Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Современное состояние вопроса о процессах обработки полимерных материалов
1.1 Анализ существующих методов физико-технической обработки полимерных материалов 1 б
1.2. Теоретические исследования технологической системы СПИЗ при точении полимерных материалов 30
1.3. Современные представления о прочности полимерных материалов 46.
1.4. Классификация комбинированных способов обработки материалов 54
1.5. Выводы. Постановка задач исследований 58
ГЛАВА 2. Моделирование колебаний технологической системы при обработке точением заготовок из полимерных материалов 61
2.1. Математическая модель нелинейных колебаний и определение условий нестабильности технологической системы при точении 61
2.2. Моделирование нелинейных колебаний технологической системы при точении полимерных материалов 75
2.3. Моделирование и экспериментальные исследования нестабильности технологической системы 80
2.4. Определение зон нестабильности технологической системы при точении заготовок из полимерных материалов 87
2.5. Исследование взаимосвязи колебаний технологической системы при точении с уровнем шероховатости обработанной
поверхности 94
2.6. Выводы
ГЛАВА 3. Экспериментальные исследования кинетики процессов деформирования и разрушения полимерных материалов 112
3.1. Обоснование выбора материала экспериментальных образцов 112
3.2. Акустико-эмиссионный метод исследования процесса разрушения полимерных материалов 114
3.3. Исследование прочности полимерного материала в зависимости от скорости нагружения образцов 128
3.4. Влияние предварительного деформирования полимерных материалов на изменение прочности 133
3.5. Исследование твердости полимерных материалов в зависимости от величины предварительного напряженного состояния 149
3.6. Выводы 152
ГЛАВА 4. Исследование влияния предварительного термомеханического воздействия на качество токарной обработки полимерных материалов 154
4.1. Способ комбинированной обработки заготовок из полимерных материалов с учетом предварительного термомеханического воздействия j 54
4.2. Методика расчета напряженно - деформированного состояния в зоне контактного взаимодействия при резании 161
4.3. Методика проведения экспериментальных исследований 165
4.4. Исследования влияния шероховатости обработанной поверхности 169
4.5. Исследования отклонений формы обработанной поверхности деталей 189
4.6. Исследования твердости обработанной поверхности деталей 197
4.7. Результаты производственных испытаний 211
4.8. Выводы 214
ГЛАВА 5. Влияние предварительной механической деструкции поверхностного слоя полимерных материалов на качество обработанной точением поверхности 217
5.1. Анализ напряженно-деформированного состояния полимерных материалов с начальными технологическими дефектами при резании 217
5.2. Способ обработки заготовок из полимерных материалов на основе предварительной механической деструкции 224
5.3. Экспериментальные исследования влияния параметров предварительной механической деструкции на качество токарной обработки 236
5.4. Выводы 275
ГЛАВА 6. Исследование влияния параметров предварительной обработки заготовок поверхностно- активными веществами на качество токарной обработки полимерных материалов 276
6.1. Методика расчета технологических параметров при взаимодействии агрессивной среды с полимерным материалом 276
6.2.Экспериментальные исследования процесса взаимодействия ПАВ с полимерными материалами 283
6.3. Механохимические способы обработки полимерных материалов
6.4. Экспериментальные исследования качества токарной обработки после предварительного воздействия ПАВ 293
6.5. Выводы 299
Основные выводы и результаты 3 01
Список используемой литературы
- Современные представления о прочности полимерных материалов
- Моделирование нелинейных колебаний технологической системы при точении полимерных материалов
- Влияние предварительного деформирования полимерных материалов на изменение прочности
- Механохимические способы обработки полимерных материалов
Введение к работе
Актуальность темы. Развитие современного машиностроения, приборостроения и многих других отраслей промышленности невозможно без применения синтетических полимерных материалов. Это обусловлено тем, что пластические материалы обладают высокой удельной прочностью, превосходящей традиционные конструкционные материалы как стали, чугуны, латуни, бронзы и др. Кроме того пластмассы имеют высокую химическую стойкость, диэлектричность, антифрикционную способность и хорошие технологические свойства.
