СОДЕРЖАНИЕ
резьба стеклопластик
Содержание
Введение
1 Выбор типа резьбового соединения стеклопластиковых труб
1.1 Классификация резьб. Их основные параметры и признаки
1.2 Виды применяемых резьб для соединения стеклопластиковыхтруб
1.3 Типы резьб
1.4 Особенности процесса резания и формированияповерхностного слоя
2 Подбор компонентов материала
2.1 Классификация стеклопластиков
2.2 Влияние состава и структуры стеклопластиков на ихобрабатываемость
2.3 Факторы, вызывающие погрешности элементов резьбы
3 Технология нарезания резьбы
3.1 Влияние технологической предыстории на точность резьбы
3.2 Процессы протекающие при нарезании резьбы
3.2.1 Процесс стружкообразования
3.2.2 Тепловые явления
3.2.3 Износ режущего инструмента
3.3 Технологические особенности нарезания резьбы
3.3.1 Оборудование, приспособления и вспомогательныйинструмент
3.3.2 Технологические операции и параметры процесса нарезания
Заключение
Список используемой литературы
Приложение А
Приложение Б
ВВЕДЕНИЕ
В настоящее время вразличных конструкциях, узлах механизмов машин, строительстве, машиностроении,и других областях широко применяются конструкции из металлов, пластмасс инаполненных пластиков, содержащих механические соединения. Но основной цельюсовершенствования применяемых конструкций аппаратов и машин и является снижениеих массы и размеров с одновременным улучшением прочностных характеристик,повышением надёжности и долговечности. Для решения поставленной задачипроизводят замену традиционно применяемых металлов и их сплавов на современные,ничем не уступающие по своим физико–механическим характеристикам армированныепластики. К числу таких материалов относят стеклопластики различных марок.
Стеклопластик обладаетмногими очень ценными свойствами, позволяющими ему считаться одним изматериалов будущего: малый вес (в среднем в 5-6 раз меньше, чем у черных ицветных металлов); диэлектрические свойства (диэлектрическая проницаемостьстеклопластика 4-14); высокие механические характеристики, превосходящиминекоторые сплавы цветных металлов и сталей; теплоизоляционные свойства, ивысокая коррозионная стойкость.
Применениестеклопластиковых труб взамен металлических увеличивает срок службытрубопроводов в 5-8 раз, исключает применение антикоррозионных защитныхсредств, в 4-8 раз снижает массу трубопровода, исключает применение сварочныхработ. Но при этом встаёт вопрос о механическом соединении данного вида труб.
Технологические факторыопределяют структурные параметры композиционного материала, егофизико-механические характеристики, остаточные напряжения, возникающие впроцессе изготовления соединений.
Эксплуатационные факторынепосредственно зависят от уровня и спектра внешних нагрузок, времени итемпературы эксплуатации, состояния среды, герметичности соединения.
Прочность наиболеераспространенных металлических соединений (клёпаных, болтовых, резьбовых)значительно превосходить прочность аналогичных соединений конструкций изполимерных композиционных материалов. К примеру, одна из проблем композитов –сохранение плотности стыка и обеспечение стабильности резьбовых соединенийвследствие ползучести и релаксации напряжений в соединении. Эти и другиеособенности следует учитывать при проектировании и выборе соединений и оценкеих прочности[1].
В идеале создаваемыеконструкции не должны изготавливаться путем соединения элементов. Так,например, изготавливают сосуды высокого давления методом намотки. Однако вбольшинстве случаев конструкции приходится собирать из отдельных деталей. Этокасается и трубопроводных систем. И создание разъёмных, в частности резьбовых, соединенийдля труб из стеклопластиков – один из сложных вопросов.
1 ВЫБОР ТИПАРЕЗЬБОВОГО СОЕДИНЕНИЯ СТЕКЛОПЛАСТИКОВЫХ ТРУБ
Выбор того или иногосоединения при проектировании определяется такими факторами как характер ивеличина нагрузки, размеры труб, физико-механические свойства материалов,условия эксплуатации, стоимость, технологическая реализуемость и т.д.Рациональное проектирование соединительных узлов предусматривает, прежде всего,анализ факторов, влияющих на несущую способность изделий.
Большое влияние напрочность оказывает тип соединения. В резьбовых соединениях большое значениеимеют тип резьбы и ее протяжённость, наличие усиливающих элементов и т. д.
Выбранное мной соединениедолжно применяться для соединения труб в нефтегазовой промышленности, черезкоторые могут перекачиваться так же углекислый газ, кислота и другие химическиереагенты. Температура эксплуатации от -50°Сдо +100°С. Все трубы имеют наружный диаметр 400мм, толщину стенки
24 мм, длину 6м и располагаются всоответствующих зонах скважин. Газовый фактор транспортируемой среды 150 м3/тпри давлении 0,1 МПа. Трубы должны быть герметичны в газовой среде при давлениидо 4 МПа. Разрушающее, растягивающее осевое усилие по резьбовому соединению«муфта-труба» — не менее 360 Кн [13].
1.1 Классификация резьб. Их основныепараметры и признаки
Резьбы подразделяют последующим признакам:
1) единица измерения шага(метрическая, дюймовая, модульная, питчевая резьба);
2) расположение наповерхности (внешняя и внутренняя резьба);
3) направление движениявинтовой поверхности (правая, левая);
4) число заходов (одно- имногозаходная);
5) профиль(треугольный, трапецеидальный, прямоугольный, круглый и др.);
6) образующая поверхность, на которой расположенарезьба (цилиндрическая резьба и коническая резьба);
7) назначение (крепёжная, крепёжно-уплотнительная,ходовая и др. (Рисунок 1.1)).
/>
Рисунок 1.1 – Классификация резьб
Основные параметры резьбыи единицы измерения:
1. Питчевая резьба — шаг резьбы измеряется в питчах (p"). Для получения числового значения (вмиллиметрах) достаточно питч умножить на число пи (π). Модульная ипитчевая резьба применяется при нарезании червяка червячной передачи. Профильвитка модульного червяка может иметь вид архимедовой спирали, эвольвентыокружности, удлинённой или укороченной эвольвенты и трапеции.
2. Шаг (P)расстояние между одноимёнными боковыми сторонами профиля, измеряется в доляхметра, в долях дюйма или числом ниток на дюйм — это знаменатель обыкновеннойдроби, числитель которой является дюймом. Выражается натуральным числом(например; 28, 19, 14, 11);
3. Наружный диаметр(D, d), диаметр цилиндра, описанного вокруг вершин наружной (d) или впадинвнутренней резьбы (D);
4. Внутреннийдиаметр (D1, d1), диаметр цилиндра, вписанного во впадины наружной (d1) иливершины внутренней резьбы (D1);
5. Высота исходноготреугольника резьбы (H);
6. Срез резьбы (p);
7. Угол подъёмарезьбы (ψ) [8].
1.2 Виды применяемых резьб для соединениястеклопластиковых труб
Существуют следующиеспособы получения резьб на деталях из стеклопластика: резанием, напрессовкой,заливкой компаунда, формованием профиля, получение профиля при центробежномформовании и др. Нарезание резьбы также затруднительно, но все же оно иногдавыполняется, если утолщение формованной конструкции достаточное и используетсявинт с крупной резьбой.
Для стеклопластиковнарезание является пока преобладающим способом получения резьб, обеспечивающимнеобходимую точность резьбы. Однако прочность резьбового соединения, зависящаякак от физико-механических свойств материалов соединяемых деталей, так и методаполучения резьбы при нарезании, будет ниже, из-за перерезания армирующих слоёвстеклопластика и нарушения целостности слоистой структуры его в районе резьбы.
Тем не менее, методнарезания резьб резцом находит широкое применение и для стеклопластика имеетсвои особенности [3].
Таблица 1.1 – Достоинства инедостатки различных типов резьбы
Профиль резьбы
Размеры
Достоинства
Недостатки Круглый симметричный Уменьшение концентрации напряжений Появление радиальных напряжений Упорный симметричный
По ГОСТу 10177 – 62
d ≥ 60 мм
1. Не создает радиальных усилий при нагрузке;
2. Большая площадь среза.
3. Наибольшая прочность из всех профилей
1. Острый угол создаёт условия для концентрации напряжений и подвергается выкашиванию;
2. Трудность изготовления Прямоугольный симметричный d ≥ 60 мм 1. При нагрузке не создаёт радиальных напряжений;
1. Сравнительно низкая прочность из-за наличия ленточной канавки (особенно у симметричного профиля)
2. Трудность получения профиля. Треугольный симметричный
d ≤ 200 мм
α > 60º
γ = 0-5º; β = 40-50º; t = 0,2S;d≥60мм
1.Простота изготовления;
2.Большая площадь среза;
3.Отсутствие ленточной канавки. 1.Наличие радиальных усилий при нагрузке;
Профиль и размерностьрезьбы зависят от свойств соединяемых деталей, их размеров и усилий,действующих на резьбовое соединение (Таблица 1.1). На стеклопластике можнополучить резьбу любого профиля, однако следует выбирать резьбы несимметричногопрофиля, т. к. они обеспечивают наибольшую прочность соединения при допускаемомнапряжении 130-150 Па, при напряжении стеклопластика при срезе 1000 Па
При выборе профиля резьбытак же необходимо учитывать толщину стенки трубы. На тонкостенных трубах нерекомендуется применять треугольный и круглый профили, так как под действиемосевой растягивающей силы они создают радиальные сжимающие усилия, которыемогут превысить допускаемые напряжения и в результате чего оболочка разрушится в зоне резьбы отсдвиговых и радиальных напряжений. На толстостенных трубах принципиальной разницы в выборе видарезьбы нет. Они обладают высокой жесткостью, и действующие радиальные усилия небудут оказывать существенного влияния на прочность резьбового соединения[3],[4].
