Исследование процесса ультразвукового прессования композиционного материала на основе политетрафторэтилена

Библиографический список

1 Бауден, Ф. Трение и смазка твердых тел / Ф. Бауден, Д.Тейбор// иер.сангл. - М.:Машиностроение, 1968. — 542с.

2. Рыжхин, А.А. Термодинамический метод оценки интенсивности изнашивания трущихся материалов / А.А. Рыжкин, А.И. Филипчук, К.Г. Шучев, М.М. Климов // Трение и износ. -1982. - Т. Ш, №5. - С. 867 - 872.

3. Машков, Ю.К. Динамика процессов трепия металло-нолимерных трибосистем / Ю. К. Машков, А. И. Блесман // Долговечность трущихся деталей машин : сб. науч. ст. под ред. д.т.и. Д.Н. Горкунова. — М. : Машиностроение, 1990. — С. 244-253.

4 Журавлев, В.А. Термодинамика необратимых процессов / В. А. Журавлев// — М.: Наука, 1979. — 134 с.

5. Машков. Ю.К. Трнбофизика и свойства наполненного фторопласта / Ю.К. Машков. - Омск: Иад-шОмГТУ, 1997. - С. 192

6. Машков, Ю.К. Трибоэлекгрические процессы при трении твердых тел: межвуз. сб. тр. молодых ученых, аспирантов и студентов / Ю.К. Машков, А.В. Тнжин. - Омск : СнбАДИ,

2005. - Вып.2 - 4.1. - С.106- 113.

7. Машков, Ю.К. Влияние контактного давления на трибо-ЭДС металлоиолимерной пары трения / Ю.К. Машков. АВ. Тюкин. А.Б. Разборов. — Омский научный вестник. - Омск : ОмГТУ,

2006,- Вьш.8 (44). — С. 72-74.

МЛШКОВ Юрин Константинович, доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой физики.

ЗАХАРОВ Игорь Леонидович, кандидат технических наук, доцент кафедры физики.

СЫРКИП Владимир Васильевич, доктор технических наук, доцент, заведующий кафедрой прикладной механики.

ТЮКИН Александр Владимирович, старший преподаватель кафедры физики.

Адрес для переписки: e-mail: mashkov_yk@sibadi.org

Статья поступила в редакцию 26.01.2010 г.

© Ю. К. Машков, И. Л. Захаров, В. В. Гыркин, А. В. Тюкин

УДК 621.822.5:677.494.743.41

Д. Д. НЕГРОВ Е. Н. ЕРЁМИН

Омский государственный технический университет

ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА УЛЬТРАЗВУКОВОГО ПРЕССОВАНИЯ КОМПОЗИЦИОННОГО МАТЕРИАЛА НА ОСНОВЕ ПОЛИТЕТРАФТОРЭТИЛЕНА

В статье рассматривается влияние параметров ультразвукового прессования на механические и триботехнические свойства композиционных материалов на основе политетрафторэтилене и разработка на этой основе технологии изготовления подшипников скольжения.

Ключевые слова: подшипники скольжения, технология ультразвукового прессования, политетрафторэтилен, механические свойства, интенсивность изнашивания, коэффициент трения.

В настоящее время детали узлов трения, изготовленные из различных металлов и сплавов, постепенно заменяются полимерами и полимерными композиционными материалами, в частности на основе политетрафторэтилена [ 11. Это позволяет понизить себестоимость изделий, повысить их надежность и долговечность. В то же время область применения этих материалов очень ограничена, поскольку они обладают недостаточно высоким пределом прочности и модулем упругости, что приводит к значительному деформированию поверхностных слоев при трении и интенсивному изнашиванию.

Существующие способы повышения механических и триботехнических свойств политетрафторэтилена, такие как введение модификаторов в полимерную матрицу и изменение режимов технологических операций (измельчение и перемешивание компонентов, прессование, термообработка) позволяют частично решить эту проблему.

Для более эффективного решения этой задачи

необходимо применение новых методов и технологических способов, которые позволили бы существенно повысить механические и триботехнические свойства полимеров и тем самым расширить область их применения в производстве. Поэтому данная работа, посвященная совершенствованию технологии изготовления подшипников скольжения из композиционных материалов на основе политетрафторэтилена, является актуальной.

