Прогнозирование качества струйно-абразивной обработки синтетических полимерных материалов и изделий при низкотемпературном охлаждении обрабатываемой поверхности
Международная
публикация
В.
И. ЮрченкоБиблиографическое описание статьи для цитирования:
Юрченко
В.
И.,
Юрченко
Н.
И. Прогнозирование качества струйно-абразивной обработки синтетических полимерных материалов и изделий при низкотемпературном охлаждении обрабатываемой поверхности // Научно-методический электронный журнал «Концепт». –
2014. – Т. 20. – С.
1791–1795. – URL:
http://e-koncept.ru/2014/54622.htm.
Аннотация. Рассматривается возможность прогнозирования качества струйно-абразивной обработки синтетических полимерных материалов и изделий при низкотемпературном охлаждении обрабатываемой поверхности. Приводятся аналитические зависимости, связывающие износ обрабатываемой поверхности, а также температуру её охлаждения с физико-механическими свойствами обрабатываемого материала и режимными характеристиками процесса струйно-абразивной обработки.
Ключевые слова:
износ; шероховатость поверхности; структурное стеклование; механическое стеклование; абразивные частицы
Текст статьи
Юрченко Владимир Ильич,доктор технических наук, профессор кафедры Машины и оборудование предприятий строительной индустрииШахтинскогоинститутафилиала) ФГБОУ ВПО ЮжноРоссийскогогосударственноготехническогоуниверситетаНовочеркасскогополитехническогоинститута)имени М.И. Платова, г.Шахты, Ростовской области
Юрченко Наталья Ильинична,Старший преподаватель кафедры Технология швейных изделий и материаловедениеинститута сферы обслуживания и предпринимательства филиала Донского государственного технического университета, г. Шахты, Ростовской области
Прогнозирование качества струйноабразивной обработки
синтетических полимерных материалов и изделий при низкотемпературном охлаждении обрабатываемой поверхности
Аннотация. Рассматривается возможность прогнозирования качества струйноабразивной обработки синтетических полимерных материалов и изделий при низкотемпературном охлаждении обрабатываемой поверхности. Приводятся аналитические зависимости, связывающие износ обрабатываемой поверхности, а также температуру её охлаждения с физикомеханическими свойствами обрабатываемого материала и режимными характеристиками процесса струйноабразивной обработки.Ключевые слова: износ; шероховатость поверхности; структурное стеклование; механическое стеклование; абразивные частицы.
Струйноабразивнаяобработка САО применяется во многих отраслях промышленности и народного хозяйства: в машиностроении, в обувном и швейном производствах, в космической отрасли, в медицине, в автосервисе и др. 1. Основной цельюСАО является удаление некоторого слоя материала с обрабатываемой поверхности и создание на ней микрорельефа с определенной шероховатостью.В машиностроении, например, с помощью САО деталям придают так называемую матовую поверхность с целью декоративной отделки или уменьшения их светоотражательной способности. Обработанные таким методом детали используются, в частности, в оружейных оптических системах и на космических аппаратах 2, 3.В строительстве воздушноабразивной струёй при выполнении реставрационных работ очищают от загрязнений и старых малярных покрытий металлические или выполненные из природного камня и кирпича наружные стеновые поверхности 1. С такой же целью САО используется на предприятиях автосервиса для удаления поврежденных окрасочных или отслуживших срок эксплуатации защитных покрытий с кузовов автомобилей и подготовки их к последующей окраске или грунтовке[1].В коммунальном хозяйстве методом САО очищают внутреннюю поверхность металлических водопроводных труб большого диаметра от продуктов коррозии 1. Имеются сведения 1 об использовании САО для очистки поверхностей, загрязненных радиоактивными веществами. При изготовлении автопокрышек и других изделий из эластичных полимеров ударами абразивных частиц удаляются различного рода выпрессовки и заусенцы 1, причем обработку производят в условиях низкотемпературного охлаждения изделий. Большой интерес к САО в последние годы проявляется в индустрии строительных материалов при производстве плиточных и рулонных материалов для покрытия полов,изготовленных из различных видов резин, поливинилхлорида, кумарона, фенолита и др. 4. Ударноабразивной обработкой на охлажденной до стеклообразного состояния поверхности подосновы таких изделий формируется шероховатость, обеспечивающая максимальную прочность клеевого соединения изделия с основанием 4. С такой же целью обрабатываются детали низа обуви для прочного клеевого соединения их с верхом обуви 5. В производстве специальной одежды и средств индивидуальной защиты рук рукавиц и перчаток методом САО обрабатывают полимерные защитные накладки 6.Для обработки изделий, изготовленных из синтетических полимерных материалов,применяются оборудование и технологии САО, используемые в других производствах. Практика эксплуатации такого оборудования показывает, однако, что особенности поведения синтетических полимерных материалов в условиях ударноабразивной обработки не позволяют эффективно использовать традиционные технологии и устройства для САО и обеспечивать требуемое качество обработки изделий. В связи с этим возникла проблема создания оборудования и разработки технологий для САО, адаптированных только для обработки синтетических полимерных материалов и конкретно для обработки полимерных изделий клеевого метода крепления широкого ассортимента.Автором 5 предложены технология и оборудование для САО синтетических полимерных материалов, обеспечивающие их качественную и производительную обработку. Отличительной особенностью указанной технологии 5 является использование в процессе САО низких температур, переводящих поверхность обрабатываемого материала в хрупкое стеклообразное состояние и обеспечивающих быстрое формирование требуемой шероховатости.Как известно 7, эффективность любого технологического процесса зависит помимо прочих факторов от предсказуемости поведения обрабатываемого объекта сырья, полуфабриката, детали, отдельной поверхности и др. при выполнении над ним технологических операций, то есть возможностимаксимально точного прогнозирования результатов обработки объекта и, в случае необходимости, внесения в технологические режимы процесса соответствующих корректив, обеспечивающих требуемое качество и максимальную производительность обработки.Точность прогнозирования определяется тщательным анализом текущей наиболее значимой априорной информации об изучаемом объекте и сравнения ее с закономерностями его традиционного поведения в той или иной ситуации 7. В нашем случае таким объектом является шероховатость обрабатываемой поверхности изделий, изготовленных из синтетических полимерных материалов. Ее значение численный показатель зависит от физикомеханических свойств обрабатываемого материала и режимов обработки 8].Исследователи 9, 10, занимающиеся вопросами струйноабразивной обработки синтетических полимерных материалов, отмечают,что формирование рисунка обрабатываемой поверхности с характерной для каждого режима САО шероховатостью происходит весьма непродолжительное время до 10 с, затем полученный профиль поверхности копируется, оставаясь неизменным сколь угодно долго. Поэтому кроме параметров процесса САО, обеспечивающих для каждого вида полимерного материала требуемую шероховатость обрабатываемой поверхности, важно знать ещё величину износа материала, точнее, толщину удаляемого слоя обрабатываемой поверхности, необходимую и достаточную для достижения требуемого качества обработки и обеспечения необходимых эксплуатационных свойств обработанной детали.В работах, посвященных исследованию эрозионного износа, поразному трактуется физический смысл количественной характеристики износа и предлагаются различные методики его расчета 10. По нашему мнению, наиболее приемлемая для случая САО полимеров формулировка эрозионного износа приводится у Веллингера 11 и И.В. Крагельского 10].
