расчёт и изготовление технологической оснастки для производства штыка сапёрной складной лопаты методом вакумной инфузии

Предполагается использовать матрицу из углепластика, связующее – зарекомендовавшая себя и распространенная эпоксидная смола марки ЭД-20.Эпоксидная смола данной марки, как видно из таблицы 1, обладает средней вязкостью, высоким содержанием эпоксидных групп и временем желатинизации, достаточным для проведения процесса вакуумной инфузии.Прочие краткие технологические характеристики[17]:Плотность при 20 °С, кг/м3: 1160…1250;Прочность при растяжении/изгибе/сжатии, МПа: 40…90/80…140/150;Соотношение «отвердитель/смола» для процесса: 7:1;Время условной и полной полимеризации, ч: 1,5 (24);Водопоглощениеполимера за сутки, %: 0,01…0,1%;Вязкость ударная, кДж/м2: 5…25.Теплостойкость полимера °С, 55…170.Изделия из ЭД-20 получаются прочными и устойчивыми к агрессивной внешней среде, что важно при производстве ручного шанцевого инструмента, к которому относится и лопатка саперная.Произведем подбор отвердителя для выбранной эпоксидной смолы марки ЭД-20 (ГОСТ 10587-84).Эпоксидная смола ЭД-20 реализуется в нескольких комплектациях с различными отвердителями. Рассмотрим наиболее распространенные [19].1. ПЭПА (полиэтиленполиамин) – широко используемый отвердитель для эпоксидных составов, наиболее подходит для ЭД-20 и ЭД-24. Характеризуется высокой скоростью полимеризации и образования олигомерного клеевого состава. Наиболее благоприятная температура для эксплуатации состава +составляет от 20 до 60 оС. Норма расхода по массе составляет 10:1. Следовательно, на 1 кг смолы требуется добавить 100 грамм отвердителя ПЭПА.2. ТЭТА (триэтилентетрамин)– отвердитель на аминной основе, предназначенный для холодного отверждения. Вещество представляет собой прозрачную вязкую жидкость с запахом аммиака. Применяется для замешивания клеевого состава при низких температурах от + 10 оС для наружных работ. Рекомендуется при работе с прозрачными изделиями, к примеру, стеклом. 10 к 1 по массе. Норма расхода по массе составляет 10:1. Следовательно, на 1 кг смолы требуется добавить 100 грамм отвердителя.3. ЭТАЛ (ЭТАЛ-45М) современныймалотоксичный отвердитель, предназначенный для застывания смолы марки ЭД-20 при рабочей температуре от -7…+45 оС. Добавления разбавителей и пластификаторов не требуется из-за их наличия в составе. Получаемые композитные материалы обладают влагостойкостьбю, ударопрочностью и эластичностью. Подходит для использования в автоматических линиях и при 3D-печати изделий.Длительность желатинизации от 8 ч, полной полимеризации 24 ч. Норма расхода по массе составляет 2:1. Следовательно, на 1 кг смолы требуется добавить 20 грамм отвердителя ЭТАЛ.В рамках проектирования штыка саперной лопатки примем к использованию отвердитель ЭТАЛ-46М как наиболее экономичный и универсальный из представленных вариантов.Произведем выбор варианта армирующего материала для производства складного штыка малой саперной лопатки. Среди наиболее предпочтительных материалов остановимся на следующих[20]:1. Базальт.Базальтовое волокно производится из единственного материала – высококачественного однородного дробленого базальта. Наиболее предпочтительным для производства волокна выступает высококислотный базальт с содержанием кремнезема 46% и малой долей железа. В отличие стекловолокна и углепластика, при его изготовлении другие материалы практически не добавляются. Преимуществом базальтового волокна является его высокая прочность. Недостатком базальтового волокна является его более высокая стоимость в сравнении с углепластиком или стекловолокном.2. КарбонКарбон или углепластик, представляет собой полимерный композит на основе матрицы из армирующих углеродных волокон (рисунок 10). Рисунок 10 – Углепластиковая панельДля композиционных углепластиков характерны наибольшие высокие удельные упруго-прочностные характеристики среди полимерных материалов. Основная их составляющая часть – тонкие углеродные нити диаметром 0,005…0,010 мм. Прочность обеспечивается по оси волокон, поэтому углепластики многослойны.