Основной технологией, используемой при производстве изделий из полимерных композиционных материалов, является прессование из порошков заготовок и их последующее спекание. При прессовании фактически закладываются будущие свойства изделий — плотность, прочность, упругость, износостойкость и равномерное распределение этих характеристик по всему объему изделия [2].

Для повышения качества прессования получили применение способы уплотнения порошков с наложением вибрации. Под действием вибрации силы

МАШИНОСТРОЕНИЕ И МАШИНОВЕДЕНИЕ ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК Н»2 (90) »10

10

11 13 10

Амплитуде колебании, мкм

Рис. 2. Зависимость предела прочности полимерного композиционного материала от амплитуды колебания волновода-пуансона

Рис. 1. Схема установки для прессования изделий из политетрафторэтилена с наложением ультразвуковых колебаний:

I - основание; 2 - шаровая опора; 3 - пресс-форма;

4 - волновод-пуансон; 5 - траверса; б - магннтострикционный преобразователь;

7 - направляющая колонна; 8 - рукоятка; 9 - гидроцилиндр; 10 - гидравлическая система

трения и сцепления частиц уменьшаются. При этом повышаются: текучесть порошков, равномерность укладки частиц полимера, разрушаются арочные структуры [31.

Перспективным способом вибрационного воздействия является наложение ультразвуковых колебаний на прессуемый материал, благодаря которым существенно облетается возникновение и развитие пластической деформации частиц порошка. Это положительно влияет и на характер изменения сил трения от давления прессования, дает возможность формовать изделие сложной формы при сравнительно небольших усилиях.

Целыо данной работы является исследование влияния параметров ультразвуковою прессования на механические и триботехнические свойства композиционных материалов на основе политетрафторэтилена и разработка на этой основе технологии изготовления подшипников скольжения.

Объектом исследования являлся композиционный материал на основе политетрафторэтилена с комплексным наполнителем-модификатором: 8% — скрытокристаллический графит, 6% — углеродное волокно, 2% — М08г

Методика исследования включала два этапа. На первом этапе определялись основные технологические параметры ультразвукового прессования (амплитуда колебаний волновода-пуансона, время и усилие прессования), а также влияние этих параметров на механические свойства (предел прочности и модуль упругости) композиционного материала. Механические свойства образцов при растяжении определяли на разрывной машине Р 0,5 со скоростью деформации 20 мм/мин.

На втором этапе методикой предусматривалось исследование влияния режимов ультразвукового прессования на триботехнические характеристики (скорость изнашивания, коэффициент и момент трения) исследуемого материала.

Для изготовления изделий из полимерных композиционных материалов методом ультразвукового . прессования была собрана специальная установка на КПЯ базе гидравлического пресса МТ-50 (рис. 1). При-

Время прессования, с

с ультразвуком без ультразвука

Рис. 3. Зависимость предела прочности от времени прессования

Время прессования, с с ультразвуком без ультразвука

Рис. 4. Зависимость модуля упругости от времени прессования

менен ультразвуковой генератор УЗГЗ -4, имеющий входную мощность 5 кВт и работающий в частотном диапазоне от 17,5 до 23 КГц. В качестве источника ультразвуковых колебаний был взят магиитострик-ционный преобразователь ПМС 15-А-18, с резонансной частотой колебаний 17,8 кГц.

Перед прессованием проводится смешивание порошков полимерного композиционного материала в смесителе с частотой вращения ножей не менее 2800 мин Л с последующим засыпанием его в закрытую пресс-форму 3, закрепленную на шаровой опоре 2. Ультразвук включали одновременно с касанием волновода-пуансона 4 поверхности порошка. При этом ультразвуковые колебания нсредавалисьнресс-форме и всей массе порошка. Под действием колебаний пуансона частицы порошка совершают также колебательные движения, при этом происходит перемещение и укладка частиц. Мелкие частицы

Выход

МО \ г/ч 120 л

Давление прессования. МПа

-♦-с ультразвуком без ультразвука

Рис. 5. Зависимость продела прочности от давлення прессования

Давление прессования. МПа с ультразвуком без ультразвука

Рис. б. Зависимость модуля упругости от давления прессования

распределяются и заклиниваются между крупными, что способствует уплотнению и укрупнению контактов между частицами.

