Термопластичные пластмассы. Свойства и область применения

Термопластичные пластмассы используют для изготовления различных материалов: пленок, волокон, листов, труб. Наиболее широко применяют термопласты в виде гомогенных материалов, реже в виде газонаполненных либо наполненных порошками или волокнами.

Среди термопластичных полимеров наиболее широкое применение получили полиамиды, хлорсодержащие пластмассы, полиолефины, фторсодержащие пластмассы и сопластмассы, пластмассы и сопластмассы стирола, полиакрилаты, поликарбонаты.

К полиамидам относятся гетероцепные пластмассы, содержащие в основной цепи макромолекулы амидные группы (-СО-NН-). Полиамиды в большинстве случаев - кристаллические вещества с резко выраженной температурой текучести. К полиамидам принадлежат широко известные нейлон, капрон и другие.

Большая часть полиамидов перерабатывается на волокно. Из полиамидных смол получают пленку и заменители кожи, из которых, в частности, изготавливают приводные ремни.

Благодаря высокой твердости и износоустойчивости полиамиды нашли широкое применение при изготовлении подшипников, а также деталей изделий, подверженных кавитации. Смазкой в таких подшипниках является вода, однако они могут работать и без смазки.. Из полиамидов изготавливают шестерни, мелкие детали: болты, гайки, прокладки и другое.

Чаще всего полиамиды перерабатывают литьем под давлением, используя то обстоятельство, что полиамиды плавятся в сравнительно узком интервале температур и в расплаве имеют сравнительно низкую вязкость. Отдельные детали или части отливок могут соединяться между собой склеиванием и сваркой.

Группа хлорсодержащих пластмасс включает материалы на основе полимеров и сополимеров винилхлорида и винилиденхлорида, а также пентапласт. Наиболее широкое применение получили материалы на основе поливинилхлорида (ПВХ), представляющего собой полимер линейного строения (-СН₂-СНСl-)_n со степенью кристалличности до 10%. Основное количество поливинилхлорида, выпускаемого промышленностью, используется для производства пластиката и винипласта.

Винипласт представляет собой жесткий термопластичный материал, в состав которого кроме поливинилхлорида входят наполнители, стабилизаторы, модификаторы и пластифицирующие агенты; выпускается в виде листов, стержней, труб. Винипласт обладает сравнительно высокой для пластмасс прочностью, эластичностью и малым удельным весом. Он отличается высокой химической стойкостью к различным агрессивным средам. Высокая химическая стойкость винипласта сделала его одним из самых распространенных в химической промышленности антикоррозионных материалов. Значительная по сравнению с другими термопластами механическая прочность дает возможность использовать винипласт в качестве конструкционного материала. Конструкции винипласта, как правило, легче металлических, а служат не меньше, а иногда и дольше последних.

Пластикат - это техническое название термопластичных смесей пластифицированного поливинилхлорида, применяется для изготовления прокладок, трубок, лент.

Под названием полиолефины принято подразумевать группу материалов на основе высокомолекулярных соединений, образующихся при гомо- или сополимеризации олефинов. К ним относятся полиэтилен, полипропилен, полиизобутилен, поливинилциклогексан и другие.

Большинство полиолефинов - кристаллические пластмассы со сравнительно высокой степенью кристалличности. По масштабу промышленного производства и разнообразию областей применения первые два места среди полиолефинов принадлежат полиэтилену и полипропилену. Это обусловлено ценными техническими свойствами этих полимеров, легкостью их переработки в изделия, а также наличием дешевого сырья.

Полиэтилен (-СН₂-СН₂-)п получают в настоящее время несколькими способами: в зависимости от способа производства различают полиэтилен высокого давления (ПЭВД) и полиэтилен низкого давления (ПЭНД). ПЭНД отличается от ПЭВД большей плотностью, прочностью, жесткостью, повышенной теплостойкостью. Области применения полиэтилена и полипропилена очень разнообразны для изготовления пленок, труб, листов, изоляции, строительных деталей, емкостей, контейнеров и ряда других изделий. Благодаря нетоксичности и инертности полиэтилен широко применяется в качестве материала для небьющейся посуды.

