О разрушении облоя на полимерных деталях при низкотемпературной центробежно-планетарной обработке

УДК 621.923

И. И. Воячек, А. Е. Зверовщиков, Е. А. Зверовщиков

О РАЗРУШЕНИИ ОБЛОЯ НА ПОЛИМЕРНЫХ ДЕТАЛЯХ ПРИ НИЗКОТЕМПЕРАТУРНОЙ ЦЕНТРОБЕЖНО-ПЛАНЕТАРНОЙ ОБРАБОТКЕ

Аннотация. Рассматривается механизм удаления облоя с полимерных деталей при низкотемпературной объемной обработке в контейнерах с планетарным вращением. Разработана методика назначения технологических режимов и прогнозирования результатов обработки на основе динамических характеристик взаимодействия рабочих тел с полимерными деталями.

Ключевые слова: полимерная деталь, облой, зачистка, трещина, механизм разрушения, центробежно-планетарная обработка, моделирование.

Abstract. The article considers the mechanism of flash destruction from polymer details, with volume processing in containers with planetary rotation at low-temperatures. The authors have developed a procedure of appointing technological modes and forecasting processing results, based on dynamic characteristics of interaction of bodies with polymeric items.

Key words: polymer detail, flash, trimming, split, destruction mechanism, centrifugal planetary processing, modeling.

Введение

Эффективным методом механизированного удаления облоя и грата с деталей из полимерных материалов является воздействие на него металлическим наполнителем в сочетании с предварительным охлаждением материала деталей до хрупкого состояния в рабочей камере станка. В производственных условиях нашли применение галтовочные, вибрационные, центробежноротационные и центробежно-планетарные станки. Центробежно-ротационная и центробежно-планетарная обработки полимерных деталей отличаются более высокой производительностью, обусловленной значительными скоростями взаимодействия деталей и рабочих тел загрузки.

Однако несовершенство методик определения технологических параметров приводит к необходимости трудоемкой эмпирической отработки режимов в производственных условиях, что существенно повышает затраты. Поэтому важно изучить динамические характеристики процесса взаимодействия рабочих тел и деталей, которые должны обеспечить контактные силы, достаточные для качественного удаления облоя. При этом необходимо учитывать, что интенсивные режимы обработки могут привести к возникновению сил, которые вызовут разрушение конструктивных элементов детали. В то же время, если температура материала детали при охлаждении не обеспечивает его перехода в хрупкое состояние, то облой может быть удален только при неоднократном воздействии на него металлического наполнителя. При таком характере разрушения сложно прогнозировать время удаления облоя.

На основании изложенного сформулированы условия, выполнение которых обеспечит качественное удаление облоя на деталях из полимеров:

- материал облоя после охлаждения должен перейти в хрупкое состояние и оставаться в таком состоянии в течение всего цикла обработки;

- при механическом воздействии на участок облоя в основании последнего должно возникнуть напряжение, превышающее напряжение, необходимое для разрушения полимерного материала в охрупченном состоянии;

- силы контактного взаимодействия рабочего тела и детали не должны приводить к разрушению или повреждению детали.

1. О механизме разрушения облоя

Условием хрупкого разрушения облоя является формирование возникшей в момент взаимодействия или существовавшей ранее трещины. Теория формирования трещин с хрупким характером разрушения изложена в работе Гриффитса [1], в которой рассмотрен баланс энергии упругой деформации и энергии поверхностного натяжения в вершине трещины и предложен критерий для определения начала распространения трещины.

Известно, что реальное разрушение материалов происходит при напряжениях на порядок меньше теоретического значения. По теории Гриффитса это является следствием наличия микротрещин в материале деталей. Энергия упругого деформирования расходуется на увеличение поверхностной энергии растущей трещины. Разрушение материала происходит, когда энергия упругого деформирования становится достаточной для образования новой поверхности.

Необходимо сформулировать гипотезу о механизме разрушения облоя на контуре детали. При воздействии на облой рабочего тела с силой Р, достаточной для создания в его основании напряжения разрушения, образуется микротрещина. После этого произойдет перераспределение напряжений по соседним участкам и возможен хрупкий скол участка облоя. Если скалывания не произойдет, то оно реализуется при повторных воздействиях на этот участок. Предполагается [2], что если первичное воздействие рабочим телом на облой не приводит к сколу последнего, то в зоне контакта формируется микротрещина, которая служит зародышем магистральной трещины, образующейся при последующих воздействиях.

