Тенденции развития методов механической обработки полимерных материалов

Размещено на http://www.allbest.ru/

Глава 1. ТЕНДЕНЦИИ РАЗВИТИЯ МЕТОДОВ МЕХАНИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ ПОЛИМЕРНЫХ МАТЕРИАЛОВ

При изготовлении деталей из пластмасс современными методами происходит изменение их размеров и формы. Для получения деталей и изделий заданного размера и обеспечения требуемых параметров шероховатости для сопрягаемых поверхностей их подвергают механической обработки резанием, которая является необходимой, широко распространенной и одной из ответственных операций в технологическом процессе производства деталей из пластмасс.

Получаемые при механической обработке параметры шероховатости поверхности зачастую не соответствуют значениям, установленным в технических требованиях, что приводит к необходимости дополнительной обработки, так как именно от уровня шероховатости обработанной резанием поверхности в большей степени зависят надежность и долговечность функционирования деталей и механизмов.

Различия в упругих, прочностных и других свойствах, присущие различным полимерным материалам, тесно связаны с их состоянием и структурой. Изменения в состоянии и структуре определенным образом отражаются и на технологических свойствах материалов, особенно на обрабатываемости резанием.

Таким образом, задача эффективности обрабатываемости заготовок из полимерных материалов является актуальной, так как ее решение позволит повысить качественные характеристики изготовляемой продукции и снизить себестоимость ее изготовления.

Одним из путей решения данной задачи является разработка новых подходов к обработке резанием полимерных материалов, сущность которых заключается в направленном изменении свойств обрабатываемого материала с целью обеспечения благоприятных условий для получения обработанной поверхности высокой точности и надлежащего качества [1].

В связи с большой ролью пластмасс, как конструкционных материалов, вопросы их обработки приобретают исключительно важное значение.

Экспериментально установлено, что во многих случаях детали повышенной точности и с высоким качеством поверхностного слоя могут быть получены только механической обработкой: точением, сверлением, зубофрезерованием, резьбонарезанием. Таким образом, обработка пластмасс резанием является одной из ответственных операций технологического процесса изготовления деталей.

После изготовления современными способами заготовки и изделия из полимерных материалов обладают рядом дефектов. Для устранения имеющихся дефектов с целью подготовки заготовок к дальнейшей механической обработке резанием или придания изделиям «товарного» вида необходима дополнительная обработка. Такая обработка осуществляется посредством простых и комбинированных методов. В технологии обработки пластмасс нашли широкое применение комбинированные физико-химические методы, сущность которых заключается в воздействии на поверхность обрабатываемого изделия источниками энергии или агрессивной средой, вступающих в химическое взаимодействие с материалом изделия. К основным методам физико-химической обработки относятся: термическая обработка; обработка импульсным источником энергии; обработка травлением; механохимическая обработка; обработка технологической средой.

Поверхностную обработку изделий, а в ряде случаев и удаление заусениц, грата можно осуществлять водными растворами кислот, щелочей, солей, и комплексными соединениями, а также органическими растворителями. В результате такой обработки происходит изменение структуры, а иногда и химического состава поверхности [2]. Для успешного проведения травления необходимо знать природу и структуру полимера, а также характер его взаимодействия с травильным раствором.

Применяемые для травления агрессивные растворы редко обладают высокой избирательностью действия. Они значительно разрушают поверхностные слои изделий, и искусство травления состоит в том, чтобы определить оптимальную степень воздействия на поверхность. Степень травления зависит от взаимосвязанных факторов: концентрации раствора, температуры травления и продолжительности процесса.

Обработку травлением можно совмещать с механической, т.е. производить механохимическую обработку. Данный вид обработки сочетает в себе преимущества механической обработки и обработки травлением.

Обработка полимерных материалов травлением является довольно эффективной с точки зрения обеспечения структурных превращений обрабатываемого материала. Однако процесс травления поверхности полимеров еще мало изучен, общей теории его пока нет. Ввиду наличия значительного количества факторов, влияющих на процесс травления( концентрация компонентов ,температура ,продолжительность травления, химический состав полимера, его структура и т.д.), определение наилучшего способа и режима травления возможно только опытным путем. В литературе не приводится информации об использовании данного метода в качестве предварительного воздействия на полимерный материал перед его обработкой резанием, что позволяет предположить необходимость разработки такого метода. Также требует отдельного исследования вопрос о влиянии на процесс резания не только физико-химических свойств материала в исходном состоянии, но и тех свойств, которые приобретает материал срезаемого слоя вследствие предварительного химического воздействия.