Фторопласты (фторлоны) - это группа пластмасс на основе полимеров различных ненасыщенных фторсодержащих соединений. Наибольшее техническое применение среди фторсодержащих полимеров получил фторопласт - 4 (фторлон - 4) - политетрафторэтилен, не содержащий никаких добавок и модификаторов. В отличие от других термопластов фторлон-4 не переходит в вязкотекучее состояние даже при температуре разложения (выше 415 °С). Это затрудняет изготовление изделий из фторлона-4 и в ряде случаев исключает возможность практического использования его в конструкциях.

В настоящее время промышленность выпускает ряд плавких фторлонов, способных заменить политетрафторэтилен. Это фторлоны Ф-4М, Ф-40, Ф-42, Ф-3, Ф-32Л, Ф-4Н, Ф-2 и другие. Преимущество плавких фторлонов состоит в том, что они термопластичны и могут подвергаться многократной высокотемпературной переработке высокопроизводительными методами. Некоторые из плавких фторлонов обладают избирательной растворимостью в органически растворителях (Ф-42, Ф-32Л, Ф-4Н, Ф-2, Ф-2М).

Все плавкие фторлоны перерабатывают методами прессования, экструзии, литья под давлением и могут быть использованы для изготовления пленок, труб, шлангов, листов электроизоляционных и стойких к агрессивным средам изделий.

Полистирол- линейный высокомолекулярный полимер, легко перерабатываемый литьем под давлением, обладает хорошими оптическими свойствами и низким фактором диэлектрических потерь при средних частотах. С другой стороны, полистирол легко подвергается действию многих растворителей, имеет низкую атмосферостойкость, характеризуется низкой теплостойкостью и высокой хрупкостью.

Полимер стирола является одним из первых и наиболее полно изученных полимерных пластмасс. Благодаря высокой водо- и химической стойкости, хорошим электроизоляционным свойствам, прозрачности полистирол широко применяется в технике. Получают его полимеризацией стирола, который иначе называется винилбензолом. Хотя исходный материал для получения полистирола обладает токсичными свойствами, сам полистирол совершенно безвреден для организма человека.

Пластмассы и сопластмассы стирола используют для изготовления пленок, нитей, пенопластов, деталей светотехнической арматуры, деталей холодильников, облицовочных листов и плиток.

Группа акриловых пластиков включает пластмассы и сополимеры акриловой и метакоиловой кислот и их производных. Наибольшее значение среди акриловых пластмасс имеет полиметилметакрилат, представляющий собой аморфный прозрачный полимер, обладающий высокой проницаемостью для излучения видимого и ультрафиолетового спектра. При нагревании выше температуры 120 °С полиметилметакрилат размягчается, переходит в высокоэластическое состояние и легко формуется, выше температуры 200 °С начинается заметная деполимеризация полимера.

Промышленностью полиметилметакрилат поставляется, главным образом в виде листового органического стекла.

Достаточно широкое применение получили сопластмассы метилметакрилата с акрилонитрилом. По сравнению с полиметилметакрилатом эти сопластмассы обладают более высокой твердостью и прочностью, применяются главным образом для изготовления безосколочного ударопрочного органического стекла для автобусов и различных сооружений.

К поликарбонатам относятся сложные полиэфиры угольной кислоты с общей формулой (-О-R-О-СО-)_n. Промышленное применение нашел, главным образом поликарбонат на основе бисфенола А, благодаря доступности и дешевизне исходного сырья. Это оптически прозрачный материал, обладающий хорошими прочностными свойствами, высокой теплостойкостью и хорошими диэлектрическими свойствами.

Поликарбонат характеризуется более высокой вязкостью расплава, чем другие термопласты, однако может перерабатываться всеми широко распространенными методами. Благодаря низкой склонности полимера к ползучести изделия из поликарбоната характеризуются высокой стабильностью размеров.

По масштабу промышленного производства и разнообразию областей применения одно из первых мест среди термопластичных полимерных материалов занимают пленки. Наибольшее распространение получили пленки из полиамидов, поливинилхлорида, полиолефинов, полистирола, поливинилиденхлорида, полиэтилентерефталата, поливинилового спирта, фторлонов.