Известно, что длястеклопластиков допускаемое напряжение в несколько раз меньше, чем дляметаллов, поэтому для создания равнопрочных резьб применяют несимметричныепрофили, в частности несимметричные упорные.
1.3 Типы резьб
В этом разделе рассмотримтри типа профилей резьб, наиболее часто применяемых в изделиях изстеклопластика.
1. Круглая резьба
Профиль круглой резьбыобразован окружностями, на вершинах и впадинах, соединёнными прямыми с угломпрофиля при вершине 30° [8].
/>
Рисунок 1.2 –Профиль круглой резьбы
В машиностроении эта резьба используется редко, применяетсяона в основном в соединениях, подвергающихся сильному износу, в загрязненнойсреде, для водопроводной арматуры, в отдельных случаях для крюковподъемныхкранов, а также в условиях воздействия агрессивной среды.
Такой профиль придействии осевой растягивающей силы создаёт радиальные сжимающие усилия, которыемогут значительно превосходить допускаемые напряжения, и труба в районе резьбыразрушается. Эта резьба стандартизована.
2. Треугольная резьба
В соответствии с ГОСТ 6367–81 трубная цилиндрическаярезьба имеет профиль дюймовой резьбы, т. е. равнобедренный треугольник с угломпри вершине, равным 55° (Таблица А.1).
/>
Рисунок 1.3 – Треугольный профильрезьбы
Резьба стандартизованадля диаметров от />" до 6"при числе шагов zот 28 до 11.
Трубную резьбу применяютдля соединения труб, а также тонкостенных деталей цилиндрической формы. Такогорода профиль (55°) рекомендуют при повышенных требованиях к плотности(непроницаемости) трубных соединений. Треугольные резьбы дают возможностьполучить плотное соединение.
3. Упорная резьба
Упорная усиленная резьба,S45° с углом наклона боковых сторон профиля 45° и 3°, с номинальным диаметромот 80 до 2000 мм стандартизованная по ГОСТ 24737–81, имеет профильнеравнобокой трапеции, одна из сторон которой наклонена к вертикали под углом3°, т. е. рабочая сторона профиля, а другая – под
углом 30° (Таблица А.1). Формупрофиля и значение диаметров шагов для упорной однозаходной резьбыустанавливает ГОСТ 10177–82. Резьба стандартизована для диаметров от 10 до 600 мм с шагом от 2 до 24 мм и применяется при больших односторонних усилиях, действующих в осевомнаправлении [5], [8].
/>
Рисунок 1.4 –Упорная несимметричная резьба
Рассматриваемая резьбахарактеризуется следующими параметрами:
d – наружный диаметр;
d1 – внутренний диаметр;
t1 – теоретическая высота профиля;
t – высота профиля;
S — шаг резьбы;
Sв – ширина витка резьбы по наружному диаметру;
r, r1 – радиусы скругления впадин и вершин резьбы;
β – задний угол профиля;
γ – передний угол профиля.
Особенности упорнойспециальной резьбы:
1) небольшая глубина впадин t = 0,3S (для стандартных резьб t = 0,86S);
2) отношение ширины витка к шириневпадины по среднему диаметру всегда больше 1.
3) Изменение наружного диаметра впределах допуска изменяет величину ширину витка резьбы в среднем на 1 %.
Основные параметрыупорной резьбы имеют следующие значения:
Шаг резьбы S = 10 (мм);
Передний угол профиляγ = 5º;
Задний угол профиляβ = 45º;
Высота профиля t = 0,2S = 2 (мм);
Ширина витка Sв = 7,266 (мм);
Радиус закругления r = 0,05S = 0,5 (мм);
r1 = 0,02S =0,2 (мм).
Наружный диаметр и шагрезьбы выбирают в зависимости от назначения детали и требований прочности ковсему резьбовому соединению[3].
Итак, исходя изтребований, предъявляемых к выбранному соединению и характеристик резьб,применяемых для стеклопластиковых изделий наиболее правильным будет применениеупорной несимметричной резьбы. Так как она имеет ряд преимуществ, по сравнениюс другими профилями:
1. не создает радиальныхусилий при нагрузке;
2. большая площадь среза;
3. наибольшая прочностьиз всех профилей.
Однако, следуетучитывать, что применение того или иного профиля будет зависеть так же и отсвойств самого материала, его обрабатываемости, схемы армирования.
Обрабатываемость того илииного материала – понятие комплексное. Ее основные показатели: интенсивностьзатупления режущего инструмента, характеризуемая скоростью резания приопределенной стойкости; качество поверхностного слоя, постоянство размеров впределах допусков; сила резания ирасходуемая мощность.
Анализ свойств и составаприменяемых материалов позволяет выделить основные критерии, по которым ихследует относить к той или иной группе обрабатываемости. Это, в первую очередь,тип связующего (термопластичный или термореактивный). Важным фактором являетсятип наполнителя, т.е. его состав (органический или неорганический), егофизическая природа и свойства, и, наконец, — структура наполнителя(волокнистый, листовой, порошкообразный и т.д.) [9].
1.4 Особенности процесса резания и формированияповерхностного слоя
Обработка резаниемстеклопластика имеет ряд особенностей, отличающих их от аналогичной обработкиметаллов. Эти особенности сводятся к следующему.
1) Ярко выраженнаяанизотропия свойств. Это определяет различие процесса резания при обработкевдоль и поперек армирующих волокон. Схема армирования существенно влияет накачество и производительность обработки. Поэтому при разработке технологическойоперации механической обработки композиционных материалов следует учитыватьтакже направление обработки относительно направления армирования.
2) Сложность получениявысокого качества поверхностного слоя. Слоистая структура приводит к тому, что приизносе инструментов происходит расслоение материала. Кроме того, приперерезании армирующих волокон, особенно при перекрестномармировании, наблюдается разлохмачивание перерезанных волокон, чтоприводит к ухудшению качества поверхностного слоя, поэтому иногда применяютдополнительную отделочную операцию, например зачистку шкуркой.
3) Низкаятеплопроводность материалов, обуславливающая плохой отвод теплоты из зонырезания со стружкой и в обрабатываемое изделие. Поэтому при обработке высокопрочных композиционных материаловосновная доля теплоты отводится через режущий инструмент. Согласноэкспериментальным данным тепловой баланс при обработке полимерныхматериалов следующий: в инструмент – 90 %, в стружку – 5 %, в обрабатываемуюдеталь – 5 %, в то время как при обработке металлов иногда до 90 % теплотыуносится стружкой и только 10 % поглощается деталью и инструментом.
4) Интенсивное воздействие стекловолокна, обладающего высокойтвердостью и абразивной способностью.
5) Высокие упругиесвойства. Силы резания при обработке композитов в 10…20 раз ниже, чем приобработке металлов, а упругие характеристики выше, поэтому точность обработки вменьшей мере определяется упругими деформациями системы: станок –приспособление – инструмент.
6) Невозможностьприменения смазочно-охлаждающих жидкостей. Это обуславливается тем, чтобольшинство стеклопластиков обладает высоким влагопоглощением. Поэтомуприменение СОЖ во многих случаях влечет за собой введение дополнительнойоперации – сушки изделия – или вообще недопустимо из – за необратимогоизменения физико-механических свойств.
7) Специфическиетребования техники безопасности при резании композиционного материала. Этосвязано с выделением мельчайших частиц материала при резании.
Состояние поверхностногослоя играет очень важную роль в обеспечении высоких эксплуатационныхпоказателей изделий. Он оказывает существенное влияние на прочность, износ,диэлектрические показатели, водопоглощение и т.д.
Механическая обработкасущественно изменяет свойства поверхностного слоя (в часности, шероховатости).А перерезание армирующих волокон приводит к прочности изделий на 20 %.Шероховатость поверхности влияет как на водопоглощение и прочностные свойства,так и на износостойкость.
Механическая обработкаизделий из композитов интенсифицирует процесс водопоглощения. Это происходит засчет того, что при обработке, во-первых, снимается всегда имеющийся наповерхности слой полимеризованного связующего, являющийся как бы защитнымслоем; во-вторых, перерезаются армирующие волокна наполнителя; при этомобразуются микротрещины и другие дефекты материала, нарушающие егосплошность[9].
2 ПОДБОР КОМПОНЕНТОВ МАТЕРИАЛА
2.1 Классификациястеклопластиков
На обрабатываемостьстеклопластиков оказывают влияние многочисленные факторы: тип наполнителя исвязующего, метод изготовления стеклопластиковых труб, ориентациястекловолокна.