Методы обработки большей частью зависят 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 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. Причины этого затруднения заключаются в недостаточном знании и учете реологических (упругость, вязкость, пластичность) и термических характеристик пластмасс (удельная теплоемкость, теплопроводность и коэффициент теплового расширения).

На процесс стружкообразования преимущественно влияют передний угол режущего инструмента и режимы резания (величина скорости резания, продольной подачи и глубины резания). Кроме этого, шероховатость поверхности зависит также от геометрии заточки инструмента и режимов резания.

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.

Шероховатость обработанной поверхности зависит от большого количества факторов, к числу которых относятся: свойства обрабатываемого материала, режимы резания, геометрические параметры режущего инструмента, износ инструмента, вид обработки, вибрации при резании и другие. Учет влияния всех перечисленных факторов сложен. Однако если учесть, что производят обработку конкретного материала инструментом оптимальной геометрии, на определенном оборудовании, то количество влияющих факторов, определяющих уровень параметров шероховатости, можно свести к минимуму. Это основные параметры технологического процесса, определяющие параметры шероховатости режимы резания (скорость резания, подача и глубина резания).

На основании анализа литературных данных, можно сделать следующие выводы:

- в настоящее время механическая обработка заготовок из полимерных материалов осуществляется посредством типовых, предназначенных для обработки металлов и сплавов режущих инструментов; экспериментально установлено, что для обработки пластмасс целесообразно применять инструменты, из твердых сплавов ВК8 и ВК6, так как в этом случае обеспечивается наибольшие производительность процесса обработки и стойкость режущего инструмента;

- основные параметры процесса резания полимерных материалов оказывают неоднозначное влияние на формирование шероховатости обработанной поверхности; скорость резания не оказывает существенного влияния на шероховатость поверхности; при всех видах обработки с увеличением скорости резания шероховатость увеличивается, однако ее увеличение значительно отстает от роста скорости резания; глубина резания практически не влияет на величину шероховатости поверхности, хотя имеется тенденция к увеличению высоты микронеровностей при больших глубинах резания; подача оказывает наибольшее влияние на шероховатость поверхности, при этом ее увеличение приводит к почти пропорциональному увеличению шероховатости;

Таким образом, с учетом вышеизложенного можно сделать заключение, что зависимость износа режущего инструмента не рассматривалась с точки зрения влияния химических взаимодействий инструмента и полимерных материалов, а также влияния химических процессов происходящих на поверхности режущей кромки инструмента. Остается открытым вопрос, какие изменения в структуре, а возможно и в химическом составе инструментального материала, претерпевает инструмент во время обработки резанием.

Полимерные материалы обладают комплексом свойств и особенностей, отличающихся от традиционных конструкционных материалов (металлических сплавов). Это приводит к необходимости разработки новых оригинальных способов механической обработки резанием заготовок из пластмасс, сущность которых заключается в направленном изменении состояния обрабатываемого материала с целью обеспечения благоприятных условий для получения обработанной поверхности высокой точности и качества.

Как установлено проведенными исследованиями [1, 2] воздействие агрессивной среды на полимер может проявляться в изменении его структуры и свойств без нарушения целостности материала (растрескивание, разрыхление и набухание поверхности материала на определенную глубину) или сопровождаться его разрушением. В связи с этим представляет научный интерес анализ процессов и явлений при взаимодействии химической среды с полимерами и разработка на его основе практических химико-механических методов обработки резанием заготовок из полимерных материалов.

Агрессивные среды в зависимости от характера взаимодействия с полимерами можно подразделить на физически и химически активные. Специфическое влияние оказывают на полимер поверхностно-активные вещества (ПАВ), которые могут принадлежать к обеим группам. Действие физически активных сред заключается в диффундировании в полимер и ослаблении связи между молекулами, что приводит к снижению прочностных свойств поверхностного слоя материала. Агрессивные химические среды при контакте с полимерными материалами вызывают необратимые изменения химической структуры. Совокупность химических процессов, приводящих к изменениям химической структуры полимера и его молекулярной массы, называют химической деструкцией.