В общем случае в качестве характеристики износа принимается отношение массы изношенного материала к массе изнашивающего 4, то есть , (1)где изношенный объем материала;
и плотности изношенного материала и изнашивающих абразивных частиц соответственно;
радиус шарообразных абразивных частиц; число частиц, вызвавших износ.Величину эрозионного износа полимерных материалов можно определить из выражений, предложенных в работе[10]для случаев упругого и пластическогоконтактаабразивных частиц с обрабатываемой поверхностью.Однако приСАО полимерных материалов в условиях низкотемпературного охлаждения формулы из 10] для определения износав представленном виде использовать нельзя, поскольку даже в хрупком стеклообразном состоянии полимеры проявляют как упругие, так и пластические свойства 8. Поэтому при определении эрозионного износа стеклообразных полимеров, по нашему мнению, должен учитываться весь комплекс деформационных свойств обрабатываемых материалов, проявляемых ими в условиях низких температур.Принимая во внимание зависимости, предложенные в[10 и 11], общий полный износ стеклообразных полимеров при САО можно определить из выражения, (2)где , коэффициенты, учитывающие долю износа при упругом и пластическом контактах абразивной частицы с материалом.В формуле 2 величина коэффициентов и колеблется в пределах от нуля до единицы в зависимости от физикомеханических свойств материала и температуры 9, однако в любом случае должно соблюдаться условие .Нетрудно заметить, что из зависимостей, предложенных в работах 10 и 11, а такжеиз (1), (2 можно определить лишь удельный износ материала, величина которого при установившемся режиме САО постоянна в течение всего периода обработки поверхности. В нашем случае, однако, необходимо знать численное значение минимальной толщины удаляемого в результате САО слоя материала, обеспечивающей требуемое качество обрабатываемой поверхности и необходимые эксплуатационные свойства обработанной детали.Учитывая, что в соответствии с 1) , (3)где объем разрушенного в результате обработки материала можно представить как здесь площадь обрабатываемой поверхности; толщина удаленного при САО материала, искомая величина определится из выражения, (4)где объем абразивных частиц, вызвавших износ материала.Количество абразивных частиц qв струе рассчитывается следующим образом:,где концентрация абразивных частиц в струе;
объем воздушноабразивной струи.Если струя цилиндрическая с нулевым или малым углом распыла, то ,
где площадь сечения струи здесь радиус сопла струйного устройства;
длина струи.В случае большого угла распыла струя имеет форму усеченного конуса, тогда ,где радиус пятна контакта струи с обрабатываемой поверхностью.Концентрацию частиц в струе можно определить из выражения, предложенного в работе 9]:,где концентрация частиц на оси струи при выходе из сопла определяется экспериментально 9]);gускорение свободного падения;
коэффициент пропорциональности, имеющий размерность постоянной Больцмана;Табсолютная температура;rрадиус струи;β угол распыла струи.Анализ формулы 4 показывает, что в ней содержатся все наиболее значимые параметры процесса САО, а также параметры, характеризующие свойства обрабатываемого материала и абразивных частиц. Следовательно, толщину hудаляемого слоя материала можно рассматривать как критерий, которым можно оценивать качество САО поверхности любого полимерного материала или изделияперед склеиванием, а зависимость 4 позволяет прогнозировать ожидаемую величину hпри любых сочетаниях параметров процесса САО, сравнивать её расчетное значение с эталонными нормативными значениями, полученными экспериментальным путем для различных видов материалов и изделий, и назначать такие режимы струйноабразивной обработки, которые обеспечивали бы требуемое качество поверхности изделийпод нанесение клеевых плёнок, необходимые эксплуатационные свойства клеевого соединения и максимальную производительность обработки.При ударном нагружении полимера, если скорость приложения нагрузки становится равной скорости распространения волн упругих деформаций в материале скорости звука, его упругоэластические свойства не могут проявиться. В таких условиях ударного нагружения полимерный материал переходит в стеклообразное состояние, а процесс перехода называют механическим стеклованием, подчеркивая, вероятно, термином стеклование те хрупкие свойства, которые полимер при этом проявляет 12].Вместе с тем широко известный в науке о прочности полимеров принцип эквивалентности воздействия на физикомеханические свойства материала скорости деформирования и температуры его охлаждения свидетельствует о том, что эти параметры процесса перевода полимера в иное физическое состояние взаимозаменяемы 12. Другими словами, полимер можно переводить в стеклообразное состояние и иным способом, воздействуя на него только понижением температуры. Причем в этом случаепри определенной температуре Тстпроисходит так называемое структурное стеклование 12. Ниже температуры Тстпри температуре хрупкости Тхполимер становится полностью хрупким и способен разрушаться по атермическому механизму, в соответствии с которым разрыв химической связи определяется только напряженным состоянием материала 12. Однако перевод полимера в стеклообразное состояние медленным понижением температуры еще не вызывает его разрушения, которое может произойти только при приложении к нему нагрузки.Струйноабразивная обработкапредставляет собой механическую обработку поверхности направленным потоком абразивных частиц высокоскоростной струёй. При этом реализуется динамический процесс ударного нагружения поверхности, характеризуемый определенной нагрузкой и скоростью еёприложения. А в случае применения технологии 9 имеет место еще и охлаждение обрабатываемой детали.
