Таким образом, установлено, что обработка ультразвуковым инструментом более эффективна для эпоксидных олигомеров с большей молекулярной массой. Сохранение низкой вязкости в течение 2050 мин после обработки вполне достаточно для пропитки наполнителем связующего и растекания клеев и покрытий. Последующее возрастание вязкости предотвращает стекание связующего и лакокрасочных материалов, а также вытекание клея из соединения.

Аналогичные исследования проводились на эпоксидных композициях. В качестве отвердителей были выбраны порошковые и жидкие вещества, имеющие различную активность по отношению к эпоксидным олигомерам. Исследовались следующие эпоксидные композиции: смола ЭД-24 - Диамет - Х (3,3¹ - дихлор - 4,4¹ - диаминодифенил); ЭД-22 - ДАДФМ (4,4¹ - диаминодифенил метан);- ЭД-16 - ПЭПА (полиэтиленполиамин); ЭД-8 - изо - МТГФА (изометилтетра - гидрофталевый ангидрид); Э-40 - УП-0633М (моноцианэтилдиэтилентриамин). Выбранное сочетание смол с отвердителем, а именно, низковязкая смола с порошковым отвердителем, высоковязкая смола с низковязким отвердителем, объясняется лучшим растворением друг в друге. Наибольший эффект снижения вязкости, как и в случае “чистых” олигомеров, наблюдался для композиции с высокомолекулярной смолой. Ускоренное возрастание вязкости после обработки ультразвуковым инструментом композиций с высокоактивными отвердителями значительно ускоряет процессы растворения компонентов друг в друге. Установлено, что вязкость обработанных ультразвуком композиций возрастает быстрее, чем вязкость необработанной композиции. Ускорение процесса гелеобразования наблюдается с увеличением времени УУЗО. Следовательно, изменением времени обработки возможно регулировать время гелеобразования композиций.

Исследовалось влияние интенсивности и времени обработки ультразвуковым инструментом на смачивающую способность олигомеров. Установлено, что характер изменения угла смачивания от времени обработки аналогичен зависимости для вязкости = . Минимальное значение угла смачивания достигается в результате УУЗО при =45…60 Вт/см² и =10…15 мин. Снижение после обработки, как и в случае с вязкостью, объясняется разрушением физических связей.

Оптимальным был принят режим обработки ультразвуковым инструментом при =30 Вт/см², =15 мин. В этом случае достигается максимальная продолжительность сохранения результата обработки.

Сравнительные исследования влияния обработки ультразвуковым инструментом на смачивающую способность олигомеров проводились при нанесении их на подложки из фторопласта (Ф-4), полиэтилентерафталата (ПЭТФ) и полиметилметакрилата (ПММА) и измерении соответствующих значений угла смачивания.

Установлено, что в ряду олигомеров ЭД-24, ЭД-22, ЭД-20, ЭД-16 наблюдается уменьшение значений углов смачивания после применения ультразвукового инструмента. Данный эффект можно объяснить увеличением молекулярной массы и числа гидроксильных групп в обработанном олигомере.

По результатам проведенных исследований был предложен способ снижения вязкости эпоксидных композиций и угла смачивания ими твердых поверхностей, новизна которого подтверждена патентом на изобретение.

Исследовалось влияние обработки ультразвуковым инструментом на пропитывающую способность олигомера ЭД-20 стекло- и базальтоволокон при определении высоты подъема и скорости пропитки. Установлено, что максимальный эффект достигается при обработки в течение 15 минут. Относительная высота подъема связующего в стекло- и базальтоткани увеличилась в 1,61,7 раза, а относительная скорость подъема - в 14 раз. Базальтовые волокна обладают несколько большой смачиваемостью по сравнению со стеклянными. Ультразвуковые воздействия практически не вызывали изменения поверхностного натяжения.

Таким образом, проведенные исследования показали, что обработка ультразвуковым инструментом позволяет значительно увеличить смачивающую и пропитывающую способности эпоксидного связующего. Кроме того использование ультразвукового инструмента способствует снижению числа пор, пузырьков, что также положительно влияет на физико-механические свойства пластиков, клеевых соединений и покрытий.