Участок облоя представляется в виде защемленного сегмента на свободный конец которого действует сила Р (рис. 1). Размеры сегмента определяются шириной разрушаемого участка Ь, средней толщиной облоя Н и длиной Ь.

Напряжение, возникающее в основании облоя, составит

2кРК

ст =-----,

уЬН

где Р - сила удара шара; у - радианная длина дуги (в расчете принято 1,57 рад); К - соотношение длины дуги контакта и окружности радиусом Ь, в расчете К = 0,5.

Для полимерной детали, не содержащей макродефектов, коэффициент податливости С0 участка облоя размером Н^Ь^Ь при направлении нагрузки, как указано на рис. 1, можно записать в виде

Сп =

4І3

ЕЬН3

где Ь - расстояние между основанием облоя и точкой приложения нормальной составляющей силы Р, м; Ь - размер деформированного участка основания облоя, м; Н - средняя толщина полимерного облоя, м; Е - модуль упругости полимерного материала, МПа.

Рис. 1. Схема для расчета напряжения в основании облоя

При ударном воздействии металлического наполнителя на облой энергия удара иу принимается равной энергии деформации иу, запасаемой в образце до достижения напряжения, равного разрушающему напряжению а.

р-

Энергию, поглощаемую образцом без микротрещины до момента его разрушения, можно записать в виде [2]

и'г = -

ЬИЬоІ

_____£

18Е

При наличии микротрещины податливость С не является постоянной и зависит от длины микротрещины а, т.е. С = С(а). Размер микротрещин определяется методом фотометрии.

Энергия, поглощаемая образцом с микротрещиной до момента его разрушения, равна

и/ = ІсЬЬФ,

где Ф - расстояние, на которое расходятся поверхности трещины в ее вершине в результате упругой деформации [2],

Ф=-

С

дС •

Таким образом, зная размеры облоя

рассчитать энергию удара иу, при котором рабочее тело разрушит облой.

Если считать, что скорость высвобождения энергии деформации в момент начала разрушения у = ус, то ее можно определить из соотношения

( Р 2 V

1е ~

2Ь

дС

да

Энергию упругой деформации, запасаемую при ударе в детали с микродефектом в виде трещины, можно выразить следующим образом:

и/ =

Р2С

2

Таким образом, условие разрушения облоя на полимерной детали с микротрещиной можно записать в виде

Р 2С

и Г > и У или-----> УСЬНФ .

* 2

2. Параметры единичного взаимодействия

Для определения энергии деформации иу полимерных образцов при

соударении с металлическим наполнителем при центробежно-планетарной зачистной обработке в криогенной среде необходимо найти силу, действующую на отдельную деталь в уплотненном сегменте загрузки.

На рис. 2 приведена принципиальная схема осуществления способа зачистки облоя у деталей из полимерных материалов в контейнерах с планетарным вращением при дозированной заливке хладагента [3].

Рабочую загрузку 1, состоящую из полимерных деталей и металлического наполнителя (стальных шаров), помещают в стальной цилиндрический контейнер 2, снабженный слоем теплоизоляции 3, заливают дозированно хладагент (жидкий азот), закрывают герметичной крышкой 4 с клапаном 5 для сброса избыточного давления и сообщают планетарное вращение со скоростью ю1 вокруг оси 6 водила и скоростью ю2 вокруг собственной оси. При вращении контейнера происходит уплотнение рабочей загрузки и контактное взаимодействие охлажденных до состояния охрупчивания полимерных деталей с рабочими телами (стальными шарами). Вследствие пониженной прочности облой и грат при контакте со стальными шарами разрушаются при циклическом многократном пересыпании в объеме контейнера. Длительность цикла обработки не превышает 1-2 мин в зависимости от конфигурации обрабатываемых полимерных материалов и размеров облоя или грата. По окончании обработки выгружают содержимое контейнера на сепарирующее устройство для разделения полимерных деталей и металлического наполнителя. Обработанные детали контролируют и сортируют, а металлический наполнитель повторно загружают в контейнеры с новой партией деталей и цикл обработки повторяют.

