Разработка волноводных систем для прессования изделий из полимерных композиционных материалов

той выплавки и небольшие различия в пользу отливок ЦЭШЛ по отношению к свойствам проката, кованого металла. В целом свойства электрошлакового металла удовлетворяют предъявляемым требованиям ГОСТа, что позволяет использовать литые электрошлаковые заготовки взамен поковок или толстостенных трубных заготовок.

Сравнение химического состава металла, переплавляемого электрода при использовании технологии центробежного электрошлакового литья, (табл. 2) с металлом, полученным индукционным переплавом, показало, что в последнем происходит выгорание 51, Мп, Сг. Содержание основных элементов в стали после ЦЭШЛ остается неизменным (в сравнении с их содержанием в металле расходуемого электрода). Концентрация Б и Р при этом значительно снижается. Высокое качество электрошлакового металла обусловлено защитными и рафинирующими химическими свойствами расплавленных флюсов. Ультразвуковой контроль и магнитодефектоскопия показали плотную литую структуру отливок, отсутствие микротрещин и каких либо дефектов. Электрошлаковый металл отличается от металла полученного открытой плавкой: мелкозернистой структурой, большей химической однородностью, отсутствием инородных, оксидных, нитридных, сульфидных, силикатных включений, воздушных пузырей, пор, раковин, трещин; низким содержанием вредных примесей типа серы, фосфора; равномерно распределенной плотностью металла по всему объему отливки, а следовательно, и изотропностью физико-механических свойств во всех направлениях.

Химический анализ и механические испытания изделий, поученных различными способами производства, показали, что электрошлаковый металл зна-

чительно превосходит металлы, полученные открытой плавкой, практически по всем показателям, что подтверждает целесообразность применения данного способа получения заготовок для деталей элементов арматуры энергетических установок, химической и нефтехимической аппаратуры, изделий ответственного назначения, подведомственных Госгор-технадзору России. (3]

Кроме того, такая технология обеспечивает высокую оперативность выпуска различной номенклатуры и типоразмеров переходов.

Библиографический список

1. Медовар Б.И, Шевцов В.Л., Маринский Г.С. Центробежное электрошлаковое литье. — Киев: Общество «Знание» УССР, 1983. -48с.

2. Патон Б. Е. и Медовар Б.И. Электрошлаковая тигельная плавка и разливка металла. — Киев: Наук, думка, 1988. — 214с,

3. Еремин E.H., Радченко., Жеребцов С.Н. Использование технологий электрошлакового переплава для изготовления ответственных деталей, применяемых в нфтехимической и газовой промышленности.// Ползуновский альманах,- Барнаул, 2003. -№3. — с. 169-170.

4. Патон Б.Е„ Медовар Б.И. Специальная электрометаллургия. Часть 1, Киев: Наук, думка, 1972. 187 с.

ЖЕРЕБЦОВ Сергей Николаевич, генеральный директор ЗАО «Омский завод специальных изделий». РОМАНОВСКИЙ Михаил Владимирович, студент группы С-510, кафедра «Оборудование и технология сварочного производства».

УДК 621 777 678 743 4 Ю К МАШКОВ

Д. А. НЕГРОВ А. А. НОВИКОВ Я. Б. ШУСТЕР

Сибирская автомобильно-дорожная академия

Омский государственный технический университет

РАЗРАБОТКА ВОЛНОВОДНЫХ СИСТЕМ ДЛЯ ПРЕССОВАНИЯ ИЗДЕЛИЙ ИЗ ПОЛИМЕРНЫХ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ _

В статье рассматривается влияние формы волноводной системы на устойчивость резонансного режима, при прессовании порошковых полимерных композиционных материалов.

В последнее время мя изготовления изделий из порошковых полимерных композиционных материалов, с равномерной плотностью по высоте, нашли способы уплотнения порошков методами прессова-

ния с одновременным наложением на прессовый инструмент механической вибрации. К одному из этих способов относится прессование с применением энергии ультразвука.

Под действием энергии ультразвуковых колебаний силы трения и сцепления частиц уменьшаются. При этом повышаются: текучесть порошков, равномерность укладки частиц полимера, разрушаются арочные структуры. Частицам перерабатываемого материала придаются значительные знакопеременные скорости и ускорения, в результате чего в полимерах наблюдается целый ряд физических и химических явлений, приводящих к интенсификации процессов переработки, снижению энергоемкости оборудования, повышению качества готовых изделий.

Интенсификация процесса прессования полимерных композиционных материалов (ПКМ) энергией ультразвука сдерживается низкой эффективностью ультразвуковых передающих устройств (волноводов). Процесс прессования порошков сопряжен с большой технологической нагрузкой на ультразвуковую волноводную систему, Нагрузка вызывает смещение частоты колебаний волноводной системы, что выводит систему из резонансного режима, увеличивает потери энергии в акустической системе, резко уменьшает амплитуду колебательной скорости рабочего торца ультразвукового инструмента! 1 ].

В связи с этим при выполнении расчета акустических параметров волноводной системы становится необходимым учитывать характер и величину рабочей нагрузки. Расчет и проектирование ультразвукового инструмента с учетом влияния технологической нагрузки на его размеры позволяет интенсифицировать процесс прессования ПКМ.

Для повышения эффективности процесса прессования ультразвуковая колебательная система должна обеспечить:

1) требуемую амплитуду колебаний при заданной выходной площади инструмента;

2) динамические напряжения не должны превышать предела выносливости материала системы;

3) устойчивость резонансного режима в звеньях колебательной системы, при изменении в широких пределах действующей на нее технологической нагрузки.

