КОМБИНИРОВАННЫЙ СПОСОБ ТОКАРНОЙ ОБРАБОТКИ ПОЛИМЕРНЫХ МАТЕРИАЛОВ
The COMBINED METHOD OF PLASTIC MATERIALS TURNING
Еренков О.Ю., Востриков Я.А. (ДВГУПС, г. Хабаровск, РФ)
Erenkov O.Yu., Vostrikov Ya.A. (The Far East State Transport University, Khabarovsk, Russia)
Рассмотрены физические представления о процессе разрушения полимерных материалов, дано описание нового комбинированного способа токарной обработки.
In the given work, considering cutting as the version of controlled destruction process of a solid polymer and on the basis on the analysis the thermo-fluctuation destruction mechanism, the combined way of turning polymeric materials is offered.
Ключевые слова: полимерные материалы, механическое деформирования, тепловые флуктуации, химические связи, прочность, точение
Key words: polymeric materials, mechanical deformation, thermal fluctuations, strength, turning.
Понятие «процесс обработки резанием» обобщенное, это 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. Таким образом, обработка режущим инструментом может быть описана как разновидность процесса управляемого разрушения твердого материала [1].
Установлено [2], что при разрушении любых твердых полимерных материалов можно выделить три типа разрыва связей:
1.Разрыв связей в вершинах трещин, которые являются начальными дефектами материала, обусловленные условиями производства, транспортирования, хранения и т. п. Вершины трещин представляют собой области перенапряжений [2,3], т.е. микрообъекты, которые перемещаются по образцу по мере перемещения фронта трещины;
2.Разрыв связей в слабых местах структуры, т. е. на периодически повторяющихся, характерных для заданной структуры участках, которые не могут быть существенными концентраторами напряжений, но еще до приложения внешней нагрузки содержат структурно-слабые места и связи. В таких слабых местах под действием напряжений и тепловых флуктуаций возникают дефекты типа разрыхлений или субмикротрещин, которые затем становятся источниками микротрещин.
3.Разрыв нормально нагруженных связей во всех остальных участках объема образца, носящий вероятностный характер.
На современном этапе физические представления о прочности полимерных материалов базируются на кинетической концепции прочности, положения которой представлены в работах Я.И. Френкеля, Г.Н. Бартенева, В.А. Каргина, Г.Л. Сломинского, С.Н. Журкова и других исследователей [2].
В кинетическом подходе основное внимание обращается на атомо – молекулярный механизм процесса разрушения, которое рассматривается как конечный результат постепенного развития и накопления микроразрушений или как процесс развития микротрещины. Основным фактором в этом подходе является тепловое движение кинетических единиц (атомов, молекул, сегментов), вызывающее межатомные или межмолекулярные перегруппировки, и активизирующее влияние механических напряжений, изменяющее вероятность этих перегруппировок. Растягивающее напряжение увеличивает вероятность разрыва связей и уменьшает вероятность их восстановления.
Экспериментально [2,3] доказано, что при нагружении полимерных материалов происходит разрыв химических связей, которые деформируются под влиянием приложенного напряжения, и разрываются под действием тепловых флуктуаций.
Согласно кинетическим представлениям, процесс разрушения полимерных материалов осуществляется в следующей последовательности [2]:
1. возбуждение межатомных связей приложенным механическим усилием;
2. разрыв возбужденных связей в полимерных цепях тепловыми флуктуациями;
3. группирование «элементарных» разрывов – образование первичных микроскопических трещин;
4. возникновение трещины разрушения из начальной микротрещины, ее рост и разрыв образца.
Первичным актом разрушения является напряжение химической связи под влиянием механического поля. Тепловые флуктуации, т. е. локальные резкие возрастания внутренней энергии, вызывают разрыв напряженной связи. Вероятность разрыва в значительной степени зависит от температуры и величины приложенного напряжения. Чем выше температура, тем больше вероятность разрыва. При сравнительно невысоких температурах разрыву способствует приложенное напряжение σ, которое уменьшает энергию активации U0 химических связей в цепи полимера. Чем сильнее напряжены полимерные молекулы, тем вероятнее разрыв связей и тем скорее тело разрушается.
