4.3 Точность цилиндров

Внутренняя поверхность цилиндра, облицованного полимерной композицией, не подвергается механической обработке. Для получения требуемой точности цилиндров необходимо было установить факторы, влияющие на точность формования покрытия.

При нанесении полимерного покрытия на внутреннюю цилиндрическую поверхность формующим элементом служит стержень, устанавливаемый концентрично относительно поверхности. При отвердении полимерной композиции в щелевом зазоре ее усадка направлена по нормали к поверхности цилиндра. После отверждения полимерной композиции внутренний диаметр футерованного цилиндра будет больше диаметра формующего стержня на величину

, (4.1.)

где - усадка полимера в первые сутки после нанесения покрытия;

- усадка за время .

Величина не зависит от диаметра цилиндра, но прямо пропорциональна толщине слоя полимерного покрытия:

, (4.2.)

где k_y - коэффициент пропорциональности, выражающий несвободную усадку полимера;

t - толщина слоя полимерного покрытия.

Величина k_y равна сумме величин k_y24 и k_y, выражающих усадку через сутки после нанесения полимерного покрытия и усадку за время , т.е.

k_y=k_y24+k_y. (4.3.)

Значения k для ряда полимерных композиций, применяемых с целью нанесения покрытия, приведены в табл. 4.1.

Таблица 4.1.

Определение коэффициентов усадки.

Анализ данных измерений внутренних диаметров цилиндров с полимерными покрытиями показал, что рассеивание величины усадки подчиняется закону нормального распределения. Основные статистические характеристики, определяющие распределение исследуемых размеров - центр группирования и среднее квадратическое отклонение , выражены следующими соотношениями:

, (4.4.)

где k_y - коэффициент пропорциональности, значения которого для ряда полимерных композиций приведены в табл. 4.1;

t - толщина слоя полимерного покрытия;

, (4.5.)

где , - верхняя и нижняя границы рассеивания величины усадки.

Границы рассеивания также пропорциональны толщине полимерного покрытия, т.е.

, (4.6.)

где k_y2 - коэффициент пропорциональности;

t - толщина слоя покрытия;

, (4.7.)

где k_y1 - коэффициент пропорциональности;

t - толщина слоя покрытия.

Среднее квадратическое отклонение выражается зависимостью

. (4.8.)

Значения коэффициентов k_y, k_y1и k_y2 для ряда композиций приведены в табл. 4.2.

Таблица 4.2.

4.4 Прочность адгезии и внутренние напряжения в полимерных покрытиях

Надежность работы гидроцилиндров с полимерными покрытиями определяется главным образом прочностью адгезии пластмассы к поверхности металла, т.е. прочность адгезии должна быть значительно выше всех возможных внутренних напряжений, возникающих в полимерном покрытии. Это условие может быть представлено выражением

, (4.9.)

где - величина прочности адгезии к поверхности металла;

- суммарные напряжения в слое полимерного покрытия.

Напряжения, возникающие в слое полимерного покрытия, могут быть представлены выражением

, (4.10.)

где - усадочные напряжения, возникающие вследствие химической усадки полимера;

- термические напряжения, возникающие вследствие разности коэффициентов линейного расширения металла и пластмассы при температурных перепадах;

- рабочие напряжения, возникающие от давления рабочей среды.

Таким образом, при нанесении полимерного покрытия на поверхности цилиндров необходима количественная оценка прочности адгезии данного полимера к поверхности металла и всех возможных внутренних напряжений, возникающих в полимерном покрытии, действующих против сил адгезии. Это позволяет определить надежность соединения полимера с металлом и работоспособность металлопластмассового изделия в целом.

Прочность адгезии полимерных композиций на основе акриловых и эпоксидных смол к поверхности металлов определяли следующим образом.

Цилиндрические образцы, состоящие из двух половин, были склеены исследуемой полимерной композицией в специальной обойме, обеспечивающей их соосность. Склеенные образцы закрепляли в зажимах разрывной машины и разрушали клеевое соединение с фиксированием максимальной нагрузки. Для каждого варианта испытывали 50 склеенных образцов. Прочность адгезионного соединения определяли по формуле

, (4.11.)

где P - разрушающая нагрузка, Н;

F - площадь образца, м² .

Прочность адгезии композиций на основе пластмассы бутакрил к поверхности стали составляет 20 МПа, прочность адгезии композиции на основе пластмассы АСТ-Т - 19,3 МПа, прочность адгезии композиции на основе эпоксидной смолы ЭД-20 - 18,6-23,0 МПа.

Как показали исследования, наибольшими по величине и соответственно наиболее опасными являются термические напряжения, возникающие вследствие разности коэффициентов линейного расширения полимера и металла. Такие напряжения могут быть определены расчетным путем по формуле

, МПа. (4.12.)

Здесь - коэффициент линейного расширения полимера, 1/град;

- то же металла, 1/град;

Т - перепад температуры, К

- модуль упругости полимера, Н/м²;

- коэффициент Пуассона полимера;

, (4.13.)

где Т_с - температура склеивания полимера;

Т_р - рабочая температура.

Для композиций на основе акриловых пластмасс (бутакрила и АСТ-Т) были определены следующие необходимые физические характеристики: 1/град, Т_с=70^о С, Е_П = 1,4*10⁹ Н/м²,

Для композиции на основе эпоксидной смолы ЭД-20 физические характеристики следующие: 1/град, Т_с = 70^о С, Е_П = 1,4*10⁹ Н/м²,

Внутренние “замороженные” напряжения в полимерном покрытии при температуре 20^о С составляют:

Гидроцилиндры с полимерными покрытиями по условиям работы могут находиться при температуре -60^о С. Внутренние напряжения в полимерных покрытиях при этом будут составлять:

Надежность адгезионного соединения полимерного покрытия с металлом будет обеспечена при выполнении соотношения

(4.14.)

В случае применения композиций на основе акриловых и эпоксидных смол имеем следующие данные:

19,3 МПа + 7 МПа > 18,0 МПа;

18,6 МПа + 7 МПа > 18,0 МПа,

т.е. при температуре -60^о С отслоения полимерного покрытия на основе акриловых или эпоксидных смол от поверхности металла не произойдет.

4.5 Промышленные испытания износостойкости гидроцилиндров с полимерными покрытиями