Полимерные пленки находят широкое применение в качестве упаковочных, электроизоляционных, кинофотоматериалов, декоративно-отделочных материалов, для сооружения искусственных водоемов, каналов, парниковых крыш, теплиц.

Вопрос 20

Литье под давлением – это технологический процесс, в ходе которого исходный материал впрыскивается в специальную пресс-форму, после чего линейно застывает, то есть возле холодных стенок формы застывание происходит быстрее, чем в центре.

Для литья пластмасс под давлением обычно используют гранулы термопластов, термоэластопластов или термореактивов. Этот вид изготовления изделий из пластмассявляется одним из самых распространенных, что обусловлено. Его простотой и дешевизной для массового производства.

Литье под давлением осуществляется на специальном оборудовании - термопластавтоматах, которые контролируются электроникой и автоматикой. Литье резины под давлением или другого термореативного материала осуществляется в реактопластавтоматах.

Литье под давлением применяют преимущественно для изготовления изделий из термопластов. Осуществляют под давлением 80-140 МПа на литьевых машинах поршневого или винтового типа, имеющих высокую степень механизации и автоматизации (рис. 1). Литьевые машины осуществляют дозирование гранулир. материала, перевод его в вязкотекучее состояние, впрыск (инжекцию) дозы расплава в литьевую форму, выдержку в форме под давлением до его затвердевания или отверждения, размыкание формы и выталкивание готового изделия.

При переработке термопластов методом литья под давлением литьевую форму термостатируют (температура ее не должна превышать температуры стеклования или температуры кристаллизации), а при переработке реактопластов нагревают до температуры отверждения. Давление литья зависит от вязкости расплава материала, конструкции литьевой формы, размеров литниковой системы и формуемых изделий. Литье при сверхвысоких давлениях (до 500 МПа) уменьшает остаточные напряжения в материале, увеличивает степень ориентации кристаллизующихся полимеров, что способствует упрочнению материала и обеспечивает более точное воспроизведение размеров деталей.

 

Рис. 1. Литьевая машина: 1 -материальный цилиндр; 2 - нагревательные элементы; 3-винт (шнек); 4-каналы охлаждения; 5-бункер для материала; 6-гидродвигатель; 7-редуктор; 8-гидроцилиндр узла впрыска; 9-манометр; 10, 17-неподвижные плиты; 11 - направляющие колонки; 12-литьевая форма; 13-подвижная плита; 14-колесно-рычажный механизм; 15-гидро-цилиндр узла смыкания; 16-гайки; 18-упор; 19-сопло.

Давление в литьевой форме при заполнении расплавом полимера повышается постепенно (в конце выдержки под давлением достигает 30-50% от давления литья) и распределяется по длине оформляющей полости неравномерно вследствие высокой вязкости расплава и быстрого ее нарастания при охлаждении формы. Литье резины под давлением и реактопластов происходит, наоборот, при нагреве литьевой прессформы.

Литье под давлением позволяет изготовлять детали массой от долей грамма до нескольких килограммов. При выборе машины для формования изделия учитывают объем расплава, необходимый для его изготовления, и усилие смыкания, требующееся для удержания формы в замкнутом состоянии в процессе заполнения расплавом оформляющей полости.

Для выравнивания давления и улучшения условий заполнения формы применяют литье под давлением с предварит. сжатием расплава, инжекционное прессование, литье под давлением с наложением механический колебаний и др. методы.

Литье под давлением с предварительным сжатием расплава осуществляют на литьевой машине, сопловый блок которой снабжен краном. При закрытом кране производят сжатие расплава полимера в материальном цилиндре машины до давления литья. После открытия крана расплав под высоким давлением с большой скоростью заполняет полость литьевой формы и дополнительно нагревается за счет работы сил трения. Для предотвращения механодеструкции пластмасс скорость течения расплава по литниковым каналам иногда ограничивают. Предварительное сжатие расплава позволяет в 1,5-2 раза уменьшить время заполнения формы и увеличить путь течения расплава до момента его застывания, что позволяет отливать длинномерные тонкостенные детали.

