СПОСОБ ЗАЧИСТКИ ДЕТАЛЕЙ ИЗ ПОЛИМЕРНЫХ МАТЕРИАЛОВ
METHOD OF CONDITIONING POLYMER PARTS

Изобретение относится к отделочно-зачистной обработке деталей из резины и пластмасс в контейнерах с планетарным вращением и может быть использовано в машиностроении и приборостроении для удаления облоя и грата.
Известны различные способы удаления облоя и грата с деталей из полимерных материалов путем галтовки их совместно с твердым, как правило, металлическим наполнителем во вращающихся барабанах при охлаждении рабочей загрузки до появления хрупких свойств в полимерных деталях [1, 2].
В известных способах удаление облоя и грата производят в контейнерах, которым сообщают планетарное вращение. При вращении водила под действием инерционных, преимущественно центробежных сил происходит уплотнение рабочей загрузки на периферии контейнеров, а вращение контейнера вокруг собственной оси приводит к ее пересыпанию в объеме контейнера. Облой на изделиях, охлажденных до хрупкого состояния путем подачи хладагента в контейнеры, разрушается при соударениях с рабочими телами, обусловленных пересыпанием рабочей загрузки и ударным взаимодействием рабочих тел (металлического наполнителя) с обрабатываемыми полимерными изделиями.
При определенных параметрах планетарного вращения контейнеров, обработка оказывается неэффективной или полностью прекращается, а стабильность удаления облоя с партии, загруженной в контейнеры, изделий не гарантируется даже на эффективных режимах, так как при пересыпании уплотненной загрузки в объеме контейнера вблизи центра масс загрузки формируется зона относительного покоя (застойная зона), где отсутствует взаимодействие изделий с твердым наполнителем, а следовательно, удаление облоя. При этом также сложно определить необходимое количество хладагента (обычно жидкого азота), необходимого для охрупчивания облоя. При избыточной подаче хладагента происходит охрупчивание всей массы изделий (напр., колец), что приводит к увеличению брака вследствие разрушения колец по сечению, а при недостаточной для охрупчивания облоя массе хладагента снижается или полностью прекращается удаление облоя и требуется повторная обработка значительной части изделий или удаление сохранившегося облоя вручную.
Наиболее близким заявляемому изобретению является «Способ удаления облоя и грата с изделий из полимерных материалов» по патенту №2227781 [3], при котором полимерные изделия загружают вместе с твердым наполнителем в контейнеры, охлаждают до хрупкого состояния и сообщают контейнерам планетарное движение. Для устранения застойной зоны в объеме пересыпающейся в контейнерах уплотненной загрузки водилу, несущему контейнеры, сообщают переносное вращение вокруг оси, перпендикулярной оси водила, кроме того, угловые скорости вращения водила и контейнеров вокруг собственных осей и водила в переносном движении ограничивают расчетными соотношениями. При этом существенно возрастает стабильность обработки.
Недостатками прототипа являются: отсутствие технологических критериев для регламентирования объема жидкого азота, подаваемого в контейнеры, при изменении режимов сложного вращения контейнеров и различных конструктивных параметров центробежных устройств, что приводит к неоднородности качественных показателей обработки полимерных деталей вследствие значительных колебаний температуры охлаждения рабочей загрузки хладагентом, массу (объем) которого определяют экспериментальным путем, а это сопровождается значительным объемом брака при отработке технологии зачистки.