Известно, что увеличение свободной поверхностной энергии подложек увеличивает адгезию эпоксидных покрытий. С этой целью проводились экспериментальные исследования влияния обработки инструментом на свободную поверхностную энергию сталей и сплавов. Определение свободной энергии по углу смачивания тестовыми жидкостями показали для исследованных материалов некоторое ее уменьшение после обработки. Однако в ряде случаев наблюдалось значительное увеличение полярной составляющей, что может определять увеличение адгезионной способности.

В шестой главе приводятся результаты исследований применения виброударного ультразвукового инструмента для формирования физико-механических свойств полимерных композиционных материалов, клеевых соединений, покрытий и специальных свойств полимерных материалов.

Одним из основных требований к полимерным композиционным материалам является достаточная прочность. Проводились исследования прочности полимерных композиционных материалов из стекло- и базальтотканей, изготовленных на основе эпоксидных композиций ЭД-24 - Диамет - Х, ЭД-20 - ДАДФМ, ЭД-16 - ПЭПА, озвученных и без УУЗО.

Установлено, что у пластиков, полученных на основе обработанных ультразвуком композиций, наблюдается повышение прочностных характеристик. Предел прочности при растяжении увеличился на 3035%, при изгибе на 1226%, при сдвиге - на 2060%. Это явление можно объяснить пониженной вязкостью, улучшением смачивающей и пропитывающей способностей эпоксидных композиций после обработки ультразвуковым инструментом.

Актуальными для машиностроения и особенно для вертолето- и самолетостроения являются способы повышения прочности клеевых соединений.

На основе обработанных ультразвуком при установленных оптимальных режимах эпоксидных композиций были получены клеевые соединения системы металлэпоксидная композиция - металл. В качестве металлов применялись сталь Ст3, титановый сплав ВТ1-0, алюминиевый сплав Д16. Клеевой композицией служила эпоксидная смола ЭД-20 с отвердителем диаминодифенилметаном. Сравнивалась прочность систем на основе эпоксидной композиции, необработанной и обработанной ультразвуком при интенсивности =30 Вт/см² в течение ф = 15 мин.

Исследования показали, что обработка ультразвуковым инструментом приводит к значительному повышению адгезионной прочности клея к поверхностям различных металлов. Прочность при равномерном отрыве увеличилась на 3550%, при сдвиге - на 60100%. Это можно объяснить улучшением смачивающей и затекающей способности клея после обработки. Низкие значения вязкости способствовали увеличению площади контакта между адгезивом и подложкой. Постепенное нарастание вязкости эпоксидной композиции после нанесения на металлическую поверхность уменьшало вытекание клея из соединения.

Проводились сравнительные исследования адгезионной прочности полимерных покрытий из обработанных ультразвуком и без обработки эпоксидных композиций ЭД-20-ДАДФМ, ЭД-16-ПЭПА, Э-41-УП-0633М. Композиции толщиной 3050 мкм наносились на поверхности металлических подложек из сплавов Д16, ВТ1-0, стали Ст3 и стальной фольги. Применение УУЗО увеличило адгезионную прочность покрытий на 1015%. Это можно объяснить наблюдавшимся при нанесении лучшим растеканием покрытия. Ультразвуковая обработка композиции на 3045% снизила остаточные напряжения покрытия, что гарантирует увеличение срока его службы. Проведенные исследования показали, что применение обработки ультразвуковым инструментом эпоксидных композиций улучшает также прочностные характеристики многослойных градиентных покрытий.

Ультразвуковая обработка компонентов композиции оказывает положительное влияние на ряд специальных свойств полимерных материалов.

Для придания полимерному материалу определенной окраски, например при изготовлении самолетов и вертолетов, в эпоксидные смолы перед отверждением вводят красители. Получение качественных структурно-окрашенных полимерных материалов имеет определенные технологические трудности. Предложен состав нового структурно-окрашенного полимера синего цвета. Применение обработки ультразвуковым инструментом при его изготовлении повышает светостойкость и относительную твердость. Лучшая диспергируемость компонентов способствует более равномерному распределению компонентов и более полному протеканию реакции отверждения.