По химическому составуразличают три вида стёкол в производстве стеклопластиков:алюмоборосиликатное (бесщелочное), алюмомагнезиальное (щелочное),кремнезёмное.
Стекловолокно щелочного состава обладает большойгигроскопичностью. Под влиянием влаги на поверхности волокна щелочного составаобразуется свободная щелочь, которая, проникая в поверхностные трещины,усиливает процесс разрушения волокна и приводит к снижению его прочности.Незащищенное стекловолокно бесщелочного состава при длительном нахождении вовлажной среде также теряет свою прочность (до 40%), однако при высыханиистекловолокна прочность его восстанавливается. Изделия же из стеклопластиковпод действием влаги сохраняют свою прочность длительное время.
Для изготовления стеклопластиков с повышеннымитеплофизическими свойствами начинает широко применяться кремнеземное волокно,получаемое из щелочного или бесщелочного стекла путем его обработки смесьюсоляной и серной кислот. За исключением кремнезема, остальные компоненты,входящие в состав стекла, под действием кислот растворяются. Получаемоестекловолокно содержит до 98% SiO2. На основаниивышеизложенного марки стеклопластиков по типу стекловолокна можно разделить надве группы:
1) стеклопластики на основе алюмоборосиликатногостекловолокна(примерно 54% SiO2) АГ-4 С, АГ-4В, 27-63 С, 33 18 С, СК-9Ф, ВФТ, ФН, ЭФ32 -301, ПН-1, ЭФБ-П, ЭФБ-Н;
2) стеклопластики на основе кремнеземного стекла(примерно 98% SiO2) П-5-2, РТП, Т3-9Ф.
Классификациястеклопластиков по ориентации стекловолокна. В качестве наполнителя впроизводстве стеклопластиков непосредственно стекловолокно используется оченьредко. В основном стекловолокно используется после текстильной переработки ввиде ровниц, жгутов, тканей.
Стеклопластики, изготовляемые из ровниц, обладают резковыраженной анизотропией свойств.
Рубленые пряди из некрученых волокон, называемыежгутами, используются как наполнитель для стеклопластиков с неориентированнымрасположением волокон. Наибольшее распространение стекловолокно как наполнительполучило в виде крученых нитей в стеклотканях и стеклолентах (узкая ткань).
На основании проведенного анализа видов ориентациистекловолокна стеклопластики можно классифицировать по группам:
1) анизотропные стеклопластики – стеклопластики соднонаправленным расположением волокон (на основе ровниц): 27-63 С, АГ-4 С,33-18 С;
2) стеклотекстолиты – стеклопластики с взаимноперпендикулярным расположением волокон (на основе тканей): СК-9Ф, ВФТ, ФН, ЭФ-32-301,ПН-1, ЭФБ-П, ЭФБ-Н, Т3-9Ф, ЭДП-10П;
3) изотропные стеклопластики – стеклопластики снеориентированным расположением волокон (на основе жгутов): АГ-4В, П-5-2, РТП.
В мировой промышленностииспользуют 6 типов стекол для производства волокон общего и специальногоназначения. Они различаются химическим составом, процентным содержание входящихв них оксидов (Таблица 2.1):
1. А-Na, Ca-силикатное стекло, имеет низкую влагостойкость, поэтомуредко используется в производстве наполнителей для композиционных материалов.
С-химическое стекло,обладает повышенной химической стойкостью, применяется при изготовлениикоррозионно-стойких материалов.
1. Д-стекло сповышенной электрической прочностью, используется в производстве материаловэлектротехнического назначения.
2. Е-алюмоборосиликатноестекло, используется для производства наполнителей общего назначения.
3. S-высокопрочное, высокомодульноестекло, разработано для применения в материалах для аэрокосмической техники.
4. IM-31A-высокомодульное стекло, используется в производствестеклопластиков повышенной жесткости.
Таблица 2.1 – Типичныйсостав основных волокнообразующих стекол, % по массе [3]
Компоненты стекла
Марка стекла А C Е S Кварцевое
SiO2 70,5 64,0 53,0 64,2 99,95
Al2O3 3,1 5,5 15,0 24,8 ––
Fe2O3 0,2 1,0 0,1 0,21 –– CaO 8,7 12,0 27,0 0,01 –– MgO 3,1 2,0 4,0 10,27 ––
Na2O3 12,0 9,5 0,3 0,27 ––
B2O3 –– 2,0 10,0 0,01 –– BaO –– 2,0 –– 0,2 –– Прочие 2,4 2,0 0,6 0,03 0,05
Классификация стеклопластиков по типу связующего. Связующеепредставляет собой композицию синтетических смол, включающих различные добавки(инициатор, ускоритель, катализатор и др.). При изготовлении стеклопластиковсвязующее не проникает в структуру наполнителя, а лишь обволакивает поверхностьстекловолокна. Поэтому основными требованиями, предъявляемыми к связующим,являются хорошая смачивающая способность и адгезия связующего к стекловолокну,которые обеспечивают склеивание отдельных нитей и слоев и одновременность ихнагружения в стеклопластиках. На механическую прочность стеклопластиков большоевлияние оказывают усадка связующего, его механические свойства, термо-, водо- иатмосферостойкость и другие свойства. Из большого количества смол, обладающихадгезионными свойствами к стекловолокну, в качестве связующих для производствастеклопластиков наибольшее применение находят полиэфирные, эпоксидные,фенольно-формальдегидные, кремнийорганические смолы и их модификации.
Классификация стеклопластиков по связующим несколькоусловна, так как связующие некоторых стеклопластиков содержат смолы,относящиеся к различным группам. Тем не менее, при данной классификации имеемгруппы:
1) стеклопластики на основе эпоксидных смол имодифицированных эпоксидных смол: ЭФ-32-301, ЭДП-10П, 27-63С, 33-18С, ЭФБ-П,ЭФБ-Н;
2) стеклопластики на основе полиэфирной смолы – ПН-1;
3) стеклопластики на основефенольно-формальдегидных смол и модифицированных фенольно-формальдегидных смол:П-5-2, ВФТ, ФН, АГ-4С, АГ-4В;
4) стеклопластики на основе кремнийорганических смол и модифицированныхкремнийорганических смол: РТП, ТЗ-9Ф, СК-9Ф.
Тип связующего также определяет такую важную характеристикуматериала, как его термостойкость. Основная масса стеклопластиков может долгоработать при температурах 130-150°С и кратковременно — до 250°С.Стеклопластики на основе эпоксидных смол работают при температурах до 200°С, ана основе кремнийорганических связующих — до 370 °С [12].
Полиэфирные смолы могутприменяться только со стекловолокном. Главное преимущество полиэфирных смол посравнению с винилэфирными и эпоксидными – их крайняя дешевизна. Отрицательнымисторонами являются высокий уровень фильтрации воды, сильная усадка и высокоесодержание вредных веществ. Обладают худшими по сравнению с эпоксидными смоламихарактеристиками в области адгезии и растяжения, в результате чего готовоеизделие склонно к образованию микротрещин и формированию слабого вторичногоклеевого соединения. Эти характеристики приобретают значение, когда заходитречь о соединении разнородных материалов в одном изделии, или когда материалыне имеют обычной стекловолокнистой основы. Лучше всего подходят дляизготовления конструкций, не критичных к весу, адгезии и прочности на излом.
Полиэфирныесмолы применяются при производстве изделий методом ручного формования,напыления, машинного изготовления и пултрузии, используются для выпускапрозрачных стеклопластиков, пожаростойких и химически стойких изделий.
Эпоксидные смолыпредставляют самое универсальное семейство смол, применяемых для производствастеклопластиков. Практически по всем параметрам эти смолы обеспечивают самыевысокие показатели клеевого шва и прочности. Смолы обладают крайне малойусадкой. Часто эпоксидная смола используется в качестве химически стойкогобарьерного слоя стеклопластиков, т. к. обладает очень низким водопоглощением(менее 0,5%). Современные эпоксидные смолы могут обладать низкой вязкостью иконтролируемым временем отверждения.
Эпоксидная смолапревосходит полиэфирную по адгезии практически ко всем материалам, в то времякак полиэфирная не обеспечивает даже надежной адгезии стеклоткани к древесине.Эпоксидная смола гарантирует полное отверждение, она пожаробезопасна и менеетоксична.
Классификациястеклопластиковых намотанных изделий выглядит следующим образом. В зависимости от типа укладкиармирующего волокнистого материала в намотанном изделии различают следующиетехнологические схемы намотки: прямая (окружная), спирально-винтовая(тангенциальная, кольцевая), спирально-перекрёстная(спирально-продольная, спирально-поперечная), продольно-поперечная и др.
Прямую намотку применяют в тех случаях, когданеобходимо получить оболочку, длина которой меньше или равна шириненаматываемой ленты.
/>
Рисунок 2.1 – Схемапрямой намотки. 1 – оправка; 2 – рулон с тканью
Продольно-поперечнаянамотка.Технологическая схема намотки показана на рисунке 6. Вертлюг – дорн, на которомпо периметру установлены шпули с волокном, вращаясь синхронно с оправкой,перемещается вдоль ее оси, укладывая продольные ленты. Одновременно укладываютсякольцевые слои, фиксирующие ленты продольной укладки.
