Влияние скорости абразивных частиц на хрупкое разрушение синтетических полимерных материалов при ударно-абразивной обработке в условиях низких температур
В.
И. ЮрченкоБиблиографическое описание статьи для цитирования:
Юрченко
В.
И. Влияние скорости абразивных частиц на хрупкое разрушение синтетических полимерных материалов при ударно-абразивной обработке в условиях низких температур // Научно-методический электронный журнал «Концепт». –
2016. – Т. 15. – С.
916–920. – URL:
http://e-koncept.ru/2016/96097.htm.
Аннотация. В статье рассматривается возможность аналитического определения скорости соударения абразивных частиц с поверхностью любого синтетического полимерного материала при ударно-абразивной обработке в условиях низкотемпературного охлаждения, при которой однократный удар частицы приводил бы к хрупкому разрушению материала. Приводятся зависимости, связывающие скорость абразивных частиц с физико-механическими характеристиками материалов, подвергаемых обработке, с характеристиками самих частиц, а также параметрами процесса обработки, позволяющие назначать такую допускаемую скорость соударения частиц с обрабатываемой поверхностью, при которой ударные импульсы, вызываемые частицами, не разрушают внутреннюю структуру материала, а процесс ударно-абразивной обработки сводится только к микрорезанию.
Ключевые слова:
абразивные частицы, хрупкое разрушение, низкотемпературное охлаждение, синтетические полимеры, шероховатость обрабатываемой поверхности, контактные напряжения, предел прочности материала, хрупкое состояние, скорость удара частиц, скорость звука, ударные волны, ударные импульсы, волны напряжений
Похожие статьи
- Моделирование скоростного режима абразивных частиц при максимальной производительности ударно - абразивной обработки синтетических полимерных материалов в условиях низких температур
- Влияние температурных и механических напряжений на эффективность ударно-абразивной обработки синтетических полимерных материалов в условиях низкотемпературного охлаждения
- Моделирование механизма разрушения синтетических полимерных материалов в условиях низкотемпературного охлаждения и ударно-абразивного нагружения
Текст статьи
Юрченко Владимир Ильич,доктор технических наук, профессор, директор Общества с ограниченной ответственностью «Юрченко и К», г. Шахты μостовской областиzhasmin125b@yandex.ru
Влияние скорости абразивных частиц на хрупкоеразрушениесинтетических полимерных материалов
приударноабразивной обработке в условиях низких температур
Аннотация. В статье рассматривается возможность аналитического определения скорости соударения абразивных частиц с поверхностью любого синтетического полимерного материалапри ударноабразивной обработке в условиях низкотемпературного охлаждения, при которой однократный удар частицы приводил бы к хрупкому разрушению материала.Приводятся зависимости, связывающие скорость абразивных частиц с физикомеханическими характеристиками материалов, подвергаемых обработке, с характеристиками самих частиц, а также параметрами процесса обработки, позволяющие назначать такую допускаемую скорость соударения частиц с обрабатываемой поверхностью, при которой ударные импульсы, вызываемые частицами, не разрушают внутреннюю структуру материала, а процесс ударноабразивной обработки сводится только к микрорезанию.Ключевые слова: синтетическиеполимеры, абразивные частицы, шероховатость обрабатываемой поверхности, контактные напряжения, предел прочности материала, низкотемпературное охлаждение, хрупкое состояние, хрупкое разрушение, скорость удара частиц, скорость звука, ударные волны, волны напряжений, ударные импульсы.
Ударноабразивная обработка, чаще называемая воздушноабразивной, жидкостноабразивной или струйноабразивной νАО (поскольку в качестве рабочего органа используется направленный поток незакреплённых абразивных частиц высокоскоростная струя, формируемая, как правило, соплом струйного аппарата), применяется во многих отраслях промышленности и народного хозяйства: в тяжёлом машиностроении, в производстве строительных материалов, в космической отрасли, в медицине, в производстве оружейных оптических систем,при декоративной отделке листового стекла и стеклянных изделий,в автосервисе и др. [1]. Основной целью νАО является удаление некоторого слоя материала с обрабатываемой поверхности и создание на ней микрорельефа с определённой шероховатостью.Главным достоинством νАО является возможность достижения равномерной(постоянной)шероховатости по всей площади обрабатываемой поверхности за счёт отсутствия в технологическом процессе инструмента как твёрдого тела, жестко связанного с обрабатываемым изделием [1]. Причём в отличие от существующих способов механической обработки, предусматривающих для получения требуемого качества (требуемой шероховатости) обрабатываемой поверхности неоднократное её прохождение режущим инструментом (фрезами, абразивными кругами, лентами, металлическими щётками, шарошками и др. [2]), в процессе νАО аналогичный эффект достигается за один проход абразивной струи, что позволяет резко повысить производительность обработки [1].Благодаря возможности формирования равномерной шероховатости и высокой эффективности процесса к νАО в последние годы заметный интерес проявляют производства, связанные с обработкой деталей, изготовленных из синтетических полимерных материалов,клеевого метода крепления, поскольку только равномерная шероховатость склеиваемых поверхностей может обеспечить их равномерную и максимальную(при прочих равных условиях) прочность соединения [3].Например, в индустрии строительных материалов при производстве плиточных и рулонных изделий, изготовленных из различных видов резин, поливинилхлорида, кумарона, фенолита и др. [4], применяемых для покрытия полов и несущих оснований, струйноабразивной обработкой наохлаждённой до стеклообразного состоянияповерхности подосновы указанных изделий формируется шероховатость, обеспечивающая требуемуюпрочность клеевого соединения изделия с основанием [5]. νтакой же целью обрабатываются детали низа обуви для прочного клеевого соединения их с верхом обуви [6].