Наблюдаемая тенденция замены металлических сплавов полимерными материалами для производства вкладышей подшипников скольжения, втулок, уплотнительных колец, антифрикционных дисков, зубчатых и червячных колес и др. является весьма перспективной для развития многих отраслей промышленности в связи с возрастающим дефицитом минерального сырья и ухудшающейся экологической обстановкой при производстве черных и цветных сплавов. Несмотря на очевидные преимущества полимерных материалов, при изготовлении деталей из пластмасс современными методами (литье под давлением, прессование, экструзия) происходит изменение их размерно-геометрических параметров, связанное с усадкой материала во время затвердения и охлаждения, и зачастую не обеспечиваются требуемые параметры качества функциональных поверхностей детали, что приводит к необходимости дополнительной механической обработки, преимущественно токарной, от качества которой в значительной степени зависит надежность и долговечность функционирования деталей и механизмов.
Наличие у полимерных материалов специфичных свойств обуславливает резкое отличие процессов их механической обработки от процессов резания металлов, при этом эффективность методов обработки резанием в основном зависит от режимов обработки и параметров режущего инструмента. Однако на практике имеются большие затруднения с достижением требуемого качества обработанной поверхности деталей из полимерных материалов на основе обычных методов обработки и рекомендуемых в литературе режимов резания.
Таким образом, задача повышения эффективности обработки заготовок из полимерных материалов резанием является актуальной для современного машиностроения, так как ее решение позволит повысить качественные характеристики изготавливаемой продукции и снизить себестоимость ее изготовления.
Одним из путей решения данной проблемы является разработка нового подхода к выбору режимов резания полимерных материалов и разработка новых способов обработки, сущность которых заключается в направленном изменении свойств обрабатываемого материала путем применения предварительных внешних (механических, термомеханических и химических) воздействий на заготовки с целью обеспечения высокого качества обрабатываемой резанием поверхности деталей.
Актуальность темы диссертации подтверждается выполнением научно-исследовательских работ в рамках гранта Тихоокеанского государственного университета (грант 3.08.ТОГУ «Разработка и исследование новых комбинированных методов механической обработки полимерных материалов для обеспечения высокого качества обработанной поверхности изделий») и по специальному заказу ОАО «Дальэнергомаш» (договор № 04-03/217/08 от 15 сентября 2008 г. «О научно-техническом сотрудничестве между Тихоокеанским государственным университетом и ОАО «Дальэнергомаш»).
Цель работы - повышение качества токарной обработки полимерных материалов на основе определения стабильности технологической системы станок-приспособление-инструмент-заготовка (СПИЗ) и исследования взаимосвязи между параметрами предварительных внешних (механических, термомеханических и химических) воздействий на заготовки и качественными показателями обработанной поверхности.
Для достижения поставленной цели в работе решались следующие задачи:
-
Разработка нелинейной математической модели колебаний и моделирование колебаний технологической системы при точении заготовок из полимерных материалов
-
Определение условий и установление зоны нестабильности динамической системы при токарной обработке полимерных материалов.
-
Исследование процесса стружкообразования и параметров качества обработанной поверхности при токарной обработке в зонах стабильности технологической системы.
-
Исследование кинетики процесса разрушения полимерных материалов методом акустической эмиссии и установление характера изменений их прочностных характеристик от параметров механических и химических воздействий.
-
Исследование взаимосвязи между предварительными термомеханическим и химическим воздействием на заготовку и качеством токарной обработки полимерных материалов.
-
Исследование влияния предварительной механической деструкции поверхностного слоя полимерных материалов на качество обработанной точением поверхности.
7. Разработка новых технологических способов обработки заготовок из полимерных материалов, заключающихся в предварительных внешних (механических, термомеханических и химических) воздействиях с последующим точением для достижения высокого качества обработанной поверхности.
Научная новизна работы.
1. Разработана математическая модель для определения стабильного и нестабильного состояния технологической системы при точении полимерных материалов. Установлено, что возникновение нестабильного состояния при обработке обусловлено пониженной жесткостью и высоким демпфированием колебаний у полимеров.
2. Обоснован выбор параметров режима резания полимерных материалов, соответствующих зоне стабильности технологической системы. Экспериментально подтверждено, что точение полимеров в зоне нестабильности приводит к возрастанию колебаний технологической системы, изменению характера процесса стружкообразования и ухудшению параметров качества обработанной поверхности.
3. Предложено и обосновано применение предварительной механической деструкции поверхностного слоя заготовок из полимерных материалов для повышения качественных параметров обработанной поверхности. Для реализации способа механической деструкции поверхностного слоя сконструированы и изготовлены устройства для предварительной механической обработки заготовок из полимерных материалов, конструкции которых защищены патентами на изобретения.
