Оптимизация составов полимерных строительных материалов с заданными технологическими и физико-механическими свойствами

Оптимизация составов полимерных строительных материалов с заданными технологическими и физико-механическими свойствами

Ю.А.Соколова, Д.Е.Жарин

Технический прогресс в строительстве вызывает необходимость создания высокоэффективных полимерных материалов и изделий из них с заданными свойствами [1]. Современными тенденциями развития производства изделий из полимерных композиционных материалов (КМ) являются повышение их технологичности, снижение себестоимости за счет оптимизации составов [2]. В процессе изготовления и применения полимерных композиционных материалов возникает необходимость их механической обработки: резки, фрезерования, сверления [3]. Механическую обработку резанием используют для обеспечения повышенной точности геометрических размеров изделий при их сложной конфигурации, а также при малых объемах производства, когда использование трудоемкой и дорогостоящей технологической оснастки (пресс-форм) экономически нецелесообразно. Применение механической обработки в сочетании с оптимизацией составов полимерных КМ с заданными физико-механическими свойствами отвечает современным требованиям повышения технологичности производства изделий в строительстве.

Экспериментальные исследования проводили на эпоксидных, полиэфирных, эпоксиполиуретановых КМ. В качестве матричных компонентов использовали эпоксидную смолу ЭД-20 (ГОСТ 10587-84), дибутилфталат (ДБФ) (ГОСТ 8728-88),полиэтиленполиамин (ПЭПА) ТУ 2413-357-00203447-99, полиэфирную смолу 540-М 888, пероксид №1 (раствор перекиси метилэтилкетона в диметилфталате), простой полиэфир (Сарэл А-04) и полиизоцианат(Сарэл Б-04). Наполнителями КМ служили диабаз (р=2900 кг/м3, 5уд=80н-780 м2/кг (ри -истинная плотность наполнителя; 5уд-удельная поверхность наполнителя), маршалит (ри=2650 кг/м3, 5уд=80н-780м2/кг),

а)

ПЦ 400 ДФ (ри=3100 кг/м3,5уд=80^780 м2/кг). В рецептуре варьировали объемным содержанием и удельной поверхностью наполнителей. В качестве испытательного оборудования использовали вертикально-сверлильный станок модели 2С132 с применением сверл (ГОСТ 10902-77) Р6М5 010-20 мм, вертикально-фрезерный станок модели 6Р11ФЗ с применением концевых цилиндрических фрез Р18 0 15-32 мм. Оценку физико-механических свойств и качества обработанных КМ проводили по измеренным величинам динамического модуля упругости £д, предела прочности при одноосном сжатии /?сж, твердости по Бринеллю НВ6рГ условно-мгновенного модуля упругости £о, равновесного модуля упругости £ys, шероховатости поверхности Raсогласно действующим ГОСТам и нормативным документам. Испытания образцов из КМ, полученных механической обработкой с использованием осевого инструмента, проводили на образцах, поверхность которых предварительно фрезеровалась.

Установлено, что введение высокомодульных (маршалит, диабаз, портландцемент) наполнителей в полиэфирный, эпоксидный и эпоксиполиуретановый КМ приводит к существенному повышению физико-механических свойств КМ (для полиэфирных КМ: £д до 60%, /?сж до 64%, НВ6рцо 60%; эпоксидных КМ: £ до 50%, /?сж до 60%, НВ6р до 55%; эпоксиполиуретановых КМ: £д до 50%, /?сж до 63%, НВ6рр,о 61%) и качества обработанных поверхностей (снижение Ra на 10-20%). В ходе экспериментальных исследований установлено, что механическая обработка КМ возможна при условии, что S <0,4 ( S - объемное содержание наполнителя), так как при $>0,4 происходит разрушение композита вследствие механодеструкции материала. Данные прочностных исследований образцов, подвергнутых

б)

частуиа

трещина

полимерная

трещины

полимеоная

частицы наполнителя

Рис. 1. Микроструктуры образцов, подвергнутых механической обработке (х200):

а) сверлением; б) фрезерованием: ЭД-20 -100 мас.ч.; ПЭПА -11 мас.ч.; ДБФ - 5 мас.ч.; маршалит -3 = 0,3

1 2011 105

^ Л сК™- itirlrl 1 ПС

1 Q П1 ОП1 1 ЛЛ.^Л.Л^

механической обработке, показывают, что с ростом объемного содержания высокомодульного наполнителя в исследуемом интервале наполнения увеличивается /?гж. При сжатии основная часть механической энергии рассеивается вследствие ветвления трещин и их торможения частицами наполнителя, что способствует упрочнению КМ (рис. 1).