В производстве специальной одежды и средств индивидуальной защиты рук (рукавиц и перчаток) методом νАО обрабатывают полимерные защитные накладки [7]. Известны и другие примеры применения νАО при подготовке поверхностей полимерных изделий под нанесение клеевых плёнок [3].Наиболее производительными являются технологии νАО [8], обеспечивающие обработку синтетических полимеров в хрупком состоянии, поскольку в этом случае при каждом ударе абразивной частицы по поверхности заготовки или детали от неё отделяется некоторый объём материала [6]. Перевод эластичного полимера в стеклообразное (хрупкое) состояние в соответствии с технологиями [8]осуществляется охлаждением обрабатываемых деталей различными хладагентами (жидким азотом, «сухим» льдом, охлаждённым воздухом и др. [8]). При этом для каждого полимерного материала существует вполне определённая температура охлаждения [8].Необходимость охлаждения обрабатываемой поверхности детали в соответствии с указанными технологиями [8]обусловлена особенностями поведения эластичных полимерных материалов в условиях динамических (в том числе ударных) нагрузок.Как известно [9], процесс разрушения любого реального материала начинается в очень локализованных его областях, где встречаются врожденные неоднородности (дефекты) микроструктуры или неоднородности, возникающие в ходе необратимой деформации при нагружении (в том числе ударном), и приводит к интенсивному локальному возрастанию напряжений (как сжимающих, так и растягивающих), настолько большому, что некоторые из существующих дефектов превращаются в повреждения, в которых химические связи фактически разрушены. Агрегация примесей в микроструктуре, различного рода включения, не санкционированные технологией, центры деформационной несовместности, поры и выделения посторонних частиц представляют примеры таких дефектов.Таким образом, разрушение представляет собой процесс, характерный для дефектной структуры. Термин «хрупкое разрушение» обозначает группу тех процессов разрушения, которые не предваряются и не сопровождаются пластической деформацией, или потому, что материал не обладает действенным механизмом скольжения или другими механизмами, с помощью которых может быть диссипирована существенная часть энергии деформирования, либо вследствие блокирования таких механизмов низкой температурой или другими условиями окружающей среды. Кроме того, хрупкая прочность материала в условиях однородного напряженного состояния (что имеет место при ударных нагрузках) связана с концентрацией и степенью опасности дефектов данного образца.Практика показывает, что при ударном нагружении полимера, если скорость приложения нагрузки становится равной скорости распространения волн упругих деформацийв 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 этомпроявляет [10].При νАО поверхности деталей, изготовленных из синтетических полимерных материалов, отмечалось хрупкое разрушение именно при скоростях удара, равных скорости распространения звука внагруженном материале [6]. Назовём условно такую скорость нагружения термином «скорость хрупкости».Вместе с тем широко известный в науке о прочности полимеров принцип эквивалентности воздействия на физикомеханические свойства материала скоростидеформирования и температуры его охлаждения свидетельствует о том, чтоэти параметры процесса перевода полимера в иное физическое состояние взаимозаменяемы[11]. βругими словами, полимер можно переводить в стеклообразное состояние и иным способом,воздействуя на него только понижением температуры. Причем в этом случае при определенной температуре�стпроисходит так называемое структурное стеклование[10]. Ниже температуры�стпри температуре хрупкости�хполимерстановится полностью хрупким и способен разрушаться по атермическому механизму, в соответствии с которым разрыв химической связи определяется только напряженным состоянием материала[10].Однако перевод полимера в стеклообразное состояние медленным понижением температуры еще не вызываетего разрушения, которое может произойти только при приложении к нему нагрузки.νАО представляет собой механическую обработку поверхности направленным потоком абразивных частиц высокоскоростной струей. При этом реализуется динамический процесс ударного нагружения поверхности, характеризуемый определенной нагрузкой и скоростью ее приложения. А в случае применения технологий[8] имеет местоеще и охлаждение обрабатываемой детали.Если скорость хрупкости �хполимера невелика (до 300 м/с), то организовать процесс хрупкого разрушения материала довольно просто. Это показано, например, в работах[6, 12]. Однако при больших значениях �хкартина сразу усложняется. Так, вуказанных выше полимерах, используемых в производстве деталей клеевого метода крепления,скорость распространения волн упругих деформаций достигает 1000 м/с и выше [6]. μеализовать при νАО 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 моментасоударения частиц с поверхностью полимера, поскольку в процессе разгона частицы дробятся (разрушаются) от взаимных столкновений.Известно, однако, что температура механического стеклования�мне является константой материала и зависит от скорости механического воздействия (скорости удара): при повышении скорости�мувеличивается и наоборот[10]. νледовательно, понижением температуры полимера можно при его νАО обеспечить реализацию механизма хрупкого разрушения при скоростях удара, гораздо меньших скорости распространения звука в полимере.К сожалению, в отличие от существующих методов механической обработки полимерных деталей клеевого метода крепления традиционными инструментами, процесс νАО синтетических полимеров в условиях низкотемпературного охлаждения изучен ещё недостаточно, а научнообоснованные рекомендации по выбору оптимальных режимов νАО, обеспечивающих требуемое качество и эффективность обработки, разработаны только для некоторых видов материалов [6].