К ВОПРОСУ О ФОРМИРОВАНИИ ШЕРОХОВАТОСТИ

ПОВЕРХНОСТИ ПОЛИМЕРНЫХ МАТЕРИАЛОВ

ПРИ ОБРАБОТКЕ РЕЗАНИЕМ

 

Еренков О.Ю., Ковальчук С.А. (ТОГУ, г. Хабаровск, РФ)

 

This work is devoted to researching of details manufacturing processes of plastic. The way of process quality improvement of polymeric materials by cutting bases of superficial layers decomposition principle is described under an entry. Also results of research of dependence of a roughness of a surface are resulted at machining these materials with use of the offered way.

 

К основным технологическим мероприятиям по повышению износостойкости и долговечности машин и механизмов относится обеспечение  требуемых параметров шероховатости  сопрягаемых поверхностей деталей. В подвижных соединениях шероховатость оказывает значительное влияние на трение и износ трущихся поверхностей подшипников, направляющих, ползунов и т.п.

Прочность деталей также зависит от шероховатости  поверхности. Разрушение детали, особенно при переменных нагрузках, в значительной степени объясняется концентрацией напряжений, являющихся следствием имеющихся неровностей.

В настоящее время во многих отраслях промышленности применяются детали из полимерных материалов. Для обеспечения размерной точности и высокого качества обрабатываемых поверхностей деталей из полимерных материалов применяется обработка резанием.

Понятие «процесс обработки резанием»  обобщенное, под ним понимают метод изготовления детали путем снятия с заготовки слоя материала в результате всех возможных видов воздействия, в том числе механического, теплового, электрического и химического инструмента и технологической среды.

Физический механизм разрушения твердых тел любой формы и при любом виде воздействия одинаков: разрушение происходит через разрывы межатомных связей посредством теплового движения, энергетические всплески  которого превышают энергию этих связей. Роль внешней нагрузки – вспомогательная; она снижает энергию связей и удерживает разорванные связи от рекомбинации [1]. 

 При резании полимерных материалов образованию стружки предшествует напряженное состояние зоны резания, создаваемое внедрившимся и движущимся в обрабатываемом материале режущим клином инструмента. По мере внедрения инструмента в материал напряжение в сечении заготовки становится больше критического, происходит хрупкое разрушение материала под действием упругой деформации, с образованием магистральной,  опережающей трещины. Одновременно происходит разрыв химических связей между волокнами  и отдельными цепями полимера.

В дальнейшем впереди магистральной трещины возникают и растут по разным направлениям и на разных близких уровнях вторичные трещины, образуя при встрече фронтов с магистральной и другими вторичными трещинами линии «скола». Это приводит к тому, что магистральная трещина развивается не по траектории линии среза, а с отклонениями от нее. В результате на поверхности зоны разрыва образуются  сколы, раковины, вырывы пучков волокон и ступеньки, расположенные под углом к поверхности разрыва. Наличие данных дефектов заметно снижает качество обрабатываемой поверхности [2].

Такой механизма образования и взаимодействия трещин можно объяснить наличием сильных и слабых связей  полимера и неравномерным  нагружением его цепей, что обусловлено  спецификой строения структуры полимерных материалов: микронеоднородностью структуры полимера,  наличием дефектов в структуре полимерных цепей,  различной ориентации цепей по отношению к направлениям силы,  наличием длинных и коротких цепей и различной их взаимной ориентации,  включений других атомов,  нарушением локальной структуры цепи при полимеризации, включений звеньев различной регулярности,  процессов окисления

« С – С» связей.

Автором разработана методика и специальное устройство [5]  для осуществления предварительной механической  деструкции поверхностного слоя обрабатываемых резанием полимерных материалов.

Механическая деструкция полимера – это разрыв цепи, протекающий под влиянием различных механических воздействий, которым полимер подвергается. Механическая деструкция полимеров, как и вообще их разрушение под действием внешнего механического поля, обусловлена флуктуациями внутренней энергии, т.е. отклонениями внутренней энергии от равномерного распределения.  Приложенное напряжение создает возможность накопления флуктуаций и обеспечивает направленность процесса разрыва химических связей полимера.  Рассмотрены общие закономерности распределения полей напряжений в окрестности вершины трещины.  В качестве основной характеристики напряженного состояния в теле с трещиной приняты коэффициенты интенсивности напряжений, которые являются функциями внешней нагрузки и геометрических параметров дефектов.

Схема разрушения поверхностного слоя полимерного материала режущим клином инструмента, с учетом взаимодействия между предварительно нанесенными микроповреждениями и магистральной трещины, выглядит следующим образом. В начальном состоянии  в образце имеются начальные дефекты, обусловленные условиями производства, хранения и т.п. На  следующем этапе  на поверхностный слой материала организованно наносятся микроповреждения в виде проколов, согласно разработанному методу. Совокупность проколов можно представить как систему трещин определенной глубины и расположенных на известном расстоянии друг от друга.

Исследованиями Партона В.З., Бартенева Г.М., Черепанова Г.П. [2,3,4] установлено, что вблизи вершины трещины в полимерном материале из-за высокой концентрации напряжений образуются узкие зоны перенапряжений, которые представляют собой сосредоточение деформированного и частично разрушенного материала и характеризующиеся преобладающим распределением напряжений в направлении перпендикулярном направлению трещины.

Далее производится обработка полимерного материала резанием. Магистральная трещина, в процессе своего развития, взаимодействует с зонами перенапряжений. Микроповреждения наносятся с заданным  расстоянием друг от друга таким образом, что данные зоны соседних микроповреждений перекрываются, образуя тем самым область напряженно – деформированного состояния. Вероятность разрыва связей в этой области больше, чем в других местах образца, так как эта вероятность определяется не  средним напряжением, а локальным напряжением в вершине трещины,  величина которого значительно увеличивается в соответствии со значением коэффициента перенапряжения.  В связи с этим, распространение магистральной трещины, с большой вероятностью, будет происходить вдоль линии среза без существенных отклонений в глубь материала, что является предпосылкой  повышения качества получаемой поверхности.

Автором проведены экспериментальные исследования токарной обработки полимерных материалов с применением предложенного метода предварительной механической деструкции поверхностного слоя. Результаты исследований подтвердили целесообразность применения данного метода, о чем свидетельствует снижение параметра шероховатости обработанной поверхности всех исследуемых полимерных материалов.

 

Литература

1. Ратнер С.Б., Ярцев В.П. Физическая механика пластмасс. – М.: Наука, 1982.

2. Бартенев Г.М. Прочность и механизм разрушения полимеров. – М.: Химия, 1984.

3. Черепанов Г.П., Ершов Л.В. Механика разрушения. – М.: Машиностроение, 1977.

4. Партон В.З., Морозов Е.М. Механика упруго-пластического разрушения. – М.: Наука, 1974.

5. Еренков О.Ю., Ковальчук С.А. Устройство для предварительной обработки заготовок из пластмасс/ Патент № 2207937 от 10.06.2003.