Введение. Металлополимерные материалы – это олигоэфиракрилатные многокомпонентные материалы имеющие в своей основе пластичную матрицу и заполнитель. Как правило в качестве базы (матрицы) выступает модифицированная эпоксидная смола, а в качестве заполнителя может служить любой мелкодисперсный заполнитель [1, 2]. Сочетание пластичных свойств матрицы и физико-механических свойств заполнителя дает составу ряд уникальных свойств, таких как текучесть в не отвержденном состоянии, прочность и твердость в отвержденном состоянии, электропроводность или свойства изолятора, теплопроводность и многие другие свойства зависящие от того какой именно материал выбран в качестве заполнителя. Различные производители изменяя состав и пропорции компонентов добиваются получения составов находящих свое применение в различных отраслях промышленности. Чаще всего можно встретить вариант [1, 2] когда металлополимеры используют в качестве ремонтных составов, когда ремонтную деталь не представляется возможным вывести из оборудования для её ремонта или замены из-за непрерывности технологического процесса и требуется обеспечить ремонт и восстановление в составе сборочной единицы. Другим вариантом использования металлополимерных составов, является использование металлополимеров для изготовления новых изделий методом литья Кроме того, металлополимеры могут выполнять и роль защитного состава, когда поверхность изделия обрабатывается составом для придания антикоррозийных или антифрикционных свойств. Так же нередко металлополимеры используют в качестве клеевого состава при сборке различных узлов и агрегатов. Благодаря пренебрежительно низкому проценту объемной усадки металлополимерного состава, его так же используют для герметизации неподвижных соединений деталей.При изготовлении пресс-форм для литья пластиковых изделий используют как стандартные изделия изготовленные согласно нормам взаимозаменяемости, так и специальные детали, выполненные непосредственно под то изделие которое планируется отливать в пресс-форме. Фактически производители оснастки стремятся использовать в конструкции пресс-формы унифицированные детали, объем которых может достигать до 95 % от всего комплекта деталей пресс-формы. Стоимость унифицированных деталей в цене пресс-формы составляет от 15 до 65 %. Изменения процента состава стандартных изделий во многом зависят от конструкции самого изделия которое планируется изготавливать в пресс-форме, а также от опыта и квалификации конструктора оснастки.К специальным деталям пресс-формы чаще всего относятся формообразующие детали – матрицы и пуансоны. Именно формообразующие детали составляют наибольшую долю в стоимости всей пресс-формы, так как их изготовление является наиболее сложным технологически, а также требует соблюдения высоких точностных и размерных допусков. Формообразующие детали пресс-форм составляют наибольшую часть стоимости пресс-формы, а, следовательно, существует экономическая целесообразность переконструирования таких деталей под вновь изготавливаемые изделия в тех случаях где это возможно.Авторы статьи работают над совершенствованием технологии реконструирования формообразующих деталей пресс-форм с использованием металлополимера наполненного алюминием марки «LEO». Результаты ранних изысканий приведены в [3, 4].Способ получения формообразующих деталей с применением металлополимера, а также конструкция самой пресс-формы с комбинированными формообразующими деталями запатентованы [5, 6], однако авторы могут позволить себе в данной работе раскрыть некоторые аспекты и привести общую схему получения комбинированной формообразующей детали, для того чтобы раскрыть актуальность исследований, описываемых в текущей работе. Обобщенная схема получения комбинированной формообразующей детали для изделия «звездочка» с одной плоскостью разъема приведена ниже.На первом этапе производится изготовление мастер-модели будущего изделия на 3D принтере. Модель изделия «звездочка», которая имеет специальные технологические основания с двумя отверстиями. Данное основание и отверстия необходимы для того, чтобы правильно отцентрировать модель относительно металлической части формообразующей плиты.