Способ нанесения полимерного покрытия на тела вращения и устройство для его выполнения

 

Использование: в машиностроении, судостроении, авиации и др. для защиты от износа и воздействия сред тел вращения. Сущность изобретения: нанесение полимерной композиции осуществляют накаткой тела вращения на заготовку покрытия на подложке размером, выбранным равным размеру развертки поверхности тела вращения, с удельным давлением, обеспечивающим выдавливание излишков полимерной композиции. Заготовку покрытия выполняют при постоянной температуре путем нанесения двух слоев полимерной композиции на подложку с промежуточной выдержкой. Толщину второго слоя выбирают меньшей толщины первого слоя и большей разности толщин покрытия тела и первого слоя. Время выдержки второго слоя определяют временем потери текучести полимерной композиции. Время выдержки первого слоя выбирают равным разности времени выдержки полимерной композиции до "отлипа" и временем выдержки второго слоя. Устройство для нанесения полимерной композиции снабжено расположенными с зазором контактными поверхностями, в качестве одной из которых использована недеформируемая плоская поверхность, и копирами, установленными на оси тела вращения для обеспечения зазора. 2 с. и 1 з.п. ф-лы, 4 ил.

Изобретение относится к машиностроению, а более конкретно к защите от износа и воздействия сред тел вращения (колес, валов и т.п.). Оно может быть использовано и в других областях техники (судостроение, авиация и др.).

Известен способ напыления полимерных композиций, в том числе и на тела вращения [1] Недостатком этого способа является применение растворителя (до 80 90% от веса полимера) и многослойное нанесение покрытия. Толщина слоя покрытия, наносимого единовременно составляет 0,01 0,05 мм. Для использования этого способа необходимо специальное помещение (окрасочные камеры), обеспечивающие нормальные условия труда и пожаробезопасность. Учитывая, что изделия могут иметь значительные размеры 1-3 м и более), то окрасочные камеры для таких изделий будут очень дороги. Наличие растворителя и выдержка после нанесения каждого слоя увеличивают вероятность наличия дефектов в покрытии (пористость) и вследствие этого его низкую гидролитическую стойкость.

Наиболее близким к изобретению в части способа по технической сущности и достигаемому результату является способ нанесения полимерного покрытия на тела вращения путем подгонки поверхности тела вращения, приготовления полимерной композиции, нанесения ее и отверждения [2] Наиболее близким к изобретению в части устройства по технической сущности и достигаемому результату является устройство для нанесения полимерного покрытия на теле вращения, содержащее приспособление для нанесения покрытия с зазором [2] Способ включает: подготовку поверхности для нанесения покрытия (зачистку поверхности или дробеструйную обработку, обезжиривание); нанесение адгезионного подслоя на поверхность (если требуется); подготовку контактной поверхности формы, нанесение антиадгезионного слоя; приготовление полимерной композиции; заливку композиции в зазор формы; отверждение композиции;
разборку формы и извлечение изделия.

Изобретение имеет ряд недостатков:
для каждого типоразмера изделия и каждой толщины покрытия этого изделия необходимо изготовление сложной и дорогостоящей литьевой формы;
минимальная толщина покрытия сильно зависит от свойств полимерного материала (Вязкость, текучесть, жизнеспособность и т.п.) и геометрических размеров изделия;
нанесение антиадгезива на контактную поверхность литьевой формы или изготовление формы из антиадгезионного материала;
сборка и разборка литьевой формы и извлечение изделия из формы.

При увеличении номенклатуры изделий и уменьшении серийности стоимость литьевых форм резко возрастает и может во много раз превысить стоимость самих изделий.

Применение способа для нанесения тонких покрытий (до 5 мм) на тела вращения, например, валов длиной более 1 м практически невозможно из-за образования дефектов.

Задачей изобретения является нанесение полимерных покрытий на тела вращения разной номенклатуры изделий, получение технологичного и дешевого способа для малосерийного и серийного производства при конструктивно простой оснастке и сохранении качества покрытия.