При проектировании волноводной системы первый пункт требований накладывает ограничения по коэффициенту усиления /Су[2]:

КУ=А„/А.их, (О

где А„л и А,шх - входная и выходная амплитуда колебаний волновода. Необходимо учитывать, что чем больше коэффициент усиления, тем больше динамические напряжения, возникающие в волноводе, выше потери энергии в волноводной системе и ниже устойчивость акустической системы к нагрузке. Таким образом, амплитуда на рабочем торце прессового инструмента должна быть достаточной для выполнения технологического процесса.

Соответствие рассчитанной волноводной системы второму пункту требований может быть оценено как:

где омх- максимальное напряжение в волноводе.

Условие, сформулированное в третьем пункте, можно оценить устойчивостью собственной частоты колебаний системы к изменению нагрузки:

где ДО- изменение технологической нагрузки, приводящее к рассогласованию системы; Д/- изменение резонансной частоты системы поддей-ствием технологической нагрузки.

Очевидно, что чем больше показатель частотной устойчивости (О), тем более целесообразно применение волноводной системы в технологических процессах с немонотонной нагрузкой.

Ультразвуковой волновод-инструмент представляет собой резонансный полуволновой стержень (рис. 1) или совокупность стержней с заданным законом изменения площади поперечного сечения по его оси, совершающий продольные колебания [3].

По разные стороны от узловой плоскости колебаний волновода находятся различные по величине массы стержня, а поскольку усилия, действующие сверху и снизу от узловой плоскости колебаний, взаимно компенсируют друг друга, амплитуда колебаний торца меньшей площади больше, т.е. коэффициент устойчивости тем больше, чем больше масса выходного участка стержня.

Таким образом, для увеличения показателя частотной устойчивости и коэффициента усиления волновода необходимо одновременно удовлетворить двум взаимоисключающим требованиям. Расчет волноводной системы есть комплексная задача, решаемая относительно двух разных вариантов: максимальной частотной устойчивости при заданном коэффициенте усиления и максимального коэффициента усиления при заданной частотной устойчивости.

В процессе прессования изделий из ПКМ амплитуда выходных колебаний, которая непосредственно зависит от коэффициента усиления волновода, определяется технологическими задачами, а ее падение под действием нагрузки, вследствие недостаточной частотной устойчивости, резко снижает эффективность работы всей волноводной системы, Поэтому первый вариант является более предпочтительным. Он может быть реализован при оптимизации геометрии волноводных систем из условия обеспечения максимальной частотной устойчивости при амплитуде необходимой для прессования.

Для решения поставленной задачи использовалось выражение [2]:

Г

1-1 д ,Л' 1 V, , + а. (дРЛ

где Л,=2л//с, р. = у 1 —- ,Е-модуль Юнга, Г-площадь

поперечного сечения волновода, а - показатель экспоненты, 1 - длина участка.

Частота смещения Д/задавалась 10% от собственной частоты, из условия, что ультразвуковой генератор (УЗГ), имеющий электрическую обратную связь, может компенсировать такое отклонение. Устойчивость собственной частоты колебаний к изменению нагрузки определяется по формуле (4), в соответствующие зависимости ри о: вводятся значения изменившейся на Д/ частоты.

Для конкретной волноводной системы расчет ведется путем последовательного перехода от предыдущих звеньев системы (с индексом М) к последующим (синдексом 1) (рис 1).

Рис.1. Ультразвуковой инструмент.

7

О -------

1 1,5 2 2.5 Э 3.5 4 4,5 5 Коэффициент усиления

—«—комбинированный волновод —•—экспоненциальный волновод -♦—ступенчатый волновод

Рис.2. Зависимость устойчивости от коэффициента усиления.

Задача решалась для моделей комбинированных четырехэлементных стержней (рис. 1) с заданными диапазонами варьирования геометрических параметров и физических свойств.

На рис. 2 приведены расчетные зависимости показателя частотной устойчивости комбинированных четырехэлементных волноводных систем, экспоненциальных и ступенчатых волноводов. Видно, что показатель частотной устойчивости волновода комбинированной формы с заданным коэффициентом усиления в несколько раз превышает устойчивость экспоненциального и ступенчатого волновода, с тем же коэффициентом усиления.

Применение полученной в результате исследований формы волноводной системы позволяет обеспечить эффективную и устойчивую работу ультразвуковой установки в целом при технологической нагрузке, имеющей место при прессовании ПКМ.

Библиографический список

I. Марков А. И. Ультразвуковая обработка материалов. М.: Машиностроение, 1988. - 221 с.

2. Шустер Я.Б., Браиловский В.И. Расчет инструмента для ультразвуковой пробивки неметаллических материалов // Вестник машиностроения. М.: Машиностроение, 1987. - С. 56-60

3. Д. А. Негров, Я. Б. Шустер, А. А. Новиков. Разработка широкополосных волноводных систем: Сбор. науч. тр. под общ. ред. В. В. Ефстифеева, Омск: Изд-во ОмГТУ, 1999. 245с.

МАШКОВ Юрий Константинович, доктор технических наук, заведующий кафедрой «Физика» Сибирской государственной автомобильно-дорожной академии.

НЕГЮВ Дмитрий Анатольевич, старший преподаватель кафедры «Материаловедение и технология конструкционных материалов» Омского государственного технического университета. НОВИКОВ Алексей Алексеевич, кандидат технических наук, заместитель проректора по научной работе Омского государственного технического университета.

ШУСТЕР Яков Борисович, кандидат технических наук, доцент кафедры «Материаловедение и технология конструкционных материалов» Омского государственного технического университета.