Далее напечатанная модель собирается с предварительно подготовленной металлической обоймой (рис. 1). Здесь модель 1 укладывается на основание и сверху накрывается металлической обоймой 3, которая имеет колодец 7. В колодец устанавливается закладная деталь 2 из выполняемого материала. Подвод охлаждающей жидкости осуществляется через отверстия 8, показана позицией 5 и вынесена из сборки. После отверждения металлополимера и извлечения мастер-модели, поверхность разъёма 6 подвергается шлифованию. Выше приведенная схема является упрощенной и не отражает многих нюансов получения комбинированной формообразующей детали пресс-формы, однако она показывает, что одним из заключительных этапов является именно шлифование плоскости смыкания, состоящей из двух материалов: металла обоймы и металлополимера формообразующей части. Шлифование необходимо для того чтобы убрать технологические припуски свойственные мастер-модели при ее получении на 3D принтере. В случае невыполнения требований по шероховатости и плоскостности плоскости смыкания требованиям стандарта [7, 8], деталь в такой пресс-форме может получаться с облоем, что так же недопустимо. Материалы и методы. Согласно теории абразивной обработки [8, 9] разработанной сотрудниками Южно-Уральского государственного университета Кошиным А.А. и Сопельцевым А.В., а так же работами Корчака С.Н., с учетом рекомендаций производителей абразивного инструмента, для обработки плоской поверхности смыкания пресс-формы с учетом обеспечения требуемой размерной точности и шероховатости Ra <0,80 рекомендуется использовать круг из электрокорунда марки 25А, зернистостью не выше 16, с углом заострения 85°.Проблема назначения корректных режимов абразивной обработки на решение которой направленно настоящее исследование заключается в том, что возникает необходимость одновременной (совместной) обработки изделия имеющего разные физико-механические свойства и соответственно отличные режимы резания как для металла, так и для металлополимера. Другими словами необходимо подобрать те режимы шлифования, которые бы позволяли произвести обработку комбинированной детали с требуемой шероховатостью и не допустить возникновения дефектов обоих материалов. В теории могут возникнуть такие дефекты как прижёги и температурная диструкция матрицы металлополимера. Использование СОТС также не рассматривается в работе, так как на сегодняшний день нет данных о воздействии СОТС и металлополимера, что может привести к невидимой химической реакции и разрушению металлополимера или другим непрогнозируемым последствиям.В соответствии с теорией абразивной обработки [9, 10], при обработке поверхности переферией круга нагрев поверхности имеет циклический характер. Существуют циклы нагрева и охлаждения, время цикла расчитывается согласно выражению [10]:τн=2∙hSl=D∙tSl∙1000 ,                                    (1)где Sl  – продольная подача стола, м/мин; D  – диаметр шлифовального круга, мм; t  – глубина резания при шлифовании, мм; 2∙h  – ширина плоского источника тепла.Так как требуется вычислить температуру нагрева металлополимера при шлифовании, необходимо вычислить мощность источника тепла, для чего воспользуемся предложенной учеными Пермского национального технологического университетаформулой, Вт [11, 12]:Qh.s=0,4899∙μh∙σв∙V∙b2∙l2∙np∙B∙lg,        (2)где μh  – коэффициент трения зерна о заготовку; σв  – предел прочности обрабатываемого материала, мПа; V  – скорость резания при шлифовании, мм/с; b2 –ширина среза зерна, мм; l2  – длина контакта зерна с обрабатываемым материалом по задней поверхности, мм; np  – количество зерен при одновременном контакте; B  – высота круга, мм; lg – длина контакта круга с заготовкой, мм.Согласно рекомендациям из [8], принимаем μh  = 0,46, угол зерна принимаем равным – 85°. Длина контакта круга с заготовкой, мм [13,14]:lg=πDarcsin⁡(D-2tD)360° ,                         (3)где D  – диаметр круга, мм; t  – глубина резания, мм.Учитывая то, что в выражении (2) присутствует параметр σв , имеющий различные данные для стали и металлополимера, то и количество теплоты, выделяющееся при снятии припуска, разное.Количество зерен в круге (средневероятностное) [9]:np=0,0126χav2∙Sl∙tD∙KV∙0,25,                    (4)где χav  – средне вероятный размер зерна (0,55 мм) для выбранного, по требуемой шероховатости круга [15, 16]; Sl  – продольная подача стола, мм/с; V – скорость резания, мм/с; K  – концентрация режущего материала в круге, %.Для выбранного материала круга производители указывают 100 %-ю концентрацию, или К = 1.На основе выше приведенных выражений для расчета мощности теплового излучения на поверхности обработки, вычислим значения температуры, для этого воспользуемся моделированием процесса теплопереноса с помощью программы конечно-элементного анализа.Основная часть. Для более простого понимания процесса шлифования необходимо разработать схему абразивной обработки комбинированной детали (рис. 2) [14]. В двух случаях представленных на рис. 2, производится обработка темплета с размером l, h и в. В расчетах принимаем – в = Вk , так как упростит расчет и не окажет влияния на температуру в зоне в/2. Так же в двух случаях длина обработки, расчитывается от радиуса (Dкр/2) круга и глубины резания t.