/>
Рисунок 2.2 –Схема продольно – поперечной намотки.
1 – оправка; 2 – вертлюгкатушек продольных лент; 3 – катушка кольцевой ленты; 4 – наматываемаяоболочка; 5 – катушка продольной ленты
Сущностьспирально-винтовой намотки заключается в укладке армирующего материала наповерхность оправки по винтовой линии. При этом витки, образованные непрерывной укладкой арматуры, плотноприлегают между собой или имеют строго постоянный нахлёст, величина которогосвязана с числом формируемых одновременно слоёв заданной структуры. Возможныдва варианта укладки слоёв армирующего наполнителя: однослойная укладка имногослойная.
Этот метод широкоиспользуется в сочетании с другими. Отдельно он применяется в тех случаях,когда необходимы повышенная кольцевая прочность или жесткость (например,упрочнение металлических труб).
Но хочется особоевнимание уделить косослойной продольно – поперечной намотке, так как в нашемслучае (для нарезания резьбы) данная схема армирования обеспечивает наибольшуюпрочность изделия. Кроме того данный способ намотки наиболее часто применим впроизводстве напорных стеклопластиковых труб среднего диаметра.
/>
Рисунок 2.3 – Схемакосослойной продольно – поперечной намотки.
1 – оправка; 2 – катушкадля нитей; 3 – вертлюг для укладки осевых нитей; 4 – ванна для пропитки
Метод заключается в том,что слой продольно- поперечного армирования формируется не в пределах всейоправки, а в пределах технологической ленты, укладываемой на оправкуспирально-винтовым методом с малой подачей. Набор требуемой толщины стенкиформуемого изделия осуществляется обычно за один ход раскладывающего устройства(Рисунок 7) [9].
Так как выбранное мной изделие должно применяться внефтегазовой промышленности, через которые могут перекачиваться так жеуглекислый газ, от -50°Сдо + 100°С, то целесообразно выбрать стеклопластик на основе непрерывноговолокна из С-химического стекла. Важным моментом для производства качественногоизделия являются адгезия смолы и пропитываемость волокон, так как монолитностьи совместная работа волокон обеспечивается полимерным связующим. Поэтомусвязующее выбираем – эпоксидное.
2.2 Влияние состава и структуры стеклопластиков на их обрабатываемость
Для установления влияниясостава и структуры на обрабатываемость стеклопластиков были сопоставленыкоэффициенты обрабатываемости стеклопластиков по различным видам классификации.
Таблица 2.2 – Коэффициентыобрабатываемости стеклопластиков:
Стойкость r,
в мин
Коэффициент обрабатываемости Kv, Tстеклопластиков
ЭФБ-П
АГ-4С
27-63С 10 0,753
1* 1,25 30 0,74 1 1,18 45 0,73 1 1,165 150 0,76 1 1,30 * — За единицу приняты скорости резания стеклопластика АГ-4С
На обрабатываемостьстеклопластиков оказывает влияние стекловолокно. Так, коэффициентобрабатываемости стеклопластиков на основе кремнезёмного волокна (наиболеетруднообрабатываемые стеклопластики) в 2,5 – 3 раза ниже коэффициентаобрабатываемости стеклопластиков с алюмоборосиликатным волокном (СК-9Ф,ЭФ-32-301). Такого существенного различия вобрабатываемости не наблюдается при анализе влияния типа связующего.Стеклопластикам на основе кремнийорганических, фенолформальдегидных иэпоксидных связующих свойственны как большие, так и малые значениякоэффициентов обрабатываемости, разница значений которых в пределах каждойгруппы достигает от 3 до 10 раз (Таблица 2.3).
Таблица 2.3 – Влияниетипа связующего на обрабатываемость стеклопластиков:
Вид связующего Полиэфирное Эпоксидное Фенолформальдегид-ные Кремнийорганические Марка СП
Коэффии-ент стойкости, в мин Марка СП
Коэффици-
ент стойкости, в мин Марка СП
Коэффици-
ент стойкости, в мин Марка СП
Коэффи-циент стойкости, в мин ПН — 1 0,96 ЭФ 32-301 0,56 П-5-2 0,15 РТП 0,067 ЭДТ-10П 0,88 ВТФ 0,087 Т3-9Ф 0,162 27-63С 1,18 ФН 0,87 СК-9Ф 0,6 33-18С 1,62 АГ-4С 1,37 ЭФБ-П 0,74 АГ-4В 0,84 ЭФБ-Н 1,63
Коэффициентобрабатываемости стеклопластика на полиэфирном связующем незначительноотличается от средних значений коэффициентов обрабатываемости стеклопластиковна основе фенолформальдегидных и эпоксидных смол.
Следовательно, несвязующее, а наполнитель, являясь причиной износа режущего инструмента,определяет обрабатываемость композиционного материала.
При исследовании влиянияориентации стекловолокна на обрабатываемость пластиков не выявлено четкойзависимости. Коэффициент обрабатываемостистеклопластиковс неориентированным и ориентированным взаимоперпендикулярнымрасположением волокон лежит практически в одном интервале значений(Таблица 2.4). При точении стеклопластиков с однонаправленнымрасположением волокон режущая кромка не перерезает, а скользит по поверхностиволокна в процессе резания.
Таблица 2.4 – Зависимостькоэффициента обрабатываемости от ориентации волокна в стеклопластике:
Ориентация волокна
Анизотропные СП
Стеклотекстолиты
Изотропные СП Марка СП
Коэффициент стойкости, в мин Марка СП
Коэффициент стойкости, в мин Марка СП
Коэффициент стойкости, в мин 27-63С 1,18 ВФТ 0,87 АГ-4В 0,84 АГ-4С 1 ФН 1,37 П-5-2 0,16 33-18С 1,62 ЭФ 32-301 0,56 РТП 0,067 ПН-1 0,96 ЭФБ-П 0,74 ЭФБ-Н 1,63 Т3-9Ф 0,16 ЭДТ-10П 0,88
На обрабатываемостьстеклопластиков не малое влияние оказывает метод их изготовления. Влияние методов изготовления стеклопластиков на ихобрабатываемость объясняется различной степенью плотности волокон встеклопластике и пористостью, различной адгезией связующего кстекловолокну[10].
Обрабатываемость материаловв значительной степени в значительной степени зависит от теплообразования итеплораспределения, возникающих в процессерезания. Однако такие физические свойства стеклопластиков, как коэффициент, дляразличных марок стеклопластиков изменяются в незначительных пределах.Анализ свойств более 20 марок стеклопластиков показал, что значениякоэффициентов теплоёмкости с и коэффициентов теплопроводности λколеблются в пределах с=0,84∙103 – 1,46∙103Дж/(кг·К) и λ=0,35 – 0,45 Вт/(м∙К).
Данный анализ позволяет установитьте свойства стеклопластиков, которые могутоказать влияние на процесс резания и, следовательно, на обрабатываемость.[10]
2.3 Факторы,вызывающие погрешности элементов резьбы
Источники погрешностейпараметров упорной специальной резьбы можно разделить на три группы:технологические, конструктивные и эксплуатационные.
1. Технологическиефакторы:
а) заточка режущей частиинструмента;
б) установка режущегоинструмента относительно оси изделия;
в) износ режущегоинструмента;
г) качество материала обрабатываемогоизделия;
д) режимы резания;
е) человеческий фактор (втом числе квалификация рабочего).
2. Конструктивныефакторы:
а) Габариты иконфигурация изделия;
б) Номинальные размерырезьбы (d, S, SB, t, β, γ, LP);
в) Жесткость детали(толщина ее стенки).
3. Эксплуатационныефакторы:
а) Температура окружающейсреды;
в) Изменениефизико-механических характеристик и размеров от времени и эксплуатации;
в) Отличие коэффициентовлинейного термического расширения соединяемых деталей.
Всеэти факторы могут вызвать отклонения элементов резьбы вследствие скрытыхдефектов материала (пор, трещин, отслоений и т.д.), температурных деформаций,погрешностей заточки и установки резьбы и др. Рассмотрим наиболее существенные из них.
Влияние конусности деталина величину ширины витка. Конусность, возникающая в результате неточностиоборудования или вследствие износа проходного резца. Однако при выходеконусности за верхнюю границу допуска наружного диаметра для обеспечениянадёжной свинчмваемости последний необходимо обточить дополнительно сприпуском, равным (Рисунок 2.4).
/>
Рисунок 2.4 –Влияние конусности детали на величину ширины витка резьбы по наружному диаметру
2ab=Lpk = 2Lptgα (2.1),
где Lp — длина резьбы;
α – половина углапри вершине конуса.
Погрешность ширины виткапри этом будет
ΔSВ3=Lptgα (tgβ + tgγ) (2.2).
Эту погрешностьнеобходимо учитывать только при нарезании резьб на проход на деталях сотношением L/d > 6.
Отличие коэффициентовлинейного расширения материалов соединяемых деталей. Различие указанныхкоэффициентов может сказаться на погрешности
Δl=αLPΔT (2.3),
где Δl – приращение длины;
α – коэффициентлинейного ьермического расширения;
LP – длина резьбы;
ΔT – приращение температуры.