Если скорость хрупкости Vхполимера невелика до 300 м/с, то организовать процесс хрупкого разрушения материала довольно просто. Это показано, например, в работах 10, 11. Однако при больших значениях Vхкартина сразу усложняется. Так, в полимерах, используемых в производстве строительных изделий, деталей низа обуви, элементов спецодежды и средств индивидуальной защиты рукполивинилхлоридах, полиуретанах, термоэластопластах, некоторых видах резин и др., скорость распространения волн упругих деформаций достигает 1000 м/с и выше. Реализовать при САО этих материалов самый эффективный механизм разрушения хрупкий не удается, поскольку на современных струйных устройствах технически сложно обеспечить разгон частиц абразива до таких высоких скоростей соударения превышающих в несколько раз скорость распространения звука в воздухе. Кроме того, при этом возникает и другая проблема при высокой скорости частиц не удается сохранить их целостность до момента соударения частиц с поверхностью полимера, поскольку в процессе разгона частицы дробятся разрушаются от взаимных столкновений.Известно, что температура механического стеклования Тмне является константой материала и зависит от скорости механического воздействия скорости удара: при повышении скорости Тмувеличивается и наоборот 12. Следовательно, понижением температуры полимера можно, вероятно, при его САО обеспечить реализацию механизма хрупкого разрушения при скоростях удара, гораздо меньших скорости распространения звука в полимере.В данной работе делается попытка теоретического обоснования таких режимов обработки синтетических полимерных материалов методом САО, при которых, с одной стороны, обеспечивалась бы интенсивная их обработка при хрупком разрушении поверхности и, с другой, учитывались бы технические возможности оборудования сопел, пистолетов и т.д. для разгона абразивных частиц.В этой связи необходимо отметить,что отдельное влияние скорости нагружения и температуры на процесс хрупкого разрушения полимера изучено достаточно подробно 12, 13, однако их взаимосвязь и совместное влияние на процесс разрушения поверхности при САО полимерных материалов до настоящего времени в литературе не описаны.В рамках современной теории упругости в работе 8 получена зависимость, определяющая величину приведенных контактных напряжений, возникающих в материале при ударе по нему абразивных частиц(расшифровку параметров см. в 8),. (5)В соотношении 5 все параметры, кроме плотности абразивной частицы и скорости удара, учитывают свойства нагружаемого материала, а последние, как известно[12], зависят от температуры охлаждения полимера. К сожалению, соотношение (5 в явном виде не отражает влияние температуры охлаждения. Попытаемся установить это влияние.Как известно[12], каждому значению скорости нагружения соответствует вполне определённая температура Тмперехода полимера в стеклообразное состояние. А в случае периодических процессов нагружения каждому значению частоты ν динамического воздействия на полимер также соответствует фиксированное значение Тм.Процесс соударения частиц с поверхностью полимера от момента касания частицы до момента ее отскока при САО является периодическим синусоидальным и характеризуется соответствующими значениями периода tи частоты ν 9. Этот процесс, с одной стороны, зависит от характеристик струи величины начальной скорости соударения частиц V, а с другой, от физического состояния материала, обусловленного температурой его охлаждения. Иными словами, скорость воздействия здесь конкурирует со скоростью перегруппировки подвижных сегментов макромолекул полимера скоростью теплового движения и обеспечивает процесс механического стеклования, а понижение температуры уменьшает подвижность этих цепей и вызывает процесс структурного стеклования.Таким образом, чтобы учесть влияние температуры охлаждения на величину σкпри САО, необходимо рассмотреть эти два процесса ударное нагружение и охлаждение материала в их взаимосвязи. При этом необходимо иметь в виду, что внешний фактор скорость частиц V должен быть известной величиной, а частота ν зависит от скорости Vи температуры полимера Тм. Следовательно, необходимо установить зависимость между ν, Vи Тм.Если принять, что частота нагружаемого материала определяется из выражения 9],то остается установить взаимосвязь Тми ν.Воспользуемся для этого основным уравнением механического стеклования полимеров [13]= c, (6)где продолжительность молекулярной релаксации при температуре механического стеклования;Uэнергия активации;kпостоянная Больцмана;с΄5/π безразмерная постоянная.Как видно, величина Тмздесь представлена в неявном виде, поэтому встает задача приведения уравнения 6 к виду, удобному для расчета значений Тмдля различных полимеров и в широком диапазоне частот ν.Для достаточно большого интервала температур Тст, Тст+100С энергия активации Uсегментальной подвижности в формуле 6 может быть показана в следующем виде:, (7)где U∞ постоянная,равная энергии активации при Т→∞;Тoтемпература, лежащая ниже температуры структурного стеклования примерно на 50.В работе 13 показано, что для всех аморфных полимеров характерны приблизительно одинаковые значения U∞ 17,2 кДж/моль и Т0 = Тст 51,6.Подстановка выражения 7 в уравнение