На схеме б модель представлена двумя участками: 1 – участок из металлополимера, 2 – участок из металла. С учетом технологии изготовления комбинированной детали, длина металлополимерного участка должна стремиться к минимуму, с целью обеспечения максимальной теплопроводности.а)              б)Источником тепла является радиусная поверхность, в качестве начальной температуры взята температура 25 °С (Окружающая среда в цеху). Параметры шлифовального круга – материал 25А, высота круга 40 мм, диаметр круга 450 мм, а также режимы резания – глубина резания изменяется от 0,01 до 0,1 мм, продольная подача стола от 9 до 24 м/мин (0,015 до 0,4 м/с).В таблицу 1 сведены расчеты мощности тепловыделения на всех диапазонах режимов резания [17, 18] для обоих материалов – стали и металлополимера. Таблица 1Значения мощности тепловыделения кВт при обработке стали 40Х13. ГОСТ 4543(предел прочности 1840 МПа). Глубина резания, мм0,010,020,030,040,050,060,070,080,090,1Продольная подача стола м/с0,015871031131221291341401441481520,031231451611721821901972042102150,0451501781972112232332422502572630,061732062272442572692792882963040,0751942302542722873003123223313400,092122522782983153293423533633720,1052292723003223403563693813924020,122452913213443643803954084194300,1352603083403653864034194324454560,152743253593854074254414564694810,1652873413764044264464634784925040,183003563934224454664834995135270,1953123704094394644855035195345480,213243844254564815035225395555690,2253353984404724985205405585745890,243464114544875145385585765936080,2553574244685025305545755946116270,273684364825175455705926116296450,2853784484955315605866086286466630,33874605085455756016246446636800,3153974715205585896166396606796970,334064825325716036306546766957130,3454154935445846176456696917117290,364245035565976306586837067267450,3754335145676096436726987207417600,394425245796216566857117357567750,405450534590633668698725749770790  Выполнив подобные вычисления для металлополимерного материала на базе паспортных данных металлополимера [2] полученные данные сведем в таблицу 2.Для того чтобы провести конечно-элементные расчеты необходимо также выполнить расчеты времени цикла нагрева и охлаждения согласно выражения (1). Расчетные данные также сведем в таблицу 3. Таблица 2Значения мощности (кВт) тепловыделения при обработке металлополимера, наполненного алюминием (предел прочности 140 МПа) Глубина резания, мм0,010,020,030,040,050,060,070,080,090,1Продольная подача стола0,01578991010111111120,0391112131414151616160,045111415161718181920200,06131617192020212223230,075151719212223242525260,09161921232425262728280,105172123252627282930310,12192224262829303132330,135202326282931323334350,15212527293132343536370,165222629313234353637380,18232730323435373839400,195242831333537384041420,21252932353738404142430,225263033363840414244450,24263135373941424445460,255273236384042444547480,27283337394243454748490,285293438404345464849500,3293539414446474950520,315303640424547495052530,33313741434648505153540,345323741444749515354550,36323842454850525455570,375333943464951535556580,39344044475052545658590,40534414548515355575960    Таблица 3Величина цикла нагрева-охлаждения, мс. Глубина резания, мм123456789100,010,020,030,040,050,060,070,080,090,1Продольная подача стола м/с0,0151412002452833163463744004244470,03711001231411581731872002122240,045476782941051161251331411490,06355061717987941001061120,075284049576369758085890,09243341475358626771750,105202935404550545761640,12182531354043475053560,135162227313539424447500,15142025283235374042450,165131822262932343639410,18121720242629313335370,195111519222427293133340,21101418202325272930320,22591316192123252728300,2491315182022232527280,25581214171920222425260,2781114161819212224250,28571113151718202122240,371012141617192021220,31571012141517181920210,336911131416171819200,3456911121415161718190,366810121314161718190,3756810111314151617180,39589111213141516170,40557911121314151617  Для расчетов использовалось ПО ELCUT 6.1., а также рекомендации [19, 20]. Порядок расчета:На первом этапе была составлена геометрическая модель толщиной 40 мм в соответствии с данными из таблицы 1 и таблицы 2.На втором этапе были внесены данные о материалах: металлополимера – плотность 1850 кг/м3; теплоёмкость 7,5 Дж/кг·К [18]; теплопроводность 0,3 Вт/К·м; Сталь 40Х13 – плотность 7850 кг/м3; теплоёмкость 400 Дж/кг·К; теплопроводность 385 Вт/К·м.В третью очередь были указаны начальные условия – температура 298 К. Далее обозначено место (грань модели) по которой производился нагрев.