4. Научно обосновано применение предварительных термомеханических воздействий на заготовки для снижения энергии активации процесса разрыва связей в полимерных материалах и повышения качества последующей токарной обработки. Разработан новый способ повышения качества обработанной поверхности деталей из полимерных материалов за счет применения предварительного механического деформирования и нагрева заготовок, защищенный патентом на изобретение.
5. Экспериментально доказана целесообразность предварительного химического воздействия поверхностно-активными веществами на заготовки из полимерных материалов перед обработкой резанием. Разработана методика расчета основных диффузионных параметров при взаимодействии агрессивной среды с полимерным материалом. Разработаны химико-механические способы обработки заготовок из полимерных материалов для повышения эффективности процесса обработки резанием, защищенные патентами на изобретения.
6. Получена дополнительная информация о кинетике процессов деформирования и разрушения полимерных материалов. Установлено, что на разных стадиях нагружения исследуемых полимерных материалов четко выделяются различные события, идентификация которых осуществляется посредством анализа параметров сигналов акустической эмиссии. Накопление повреждений во всех исследуемых материалах при воздействии внешней нагрузки является сложным многостадийным процессом. Создание предварительного напряженного состояния величиной в пределах (0,6-0,8) приводит к снижению прочности исследуемых полимерных материалов при последующем вторичном деформировании (- предельная прочностная характеристика материала).
7. Впервые получены новые результаты по влиянию режимов резания, вида и параметров предварительных воздействий на заготовки из полимерных материалов на такие качественные показатели обработанной поверхности как твердость, параметры шероховатости и отклонения формы поверхностей деталей, и дано научное обоснование установленным зависимостям. Применение предварительной механической деструкции позволило снизить уровень шероховатости обработанной точением поверхности полимерных материалов до 5 раз; в случае создания предварительных напряжений величиной до (0,6-0,8) при сжатии или растяжении заготовок из капролона и нагрева заготовок до 600С позволило снизить шероховатость обработанной поверхности до 4 раз; предварительная обработка заготовок ПАВ обеспечивает снижение уровня шероховатости до 4,5 раз.
Практическая значимость работы заключается в том, что использование теоретических и технологических разработок позволило определить пути повышения качества токарной обработки полимерных материалов за счет выбора рациональных режимов резания и параметров предварительных термомеханических и химических воздействий:
1. Разработаны методика и алгоритм, позволяющие определить оптимальные режимы резания полимерных материалов, обеспечивающие стабильность технологической системы СПИЗ и требуемое качество обработанной поверхности.
2. Разработаны новые комбинированные способы обработки полимерных материалов на основе предварительных термомеханических и химических воздействий и точения (патенты № 2203183, 2317196, 2328374). Научно-обоснованные рекомендации промышленного использования данных способов внедрены в ОАО «Дальневосточный научно-исследовательский институт технологии судостроения», в ОАО «Дальэнергомаш», ООО «Хабаровский завод металлоизделий», ФГУП «Хабаровский судостроительный завод», что подтверждается актами внедрения и положительным заключением о результатах производственных испытаний.
3. Разработаны устройства для осуществления предварительной механической деструкции поверхностного слоя заготовок из полимерных материалов, конструкции которых защищены патентами на изобретения (патенты № 2284911, 2207937, 2342249). Устройство для предварительной обработки заготовок из пластмасс (патент № 2284911) испытано и внедрено в производственный процесс восстановления и ремонта узлов и механизмов в филиале ОАО РЖД Хабаровского отделения ДВЖД «Локомотивном депо» ст. Вяземская. Применение данного устройства позволило снизить среднее арифметическое отклонение профиля обработанной поверхности деталей из текстолита и гетинакса до 4 раз.
4. Определены значения параметров предварительных физико-химических воздействий: диаметр точечных микроповреждений, глубина и шаг их нанесения в случае применения механической деструкции поверхностного слоя; значения растягивающего или сжимающего усилий в случае применения предварительного растяжения/сжатия заготовок; температурный диапазон тепловой обработки (Тхр
Методы исследования. В теоретических исследованиях применялись методы теории обработки материалов резанием, динамики станков, положения термофлуктуационной концепции прочности, методы физической химии полимеров. Экспериментальные исследования проводились по разработанным методикам и основываются на современных методах определения прочностных параметров материалов, кинетики процессов деформирования и разрушения, а также современных методах математико-статистической обработки экспериментальных данных.