После ультразвукового прессования отпрессованную заготовку подвергают спеканию, технология которой включает в себя следующие этапы: 1 — нагрев до температуры 360^5°С со скоростью 1,5 — 2,0°С/мин; 2 — выдержка при этой температуре (8 — 9 мин на 1мм толщины стенки изделия); 3 — охлаждение до температуры 327 °С со скоростью 0,3 - 0,4 °С/мин: 4 — охлаждение от 327 °С до комнатной температуры вместе с печью.

Соблюдая те же режимы спекания, для сравнения изготавливали образцы без воздействия ультразвуковых колебаний на прессуемый композиционный материал.

Анализ экспериментов показал, что влияние амплитуды колебаний волновода-пуансона на предел прочности композиционного материала носит ярко выраженный экстремальный характер с максимумом 14 мкм (рис. 2). При этом усилие прессования составляло 65 МПа, а время прессования 90 секунд.

Результаты исследований зависимости предела прочности от времени прессования показали, что оптимальное время прессования составляет 90 секунд (рис. 3, 4). При этом у образцов, изготовленных методом ультразвукового прессования предел прочности выше на 15%, а модуль упругости — на 23%, по сравнению с образцами, изготовленными но техиолоши без применения ультразвука. Дальнейшее увеличение времени прессования не приводит к изменению предела прочнос ти и модуля упругости.

Зависимости предела прочности и модуля упругости от усилия прессовании показаны на рис. 5, б. Как видно, графики зависимостей имеют экстремаль-

100

80 -I 60

40

20

Ц - Традиционная технология [^] - Технология с УЗК

Рис. 7. Характеристики триботехнических свойств ПКМ:

1 - скорость изнашивания, I; 2 - момент трения, Мтр;

3 - коэффициент трения, Гтр

ный характер с максимумом при усилии 65 МПа. При этом образцы, изготовленные методом ультразвукового прессования, имеют больший предел прочности и модуль упругости.

Образцы для трибо технических испытаний были изготовлены ме тодом ультразвукового прессования (амплитуда колебаний волновода-пуансона 14 мкм, усилие прессования 65 МПа, время прессования 90 секунд). Испытания образцов проводили на специальном стенде МДС-2 [4], скорость скольжения составляла У = 0,75 м/с, при давлении Р = 2 МПа без смазки.

Результаты триботехнических испытаний приведены на рис. 7.

В результате проведенных исследований установлено, что применение ультразвукового прессования в технологии производства подшипников скольжения (время прессования — 90 секунд, усилие прессования — 65 МПа, амплитуда колебаний волновода пуансона — 14 мкм), позволяет повысить предел прочности на 15%, модуль упругости — на 23%, при этом скорость изнашивания снижается — на 23%, а коэффициент трения - на 15%.

Библиографический список

1. Машков, Ю.К. Трибофнзика и свойства наполненного фторопласта : науч. издание / Ю.К. Машков. - Омск : Изд-ао ОмГТУ. 1997. - 192 с.

2. Трение и модифицирование материалов трнбосистем / Ю.К. Машков |и др.|. - М.: Наука. 2000. - 196с.

3. Агранат. Б. А Ультразвук в порошковой металлургии: науч. издание / Б.А Агранат, АП. Гудович, Л.Б. Нежевспко. - М. : Металлургия. 1986. — 168 с.

4. Модификация структуры и свойств композиционных материалов на оспопе политетрафторэтилена / Ю.К. Машков |идр.|. — Омск: Изд-во СибАДИ. 2005. - 256 с.

НЕГРОВ Дмитрий Анатольевич, доцент кафедры «Материаловедение и технология конструкционных материалов».

ЕРЁМИН Евгений Николаевич, доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой «Оборудование и технология сварочного производства», директор машиностроительного института.

Адрес для переписки: 644050, г. Омск, пр.Мира, 11.

Статья поступила в редакцию 02.03.2010 г.

© Д, А Негров, Е. Н. Ерёмин

ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ КСТНИК № 2 (90) 2010