Максимальная погрешностьпри Т=20±10ºС составляет ΔSТ max≤0,03мм. Температурные деформации узлов станка при нарезании резьбы на точностьобработки влияния не оказывают и учёт их не требуется.
Кроме того, соединение(свинчивание) двух труб можно рассматривать как местный процесс сжатияматериала. Однако сжимающие напряжения и деформации сами по себе не могутвызвать разрушение. Так как кроме сжимающих имеют место только два вида напряжений — растягивающие и касательные, то при резании стеклопластиковразличают два основных типа разрушений: от растягивающих напряжений (путемотрыва) и от касательных напряжений (путём среза).
В резьбовом соединениитрубы наиболее часто подвергается поломке конец трубы по первому витку.Переменные нагрузки в сочетании с концентрацией напряжения во впадинах резьбыобусловливают усталостный характер сломов. Разрушению способствуют такженеравномерный характер распределения нагрузки по резьбе, отклонения элементоврезьбы, связанные с износом инструмента, неравномерностью распределения силрезания [15].
В каждом конкретномслучае задачи повышения прочности соединения и точности нарезания резьб должнырешаться с учетом специфических особенностей материала деталей, способаизготовления и условий производства. Любое отклонение от оптимальных значенийпараметров технологического процесса и технологических режимов приводит кухудшению качества детали, а в дальнейшем к снижению точности при механическойобработке.
3ТЕХНОЛОГИЯ НАРЕЗАНИЯ РЕЗЬБЫ
3.1 Влияниетехнологической предыстории на точность резьбы
Качествостеклопластиковых деталей определяется четырьмя основными технологическимипараметрами: натяжением стеклоткани (нитей или жгутов), удельным давлениемприжима, температурой полимеризации, временем полимеризации. Первый и второйпараметры определяют плотность намотки, третий и четвертый – структуру материала. Любые отклонения оттехнологических параметров и режимов приводит к ухудшению качества материала.Так, например, несоблюдение требований по необходимому натяжению армирующегоматериала и давлению прижима создаёт условия для возникновения пустот, аотступления от режима полимеризации приводят к расслоению материала приобработке.
К наполнителям иполимерным связующим при изготовлении деталей предъявляют ряд требований:
1) стекловолокнистыенаполнители должны быть одной марки, партии и даты выпуска;
2) условия хранениякомпонентов не должны допускать резких перепадов температуры;
3) компоненты полимерныхсвязующих не должны иметь просроченной даты годности;
4) Целесообразнонемедленное использование приготовленного связующего.
Из конструктивныхфакторов наибольшее влияние на точность механической обработки оказываетжесткость детали и длина резьбы. Толщина стенки трубы должна быть такой, чтобыона удовлетворяла и требованиям прочности, и требованиям минимального прогибапод действием силы резания. Так как резьба выполняется не на всей длине, а сконцов, то под резьбу следует делать утолщения с таким расчетом, чтобы размервнутреннего диаметра не был меньше наружного диаметра основного тела трубы.
Длина резьбы выбираетсяиз расчета получения количества витков n от 6 до 12, так как большее количество витков наувеличение прочности резьбы влияет отрицательно. При отношении /> имеем наилучшие условиядля нарезания резьбы (минимальные деформации самой детали, наименьшие прогибыдетали в районе резьбы).
Из технологическихфакторов преобладающее влияние на точность резьбы оказывают три: заточкарежущей части инструмента, установка резца относительно оси детали, износрежущего инструмента. Данные факторы составляют 30 – 40 % от суммарнойпогрешности резьбы. Из эксплуатационных факторов следует учитывать различиекоэффициентов линейного термического расширения (КЛТР) соединяемых материалов,особенно при эксплуатации при повышенных температурах.
Таким образом, чтобыпроизводить механическую обработку стеклопластика с необходимой точностью,требуется четкая организация и обеспечение всего технологического процесса навсем этапе изготовления детали – от исходных материалов для намотки до контроляпосле механической обработки (точения и резьбонарезания) [4].
3.2 Процессы,протекающие при нарезании резьбы
3.2.1 Процессстружкообразования
Стружкообразование взначительной степени определяет процесс резания и его результаты. От процессастружкообразования зависят сила резания, расход энергии, количествовыделяющейся теплоты, точность и качество обработки, условия работы инструментаи станка. Характер образования стружки и еётипы во многом определяются свойствами обрабатываемого материала. Характернаяособенность процесса резания в том, что стружка образуется в процессепреодоления упругих деформаций (для стеклопластика в этом случае областьпластических деформаций практически отсутствует). Обработанный материал, упругосжатый во время резания, затем упруго восстанавливается.
В первоначальный моментвнедрения инструмента происходит сжатие материала изделия, что приводит ксжатию контактных слоёв и увеличению площади соприкосновения с инструментом.При дальнейшем увеличении нагрузки сначала происходит хрупкое разрушениеполимерной матрицы с образованием опережающей трещины. Появляется зона сдвига,являющаяся условно плоскостью скалывания. Одновременно происходит как нарушениеадгезионных связей между волокнами армирующего материала и полимерной матрицей,так и разрушение (разрыв) волокон. Образуется элемент стружки, которыйперемещается вдоль плоскости сдвига, чему способствует непрерывное перемещениеинструмента.
В процессе смещения элемента стружки происходит дальнейшее сжатиематериала и образование нового элемента стружки, который отделяется в тотмомент, когда сила, действующая на резец, превысит силы внутреннего сцепления.Если адгезионная связь между волокнистым материалом и полимерной матрицейвасока, то получается сливная стружка. При недостаточной адгезии образуетсяэлементная стружка или стружка надлома. Увеличение степени износа инструментаприводит к сильному измельчению стружки, появлению большого числа пылевидныхчастиц. В целом, разрушение армированных полимерных материалов можно считатькак упругое.
Схемаармирования также влияет на процесс стружкообразования. Если угол намоткисовпадает с траекторией вершины резца, то развивается опережающая трещина вдольтраектории, а резец скользит вдоль поверхности волокна, не разрушая его. Еслиугол армирования не совпадает с траекторией резания, тогда опережающая трещинаразвивается в направлении армирования и образуется стружка надлома. Таким образом, механизмстружкообразования при резании можно представить следующим образом. Поддействием механических напряжений в зоне наибольших касательных напряжений (еепринимают за условную плоскость сдвига) протекают периодические сдвиговыеявления, приводящие к упругому разрушению обрабатываемого материала иформированию, в зависимости от условийобработки и схемы армирования материала, стружки того или иного типа [12].
Вблизи вершины резцаобрабатываемый материал испытывает деформации растяжения, перпендикулярные кнаправлению резания, и деформации сжатия, направленные вдоль резания.Максимальные напряжения сжатия наблюдаются у вершины резца. Особенностьобработки армированного пластика – наличие существенного слоя сжатия,находящегося ниже линии среза, что приводит к его упругому восстановлению. Этоявляется причиной погрешности размеров.
Частички разрушенногоматериала (стеклянные волокна), смешанные с частичками затвердевшегосвязующего, рассеиваются в воздухе и загрязняют его. При механической обработкестеклопластик подвергается и тепловому воздействию. При этом происходятхимические превращения, которые сопровождаются выделением различныхнизкомолекулярных соединений. Кроме того, образование пылевоздушной смеси впроизводственном помещении может привести к взрыву. Опасность возникновениявзрыва весьма велика, т.к. при обработке стеклопластика без использованиясмазочно-охлаждающих жидкостей на поверхности изделия возникает потенциалэлектростатических зарядов от 2,5 до 10 кВ, разряд которого может вызватьискру.
Поэтому нельзя допускать отложение слоев пыли наоборудовании, полах, стенах. В качестве дополнительных мер по снижениюраспространения пыли и стружки устанавливаются средства улавливания пыли в зонерезания, ограждение зоны резания, местные вентиляционные устройства.
ВЦНИИОТомразработано пневматическое устройство непрерывного удаления элементной стружкии частиц пыли непосредственно от режущей части инструмента. Особенностьюустройства является то, что пылестружкоприемное устройство тесно связано срезцедержавкой и составляет ее неотъемлемую часть. Основными частямипневматической системы являются резец-пылестружкоприемник (Рисунок 3.1) ивентиляционная установка. Резец-пылестружкоприемник представляет собойдержавку, выполненную за одно целое с пылестружкоприемником. Расстояние отвходного сечения пылестружкоприемника до режущей кромки не должно превышать 8 мм.
/>
Рисунок 3.1 – Схема резца спылестружкоприемником
Вентиляционнаяустановка, предназначенная для создания всасывающего воздушного потока вовходном сечении резца-пылестружкоприемника, способствует улавливанию стружки ипыли в пылестружкоприемник и обеспечивает непрерывное удаление итранспортировку их в стружкосборник. Производительность вентиляционнойустановки, рассчитанной на одни станок должна составлять порядка 800 м3/ч[10].
3.2.2 Тепловые явления
В отличие от металлов,армированные стеклопластики обладают низкой теплостойкостью. При температурахвыше 300-350ºС начинаются интенсивная термодеструкция и разложениеполимерного связующего. Это приводит к резкому ухудшению свойств материала,появлению прижогов и большого по величине дефектного слоя. Поэтому обработкуармированных пластиков следует вести при таких режимах, чтобы температура непревышала 300ºС.