При взаимодействии полимеров с агрессивными средами может протекать ряд физических и химических процессов, из которых наиболее важными являются следующие: адсорбция компонентов агрессивной среды на поверхности полимера; диффузия агрессивной среды в объеме полимера; химическая реакция агрессивной среды с химически нестойкими связями полимера; диффузия продуктов деструкции к поверхности полимера; десорбция продуктов деструкции с поверхности полимера [1, 2].

Влияние физически активных агрессивных сред на прочностные свойства полимерных материалов, определяющие сопротивляемость разрушению, может быть объемным (набухание) и поверхностным (адсорбция, поверхностная диффузия). В случае адсорбции только поверхностные участки твердого тела участвуют в процессе; при этом химический потенциал твердого тела по существу не изменяется. Под "поверхностью твердого тела" в этом смысле слова следует подразумевать не только наружную поверхность, но и внутреннюю поверхность вокруг групп молекул и, возможно, поверхность отдельных молекул. Очевидно, что эффективная поверхность твердого тела зависит от конфигурации его молекул и от таких характеристик диффундируемого вещества, как размер его молекул и их форма. Адсорбция будет происходить на тех внутренних участках поверхности твердого тела, которые образованы стенками пустот и пор, обладающих достаточным объемом и соответствующей формой для накопления молекул диффундирующего вещества. При набухании в физически активных средах обычно уменьшается прочность полимерного материала, но повышается его эластичность [1]. Снижение прочности полимера при его набухании может быть вызвано двумя причинами.

Во-первых, возникновением внутренних (местных) напряжений вследствие неравномерности набухания. В процессе сорбции растворителей полимерами часто наблюдаются резко разграниченные области с различной степенью набухания [1], особенно это характерно для полимеров в стеклообразном состоянии. Это явление обусловлено резкой зависимостью коэффициента диффузии от концентрации диффундирующего компонента в системе, а также наличием специфического взаимодействия полимера с веществом. В такой системе в процессе сорбции из-за неодинаковой подвижности молекул сорбируемого вещества и сегментов полимера возникают нестационарные напряжения. Эти напряжения иногда очень значительны. Набухшие области полимера испытывают напряжения сжатия из-за соседства более жесткой ненабухшей части, в которой действуют растягивающие напряжения. Неравномерность процесса набухания и изменения поверхности, возникновение разнородных внутренних напряжений в образце приводит к образованию значительного числа микротрещин и внутренних микродефектов. Возникающие местные напряжения могут оказаться достаточными для разрыва "С-С" связей.

Во-вторых, прочность может изменяться вследствие изменения межмолекулярного взаимодействия, происходящего в процессе набухания полимеров.

Однако, как было отмечено выше, набухание полимерного материала способствует и повышению его эластичности, то есть увеличению гибкости его цепей и, соответственно, снижению температуры стеклования. Увеличение гибкости цепей полимера способствует облегчению ориентации макромолекул полимера при воздействии механической нагрузки, в том числе силами резания при механической обработке режущим инструментом. В таком случае возникает эффект деформационного упрочнения материала, то есть прочность материала повышается именно в тот период, когда представляется целесообразным уменьшение сопротивляемости разрушению. В связи с этим можно заключить, что с точки зрения эффективности последующей механической обработки полимерных материалов набухание как результат взаимодействия агрессивной среды с полимером является нежелательным. Целесообразно проводить обработку полимеров агрессивной средой таким образом, чтобы обеспечить растрескивание или разрыхление поверхностного слоя на требуемую глубину, без изменения химических свойств конкретного полимера.