В связи с этим актуальной становится проблема прогнозирования оптимальных значений наиболее значимых факторов процесса νАО деталей, изготовленных из любых синтетических полимерных материалов. Одним из таких факторов, определяющих качество и производительность обработки, является скорость �аабразивных частиц в момент контакта (соударения) с обрабатываемой поверхностью.Известно [13], что формирование новой поверхности при струйноабразивной обработкеполимерных материалов в хрупком состояниипроисходит в результате двух видов разрушения: деформационного и посредством резания. К сожалению, в зависимости от скорости абразивных частиц эти процессы могут оказывать прямо противоположное влияние на качество обработки деталей перед склеиванием.Еслив результате микрорезания полимерного материала режущими кромками абразивных частиц формируется вполне ожидаемая при любых значениях технологических режимов νАО (в том числе и скорости частиц) текстура (рисунок) поверхности с равномерной шероховатостью, обеспечивающей при определенных (оптимальных) режимах обработки требуемые эксплуатационные свойства клеевого соединения, то при действии ударных волн вызываемые ими разрушения (поверхностные или внутренние сколы и (или) бессистемно расположенные на обрабатываемой поверхности кратеры различного диаметра и глубины) ни при каких сочетаниях режимов νАО равномерную шероховатость обрабатываемой поверхности обеспечить не могут; разрушенной оказывается внутренняя структура материала, в результате чего обработанная деталь становится непригодной для дальнейших технологических операций. При этом процесс разрушения материала ударными волнами в общем случае носит неуправляемый характер, поскольку дефекты структуры реального материала, отвечающие за указанные разрушения, распределены по его объему совершенно случайно; случайными являются и их количество, геометрические параметры, физическая и химическая природа и др. В результате качественная картина разрушений поверхности и внутренней структуры номинально идентичных образцов при идентичных условиях испытаний совершенно различна, а само разрушение дефектной структуры материала можно прогнозировать лишь с привлечением статистических методов [14].νледовательно, возникает необходимость создания таких условий обработки деталей методом νАО, при которых исключается возможность негативного влияния ударных волн на качество обработки. βругими словами, в процессе νАО необходимо не допускать назначение такой скорости абразивных частиц, при которой напряжения, вызываемые ударными импульсами, могут превысить предел прочности [σр] обрабатываемого материала, то естьσк݁−δ�<[σр], (1)где σк=1,65�д−δ�[ρаρм(1−μм2)4]1/5(�а�зв)2/5sin(��)(здесь �ддинамический модуль упругости материала; ρа, ρмплотность соответственно абразивных частиц и материала; μмкоэффициент Пуассона материала; �звскорость звука в материале; �время; �частота нагружения материала, определяемая из соотношения [15]�={�0(1−3�ρв�4�аρа)1/2[1−(��с+�tanβ)3/2]2}1/510,3�аρа2/5(1−μа2�а+1−μм2�м)2/5,
где �0начальная скорость истечения абразивных частиц на срезе сопла струйного устройства; �коэффициент, зависящий от формы тела; ρвплотность воздуха; �арадиус абразивных частиц; �расстояние от среза сопла струйного устройства до обрабатываемой поверхности; �срадиус сопла струйного устройства; �расстояние от оси воздушноабразивной струи до исследуемой точки; βугол распыла струи; �а, �ммодули упругости соответственно абразивных частиц и материала; μакоэффициент Пуассона абразивных частиц);δ=β/2�коэффициент затухания (здесь βкоэффициент вязкого трения; �масса колебательной системы).В качестве комментария к формуле (1) следует заметить, что параметр �апринят из предположения, что частицы имеют шарообразную форму с некоторым радиусом �а. Такую идеализацию можно использовать, на наш взгляд, по той причине, что в реальной турбулентной струе, формируемой струйным устройством в установках для νАО, абразивные частицы, закручиваемые несущим потоком воздуха или жидкости, при своём движении интенсивно вращаются вокруг своего центра тяжести. При этом каждая точка поверхности любой частицы описывает окружности разного радиуса. А поскольку геометрическая ось вращающейся частицы при её движении постоянно и хаотически изменяет свой угол наклона по отношению, например, к оси струи, то можно, вероятно, говорить о некоторых «шаровых поверхностях», формируемых каждой точкой частицы. μадиус �анаибольшей «шаровой поверхности», описываемой, очевидно, самой удалённой от центра тяжести точкой, здесь и в дальнейшем будем называть радиусом частицы. Принятое допущение позволяет облегчить ход дальнейших рассуждений при расчётескорости частицы.Кроме того для предотвращения ударного резонанса необходимо, чтобы δ<νм�а2
(здесь νмчастота собственных колебаний ударной системы, определяется экспериментально [15, 16]).Условие (1) справедливо, однако, только для прямой полностью затухающей волны напряжений. Если же ударный импульс встречает на своем пути границу (поверхность) отражения, происходит его трансформация (преобразование), в результате которой прямая и обратная волны суммируются, и в случае симметричного начального импульса и одинакового знака фаз амплитуда отраженной волны может достигнуть удвоенного значения амплитуды прямой волны [17, 18, 19].При осуществлении технологий νАО[8] полимерныхдеталей возможны следующие варианты и условия трансформации ударных импульсов.1. Граница отражения волны свободна от напряжений. При таком условии весь объем обрабатываемой детали должен находиться в одном физическом состоянии (в нашем случае деталь должна быть охлаждена по всему объему), а поверхность отражения ударной волны не должна иметь жёсткой связи с другой средой (деталь не закрепляется по поверхности отражения).