Введение. Металлополимерные материалы – это олигоэфиракрилатные многокомпонентные материалы имеющие в своей основе пластичную матрицу и заполнитель. Как правило в качестве базы (матрицы) выступает модифицированная эпоксидная смола, а в качестве заполнителя может служить любой мелкодисперсный заполнитель [1, 2]. Сочетание пластичных свойств матрицы и физико-механических свойств заполнителя дает составу ряд уникальных свойств, таких как текучесть в не отвержденном состоянии, прочность и твердость в отвержденном состоянии, электропроводность или свойства изолятора, теплопроводность и многие другие свойства зависящие от того какой именно материал выбран в качестве заполнителя. Различные производители изменяя состав и пропорции компонентов добиваются получения составов находящих свое применение в различных отраслях промышленности. Чаще всего можно встретить вариант [1, 2] когда металлополимеры используют в качестве ремонтных составов, когда ремонтную деталь не представляется возможным вывести из оборудования для её ремонта или замены из-за непрерывности технологического процесса и требуется обеспечить ремонт и восстановление в составе сборочной единицы. Другим вариантом использования металлополимерных составов, является использование металлополимеров для изготовления новых изделий методом литья Кроме того, металлополимеры могут выполнять и роль защитного состава, когда поверхность изделия обрабатывается составом для придания антикоррозийных или антифрикционных свойств. Так же нередко металлополимеры используют в качестве клеевого состава при сборке различных узлов и агрегатов. Благодаря пренебрежительно низкому проценту объемной усадки металлополимерного состава, его так же используют для герметизации неподвижных соединений деталей.

При изготовлении пресс-форм для литья пластиковых изделий используют как стандартные изделия изготовленные согласно нормам взаимозаменяемости, так и специальные детали, выполненные непосредственно под то изделие которое планируется отливать в пресс-форме. Фактически производители оснастки стремятся использовать в конструкции пресс-формы унифицированные детали, объем которых может достигать до 95 % от всего комплекта деталей пресс-формы. Стоимость унифицированных деталей в цене пресс-формы составляет от 15 до 65 %. Изменения процента состава стандартных изделий во многом зависят от конструкции самого изделия которое планируется изготавливать в пресс-форме, а также от опыта и квалификации конструктора оснастки.

К специальным деталям пресс-формы чаще всего относятся формообразующие детали – матрицы и пуансоны. Именно формообразующие детали составляют наибольшую долю в стоимости всей пресс-формы, так как их изготовление является наиболее сложным технологически, а также требует соблюдения высоких точностных и размерных допусков. Формообразующие детали пресс-форм составляют наибольшую часть стоимости пресс-формы, а, следовательно, существует экономическая целесообразность переконструирования таких деталей под вновь изготавливаемые изделия в тех случаях где это возможно.

Авторы статьи работают над совершенствованием технологии реконструирования формообразующих деталей пресс-форм с использованием металлополимера наполненного алюминием марки «LEO». Результаты ранних изысканий приведены в [3, 4].

Способ получения формообразующих деталей с применением металлополимера, а также конструкция самой пресс-формы с комбинированными формообразующими деталями запатентованы [5, 6], однако авторы могут позволить себе в данной работе раскрыть некоторые аспекты и привести общую схему получения комбинированной формообразующей детали, для того чтобы раскрыть актуальность исследований, описываемых в текущей работе. Обобщенная схема получения комбинированной формообразующей детали для изделия «звездочка» с одной плоскостью разъема приведена ниже.

На первом этапе производится изготовление мастер-модели будущего изделия на 3D принтере. Модель изделия «звездочка», которая имеет специальные технологические основания с двумя отверстиями. Данное основание и отверстия необходимы для того, чтобы правильно отцентрировать модель относительно металлической части формообразующей плиты.

Далее напечатанная модель собирается с предварительно подготовленной металлической обоймой (рис. 1). Здесь модель 1 укладывается на основание и сверху накрывается металлической обоймой 3, которая имеет колодец 7. В колодец устанавливается закладная деталь 2 из выполняемого материала. Подвод охлаждающей жидкости осуществляется через отверстия 8, показана позицией 5 и вынесена из сборки. После отверждения металлополимера и извлечения мастер-модели, поверхность разъёма 6 подвергается шлифованию.

Выше приведенная схема является упрощенной и не отражает многих нюансов получения комбинированной формообразующей детали пресс-формы, однако она показывает, что одним из заключительных этапов является именно шлифование плоскости смыкания, состоящей из двух материалов: металла обоймы и металлополимера формообразующей части. Шлифование необходимо для того чтобы убрать технологические припуски свойственные мастер-модели при ее получении на 3D принтере. В случае невыполнения требований по шероховатости и плоскостности плоскости смыкания требованиям стандарта [7, 8], деталь в такой пресс-форме может получаться с облоем, что так же недопустимо.

Материалы и методы. Согласно теории абразивной обработки [8, 9] разработанной сотрудниками Южно-Уральского государственного университета Кошиным А.А. и Сопельцевым А.В., а так же работами Корчака С.Н., с учетом рекомендаций производителей абразивного инструмента, для обработки плоской поверхности смыкания пресс-формы с учетом обеспечения требуемой размерной точности и шероховатости Ra <0,80 рекомендуется использовать круг из электрокорунда марки 25А, зернистостью не выше 16, с углом заострения 85°.

