Технико-экономическое обоснование применения ультразвукового воздействия при получении изделий из фторопласта-4 твердофазной объемной штамповкой

УДК 620.2-022.532

ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ ПРИМЕНЕНИЯ УЛЬТРАЗВУКОВОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ ПРИ ПОЛУЧЕНИИ ИЗДЕЛИЙ ИЗ ФТОРОПЛАСТА-4 ТВЕРДОФАЗНОЙ ОБЪЕМНОЙ ШТАМПОВКОЙ

© Д.Е. Кобзев, Г.С. Баронин, С.Н. Хабаров, С.П. Хрущев

Ключевые слова: твердофазная объемная штамповка; ультразвуковое воздействие; фторопласт-4; конвективный нагрев.

Разработан и исследован процесс получения изделий из порошка фторопласта-4 твердофазной объемной штамповкой с ультразвуковым воздействием.

Все больший размах набирают исследования в области обработки полимерных материалов давлением в твердой фазе. Это обусловлено рядом преимуществ данного вида технологии над традиционными. Твердофазная технология лишена значительных недостатков традиционной технологии получения изделий через стадию расплава (длительные и энергоемкие стадии нагрева и охлаждения; большая технологическая усадка; трудности переработки некоторых материалов, требующих дополнительной механической обработки и т. д.). В ходе экспериментальных исследований в работе оценивается совместное воздействие твердофазной экструзии и ультразвуковых колебаний на обрабатываемый композиционный материал.

Применительно к твердофазной технологии ультразвук используется впервые, и наши проведенные исследования позволяют говорить об обоснованности данного направления интенсификации технологии. Полученные экспериментальные данные показывают снижение необходимого давления формования примерно на 40 % и увеличение прочности в условиях срезывающих напряжений на 25 % [1-2].

Рис. 1. Разработанная схема технологической линии твердофазной объемной штамповки полимеров с ультразвуковым воздействием

Классически изделие формуется из полимерного проката посредством механической обработки заготовок и нагревания их до требуемой температуры (рис. 1), вследствие чего все же имеются отходы, особенно когда требуемый диаметр заготовки не попадает в стандартный ряд промышленного проката и требуется наличие дополнительного внутреннего отверстия.

Разработанный вариант позволяет получать изделия из порошка фторопласта, который значительно дешевле проката. В предлагаемом способе заготовка изготавливается классическим способом прессования с последующим спеканием в термошкафу, что не вызовет дополнительных сложностей в производственных условиях.

При разработке технологического процесса объемной штамповки полимеров и композитов ниже (Гпл) стоит задача сохранить стабильность размеров изделий в широком температурном диапазоне, обеспечить предельные температуры эксплуатации штампованных изделий не ниже литьевых с повышенными физикомеханическими характеристиками.

Для разработанной линии по твердофазной штамповке полимеров с ультразвуковым воздействием подбор стандартного оборудования для стадий фасований и таблетирования порошка с дальнейшим спеканием осуществляется по методикам, изложенным в [3]. Предусмотрены стадии подбора стандартного прессового оборудования и устройств транспортировки и манипулирования при разработке технологического процесса, опираясь на требуемую производительность технологической линии по аналогии со штамповкой металлов.

Подбор ультразвукового оборудования осуществляется, основываясь на акустических характеристиках обрабатываемых полимерных материалов, основными из которых являются проникающая способность ультразвука. Подбирается стандартный ультразвуковой излучатель, который с учетом коэффициента поглощения сможет обеспечить необходимое воздействие на обрабатываемый материал.

Новизной и достоинствами разработанного способа является производство изделий с заданными свойствами (плотностью, физико-механическими показателями) и повышенными технико-экономическими показателя-

1721

ми производственного процесса: безотходность, высокая производительность, размерная точность и качество поверхности изделий, возможность использования существующего оборудования [1, 4]. Давление прессования заготовки, температура и время последующего спекания принимаются стандартными для данных технологических операций.

Важной технологической операцией является то, что спеченную заготовку из термошкафа на воздухе охлаждают с 380 до требуемой температуры для последующего формования в пресс-форме. Остальные технологические параметры процесса задаются следующим образом: принимается значение частоты и мощности ультразвука в зависимости от объема изделия и сложности его формы по установленным закономерностям, давление и время процесса формования при ультразвуковом воздействии рассчитываются из уравнения регрессии под заданное значение плотности изделия.

