направлении волочения, так и против, образуя зоны "опережения" и "отставания" [67]. Координаты границ зон x — kf определяем, проводя аналогию процесса деформации при волочении с осадкой наклонной плитой:
Статистическая обработка результатов эксперимента и вывод уравнения состояния политетрафторэтилена
Основной задачей экспериментальных исследований является оценка сопротивления деформации политетрафторэтилена от степени и скорости деформации и вывод обобщенного уравнения состояния для данного материала.
На основании анализа существующих методов и приборов для исследования реологических характеристик политетрафторэтилена было принято решение использовать усовершенствованный кулачковый пластометр с контрольно-измерительной аппаратурой кафедры ОМД ЮУрГУ, обеспечивающий высокую точность измерений при малых нагрузках и перемещениях [69].
Суть реконструкции свелась к тому, что пластометр был оснащен датчиками и аппаратурой, позволяющей регистрировать тот уровень нагрузки, который возникает при деформации полимеров. Принципиальная схема пластометра после модернизации показана на рис. 3.1.
При реконструкции заменен датчик перемещения в процессе загрузки на более чувствительную балочку равного сопротивления 11; дополнительно установлен датчик перемещения при разгрузке 6; использована более чувствительная месдоза усилия 9; облегчен верхний боек контейнера 5.
Модернизированный пластометр позволил реализовать намеченную программу исследований. Использовалась методика проведения опытов и обработки информации согласно [70]. Суть методики состоит в следующем. Профилированный кулачок пластометра моделирует во времени закон нагружения образца. В результате получают первичную информацию в виде зависимости усилия сжатия от времени. Контроль текущей высоты образца позволяет расчетным путем определить контактную площадь, среднее нормальное напряжение, а также величину и скорость деформации для любого момента времени. Вся обработка опытной информации осуществляется на ПЭВМ ШМ/АГ с выдачей на печать кривых зависимостей интересующих параметров от времени [70].
Рис.3.1. Кулачковый пластометр после модернизации. 1-кулачок; 2-ролик;3-шток; 4-боек; 5-верхний боек контейнера; 6-датчик перемещения; 7-образец; 8-корпус контейнера; 9-месдоза усилия; 10-пружина; 11-датчик перемещения; 12-станина; 13-опора
Для получения более достоверной информации в течение всего периода нагружения были на порядок уменьшены временные интервалы регистрации параметров. Для расчета истинного среднего нормального напряжения по усилию сжатия в текущий момент времени необходимо знать площадь контакта образца с деформирующим инструментом. Непосредственный контроль площади, например, путем измерения диаметра образца в месте контакта с инструментом весьма проблематичен. В связи с этим текущую площадь определяли из условия постоянства объема, полагая деформацию однородной (без образования бочки), а затем вносили коррекцию на бочкообразование с помощью аналитических зависимостей [70].
Характерная осциллограмма при деформации ПТФЭ-образцов на пластометре приведена на рис. 3.2. Для определения действительных значений усилий деформации и величины обжатия образца использовали заранее известные тарировочные графики мес доз.
Рабочий участок осциллограммы (на рис.3.2 он соответствует времени испытания от «0.32 с. до «0.07 с.) разбивается /вертикальными линиями на равные по времени участки Лт. Истинное сопротивление деформации определяется по формуле:
При больших обжатиях и наличии контактного трения в плоскости соприкосновения бойков и образца наблюдается бочкообразование, что свидетельствует о неоднородности напряженно-деформируемого состояния материала. С целью увеличения точности обработки пластометрических экспериментальных данных вводится поправка по [70]: При отношении размеров образцов d/h l
Обработку результатов проводили на ПЭВМ IBM PC/AT с выдачей величин: деформаций єі} скоростей деформаций U сопротивления деформаций (ТІ, а также средних значений /с,и GS за время осадки образца. По результатам экспериментальных исследований строили кривые упрочнения Js = р(є.).
Пластометрические исследования проводились на цилиндрических образцах с исходными размерами do h(f=lO l5 мм. Температура во время испытания была постоянной и равнялась 20 С. Образцы изготавливали из материала фторопласт-4 обработкой на токарном станке. В связи с тем, что выясняли влияние на сопротивление деформации (ОІ) двух факторов: скорости (U) и степени (є) деформации, план эксперимента был построен следующим образом. Было выбрано четыре уровня скоростей деформации U=5,15,25,40 с"1 (см. табл. 3.1), диапазон которых определили значениями скоростей, используемых на промышленных станах. Для каждого значения скорости были определены предельные значения степеней деформации Snp, до которых проводили по пять параллельных испытаний на сжатие с фиксацией (расчетом) текущих значений степени деформации и сопротивления деформации. Число фиксируемых во временя испытаний пар значений ЄІ-СУІ равнялось 10-ти вне зависимости от величины предельной деформации.