Проблема назначения корректных режимов абразивной обработки на решение которой направленно настоящее исследование заключается в том, что возникает необходимость одновременной (совместной) обработки изделия имеющего разные физико-механические свойства и соответственно отличные режимы резания как для металла, так и для металлополимера. Другими словами необходимо подобрать те режимы шлифования, которые бы позволяли произвести обработку комбинированной детали с требуемой шероховатостью и не допустить возникновения дефектов обоих материалов. В теории могут возникнуть такие дефекты как прижёги и температурная диструкция матрицы металлополимера. Использование СОТС также не рассматривается в работе, так как на сегодняшний день нет данных о воздействии СОТС и металлополимера, что может привести к невидимой химической реакции и разрушению металлополимера или другим непрогнозируемым последствиям.

В соответствии с теорией абразивной обработки [9, 10], при обработке поверхности переферией круга нагрев поверхности имеет циклический характер. Существуют циклы нагрева и охлаждения, время цикла расчитывается согласно выражению [10]:

τн=2∙hSl=D∙tSl∙1000 ,                                    (1)

где Sl  – продольная подача стола, м/мин; D  – диаметр шлифовального круга, мм; t  – глубина резания при шлифовании, мм; 2∙h  – ширина плоского источника тепла.

Так как требуется вычислить температуру нагрева металлополимера при шлифовании, необходимо вычислить мощность источника тепла, для чего воспользуемся предложенной учеными Пермского национального технологического университетаформулой, Вт [11, 12]:

Qh.s=0,4899∙μh∙σв∙V∙b2∙l2∙np∙B∙lg,        (2)

где μh  – коэффициент трения зерна о заготовку; σв  – предел прочности обрабатываемого материала, мПа; V  – скорость резания при шлифовании, мм/с; b2 –ширина среза зерна, мм; l2  – длина контакта зерна с обрабатываемым материалом по задней поверхности, мм; np  – количество зерен при одновременном контакте; B  – высота круга, мм; lg – длина контакта круга с заготовкой, мм.

Согласно рекомендациям из [8], принимаем μh  = 0,46, угол зерна принимаем равным – 85°. Длина контакта круга с заготовкой, мм [13,14]:

lg=πDarcsin⁡(D-2tD)360° ,                         (3)

где D  – диаметр круга, мм; t  – глубина резания, мм.

Учитывая то, что в выражении (2) присутствует параметр σв , имеющий различные данные для стали и металлополимера, то и количество теплоты, выделяющееся при снятии припуска, разное.

Количество зерен в круге (средневероятностное) [9]:

np=0,0126χav2∙Sl∙tD∙KV∙0,25,                    (4)

где χav  – средне вероятный размер зерна (0,55 мм) для выбранного, по требуемой шероховатости круга [15, 16]; Sl  – продольная подача стола, мм/с; V – скорость резания, мм/с; K  – концентрация режущего материала в круге, %.

Для выбранного материала круга производители указывают 100 %-ю концентрацию, или К = 1.

На основе выше приведенных выражений для расчета мощности теплового излучения на поверхности обработки, вычислим значения температуры, для этого воспользуемся моделированием процесса теплопереноса с помощью программы конечно-элементного анализа.

Основная часть. Для более простого понимания процесса шлифования необходимо разработать схему абразивной обработки комбинированной детали (рис. 2) [14].

В двух случаях представленных на рис. 2, производится обработка темплета с размером l, h и в. В расчетах принимаем – в = Вk , так как упростит расчет и не окажет влияния на температуру в зоне в/2. Так же в двух случаях длина обработки, расчитывается от радиуса (D_кр/2) круга и глубины резания t.

На схеме б модель представлена двумя участками: 1 – участок из металлополимера, 2 – участок из металла. С учетом технологии изготовления комбинированной детали, длина металлополимерного участка должна стремиться к минимуму, с целью обеспечения максимальной теплопроводности.

а)              б)

Источником тепла является радиусная поверхность, в качестве начальной температуры взята температура 25 °С (Окружающая среда в цеху). Параметры шлифовального круга – материал 25А, высота круга 40 мм, диаметр круга 450 мм, а также режимы резания – глубина резания изменяется от 0,01 до 0,1 мм, продольная подача стола от 9 до 24 м/мин (0,015 до 0,4 м/с).

В таблицу 1 сведены расчеты мощности тепловыделения на всех диапазонах режимов резания [17, 18] для обоих материалов – стали и металлополимера.

Таблица 1

Значения мощности тепловыделения кВт при обработке стали 40Х13. ГОСТ 4543
(предел прочности 1840 МПа).

Выполнив подобные вычисления для металлополимерного материала на базе паспортных данных металлополимера [2] полученные данные сведем в таблицу 2.

Для того чтобы провести конечно-элементные расчеты необходимо также выполнить расчеты времени цикла нагрева и охлаждения согласно выражения (1). Расчетные данные также сведем в таблицу 3.

Таблица 2

Значения мощности (кВт) тепловыделения при обработке металлополимера, наполненного алюминием (предел прочности 140 МПа)

Таблица 3

Величина цикла нагрева-охлаждения, мс.