Получены результаты исследований влияния агрессивных сред на свойства обработанных и необработанных образцов из КМ. В процессе механической обработки в полимерном материале образуются трещины, сколы, внутренние дефекты, в связи с этим массопоглощение полимерных композитов возрастает (для эпоксидных КМ в воде - на 22-31% и в смазочно-охлаждающей жидкости (СОЖ) - на 20-30%; для полиэфирных КМ в воде - на 25-35% и в СОЖ - на 22-32%; для эпокси-полиуретановых КМ в воде - на 20-30% и в СОЖ - на 17-25%).

При формировании структуры полимерных КМ одновременно протекают два процесса: 1) упрочнение за счет перевода матричного материала в контактном пространстве между частицами наполнителя из его объемного состояния в пленочное с более высокой прочностью и структурированностью, что объясняется топологической моделью Шкловского-де Жена [2, 4]; 2) разупрочнение вследствие различия упругих постоянных, а также коэффициентов линейного термического расширения материалов наполнителя и матрицы.

В КМ можно выделить четыре основных структурных элемента [2, 4], которыми являются цепочка из частиц наполнителя, связанных между собой упроч-ненными пленочными прослойками полимерной матрицы; ячейка, образованная цепочечными элементами; структурный каркас, сформированный из цепочечных и ячеистых элементов; структурный кар-

кас, сформированный в основном из ячеистых элементов. Каждый из четырех элементов характеризуется определенным универсальным критическим индексом: Д, описывает цепочное строение перколяционного кластера, отвечает за изменение массопоглощения КМ; у3 определяет ячеистое строение перколяционного кластера, отвечает за изменение прочностных свойств КМ; в фрактальном рассмотрении идентифицирует крупноячеистый остов фрактального перколяционного каркаса, отвечает за изменение упругих свойств КМ; у3 отвечает за тупиковые ветви структурного каркаса перколяционного кластера и объясняет характер изменения физико-механических свойств КМ [2,4].

В результате проведенного теоретико-экспериментального анализа с учетом перколяционных моделей и классических зависимостей [4] установлено, что для необработанных и обработанных образцов из КМ:

Е _ ^пА +[ЕтЭ + Е,

где Ет - модуль упругости матричного материала; £г-модуль упругости материала наполнителя; 6 пр- постоянный коэффициент, равный тангенсу угла наклона зависимости £д=/(5уд) (аналогично определяется коэффициент 6сж); куд-поправочный коэффициент: / „ л

V и )

Предел прочности при одноосном сжатии КМ эффективно описывается перколяционной зависимостью [4]: /? = Я (1+а ЯЛ. где /? и /? - предел прочности при

сж.с сж.т4 сж1^ ' т сж.с сж.т г 1

одноосном сжатии композиционного и матричного матери-ала; асж= —предел прочности при одноосном сжатии

^сж.т

единичного элемента композита; V - критический индекс. Концентрационная зависимость твердости имеет вид:

1320 1040 760 480

200

0,1 0,15 0,2 0,25 0,3 0,35 0,4 °'1 °'15 °'2 °'25 °'35 °'4

Э,мм/об мм/об

Рис. 2. Технологические параметры механической обработки КМ:

(а) при сверлении и (б) при фрезеровании (ЭД-20 - 100 мас.ч.; НЭПА - 11 мас.ч.; ДБФ - 5 мас.ч.; маршалит - 3 = 0,3): 1 - п(5), построенные по тейлоровской модели; 2 - п(3), построенные по модели (6) и (7); 3 - экспериментальные данные

