Прогнозирование результатов струйно-абразивной обработки искусственных обувных материалов в условиях низких температур

Зависимости ДР и ДА от факторов Тр , Рф и Е, приведены на рис. 4, откуда следует, что в относительных единицах глубина проникновения адгезива и пластиката в структуру тканей в большей степени зависит от факторов процесса, чем прончость литьевого крепления. Этого и следовало ожидать, поскольку увеличение А не приводит к пропорциональным повышению площади адгезионного контакта соединяемых материалов и росту числа механических зацепов между ними.

Более того, с увеличением А, очевидно, в большей степени происходит деформирование клеевого слоя на поверхности тканей и даже его разрыв, что наблюдалось при микроскопических исследованиях адгезионного контакта [1]. Если же учесть, что с изменениями факторов Тр, Рф и Е, происходят и другие физико-химические процессы, обусловливающие многогранность явления адгезии, то станет понятным отсутствие количественной корреляции зависимостей ДА = Л(Тр, Рф, Е,) и ДР = ЛТр, Рф, Е,).

В заключение анализа роли механических эффектов уместно заметить, что высокая прочность крепления с волокнистыми материалами возможна лишь при удовлетворительной специфической адгезии. В технологической практике известны примеры низкой адгезионной прочности даже при глубоком внедрении адгезива в структуру субстрата, что объясняется слабым специфическим взаимодействием материалов [9].

Рассмотренные закономерности получены при исследовании литьевых соединений ПВХ-пластикатов определенной рецептуры с хлопчатобумажными тканями. Поэтому возникает вопрос - действительны ли эти закономерности при литьевом креплении подошвенных композиций различной рецептуры для тканей разного строения и других материалов верха?

Анализ известных разрозненных данных, упоминаемых в работе [3], и практического опыта приводит к выводу о качественном соответствии полученных закономерностей и при литьевом креплении ПВХ-пластикатов разного композиционного состава. Это ожидаемый вывод, поскольку речь идет о композициях, имеющих одинаковые полимерную основу и основные неполимерные компоненты. Более того, основные

закономерности сохраняются и при литьевом креплении композиций на основе термоэластопластов [3, 10]. Что касается материалов верха, то они все относятся к волокнистым, и это обусловливает специфику их взаимодействия с адгезивом и расплавами подошвенных композиций. Следовательно, рассмотренные закономерности определяются, прежде всего, самим процессом прямого литья и особенностями формирования литьевых соединений с волокнистыми материалами верха обуви.

Литература

1. Карабанов, П.С. Бороздина Г.А. Механическая адгезия полимера с тканью в литьевых соединениях // Новые технологии: Наука и образование: Сб. науч. тр. М., 2002. Вып. 4. С. 58-62.

2. Повстугар В.И., Кодолов В.И., Михайлова С.С. Строение и свойства поверхности полимерных материалов М., 1988.

3. Карабанов П.С., Фукин В.А., Москалец Т.А. Исследование режимов прямого литья низа на текстильную обувь. Со-общ. 1 // Кожевенно-обувная промышленность. 2002. № 3. С. 40-42.

4. Тихомиров В.Б. Планирование и анализ эксперимента (при проведении исследований в легкой и текстильной промышленности). М., 1974.

5. Химия и физика высокомолекулярных соединений в производстве искусственной кожи, кожи и меха: Учеб. для вузов: 3-е изд., перераб. и доп. / Г.П. Андрианова, И.С. Шестакова, Д.А. Куциди и др. М., 1987.

6. Воюцкий С.С. Физико-химические основы пропитывания и импрегнирования волокнистых систем водными дисперсиями полимеров. М.,1969.

7. Тихомиров В. Б. Физико-химические основы получения нетканых материалов. М., 1969.

8. Карабанов П.С., Дмитриенко Т.А. Влияние режимов литьевого формования низа обуви на образование вы-прессовок // Кожевенно-обувная промышленность. 1999. № 4. С. 40-41.

9. Берлин А.А., Басин В.Е. Основы адгезии и полимеров. М.,

1974.

10. Батисене М.Ю., Мицкус В.К., Раяцкас В.Л., Синкуте Б.С. Влияние температуры литья термоэластопластов на прочность адгезионных соединений // Кожевенно-обувная промышленность. 1992. № 3. С. 33-35.