Теплота, образующаяся прирезании, является результатом работы деформаций, трения стружки иобрабатываемого изделия о переднюю и заднюю поверхность инструмента,механических превращений полимера, разрушения волокон.
/>
Рисунок 3.2 –Схема движения тепловых потоков
Выделяющаяся в зонерезания теплота расходуется (Рисунок 3.2) между инструментом, стружкой,обрабатываемой деталью и средой, причём отвод теплоты в окружающую среду весьмамал и им можно пренебречь, тогда
/> (3.1),
где QC, QИ иQД – количество теплоты, отводимоесоответственно в стружку, инструмент и детальКонцентрация теплоты в инструментеприводит к значительному повышению температуры на его режущих кромках, чтонельзя не учитывать при выборе инструментального материала и оценкеинтенсивности изнашивания резцов. Соотношение составляющих расходной частитеплового баланса в среднем составляет: QC ≈ 5%; QИ ≈ 90% и QД ≈ 5%.
С увеличением времениработы и нарастанием износа температура в зоне резания главным образом нарежущих кромках инструмента возрастает и может достигать 600ºС [12].
3.2.3 Износ режущегоинструмента
Для управления процессомрезания и обеспечения производительности обработки необходимо выяснить природуи закономерности изнашивания инструмента. Известно, что изнашивание инструментапри резании материала носит комплексный характер, т.е. абразивно-механическое,диффузионное, адгезионное, усталостное, химическое и другие виды изнашивания,причём в зависимости от условй обработки преобладает тот или иной видизнашивания, который и является определяющим.
Так, диффузионный износпри нарезании резьбы на стеклопластиковых изделиях отсутствует, так как дляэтого необходимо повышение температуры более 900ºС, в то время как в зонерезания она не поднимается выше 600ºС. Наличие полимерного связующего иего деструкция приводят к появлению поверхностно-активных веществ в зоне резания,интенсифицирующих процесс изнашивания.
Армирующие волокна (вданном случае стеклянные) оказывают абразивное воздействие на режущийинструмент, и происходит истирание режущей поверхности (абразивно-механическоевоздействие) (Рисунок 3.3).
Адгезионныйизнос практически отсутствует, так как условиями для его возникновенияявляются сродство между инструментом и обрабатываемым материалом, высокоедавление в зоне резания и пластические деформации Разрушение пластиков при резании носит упругийхарактер, что исключает возможность такого износа.
/>
Рисунок 3.3 – Схемавоздействия стекловолокна на материал режущей части инструмента:а) пластическое деформирование; б) образование микростружки; в)хрупкое разрушение.
1 – стекловолокно; 2 –микростружка; 3 – материал режущей части; 4 – различные включения.
Предпосылкой химическогоизноса является возможность химического взаимодействия полимера с металлом вмономолекулярном слое на границе раздела. Кроме этого возможен так жеводородный износ, возникающий при трении между инструментальным иобрабатываемым полимерным материалом. Возникающие при трении ионы водородапроникают в имеющиеся микротрещины. В зародышах трещин протоны водорода могутприобрести электроны и образовать атомы, а затем — молекулы. Увеличиваясь вразмерах, они с огромной силой распирают поверхности в месте дефекта. Трещины,сливаясь друг с другом, приводят к разрушению поверхностного слоя.
От износа и стойкости к немуинструмента зависит точность нарезаемой резьбы и качество получаемойповерхности [10].
3.3 Технологическиеособенности нарезания резьбы
Рассмотрим весь комплексвопросов, связанных с нарезкой резьбы: оборудование, технологию, включаяподготовку концов труб к нарезанию резьбы, рекомендуемый режущий инструмент.
Технология нарезаниярезьбы на трубах (Рисунок 3.4) включает в себя несколько операций:
1) Входной контрольтрубы:
а) контроль качестваповерхности трубы;
б) контроль состоянияторцевой поверхности;
в) контроль отклонения отокруглости.
2) Подача трубы наспециальный токарный станок:
а) установка трубы,закрепление;
б) базирование трубы;
в) установка люнетов.
3) Снятие наружной фаски.
4) Установка резьбовогорезца по шаблону;
5) Нарезание резьбы:
а) первый проход 0,15 мм; следующие 5 проходов 0,5 мм; 2 чистовых прохода 0,1 мм и 1 зачистной проход 0-0,05мм.
6) Выходной контролькачества резьбы.
7) Снятие трубы со станкаи отправка на склад.
3.3.1 Оборудование,приспособления и вспомогательный инструмент
Отличительными свойствамиконструкционных стеклопластиков, как уже отмечалось ранее, являются: слоистаяструктура с различными физико-механическими характеристиками слоёв; низкаятеплопроводность; низкая прочность на срез (скалывание); абразивные свойстваматериала и др.
Эти свойства приводят кнекоторым особенностям их механической обработки:
1) режущие кромкиинструмента должны быть особенно острыми и ровными;
2) не допускаетсяпревышение установленной величины износа режущего инструмента;
3) во избежаниерасщепления материала следует избегать механической обработки параллельнослоям;
4) при обработке деталейбольшой длины и диаметра, т.е. при удлиненном цикле работы режущего инструмента,последний сильно нагревается, поэтому целесообразно применятьмногоинструментную обработку или уменьшать режимы резания;
5) для удалениявозникающей при механической обработке смолостеклянной пыли и мелкой стружкикаждый станок должен быть оснащён вытяжной вентиляцией.
В машиностроениинарезание резьбы производят на токарно-винторезных, винторезно-токарных, но восновном на резьбообрабатывающих станках. Основными типами резьбообрабатывающихстанков являются резьбонарезные, резьбофрезерные, гайконарезные, резьбо- ичервячно-шлифовальные станки. Способы резьбообрабатывания, применяемый при этомрезьбонарезной инструмент и резьбообрабатывающие станки весьма разнообразны.
Образование резьбыспособами нарезания и фрезерования для наружной резьбы производят резьбовымирезцами, винторезными головками, гребенчатыми и дисковыми резьбовыми фрезами,круглыми плашками. Резьбо-фрезерование один из самых производительных методов –выполняется на специализированных резьбофрезерных станках (Рисунок 3.5).
/>
Рисунок 3.5 – Станок специальныйтокарный с ЧПУ. Модель РТ818Ф4
Станок предназначен длянарезания любого профиля резьбы методом вихревого фрезерования (Основныехарактеристики представлены в Таблице Б1). Вихревой метод является обработкойрезанием с прерывистым снятием стружки. Вихревое нарезание резьбы полностьюавтоматизировано.
Преимущества:
1) сокращениеосновного времени обработки детали по сравнению с нарезанием резьбы резцами обычнымспособом;
2) чистота поверхностирезьбы почти, а иногда и полностью соответствует чистоте шлифованной;
3) образованиесуставчатой легко транспортируемой стружки;
4) точность формыобработанной детали, т.к. стружка каждым резцом снимается небольшая (в видезапятой) и усилие резания невелико;
5) обработка возможна безохлаждения.
Метод вихревойобработки и оборудование для этого.
Вихревая обработкаявляется наиболее экономичным методом нарезания внутренних и наружных резьб,эксцентриковых и экструдерных червяков и других спиралевидных деталейспециальных профилей. АООТ «РСКБС» разрабатывает, а АООТ«РСЗ» изготовляет современное оборудование для следующих отраслейпроизводства агрегаты, станки и инструмент для вихревого резьбофрезерованиянаружных и внутренних резьб и червяков всевозможных профилей.
Для получения самыхразных профилей резьбы путем наружного и внутреннего нарезания мы пользуемсятремя различными способами:
1) эксцентрическимвращением инструментов вокруг изделия при одновременном медленном вращенииизделия;
2) планетарнымвращением инструментальных оправок внутри невращающихся изделий;
3) наружной обработкойкрупных изделий с крутыми резьбами [18].
Базирование труб при нарезании наружной резьбыпроизводится по отверстию при помощи конических грибков с насечкой на конуснойчасти, гладких конических грибков, разжимных колец и др., представленных нарисунке3.6.
Обрабатываемая трубаодним концом устанавливается на центрующий поясок кольца, закреплённого впатроне токарного станка, а другой прижимается грибком, установленным навращающемся центре задней бабки.
При обработке труббольшой длины для уменьшения прогибов следует применять люнеты с роликовымиопорами. Так как длина трубы равна 6 м, то количество люнетов берётся вколичестве 5 штук (при длине трубы более 1,5 м люнеты устанавливаются через 1 м друг от друга и от места закрепления трубы). Для предотвращения поверхностидетали от возможных повреждений на нее в районе люнета надевается специальнаявтулка.
/>
Рисунок 3.6 –Специальные грибки и пробки для базирования труб из стеклопластика
Специальныхприспособлений для установки труб не требуется. В нашем случае трубаустанавливается на станок вместе с оправкой, на которую производилась намотка.Это следует делать для увеличения жесткости детали, так как изделиетонкостенное [4].
3.3.2 Технологическиеоперации и параметры процесса нарезания
Снятие фаски снаружной поверхности трубы.