Материал прочен и сверхлёгок, в среднем на 40-50% легче, чем сталь, и на 20-30% легче алюминия. Единственным недостатком материала является сравнительная дороговизна, однако его стоимость ниже, чем у базальтового волокна.3 СтеклопластикСтеклопластиками называют композиционныепластические материалы из стекловолокнистого наполнителя (волокно из кварца, стеклянное волокно, и подобные). К плюсам стекловолокна относится высокая прочность структуры материала, сравнимая со сталью, а также легкость. Изделия из стеклопластика долговечны и не подвержены коррозии. Материал достаточно обрабатывается, потому нашел широкую сферу применения. Существенным минусом стеклоплатика является его ломкость. Так, при значительных нагрузках изделия из данного материала легко дает трещины. По этой причине механический инструмент из стеклопластика недолговечен.Сравнив три типа предлагаемых материалов, остановимся на выборе карбона (углепластика) в качестве армирующего материала для производимого изделия – штыка саперной лопатки.Выберем структуру типа полотно, как наиболее простую отвечающую назначению производимого изделия. Произведем выбор эпоксидного гелькоута. В рамках производимого изделия выберем гелькоут для пзаполнения матриц и форм. Примем гелькоут эпоксидный марки ЭТАЛ-М7, соответствующий выбранному отвердителю.Гелькоут ЭТАЛ-М в течение восьми лет сохраняет защитные и декоративные свойства в течение не менее восьми лет, устойчив к воздействию ультрафиолетовых лучей. Температура нанесения от 0 до 60ºС. Поверхности композитных материалов, обработанные гелькоутом ЭТАЛ-М7 устойчивы к царапанию и воздействию высоких температур.Произведем расчет расхода гелькоута.На рисунке 11 и 12 приведены внешний вид и эскиз изделия, проведем расчет площади.Рисунок 11 – Внешний вид изделияРасчет площади изделия произведем, разделив его площадь на две фигуры: прямоугольник (1) и равнобедренный треугольник (2).Площадь прямоугольника со сторонами A(1) = 16,5 см и B(1) = 13,5 см:S(1) = A(1). B(1)(1)S(1) = 0,165 . 0,135 = 0,022275 м2Рисунок 12 – Эскиз изделияПлощадь равнобедренного треугольника составит:S(2) = ½ .A(1). H(2)где Н – высота треугольника, определяющаяся по формуле из рис. 12:Н = B – B(1)(3)Н = 16,1 – 13,5 = 2,6 см = 0,026 мОтсюда находим площадь треугольника (2):S(2) = 0,5 . 0,165 . 0,026 = 0,002028 м2Площадь плоской поверхности изделия (матрицы) составит:S = S(1) + S(2)(4)S = 0,022275 + 0,002028 = 0,024303м2Определим массу полимерной матрицы по формуле:m = ρ.Sи .hи. 2(5)где ρ – плотность матрицы (карбона), 1600 кг/м3;h – толшина изделия, 0,005 м.mм = 1600.0,024303. 0,005 . 2 = 0,389 кг = 389 гНорма расхода составляет 500 г смеси на 1 м2 поверхности изделия.Расход гелькоута составит:mг = 2 .Sи. 0,5(5)mг = 2 .0,024303. 0,5 = 0,0243 кг = 24,3 гМасса смолы, в соотношении к гелькоуту 100:25 составит:mс = 100 . 24,3/25 = 97,2 гМасса отвердителя составляет 20 г на 1000 г смолы, откуда:mо = 20 . 97,2/1000 = 1,944 гРекомендуемое соотношение смолы с отвердителем к массе изделия составляет порядка 30%. Проверим реальное соотношение:vа= (mс + mг + mо)/(mм + mс + mг + mо)(6)vа= (97,2 + 24,3 + 1,944)/(389 + 97,2 + 24,3 + 1,944) = 0,2408 = 24,08%Пропорционально увеличим массы компонентов наполнителя:х = 30/vа (7)х = 30/24,08 = 1,245mг =1,245 . 26,9 = 33,55 гmс =1,245 . 107,7 = 134,20 гmо =1,245 . 2,16 = 2,68 гПлотность изделия составит:ρ = ρa.vа + ρм.(1 – vа)(8)гдеρa – плотность наполнителя, 1200 кг/м3.