для определения продолжительности молекулярной релаксации, отнесенной к одной кинетической единице, приводит к известному уравнению ВильямсаЛанделаФерри 14, представляющему собой наиболее удобную форму записи принципа температурновременной эквивалентности,. (8)Последующая подстановка выражений 7 и 8 преобразует уравнение 6 следующим образом:.После логарифмирования полученное равенство примет вид
. (9)Решая это уравнение относительно Т = Тманалогично выражению 8, окончательно получим, (10)где ν частота нагружения, определяемая из выражения, предложенного в 9].Формула 10 показывает, при какой Тмполимер, стеклующийся в условиях структурного стеклования при Тст, приобретает свойства стекла, если нанего воздействовать периодическими нагрузками с частотой ν. А имея в виду реальный процесс САО, можно сказать, что зависимость 10 определяет ту Тм, до которой необходимо охладить полимерную деталь или ее поверхность при обработке воздушноабразивной струей с частотой ударов частиц ν, чтобы материал детали перешел в стеклообразное состояние, необходимое для реализации хрупкого механизма разрушения.Как видно, в формуле 10 показаны все параметры процесса САО, в наибольшей степени влияющие на его интенсификацию V, ν и Тм. Следовательно, выражение 10 позволяет наглядно представить, при каких условиях и в какой степени скорость частиц, частота нагружения материала и температура его охлаждения обеспечивают наиболее производительный хрупкий механизм разрушения обрабатываемой поверхности полимерной детали.Анализ формулы 10 показывает, что при увеличении частоты ударов частиц величина Тмпопадает в диапазон более высоких значений, при которых возможно хрупкое разрушение полимера. Таким образом, полученная зависимость между Тми ν хорошо согласуется с современными представлениями о природе механического стеклования полимеров.Если из выражения 10 найти частоту, (11)то подстановка выражения(11 в 10 приведет к искомой зависимости контактного напряжения σкв полимере от температуры его охлаждения и параметров струи.Для определения Тмв инженерных расчетах формулу 10 можно использовать, разделив второе слагаемое правой части уравнения наNA= =6,0221023(NAчисло молекул в моле или вместо постоянной kиспользовать газовую постоянную R(R=kNA, поскольку в справочной литературе величина U∞приводится, как правило, отнесенной к молю вещества, то есть, (12)или . (13)Таким образом, используя выражение 13 в инженерных расчетах, можно задавать такие режимы обработки материала при САО значения ν и Тм, при которых, с одной стороны, обеспечивалась бы интенсивная его обработка при минимальных затратах энергии например, на производство холода и разгон абразивных частиц и, с другой, учитывались бы технические возможности оборудования диапазоны изменения режимных характеристик, конструктивные особенности струйного аппарата сопла и рабочей установки, на котором осуществляется процесс САО. Другими словами, применение зависимости 13 при проектировании технологии САО позволяет добиваться одинакового эффекта обработки материала при различных сочетаниях режимных параметров Тми ν, обеспечиваемых оборудованием для САО.
Ссылки на источники1.
Толстов Б.М., Пикулина Л.А. Состояние и развитие струйноабразивной обработки. М.: ЦИНТИХИМНЕФТЕМАШ, 1990. 38 с.2.Болотин Д.И. История советского стрелкового оружия и патронов. СПб: Полигон, 1995. 486 с.3.Дороги в космос. Воспоминания ветеранов ракетнокосмической техники и космонавтики / Под ред. Ю.В. Мозжорина. М.: Издво МАИ, 1992. 256 с. 4.Юрченко В.И., Сухарникова В.А. Применение струйноабразивной обработки в производстве полимерных изделий для покрытия полов // Современные технологии в промышленности строительных материалов и стройиндустрии: Сборник статей Международного конгресса, 1618 сентября 2003 г. Белгород,БГТУ, 2003. Ч.I, № 5. С.198201.5.Юрченко В.И. Влияние конструктивнотехнологических факторов на интенсификацию процесса струйноабразивной обработки деталей низа обуви перед склеиванием: Автореф. дис. канд. техн. наук. М., 1990.6.. Юрченко В.И., Юрченко Н.И. Технология изготовления средств индивидуальной защиты рук с защитным слоем на основе вторичных полимерных материалов // Материалы и технологии XXI века2007: Сборник статей V Международной научнотехнической конференции, 2122 марта 2007 г. Пенза, ПДЗ, 2007. С.214216.7.Юрченко В.И. Прогнозирование результатов ударноабразивной обработки искусственных обувных материалов при низких температурах и принципы создания оборудования: Автореф. дис. докт. техн. наук. М., 2006. 40 с.8.Пенкин Н.С. Влияние упругих свойств материалов на процесс изнашивания потоком абразивных частиц // Тр. Ленинградского инта водного транспорта. 1966. Вып. 86. С. 4350.9.Юрченко В.И. Механическое оборудование для ударноабразивной обработки синтетических полимерных строительных материалов при низких температурах. Новочеркасск, 2010. 196 с.10.Крагельский И.В., Добычин М.Н., Комбалов В.С. Основы расчетов на трение и износ. М.,1977. 526 с.11.Веллингер К., Уетц Г. Изнашивание струёй абразивного материала // Сб. тр.и переводовобзоров ин. лит. Сер. машиностр. 1956. № 2 32. С.5277.12.
Гуль В.Е., Кулезнев В.Н. Структура и механические свойства полимеров. М., 1966. 316 с.13.
Бартенев Г.М., Зеленев Ю.В. Курс физики полимеров. Л., 1976. 288 с.14.Ферри Д. Вязкоупругие свойства полимеров. М., 1963. 535 с.