В этом случае отражённый импульс противоположен по знаку прямой волне. Например, если падающая волна представляет собой импульс сжатия, то обратная импульс растяжения.2. Граница отражения волны жёстко фиксирована. При таком условии обрабатываемая деталь полностью охлаждена, а её поверхность, противоположная обрабатываемой (поверхность отражения), механически жёстко закреплена.В этом случае отраженная волна имеет такой же знак, как и прямая.3. Граница отражения волны разделяет среды с разной плотностью, причём среда, по которой распространяется волна, имеет плотность большую, чем сопредельная. При таком условии обрабатываемая деталь имеет два однородных слоя, один из которых (подвергаемый обработке) охлаждается. Плотность охлажденного слоя превышает плотность неохлажденного [11, 18].В этом случае прямая и отраженная волны имеют одинаковый знак.Во всех описанных случаях эволюция ударных волн сопровождается наложением (интерференцией) прямого и обратного импульсов.ν учетом вышеизложенного условие (1) примет вид2σк݁−δ�<[σр],или σк<0,5݁−δ�[σр]. (2)Анализ неравенства (2) показывает, что его решение должно сводиться к определению скорости �аабразивных частиц (в момент контакта с обрабатываемой поверхностью), обеспечивающей целостность внутренней структуры материала в результате воздействия на него ударных волн.βействительно, при фиксированных значениях времени tобработки детали и других параметров для каждого конкретного вида обрабатываемого материала и абразивных частиц в условии (2) только �аи νфункционально зависимы (ν=݂(�а)), поэтому, принимая скорость частиц в качестве аргумента функции σк=݂(�а), можно в соответствии с (2) найтитакое её значение, при котором ударные волны не разрушат материал в результате νАО.Обозначив в (2)1,65�д[ρаρм(1−μм2)4]1/5sin(��)=�,и выполнив соответствующие преобразования, получим�а<�зв(0,5[σр]݁δ��−1)5/2. (3)Последнее неравенство справедливо, однако, только при условии, если граница отражения ударного импульса свободна от напряжений. В двух других рассмотренных случаях к моменту распространения ударных волн поверхностьотражения находится в напряженном состоянии. Поля напряжений появляются в результате жесткого механического закрепления детали [20] и разности температур охлажденного и неохлажденного слоёв отрабатываемого материала [20]. Поэтому для указанных случаев условие (3) изменится следующим образом:а) при жестком закреплении поверхности отражения ударного импульса�а<�зв[0,5([σр]−σмех)݁δ��−1]5/2; (4)б) при охлаждении обрабатываемой поверхности�а<�зв[0,5([σр]−σтепл)݁δ��−1]5/2, (5)где σмехи σтеплнапряжения в материале на границе отражения ударной волны, вызванные механическим закреплением детали и охлаждением обрабатываемой поверхности соответственно (расчет σмехи σтепли их практическоеизмерение производятся в соответствии с известными методами теории упругости и методиками экспериментального исследования применительно к тонким пластинкам [20]).Таким образом, пользуясь соотношениями (35), можно для любого вида обрабатываемогополимерногоматериала определить такую допускаемую скорость [�а]соударения абразивных частиц с его поверхностью, при которой ударные импульсы не вызовут разрушениевнутренней структурыматериала, а процесс νАО сведётся только к микрорезаниюобрабатываемой поверхности.
νсылки на источники1.Толстов Б.М., Пикулина Л.А. νостояние и развитие струйноабразивной обработки. М.: σИНТИρИМНЕФТЕМАШ, 1990. 38 с.2.Егоров ν.В., Червяков А.Г. μезание конструкционных материалов и режущий инструмент. М.:Высш. школа, 1975. 188 с.3.Волков ν.ν. νварка и склеивание полимерных материалов. М.: ρимия, 2000. 376 с.4.Болдырев А.ν., δолотов П.П. νтроительные материалы. М.: νтройиздат, 1989. 567 с.5.Юрченко В.И., νухарникова В.А. Применение струйноабразивной обработки в производстве полимерных изделий для покрытия полов // νовременные технологии в промышленности строительных материалов и стройиндустрии: νборник статей Международного конгресса, 1618 сентября 2003 г. Белгород, БГТУ, 2003. Ч.I, № 5. ν.198201.6.Юрченко В.И. Влияние конструктивнотехнологических факторов на интенсификацию процесса струйноабразивной обработки деталей низа обуви перед склеиванием: Автореф. дис. … канд. техн. наук. М., 1990. 28 с.7.Юрченко В.И., Юрченко Н.И. Технология изготовления средств индивидуальной защиты рук с защитным слоем на основе вторичных полимерных материалов // Материалы и технологии XXIвека 2007: νборник статей VМеждународной научнотехнической конференции, 2122 марта 2007 г. Пенза, Пβδ, 2007. ν.214216.8.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.9.μазрушение: Микроскопические и макроскопические основы механики разрушения / Под ред. Г. Либовица. М.: Мир, 1973. Т.I. 616 с.10.Гуль В.Е., Кулезнев В.Н. νтруктура и механические свойства полимеров. М.: ρимия, 1966. 316 с.11.Бартенев Г.М., δеленев Ю.В. Курс физики полимеров. Л.: Высш. школа, 1976. 288 с.12.Бескоровайный В.В. Исследование и разработка процесса струйноабразивной обработки деталей обуви с целью создания технологической установки: Автореф. дис. … канд. техн. наук. М., 1983. 24 с.13.Бартенев Г.М., Лаврентьев В.В. Трение и износ полимеров. Л.: ρимия, 1972. 236 с.14.Александров Е.В., νоколинский В.Б. Прикладная теория и расчёты ударных систем. М.: Наука, 1969. 568 с.15.νтыллер Е.Е., Непомнящий Е.Ф., μатнерν.Б. Трение и износ полимерных материалов под воздействием струи твёрдых частиц // Повышение износостойкости и сроки службы машин. Киев: УКμНИИНТИ, 1970. Вып. IV. ν.122128.16.Перепечко И.И. Акустические методы исследования полимеров. М.: ρимия, 1973. 293 с.17.Бескоровайный В.В., Юрченко В.И. Механизмы хрупкого разрушения и мягчения натуральных кож ударом. Новочеркасск: ЮμГТУ (НПИ), 2004. 126 с.18.Каргин В.А., νлонимский Г.Л. Краткие очерки по физикохимии полимеров. М.: ρимия, 1967. 232 с.19.Эйзнер Л.А. Применение эффективных методов и средств струйноабразивной обработки для повышения производительности труда на отделочнозачистных операциях: Автореф. дис. … канд. техн. наук. Гомель, 1983. 23 с.20.Батуев Г.ν., Голубков Ю.В. Инженерные методы исследования ударных процессов. М.: Машиностроение, 1969. 251 с.