Новосибирский технологический институт Московского государственного университета дизайна и технологии

14 февраля 2005 г.

УДК 621.922:681.5

ПРОГНОЗИРОВАНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ СТРУЙНО-АБРАЗИВНОЙ ОБРАБОТКИ ИСКУССТВЕННЫХ ОБУВНЫХ МАТЕРИАЛОВ В УСЛОВИЯХ НИЗКИХ ТЕМПЕРАТУР

© 2005 г. В.И. Юрченко

Необходимость обеспечения высокой прочности ров (различных видов резин, эластопластов, поливи-склеивания деталей низа обуви (подошв, каблуков), нилхлорида, полиуретана и др. [1]), с верхом обуви изготовленных из эластичных искусственных полиме- вызвала создание новых технологий, основанных на

использовании в качестве рабочего инструмента воздушно-абразивной струи [2-4]. Основной целью струйно-абразивной обработки (САО) деталей низа обуви является удаление некоторого слоя материала с обрабатываемой поверхности и создание на ней микрорельефа с определенной шероховатостью, обеспечивающей максимальную прочность склеивания низа и верха обуви.

Главным достоинством САО является возможность достижения равномерной шероховатости по всей площади обрабатываемой поверхности за счет отсутствия в технологическом процессе инструмента как твердого тела, жестко связанного с обрабатываемым изделием [5]. Причем 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 щетками, шарошками и др.), в процессе САО аналогичный эффект достигается за один проход абразивной струи, что позволяет резко повысить производительность обработки.

Наиболее производительной технологией САО искусственных обувных материалов является технология [3], обеспечивающая обработку поверхности в хрупком состоянии, поскольку в этом случае при каждом ударе абразивной частицы по поверхности детали от неё отделяется некоторый объем материала [6]. Перевод эластичного полимера в стеклообразное (хрупкое) состояние в соответствии с технологией [3] осуществляется охлаждением обрабатываемых деталей потоком холодного воздуха, формируемого соплом вихревого охладителя [7]. При этом для каждого полимерного материала существует вполне определенная температура охлаждения [6].

Необходимость охлаждения обрабатываемой поверхности детали в соответствии с технологией [3] обусловлена особенностями поведения эластичных полимерных материалов в условиях динамических (например, ударных) нагрузок.

Известно, что при ударном нагружении полимера, если скорость приложения нагрузки становится равной скорости распространения волн упругих деформаций в материале (скорости звука), его упругоэла-стические 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 [8].

При САО поверхности искусственных материалов, используемых в производстве деталей низа обуви, отмечалось хрупкое разрушение именно при скоростях удара, равных скорости распространения звука в нагруженном материале [6]. Назовём условно такую скорость нагружения термином "скорость хрупкости".

Вместе с тем широко известный в науке о прочности полимеров принцип эквивалентности воздействия на физико-механические свойства материала скорости

деформирования и температуры его охлаждения свидетельствует о том, что эти параметры процесса перевода полимера в иное физическое состояние взаимозаменяемы [9]. Другими словами, полимер можно переводить в стеклообразное состояние и иным способом, воздействуя на него только понижением температуры. Причем в этом случае при определенной температуре Тст происходит так называемое структурное стеклование [8]. Ниже температуры Тст при температуре хрупкости Тх полимер становится полностью хрупким и способен разрушаться по атермическому механизму, в соответствии с которым разрыв химической связи определяется только напряженным состоянием материала [8]. Однако перевод полимера в стеклообразное состояние медленным понижением температуры еще не вызывает его разрушения, которое может произойти только при приложении к нему нагрузки.

САО 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 технологии [3] имеет место еще и охлаждение обрабатываемой детали.

Если скорость хрупкости Ух полимера невелика (до 300 м/с), то организовать процесс хрупкого разрушения материала довольно просто. Это показано, например, в работах [6, 10]. Однако при больших значениях Ух картина сразу усложняется. Так, в полимерах, используемых в производстве деталей низа обуви, скорость распространения волн упругих деформаций достигает 1000 м/с и выше [6]. 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, однако, что температура механического стеклования Тм не является константой материала и зависит от скорости механического воздействия (скорости удара): при повышении скорости Тм увеличивается и наоборот [8]. Следовательно, понижением температуры полимера можно при его САО обеспечить реализацию механизма хрупкого разрушения при скоростях удара, гораздо меньших скорости распространения звука в полимере.