Vladimir YurchenkoDoctor of Technical Sciences, professor, department MOPS, Shakhty Institute (Branch) of SouthRussian State Technical University (NovocherkasskPolytechnic Institute), ShakhtyNatalia YurchenkoSenior lector, departmentof Technology of garments and Materials, Institute of the service sector and entrepreneurship (Branch) of Don State Technical University, ShakhtyPrognosing JetAbrasive Treatment Quality of Synthetic PolymericMaterials and Wares at Low Temperature Cooling off the Surfase TreatedAbstract. The possibility of prognosing the quality of jetabrasive treatment of syntheticpolymeric materials and wares at low temperature cooling off the surface treated is considered. Analytical dependences connecting wearing out the surface treated as well as the temperature of its cooling off with physicalmechanical properties of the material treated and the regime characteristics of the process of jetabrasive treatment are given.Keywords:wearing out; roughness of thesurface; structural glasstransition; mechanical glasstransition; abrasive particles.
Юрченко Наталья Ильинична,Старший преподаватель кафедры Технология швейных изделий и материаловедениеинститута сферы обслуживания и предпринимательства филиала Донского государственного технического университета, г. Шахты, Ростовской области
Прогнозирование качества струйноабразивной обработки
синтетических полимерных материалов и изделий при низкотемпературном охлаждении обрабатываемой поверхности
Аннотация. Рассматривается возможность прогнозирования качества струйноабразивной обработки синтетических полимерных материалов и изделий при низкотемпературном охлаждении обрабатываемой поверхности. Приводятся аналитические зависимости, связывающие износ обрабатываемой поверхности, а также температуру её охлаждения с физикомеханическими свойствами обрабатываемого материала и режимными характеристиками процесса струйноабразивной обработки.Ключевые слова: износ; шероховатость поверхности; структурное стеклование; механическое стеклование; абразивные частицы.
Струйноабразивнаяобработка САО применяется во многих отраслях промышленности и народного хозяйства: в машиностроении, в обувном и швейном производствах, в космической отрасли, в медицине, в автосервисе и др. 1. Основной цельюСАО является удаление некоторого слоя материала с обрабатываемой поверхности и создание на ней микрорельефа с определенной шероховатостью.В машиностроении, например, с помощью САО деталям придают так называемую матовую поверхность с целью декоративной отделки или уменьшения их светоотражательной способности. Обработанные таким методом детали используются, в частности, в оружейных оптических системах и на космических аппаратах 2, 3.В строительстве воздушноабразивной струёй при выполнении реставрационных работ очищают от загрязнений и старых малярных покрытий металлические или выполненные из природного камня и кирпича наружные стеновые поверхности 1. С такой же целью САО используется на предприятиях автосервиса для удаления поврежденных окрасочных или отслуживших срок эксплуатации защитных покрытий с кузовов автомобилей и подготовки их к последующей окраске или грунтовке[1].В коммунальном хозяйстве методом САО очищают внутреннюю поверхность металлических водопроводных труб большого диаметра от продуктов коррозии 1. Имеются сведения 1 об использовании САО для очистки поверхностей, загрязненных радиоактивными веществами. При изготовлении автопокрышек и других изделий из эластичных полимеров ударами абразивных частиц удаляются различного рода выпрессовки и заусенцы 1, причем обработку производят в условиях низкотемпературного охлаждения изделий. Большой интерес к САО в последние годы проявляется в индустрии строительных материалов при производстве плиточных и рулонных материалов для покрытия полов,изготовленных из различных видов резин, поливинилхлорида, кумарона, фенолита и др. 4. Ударноабразивной обработкой на охлажденной до стеклообразного состояния поверхности подосновы таких изделий формируется шероховатость, обеспечивающая максимальную прочность клеевого соединения изделия с основанием 4. С такой же целью обрабатываются детали низа обуви для прочного клеевого соединения их с верхом обуви 5. В производстве специальной одежды и средств индивидуальной защиты рук рукавиц и перчаток методом САО обрабатывают полимерные защитные накладки 6.Для обработки изделий, изготовленных из синтетических полимерных материалов,применяются оборудование и технологии САО, используемые в других производствах. Практика эксплуатации такого оборудования показывает, однако, что особенности поведения синтетических полимерных материалов в условиях ударноабразивной обработки не позволяют эффективно использовать традиционные технологии и устройства для САО и обеспечивать требуемое качество обработки изделий. В связи с этим возникла проблема создания оборудования и разработки технологий для САО, адаптированных только для обработки синтетических полимерных материалов и конкретно для обработки полимерных изделий клеевого метода крепления широкого ассортимента.Автором 5 предложены технология и оборудование для САО синтетических полимерных материалов, обеспечивающие их качественную и производительную обработку. Отличительной особенностью указанной технологии 5 является использование в процессе САО низких температур, переводящих поверхность обрабатываемого материала в хрупкое стеклообразное состояние и обеспечивающих быстрое формирование требуемой шероховатости.Как известно 7, эффективность любого технологического процесса зависит помимо прочих факторов от предсказуемости поведения обрабатываемого объекта сырья, полуфабриката, детали, отдельной поверхности и др. при выполнении над ним технологических операций, то есть возможностимаксимально точного прогнозирования результатов обработки объекта и, в случае необходимости, внесения в технологические режимы процесса соответствующих корректив, обеспечивающих требуемое качество и максимальную производительность обработки.Точность прогнозирования определяется тщательным анализом текущей наиболее значимой априорной информации об изучаемом объекте и сравнения ее с закономерностями его традиционного поведения в той или иной ситуации 7. В нашем случае таким объектом является шероховатость обрабатываемой поверхности изделий, изготовленных из синтетических полимерных материалов. Ее значение численный показатель зависит от физикомеханических свойств обрабатываемого материала и режимов обработки 8].Исследователи 9, 10, занимающиеся вопросами струйноабразивной обработки синтетических полимерных материалов, отмечают,что формирование рисунка обрабатываемой поверхности с характерной для каждого режима САО шероховатостью происходит весьма непродолжительное время до 10 с, затем полученный профиль поверхности копируется, оставаясь неизменным сколь угодно долго. Поэтому кроме параметров процесса САО, обеспечивающих для каждого вида полимерного материала требуемую шероховатость обрабатываемой поверхности, важно знать ещё величину износа материала, точнее, толщину удаляемого слоя обрабатываемой поверхности, необходимую и достаточную для достижения требуемого качества обработки и обеспечения необходимых эксплуатационных свойств обработанной детали.В работах, посвященных исследованию эрозионного износа, поразному трактуется физический смысл количественной характеристики износа и предлагаются различные методики его расчета 10. По нашему мнению, наиболее приемлемая для случая САО полимеров формулировка эрозионного износа приводится у Веллингера 11 и И.В. Крагельского 10].