Вопрос 21

Бурное развитие различных отраслей промышленности – авиационной, ракетно-космической, радиоэлектронной и др., начавшееся в середине 20-го столетия, обусловило необходимость изготовления различных сложнопрофильных деталей, повысило требования к точности формообразования, качеству поверхности, производительности процессов обработки, вызвало необходимость обработки новых труднообрабатываемых материалов. Решение многих из этих задач традиционными способами, применявшимися в металлообработке, стало затруднительно, неэффективно, а во многих случаях невозможно. Возникла потребность разработки и внедрения принципиально новых методов обработки материалов, основанных на иных, не традиционных, принципах. Именно в это время появляются и интенсивно развиваются различные электрофизические и электрохимические методы обработки материалов: электроэрозионный, электрохимический, ультразвуковой, светолучевые методы и др.

В МВТУ им. Н.Э.Баумана, на кафедре АМ-2 – "Инструментальная техника и технологии" (сейчас – МТ-2) –, традиционно занимавшейся проблемами обработки материалов и инструментальным обеспечением, в пятидесятые годы начинаются работы по применению новых прогрессивных электрофизических и электрохимических методов обработки (ЭФХМО) в инструментальном производстве.

В начале 50-х годов под руководством д.т.н., проф. Грановского Г.И. проводятся работы, направленные на повышение эффективности заточки твердосплавного инструмента, в частности твердосплавных протяжек. Для решения поставленной задачи было предложено использовать анодно-механическую обработку (АМО) – комбинированный метод обработки, включающий в себя сочетание электроэрозионного, электрохимического и механического методов обработки. На кафедре создается экспериментальная установка, реализующая данный метод обработки. В дальнейшем установка использовалась не только для проведения научных исследований, но и в учебном процессе для проведения лабораторных работ по курсу «Специальные главы физики резания».

В пятидесятых годах под руководством к.т.н., доцента Зверева Е.К. на кафедре создается электроконтактная установка, реализующая метод электроконтактной обработки – одной из разновидностей электроэрозионной обработки материалов. Целью создания установки была демонстрация студентам в рамках учебного курса «Специальные главы физики резания» возможностей использования нетрадиционных методов для высокопроизводительной обработки труднообрабатываемых материалов.

Как известно, шестидесятые годы явились началом бурного развития и внедрения в промышленность электроэрозионного, электрохимического и ряда других, в те годы еще считавшихся нетрадиционными, методов обработки. Поэтому в середине 60-х годов на кафедре АМ-2 было принято решение о необходимости введения в учебный процесс теоретического и практического изучения основ электрофизических и электрохимических методов обработки материалов. С 1972 года на кафедре АМ-2 в программу подготовки студентов вводится новый курс «Основы электрофизических и электрохимических методов обработки материалов» (подготовил доцент Малевский Н.П.).

В эти же годы на кафедре начинают активно заниматься научными исследованиями по данному направлению. Для выполнения НИР, направленной на исследование повышения эффективности обработки безвольфрамовых твердых сплавов методом электрохимического алмазного шлифования (ЭАШ), создается научная группа, в состав которой входят Малевский Н.П., Терещенко Л.М., Тарахнов Н.С. и др.

Как известно, ЭАШ относится к группе электрохимических методов обработки материалов и основано на принципе локального анодного растворения (разупрочнения) и механического разрушения обрабатываемого материала. При этом продукты электрохимических реакций срезаются с обрабатываемой поверхности абразивом и удаляются потоком электролита. Алмазный круг на электропроводной связке подключается к отрицательному полюсу источника питания и является катодом, обрабатываемый твердый сплав – анодом. В зону обработки подается электролит, который помимо своего основного назначения – среда, в которой происходит электрохимическая реакция, – осуществляет эвакуацию продуктов анодного растворения и механического разрушения, а также выполняет роль охлаждающей жидкости (рис.1). На кафедре АМ-2 создается экспериментальная установка на базе заточного станка модели ЗА64Д, на которой проводятся экспериментальные исследования, а с 1967 года – лабораторная работа.