Даннаяобработка производится на станке с числовым программным управлением (ЧПУ)проходным резцом марки PSRNR 3225 P15 с углом фаски j=75°.
При работе на обычномстанке необходимо развернуть резцедержатель для обеспечения требуемого углафаски. Следует заметить, что угол фаски по ГОСТу составляет 65±5, поэтому приприменении резца с j=45° мы, в лучшем случае, получим фаску на пределе допуска.В то же время, используя резец с j=75° мы гарантировано получаем фаску с углом,соответствующим требованиям ГОСТ.
/>
Рисунок 3.7– Снятие наружной фаски
При использовании станкас числовым программным управлениемздесь могут быть применены расточные резцы с различными углами в плане, так какугол обеспечивается программой.
Установка резьбовогорезца. Серьезнымвопросом при резьбонарезании является правильная установка инструмента. Настанках с числовым программным управлениеминструмент, как правило, настраивается вне станка на специальных оптическихприборах. Данные по настройке вносятся потом в специальные корректора системы числовым программным управлением.Правильность установки инструмента в резцедержателе обеспечивается его конструкциейи конструкцией инструментальной оснастки.
Следует отметить, чтонеправильная установка может привести к получению бракованной резьбы даже прииспользовании вполне годного инструмента. Необходимо обеспечение двух условий:правильного расположения режущей кромки относительно оси изделия, правильнойориентации инструмента относительно вертикальной оси. Первое требованиеявляется достаточно привычным, правда, для резьбообработки оно приобретаетособоезначение из-за дополнительных искажений профиля при неправильнойустановке инструмента К выполнению второгоусловия, к сожалению, иногда. относятся недостаточносерьезно, хотя ономожет самым непосредственным образом сказаться на качестве резьбы.
/>
Рисунок 3.8 — Установка резьбового инструмента
Если нет специальныхприспособлений для выверки правильности установки инструмента, можноиспользовать, например, подрезанный торец трубы для проверки параллельности емудержавки инструмента. Однако ни в коем случае нельзя настраивать инструментпутем установки параллельности верхушек его зубьев проточенному конусу трубы.Угол наклона линии, проходящей через вершины зубьев гребенки или пластины,никогда не равняется углу уклона конуса. Настраивая инструмент подобнымобразом, вероятно получить искаженные углы профиля.
Режущий инструмент.Материал режущей части. На производительность, стойкость и прочность резца влияют материалрежущей части, конструкция и размеры инструмента, основные геометрическиепараметры режущей части.
Резцы избыстрорежущих и легированных инструментальных сталей для нарезания резьбы настеклопластиковых изделиях применять не следует ввиду их малой стойкости. Оптимальным инструментальным материалом приобработке стеклопластиков является вольфрамокобальтовый твердый сплав.Изнашиваниетвердых сплавов при обработке стеклопластиков происходит главнымобразом за счет абразивного истирания кобальта и выпадения вследствие этогоотдельных зерен карбидов. Однако данный инструментальный материал внастоящее время является труднодоступным.
Наиболееперспективными инструментами при точении стеклопластиков, обеспечивающихнаивысшую производительность, являются резцы с режущей частью из натуральныхили искусственных, синтетических алмазов: АСБ–баллас, АСПК – карбонад99. Ониимеют наибольшую из всех инструментальных материалов твердость, высокуютеплопроводность, позволяют затачивать режущие кромки резцов с минимальнымрадиусом округления (1…3 мкм). При обработке алмазными резцами достигаетсятакже наименьшая шероховатость обработанной поверхности, высокая точностьразмеров деталей при высокой стойкости инструментов.
Точениеалмазным резцом стеклопластика дает шероховатость обработанной поверхности Rz=10 мкм на режимах резания (V=500 м/мин,
S=0,21 мм/об, t=1,5 мм), значительно превышающихрекомендуемые. Шероховатость поверхности практически не ухудшилась после 4,5часов работы алмазного резца, хотя резец работал на скорости резания,превышающей в 5 раз скорость резания при точении твердосплавными резцами.
Конструкция резцов. Резьбонарезные резцы бываютстержневые, призматические и круглые, соответствующей длины и сечения; ихгеометрические параметры не отличаются от геометрических параметров фасонныхрезцов. Наружную резьбу нарезают прямыми или отогнутыми резцами. Расположениережущих кромок резца должно соответствовать профилю обрабатываемой резьбы. Влунках, уступах, специальной геометрии или стружколомах инструмент ненуждается, так как в дроблении стружки нет необходимости. Резцы токарныерезьбовые для наружной резьбы, с пластинами из твердого сплава срелаксированным режущим элементом, и алмазным напылением изготавлены поГОСТ-18885 и предназначены для нарезания наружнойрезьбы в деталях или заготовках на универсальном и автоматизированнымоборудовании, в том числе на стонках с числовымпрограммным управлением.
Нарезание резьбывыполняется профильным резцом по шаблону на профиль с проверкой шаговымшаблоном (Рисунок 3.9).
/>
Рисунок 3.9 — Резец токарный резьбовой для наружной резьбы
В подобных случаях обычноиспользуется несколько инструментов (черновые и чистовые резцы) дляпоследовательной обработки заданного профиля по слоям. Кроме того, внезависимости от шага нарезаемой резьбы, который может быть и переменным, профильвсегда остается постоянным.
Геометрическиепараметры режущей части инструмента. Величины углов заточки режущего инструмента оказывают большоевлияние на точность и чистоту обрабатываемой поверхности, стойкость и прочностьинструмента, усилия резания и деформации, поэтому выбор их оптимальных значенийимеет важное значение.
Форма переднейповерхности должна быть плоской, без фасок. Углы в плане φ и φ1 определяютсяпрофилем резьбы. Значение угла φ определяет соотношение между шириной итолщиной среза при постоянных величинах подачи и глубины среза. Для исключенияразбивания впадины резьбы, угол профиля необходимо выполнять на 1º-1º10΄ меньше необходимого угла профиля резьбы. При величине переднего углаγ=5º, при этом инструмент имеет наибольшую стойкость. Значениезаднего угла α может быть определено в пределах 5-15º.Предпочтительное значение угла 5º, а угол наклона главной режущей кромкицелесообразно выполнять равным λ=0º.Установка резца
относительно деталипроизводится перпендикулярно оси детали при угле подъема резьбы не более3º.
Режимы резания. При нарезании резьбы режимы резанияопределяются скоростью и глубиной резания за каждый проход. Продольная подачаопределяется шагом резьбы. Подача резца на глубину резания – поперечная подачаили врезание для черновых проходов – может быть радиальной или боковой, а длячистовых проходов только радиальной.
Глубину резания выбирают,исходя из припусков на обработку h, мм.Глубина резания на один проход t > 1 мм приводит к значительному снижению стойкости инструмента и ухудшению чистоты поверхности.Оптимальные значения глубины резания можно считать следующие:
Первый проход 0,15 мм
Следующие n проходов 0,5 мм
Чистовые (1–2) проходы 0,1 мм
Зачистные (1–2) проходыот 0 до 0,05мм
Небольшая глубина резанияпервого прохода делается с целью предотвращения возможных расслоений, сколов идругих дефектов. Зачистные проходы следует выполнять для резьбовой поверхностии удаления возникающего при резьбонарезании ворса в углах между сторонамипрофиля и поверхностью наружного диаметра.
Общее количество проходовпри нарезании специальной упорнойрезьбы на стеклопластиковых трубах выбираетсяв зависимости от шага Sрезьбы. Резьба должна быть крупной и выбираться в зависимости от размеровпрядей стекловолокна и промежутков между ними. В нашем случае шаг резьбы S выбираем равным 10 мм, при этом общее число проходов равно 9 [4].
Скорость резания истойкость инструмента не зависят от шага резьбы. Увеличение скорости резаниясвыше 70 м/мин приводит к резкому снижению стойкости инструмента. Рекомендуемыезначения скорости резания при нарезании специальной упорной резьбы приведены втаблице 3.1 [4].
Таблица 3.1 – Скоростирезания при нарезании специальной упорной резьбы на деталях из стеклопластика:Глубина резания t в мм
Скорость резания VT, (в м/мин) Глубина резания t в мм
Скорость резания VT, (в м/мин) 0,1 72 0,5 58 0,2 69 0,75 48 0,3 64 1 38 0,4 61
Таким образом, приувеличении скорости и глубины резания интенсивность износа может увеличиться.При этом может наблюдаться непрямолинейность сторон профиля, появляются местныевыколы материала, что приводит к снижению прочности резьбового соединения,ухудшению свинчиваемости и надёжности соединения.
/>
Рисунок 3.10– процесс нарезания резьбы на производстве
На рисунке 3.10 нагляднопредставлен процесс нарезания резьбы на стеклопластиковых трубах напроизводстве.Выходной контроль качества резьбы. Согласно ГОСТ16504-74, контролем называют проверку соответствия продукции, от которогозависит качество продукции установленным техническим требованиям.