Влияние скорости абразивных частиц на хрупкоеразрушениесинтетических полимерных материалов
приударноабразивной обработке в условиях низких температур
Аннотация. В статье рассматривается возможность аналитического определения скорости соударения абразивных частиц с поверхностью любого синтетического полимерного материалапри ударноабразивной обработке в условиях низкотемпературного охлаждения, при которой однократный удар частицы приводил бы к хрупкому разрушению материала.Приводятся зависимости, связывающие скорость абразивных частиц с физикомеханическими характеристиками материалов, подвергаемых обработке, с характеристиками самих частиц, а также параметрами процесса обработки, позволяющие назначать такую допускаемую скорость соударения частиц с обрабатываемой поверхностью, при которой ударные импульсы, вызываемые частицами, не разрушают внутреннюю структуру материала, а процесс ударноабразивной обработки сводится только к микрорезанию.Ключевые слова: синтетическиеполимеры, абразивные частицы, шероховатость обрабатываемой поверхности, контактные напряжения, предел прочности материала, низкотемпературное охлаждение, хрупкое состояние, хрупкое разрушение, скорость удара частиц, скорость звука, ударные волны, волны напряжений, ударные импульсы.
Ударноабразивная обработка, чаще называемая воздушноабразивной, жидкостноабразивной или струйноабразивной νАО (поскольку в качестве рабочего органа используется направленный поток незакреплённых абразивных частиц высокоскоростная струя, формируемая, как правило, соплом струйного аппарата), применяется во многих отраслях промышленности и народного хозяйства: в тяжёлом машиностроении, в производстве строительных материалов, в космической отрасли, в медицине, в производстве оружейных оптических систем,при декоративной отделке листового стекла и стеклянных изделий,в автосервисе и др. [1]. Основной целью νАО является удаление некоторого слоя материала с обрабатываемой поверхности и создание на ней микрорельефа с определённой шероховатостью.Главным достоинством νАО является возможность достижения равномерной(постоянной)шероховатости по всей площади обрабатываемой поверхности за счёт отсутствия в технологическом процессе инструмента как твёрдого тела, жестко связанного с обрабатываемым изделием [1]. Причём в отличие от существующих способов механической обработки, предусматривающих для получения требуемого качества (требуемой шероховатости) обрабатываемой поверхности неоднократное её прохождение режущим инструментом (фрезами, абразивными кругами, лентами, металлическими щётками, шарошками и др. [2]), в процессе νАО аналогичный эффект достигается за один проход абразивной струи, что позволяет резко повысить производительность обработки [1].Благодаря возможности формирования равномерной шероховатости и высокой эффективности процесса к νАО в последние годы заметный интерес проявляют производства, связанные с обработкой деталей, изготовленных из синтетических полимерных материалов,клеевого метода крепления, поскольку только равномерная шероховатость склеиваемых поверхностей может обеспечить их равномерную и максимальную(при прочих равных условиях) прочность соединения [3].Например, в индустрии строительных материалов при производстве плиточных и рулонных изделий, изготовленных из различных видов резин, поливинилхлорида, кумарона, фенолита и др. [4], применяемых для покрытия полов и несущих оснований, струйноабразивной обработкой наохлаждённой до стеклообразного состоянияповерхности подосновы указанных изделий формируется шероховатость, обеспечивающая требуемуюпрочность клеевого соединения изделия с основанием [5]. νтакой же целью обрабатываются детали низа обуви для прочного клеевого соединения их с верхом обуви [6].В производстве специальной одежды и средств индивидуальной защиты рук (рукавиц и перчаток) методом νАО обрабатывают полимерные защитные накладки [7]. Известны и другие примеры применения νАО при подготовке поверхностей полимерных изделий под нанесение клеевых плёнок [3].Наиболее производительными являются технологии νАО [8], обеспечивающие обработку синтетических полимеров в хрупком состоянии, поскольку в этом случае при каждом ударе абразивной частицы по поверхности заготовки или детали от неё отделяется некоторый объём материала [6]. Перевод эластичного полимера в стеклообразное (хрупкое) состояние в соответствии с технологиями [8]осуществляется охлаждением обрабатываемых деталей различными хладагентами (жидким азотом, «сухим» льдом, охлаждённым воздухом и др. [8]). При этом для каждого полимерного материала существует вполне определённая температура охлаждения [8].Необходимость охлаждения обрабатываемой поверхности детали в соответствии с указанными технологиями [8]обусловлена особенностями поведения эластичных полимерных материалов в условиях динамических (в том числе ударных) нагрузок.Как известно [9], процесс разрушения любого реального материала начинается в очень локализованных его областях, где встречаются врожденные неоднородности (дефекты) микроструктуры или неоднородности, возникающие в ходе необратимой деформации при нагружении (в том числе ударном), и приводит к интенсивному локальному возрастанию напряжений (как сжимающих, так и растягивающих), настолько большому, что некоторые из существующих дефектов превращаются в повреждения, в которых химические связи фактически разрушены. Агрегация примесей в микроструктуре, различного рода включения, не санкционированные технологией, центры деформационной несовместности, поры и выделения посторонних частиц представляют примеры таких дефектов.