Принципиальная схема созданной установки представлена на рис.2. Шлифование твердосплавного образца 1 проводилось чашечным алмазным кругом 2. Образец закреплялся в динамометре 3. Продольная подача S_прод и поперечная подача S_попер задавались механизмами 4 и 5 соответственно, получавшими движения от гидропривода.

Проведенные работы показали эффективность применения метода ЭАШ для обработки твердых сплавов. Причем, чем труднее обрабатывается материал традиционным алмазным шлифованием, тем больший эффект дает применение ЭАШ. Применение электролита и технологического тока обеспечивает резкое снижение прочности поверхностного слоя обрабатываемого материала, возникают условия для облегченного механического удаления слоя материала алмазными зернами инструмента, а возникающие в межэлектродном промежутке электроэрозионные процессы облегчают регенерацию режущей способности алмазного инструмента. В результате значительно повышается производительность операции обработки (например, заточки твердосплавного инструмента) и уменьшается удельный износ, а следовательно, и расход алмазных кругов.

В восьмидесятых годах на кафедре АМ-2 расширяется техническая база в области ЭФХМО: устанавливается и вводится в эксплуатацию электроэрозионное оборудование (копировально-прошивочный станок 4Г721М с транзисторным генератором ШГИ 40-440, вырезной станок А.207-61 с тиратронным генератором, специализированный станок ЭХ1946), лазерная установка. Применение нового современного оборудования позволило принципиально изменить тематику и содержание лабораторных работ по курсу «Основы электрофизических и электрохимических методов обработки материалов», обеспечило возможность студентам выполнять НИРС и дипломные работы по данному направлению.

С вступлением в должность заведующего кафедры д.т.н., профессора Подураева В.Н. на кафедре проводится большое количество поисковых научно-исследовательских и аспирантских работ в области металлообработки, использующих различные нетрадиционные методы упрочнения и диагностики инструмента, разупрочнения обрабатываемого материала источниками высококонцентрированной энергии, интенсификации процессов резания и др. Проводятся исследования в области электроэрозионной обработки материалов.

В девяностых годах основные направления исследований в области
ЭФХМО на кафедре МТ-2 (АМ-2) были направлены на решение таких проблем, как:

- изготовление отверстий малого диаметра (0,1…0,3 мм), в том числе сверхглубоких (с соотношением глубина-диаметр до 200);

- обработка поликристаллических сверхтвердых материалов на основе алмаза;

- диагностика процесса электроэрозионной обработки;

- определение рациональных режимов электроэрозионной обработки на основе решения тепловой задачи о перемещении границы фазового превращения материала;

- повышение стойкости режущего инструмента путем воздействия на режущую кромку лазерного излучения;

- разработка оригинальных технологических решений, использующих ЭФХМО для их эффективного применения в области производства штампов и пресс-форм, ювелирных и художественных изделий, специального инструмента.

Одним из направлений работ в области ЭФХМО, проводимых в 90-е годы на кафедре МТ-2, было исследование возможности эффективного применения электроэрозионной обработки композиционных поликристаллических сверхтвердых материалов (ПСТМ) на основе алмаза. Применению ПСТМ на основе алмаза в обрабатывающих отраслях промышленности уделяется большое значение, так как их использование в различных инструментах обеспечивает стабильность технологии обработки, существенно повышает производительность процессов формообразования. При замене традиционных инструментальных материалов на алмазсодержащие ПСТМ стойкость инструментов возрастает в 5…20 раз [1]. Кроме этого повышается размерная точность и снижение шероховатости поверхности деталей. По своим физико-механическим свойствам ПСТМ на основе алмаза приближаются к монокристаллам алмаза, но отличаются изотропией свойств, что обеспечивает более высокую износостойкость. Например, при волочении проволоки износостойкость волоки, изготовленной из алмазсодержащего ПСТМ, в 3…10 раз превышает износостойкость волоки из природного алмаза [1].