Таблица 1

Сравнительные характеристики процессов твердофазного формования изделий фторопласта-4 с предварительным конвективным нагревом и совмещенного с ультразвуковым воздействием

Наименование стадии Показатель Т ехнологический процесс

с нагревом с ультразвуком

1. Получение заготовок количество изделий, шт 200 200

2. Транспортировка заготовок время, с 60 60

мощность, кВт 3 3

3. Нагрев заготовок в термошкафу* время, с - -

мощность, кВт 6 -

4. Объемная штамповка время, с 280 60

мощность, кВт 10 12

5. Извлечение изделий время, с 60 60

мощность, кВт 10 10

масса партии, кг 50 50

масса изделия, кг 0,25 0,25

длительность технологического цикла, с 400 180

общее время переработки, ч 23,3 10

общая производительность, кг/ч 2,1 5

Примечание: * - заготовки загружаются в термошкаф, термостатируются в течение одного часа, далее периодически извлекаются и поступают на штамповку. Время термостати-рования прибавляется к общему времени переработки заданной массы материала.

Проведенный сравнительный расчет энергозатрат процесса твердофазного формования с предварительным конвективным нагревом и процесса формования, совмещенного с ультразвуковым воздействием (табл. 1-2), показывает снижение удельных энергозатрат процесса на 18 % и сокращение времени технологического цикла в 2,2 раза.

После разработки и монтажа технологической линии рекомендуется провести анализ плотности первой партии изделий и, если необходимо, произвести корректировку технологических параметров и массы по-

рошка до достижения требуемого значения плотности с контролем геометрических параметров изделия. Следует отметить, что при разработке технологической схемы учтены рекомендации по интенсификации тепловых процессов, подробно изложенные в работе [3].

Таблица 2 Технико-экономические показатели энергозатрат техпроцесса

Наименование стадии Размер- ность Удельные (часовые) энергозатраты процессов

с нагревом с ультразвуком

1. Транспортировка заготовок кВт/кг 0,12 0,12

2. Нагрев заготовок кВт/кг 0,12 -

3. Ультразвуковое воздействие кВт/кг - 0,04

4. Объемная штамповка и извлечение* кВт/кг 0,2 0,2

Общие кВт/кг 0,44 0,36

Общие удельные энергозатраты

кВт-ч/кг 10,25 | 3,6

Примечание: * - операции штамповки и извлечения изделий производятся на одном прессовом оборудовании и являются последовательными, вследствие чего представлены одним столбцом.

Разработанная схема получения изделий из порошка фторопласта является безотходной, следовательно, не загрязняет окружающую среду неперерабатываемыми отходами. В самом технологическом цикле практически отсутствуют вредные выбросы в окружающую среду, улучшены условия труда с точки зрения экологической безопасности.

ЛИТЕРАТУРА

1. Кобзев Д.Е., Баронин Г.С., Червяков В.М. Повышение эффективности твердофазной объемной штамповки полимеров ультразвуковым воздействием // Вестник Тамбовского государственного технического университета. 2011. Т. 17. № 4. С. 963-968.

2. Кобзев Д.Е. Интенсификация процесса твердофазного формования полимеров и композитов ультразвуковым воздействием: автореф. дис. ... канд. тех. наук. Тамбов, 2012.

3. Головкин Г.С. Проектирование технологических процессов изготовления изделий из полимерных материалов. М.: Колос, 2007. 399 с.

4. Баронин Г.С. и др. Переработка полимеров и композитов в твердой фазе: учеб. пособие. Тамбов: Изд-во Тамб. гос. техн. ун-та, 2009. 140 с.

БЛАГОДАРНОСТИ: Работа выполнена в рамках гранта Президента РФ для государственной поддержки ведущих научных школ РФ, код проекта НШ-3550.2012.3 и Госзадания (код проекта 3.4037.2011).

Поступила в редакцию 10 апреля 2013 г.

Kobzev D.E., Baronin G.S., Khabarov S.N., Khrushchev S.P. TECHNICAL AND ECONOMICAL PROVEMENT OF ULTRASOUND APPLICATION DURING SOLID-PHASE FORGING PRODUCTION OF ITEMS MADE FROM TEFLON-4

Process of receiving products of powder teflon-4 by solid-phase volume stamping with ultrasonic influence is developed and investigated.

Key words: solid-phase forging; ultrasound treatment; teflon-4; convective heating.

1722