Таким образом, разрушение представляет собой процесс, характерный для дефектной структуры. Термин «хрупкое разрушение» обозначает группу тех процессов разрушения, которые не предваряются и не сопровождаются пластической деформацией, или потому, что материал не обладает действенным механизмом скольжения или другими механизмами, с помощью которых может быть диссипирована существенная часть энергии деформирования, либо вследствие блокирования таких механизмов низкой температурой или другими условиями окружающей среды. Кроме того, хрупкая прочность материала в условиях однородного напряженного состояния (что имеет место при ударных нагрузках) связана с концентрацией и степенью опасности дефектов данного образца.Практика показывает, что при ударном нагружении полимера, если скорость приложения нагрузки становится равной скорости распространения волн упругих деформацийв 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 этомпроявляет [10].При νАО поверхности деталей, изготовленных из синтетических полимерных материалов, отмечалось хрупкое разрушение именно при скоростях удара, равных скорости распространения звука внагруженном материале [6]. Назовём условно такую скорость нагружения термином «скорость хрупкости».Вместе с тем широко известный в науке о прочности полимеров принцип эквивалентности воздействия на физикомеханические свойства материала скоростидеформирования и температуры его охлаждения свидетельствует о том, чтоэти параметры процесса перевода полимера в иное физическое состояние взаимозаменяемы[11]. βругими словами, полимер можно переводить в стеклообразное состояние и иным способом,воздействуя на него только понижением температуры. Причем в этом случае при определенной температуре�стпроисходит так называемое структурное стеклование[10]. Ниже температуры�стпри температуре хрупкости�хполимерстановится полностью хрупким и способен разрушаться по атермическому механизму, в соответствии с которым разрыв химической связи определяется только напряженным состоянием материала[10].Однако перевод полимера в стеклообразное состояние медленным понижением температуры еще не вызываетего разрушения, которое может произойти только при приложении к нему нагрузки.νАО представляет собой механическую обработку поверхности направленным потоком абразивных частиц высокоскоростной струей. При этом реализуется динамический процесс ударного нагружения поверхности, характеризуемый определенной нагрузкой и скоростью ее приложения. А в случае применения технологий[8] имеет местоеще и охлаждение обрабатываемой детали.Если скорость хрупкости �хполимера невелика (до 300 м/с), то организовать процесс хрупкого разрушения материала довольно просто. Это показано, например, в работах[6, 12]. Однако при больших значениях �хкартина сразу усложняется. Так, вуказанных выше полимерах, используемых в производстве деталей клеевого метода крепления,скорость распространения волн упругих деформаций достигает 1000 м/с и выше [6]. μеализовать при νАО 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 моментасоударения частиц с поверхностью полимера, поскольку в процессе разгона частицы дробятся (разрушаются) от взаимных столкновений.Известно, однако, что температура механического стеклования�мне является константой материала и зависит от скорости механического воздействия (скорости удара): при повышении скорости�мувеличивается и наоборот[10]. νледовательно, понижением температуры полимера можно при его νАО обеспечить реализацию механизма хрупкого разрушения при скоростях удара, гораздо меньших скорости распространения звука в полимере.К сожалению, в отличие от существующих методов механической обработки полимерных деталей клеевого метода крепления традиционными инструментами, процесс νАО синтетических полимеров в условиях низкотемпературного охлаждения изучен ещё недостаточно, а научнообоснованные рекомендации по выбору оптимальных режимов νАО, обеспечивающих требуемое качество и эффективность обработки, разработаны только для некоторых видов материалов [6].В связи с этим актуальной становится проблема прогнозирования оптимальных значений наиболее значимых факторов процесса νАО деталей, изготовленных из любых синтетических полимерных материалов. Одним из таких факторов, определяющих качество и производительность обработки, является скорость �аабразивных частиц в момент контакта (соударения) с обрабатываемой поверхностью.Известно [13], что формирование новой поверхности при струйноабразивной обработкеполимерных материалов в хрупком состояниипроисходит в результате двух видов разрушения: деформационного и посредством резания. К сожалению, в зависимости от скорости абразивных частиц эти процессы могут оказывать прямо противоположное влияние на качество обработки деталей перед склеиванием.