Одним из перспективных и наиболее эффективным методом обработки алмазсодержащих ПСТМ является электроэрозионная обработка (ЭЭО). Однако наличие в таких материалах неэлектропроводных алмазных зерен вызывает некоторые сложности при применении этого метода, требует использования специальных режимов обработки.

Исходя из свойств алмазсодержащих ПСТМ, можно предположить, что при их обработке могут и должны присутствовать следующие схемы формообразования:

- электроэрозионное разрушение (выборка) электропроводной связки, оголение алмазного зерна, его отслоение и удаление;

- термическое разрушение зерна (или его части) при инициировании разряда на связку в непосредственной близости от алмазного зерна или на его графитизированную в результате локального воздействия высоких температур электропроводную область;

- выгорание зерна в кислородной среде, образующейся в результате разложения рабочей жидкости в процессе обработки.

Появление электропроводного графитового слоя на алмазном зерне, образующегося под действием происходящих в непосредственной близости от зерна электрических разрядов, возникающих между электродом-инструментом (ЭИ) и электропроводной связкой, в дальнейшем вызывает инициирование разрядов непосредственно на зерно и обусловливает распространение электропроводного слоя на всю поверхность зерна и его разрушение. Минимальная температура, при которой зафиксировано образование графита на поверхности алмаза, составляет 920°К, а при 2300°К алмаз полностью превращается в графит [2]. Кобальтовая связка алмазсодержащих ПСТМ повышает скорость графитизации алмазных зерен под действием электрических разрядов, а образующийся в результате разложения рабочей жидкости (воды) кислород позволяет осуществлять ЭЭО алмазсодержащих ПСТМ в безуглеродной рабочей жидкости посредством их графитизации.

Для определения требуемых для разрушения алмазных зерен энергетических режимов ЭЭО была оценена плотность теплового потока q непосредственно в зоне воздействия электрического разряда на исследуемую поверхность. Для этого было использовано решение задачи о перемещении границы фазового превращения. Задача для двухфазной системы описывается системой двух дифференциальных уравнений, представляющих собой основное уравнение теплопроводности для случая нестационарной теплопроводности в полубесконечном твердом теле. Так как точное аналитическое решение рассматриваемой системы в полном объеме невозможно, наиболее адекватным методом исследования поставленной задачи явилось математическое моделирование.

Была разработана компьютерная модель, которая позволила определить тепловые потоки, требуемые для обработки, длительности импульсов и другие параметры не только для алмазсодержащих ПСТМ, но и для любых других материалов.

Результаты работы модели, можно представить как в виде численных значений, так и в виде графиков, выводимых на дисплей или печатающее устройство. Графические зависимости позволяют наглядно оценить глубину проплавления материала (или графитизации алмазных зерен) в зависимости от времени действия источника теплоты (длительности импульса тока) для различных исследуемых материалов при разных действующих тепловых потоках (энергиях импульсов), определить минимальное время действия конкретного источника теплоты (длительность импульса тока), необходимое для начала плавления материала. Кроме того, графические зависимости позволяют оценить изменение температуры материала по мере удаления от его поверхности при различных действующих тепловых потоках для разных материалов.

Как показали расчеты, для обработки алмазных зерен методом ЭЭО необходимо использовать энергетические режимы, обеспечивающие на поверхности зерна плотность теплового потока, бульшую, чем для обработки металлов, включая вольфрам. Минимально необходимые для ЭЭО алмазных зерен тепловые потоки должны превышать минимальные тепловые потоки, используемые для чистовой обработки, например вольфрама и меди, в 2,8 и 4,1 раза соответственно. Поэтому для стабильной ЭЭО алмазсодержащих ПСТМ необходима обработка на режимах с относительно большими энергиями импульсов, обеспечивающих на поверхности алмазных зерен плотность тепловых потоков более 17,5 Вт/мм². Это позволяет осуществлять обработку не только за счет разрушения кобальтовой связки, но и за счет термического разрушения зерен. При этом для обработки алмазсодержащих ПСТМ необходимо применять не только большие плотности тепловых потоков, но и короткие (~ 0,8 мкс) импульсы тока разряда, так как увеличение их длительности не приводит к возрастанию скорости обработки, а лишь снижает кпд процесса обработки.