В последние годы широкое применение в оптоэлектронике и волновой оптике находят оптические элементы с заданным пространственным распределением показателя преломления. К ним относятся, например, волокна с градиентным распределением показателя преломления по сечению. Предложен новый способ получения полимерных материалов на основе эпоксидных смол с градиентом показателя преломления. Исследовались две технологии приготовления - с обработкой ультразвуковым инструментом и без обработки. Применение ультразвукового инструмента приводило к лучшему диспергированию частиц компонентов и, в конечном счете, к повышению прозрачности материалов.

Для защиты миниатюрных деталей на поверхности электронных печатных плат от механических, электрических и прочих воздействий на них методом заливки наносится полимерное покрытие. Такие покрытия должны быть механически и термически прочными. Разработан новый способ получения электроизоляционного компаунда на основе эпоксидных смол. Исследовались также два технологических процесса приготовления компаунда с применением ультразвукового инструмента и без применения. Воздействие ультразвука на эпоксидную композицию положительно влияло на все стадии процесса и, в конечном счете, привело к улучшению таких важных параметров отвержденного полимера, как условная ударная вязкость, огнестойкость.

Таким образом, как показали проведенные исследования, ударная ультразвуковая обработка является универсальным и эффективным способом повышения прочностных свойств полимерных композиционных материалов, клеевых соединений и покрытий, а также формирования специальных свойств полимерных материалов.

ОСНОВНЫЕ НАУЧНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Разработаны теоретико-экспериментальные основы работы виброударных ультразвуковых технологических систем и их применения для формирования эксплуатационных свойств металлических и композиционных материалов изделий машиностроения, включающие:

- математические модели работы виброударных ультразвуковых механизмов;

- комплексные программы расчета математических моделей виброударных ультразвуковых систем;

- виброударный ультразвуковой инструмент;

- метод мониторинга и управления работой виброударного ультразвукового механизма;

- технологические применения виброударных ультразвуковых систем.

2. Разработаны математические модели динамики работы виброударных ультразвуковых систем, выполненных по схемам с одним активным и одним пассивным вибраторами и с промежуточными бойками, рассматривающие в комплексе резонансные свойства ультразвуковых технологических систем с двумя степенями свободы с учетом нелинейности технологической нагрузки и процесс поверхностного пластического деформирования материала. Это позволило значительно повысить эффективность работы виброударных ультразвуковых систем.

3. Предложена новая, подтвержденная патентом конструкция ультразвукового виброударного инструмента с многобойковой насадкой.

4. Разработан метод мониторинга работы виброударного ультразвукового механизма с промежуточными бойками по интенсивности воздействия инструмента на поверхность обрабатываемого изделия, позволяющий управлять процессом.

5. Виброударная ультразвуковая система с одним активным и одним пассивным инструментом-волноводом применена для микроковки и упрочнения лезвий ножей. Определены зависимости микротвердости, степени наклепа, структуры материала вдоль формируемого клина и на острие лезвия. Установлено, что УУЗО увеличивает твердость кромки лезвия на 15-40% по сравнению с традиционной заточкой абразивным инструментом. Наибольший эффект применения УУЗО получен для нержавеющей стали аустентного класса, не упрочняемой термообработкой. Микротвердость поверхности после УУЗО достигала значений микротвердости мартенситых сталей после закалки.

6. Виброударный ультразвуковой инструмент с промежуточными бойками применен для снятия остаточных сварочных напряжений в стальных заготовках. Проведены комплексные исследования остаточных напряжений стальной сварной конструкции методами «полного освобождения» и «замеров прогибов». Установлено, что после УУЗО растягивающие напряжения на глубине 10-30 мкм преобразуется в сжимающие 40-70 МПа. Время эффективного действия УУЗО имеет пороговое значение.

Методом магнитной памяти установлено уменьшение внутренних напряжений в 1,5 раза после УУЗО в сварном шве длиной 1,5 м штуцера шарового резервуара газгольдера.

7. Установлено, что применение виброударного ультразвукового инстру-мента при обработке трубной стали 17ГТС обеспечивает повышение коррозионной стойкости стали на 5 10%. При ремонте коррозионных участков газовых трубопроводов УУЗО оказывает двойное действие: повышение коррозионной стойкости и упрочнение стали. В результате этого утонченные из-за коррозии стенки трубы после УУЗО восстанавливали свою прочность.