Сущность адсорбционного действия среды при разрушении сводится к двум эффектам - внешнему (энергетическому) и внутреннему (механическому). Внутренний адсорбционный эффект возникает в результате адсорбции поверхностно-активных веществ на поверхности дефектов внутри твердого тела, что обеспечивает затруднение смыкания трещин внутреннее вытравливание, углубление и расширение дефектов, следствием чего является снижение прочности и хрупкость материала. Внешний эффект вызывается адсорбцией активной среды на внешней поверхности твердого тела, что приводит к снижению предела текучести и коэффициента упрочнения. Характеристики пластической деформации, сопротивление ползучести, усталостная прочность и внутреннее трение твердых тел значительно изменяются в зависимости от состояния поверхности. Прочность твердых тел пропорциональна их поверхностной энергии, следовательно, факторы, вызывающие уменьшение свободной поверхностной энергии, т.е. уменьшение работы образования новых поверхностей, вызывают тем самым снижение прочности материала. Уменьшение в результате адсорбции поверхностной энергии на границе "тело - среда" облегчает процесс зарождения и развития трещин разрушения, что является причиной снижения прочности материала. Данное явление успешно проявляется при использовании в качестве агрессивной среды ПАВ.

Влияние ПАВ на прочность, твердость и деформируемость напряженных тел было обнаружено и широко исследовалось академиком П.А. Ребиндером. Эффект Ребиндера, т.е. уменьшение прочности под влиянием адсорбционного воздействия ПАВ, обнаружен для многих твердых тел, в том числе и для полимеров. Установлено [3], что ряд жидкостей (вода, уксусная кислота) являясь плохими смазочными материалами, обладают способностью сильно снижать удельную работу резания некоторых материалов. И наоборот, жидкости, сильно снижающие трение (этиловый спирт), слабо влияют на уменьшение удельной работы резания. Это объясняется адсорбционным эффектом снижения прочности.

Разупрочняющее действие ПАВ связано с наличием микротрещин на поверхности детали или изделия, возникающих в технологическом процессе производства полимерного материала. ПАВ физически адсорбируются на поверхности тела, внедряясь во все дефекты, мигрируя к основанию трещины. В результате создается большое давление, величина которого определяется уравнением, выведенным для давления, развивающегося в капиллярах:

Ар = 2у c°s<9 , r

где АР - давление поперек мениска; r - радиус поры; в - угол контакта, характеризующий степень смачивания; у - свободная поверхностная энергия. Когда материал смачивается полностью (cose = 1), APmax =2y/r. При малом значении r давление может быть очень большим.

В связи с трудностями экспериментального определения поверхностной энергии твердых тел для оценки влияния на нее различных сред пользуются соотношением Юнга

Y т.ж= Y т.г -У ж.г COS0

где в - краевой угол смачивания; у - свободная поверхностная энергия (индексы при у относятся к соответствующим поверхностям раздела).

Для данного полимера у^г постоянно и изменение у тж будет завесить от величины поверхностного натяжения жидкости ужг при полном смачивании полимера (wse = 1). В этом случае с ростом уж.г величина ут.ж уменьшается и, следовательно, сопротивление полимера разрушению также должно уменьшаться. При неполном смачивании увеличение ужг с одновременным изменении cose может привести как к уменьшению ут.ж, так и к его увеличению.

Установлено [4, 5, 6], что при температурах ниже температуры стеклования кристаллические области физически недоступны для большинства сорбируемых веществ. Сопоставление опытных данных для различных образцов позволило [6] сделать вывод о том, что растворимость прямо пропорциональна доле объема аморфной фазы, т.е.

S = 5>a,

где Sa - растворимость сорбируемого вещества в полностью аморфном полимере.

В кристаллических полимерах действие растворителя локализуется прежде всего по границам сферолитов, а иногда и внутри сферолитов между лучами. Это связано с тем, что при кристаллизации в сферолитах упорядочиваются структурные единицы одинакового строения, например в линейных полимерах - линейные молекулы. В этом случае молекулы, содержащие разветвления и посторонние группы, возникающие в результате окисления и других процессов, автоматически выталкиваются из кристаллов и образуют аморфную или менее упорядочную фазу между сферолитами. Таким образом, происходит концентрирование дефектного материала, по которому начинается процесс разрушения.