В заключении был выполнен сам расчет. Значение максимальных температур (К) были записаны в таблицу 4.Для примера на рис. 3 показана геометрическая модель при глубине резания 0,1 мм.Сами же результаты расчета методом конечных элементов и диаграммы температурных полей представлены на рис. 4. (глубина резания 0,1 мм, скорость резания 0,015 м/с.)Необходимо отметить следующее наблюдение, так при моделировании нагрева комбинированного образца было установлено, что нагрев металлополимера от металлической части образца затруднен, так как металл обладает более высоким коэффициентом теплопроводности по сравнению с металлополимером, именно поэтому в дальнейшем исследования комбинированного образца не проводилось, а все внимание было уделено металлополимерному образцу.Данные по исследованию металлополимерного образца были сведены в таблицу 4.Таблица 4Максимальное значение температуры металлополимера, °К. Глубина резания, мм0,010,020,030,040,050,060,070,080,090,1Продольная подача стола м/с0,0152993013043073093103113113123110,032993013043073093103113123123120,0453003023043073093113123123123120,063003023053073093113123123123120,0753003023053073093113123123123120,093003023053073093113123123123120,1053003023053083093113123123123120,123003023053083103113123123133120,1353003023043073093113123123123120,153003023053073093113123123123120,1653003023053073093113123123123120,183003023053073093113123123123120,1953003023053083093113123123123120,213003023053083103113123123133120,2253003023053083103113123133133130,243013033053083103123133133133130,2553013033063093113123133133143130,273023043063093113133143143143140,2853023043073103123133143143153140,33033053073103123143153153153150,3153033053083113133143153153163150,333043063083113133153163163163160,3453043063093123143153163163173160,363053073093123143163173173173170,3753053073103133153163173173183170,393063083103133153173183183183180,405306308311313315317318318318318 Проведенные расчеты позволили получить номограммы (рис. 5) взаимосвязи температуры металлополимера при плоском шлифовании периферией круга от глубины резания и подачи стола. Проведенные теоретические расчеты позволяют сделать вывод, что даже при максимальных значениях подачи и глубины резания, тех что позволяет диапазон регулирования станка и рекомендации при обработке стальной детали, металлополимерный темплет не нагревается до температуры деструкции матрицы, что могло бы привести к нарушению целостности детали и поменять его физико-механические свойства.С целью обеспечения достоверности расчетных данных также был поставлен эксперимент по шлифованию металлополимерного темплета на станке 3Б722 с теми же исходными данными, что были использованы для теоретических расчетов.Обработка результатов эксперимента производилась с использованием программного продукта SmartView 3.7.19.0, позволяющего покадрово производить анализ записанных данных (рис. 6), что несмотря на высокий градиент рассеивания тепла в зоне резания, всё же позволило зафиксировать достоверные данные.Распределение температурных полей тепловизора Ti400 показано на рис. 7.На рис. 7 можно видеть диаграмму распределения температур при шлифовании металлополимерного образца, со следующими режимами резания: продольная подача стола 13,5 м/мин, глубина резания 0,08 мм. Анализируя диаграмму можно установить, что максимальная температура в зоне резания соответствует значению 39,1 °С. Проведя ряд замеров и обработав результаты эксперимента, получили следующие данные (табл.  5). Таблица 5Экспериментальные значения температур металлополимера при шлифовании Глубина резания, мм0,010,050,08Продольная подача стола, м/с0,04526,635,738,80,22527,136,439,30,40532,641,945,1  Выводы. В исследовании были проведены теоретические расчеты и эксперементальные исследования, которые позволили установить, что на всем диапазоне изменения режимов резания при шлифовании металлополимерного образца температура в зоне резания при обработке металлополимера плоским шлифованием периферией круга не достигает критических значений, приводящих к разрушению его матрицы. Максимальная зарегистрированная температура составила 46°С, тогда как предельное значение температуры для металлополимера 220°С. Таким образом было доказано, что металлополимер возможно обработать на тех режимах резания которые устанавливаются технологом для обработки стальной детали и основной задачей, стоящей перед конструктором теперь будет являться назначение тех режимов резания из исследованного диапазона, которые обеспечат требуемую шероховатость и размерную точность формообразующей детали пресс-формы.