Техническим результатом заявляемого изобретения является повышение эффективности зачистки облоя и грата с полимерных деталей и снижение расхода хладагента. Технический результат достигается тем, что охлаждение рабочей загрузки до температуры охрупчивания полимерных деталей производят жидким азотом, объем которого при дозированной загрузке в контейнеры определяют по соотношению
где N - мощность, необходимая для уплотнения и пересыпания рабочей загрузки при планетарном вращении контейнера, Вт;
τ - длительность цикла обработки, с;
1
2
m и m - масса обрабатываемых деталей и рабочих тел соответственно, кг;
P1
P2
C и C - удельная теплоемкость материала обрабатываемых деталей и рабочих тел соответственно, Дж/кг*К;
1
2
t и t - температура окружающей среды и температура охрупчивания обрабатываемого материала деталей соответственно, К;
µ - теплота парообразования жидкого азота, Дж/кг (µ=198700 Дж/кг при Т=78К) [5, стр.138];
a
азот
3
3
ρ - плотность жидкого азота, кг/м (ρ=804,8 кг/м при t=78K и давлении 1 атм) [5, стр. 158];
П
П
k - поправочный коэффициент (k=1.05-1.1);
a
3
ΔV - дополнительный объем жидкого азота, необходимый для охлаждения внутренней полимерной облицовки и стального корпуса контейнера, м,
причем
з
3
где ρ - насыпная плотность рабочей загрузки, кг/м;
Н - высота контейнера, м;
r - радиус контейнера, м;
u - коэффициент утяжеления
в
2
(, R - радиус водила, g - ускорение свободного падения, м/с);
i - передаточное отношение привода контейнера (i=1.73);
1
-1
ω - угловая скорость, с;
α - величина центрального угла уплотненного сегмента загрузки в поперечном сечении цилиндрического контейнера, град;
c
φ - величина угла, определяющего положение центра масс загрузки, град;
P3
P4
C и C - удельная теплоемкость полимерной облицовки контейнера и удельная теплоемкость материала стенок контейнера соответственно, Дж/кг*К;
3
4
m и m - масса полимерной облицовки контейнера и масса стального контейнера соответственно, кг;
3
t - температура наружной стенки контейнера, К.
Предлагаемый способ позволяет повысить эффективность удаления облоя с резинотехнических и грата с пластмассовых деталей, так как позволяет технически обоснованно определить объем хладагента (жидкого азота), достаточного для перевода полимерных материалов в состояние охрупчивания, необходимое для разрушения излишков материала металлическим наполнителем в контейнерах с планетарным вращением. При этом достигается уменьшение расхода хладагента.
a
П
a
Объем хладагента (жидкого азота) V определяется с учетом работы, необходимой для уплотнения и пересыпания рабочей загрузки в объеме контейнера, совершающего сложное вращение. При этом считаем, что эта работа трансформируется в тепловую энергию. Часть жидкого азота будет затрачена на охлаждение обрабатываемых полимерных деталей и металлического наполнителя. Поправочный коэффициент k позволяет учесть потери при загрузке контейнеров и уплотнении крышек, а также потери в подвижных сопряжениях и предохранительном клапане. Второе слагаемое ΔV позволяет учесть необходимое количество хладагента для охлаждения массы полимерной облицовки и стального контейнера.
Сравнение известных технологических решений с заявляемым показало, что существенным отличительным признаком заявляемого способа является ограничение объема хладагента (жидкого азота) при дозированной загрузке в контейнеры.
Технических решений со сходными отличительными признаками по патентной и научно-технической литературе не обнаружено, следовательно, заявляемый способ обладает существенными отличиями.
1
2
3
На фиг.1 приведена принципиальная схема осуществления способа зачистки облоя с деталей из полимерных материалов в контейнерах с планетарным вращением при дозированной заливке хладагента. Рабочую загрузку 1, состоящую из полимерных деталей, металлического наполнителя (стальных шаров), помещают в цилиндрический стальной контейнер 2, снабженный слоем теплоизоляции 3, заливают дозированно хладагент, закрывают герметичной крышкой 4 с клапаном 5 для сброса избыточного давления и сообщают планетарное вращение со скоростью ω вокруг оси 6 водила (см. фиг.2) и скоростью ω вокруг собственной оси. При этом для устранения застойных зон в объеме контейнера водилу планетарного механизма сообщают дополнительное вращение со скоростью ω вокруг оси 7, перпендикулярной оси вращения водила. При сложном вращении контейнера происходит уплотнение рабочей загрузки и контактное взаимодействие охлажденных до состояния охрупчивания полимерных деталей с рабочими телами (стальными шарами). Учитывая пониженную прочность излишков полимерного материала, возникших при изготовлении деталей прессованием, облой и грат при контакте со стальными шарами разрушается при циклическом многократном пересыпании в объеме контейнера. Длительность цикла обработки не превышает 1…2 мин в зависимости от конфигурации обрабатываемых полимерных материалов и размеров облоя или грата. По окончании обработки выгружают содержимое контейнера на сепарирующее устройство для разделения полимерных деталей и металлического наполнителя. Обработанные детали контролируют и сортируют, а металлический наполнитель повторно загружают в контейнеры с новой партией деталей и цикл обработки повторяют.