Обоснованность и достоверность научных положений и выводов диссертации подтверждаются использованием известных методик планирования экспериментов и проведения теоретических и экспериментальных исследований, современной вычислительной техники и программных средств для анализа и обработки данных эксперимента, проведением экспериментальных исследований с применением современного оборудования на основе цифровых технологий, прошедшего государственную поверку, а так же результатами промышленных внедрений на предприятиях Хабаровского края.
Личный вклад автора состоит в разработке концепции работы и постановке задач аналитических и экспериментальных исследований. Лично автором разработана математическая модель для определения нестабильности при точении; предложена методика расчета и определения зон нестабильности технологический системы при точении полимерных материалов; выполнен комплекс экспериментальных исследований с последующими анализом и обработкой полученных данных; разработаны новые комбинированные способы обработки заготовок из полимерных материалов с применением предварительных воздействий и конструкции устройств для их реализации. При личном и непосредственном участии автора разработаны рекомендации по применению разработанных новых способов обработки (патенты №№2203183, 2317196, 2328374, 2284911, 2207937, 2342249).
Под научным руководством автора по данной научной специальности подготовлены и успешно защищены 3 кандидатские диссертации.
Апробация результатов работы:
Основные результаты диссертации были доложены и обсуждены на международных, всероссийских научно-технических конференциях: Международной конференции «Синергетика. Самоорганизующиеся процессы в системах и технологиях» (г. Комсомольск-на-Амуре, 2000 г.), III Всероссийской научно-технической конференции «Информационные технологии в науке, проектировании и производстве» (г. Нижний Новгород, 2001 г.), Международной научно - технической конференции «Сертификация и управление качеством продукции» (г. Брянск, 2002 г.), Инновационном форуме с международным участием «Роль науки, новой техники и технологий в экономическом развитии регионов» (г. Хабаровск, 2003 г.), II Международной научно-технической конференции «Материалы и технологии XXI века» (г. Пенза, 2004 г.), VII Международной научно-технической конференции «Динамика технологических систем» (г. Саратов, 2004 г.), III Международном симпозиуме по транспортной триботехнике «Повышение износостойкости и долговечности машин и механизмов на транспорте» (г. Санкт-Петербург, 2005 г.), II Всероссийской научно- практической конференции «Технологическое обеспечение качества машин и приборов» (г.Пенза, 2005 г.), IX,XI Международных научно-практических конференциях «Современные технологии в машиностроении» (г.Пенза, 2005, 2007 г.), III, IV,V Международных научно – технических конференциях «Современные инструментальные системы, информационные технологии и инновации» (г.Курск, 2005,2006,2007,2008 г.), Международной научно-технической конференции «Новые материалы и технологии в машиностроении» (г. Брянск, 2005, 2006, 2007, 2008 г.), Международном симпозиуме «Принципы и процессы создания неорганических материалов» (г. Хабаровск, 2006 г.), I,III Joint China-Russia symposium «Advanced materials processing technology» (КНР, г.Харбин, 2006, 2008 г.), II International Russia-China Symposium «Modern materials and technologies 2007» (г.Хабаровск, 2007 г.), VI Международной научно-технической конференции «Динамика систем, механизмов и машин» (г.Омск, 2007г.), Всероссийской. научно-практической конференции «Новые технологии и материалы. Инновации и инвестиции в промышленности Дальнего Востока» (г. Комсомольск – на Амуре, 2007г.), 6-й Международной научно-технической конференции «Проблемы качества машин и их конкурентоспособности» (г. Брянск, 2008 г.).
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 71 научная работа, в том числе 21 в изданиях рекомендуемых ВАК, 1 монография, 6 патентов РФ на изобретения.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, шести глав, основных выводов, библиографического списка используемой литературы из 165 наименований, и приложений. Объем диссертации составляет 328 страниц машинописного текста, включает 152 рисунка, 32 таблицы, 6 приложений.