В общем случае в качестве характеристики износа принимается отношение массы изношенного материала к массе изнашивающего 4, то есть , (1)где изношенный объем материала;
и плотности изношенного материала и изнашивающих абразивных частиц соответственно;
радиус шарообразных абразивных частиц; число частиц, вызвавших износ.Величину эрозионного износа полимерных материалов можно определить из выражений, предложенных в работе[10]для случаев упругого и пластическогоконтактаабразивных частиц с обрабатываемой поверхностью.Однако приСАО полимерных материалов в условиях низкотемпературного охлаждения формулы из 10] для определения износав представленном виде использовать нельзя, поскольку даже в хрупком стеклообразном состоянии полимеры проявляют как упругие, так и пластические свойства 8. Поэтому при определении эрозионного износа стеклообразных полимеров, по нашему мнению, должен учитываться весь комплекс деформационных свойств обрабатываемых материалов, проявляемых ими в условиях низких температур.Принимая во внимание зависимости, предложенные в[10 и 11], общий полный износ стеклообразных полимеров при САО можно определить из выражения, (2)где , коэффициенты, учитывающие долю износа при упругом и пластическом контактах абразивной частицы с материалом.В формуле 2 величина коэффициентов и колеблется в пределах от нуля до единицы в зависимости от физикомеханических свойств материала и температуры 9, однако в любом случае должно соблюдаться условие .Нетрудно заметить, что из зависимостей, предложенных в работах 10 и 11, а такжеиз (1), (2 можно определить лишь удельный износ материала, величина которого при установившемся режиме САО постоянна в течение всего периода обработки поверхности. В нашем случае, однако, необходимо знать численное значение минимальной толщины удаляемого в результате САО слоя материала, обеспечивающей требуемое качество обрабатываемой поверхности и необходимые эксплуатационные свойства обработанной детали.Учитывая, что в соответствии с 1) , (3)где объем разрушенного в результате обработки материала можно представить как здесь площадь обрабатываемой поверхности; толщина удаленного при САО материала, искомая величина определится из выражения, (4)где объем абразивных частиц, вызвавших износ материала.Количество абразивных частиц qв струе рассчитывается следующим образом:,где концентрация абразивных частиц в струе;
объем воздушноабразивной струи.Если струя цилиндрическая с нулевым или малым углом распыла, то ,
где площадь сечения струи здесь радиус сопла струйного устройства;
длина струи.В случае большого угла распыла струя имеет форму усеченного конуса, тогда ,где радиус пятна контакта струи с обрабатываемой поверхностью.Концентрацию частиц в струе можно определить из выражения, предложенного в работе 9]:,где концентрация частиц на оси струи при выходе из сопла определяется экспериментально 9]);gускорение свободного падения;
коэффициент пропорциональности, имеющий размерность постоянной Больцмана;Табсолютная температура;rрадиус струи;β угол распыла струи.Анализ формулы 4 показывает, что в ней содержатся все наиболее значимые параметры процесса САО, а также параметры, характеризующие свойства обрабатываемого материала и абразивных частиц. Следовательно, толщину hудаляемого слоя материала можно рассматривать как критерий, которым можно оценивать качество САО поверхности любого полимерного материала или изделияперед склеиванием, а зависимость 4 позволяет прогнозировать ожидаемую величину hпри любых сочетаниях параметров процесса САО, сравнивать её расчетное значение с эталонными нормативными значениями, полученными экспериментальным путем для различных видов материалов и изделий, и назначать такие режимы струйноабразивной обработки, которые обеспечивали бы требуемое качество поверхности изделийпод нанесение клеевых плёнок, необходимые эксплуатационные свойства клеевого соединения и максимальную производительность обработки.При ударном нагружении полимера, если скорость приложения нагрузки становится равной скорости распространения волн упругих деформаций в материале скорости звука, его упругоэластические свойства не могут проявиться. В таких условиях ударного нагружения полимерный материал переходит в стеклообразное состояние, а процесс перехода называют механическим стеклованием, подчеркивая, вероятно, термином стеклование те хрупкие свойства, которые полимер при этом проявляет 12].Вместе с тем широко известный в науке о прочности полимеров принцип эквивалентности воздействия на физикомеханические свойства материала скорости деформирования и температуры его охлаждения свидетельствует о том, что эти параметры процесса перевода полимера в иное физическое состояние взаимозаменяемы 12. Другими словами, полимер можно переводить в стеклообразное состояние и иным способом, воздействуя на него только понижением температуры. Причем в этом случаепри определенной температуре Тстпроисходит так называемое структурное стеклование 12. Ниже температуры Тстпри температуре хрупкости Тхполимер становится полностью хрупким и способен разрушаться по атермическому механизму, в соответствии с которым разрыв химической связи определяется только напряженным состоянием материала 12. Однако перевод полимера в стеклообразное состояние медленным понижением температуры еще не вызывает его разрушения, которое может произойти только при приложении к нему нагрузки.Струйноабразивная обработкапредставляет собой механическую обработку поверхности направленным потоком абразивных частиц высокоскоростной струёй. При этом реализуется динамический процесс ударного нагружения поверхности, характеризуемый определенной нагрузкой и скоростью еёприложения. А в случае применения технологии 9 имеет место еще и охлаждение обрабатываемой детали.