К сожалению, в отличие от существующих методов механической обработки деталей обуви перед склеиванием традиционными инструментами, процесс САО искусственных обувных материалов к настоящему времени изучен недостаточно, а научно обоснованные рекомендации по выбору оптимальных режи-

мов САО, обеспечивающих требуемое качество обработки, разработаны лишь для некоторых видов материалов низа обуви [10].

В связи с этим актуальной становится проблема прогнозирования результатов САО деталей низа обуви, изготовленных из любых искусственных обувных материалов. При этом поиск универсального критерия качества обработки, функционально зависящего от физико-механических свойств обрабатываемых материалов и используемых при обработке абразивных частиц, гранулометрического состава частиц и основных параметров процесса САО (скорости частиц, угла атаки струи, расстояния от среза сопла струйного устройства до обрабатываемой поверхности и др.), является, на наш взгляд, основной задачей при решении указанной проблемы. Численные значения такого критерия, соответствующие требуемому качеству обработки поверхности конкретных полимеров, позволят задавать режимы САО, обеспечивающие максимальную производительность обработки. И наоборот, обладая априорной информацией о свойствах обрабатываемых полимеров, абразивных частиц и значениях режимов САО, можно прогнозировать ожидаемую величину критерия, сравнивать её с эталонным значением (соответствующим требуемому качеству обработки) и по результатам сравнительного анализа корректировать процесс САО с целью достижения его эффективности и максимальной производительности.

Исследователи [6, 10], занимающиеся вопросами ударно-абразивной обработки обувных 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, по-разному трактуется физический смысл количественной характеристики износа и предлагаются различные методики его расчета [11]. По нашему мнению, наиболее приемлемая для случая САО полимеров формулировка эрозионного износа приводится у Веллингера [12] и И.В. Крагельского [11].

В общем случае в качестве характеристики износа принимается отношение массы изношенного материала к массе изнашивающего [11, 12], т.е.

3V мРм

I =

4п R ;ра q

где Vм - изношенный объем материала; рм и ра - плотности изношенного материала и изнашивающих абра-

зивных частиц соответственно; Rа - радиус шарообразных абразивных частиц; q - число частиц, вызвавших износ.

Величину эрозионного износа полимерных материалов согласно [11] можно определить из выражений: а) при упругом контакте абразивных частиц с обрабатываемой поверхностью

IУ = KtРмРа5 (^а0 -1)х

x

2+ Г kf \ *

, А -1

4 ^ 5

3п0

б) при пластическом контакте

1 пл = Kt Рм

fp Л

t+i ,

2 ¡1 + k f i-kf

v 0sina 0

(ctgaо - f ),

где у0 - скорость абразивной частицы; с0 - предел упругости материала; ст - предел текучести материала; е0 - относительная деформация; а0 - угол встречи абразивной частицы с поверхностью; f - коэффициент

трения скольжения; 0 =

1 - Д2

Е

упругая постоянная

материала (здесь д - коэффициент Пуассона; Е - модуль упругости материала); с - коэффициент, зависящий от формы выступов и от упрочнения материала; t - показатель степени, характеризующий вид усталости материала (фрикционной или объемной); Kt -коэффициент, зависящий от показателя t; к - постоянная для случая упругого контакта абразивной частицы с поверхностью; к' - постоянная при пластическом контакте.

Однако для случая САО полимерных материалов в условиях низкотемпературного охлаждения формулы (2) и (3) в представленном виде использовать нельзя, поскольку даже в хрупком (стеклообразном) состоянии полимеры проявляют как упругие, так и пластические свойства [13]. 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 (2) и (3), общий (полный) износ стеклообразных полимеров при САО можно определить из выражения

1 0 1 y c y + 1 пл С пл :

где сУ, спл - коэффициенты, учитывающие долю износа при упругом и пластическом контактах абразивной частицы с материалом.

В формуле (4) величина коэффициентов сУ и спл колеблется в пределах от нуля до единицы (в зависимости от физико-механических свойств материала и температуры [6]), однако в любом случае должно соблюдаться условие с У + с пл = 1.

Нетрудно заметить, что из зависимостей (1) - (4) 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

V Р

МГ м

I о =

VаР а

где объем Уи разрушенного в результате обработки материала можно представить как Vм = Бк (здесь £ -площадь обрабатываемой поверхности; к - толщина удаленного при САО материала), искомая величина А определится из выражения

h =

10VаР а Рм S

где Va = 4пЯ^ /3 - объем абразивных частиц, вызвавших износ Ум материала.