Еслив результате микрорезания полимерного материала режущими кромками абразивных частиц формируется вполне ожидаемая при любых значениях технологических режимов νАО (в том числе и скорости частиц) текстура (рисунок) поверхности с равномерной шероховатостью, обеспечивающей при определенных (оптимальных) режимах обработки требуемые эксплуатационные свойства клеевого соединения, то при действии ударных волн вызываемые ими разрушения (поверхностные или внутренние сколы и (или) бессистемно расположенные на обрабатываемой поверхности кратеры различного диаметра и глубины) ни при каких сочетаниях режимов νАО равномерную шероховатость обрабатываемой поверхности обеспечить не могут; разрушенной оказывается внутренняя структура материала, в результате чего обработанная деталь становится непригодной для дальнейших технологических операций. При этом процесс разрушения материала ударными волнами в общем случае носит неуправляемый характер, поскольку дефекты структуры реального материала, отвечающие за указанные разрушения, распределены по его объему совершенно случайно; случайными являются и их количество, геометрические параметры, физическая и химическая природа и др. В результате качественная картина разрушений поверхности и внутренней структуры номинально идентичных образцов при идентичных условиях испытаний совершенно различна, а само разрушение дефектной структуры материала можно прогнозировать лишь с привлечением статистических методов [14].νледовательно, возникает необходимость создания таких условий обработки деталей методом νАО, при которых исключается возможность негативного влияния ударных волн на качество обработки. βругими словами, в процессе νАО необходимо не допускать назначение такой скорости абразивных частиц, при которой напряжения, вызываемые ударными импульсами, могут превысить предел прочности [σр] обрабатываемого материала, то естьσк݁−δ�<[σр], (1)где σк=1,65�д−δ�[ρаρм(1−μм2)4]1/5(�а�зв)2/5sin(��)(здесь �ддинамический модуль упругости материала; ρа, ρмплотность соответственно абразивных частиц и материала; μмкоэффициент Пуассона материала; �звскорость звука в материале; �время; �частота нагружения материала, определяемая из соотношения [15]�={�0(1−3�ρв�4�аρа)1/2[1−(��с+�tanβ)3/2]2}1/510,3�аρа2/5(1−μа2�а+1−μм2�м)2/5,
где �0начальная скорость истечения абразивных частиц на срезе сопла струйного устройства; �коэффициент, зависящий от формы тела; ρвплотность воздуха; �арадиус абразивных частиц; �расстояние от среза сопла струйного устройства до обрабатываемой поверхности; �срадиус сопла струйного устройства; �расстояние от оси воздушноабразивной струи до исследуемой точки; βугол распыла струи; �а, �ммодули упругости соответственно абразивных частиц и материала; μакоэффициент Пуассона абразивных частиц);δ=β/2�коэффициент затухания (здесь βкоэффициент вязкого трения; �масса колебательной системы).В качестве комментария к формуле (1) следует заметить, что параметр �апринят из предположения, что частицы имеют шарообразную форму с некоторым радиусом �а. Такую идеализацию можно использовать, на наш взгляд, по той причине, что в реальной турбулентной струе, формируемой струйным устройством в установках для νАО, абразивные частицы, закручиваемые несущим потоком воздуха или жидкости, при своём движении интенсивно вращаются вокруг своего центра тяжести. При этом каждая точка поверхности любой частицы описывает окружности разного радиуса. А поскольку геометрическая ось вращающейся частицы при её движении постоянно и хаотически изменяет свой угол наклона по отношению, например, к оси струи, то можно, вероятно, говорить о некоторых «шаровых поверхностях», формируемых каждой точкой частицы. μадиус �анаибольшей «шаровой поверхности», описываемой, очевидно, самой удалённой от центра тяжести точкой, здесь и в дальнейшем будем называть радиусом частицы. Принятое допущение позволяет облегчить ход дальнейших рассуждений при расчётескорости частицы.Кроме того для предотвращения ударного резонанса необходимо, чтобы δ<νм�а2
(здесь νмчастота собственных колебаний ударной системы, определяется экспериментально [15, 16]).Условие (1) справедливо, однако, только для прямой полностью затухающей волны напряжений. Если же ударный импульс встречает на своем пути границу (поверхность) отражения, происходит его трансформация (преобразование), в результате которой прямая и обратная волны суммируются, и в случае симметричного начального импульса и одинакового знака фаз амплитуда отраженной волны может достигнуть удвоенного значения амплитуды прямой волны [17, 18, 19].При осуществлении технологий νАО[8] полимерныхдеталей возможны следующие варианты и условия трансформации ударных импульсов.1. Граница отражения волны свободна от напряжений. При таком условии весь объем обрабатываемой детали должен находиться в одном физическом состоянии (в нашем случае деталь должна быть охлаждена по всему объему), а поверхность отражения ударной волны не должна иметь жёсткой связи с другой средой (деталь не закрепляется по поверхности отражения).В этом случае отражённый импульс противоположен по знаку прямой волне. Например, если падающая волна представляет собой импульс сжатия, то обратная импульс растяжения.2. Граница отражения волны жёстко фиксирована. При таком условии обрабатываемая деталь полностью охлаждена, а её поверхность, противоположная обрабатываемой (поверхность отражения), механически жёстко закреплена.В этом случае отраженная волна имеет такой же знак, как и прямая.3. Граница отражения волны разделяет среды с разной плотностью, причём среда, по которой распространяется волна, имеет плотность большую, чем сопредельная. При таком условии обрабатываемая деталь имеет два однородных слоя, один из которых (подвергаемый обработке) охлаждается. Плотность охлажденного слоя превышает плотность неохлажденного [11, 18].