1800 1400 1000 600

106

3_4_8Ъот.икМ 106

18.01-2011 14:54:45

к

кт

гдеНВ6рс(3) - твердость КМ; Ксж- коэффициент пропорциональности между Нсжс(3) и НВ6рс(3), характеризующий зависимость между объемными и поверхностными свой-

ствами КМ: к = —; НВ6 г (,9) - твердость матрич-

нв,

брда

ного материала. Зависимости условно-мгновенного модуля упругости и равновесного модуля упругости полимерных КМ от объемного содержания наполнителей описываются полиномиальными моделями.

В ходе теоретико-экспериментальных исследований получено уравнение (3), описывающее закономерность массопоглощения эпоксидных, полиэфирных, эпоксиполиу-ретановых дисперсно-наполненных КМ:

Ат = Атт[1-е-к

где Атт - асимптотическое значение массопоглощения

полимерного наполненного КМ (в воде - Ат =0,80 2,69 %; в

1 т

СОЖ - =1,18 3,25 %); к = Г-время, за которое параметр

Ат(£) из меняется в е раз (в воде Г=14 25 суток; в СОЖ

Г=15 22 суток); Ь- текущее значение времени; т- время переходного запаздывания (в воде и в СОЖ т=0 -г- 2 суток).

КМ характеризуются многокомпонентностью, что определяет сложность выбора оптимальных составов для производства строительных изделий с заданными свойствами. Задачу оптимизации свойств КМ можно свести к двум последовательным задачам одномерного поиска экстремума [б]. На первом этапе оптимизируется состав полимерной матрицы, находят экстремум целевой функции Г(х):

/«!

где х - массовое содержание матричных компонентов; /г(х) - функция, определяемая эксплуатационными показателями; /2(х) - функция, определяемая стоимостью компонентов;/н1(х),/н2(х) - нормирующие значения соответствующих показателей; сг, с2 - весовые коэффициенты = которые определяются условиями эксплуатации композитов.

Второй этап оптимизации служит для определения объемного содержания наполнителя. Выбирается функциональный наполнитель и определяется оптимальное содержание из условия максимума целевой функции £($):

/„

Для расчета режимов обработки при сверлении и фрезеровании эпоксидных, полиэфирных, эпоксиполиуретановых КМ в настоящее время используют стойкостные модели тейлоровского типа [7,8].

В ходе экспериментальных исследований установлено, что технологические параметры обработки КМ, полученные по тейлоровским моделям, плохо коррелируют с экспериментальными данными в области низких подач (где п - частота вращения шпинделя, 5г- подача на зуб фрезы) (рис.2).

В этой связи получены экспоненциальные модели стойкости, учитывающие физико-механические свойства и коррозионную стойкость обрабатываемых полимерных КМ: - для операции сверления

К* А.

\г2 (

К

\Еш

чж/

Яс,

Кжш

- для операции фрезерования у= С„ -К„ -е"

т.упр гЗ

Лб)

.¡г*4 .ь г5

ка у в

грт _

я.

у2

В^

/Дсж а о

\ сжт

А.

чА.

1г 24 .1г 25 у в

где С - коэффициент факторов, не входящих в уравнение в явном виде (физико-технические свойства обрабатываемого материала и осевого инструмента); О - диаметр инструмента; Ку - коэффициент, учитывающий отличие конкретных условий работы инструмента от принятых за основу; Г- лимитируемое время работы инструмента; ху,уу, т, м? , gv, пу - коэффициенты технологических параметров обработки; В - ширина срезаемого слоя; 2 - количество режущих кромок инструмента; м? - показатель степени, зависящий от Д 5, Т; кт сж, кт НЕДт - коэффициенты стойкости в агрессивных средах; £ и £т - модуль упругости наполненного КМ и матричного материала; и /? - предел проч-

г ~ ' СЖ.С СЖ.ГП Г г-1 г

ности при одноосном сжатии КМ и матричного материала; ко - коэффициент, характеризующий условно-мгновенный

модуль упругости наполненного КМ: £ = ——, £с и £огп - ус-

Е__

от

ловно-мгновенный модуль упругости наполненного КМ и

матричного материала;^ - коэффициент, характеризующий

£

равновесный модуль упругости наполненного КМ:£ = —

У Е*

увш

£ и £ - равновесный модуль упругости наполненного

увс увм г ^

КМ и матричного материала; - соответствующие показатели степени.