Как было отмечено выше, при действии на полимеры агрессивных химических сред имеет место явление химической деструкции. Анализ результатов исследований [1, 2] показал, что в зависимости от соотношения скоростей диффузии агрессивной среды и химической реакции в полимере деструкция в агрессивных средах может протекать в следующих областях: внутренней диффузионно-кинетической (деструкция протекает в реакционной зоне, размер которой увеличивается во времени, и в конечном итоге она распространяется на весь объем полимерного материала); внутренней кинетической области (деструкция протекает с одинаковой скоростью в доступном объеме полимерного изделия); внешней диффузионно-кинетической области (деструкция протекает в тонком поверхностном слое постоянного размера, который в пределе может быть монослоем полимера).

При действии агрессивных сред на полимерные композиционные материалы (гетинакс, текстолит и др.) разрушение начинается с поверхности раздела полимер-наполнитель вследствие ухудшения их адгезионных свойств, ослабления и нарушения связи между ними. Агрессивная среда может способствовать также вымыванию полимерного связующего. Оба процесса приводят к нарушению структуры композиционного материала.

С целью выяснения влияния параметров обработки полимерного материала активными средами на его поведение при действии механической нагрузки были проведены экспериментальные исследования образцов на растяжение после соответствующей химической обработки. Как известно [7, 8], растяжение является наиболее опасным видом напряженного состояния полимерных материалов. Испытания материалов чаще всего производятся при растяжении, так как этот вид деформации практически можно осуществить почти в чистом виде (в противоположность сжатию, сдвигу, кручению).

Исследования проводились на серии стандартных плоских образцов с использованием штатного нагружающего устройства универсальной установки ИМАШ 20-75. Образцы для испытаний пластмасс изготавливались в виде двусторонних "лопаток" и имели сечение в рабочей зоне 3x2 мм. Кривая нагружения регистрировалась также при помощи штатного самописца разрывной установки.

В качестве исследуемых материалов выбраны такие представители реактопластов и термопластичных пластмасс, детали и изделия из которых широко применяются в различных отраслях промышленности, а именно: капролон, гетинакс и текстолит. Образцы испытывали при тщательном поддержании постоянства условий опытов: технологии изготовления образцов, температуры, влажности, скорости и величины наг-ружения при одноосном растяжении, согласно ГОСТ 11262-80.

Подготовленные образцы предварительно обрабатывались физически активной средой - толуолом [2], выдерживались в ней 5 и 15 часов при комнатной температуре. После выдержки образцы подвергались растяжению, скорость перемещения зажимов нагружающего устройства составляла 12000 мм/час (0,33 мм/с) и поддерживалась таковой для всех испытаний.

Анализ представленных данных, на рис. 1, 2 и 3, позволяет установить тот факт, что обработка исследуемых полимерных материалов (капролон, гетинакс, текстолит) активными средами приводит к значительному снижению прочности. Об этом свидетельствуют снижение величины предела вынужденной эластичности авэ для капролона и величины разрывного напряжения ар для текстолита и гетинакса. Так, в случае обработки капролона толуолом величина авэ снижается от 85 МПа до 62 МПа при выдержке в среде 5 часов, и до 54 МПа при выдержке в среде 15 часов. Для гетинакса снижение величины ар происходит от 118 МПа до 52 и 40 МПа, а для текстолита -- от 102 МПа до 53 и 48 МПа соответственно при выдержке в среде 5 и 15 часов. Кроме того, из анализа данных, рис. 1--3, следует, что в случае применения обработки активной средой сокращается время разрушения реактивных полимерных материалов (гетинакс, текстолит) и изменился вид кривых разрушения термопластичного материала, они стали более пологими, без ярко выраженного экстремума.

Отмеченные особенности, относительно поведения реак-топластов (гетинакс и текстолит), объясняются протеканием процессов, описанных выше, которые приводят к изменению структуры материала, сопровождающееся снижением его прочности. Изменение характера кривых растяжения ка-пролона можно объяснить снижением гибкости полимерных цепей материала за счет образования укрупненных кинетических единиц (конгломератов) при воздействии активных сред. Наличие конгломератов оказывает влияние на процесс разрушения, так как, вероятно, он протекает по "слабым местам" структуры полимера, т.е. по межконгломератным связям.