Проектирование рациональных маршрутов волочения бездефектной БСМП проволоки
Анализ достаточно большого числа расчетных данных, как и представленные на рис.4.1. и 4.2. результаты, позволяют сделать следующие заключения:
Во-первых, во всем диапазоне изменения как геометрических размеров композиции (рис. 4.1), так и основных технологических параметров волочения (рис. 4.2) наиболее опасной является граница сопряжения политетрафторэтилена с медью. Если для указанного примера ни один из исследуемых параметров во всем диапазоне их изменения не приводит к нарушению условия устойчивости на межслойной границе медь-сталь (см. рис.4.1. б и 4.2.6.), то на границе меди с ПТФЭ в диапазонах изменения каждого параметра наблюдается нарушение условия устойчивости (см. рис.4.1.а; 4.2.а). Этот же вывод подтверждает анализ всего объема численного эксперимента: наиболее опасной является вторая межслойная граница: «ПТФЭ-медь».
Во-вторых, на этой межслойной границе наиболее опасной с позиции условия устойчивости является зона выхода композиции из очага деформации. Для приведенного на рис. 4.1 и 4.2 примера и заданных диапазонов режимных параметров условие устойчивости нарушается только в плоскости выхода композиции из волоки по условию т\ сгп, в то время как внеконтактные напряжения сдвига г2 на входе в очаг деформации в данном случае оказываются ниже критического значения Jsl (см. рис. 4.1.а и 4.2.а). Подобные исследования, проведенные для остальных режимов волочения, однозначно подтверждают это заключение. Таким образом, при волочении трехслойной композиции сталь-медь-ПТФЭ в практически применяемых диапазонах изменения режимных параметров наиболее опасной зоной с позиции нарушения условий устойчивости являются точки межслойной границы ПТФЭ-медь, расположенные на выходе проволоки из очага деформации. 4.2. Комплексное влияние параметров волочения на уровень наиболее опасных внеконтактных напряжений сдвига
В данном подразделе поставлена задача не только изучить степень влияния каждого технологического фактора на величину наиболее опасных внеконтактных напряжений сдвига т\ (см. п. 4Л) и выявить наиболее значимые из них, но и попытаться дать комплексную оценку этого влияния, на основе которой создать методику проектирования режимов волочения, обеспечивающих выпуск качественной бездефектной продукции.
Еще при проведении первого этапа теоретических исследований, описанных в п. 4.1, было замечено, что такие параметры волочения, как усилие противонатяжения Q, усилие волочения F, и коэффициенты тангенциального взаимодействия (трения) на межслойных границах f2vtf3 практически (с диапазон изменения параметров 2...5%) не влияют на величину внеконтактных напряжений сдвига слоев в композиции в том числе и на величину т\ (см. рис. 4.2). Однако другие характеристики, а именно: полуугол волоки а,, коэффициент трения на внешней границе fr, и особенно геометрические размеры исходной композиции: Rat, дш, дп, оказывают существенное влияние на величину т\ и, следовательно, позволяют управлять устойчивостью процесса обработки (см. рис. 4.1 и 4.2).
В связи с этим, второй этап исследований посвящен комплексной оценке влияния на величину т\ наиболее значимых параметров волочения R , SnM, 8n,s,a fx.
Теоретический эксперимент был организован следующим образом. В диапазоне изменения каждого из параметров были выбраны от трех до пяти базовых значений, включая крайние. Для всех возможных комбинаций этих значений, каждая из которых характеризует определенный режим волочения, были рассчитаны значения опасных напряжений %\. Для большей наглядности результаты были представлены в графической форме, подобно тому, как это показано на рис. 4.3 а, б, в, г для одного из исследуемых режимов волочения, отражающем, однако, общую тенденцию структуры влияния.
Обобщение результатов исследования позволяют заключить следующее: Во-первых, увеличение радиуса исходной композиции при любом изменении других параметров волочения однозначно приводит к росту опасных внеконтактных напряжений сдвига т\. При этом несмотря на то, что степень его влияния с его ростом несколько уменьшается, вероятность появления отслоений полимера на выходе из волоки выше при волочении проволоки больших диаметров. Физически это явление объясняется тем, что при возрастании R происходит пропорциональное увеличение толщин всех компонентов и, следовательно, разности площадей поперечных сечений ПТФЭ и меди. Это естественно приводит к возрастанию разности сил подпора в слоях, а значит и увеличению т\. Таким образом, на практике при назначении режимов особое внимание следует уделять волочению композиций больших размеров. Во-вторых, существенное влияние на величину т\ оказывает изменение общего размера полимер-медного покрытия в композиции (см. рис. 4.3.а). Увеличение значения 8Ш от 0.05 до 0.45 приводит к 2.,.3-х кратному увеличению т\ и, таким образом, повышает вероятность появления отслоений ПТФЭ оболочки. Это влияние более ощутимо проявляется с ростом радиуса композиции R[, поуугла наклона волоки а,, а также с уменьшением величины дп и коэффициента трения Jx. Причиной такого влияния следует считать тот же факт более интенсивного возрастания напряжений подпора в более мягком ПТФЭ покрытии, чем в медном и, естественно, увеличении их разности, т.е. внеконтактных сдвиговых напряжений т\.