ρ = 1200.0,3 + 1600. (1 – 0,3) = 1480 кг/м32.2 Методика изготовления технологической оснасткиПри мелкосерийном производстве применяют литье пластмасс в силиконовые формы. Для создания мастер-модели прототип, напечатанный на 3D-принтере, обрабатывают лаком и шкурят для получения гладкой поверхности.Определим размеры вакуумного пакета для изготовления изделия.Для проведения вычислений определим площадь прямоугольного вакуумного пакета, границы которого отстоят нВ 2 – 3 см от крайних точек изготавливаемого изделия.Принимаем, что в таким случае стороны прямоугольника составят:Aп = 2 + 16,5 + 2 = 20,5 см = 0,205 мВп = 2 + 16,1 + 2 = 20,1 см = 0,201 мПлощадь прямоугольника составит:Sп = 0,205 . 0,201 = 0,0412 м2Определим площадь формы (оснастки), вычтя площадь изделия из общей площади:So = 0,0412 – 0,024303 = 0,016897 м2Мастер-модель наполовину погружают в глиняную основу и заливают смесью силикона и отвердителя. Залитую форму на 24 часа оставляют в камере для дегазации и застывания.В результате получаем половину силиконовой формы для литья.Затем повторяем процесс и получаем вторую половину. Соединяем два элемента формы, используя каркас для жесткости. Заливаем силиконовую форму полиуретаном, оставляем в камере. В зависимости от типа пластика время застывания составляет от 4 до 24 часов.2.3 Анализ качества полученной технологической оснасткиВ процессе литья под давлением возможно протекание различных химических реакций, приводящих к разрыву цепей и изменению свойств полимера. При нагреве термопласты могут подвергаться разнообразным химическим и физическим превращениям, которые сопровождаются образованием газообразных и жидких продуктов, изменением окраски и т. п.Устойчивость полимера к химическому разложению при повышенных температурах характеризуется его термостойкостью, под которой понимают температуру начала химического изменения полимера.Анализ эксплуатации литьевых форм показал, что качество литьевых изделий, после того как установлены их материал и конструкция, в основном определяется конструкцией формы и ее элементов. Последние влияют не только на размеры и геометрическую форму изделия, но и на характер заполнения и направление потоков расплава в оформляющей полости, время охлаждения и уровень остаточных напряжений. Эти напряжения влияют на сохранение геометрической формы и размеров при длительном хранении и эксплуатации изделий. Таким образом, проектирование литьевых форм является важнейшим этапом подготовки и внедрения в производство изделий из термопластов, определяющим их качество и эффективность работы в процессе эксплуатации.Полученные в процессе экспериментов данные позволили оценить возможности различного программного обеспечения с точки зрения изготовления литейной оснастки, установить оптимальные параметры обработки материалов и разработать техническое задание на создание экспериментальной установки для изготовления формообразующих элементов литейной оснастки. При этом было определено, что основные требования, которым должна соответствовать экспериментальная установка, следующие:• повышение производительности изготовления оснастки в 1,5-2,5 раза по сравнению с производительностью аналогичного оборудования, применяемого для обработки металла;• снижение затрат труда квалифицированных рабочих-станочников за счет углубленной технологической подготовки производства как составной части сквозного процесса проектирование-изготовление;• сокращение сроков подготовки производства отливок и новых деталей путем возможности применения современных программ и других средств информационных технологий;• снижение продолжительности цикла подготовки производства отливок в несколько раз .ЗАКЛЮЧЕНИЕВакуумная инфузия - технология изготовления стеклопластика формованием, при которой с применением вакуумной пленки (мешка) и специальных трубок отсасывающих воздух создается разряжение в рабочей полости герметичной формы, и за счет разницы в давлении между внешней средой и вакуумом происходит всасывание смолы и пропитка предварительно выложенных сухих армирующих материалов.