Способ изготовления изделий Советский патент 1992 года по МПК C08J3/28 B29C43/18 B22F7/08 

Изобретение относится к переработке пластмасс для последующего получения ме- таллополимерных изделий, таких как шестерни с пониженной виброактивностью в высоконагруженных передачах, например в токарных станках.

Известен способ изготовления подобных изделий, в частности зубчатых колес, при котором зазор между металлической ступицей и ободом заполняется расплавленным полимером. По этому способу применяют гранулированный полимерный материал, который предварительно расплавляют посредством внешнего подвода тепла, а затем заливают в промежуток между металлическими частями изделия.

Однако изготовление изделий по данному способу сопряжено со значительным расходом энергии, а также с необходимостью дополнительной обработки полимерной части изделия. Кроме того, изготовленные подобным образом

зубчатые колеса не могут обеспечить передачу значительных крутящих моментов, что делает невозможным их применение в силовых передачах

Некоторые из указанных недостатков могут быть устранены путем изменения структуры полимерной части- изделий. В этом способе получения изделий из поли- олефинов предусмотрено воздействие на порошкообразный полимер ультразвуковыми колебаниями с частотой в диапазонеТ

25 кГц, что позволяет получить монолитизированную заготовку с ориентированной структурой. Монолитизация при данной технологии позволяет получить изделия с улучшенными показателями по передаче крутящего момента.

Однако в известном способе неизбежны повышенные энергозатраты на изготовление металлополимерных изделий, поскольку по нему предусмотрено вначале получение отформованной заготовки (пол2

СЛ -Ч СО 00

имерной части изделия), а затем получение изделия путем деформирования вторично нагретой заготовки, при этом частично сохраняется ориентация молекул, полученная в результате монолитмзации полимера. Таким образом, известная технология также несвободна от таких недостатков, как повышенные энергозатраты и недостаточные прочностные свойства готовых металлопо- лимерных изделий.

Целью изобретения является повышение физико-механических свойств ме- таллополимерных изделий, например высоконагруженных шестерен с одновременным снижением энергозатрат.

На фиг. 1 схематично изображен начальный этап формования металлополимерной шестерни с подведенным кольцевым волноводом; на фиг.2 - готовое изделие с ярко выраженной радиальной ориентацией макромолекул; на фиг.З и 4 - начальный этап формования изделия (шестерни) с несущей осью и полученное готовое изделие соответственно; на фиг.5 - диаграмма процесса получения изделия.

Предлагаемый способ осуществляют при помощи следующего приспособления.

Элементы 1 и 2, из которых состоит металлическая часть изделия - в данном случае это зубчатый венец 1 и ступица 2 шестерни - фиксируются на основании 3, Сверху на элемент 1 устанавливается накладка 4, а на элементе - втулка 5. Собранные таким образом в комплект детали закрепляют на рабочем столе 6 и фиксируют друг относительно друга в осевом направлении. Затем в кольцевой промежуток между накладкой 4 и втулкой 5, а также между венцом 1 и ступицей 2 засыпают порошок 7 исходного полимера (это может быть капро- лон, полипропилен, поропласт и т.д.). После засыпки порошок 7 уплотняют, для чего мо- жег быть использован волновод 8, а затем включают генератор (например, УЗДН-1 142) и подвергают порошок ультразвуковому воздействию, время которого определяется исходя из достижения полимерной массой температуры, превышающей температуру плавления последней на 10 К.

Аналогичным образом могут быть изготовлены и другие типы металлополимерных изделий, например элементы силовых зубчатых передач с опорным валом и т.д. В этом случае соответственным образом изменяется конструкция технологического приспособления и волновода 8.

Под воздействием ультразвука происходит выделение тепловой энергии, что приводит к расплавлению частиц, причем

молекулы расплава лучшим образом ориентируются в направлении фронта распространения излучаемых волноводом волн именно при данном диапазоне амплитуды.

Для качественного заполнения полимером всех микро- и макронеровностей (шероховатостей проточек) сопряженных поверхностей металлической части изделия, необходимо сори нтировать молекулы

0 полимера так, чтобы они беспрепятственно входили в промежутки между упомянутыми неровностями металлических поверхностей. Это требование обеспечивается такой установкой волновода 8, при

5 которой его излучающая поверхность располагается нормально к сопряженным поверхностям металлической части изделия. Именно соответствующей ориентацией молекул полимерной части изделий во вза0 имодействии их с поверхностью металлической части изделия и объясняется достижение цели изобретения - получение изделия с повышенными прочностными параметрами, а производимое в

5 процессе охлаждения дальнейшее обьем- ное деформирование, осуществляемое в пределах понижения температуры (считая от Тпл) на 10-20 К, позволяет максимально сократить энергозатраты на получение из0 делия в целом.

После завершения монолитизации и объемного деформирования в процессе охлаждения готовое изделие извлекают из основания 3 и удаляют накладку 4 и втулку

5 5.

Проводят исследования возможности получения металлополимерных изделий по предлагаемому способу в зависимости от частоты ультразвука для различных ис0 ходных материалов полимерной части изделия, данные которых приведены в табл. 1.

Навеску необходимой массы порошкообразного материала подвергают удельно5 му давлению 0,8 МПа (уплотнению) с последующей ультразвуковой обработкой на установке УЗДН-1 с магнито- стрикционным преобразователем и титановым волноводом кольцевой фор0 мы, соответствующей форме полимерной части изделия.