Режимы резания КМ, полученные по технологическому критерию [9], оказываются экономически нецелесообразными ввиду повышенного износа режущего инструмента. Разработаны обобщенные критерии для операции сверления (£ок в) и фрезерования (£,. фр), учитывающие экономические и технологические показатели:

107

3 4 «Ьоглпёё 107

18.01.2011 14:54:45

К,се(П V

кпнФ**)

n-S

Л, \1/ж

(*+1)(31 S.CvD'v~'ewKv 1

g Пт.упр

V ж

Л! m

R,

ч z2

\Rqk. m

R.

ч*3

]>

у-й СЖ-m

'-mJi В

z4 7 z5 \Vt

n-S^

.iv.-l

{fc + 1){318-Cv -D v -e"-Kv 1

£ m.ynp

iVm

(

z2

V^ este«

k.

R,

, zî

"]>

'к

mJi В

-y s

где L - длина рабочего хода осевого инструмента; /состоим ость одной минуты работы станка; кзп - стоимость одной минуты рабочего времени работника; стоимость инструмента; к - число переточек инструмента, зависящее от марки инструментального материала и его конструкции.

При условии однокритериальной задачи для нахождения оптимальных режимов резания композиционных материалов использовали симплекс-метод, а для решения многокритериальной задачи - множество Парето. При этом критериями оптимизации являлись:

для сверления ^max n-S и

Ртах --Fok.ce(n>S);

для фрезерования U^ =-Ft(n,S)=—^ и

Fmax =-Fok.4>ln>Sz) .

Для нахождения компромиссного решения использовали метод идеальной точки, а в качестве координат целевой точки выбирали сочетание наилучших значений.

С применением F(x), F{ 3 ), Ft(n,Sz), Fok Jn,S) и Гокфр{n,Sz) установлены режимы обработки и определены высокотехнологичные составы композитов для производства строительных изделий с заданными свойствами. Полученные по рекомендуемым режимам механической обработки изделия из полимерных композитов по показателю качества Ra превосходят изделия, изготовленные по справочным классическим моделям [10].

Литература

1. Микульский В.Г. Строительные материалы. М., Издательство «АСВ», 2000.

2. Жарин Д.Е. Научные основы получения вибропоглоща-ющих строительных полимерных композитов: Автореферат диссертации. Казань, 2006.

3. Степанов А.А. Обработка резанием высокопрочных композиционных полимерных материалов,Л.,«Машиностроение», 1987.

4. Соломатов В.И. Синергетика композитных материалов, М.,«ЦКТ», 1999.

5. Бобрышев А.Н. Структура, свойства и производство композитных материалов, M., «Academia», 2009.

6. Подиновский В.В., Гаврилов В.М. Оптимизация по последовательно применяемым критериям. М.,«Сов. Радио», 1975.

7. Штучный Б.П. Обработка пластмасс резанием. Справочное пособие, М., «Машиностроение», 1974.

8. Ящерицын П.И., Фельдштейн Е.Э., Корниевич М.А. Теория резания. Мн., «Новое знание», 2006.

9. Симонова Л.А. Управление процессом обработки партии деталей (с применением математического моделирования на этапе технологического проектирования). Набережные Челны, Изд-во Камского государственного политехнического института, 2004.

10. Кобаяши А. Обработка пластмасс резанием. Перев. с англ. М., «Машиностроение», 1974.

Optimisation of Structures of Polymeric Building Materials with the Set Technological and Physicomechanical Properties. By Yu.A.Sokolova, D.Ye.Zharin

Epoxy and polyester composites are investigated in the article. Models of calculation of physicomechanical properties and modes of cutting of composite materials are presented. Criteria and methods of optimisation of physicomechanical and technological properties and modes of processing of composite materials are offered.