Таким образом, разрушение полимеров в основном определяется тепловыми флуктуациями; внешние силы обуславливают лишь направленность процесса.
Перенапряжения связей возникают, в первую очередь, в слабых «дефектных» местах структуры полимера. Именно в этих участках, где в основном разрываются макромолекулы, возникают зародышевые трещины, или субмикротрещины, т. е. трещины с размерами от 10 до 104 А [2]. Эти трещины имеют дископодобную форму и расположены перпендикулярно направлению нагружения. Они могут сливаться с образованием более крупных микротрещин.
Субмикротрещины и микротрещины возникают в течении некоторого времени после приложения нагрузки. Затем образуются новые трещины, а трещины, появившиеся ранее, постепенно разрастаются.
В связи с этим в образце одновременно имеются трещины самых различных размеров, при этом скорость их возникновения и роста зависят от напряжения и температуры. С повышением температуры и увеличением напряжения скорости обоих процессов возрастают. После достижения некоторого предела число трещин больше не растет, но их размеры продолжают увеличиваться.
В результате в образце образуются значительные по размерам сквозные магистральные – наиболее крупные – трещины, скорость роста которых резко возрастает с увеличением напряжения. Напряжение в вершинах этих трещин значительно больше среднего значения прикладываемого напряжения. В результате такого перенапряжения трещина прорастает через сечение образца, который разрушается.
Таким образом, на основании рассмотренных закономерностей разрушения можно сделать вывод о существенном влиянии температуры и действующих напряжений на прочность структуры и процесс разрушения полимерного материала. В связи с этим представляет научный интерес исследование теплового и механического воздействия на полимерные материалы, предшествующих механической обработке заготовок, для снижения прочности связей между полимерными цепями и, соответственно, прочности самого материала.
В данной работе, рассматривая обработку режущим инструментом как разновидность процесса управляемого разрушения твердого полимерного материала и на основе анализа термофлуктуационного механизма разрушения, предлагается комбинированный способ токарной обработки полимерных материалов[4].
Сущность способа заключается в том, что предлагаемый к обработке полимерный материал предварительно подвергают последовательно механическому нагружению и тепловому воздействию. Путем регулировки параметров прикладываемого напряжения σ и температуры Т теплового воздействия на материал обеспечивается образование первичных микротрещин, в вершинах которых имеются локальные зоны перенапряжений химических связей, т. е. образуется «ослабленная» структура материала, в которой часть связей разрушена, а часть напряжена. Это приводит к уменьшению энергии активации связей полимера и при дальнейшем взаимодействии материала с режущим клином инструмента к снижению силы резания. Размеры зоны пластической деформации перед режущим клином и микротрещин в срезаемом припуске материала уменьшаются, магистральная трещина приобретает более устойчивое направление развития вдоль линии среза, что является предпосылкой снижения шероховатости обработанной поверхности, так как снижается вероятность образования вырывов, сколов и подобных дефектов обрабатываемого резанием материала.
Кроме того, следует ожидать, что уменьшение силы резания приведет к изменению уровня колебаний технологической системы станок – приспособление – инструмент – заготовка при обработке полимерных материалов резанием, а это, несомненно, окажет влияние на формирование шероховатости обработанной поверхности заготовок.
Список использованных источников
1. Кабалдин Ю. Г., Шпилев А. М. Самоорганизующиеся процессы в технологических системах обработки резанием. Диагностика и управление. – Владивосток: Дальнаука, 1998. – 296 с.
2. Карташов Э.М., Цой Б., Шевелев В.В. Структурно – статистическая кинетика разрушения полимеров. М.: Химия, 2002. 736 с.
3. Аскадский А. А. Деформация полимеров. М.: Химия, 1973. 448 с.
4. Патент №2328374 Российская федерация, (51) МПК В 29 С 37/00. Способ обработки заготовок из пластмасс/ О.Ю. Еренков, А.В. Гаврилова, А.Г. Ивахненко А.Г. - № 2006138533/12; заявлено 31.10.2006; опубликовано 10.07.2008, Бюл. №19. – 3 с.