Рис. 2. Принципиальная схема и геометрические параметры способа зачистки полимерных деталей

Геометрические параметры сегмента уплотненной загрузки определяются по соотношениям

1 = г

1 - 008

а

I = 2г 81п

а

= г2 Н

па . I а ) I а

-------81П | — 1008

где r - радиус контейнера, м; а - величина центрального угла уплотненного сегмента загрузки в поперечном сечении цилиндрического контейнера, рад; H - высота контейнера, м.

Средняя плотность загрузки определяется по формуле

тн + тд + тя

Рз =—------д-----1,

^з V + V + V *н т т *а

где тн, тд, та - массы металлического наполнителя (стальных шаров), полимерных деталей и хладагента (жидкого азота) соответственно, кг; VB, V^ V3 -объем металлического наполнителя (стальных шаров), объем полимерных деталей, объем хладагента (жидкого азота) соответственно, м3.

Статическое давление загрузки на поверхность детали, параллельную поверхности сегмента загрузки, составляет

^пар _ рз1 u ^ r cos Фс ' ^/ Rh ^ ^ ,

причем величина угла фс, определяющего положение центра масс загрузки, находится по соотношению [4]

-Af2 + У f 2(1 - A)2 +1

Фс = arccos-

1 + f2

(™ >2

где A = —

Rb

2 -1

; / - коэффициент трения загрузки о полиуретановую

ч—1

облицовку; ю2 - угловая скорость вращения контейнера (связана с угловой скоростью вращения водила соотношением ю2 = /ю1, где і - передаточное

отношение привода контейнера); и = —1—— - коэффициент утяжеления;

&

—в - радиус водила, м; & - ускорение свободного падения, м/с2.

Максимальные статическое и динамическое давления загрузки на поверхность детали, перпендикулярную поверхности сегмента загрузки, равны

^ст =Рзи&/, ^дин = Руш,

где "иш - скорость рабочего тела (стального шара) (рассчитывается по программе «Встреча» [5]), м/с.

Предельное количество круговых слоев Лред, отсчитываемых от слоя, прилегающего к стенке контейнера, исходя из того, что оно возникает при 50 % загрузке контейнера, составит

"^пред

Принимается, что рабочая загрузка прижата к стенке контейнера в направлении действия центробежной силы и имеет в сечении вид сегмента (рис. 3), максимальное количество слоев /тах равно

г • 2

'ш ^

И

Рис. 3. Схема расчета положения рабочего тела в рабочей загрузке Количество рабочих тел (стальных шаров) /тах . в каждом слое у со-

ставит

а—

где а , = 2агссо8

—і

V J /

з г

' ТТ

- центральный угол рабочей загрузки сегмента у-го

(

слоя; иш = 2агс8Іп

центральный угол сектора, занимаемого од-

ним рабочим телом в у слое; Яу - радиус-вектор текущего слоя.

Сила воздействия отдельного рабочего тела на деталь определяется по формуле

Р = ^Рп2ар + (Рдин + Рст )2 ЯГ,ш .

Время контакта рабочего тела с обрабатываемой поверхностью равно

5

ґ =

Фш ’

где 5 - прогиб участка облоя под действием силы Р, м

Работа по деформированию участка облоя принимается равной энергии, запасаемой в образце

I

А = и 1 = Р(.

При выполнении условия и^ > иможно сделать вывод о разрушении облоя.

3. Моделирование процесса единичного взаимодействия

Для проверки теоретических расчетов проведены компьютерное моделирование процесса разрушения облоя и экспериментальные исследования. В качестве образцов использовались детали типа колец из резины СКН-26 на основе бутилкаучука. Микрофотографии (рис. 4) показали наличие неоднородностей и трещин на поверхности материала.

Рис. 4. Микрофотография поверхности полимерного образца

Моделирование и эксперимент проводились при следующих исходных данных: радиус контейнера г = 0,1 м, радиус водила Яв = 0,155 м, высота контейнера Н = 0,195 м, средняя плотность загрузки рз = 1200 кг/м3, масса загрузки вместе с жидким азотом т = 4,56 кг, угол сегмента уплотненной загрузки а = 170°, угловая скорость водила ©1= 9,42 рад/с, коэффициент утяжеления и = 1,42; в качестве рабочих тел использовались металлические шары радиусом гш = 0,0035 м. При данных режимах средняя скорость рабочего тела #ш =2,2 м/с. По зависимости (4) рассчитана контактная сила взаимодействия Р = 1,19 Н. По зависимости (1) рассчитано напряжение, возникающее в основании облоя, которое составляет 48 МПа. В программном пакете Лшу8 выполнено моделирование взаимодействия полимерной детали с имитацией нагрузки, которую оказывает металлический наполнитель на участок облоя (рис. 5).