Поставленная задача решается тем, что по способу нанесения полимерного покрытия на тела вращения путем подготовки поверхности тела вращения, приготовления полимерной композиции, нанесения ее и отверждения, согласно изобретению, нанесение композиции осуществляют накаткой тела вращения на заготовку покрытия на подложке размером, выбранным равным размеру развертки поверхности тела вращения, с удельным давлением, обеспечивающим выдавливание излишков полимерной композиции.

Заготовку покрытия выполняют при постоянной температуре путем нанесения двух слоев полимерной композиции на подложку с промежуточной выдержкой, причем толщину второго слоя выбирают меньшей толщины первого слоя и большей разности толщин покрытия тела и первого слоя, а время выдержки второго слоя определяют временем потери текучести полимерной композиции, при этом время выдержки первого слоя выбирают равным разности времени выдержки полимерной композиции до "отлипа" и временем выдержки второго слоя.

Кроме того, поставленная задача решается тем, что устройство для нанесения покрытия на тела вращения, содержащее приспособление для нанесения покрытия с зазором, согласно изобретению, снабжено расположенными с зазором контактными поверхностями, в качестве одной из которых использована недеформируемая плоская поверхность, и копирами, установленными на оси тела вращения для обеспечения зазора.

На фиг. 1 изображен общий вид устройства для нанесения полимерного покрытия на тела вращения; на фиг. 2 разрез А-А на фиг. 1; на фиг. 3 общий вид, процесс накатки покрытия на тело вращения; на фиг. 4 разрез Б-Б на фиг. 3.

Устройство для нанесения полимерного покрытия на тела вращения, например, вал 1 содержит приспособление для нанесения покрытия с зазором, расположенные с зазором контактные поверхности, в качестве одной из которых использована недеформируемая плоская поверхность 2, и копиры 3, установленные на оси тела вращения (вала 1) для обеспечения зазора.

Кроме того, устройство содержит заготовку 4 на подложке, бумагу 5 для ориентировки тела 1 и подложки, пленку 6, используемую для подложки, и угольники 7.

Композиция наносится на подложку, которая располагается на недеформируемом основании. Подложка может быть выполнена как из антиадгезионного материала (например, полиэтиленовой пленки), так и из другого материала (например, бумаги), который может не удаляться после отверждения полимерного покрытия.

Устройство для нанесения полимерного покрытия работает следующим образом.

Вал 1 с помощью копиров 2, угольников 7 и сетки миллиметровой бумаги 4 ориентируется параллельно образующей заготовки 4 покрытия. Как видно из фиг. 1, полиэтиленовая пленка 6 остается только под заготовкой 4 покрытия и под копирами 3. После ориентировки вала угольники 7 снимаются и осуществляется накатка заготовки 4 покрытия.

На фиг. 2 показан промежуточный момент накатки заготовки 4 покрытия на подложке. При нажатии заготовки 4 покрытия на подложке на вал 1, покрытый эпоксидным подслоем, происходит прилегание за счет липкости второго слоя. Копиры 3 и недеформируемая поверхность 2 определяют толщину покрытия, а избыток 8 полиуретановой композиции второго слоя за счет высокого удельного давления (вес вала 200 кг), удаляется в виде валика, который исправляет возможные дефекты по толщине при накатке покрытия. Накатка заготовки 4 покрытия продолжается до стыковки подложки, избыток 8 полиуретана композиции остается на основании и наружной стороне подложки. Вал 1 выводится в среднее положение, т.е. так, чтобы стык подложки был в верхнем положении, осматривался. Основные излишки 8 полиуретановой композиции осторожно удалялись и вал 1 переносился на опоры, где осуществлялась выдержка до полного отверждения полиуретановой композиции покрытия. Через 24 часа после накатки полиэтиленовая подложка была удалена, облой в месте стыковки подложки защищен.

Избыток композиции второго слоя выдавливается при накатке за счет высокого удельного давления (контакт осуществляется по линии) и попадает при стыковке на наружную сторону подложки, с которой убирается при использовании неудаляемого материала подложки). Заготовка 4 покрытия на поверхности тела вращения удерживается за счет липкости композиции второго слоя. Сила, удерживающая заготовку 4 покрытия на теле вращения, определяется природой полимерной композиции, толщиной второго слоя в накатанном покрытии и толщиной покрытия. Для достижения максимальной несущей способности толщина второго слоя в нанесенном покрытии должна быть минимальной.