Современные представления о прочности полимерных материалов
Эффективности механической обработки материалов резанием большей частью зависит от используемого оборудования и инструмента. Однако режущих инструментов, оборудования и технологических методов, специально предназначенных для обработки пластмасс, недостаточно и они имеют низкую эффективность. Часто используется инструмент, сконструированный для обработки металла и дерева. Этим обусловлены трудности эффективной обработки пластмасс резанием, усугубляемые многообразием видов, и классов, находящихся, в употреблении пластмасс и недостаточностью представлений о. присущих им свойствах, характеризующих их обрабатываемость. Например, при детальном изучении обработанных резанием поверхностей пластмасс [10,14,15,16,17] они часто оказываются очень шероховатыми и покрытыми трещинами и-рисками (царапинами, следами режущего инструмента). В других случаях обнаруживается, что тепло трения, развивающееся в результате резания, вызывает прижоги на поверхностях реактопластов и оплавление поверхностей термопластов, в результате чего возникает необходимость дополнительной отделочной обработки деталей. Можно обнаружить также выкрашивание (сколы) и чрезмерный износ режущих кромок инструментов.
Решающее влияние на производительность процесса резания и интенсивность износа инструмента оказывают режущие свойства материала инструмента.
Исследованию режущих свойств твердых сплавов при точении полимерных материалов посвящены многочисленные работы ученых Всесоюзного научно-исследовательского инструментального института [18,19]. Исследовались режущие свойства твердых сплавов групп ВК и ТК. Сравнение стойкости сплавов групп ВК и ТК (рис. 1.7) [18] показывает, что первые обладают большей стойкостью. Экспериментально установлено [7,20,21,22,23,24], что твердые сплавы группы ВК обладают наивысшей стойкостью, а использование быстрорежущих сталей для обработки пластмасс нецелесообразно, так как стойкость инструмента получается в этом случае крайне низкой.
Согласно практическим рекомендациям [8,9,10] режимы резания при точении пластмасс должны обеспечивать высокую стойкость резцов . и производительность обработки при удовлетворении заданных требований к детали. Для этого необходимо знать влияние каждого из факторов режима резания на износ и стойкость резцов. На износ и стойкость резцов в наибольшей степени влияет скорость резания [18,25]. Глубина резания влияет на стойкость меньше, чем подача. Поэтому сначала выбирают глубину резания, затем подачу и в последнюю очередь скорость резания [7,9,20]. Назначение режимов резания начинается с определения припуска на обработку и глубину резания. Обычно глубину резания назначают исходя из, технологических условий, жесткости детали, вида точения, точности размеров детали с учетом рекомендаций.
Глубина резания на шероховатость поверхности практически не влияет, хотя имеется тенденция к увеличению высоты неровностей при больших глубинах резания [11,12,15].
Анализируя результаты многочисленных опытов [7,8,9,10] по механической обработке полимерных материалов можно сделать вывод о том, что подача оказывает наибольшее влияние на шероховатость обработанной поверхности. С увеличением подачи растет величина неровностей при обработке всех видов пластмасс, причем характер зависимости примерно одинаковый. Почти все пластмассы имеют минимальную шероховатость при подаче не выше 0,2-0,25 мм/об. В интервале подач 0,3-0,35 мм/об при обработке всех пластмасс наблюдается резкое увеличение высоты неровностей, в связи, с чем эти подачи могут быть рекомендованы только при черновом точении.
Шероховатость обработанных поверхностей исследовали Okoshi и Kamogawa в электротехнической лаборатории MJTJ (Япония) [6], используя прутки из жесткого поливинилхлорида и алмазные и твердосплавные резцы. Установлено что шероховатость обработанной поверхности снижается при уменьшении подачи при точении указанными резцами (рис. 1.1).
Изучение влияния скорости резания на процесс стружкообразования показало [26,27], что скорость резания не оказывает существенного влияния на шероховатость поверхности. Высота неровностей колеблется в пределах одного класса или выходит за пределы этого класса очень незначительно. Тем не менее, для каждого материала установлены диапазоны скоростей, где шероховатость обработанной поверхности будет максимальной и минимальной. Это объясняется температурным фактором и связанным с ним характером стружкообразования. На рис. 1.2 [26] и 1.3 [27] приведены графики зависимости шероховатости поверхности от скорости резания.
Как следует из рис. 1.2, при всех видах обработки с увеличением скорости резания шероховатость поверхности увеличивается, однако это увеличение существенно отстает от роста скорости резания.
Моделирование нелинейных колебаний технологической системы при точении полимерных материалов
При механической обработке различных материалов, в том числе и полимерных, важно обеспечить высокое качество поверхности обработанной детали. От качества поверхностного слоя зависят: прочность деталей, особенно при знакопеременных нагрузках, прочность прессовых и стабильность подвижных посадок, износостойкость, коэффициент трения, коррозионная прочность, оптические и химические свойства.