/>
Рисунок 3.12 – Шаблон для контролярезьб
Существует вероятностьполучения бракованной резьбы (неточный шаг, неправильный профиль резьбы,недостаточная чистота поверхности резьбы) в одном (нескольких) сечениях, но онабудет связана не только с правильностью выставки инструмента, но и особенностьюзаготовки (заниженный размер, большая овальность), а также с невернойустановкой (биением) заготовки. Но в любом случае контроль параметровсвеженарезанной резьбы достаточно необходимо в нескольких сечениях.
При контроле определяютсяследующие параметры:
— средний диаметр,
— погрешность углапрофиля,
— погрешность шага.
— отклонение высоты профиля.
Контроль резьбыосуществляют, как правило, резьбовыми калибрами по шаблонам (Рисунок 3.12), носуществуют также различные методы оптического контроля, позволяющиеавтоматизировать процесс контроля резьбы. Последний рассмотрим подробней.
Приавтоматизированном контроле параметров особое значение имеет объективность иповторяемость результатов контроля. Очевидно, что«человеческий фактор» существенно снижаетдостоверность результатов, поэтому при различной степени автоматизации процессаизмерения, сбор и переработка информации должны оставаться за машиной. Крометого, важно оставить возможность встраивания устройства контроля вавтоматизированное производство за счет обеспечения подачи изделия на позициюконтроля цеховым автоматизированным транспортом.
В разработанных в«ТЕЛЕКОН» устройствах УКРТ для контроля резьбы применяется метод визуальногобесконтактного контроля параметров с помощью промышленных видеокамер,работающих на просвет. В устройствах используются уникальные компьютерныетехнологии по обработке изображений, позволяющие с высокой точностью идостоверностью определять бракованные участки резьбы изделий. Программноеобеспечение позволяет получать текущую информацию о процессе измерения ипередавать ее в цеховой компьютер.
Устройства могут бытьвыполнены как для ручной, так и для автоматизированной загрузки деталей. Ониимеют высокие адаптивные свойства к неточному базированию измеряемой детали[21].
Способ измерения –непрерывный на всем измеряемом участке резьбы, с поворотом на 22,5 град. измерительныхголовок в конце каждого прохода [19].
Техническиехарактеристики:
Принципдействия-оптический, бесконтактный
Контролируемыепараметры:
Шаг резьбы на длине 25,4 мм и на всей длине резьбы.
Высота профилей.
Угол наклона стороныпрофиля.
Средний диаметр восновной плоскости.
Предел допускаемойпогрешности при контроле:
линейных параметров – 0, 005 мм,
угловых параметров –10´
Длительность циклаизмерения – 60 сек.
В результате цикла измеренийрезьбы труб, устройства, на основании заданных критериев отбраковки, формируюти передают на монитор и в цеховой контроллер информацию о годности измереннойдетали с одновременным отображением таблицы с предельными значениямипроконтролированных параметров.
Кроме контроля параметроврезьбы, должен проводиться тщательный наружный осмотр для определения чистотыповерхности, выявления наружных дефектов обработки – сколов, расслоений,трещин, ворсистости и т.д.
Резьбовые соединения,предназначенные для работы под нагрузкой, должны подвергаться выборочнымпрочностным испытаниям для определения качества самого материала и прочностиполучаемой резьбы. Для нефтепроводов, газопроводов и других деталей подобногоназначения проводится комплексная проверка на прочность и на герметичность.
Условия хранения искладирования.Стеклопластиковые трубы могут храниться длительное время на складах и в полевыхусловиях без изменения физико-механических свойств материала. Обязательнымусловием является хранение вдали от потенциально возможных источников пламени.На хранение материалов, используемых для монтажа (склеивания) стеклопластиковыхтруб установлен ряд ограничений. К ним относятся:
1) Температура храненияне должна быть ниже 25°C и выше 40° C
2) Стекловолоконныематериалы не требуют специальных условий хранения и не имеют проблем состабильностью. Тем не менее, рекомендуется использовать помещение для храненияс температурой не выше 40°C и влажностью не выше 75%.
3) Трубы и узлы следуетукладывать на деревянные перекладины или на поддоны на ровную поверхность. Еслинеобходимо уложить трубы друг на друга, следует использовать как минимум тридеревянные перекладины для каждой секции трубы. С боков укладки должны бытьзафиксированы, для избежания раскатывания труб (можно использовать клинья).Когда трубы хранятся на открытом пространстве, необходимо обеспечить креплениедля предотвращения их движения или раскатывания. 4) Если трубы и компонентыхранятся при комнатной температуре или выше 50°C и в течение длительного времени, высота кладки не должна превышать 2 м для того чтобы исключить образование овалов на трубах нижнего ряда. Так же следует избегатьпроведения работ с открытым пламенем в непосредственной близости от труб [20].
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В данной работе былипроведены исследования по разработке технологии нарезания резьбы на изделиях изстеклопластиков типа труба. Выбранное мной соединение должно применяться длясоединения труб в нефтегазовой промышленности. С учетом этого был проведёнподбор химически стойкого материала, который выдерживал бы воздействиехимических веществ, протекающих по трубопроводу. В нашем случае это материал наоснове эпоксидной смолы и стеклянного химически стойкого волокна марки С. Трубавыбиралась стандартная, производимая заводами стеклопластиковых изделий.
Условия работы трубы:температура эксплуатации от -50°С до +100°С. Наружный диаметр труб 400мм,толщина стенки 24 мм, длина. Газовый фактор транспортируемой среды 150 м3/тпри давлении 0,1 МПа. Трубы должны быть герметичны в газовой среде при давлениидо 4 МПа. Разрушающее, растягивающее осевое усилие по резьбовому соединению«муфта-труба» — не менее 360 Кн.
Кроме того, был подобранспециальный упорный профиль резьбы со следующими параметрами:
Шаг резьбы S=10 (мм);
Передний угол профиляγ=5º;
Задний угол профиляβ=45º;
Высота профиля t=0,2S=2 (мм);
Ширина витка Sв=7,266 (мм);
Радиус закругления r=0,05S=0,5 (мм);
r1=0,02S=0,2(мм).
Оборудование иприспособления, применяемые для нарезания такой резьбы выбраны, исходя изособенностей материала, его обрабатываемости, условий работы соединениястеклопластик – стеклопластик и металл – стеклопластик и условий производства(автоматизированное производство на предприятиях). Для нарезания резьбырекомендую применять специальный станок токарный с числовым программным управлением для нарезания любого профилярезьбы методом вихревого фрезерования. Модель станка РТ818Ф4. Материал режущейчасти резца изготавливается из вольфрамо-кобальтовоготвердого сплава или из натуральных или искусственных, синтетическихалмазов: АСБ-баллас, АСПК-карбонад99. Эти материалы хорошо сопротивляютсяизносу при обработке стеклопластика и обеспечивают точность размеров нарезаемойрезьбы.
Скорость резаниявыбирается в зависимости от глубины и шага резьбы. Общее число проходов резцомравно 9. Так же, было предложено воздушно-плазменное напыление металлическогопорошка (смесь вольфрама, кобальта, молибдена и латуни) с целью придания ейулучшенных эксплуатационных свойств: износо-коррозионно-тепло-жаростойкости,электроизоляционной защиты и т.д.
Были рассмотрены методывыходного контроля нарезаемой резьбы. Это метод визуального бесконтактногоконтроля параметров на устройствах УКРТ, разработанных в «ТЕЛЕКОН» и контрольрезьбовыми калибрами по шаблонам.
Стеклопластиковыйматериал хоть и не требует специальных условий хранения, тем не менее,температура должна быть в пределах 25-40ºС при относительной влажности неболее 75%.
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ
1. Ягубов Э.З. Устройство длясоединения труб из полимерных композиционных материалов. — Конструкции из КМ, 2007, № 4, с. 78 – 86.
2. www.akpr.ru/rep.php?id=486&x=3&i=2
3. Ершов Е.М., Мордвин А.П.Изготовление резьб на деталях из стеклопластика. Издательство «Машиностроение»,1969г., 128 с.
4. Ершов Е.М. Давыденко В.И.Прогрессивные методы получения высокопрочных резьб на стеклопластиковых трубах.Сборник трудов ЛМИ, № 55, Л., 1996
5. www.bmstu.ru/~rk3/okdm/lr/lab_2.htm
6. Резьба упорная специальная.Размеры и допуски. Нормали госкомитета НО 3113 – 59, НО 3114 – 59.
7. Стандарт: ГОСТ 13536-68 Резьбакруглая для санитарно-технической арматуры. Профиль, основные размеры, допуски.
8. ru.wikipedia.org/wiki/Резьба
9. И. М. Буланов, В. В. ВоробейТехнология ракетных и аэрокосмических конструкций из композиционных материалов.Издательство МГТУ им. Н. Э. Баумана, Москва, 1998г., 518 с.
10. Руднев А. В. Королёв А. А.Обработка резанием стеклопластиков. Издательство «Машиностроение», Москва,1969г., 116 с.
11. Тюкаев В.Н.Стекловолокниты.- В кн.: Пластики конструкционного назначения. М.: Химия. 1974,с.120-204.
12. Степанов А.А. Обработкарезанием высокопрочных композиционных полимерных материалов. – Л.:Машиностроение, 1987. – 176 с., с ил.
13. www.neftegazexport.ru/armortubes1.htm