Еще одним направлением работ в области ЭФХМО, проводимых в последние годы на кафедре, были работы, направленные на решение проблем, возникающих при изготовлении отверстий малого диаметра. С уменьшением размеров отверстий, увеличением их глубины, повышением их точности и качества поверхности изменяются и способы их обработки. Одним из высокоэффективных методов обработки отверстий малого диаметра, а иногда единственно возможным, является электроэрозионная прошивка (ЭЭП), позволяющая осуществлять процесс формообразования практически вне зависимости от физико-механических свойств обрабатываемого материала. Именно при ЭЭП отверстий малого диаметра в полной мере выявляются такие ее преимущества, как почти полное отсутствие механических усилий при обработке, возможность изготовления электродов-инструментов (ЭИ) из менее твердых материалов, чем обрабатываемый материал, возможность вести обработку нежестким ЭИ, а также достижения высокого уровня автоматизации процесса. Процесс ЭЭП обеспечивает высокую точность и качество поверхности, отсутствие заусенцев на обработанной поверхности.

Однако расширение области применения этого метода сдерживается его недостаточной, в ряде случаев, производительностью и относительно небольшой предельной глубиной прошиваемых отверстий, обычно не превышающей десяти диаметров. В то же время, применение специальных технологических решений позволяет резко повысить производительность ЭЭП и предельную глубину прошиваемых отверстий. При этом скорость ЭЭП отверстий в стальных деталях может достигать 20 мм/мин при диаметрах получаемых отверстий 0,3…1 мм и глубине отверстий до 150…200 диаметров.

На основе комплекса проведенных исследований процессов, происходящих в межэлектродном промежутке (МЭП), были показаны пути и средства повышения эффективности ЭЭП отверстий малого диаметра до представленных величин. Разработана методика выбора рациональных технологических параметров для ЭЭП малых отверстий. Теоретические и экспериментальные исследования гидродинамических процессов в зоне обработки показали, что производительность ЭЭП отверстий малого диаметра зависит от эффективности удаления из межэлектродного промежутка как продуктов эрозии, так и газовых полостей, образующихся в результате разложения рабочей жидкости. Была показана необходимость взаимосвязи энергетических и гидродинамических параметров обработки. Было установлено, что производительность процесса ЭЭП возрастает с увеличением расхода рабочей жидкости через МЭП до создания условий полной реализации вводимой мощности. Поэтому была разработана методика расчета необходимого расхода рабочей жидкости через МЭП, обеспечивающего максимально возможную для данных энергетических режимов производительность ЭЭП.

В последние годы основные работы в области ЭФХМО, проводимые на кафедре МТ-2, имеют технологическую направленность. Целью этих работ является разработка оригинальных технологических решений, позволяющих эффективно применять ЭФХМО в таких областях, как производство штампов, пресс-форм, производство ювелирных и художественных изделий, производство микроклейм, специального инструмента, а также в ряде других областей. Так, например, была разработана технология изготовления сложных электродов-инструментов для получения формообразующих поверхностей чеканочных штампов, пресс-форм методами электроэрозионной или электрохимической обработки. Технология позволяет заменить гравирование, традиционно применяющееся при изготовлении ЭИ такого класса, не требует дорогостоящих гравировальных станков, исключает слесарную доводку рабочих поверхностей, снижает себестоимость ЭИ и позволяет получать более сложные поверхности, чем при гравировании. Суть технологии состоит в объемном копировании рисунка практически любой сложности, созданного при помощи персонального компьютера, на медную поверхность. При этом рисунок создается при помощи широко распространенных программ (“Corel Draw”, “Adobe Illustrator”) или сканируется с оригинала. После этого, посредством ряда технологических приемов, формируется медная копия рисунка. Технология использует фотополимерные материалы и технологические операции, применяющиеся в полиграфии и при электрохимической обработке материалов.

К достоинствам рассматриваемой технологии следует отнести возможность получения медных копий с отсканированных поверхностей. Это позволяет легко изготавливать ЭИ и, следовательно, пресс-формы с рабочими поверхностями, имитирующими, например, кожаную, деревянную или другую сложную поверхность.