Известно, что качество обработанной детали зависит от характера и параметров относительных колебаний инструмента и заготовки, которые вызывают периодическое изменение толщины срезаемого слоя и сил резания, что в свою очередь, ведет к изменению размеров и появлению геометрических погрешностей у обработанных деталей. Колебания- элементов технологической системы приводят к ухудшению качества обработанной поверхности, а также снижению стойкости режущего инструмента [31,58,59]. Для снижения уровня-колебаний в технологической системе уменьшают режимы резания- (глубину резания и подачу), вследствие чего существенно снижается производительность обработки.
Поглощение энергии колебаний в процессе механической обработки определяется демпфирующей способностью материалов деталей технологической системы и стыков между ними, которая характеризует способность материалов и стыков поглощать энергию циклического деформирования. Демпфирующая способность материала зависит от многих факторов, например, от его химического состава и структуры; амплитуды циклической деформации (напряжения) и вида напряженного состояния; вида и режима термической обработки; предварительного пластического деформирования; температуры и др. Известные конструкционные материалы различаются по демпфирующей способности весьма существенно - на три порядка, при этом, наиболее высокой демпфирующей способностью обладают полимерные материалы [44,48,59,60,61,62,63]. Полимерные материалы- состоят из длинных молекулярных цепочек органического происхождения. Атомы углерода прочно связаны друг с другом и образуют разветвления, в которых прочность соединения таких молекулярных цепочек зависит от технологии изготовления полимера. Демпфирование происходит при релаксации и восстановлении полимерной цепочки после ее деформирования; при этом имеет место строгое соответствие между эффектами, обусловленными влиянием частоты колебаний и температуры, поскольку существует непосредственная связь между температурой и характером молекулярного движения [41,49,64].
Наиболее важными внешними факторами, оказывающими влияние на демпфирующие свойства материала, являются температура, частота колебаний, динамическая нагрузка и статическое предварительное нагружение. В меньшей степени демпфирующие свойства зависят от остальных внешних факторов, таких, как износ, давление воздуха, наличие радиации и смазка [44,59,63]:
Самым важным внешним фактором, определяющим демпфирующие свойства материалов, является температура. Под влиянием- температуры снижается прочность и твердость материала, а коэффициент потерь принимает очень высокие значения и непосредственно определяется из выражения где t3 — период затухания колебаний; М - масса; 5 - логарифмический декремент затухающих колебаний, определяемый из соотношения 8 = Ы(А,/АМ), (1.2) где А\ — изменения амплитуды затухающих колебаний, зависит от частоты колебаний технологической системы, с ростом которой он увеличивается.
Оценка влияния величины амплитуд деформаций при динамических перемещениях на демпфирующие свойства материалов довольно затруднительна [60,65]. Это связано с тем, что большие амплитуды деформаций обычно приводят к большому поглощению энергии в материале, что в свою очередь вызывает быстрый рост его температуры, поэтому оба эффекта — температурный и амплитудный — проявляются одновременно. Однако для полимерных материалов, где модуль упругости и коэффициент потерь изменяются в зависимости от температуры относительно медленно, влияние температуры становится вторичным по сравнению с влиянием амплитуды динамических деформаций. Зависимость модуля упругости от амплитуды динамических деформаций определяется структурой материала. Также на демпфирующие свойства материала оказывает влияние статистическое предварительное нагружение. В случае приложения нагрузки к материалу, модуль упругости растет с ростом предварительной нагрузки, тогда как коэффициент потерь уменьшается [42,43,46,47].
В случае совместного воздействия статической и тепловой нагрузки в области небольших температур (до 100 С) уменьшается общий уровень рассеивания энергии в материале. При этом характер влияния температуры на демпфирование колебаний образца не меняется с приложением механической нагрузки [41,49,64].
Исходя из вышесказанного, следует, что динамические свойства технологической системы при обработке резанием полимерных материалов должны иметь существенные отличия по сравнению с обработкой металлических конструкционных материалов, вызванные большей демпфирующей способностью полимеров.