Ключевые слова: композиты, оптимизация, эпоксидные, полиэфирные, полиуретан овые.

Key words: Composites, optimisation, epoxi, polyester, polyuretan

108 1 2011

3 4 sbor.indd 108 18.01.2011 14:54:45

Виброзащита высокоточного оборудования от низкочастотных колебаний

В.Л.Мондрус, В.А.Смирнов

В настоящее время с развитием прецизионной аппаратуры (электронные туннельные микроскопы, сейсмографы, коор-динатно-расточные станки) резко повысились требования по виброзащите. Зачастую предприятия, использующие такое оборудование, расположены в черте города, который имеет свой естественный уровень низкочастотных вибраций. Для защиты от колебаний обычно используются линейные виброзащитные системы, эффективность работы которых характеризуется коэффициентом передачи силы Кс, равному отношению наибольшей силы, передаваемой основанию, к амплитуде гармонической возмущающей силы. Коэффициент Кс становится меньше 1 при Г} > л/2 (где г\ - отношение частоты возмущающей силы к частоте собственных колебаний). Для линейных виброизоляторов невозможноуспешно гасить колебания (Кс > 1) на частотах, когда 1] < \}2 . Обычно принимают/7 > 4. При этом Кс должен быть меньше 1/15 [1]. Естественный фон города представляет собой набор осцил-ляций с частотами 0,5 - 2 Гц и наибольшими амплитудами до 12-14 мкм как показано на рисунке 1. Кроме того, если предполагаемая установка располагается не у основания сооружения (в подвале), а на каком-либо его этаже, колебания самого здания накладываются на колебания отестественного

Частота, Гц

Рис. 1. Виброграмма естественного шума

Рис. 2. Принципиальная схема рассматриваемой установки с возможностью регулирования вертикальной жесткости системы

фона, что приводит к появлению нескольких резонансных пиков при частотах 0,5-1,5 Гц. Следовательно, применение линейных виброизоляторов в этом случае нецелесообразно.

Для эффективной виброзащиты от низкочастотных возмущений желательно иметь крайне низкую частоту собственных колебаний виброизолированной установки. Изготовление и эксплуатация виброизолированной системы с линейной упругой характеристикой, обладающей собственной частотой колебаний ниже 2 Гц, сопряжены с большими техническими трудностями. Напротив, если упругая характеристика виброизоляции нелинейна, то параметры упругих элементов можно подобрать таким образом, чтобы жесткость системы в некотором диапазоне перемещений виброизолированного объекта равнялась нулю [2].

При выполнении работ по данной тематике были разработаны и исследованы установки с различными упругими элементами [3,4]. Так, по результатам работы [4] обосновано применение пружин и резиновых элементов в качестве упругих элементов. В ходе исследований и конструкторского анализа предложена следующая принципиальная схема установки.

Она состоит из двух рычагов, шарнирно соединенных с виброизолируемой массой, как показано на рисунке 2. Один конец рычагов шарнирно соединен с корректором жесткости - упругим элементом, работающим на растяжение, жесткостью Сг Другим концом рычаги на шарнире крепятся к виброизолируемой массе. Также рычаги имеют на расстоянии с11 от оси установки шарнирное крепление вертикальных «грузовых»упругих элементов жесткостью С2. Такое расположение «грузовых» упругих элементов позволяет, во-первых, использовать «мягкие» пружины или резиновые элементы, так как на каждый из элементов будет приходиться половина нагрузки от виброизолируемой массы. Во-вторых,такое расположение пружин позволяет регулировать вертикальную жесткость системы при изменении нагрузки путем изменения расстояния с1г

Данная работа посвящена исследованию поведения системы (рис. 2) с применением в качестве упругих элементов линейных пружин.

Для расчета удобнее иметь приведенную вертикальную жесткость системы - С. Ее можно получить,если придать

109

3_4_8ЬоготИ 109

18.01.2011 14:54:45