При производстве бытовых изделий в качестве замены металлических элементовширокое получили распространение многочисленные и различные композиции на основе широко производимых промышленностью эпоксидных смол ЭД-1 и ЭД-20. Изделия из ЭД-20 получаются прочными и устойчивыми к агрессивной внешней среде, что важно при производстве ручного шанцевого инструмента, к которому относится и лопатка саперная. Таким образом, изготовленная технологическая оснастка может быть использования для производства выбранного изделия – щтыка саперной лопаты.В ходе выполнения данной работы были получены следующие знания, умения, навыки: умения расчета заготовки и подбора материалов для ее изготовления.СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВИстория и описание саперной лопатки [Электронный ресурс]. – Режим доступа:https://army-today.ru/obmundirovanie/istoriya-sapernoj-lopatkiМэттьюз Ф., Ролингс Р. Композитные материалы. Механика и технология. – М.: Техносфера, 2004.Ставров, В. П. Формообразование изделий из композиционных материалов: учеб. пособие / В. П. Ставров. – Минск: БГТУ, 2006.Справочник по композиционным материалам. В 2-х т./ Под ред. Дж.Любина. – М.: Машиностроение, 1988.Композиционные материалы: Справочник / В.В. Васильев, В.Д. Протасов, В.В. Болотин и др. – М.: Машиностроение, 1990.Группа компаний «Композит»: продукция компании [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://www.composite.ruСафин В.Н. Композиционные материалы [Текст лекций] – Челябинск: Издательский центр ЮУрГУ, 2010.Новые технологии переработки пластмасс [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http:// polymery.ru.Owenscorning: продукция компании[Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://composites.owenscorning.comВешкин Е.А., Постнов В.И., Постнова М.В. Опыт применения вакуум-инфузионных технологий в производстве конструкций из ПКМ // Известия Самарского научного центра Российской академии наук. – Т.20. № 4-3. – 2018. – С. 344-350.Мальцев В.Г. и др.Технологическая оснастка: учеб. пособие. – Омск: Изд-во ОмГТУ, 2019. – 134 с.Мозговой В. Ф., Липский Е. Р., Балушок К.Б. Обеспечение качества технологической оснастки с применением методов компьютерного моделирования и анализ // Вісникдвигунобудування. №2. – 2006. – С. 102-105.Чурсова Л.В., Панина Н.Н., Гребенева Т.А., Кутергина И.Ю. Эпоксидные смолы, отвердители, модификаторы и связующие на их основе. / СПб.: ЦОП «Профессия», 2020. – 576 с.Чернин И.З., Смехов Ф.М., Жердев Ю.В. Эпоксидные полимеры и композиции. − М.: Химия, 1982. – 230 с.Кочнова З.А., Жаворонок Е.С., Чалых А.Е. Эпоксидные смолы и отвердители: промышленные продукты. – М.: Пэйнт-Медия, 2006 (2014). – 200 с.Михайлин Ю.А. Конструкционные полимерные композиционные материалы. 2-е изд. – СПб.: Научные основы и технологии, 2010. – 822 с.Смола эпоксидная ЭД-20 ГОСТ 10587-84: технические характеристики [Электронный ресурс]. – Режим доступа:https://www.sibenergo38.com/polimery/smola-epoksidnaya-ed-20-gost-10587-84-epoksidkaБрусенцева Т.А., Филиппов А.А., Фомин В.М. Композиционные материалы на основе эпоксидной смолы и наночастиц // Известия Алтайского государственного университета. – Т.1 (81). – 2014. – С.25-27.Отвердители для смолы ЭД-20 [Электронный ресурс]. – Режим доступа:https://www.livemaster.ru/topic/3650166-article-otlichiya-otverditelej-dlya-epoksidnoj-smoly-ed-20Мостовой А.С., Нуртазина А.С., Кадыкова Ю.А.Эпоксидные композиты с повышенными эксплуатационными характеристиками, наполненные дисперсными минеральными наполнителями // Вестник Воронежского государственного университета инженерных технологий. – Т. 80, №.3 (77). – 2018. – С. 330 – 335.