Влияние предварительного деформирования полимерных материалов на изменение прочности
Процесс развития микротрещины связан и с разрывом отдельных волокон, и с нарушением сцепления между волокнами и матрицей
В связи с чем энергозатратность процесса развития микротрещины выше, чем энергозатратность стадий разрыва отдельных волокон и адгезионных связей, что и подтверждается соответствующими значениями пиковой амплитуды - энергетическим показателем повреждаемости материала.
Окрестность точки С является предразрывной зоной. Последовательные резкий рост (до 42 имп/с) и снижение (до 20 имп/с) интенсивности сигналов в окрестности точки С свидетельствует о лавинообразном накоплении разрушений на стадии предразрушения, и о том, что развитие магистральной трещины произошло до критической длины, а резкий рост суммарного счета и суммарной энергии является характерным признаком потери несущей способности исследуемого материала. Как следует из представленных данных, разрывное напряжение для гетинакса составляет 120 МПа (рис.3.6).
Подобный характер деформирования и разрушения имеет место при растяжении текстолита, рисунок 3.7. Наблюдаемое некоторое увеличение таких параметров сигналов АЭ как суммарный счет и суммарная энергия можно объяснить более низкой, по сравнению с гетинаксом, прочностью текстолита, армирующим элементом которого являются бумажные волокна.
Таким образом, на основе анализа результатов проведенных исследований можно сделать следующие выводы:
1. На разных стадиях нагружения исследуемых полимерных материалов четко выделяются различные события, идентификация которых однозначно осуществляется методом анализа всех параметров сигналов АЭ.
2. Накопление повреждений в конструкционных полимерных материалах под нагрузкой является сложным многостадийным процессом. В случае нагружения гетинакса и текстолита эти стадии включают микропластические сдвиги в матрице, трещинообразование в матрице, разрыв адгезионных связей между матрицей и армирующим элементом, разрыв отдельных волокон и
Результаты испытаний текстолита: а - диаграмма нагружения; б - суммарный счет; в - суммарная энергия; г - распределение амплитуды сигналов АЭ; д - интенсивность сигналов целых пучков армирующего материала. Для капролона и фторопласта характерны процессы разрыва химических связей, вынужденноэластической деформации в вершинах микротрещин и пластической деформации в объеме материала. Все эти процессы сопровождаются образованием упругих волн АЭ.
Методика одноосного растяжения конструкционных полимерных материалов в сочетании с методом акустической эмиссии может эффективно использоваться для исследования процессов деформации и разрушения, а также для установления предельных характеристик для материалов различных классов.
Исследование прочности полимерного материала в зависимости от скорости нагружения образцов
Эффективность процессов изготовления, переработки и механической обработки изделий и деталей из полимерных материалов во многом зависит от точности определения механических свойств материала. Механические свойства пластмасс зависят не только от типа материала, но и в значительной степени - от реологических свойств, т.е. тех свойств, которые характеризуют поведение полимерных систем при деформировании. Одно из этих свойств -временная зависимость, связывающая напряжения, деформации и скорости деформаций при определенной температуре окружающей среды.
С целью установления характера процессов деформирования и определения зависимости предельных прочностных характеристик исследуемых полимерных материалов от скорости нагружения были проведены соответствующие испытания на одноосное растяжение при комнатной температуре. Скорость нагружения образцов варьировалась в диапазоне от 3,3 до 30 мм/мин. Полученные экспериментальные данные в виде зависимостей а = /(т) представлены нарис. 3.8, 3.9, 3.10, 3.11.
Анализ результатов данных исследований образцов из полимерных материалов на растяжение показывает, что для всех исследуемых материалов увеличение скорости нагружения в указанном диапазоне приводит к резкому сокращению времени до разрушения или до момента образования «шейки». При этом, с увеличением скорости деформирования реактопластов наблюдается рост предела прочности материала, а для термопластичных материалов (капролон, фторопласт) скачок (зарождение «шейки») происходит при больших значениях предела вынужденной эластичности. В табл. 3.1 приводятся численные значения данных параметров для исследуемых материалов, анализ которых служит базой для количественной оценки влияние скорости нагружения на кинетику процесса разрушения полимерных материалов.
Как следует из представленных на рис. 3.10 и 3.11 данных, прочность хрупких твердых тел характеризуется одним предельным состоянием, соответствующим переходу от упругой деформации к разрушению. При хрупком разрушении не наблюдается существенного уменьшения площади поперечного сечения в области разрушения и остаточной продольной деформации частей разрушенного образца.