8. Исследованиями установлено, что применение виброударного ультра-звукового инструмента для обработки полимерного связующего обеспечивает повышение прочностных характеристик композиционных материалов, покрытий, клеевых соединений и формирование специальных свойств полимерных материалов. Новизна способов подтверждена патентами на изобретения.

9. Результаты исследований с экономическим эффектом в объеме 1,2 млн. рублей внедрены в ОАО «Казанское моторостроительное производственное объединение», ООО «Менделеевсказот» г. Менделеевск, ОАО «Производственное объединение ЕлАЗ» г. Елабуга, ЗАО «Мелита-К» г. Казань, ОАО «СеверНИПИгаз» г. Северодвинск; приняты к внедрению в ОАО «Казанский вертолетный завод». Результаты работы применяются так же в учебном процессе КГТУ им. А.Н. Туполева и Елабужского филиала КГТУ.

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ И НАУЧНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ДИССЕРТАЦИИ ИЗЛОЖЕНЫ В СЛЕДУЮЩИХ ПУБЛИКАЦИЯХ

Монография

1. Ганиев М.М. Повышение эксплуатационных характеристик полимерных композиционных материалов ультразвуковой обработкой. Казань: Изд-во Казан. гос. техн. ун-та, 2007. 83 с.

Статьи в журналах, рекомендованных ВАК

2. Ганиев М.М., Магсумова А.Ф., Амирова Л.М. Влияние ультразвуковой обработки на технологические свойства эпоксидного олигомера // Вестник КГТУ им. А.Н. Туполева. 2005. № 2. С. 810.

3. Ганиев М.М., Вагапов И.К. Шинкарёв А.С. Исследование влияния ультразвуковой ударной обработки на значение и распределение остаточных напряжений в сварной заготовке // Известия вузов. Авиационная техника. 2005. № 2. С. 5659.

4. Ганиев М.М. Исследование технологических свойств эпоксидных композиций, обработанных ультразвуком // Материаловедение. 2006. № 8. С 4144.

5. .Ганиев М.М., Шестаков С.Д., Лисин В.Н. Влияние ультразвуковой ударной обработки на коррозионную стойкость стали // Вестник КГТУ им. А.Н. Туполева. 2007. № 3. С. 1214.

6. Ганиев М.М., Вагапов И.К. Динамическая модель виброударной обработки сварных соединений ультразвуковым инструментом с промежуточным бойком // Проблемы машиностроения и надежности машин. 2007. № 2. С. 6976.

7. Ганиев М.М. Повышение прочностных свойств композиционных полимерных материалов применением ультразвуковой обработки эпоксидного связующего // Известия вузов. Авиационная техника. 2007. № 4. С. 7375.

8. Ганиев М.М. Динамика ультразвукового ударного инструмента с проме-жуточным бойком // Известия вузов. Авиационная техника. 2008. № 1. С. 5662.

9. Ганиев М.М. Влияние ультразвуковой обработки на физико-механические свойства клеевых соединений и эпоксидных композиций // Известия вузов. Авиационная техника. 2008. № 2. С. 7879.

10. Вагапов И.К, Ганиев М.М., Шинкарев А.С. Теоретическое и экспериментальное исследование динамики ультразвуковой виброударной системы с промежуточным бойком // Известия вузов. Машиностроение. 2008. № 5. С. 324.

11. Вагапов И.К, Ганиев М.М., Шинкарев А.С. Экспериментальное исследование ударной обработки ультразвуковым инструментом с промежуточным бойком // Известия вузов. Авиационная техника. 2008. № 4. С. 4144.

Патенты

12. Пат. 2171268 РФ. МКИ С 08 L 63/00. Структурно окрашенный эпоксидный полимер / Л.М. Амирова, М.М. Ганиев, А.А. Прохорова, Э.В. Сахабиева. Заявл. 03.08.1999.

13. Пат. 2283695 РФ. МПК ВО 1719/10, G05fl 24/00, С 08G 59/00. Способ ультразвуковой обработки эпоксидных олигомеров / Л.М. Амирова, А.Ф. Магсумова, М.М. Ганиев. Заявл. 06.09.2004.