В этом случае прямая и отраженная волны имеют одинаковый знак.Во всех описанных случаях эволюция ударных волн сопровождается наложением (интерференцией) прямого и обратного импульсов.ν учетом вышеизложенного условие (1) примет вид2σк݁−δ�<[σр],или σк<0,5݁−δ�[σр]. (2)Анализ неравенства (2) показывает, что его решение должно сводиться к определению скорости �аабразивных частиц (в момент контакта с обрабатываемой поверхностью), обеспечивающей целостность внутренней структуры материала в результате воздействия на него ударных волн.βействительно, при фиксированных значениях времени tобработки детали и других параметров для каждого конкретного вида обрабатываемого материала и абразивных частиц в условии (2) только �аи νфункционально зависимы (ν=݂(�а)), поэтому, принимая скорость частиц в качестве аргумента функции σк=݂(�а), можно в соответствии с (2) найтитакое её значение, при котором ударные волны не разрушат материал в результате νАО.Обозначив в (2)1,65�д[ρаρм(1−μм2)4]1/5sin(��)=�,и выполнив соответствующие преобразования, получим�а<�зв(0,5[σр]݁δ��−1)5/2. (3)Последнее неравенство справедливо, однако, только при условии, если граница отражения ударного импульса свободна от напряжений. В двух других рассмотренных случаях к моменту распространения ударных волн поверхностьотражения находится в напряженном состоянии. Поля напряжений появляются в результате жесткого механического закрепления детали [20] и разности температур охлажденного и неохлажденного слоёв отрабатываемого материала [20]. Поэтому для указанных случаев условие (3) изменится следующим образом:а) при жестком закреплении поверхности отражения ударного импульса�а<�зв[0,5([σр]−σмех)݁δ��−1]5/2; (4)б) при охлаждении обрабатываемой поверхности�а<�зв[0,5([σр]−σтепл)݁δ��−1]5/2, (5)где σмехи σтеплнапряжения в материале на границе отражения ударной волны, вызванные механическим закреплением детали и охлаждением обрабатываемой поверхности соответственно (расчет σмехи σтепли их практическоеизмерение производятся в соответствии с известными методами теории упругости и методиками экспериментального исследования применительно к тонким пластинкам [20]).Таким образом, пользуясь соотношениями (35), можно для любого вида обрабатываемогополимерногоматериала определить такую допускаемую скорость [�а]соударения абразивных частиц с его поверхностью, при которой ударные импульсы не вызовут разрушениевнутренней структурыматериала, а процесс νАО сведётся только к микрорезаниюобрабатываемой поверхности.
νсылки на источники1.Толстов Б.М., Пикулина Л.А. νостояние и развитие струйноабразивной обработки. М.: σИНТИρИМНЕФТЕМАШ, 1990. 38 с.2.Егоров ν.В., Червяков А.Г. μезание конструкционных материалов и режущий инструмент. М.:Высш. школа, 1975. 188 с.3.Волков ν.ν. νварка и склеивание полимерных материалов. М.: ρимия, 2000. 376 с.4.Болдырев А.ν., δолотов П.П. νтроительные материалы. М.: νтройиздат, 1989. 567 с.5.Юрченко В.И., νухарникова В.А. Применение струйноабразивной обработки в производстве полимерных изделий для покрытия полов // νовременные технологии в промышленности строительных материалов и стройиндустрии: νборник статей Международного конгресса, 1618 сентября 2003 г. Белгород, БГТУ, 2003. Ч.I, № 5. ν.198201.6.Юрченко В.И. Влияние конструктивнотехнологических факторов на интенсификацию процесса струйноабразивной обработки деталей низа обуви перед склеиванием: Автореф. дис. … канд. техн. наук. М., 1990. 28 с.7.Юрченко В.И., Юрченко Н.И. Технология изготовления средств индивидуальной защиты рук с защитным слоем на основе вторичных полимерных материалов // Материалы и технологии XXIвека 2007: νборник статей VМеждународной научнотехнической конференции, 2122 марта 2007 г. Пенза, Пβδ, 2007. ν.214216.8.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.9.μазрушение: Микроскопические и макроскопические основы механики разрушения / Под ред. Г. Либовица. М.: Мир, 1973. Т.I. 616 с.10.Гуль В.Е., Кулезнев В.Н. νтруктура и механические свойства полимеров. М.: ρимия, 1966. 316 с.11.Бартенев Г.М., δеленев Ю.В. Курс физики полимеров. Л.: Высш. школа, 1976. 288 с.12.Бескоровайный В.В. Исследование и разработка процесса струйноабразивной обработки деталей обуви с целью создания технологической установки: Автореф. дис. … канд. техн. наук. М., 1983. 24 с.13.Бартенев Г.М., Лаврентьев В.В. Трение и износ полимеров. Л.: ρимия, 1972. 236 с.14.Александров Е.В., νоколинский В.Б. Прикладная теория и расчёты ударных систем. М.: Наука, 1969. 568 с.15.νтыллер Е.Е., Непомнящий Е.Ф., μатнерν.Б. Трение и износ полимерных материалов под воздействием струи твёрдых частиц // Повышение износостойкости и сроки службы машин. Киев: УКμНИИНТИ, 1970. Вып. IV. ν.122128.16.Перепечко И.И. Акустические методы исследования полимеров. М.: ρимия, 1973. 293 с.17.Бескоровайный В.В., Юрченко В.И. Механизмы хрупкого разрушения и мягчения натуральных кож ударом. Новочеркасск: ЮμГТУ (НПИ), 2004. 126 с.18.Каргин В.А., νлонимский Г.Л. Краткие очерки по физикохимии полимеров. М.: ρимия, 1967. 232 с.19.Эйзнер Л.А. Применение эффективных методов и средств струйноабразивной обработки для повышения производительности труда на отделочнозачистных операциях: Автореф. дис. … канд. техн. наук. Гомель, 1983. 23 с.20.Батуев Г.ν., Голубков Ю.В. Инженерные методы исследования ударных процессов. М.: Машиностроение, 1969. 251 с.