Если скорость хрупкости Vхполимера невелика до 300 м/с, то организовать процесс хрупкого разрушения материала довольно просто. Это показано, например, в работах 10, 11. Однако при больших значениях Vхкартина сразу усложняется. Так, в полимерах, используемых в производстве строительных изделий, деталей низа обуви, элементов спецодежды и средств индивидуальной защиты рукполивинилхлоридах, полиуретанах, термоэластопластах, некоторых видах резин и др., скорость распространения волн упругих деформаций достигает 1000 м/с и выше. Реализовать при САО этих материалов самый эффективный механизм разрушения хрупкий не удается, поскольку на современных струйных устройствах технически сложно обеспечить разгон частиц абразива до таких высоких скоростей соударения превышающих в несколько раз скорость распространения звука в воздухе. Кроме того, при этом возникает и другая проблема при высокой скорости частиц не удается сохранить их целостность до момента соударения частиц с поверхностью полимера, поскольку в процессе разгона частицы дробятся разрушаются от взаимных столкновений.Известно, что температура механического стеклования Тмне является константой материала и зависит от скорости механического воздействия скорости удара: при повышении скорости Тмувеличивается и наоборот 12. Следовательно, понижением температуры полимера можно, вероятно, при его САО обеспечить реализацию механизма хрупкого разрушения при скоростях удара, гораздо меньших скорости распространения звука в полимере.В данной работе делается попытка теоретического обоснования таких режимов обработки синтетических полимерных материалов методом САО, при которых, с одной стороны, обеспечивалась бы интенсивная их обработка при хрупком разрушении поверхности и, с другой, учитывались бы технические возможности оборудования сопел, пистолетов и т.д. для разгона абразивных частиц.В этой связи необходимо отметить,что отдельное влияние скорости нагружения и температуры на процесс хрупкого разрушения полимера изучено достаточно подробно 12, 13, однако их взаимосвязь и совместное влияние на процесс разрушения поверхности при САО полимерных материалов до настоящего времени в литературе не описаны.В рамках современной теории упругости в работе 8 получена зависимость, определяющая величину приведенных контактных напряжений, возникающих в материале при ударе по нему абразивных частиц(расшифровку параметров см. в 8),. (5)В соотношении 5 все параметры, кроме плотности абразивной частицы и скорости удара, учитывают свойства нагружаемого материала, а последние, как известно[12], зависят от температуры охлаждения полимера. К сожалению, соотношение (5 в явном виде не отражает влияние температуры охлаждения. Попытаемся установить это влияние.Как известно[12], каждому значению скорости нагружения соответствует вполне определённая температура Тмперехода полимера в стеклообразное состояние. А в случае периодических процессов нагружения каждому значению частоты ν динамического воздействия на полимер также соответствует фиксированное значение Тм.Процесс соударения частиц с поверхностью полимера от момента касания частицы до момента ее отскока при САО является периодическим синусоидальным и характеризуется соответствующими значениями периода tи частоты ν 9. Этот процесс, с одной стороны, зависит от характеристик струи величины начальной скорости соударения частиц V, а с другой, от физического состояния материала, обусловленного температурой его охлаждения. Иными словами, скорость воздействия здесь конкурирует со скоростью перегруппировки подвижных сегментов макромолекул полимера скоростью теплового движения и обеспечивает процесс механического стеклования, а понижение температуры уменьшает подвижность этих цепей и вызывает процесс структурного стеклования.Таким образом, чтобы учесть влияние температуры охлаждения на величину σкпри САО, необходимо рассмотреть эти два процесса ударное нагружение и охлаждение материала в их взаимосвязи. При этом необходимо иметь в виду, что внешний фактор скорость частиц V должен быть известной величиной, а частота ν зависит от скорости Vи температуры полимера Тм. Следовательно, необходимо установить зависимость между ν, Vи Тм.Если принять, что частота нагружаемого материала определяется из выражения 9],то остается установить взаимосвязь Тми ν.Воспользуемся для этого основным уравнением механического стеклования полимеров [13]= c, (6)где продолжительность молекулярной релаксации при температуре механического стеклования;Uэнергия активации;kпостоянная Больцмана;с΄5/π безразмерная постоянная.Как видно, величина Тмздесь представлена в неявном виде, поэтому встает задача приведения уравнения 6 к виду, удобному для расчета значений Тмдля различных полимеров и в широком диапазоне частот ν.Для достаточно большого интервала температур Тст, Тст+100С энергия активации Uсегментальной подвижности в формуле 6 может быть показана в следующем виде:, (7)где U∞ постоянная,равная энергии активации при Т→∞;Тoтемпература, лежащая ниже температуры структурного стеклования примерно на 50.В работе 13 показано, что для всех аморфных полимеров характерны приблизительно одинаковые значения U∞ 17,2 кДж/моль и Т0 = Тст 51,6.Подстановка выражения 7 в уравнение
для определения продолжительности молекулярной релаксации, отнесенной к одной кинетической единице, приводит к известному уравнению ВильямсаЛанделаФерри 14, представляющему собой наиболее удобную форму записи принципа температурновременной эквивалентности,. (8)Последующая подстановка выражений 7 и 8 преобразует уравнение 6 следующим образом:.После логарифмирования полученное равенство примет вид