14. Пат. 2222430 РФ. С1 7 В 29 D 11/00. Способ получения полимерных материалов с градиентом показателя преломления для светофокусирующих элементов / Л.М. Амирова, К.А. Андрианова, В.П. Фомин, Р.Х. Макаева, М.М. Ганиев. Заявл. 27.01.2004.

15. Пат. 2194731 РФ. С2 7 С 09 D 5/08, 163/02. Состав для получения градиентных покрытий / Л.М. Амирова, Л.Р. Гильманов, А.А. Прохоров, М.М. Ганиев. Заявл. 20.12.2002.

16. Пат. 2003129751/04(031768) РФ. Способ получения электроизоляционного компаунда / Л.М. Амирова, А.Ф. Магсумова, P.P. Амиров, М. М. Ганиев, А.Р. Шаяхметова. Заявл. 6.10.2003.

17. Пат. 2259912 РФ. Ультразвуковой виброударный инструмент / С.Д. Шестаков, М.М. Ганиев. Заявл. 26.02.2004.

Статьи в других журналах и материалы научно-технических конференций

18. Vagapov I.K., Ganiev M.M., Shinkarev A.S. Forced vibrations of two nonlinearly connected solid waveguides under static load // Journal of Sound and Vibration. 2007. № 302. P. 425441.

19. Amirova L.M., Ganiev M.M., Magsumova A. Investigation of surface and interfacial ^ properties of modified epoxy films formed in different condition // 2-nd International Symposium on "Reactive Polymers in Inhomogeneous Systems in Melts and at Interfaces". September 28 - October 1 2003 - Drezden, Germany, 2003. P. 18.

20. Ганиев М.М., Вагапов И.К., Шинкарёв А.С. Исследование изменения остаточных напряжений после ультразвуковой обработки в сварочных швах // Межвуз. сб. науч. ст. «Вопросы вибрационной технологии». Ростов-на-Дону. 2003.С. 138139.

21. Ганиев М.М., Вагапов И.К. Использование ультразвуковой обработки для снижения остаточных напряжений в сварочных швах // Фундаментальные и прикладные проблемы технологии машиностроения: Тез. докл. Междунар. науч.-техн. конф., 2527 сентября 2003 г. Орёл, 2003. С. 530531.

22. Ганиев М.М., Вагапов И.К. Метод ультрозвуковой обработки для снижения остаточных напряжений в сварной заготовке // Использование ультразвуковой обработки для снижения остаточных напряжений в сварочных швах: Тез. докл. XI Междунар. науч.-техн. конф., в г. Севастополе, 1318 сентября 2004 г. В 4 т. Донецк: ДонНТУ, 2004. Т.З. С. 249250.

23. Ганиев М.М. Исследования влияния ультразвуковой упрочняющей обработки на долговечность и трещиностойкость дисков турбин ГТД // Машиностроение и техносфера XXI века: Тез. докл. XII Междунар. науч.-техн. конф., в г. Севастополе, 1217 сентября 2005 г. -Донецк: ДонНТУ, 2005. Т.1. С. 184185.

24. Ганиев М.М., Вагапов И.К. Виброударная обработка ультразвуковым инструментом с целью повышения эксплуатационных свойств // Фундаментальные проблемы машиноведения: Новые технологии и материалы: Тез. докл. Всеросс. науч.-техн. конф. Нижний Новгород, 2006. С.25.

25. Ганиев М.М., Вагапов И.К., Шинкарёв А.С. Динамика виброударной обработки сварных соединений ультразвуковым инструментом с промежуточным бойком // Динамика виброударных (сильно нелинейных) систем: Тез. докл. XV симпозиума. Москва-Звенигород, 2006. С. 5255.

26. Ганиев М.М., Вагапов И.К. Моделирование ультразвуковой виброударной системы с промежуточным бойком // Машиностроение и техносфера XXI века: Тез. докл. XIV Междунар. науч.-практич. конф. в г. Севастополе 1722 сентября 2007 г. В 5 т. Донецк: ДонНТУ, 2007. Т.1. С. 178182.