Учитывая это, толщина наносимого второго слоя на заготовку покрытия составит:
B = γ+K
где γ толщина слоя в накатанном покрытии, обеспечивающая удержание покрытия на теле вращения;
K толщина слоя композиции, необходимая для компенсации отклонений по толщине наносимых слоев, точности изготовления оснастки, а также поверхности тела вращения.

Суммарное время выдержки первого слоя соответствует состоянию композиции до "отлипа", поэтому при накатке слой практически не деформируется по толщине, но легко изгибается и принимает форму, диктуемую телом вращения, и вместе с подложкой служит как бы стенкой формы.

Так как на подложку, размером равным развертке изделия (т.е. тела вращения с покрытием), наносят слой полимерной композиции, но только за счет изменения геометрии при накатке заготовки, выдавливается объем, описываемой следующим уравнением:
V = πa²L,
где a толщина покрытия,
L длина образующей покрытия.

При толщине покрытия до 5-6 мм (при выдавливании в месте стыка подложки составляет 0,78-1,13 см³ композиции на один см длины стыка) края заготовки покрытия могут быть под углом 90^o, при больших толщинах покрытия необходимо края заготовки покрытия (только по образующей) выполнять под углом 45^o.

Геометрические размеры покрытия тела вращения определяются плоской недеформируемой поверхностью 2, на которой располагается заготовка 4 покрытия на подложке, и зазором, который обеспечивает копиры 3, укрепленные на оси тела вращения. После накатки производится отверждение полимерной композиции, которая может осуществляться как при нормальных, так и повышенной температурах.

Для нанесения покрытия на другой типоразмер тела вращения необходимо изготовить соответствующие их геометрии покрытия копиры и подложки.

Таким образом, использование данного способа позволяет получить покрытие из полимерных материалов на телах вращения без использования литьевых форм с такой же точностью толщины покрытия, что позволяет обеспечить соответствие критерию положительного эффекта.

По способу было нанесено покрытие на основе форполимера СКУ-ПФЛ-100 (ТУ38, 103137-78) на стальной вал диаметром 184 мм, длиной 3000 мм и толщиной наносимого слоя покрытия 3 мм. Вес тела 200 кг. В качестве недеформированного основания была использована металлоконструкция с площадкой размером 5000x1200 мм. Для подложки использовалась полиэтиленовая пленка толщиной 0,2 мм, а для лучшей ориентации вала и подложки применялась рулонная миллиметровая бумага. Для правильной ориентации вала относительно подложки использовались стандартные машиностроительные угольники с базой 250 мм. Изготовлены и укреплены на вал копиры, представляющие собой диски диаметром 190 мм толщиной 10 мм.

Подготовка вала к нанесению покрытия заключалась в зачистке поверхности зачистной машинкой и обезжиривание ацетоном с последующим нанесением адгезионного подслоя толщиной 0,1-0,2 мм на основе эпоксидных смол и отверждения его до состояния "отлипа".

На недеформируемое основание укладывалась рулонная миллиметровая бумага линеенной поверхностью вверх, на которой размечалась (черным шариком) подложка, размер которой равен развертке вала с покрытием 3000x596 мм. Далее на бумагу укладывалась полиэтиленовая пленка.

Полиуретановая композиция приготавливалась на основе форполимера СКУ-ПФЛ-100 с отвердителем диамет Х ТУ14-980-73. Количество отвердителя рассчитывалось по формуле:
X₁ 0,0302·M·X,
где X₁ количества отвердителя диамет X,
M масса форполимера,
X содержание CO групп в форполимере.