Процесс теплового воздействия на изделие изображен на фиг.5 в виде темпера- турно-временной диаграммы, на которой на

5 участке до т.1 изображен процесс нагрева порошка полимера в результате воздействия на него ультразвуком, а участок от т. 1 дот. 2 характеризует период полного (гарантированного) расплавления полимера, в ре- зультате чего его температура повышается

на 10 К (считая от точки плавления). Под действием ультразвуковых колебаний молекулы полимера приобретают в расплаве направленное положение, которое сохраняется после начала пстывания массы (участок 2-3 до начала ее затвердевания. В этот интервал, начиная от т.З, и происходит процесс монолитизации, т.е. образование монолитной структуры, связывающей металлические части изделия. После охлаждения, которое может идти как естественным путем, так и принудительно полимерной части на 10- 20 К осуществляют ее объемное деформирование - т.4, в результате которого полимер приобретает необходимую форму.

По завершению процесс монолитизации, деформирования .и охлаждения полимерной части готовое изделие извлекают из основания 3 и удаляют накладку 4 и втулку 5.

Исследуют возможности получения ме- таллополимерных изделий по предлагаемому способу ч зависимости от частоты ультразвука. На используемой установке получают зависимость времени нагрева порошка полимера от частоты ультразвука При этом в интервале частот 15-18 кГц наблюдают существенное увеличение времени монолитизации наряду с ухудшением свойств изделий, при частотах выше 25 кГц время практически неизменно, однако появляется неоднородность температурного поля по объему полимерной части. Это приводит либо к перегреву полимера, либо к недостаточному его расплавлению, что ухудшает физико-механические свойства полимерной части изделия.

Прочностные свойства изделий, полученных по предлагаемому способу, в сравнении с такими же изделиями, полученными литьем под давлением, приведены в табл. 2.

Проводят экспериментальные исследования энергозатрат (по расходу тепловой энергии) на получение одной заготовки. Так, на получение изделия металлополимерной шестерни (фиг.4) предлагаемым способом требуется 5,6 Вт ч (диаметр полимерной части 12 мм, высота 15 мм, материал СВМПЭ), в то время как по известному способу - около 50 Вт ч. Такое различие объясняется тем, что в известном способе требуется фактически двойной разогрев полимерной части, причем повторное нагревание полимера сопряжено с дополнительным расходом тепла на нагревание формы и металлической части изделия.

Граничные величины дисперсности порошка 20 и 400 мкм объясняются тем, что

более крупные частицы уже не обеспечивают достаточного акустического контакта. Это приводит к быстрому затуханию ультразвука в массе полимера, что подтверждает- 5 ся данными, приведенными в табл. 3. Монолитизация такого материала и ориентация его молекул будут выражены слабо, что обусловливает низкие физико-механические свойства изделия в целом.

0 Оптимальные значения амплитуды ультразвуковых колебаний лежат в пределах 10-60 мкм. Нижний предел (10 мкм) не может быть уменьшен, поскольку в этом случае не обеспечивается эффективный подвод

5 энергии к порошкообразному полимеру. Проведенные испытания с заготовками из СВМПЭ (цилиндр 0 10 мм, h 15 мм) показали на отсутствие визуальных признаков монолитизации последних при любом вре0 мени воздействия ультразвуковыми колебаниями с упомянутой амплитудой. Верхний предел амплитуды колебаний (60 мкм) ограничен началом процесса деструкции полимера. Проведенные испытания с

5 приведенными заготовками показали, что деструкции подвергается поверхностный слой полимера, контактирующий с волноводом. Контроль начала деструкции осуществляют визуально по появлению летучих

0 компонентов разложения полимера.

Прочностные свойства заготовок, полученных различными методами, приведены в табл. 4 (при степени вытяжки Ra 7).

Таким образом, использование пред5 латаемого способа позволит повысить прочностные свойства металлополимер- ных шестерен (увеличить передаваемый ими крутящий момент примерно на 20%) и снизить энергозатраты на их изготбвле0 ние.

Формула изобретения 1. Способ изготовления изделий, включающий формование монолитизацией пол5 имёрной части из порошка термопласта при воздействии на него ультразвуковыми колебаниями до достижения температуры, пре- вышающей температуру плавления термопласта не более, чем на 10 К, с после0 дующими охлаждением и объемным деформированием полимерной части, отличающийся тем, что, с целью повышения физико-механических свойств металлопо- лимерных изделий, например высоконагру5 женных шестерен, с одновременным снижением энергозатрат, воздействие ультразвуковыми колебаниями осуществляют с амплитудой 10-60 мкм, а объемное деформирование производят в процессе охлаждения полимерной части.

2. Способ по п.1,отличающийся тем, что процесс охлаждения полимерной части ограничивают температурой на 10- 20 К меньшей температуры плавления термопласта.

3. Способ по пп.1 и2,отличающий- с я тем, что в качестве исходного материала полимерной части изделия используют порошок термопласта с размерами частиц 20- 400 мкм.

Использование, изготовление металло- полимерных изделий путем формования преимущественно зубчатых передач пониженной виброактивности с сокращением энергозатрат при повышении физико-механических свойств изделия. Сущность изобретения: технология изготовления упомянутых изделий включает формование полимерной части из порошка термопласта при воздействии на него ультразвуковых колебаний с амплитудой от 10 до 60 мкм до достижения температуры плавления термопласта не более, чем на 10 К, с объемным деформированием полимерной части в процессе охлаждения. 2 з.п ф-лы, 5 ил , 4 табл

Примечание. Частота 22 кГц, дисперсность порошка 20-400мкм.

Примечание.Содержание частиц с данным диаметром в исследуемом порошке более 70 %.

Монолитность материала определяется по цвету, прозрачности и другим визуально контролируемым признакам. Частота УЗ колебаний 22 кГц.Таблица 4

Таблица 1

Таблица 2

10Таблица 3

03

со со г- ю

«а- г-

«о

3

10

«о 3

Фиг. ЦТпл

Т охр среды

Ь нагр.

LOXJI.

Ь мин.