. (9)Решая это уравнение относительно Т = Тманалогично выражению 8, окончательно получим, (10)где ν частота нагружения, определяемая из выражения, предложенного в 9].Формула 10 показывает, при какой Тмполимер, стеклующийся в условиях структурного стеклования при Тст, приобретает свойства стекла, если нанего воздействовать периодическими нагрузками с частотой ν. А имея в виду реальный процесс САО, можно сказать, что зависимость 10 определяет ту Тм, до которой необходимо охладить полимерную деталь или ее поверхность при обработке воздушноабразивной струей с частотой ударов частиц ν, чтобы материал детали перешел в стеклообразное состояние, необходимое для реализации хрупкого механизма разрушения.Как видно, в формуле 10 показаны все параметры процесса САО, в наибольшей степени влияющие на его интенсификацию V, ν и Тм. Следовательно, выражение 10 позволяет наглядно представить, при каких условиях и в какой степени скорость частиц, частота нагружения материала и температура его охлаждения обеспечивают наиболее производительный хрупкий механизм разрушения обрабатываемой поверхности полимерной детали.Анализ формулы 10 показывает, что при увеличении частоты ударов частиц величина Тмпопадает в диапазон более высоких значений, при которых возможно хрупкое разрушение полимера. Таким образом, полученная зависимость между Тми ν хорошо согласуется с современными представлениями о природе механического стеклования полимеров.Если из выражения 10 найти частоту, (11)то подстановка выражения(11 в 10 приведет к искомой зависимости контактного напряжения σкв полимере от температуры его охлаждения и параметров струи.Для определения Тмв инженерных расчетах формулу 10 можно использовать, разделив второе слагаемое правой части уравнения наNA= =6,0221023(NAчисло молекул в моле или вместо постоянной kиспользовать газовую постоянную R(R=kNA, поскольку в справочной литературе величина U∞приводится, как правило, отнесенной к молю вещества, то есть, (12)или . (13)Таким образом, используя выражение 13 в инженерных расчетах, можно задавать такие режимы обработки материала при САО значения ν и Тм, при которых, с одной стороны, обеспечивалась бы интенсивная его обработка при минимальных затратах энергии например, на производство холода и разгон абразивных частиц и, с другой, учитывались бы технические возможности оборудования диапазоны изменения режимных характеристик, конструктивные особенности струйного аппарата сопла и рабочей установки, на котором осуществляется процесс САО. Другими словами, применение зависимости 13 при проектировании технологии САО позволяет добиваться одинакового эффекта обработки материала при различных сочетаниях режимных параметров Тми ν, обеспечиваемых оборудованием для САО.
Ссылки на источники1.
Толстов Б.М., Пикулина Л.А. Состояние и развитие струйноабразивной обработки. М.: ЦИНТИХИМНЕФТЕМАШ, 1990. 38 с.2.Болотин Д.И. История советского стрелкового оружия и патронов. СПб: Полигон, 1995. 486 с.3.Дороги в космос. Воспоминания ветеранов ракетнокосмической техники и космонавтики / Под ред. Ю.В. Мозжорина. М.: Издво МАИ, 1992. 256 с. 4.Юрченко В.И., Сухарникова В.А. Применение струйноабразивной обработки в производстве полимерных изделий для покрытия полов // Современные технологии в промышленности строительных материалов и стройиндустрии: Сборник статей Международного конгресса, 1618 сентября 2003 г. Белгород,БГТУ, 2003. Ч.I, № 5. С.198201.5.Юрченко В.И. Влияние конструктивнотехнологических факторов на интенсификацию процесса струйноабразивной обработки деталей низа обуви перед склеиванием: Автореф. дис. канд. техн. наук. М., 1990.6.. Юрченко В.И., Юрченко Н.И. Технология изготовления средств индивидуальной защиты рук с защитным слоем на основе вторичных полимерных материалов // Материалы и технологии XXI века2007: Сборник статей V Международной научнотехнической конференции, 2122 марта 2007 г. Пенза, ПДЗ, 2007. С.214216.7.Юрченко В.И. Прогнозирование результатов ударноабразивной обработки искусственных обувных материалов при низких температурах и принципы создания оборудования: Автореф. дис. докт. техн. наук. М., 2006. 40 с.8.Пенкин Н.С. Влияние упругих свойств материалов на процесс изнашивания потоком абразивных частиц // Тр. Ленинградского инта водного транспорта. 1966. Вып. 86. С. 4350.9.Юрченко В.И. Механическое оборудование для ударноабразивной обработки синтетических полимерных строительных материалов при низких температурах. Новочеркасск, 2010. 196 с.10.Крагельский И.В., Добычин М.Н., Комбалов В.С. Основы расчетов на трение и износ. М.,1977. 526 с.11.Веллингер К., Уетц Г. Изнашивание струёй абразивного материала // Сб. тр.и переводовобзоров ин. лит. Сер. машиностр. 1956. № 2 32. С.5277.12.
Гуль В.Е., Кулезнев В.Н. Структура и механические свойства полимеров. М., 1966. 316 с.13.
Бартенев Г.М., Зеленев Ю.В. Курс физики полимеров. Л., 1976. 288 с.14.Ферри Д. Вязкоупругие свойства полимеров. М., 1963. 535 с.
Vladimir YurchenkoDoctor of Technical Sciences, professor, department MOPS, Shakhty Institute (Branch) of SouthRussian State Technical University (NovocherkasskPolytechnic Institute), ShakhtyNatalia YurchenkoSenior lector, departmentof Technology of garments and Materials, Institute of the service sector and entrepreneurship (Branch) of Don State Technical University, ShakhtyPrognosing JetAbrasive Treatment Quality of Synthetic PolymericMaterials and Wares at Low Temperature Cooling off the Surfase TreatedAbstract. The possibility of prognosing the quality of jetabrasive treatment of syntheticpolymeric materials and wares at low temperature cooling off the surface treated is considered. Analytical dependences connecting wearing out the surface treated as well as the temperature of its cooling off with physicalmechanical properties of the material treated and the regime characteristics of the process of jetabrasive treatment are given.Keywords:wearing out; roughness of thesurface; structural glasstransition; mechanical glasstransition; abrasive particles.