Количество абразивных частиц q в струе рассчитывается следующим образом:

q =с Ус,

где са - концентрация абразивных частиц в струе; V,. -объем воздушно-абразивной струи.

Если струя цилиндрическая (с "нулевым" или малым углом распыла), то

Vо = £ о Ь = пЯ о2 Ь ,

где £ = пЯ с2- площадь сечения струи (здесь Яс - радиус сопла струйного устройства); Ь - длина струи.

В случае большого угла распыла струя имеет форму усеченного конуса, тогда

Vc = nL (Rc2 + R c R п + R

n2 )

где Яп - радиус пятна контакта струи с обрабатываемой поверхностью.

Концентрацию са частиц в струе можно определить из выражения, предложенного в работе [6]:

С а = С о exp I — R а3Ра gL / к "Т

(

1 -

А2

R c + Ltgß

где с0 - концентрация частиц на оси струи при выходе из сопла (определяется экспериментально [6]); g -ускорение свободного падения; к" - коэффициент пропорциональности, имеющий размерность постоянной Больцмана; Т - абсолютная температура; г - радиус струи; в - угол распыла струи.

Анализ формулы (6) показывает, что в ней содержатся все наиболее значимые параметры процесса САО, а также параметры, характеризующие свойства обрабатываемого материала и абразивных частиц. Следовательно, толщину к удаляемого слоя материала можно рассматривать как критерий, которым можно оценивать качество САО поверхности любого полимерного материала или детали низа обуви перед склеиванием, а зависимость (6) позволяет прогнозировать ожидаемую величину к при любых сочетаниях параметров процесса САО, сравнивать её расчетное значение с эталонными (нормативными) значениями, полученными экспериментальным путем для различных видов материалов и деталей низа обуви, и назначать такие режимы струйно-абразивной обработки, которые обеспечивали бы требуемое качество поверхности деталей низа обуви под нанесение клеевых плёнок, необходимые эксплуатационные свойства клеевого соединения и максимальную производительность обработки.

Литература

1. Морозова Л.П., Полуэктова В.Д., Михеева Е.Я.и др. Справочник обувщика. М., 1988.

2. А.с. 1088697 (СССР). Способ обработки поверхности кожи /В.В. Бескоровайный, А.П. Смирнов, В.С. Лебедев и др. // БИ. 1984. №16.

3. А.с. 1531973 (СССР). Способ получения ворсовых кож / В.В. Бескоровайный, К.М. Зурабян, В.И. Юрченко и др. // БИ. 1989. № 48.

4. А.с. 984447 (СССР). Способ обработки наружной поверхности ношенной обуви/В.В. Бескоровайный, В.С. Лебедев, В.И. Юрченко и др. // БИ. 1982. № 48.

5. Толстое Б.М., Пикулина Л.А. Состояние и развитие струйно-абразивной обработки. М., 1980.

6. Юрченко В.И. Влияние конструктивно-технологических факторов на интенсификацию процесса струйно-абразивной обработки деталей низа обуви перед склеиванием: Автореф. дис. ... канд. техн. наук. М., 1990.

7. Суслов А.Д., Иванов С.В., Мурашкин А.В. и др. Вихревые аппараты. М., 1985.

8. Гуль В.Е. Структура и прочность полимеров. М., 1978. 350 с.

9. Бертенев Г.М., Зеленев Ю.В. Физика и механика полимеров. М., 1983.

10. Бескоровайный В.В. Научные основы процесса струйно-абразивной обработки поверхности кож, обуви и коже-венно-галантерейных изделий и принципы создания оборудования: Автореф. дис. ... д-ра. техн. наук. М., 1995.

11. Крагельский И.В., Добычин М.Н., Комбалов В. С. Основы расчетов на трение и износ. М., 1977.

12.Веллингер К., Уетц Г. Изнашивание струёй абразивного материала: Сб. тр. и переводов обзоров иностранной литературы. Серия "Машиностроение". 1956, № 2 (32), С. 52-77.

13.Ферри Д. Вязкоупругие свойства полимеров. М., 1963.

Шахтинский институт

Южно-Российского государственного технического университета

1 марта 2005 г.