Механохимические способы обработки полимерных материалов
Следующий этап исследований был посвящен установлению влияния режимов резания на качество обработанной поверхности деталей с учетом предварительного механического, теплового и термомеханического воздействия на заготовки. Заготовки для данной серии экспериментов изготавливались из капролона, так как данный материал находит наиболее широкое применение на промышленных предприятиях г. Хабаровска, что подтверждается данными табл. 4.3.
Ниже представлены результаты исследований [66,140,141] выполненных совместно с аспирантом Комяловой Е.В., научным руководителем которой являлся автор настоящей работы.
Согласно описанию способа в разделе 4.1, исследовались следующие варианты комбинированной обработки капролона:
Согласно требованиям ТУ 5.966-13411-93 при температуре плавления капролона 220С, допускаемая постоянная рабочая температура должна быть равна 100С, а кратковременная - 160С. Экспериментально установлено [50], что температура нагрева до 60С не оказывает существенного влияния на теплостойкость капролона. Снижение твердости при нагреве до данной температуры, определяемое по зависимости (4.2), составляет приблизительно 10-12 %, поэтому наиболее целесообразно выбрать температуру предварительного теплового воздействия в пределах 50-100 С. Данный температурный интервал удовлетворяет условию (4.1)
где Тхр — температура хрупкости капролона, Тхр= -50С; Тстекл. - температура стеклования капролона, Тстекл — 100С; At3KCn — температурный диапазон эксплуатации изделий из капролона, который составляет от -20 до 75С.
Исходя из вышеизложенного, заготовки из капролона нагревались в масляной ванне до температуры 60 С. Время тепловой обработки рассчитывалось по формуле (4.7) в соответствии с методикой, изложенной в разделе 4.1.
В главе 1 было отмечено, что величина продольной подачи оказывает значительное влияние на формирование геометрических параметров обрабатываемой поверхности заготовок из полимерных материалов. В связи с этим в данной серии экспериментальных исследований проводилась токарная обработка заготовок из капролона при фиксированных скорости резания 120 м/мин и глубине резания 1мм. Значения подачи варьировались в диапазоне от 0,08 до 0,28 мм/об. 12 8
На рис. 4.11 представлены результаты исследования зависимости параметра шероховатости Ra поверхности капролона от величины подачи. В дальнейшем данные, представленные на рис. 4.11 будем считать базовым вариантом токарной обработки капролона, так как заготовки не подвергались какому-либо предварительному воздействию.
Как видно, что увеличение величины подачи до 0,16 мм/об не приводит к значительным изменениям шероховатости поверхности обрабатываемых заготовок обоих диаметров, так как значения параметра Ra с остаются приблизительно одинаковыми. В интервале подач от 0,16 до 0,28 мм/об при обработке наблюдается резкое снижение качества обработанной поверхности, о чем свидетельствует рост значений параметра Ra до 12,6 и 11,8 мкм соответственно для заготовок диаметром 25 и 50 мм. При этом характер зависимости примерно одинаковый.
Такой характер изменения качества обработанной поверхности объясняется с помощью результатов моделирования и определения зон нестабильности при точении полимерных материалов представленных в Главе 2. Согласно данным, представленным в Главе 2 на рис.2.13, 2.14, при скорости резания 120 м/мин и глубине резания 1мм значение подачи 0,16 мм/об соответствует границе перехода от зоны стабильности в зону нестабильности состояния технологической системы СПИЗ, что сопровождается ухудшением условий стружкообразования, и, соответственно, снижением качества обработанной поверхности.
Сравнительный анализ результатов проведенных исследований (рис. 4.11) позволяет заключить, что качество обработанной поверхности с увеличением диаметра заготовки улучшается. Об этом свидетельствует снижение параметра Ra во всем диапазоне применяемых подач в случае обработки заготовки диаметром 50 мм. Это можно объяснить повышенной жесткостью системы станок — приспособление — инструмент - заготовка., в случае токарной обработки заготовки диаметром 50 мм. При выполнении дальнейших экспериментальных исследований применялись заготовки диаметром 50 мм.
Влияние предварительного сжатия заготовки на уровень шероховатости обработанной поверхности На данном этапе точению подвергались заготовки из капролона после предварительного сжатия. На рис. 4.12 графически представлены зависимости параметра шероховатости Ra от величины подачи в случае применения предварительного сжатия обрабатываемых заготовок