На основании источника [6] установлено, что предел прочности резиновых охрупченных материалов составляет 40-45 МПа в зависимости от материала и температуры охрупчивания. Моделирование показало, что заданная величина контактного взаимодействия приводит к возникновению напряжений на контрольной длине участка облоя, находящихся в диапазоне критических значений (44,32 МПа).

По результатам моделирования такие величины напряжений на контрольном участке облоя возникают при следующих технологических пара-

метрах обработки: частота вращения водила п = 90 мин-1, коэффициент утяжеления и = 1,42, радиус рабочего тела гш = 0,0035 м. Это позволяет сделать заключение о безусловном удалении облоя при первичном ударе по участку. При меньших значениях данных параметров напряжение на контрольном участке не достигало критической величины, что позволяет сделать предположение об усталостном разрушении облоя при последующем воздействии на участок.

Рис. 5. Моделирование приложения внешней силы на участок облоя: распределение напряжений на участке облоя

Эксперименты с приведенными выше технологическими параметрами сопровождались стабильным удалением облоя со всех деталей обрабатываемой партии. Снижение частоты вращения водила до 75 мин-1 привело к появлению в партии необработанных деталей, что свидетельствует о недостаточных усилиях контактного взаимодействия.

Заключение

Изложенная методика позволяет достоверно прогнозировать результаты зачистной обработки полимерных деталей в контейнерах с планетарным вращением при низкотемпературном воздействии. На ее основе подготовлен модуль САП ТП зачистной обработки.

Список литературы

1. Матвиенко, Ю. Г. Модели и критерии механики разрушения / Ю. Г. Матвиенко. - М. : ФИЗМАТЛИТ, 2006. - 328 с.

2. Нарисава, И. Прочность полимерных материалов / И. Нарисава. - М. : Химия, 1987. - 400 с.

3. Пат. 2227781 РФ МПК6 В29С37/02 Способ удаления облоя и грата с изделий из полимерных материалов / Зверовщиков В. З., Зверовщиков А. Е., Переседов Д. И., Ломакин В. А. ; опубл. 27.04.2004, Бюл. № 19.

4. Мартынов, А. Н. Основы метода обработки деталей свободным абразивом, уплотненным инерционными силами / А. Н. Мартынов. - Саратов : Изд-во Саратов. гос. ун-та, 1981. - 289 с

5. Зверовщиков, В. З. Моделирование движения рабочей загрузки в контейнерах с планетарным вращением / В. З. Зверовщиков, С. А. Нестеров // Процессы абразивной обработки, абразивные инструменты и материалы : сборник статей Международной научно-технической конференции. - Волжский : ВолжскИСИ филиал ВолгГАСА, 2002. - С. 215-218.

6. Волькенштейн, М. В. Физика полимеров / М. В. Волькенштейн. - М. : Наука, 1960. - 465 с.

Воячек Игорь Иванович доктор технических наук, профессор, кафедра технологии машиностроения, Пензенский государственный университет

E-mail: Voyachek@list.ru

Зверовщиков Александр Евгеньевич кандидат технических наук, профессор, кафедра технологии машиностроения, Пензенский государственный университет

E-mail: azwer@mail.ru

Зверовщиков Евгений Александрович аспирант, Пензенский государственный университет

E-mail: ezwer@mail.ru

Voyachek Igor Ivanovich Doctor of engineering sciences, professor, sub-department of machine building, Penza State University

Zverovshchikov Alexandr Evgenyevich Candidate of engineering sciences, professor, sub-department of machine building, Penza State University

Zverovshchikov Evgeny Alexandrovich Postgraduate student,

Penza State University

УДК 621.923 Воячек, И. И.

О разрушении облоя на полимерных деталях при низкотемпературной центробежно-планетарной обработке / И. И. Воячек, А. Е. Зверовщиков, Е. А. Зверовщиков // Известия высших учебных заведений. Поволжский регион. Технические науки. - 2011. - № 2 (18). - С. 140-149.