27. Ганиев М.М., Гильманов Л.Р., Амирова Л.М. Градиентные покрытия на основе эпоксидных олигомеров и глицидиловых эфиров кислот фосфора // Тепловые двигатели в XXI веке: Тез. докл. Всерос. науч. конф. Казань, 1999. С.135137

28. Ганиев М.М., Магсумова А.Ф., Андрианова К.А. Использование ультразвука для получения полимеров на основе ограниченно совместимых полимеров // Физиохимия процессов переработки полимеров: Тез. докл. II Всерос. науч. конф. Иваново, 2002. С. 8889.

29. Ганиев М.М., Муратаев Ф.И. Моделирование и прогнозирование прочности и долговечности высоконагруженных элементов по критериям сопротивления усталости // Современные проблемы машиностроения: Тез. докл. Междунар. науч.-техн. конф. Гомель: ГПИ, 1999. С. 3945.

30. Ганиев М.М., Вагапов И. К. Моделирование виброударной обработки ультра-звуковым инструментом с промежуточным бойком // Прогрессивные техно-логии и системы машиностроения. Донецк: ДонНТУ. 2005. Вып. 32. С. 5564.

31. Комплексная программа для расчета амплитудно-частотных характеристик при виброударной обработке. Свидетельство № 2006611421. Дата поступления 13 марта 2006 г. Зарегистрировано в реестре 26 апреля 2006 г.

32. Моделирование резонансных режимов при ультразвуковой обработке материалов двухсторонними ударными инструментами. Свидетельство № 2006611616. Дата поступления 28 марта 2006 г. Зарегистрировано в реестре 12 мая 2006 г.

33. Амирова Л.М., Галимов Э.Р., Ганиев М.М., Сахабиева Э.В. Физико-химия поверхностей: Учебное пособие. Казань: Изд-во Казан. гос. техн. ун-та им. А.Н. Туполева, 1999.82 с.

34. Амирова Л.М., Ганиев М.М., Амиров P.P. Композиционные материалы на основе эпоксидных олигомеров. Учебное пособие. Казань: ОАО «Новое знание», 2002. 167 с.

35. Ганиев М.М., Вагапов И.К. Экспериментальное исследование динамики ультразвукового ударного инструмента с промежуточным бойком // Машиностроение и техносфера XXI века: Тез. докл. XV Междунар. науч.-практич. конф. в г. Севастополе 1520 сентября 2008 г. В 4 т. Донецк: ДонНТУ, 2008, Т.1.С. 219223.

36. Вагапов И.К, Ганиев М.М. Теоретическое и экспериментальное исследование виброударной обработки ультразвуковым инструментом с промежуточным бойком // Нелинейные колебания механических систем: Тр. VIII Всеросс. науч. конф. Нижний Новгород, 2226 сентября 2008г. В 2 т. Нижний Новгород: Диалог культур, 2008. Т.2. С. 6771.

37. Вагапов И.К., Ганиев М.М., Шинкарев А.С. (Елабуга) Экспериментальное исследование ударной обработки ультразвуковым инструментом с промежуточным бойком // Динамика виброударных (сильно нелинейных) систем «DYVIS-2009» Сб. тр. XVI симпозиума. Москва-Звенигород, 2009, С. 93-96.

38. Вагапов И.К., Ганиев М.М., Шестаков С.Д. Использование ультразвуковой ударной обработки для повышения коррозионной стойкости стали // Машиностроение и техносфера XXI века: Сб. тр. XVI междунар. науч.-техн. конф. в г. Севастополь 14-19 сентября 2009г. В 4 т. Донецк: ДонНТУ, 2009, Т.1. С.115-117.

39. Вагапов И.К., Ганиев М.М., Шинкарев А.С. Исследование влияния ультразвуковой обработки на технологические свойства материала // Проблемы и перспективы развития авиации, наземного транспорта и энергетики «АНТЭ-2009»: Материалы V всерос. науч.-технич. конф. в г. Казань, 12-13 октября 2009г. в 2 т. Казань: КГТУ им. А.Н. Туполева, 2009, Т.2 С.389-393.

40. Vagapov Ildar, Ganiev Mahmut Dynamics of an ultrasonic impact tool with an intermediate striker // The sixteenth International Congress on Sound and Vibration Krakow, 5-9 july 2009 Proceedings of the ICSV 16 on, 2009.

Размещено на Allbest.ru