Форполимер предварительно вакуумировался при температуре 40-50^oC. В форполимер при температуре 30-35^oC вводилось расчетное количество расплавленного при температуре 120^oC диамет X и тщательно перемешивалось. Предварительно определялось время выдержки полиуретановой композиции в слое 2-3 мм при температуре 20^oC до "отлипа" и до потери текучести в слое 1-2 мм, которые составили 100 минут и 40 мин соответственно. Время выдержки первого слоя составляет:
T₁=T-T₂=100-40=60 мин,
где T время выдержки полиуретановой композиции до "отлипа".

T₂ время выдержки второго слоя до потери текучести композиции.

Общее время выдержки заготовки покрытия составило 100 мин (T₁ + T₂).

Толщина второго слоя определялась, исходя из несущей способности полиуретановой композиции в слое следующим образом: на металлическую пластинку размером 100x30x2 мм на длину 20 мм с одного из концом наносился слой полиуретановой композиции толщиной 1,5 мм, выдерживался 40 мин при температуре 20^oC, после этого конец пластинки с нанесенной композицией соединяли с концом полоски, вырезанной из фольги, которая предварительно взвешивалась и доводили толщину композиции в соединении до 1,0 мм. Избыток композиции удаляли. Металлическую пластинку закрепляли в вертикальном положении при этом конец полоски фольги свободно висел. Нагружение свободного конца полоски фольги вели до сдвига полоски в соединении. Вес полоски и груза суммировался и составил 15 г при площади соединения 6 см². Несущая способность полиуретановой композиции толщиной 1,0 мм составила 2,5 г/с, а вес покрытия толщиной 3,0, мм, который нужно удерживать на теле вращения этому слою составляет 0,312 г/см², что свидетельствует о надежности закрепления заготовки покрытия.

Опытная проверка оснастки для нанесения покрытия по изобретению показала, что для компенсации погрешностей необходимо нанесение 0,6 мм композиции дополнительно. Учитывая нанесение на тело вращения подслоя толщиной 0,2 мм, для компенсации необходимо второй слой увеличить на 0,6-0,2=0,4 мм.

Следовательно, толщина второго слоя составит:
B = γ+K = 1,0+0,4 = 1,4 мм
Так как толщина второго слоя в покрытии принята нами равной 1,0 мм, то толщина первого слоя в покрытии толщиной 3,0 мм составляет 2,0 мм, т.е. соотношения слоев удовлетворяет следующему неравенству:
A>B>C-A
Жидкая полиуретановая композиция наносилась на подложку в два слоя с помощью перемещаемой по поверхности подложки ракли. Ракля для первого слоя обеспечивала толщину слоя равную 2,0 мм, для второго слоя обеспечивала общую толщину 3,4 мм, т.е. толщина второго слоя составила 1,4 мм.

После нанесения и выдержки слоев, по разметке на миллиметровой бумаге, специальным ножом, образуется подложка покрытия по контуру.

Полученное покрытие вала отвечает всем требованиям по физикомеханике и точности изготовления и позволяет исключить недостатки, присущие прототипу и аналогам.

Формула изобретения

1. Способ нанесения полимерного покрытия на тела вращения путем подготовки поверхности тела вращения, приготовления полимерной композиции, нанесения ее и отверждения, отличающийся тем, что нанесение композиции осуществляют накаткой тела вращения на заготовку покрытия на подложке размером, выбранным равным размеру развертки поверхности тела вращения, с удельным давлением, обеспечивающим выдавливание излишков полимерной композиции.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что заготовку покрытия выполняют при постоянной температуре путем нанесения двух слоев полимерной композиции на подложку с промежуточной выдержкой, причем толщину второго слоя выбирают меньшей толщины первого слоя и большей разности толщин покрытия тела и первого слоя, а время выдержки второго слоя определяют временем потери текучести полимерной композиции, при этом время выдержки первого слоя выбирают равным разности времени выдержки полимерной композиции до "отлипа" и временем выдержки второго слоя.

3. Устройство для нанесения полимерного покрытия на тела вращения, содержащее приспособление для нанесения покрытия с зазором, отличающееся тем, что оно снабжено расположенными с зазором контактными поверхностями, в качестве одной из которых использована недеформируемая плоская поверхность, и копирами, установленными на оси тела вращения для обеспечения зазора.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4