Говоря о технологических разработках, осуществляемых на кафедре в области ЭФХМО, нельзя не упомянуть о разработанной технологии получения микроклейм, нашедшей свое применения при производстве ювелирных изделий. Технология позволяет изготавливать клейма из закаленных сталей с высотой букв и знаков до 0,4 мм (для механического клеймения), а также электроды-инструменты из меди и специальных материалов на основе вольфрама с аналогичными размерами букв и знаков для электроэрозионного клеймения и изготовления чеканочных штампов ювелирного производства.

Достижения в области электрохимических и электрофизических методов обработки находят свое отражение в учебных курсах, читаемых на кафедре
МТ-2 МГТУ им. Н.Э.Баумана. Студенты изучают не только теоретические основы электрофизических и электрохимических методов обработки материалов, широко применяемых в настоящее время в обрабатывающих отраслях промышленности, но и получают знания по их практическому применению.

Учебный процесс на кафедре МТ-2 постоянно совершенствуется. В настоящее время он построен таким образом, что изучение ЭФХМО начинается с курса «Основы электрофизических и электрохимических методов обработки материалов», в котором студенты изучают теоретические и основы ЭФХМО. В дальнейшем, использование методов ЭФХМО в инструментальном производстве и в различных областях промышленности изучается в таких учебных курсах, как «Технология производства штампов и пресс-форм», «Качественно новые методы обработки», «Производство ювелирных и художественных изделий». Так, в курсе «Технология производства штампов и пресс-форм» студенты изучают особенности технологических процессов изготовления штамповой оснастки с использованием ЭФХМО, рассматривают конкретные технологические операции, определяют области целесообразного применения этих методов при изготовлении формообразующих деталей и т.д.

Вопрос 22

В кинематике резания изучается классификация схем резания как научная основа анализа и синтеза технических способов формообразования деталей машин и трансформации геометрических параметров режущей части инструментов в процессе резания металлов.

 

Кинематика резания рассматривает движение, которые действуют только в процессе резания во время рабочего цикла с момента, когда лезвие вступает в контакт с заготовкой и до прекращения этого контакта. Эти движения в итоге сообщают лезвию инструмента результирующее движение резания относительно заготовки.

При обработке резанием форма и размеры деталей предопределяются формами и размерами режущих кромок, которые срезают материал, и их движениями относительно заготовки.

 

Таким образом, получение геометрической формы детали, образование ее поверхностей – это результат геометрически-кинематических факторов процесса резания.

Поверхности, на которых расположены режущие лезвия и которые соприкасаются с поверхностью детали, называются исходными инструментальными поверхностями.

Для формирования обрабатываемой поверхности, режущие кромки инструмента должны располагаться на поверхности, касательной в процессе обработки к поверхности детали. Траектории движения режущих кромок инструмента при обработке предопределяются сочетанием движений заготовки и инструмента, что обеспечивается станком.

Кинематическая схема резания определяется именно движениями, сообщаемыми станком инструменту и заготовке. Следует учитывать, что кинематические схемы резания не включают холостые ходы на подвод и отвод инструмента к детали.

От характера схемы резания зависят:

1. Геометрические параметры режущей части инструмента.

2. Режимы резания.

3. Метод обработки.

4. Износ и стойкость инструмента.

5. Производительность обработки.

 

Классификацию кинематических схем резания впервые предложил академик Г.И. Грановский. Он определил 282 кинематические схемы резания, которые не только отражают методы обработки металлов резанием, но и дают возможность разрабатывать новые процессы механической обработки.

Для упрощения кинематики рабочих органов станков, кинематические схемы основываются в основном на сочетании двух элементарных движениях заготовки и инструмента – прямолинейного и вращательного.

Согласно исследованиям Г.Грановского используемые схемы резания, в основном, базируются на 3-х элементарных движениях. Реализация большего количества элементарных движений из-за весьма сложной кинематики не реализуется.

Наиболее часто в станках рассматриваются 3 основных направления движений

 

Рис. Принципиальные кинема