ПРИМЕР.
в
1
с
3
3
3
3
3
3
3
3
-1
Обработке подвергались различные детали из резины марки СКН-26. Детали загружались в цилиндрический контейнер с внутренним диаметром D=0,2 м, высотой Н=0,2 м. Радиус водила R=0,155 м. Объем обрабатываемых тел составлял 1.5 дм, насыпная плотность деталей 0,9 кг/дм. В качестве наполнителя использовались металлические шары диаметром 6…8 мм, в количестве 0,25 дм, насыпная плотность рабочих тел 4,1 кг/дм. Теплоемкость резины 2180 Дж/кг*К [6, с.74], теплоемкость стали 486 Дж/кг*К [7, с.629], теплоемкость полиуретана 1380 Дж/кг*К [9]. Объем полиуретановой облицовки 1,7 дм, объем металла стенок 0,85 дм. Плотность полиуретана 1,2 кг/дм [8, с.57], плотность стали 7,859 кг/дм [7, с.617]. Обработка производилась при ω=10 с. Центральный угол уплотненного сегмента загрузки α=170°. Угол положения центра масс загрузки в поперечном сечении контейнера φ=20°. Передаточное отношение привода контейнера i=1.73.
3
3
3
3
П
Количество жидкого азота для первоначальной дозированной загрузки в контейнер составило 4,2 дм с учетом охлаждения контейнера. Количество жидкого азота для последующих дозированных загрузок 2,7 дм. После обработки в течение 60 с количество деталей с неполностью удаленным облоем не превышало 8%. Исследованиями установлено, что при использовании расчетного количества жидкого азота процент брака составляет 6-8%. Количество жидкого азота (2,7 дм) было при этом рассчитано таким образом, чтобы не допустить превышения температурой загрузки контейнера температуры хрупкости резины в течение цикла обработки, составлявшего 60 с. Уменьшение количества жидкого азота менее расчетного (2-2,5 дм), при прочих равных условиях обработки, привело к резкому увеличению количества необработанных деталей (до 25%), что связано с повышением температуры внутри контейнера, что приводит к неполному охрупчиванию облоя. Сравнение теоретических результатов с практическим расходом хладагента показало, что расход несколько выше теоретического. Поправочный коэффициент k для учета этого эффекта достаточно стабилен.
ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ
1. Авт. свид. №306016 М. кл. В24С 17/12. Способ удаления облоя с изделий из полимерных материалов / Ю.А.Иванов, А.П.Синютин, Г.Я.Васильев. - Опубл. в БИ №19, 1971 г.
2. Авт. свид. №1657395 (СССР) М. кл. В29С 37/02. Способ удаления облоя с деталей из полимерных материалов / А.А.Бабурин, Г.Б.Вязов и В.А.Минаков. Опубл. в БИ №23, 1991 г.
3. Патент №2227781 (РФ) М. кл. В29С 37/02. Способ удаления облоя и грата с изделий из полимерных материалов / Зверовщиков В.З., Зверовщиков А.Е., Переседов Д.И., Ломакин В.А. - Опубл. в БИ №19, 27.04.2004 г.
4. Сячин Е.Т. Конструкторско-технологическое обеспечение рациональных условий обработки деталей приборостроения в планетарных барабанах / Интенсификация и автоматизация отделочно-зачистной обработки деталей машин и приборов: Тез. докл. науч.-техн. конф. - Ростов-на-Дону, РИСХМ, 1988. - С.151.
5. Сычев В.В., Вассерман А.А. Термодинамические свойства азота. - М.: Изд-во стандартов, 1977. - 352 с.
6. Лукомская А.И. Механические испытания каучука и резины. - М, Высшая школа, 1968. - 140 с.
7. Сорокин В.Г. Стали и сплавы. Марочник. - М, Интермет инжиниринг, 2001. - 608 с.
8. Энциклопедия полимеров. Том 3. Глав. ред. В.А.Кабанов. М., изд. «Советская энциклопедия», 1977.
9. http://www.dpva.info/Guide/GuidePhysics/GuidePhysicsHeatAndTemperature/SpecificHeat/SpecificHeatTable/