При циклических деформациях полимерных материалов, а также при их контактировании с движущимися твердыми поверхностями происходит многократное наложение напряжения, что должно, по всей видимости, вносить определенную специфику в закономерности разрушения. Однако закономерности, характеризующие эти процессы в присутствии агрессивных сред, на сегодняшний день не изучены. Имеются незначительные сведения только для резин [1, 2], что связано с широким их использованием в изделиях, подвергающимся циклическим деформациям в агрессивных средах.

Рис. 2. Диаграммы растяжения образцов из гетинакса обработки толуолом; 1 -- без химической обработки; 2 -- время обработки 15 часов; 3 -- время обработки 5 часов.

Таким образом, в аспекте механической обработки полимерных заготовок, с учетом специфики взаимодействия полимерных материалов с различными агрессивными средами, представляется целесообразным проводить предварительную химическую обработку заготовок из полимерных материалов с целью повышения эффективности последующей обработки резанием. Процесс механической обработки резанием полимерных материалов можно рассматривать как разновидность процесса разрушения под действием магистральной трещины с образованием двух новых поверхностей -- обработанная поверхность после резания и поверхность стружки. Следовательно, следует ожидать, что адсорбция ПАВ, уменьшая работу, необходимую для образования новых поверхностей, снижает сопротивление резанию, способствует разрыхлению поверхностных слоев. Происходит образование зоны предразрушения, наличие которой облегчает процесс деформирования срезаемого слоя материала, что является предпосылкой повышения производительности процесса и качества обработанной резанием поверхности [3].

При этом обработку полимерных материалов желательно производить соответствующими физически активными средами. В случае применения химических агрессивных сред кинетические параметры процесса взаимодействия среды и материала целесообразно принимать такими, чтобы он происходил во внешней диффузионно-кинетической области.

На основании результатов вышеприведенного анализа, результатов проведенных экспериментальных исследований и выводов разработан и запатентован [9] способ обработки деталей из пластмасс. Сущность способа заключается в направленном изменении свойств обрабатываемого материала, путем предварительной химической обработки поверхностного слоя, с целью снижения сопротивления разрушению поверхностного слоя заготовки в зоне резания при последующем взаимодействии его с режущим инструментом.

Обработка поверхности детали химическим реагентом приводит к возникновению эффектов, освещенных выше, и, следовательно, к снижению прочности поверхностного слоя материала. Возникает структура материала, в которой часть химических и межмолекулярных связей разрушена, а другая часть напряжена. Таким образом, имеет место эффект "локального охрупчивания" части поверхности обрабатываемого материала.

Затем производят механическую обработку детали режущим инструментом, например токарную. При этом характер процесса стружкообразования качественно меняется -- отделение материала срезаемого слоя происходит преимущественно в результате хрупкого разрушения, так как усилие деформации срезаемого слоя материала снижается за счет явления "охрупчивания". Как известно [3, 7, 8], энергия хрупкого разрушения значительно меньше энергии, необходимой для пластического разрушения. Разнообразные дефекты в зоне опережающих деформаций образуются при значительно меньших напряжениях, что обеспечивает благоприятные условия для зарождения пластических сдвигов и более стабильное распространение магистральной трещины впереди режущего клина вдоль линии среза. Снижение уровня напряженного состояния материала способствует также снижению температуры в зоне резания, что является дополнительной предпосылкой к снижению уровня шероховатости обработанной поверхности и производительности процесса механической обработки заготовок из пластмасс.

С целью расширения технологических возможностей обработки заготовок из пластмасс, по данному способу, предлагается перед обработкой химическими реагентами нанести на обрабатываемую поверхность микроповреждения в виде глухих отверстий с постоянными геометрическими параметрами, рис. 4. При этом глубина нанесения микроповреждений не должна превышать величину снимаемого припуска при резании, а шаг отверстий, определяемый по типу используемого химического агента и плотности материала заготовки, должен быть постоянным на всей длине обрабатываемой поверхности, и обеспечивать перекрытие зон действия химического агента (зона hpxl на чертеже).

Благодаря организованному нанесению микроповрежденийи постоянству их геометрических параметров обеспечивается равномерность распределения химических агентов по сечению заготовки при последующей химической обработке. Происходит интенсивное внутреннее вытравливание, углубление и расширение дефектов структуры, что в свою очередь приводит к охрупчиванию поверхностного слоя на определенную глубину. Продолжительность химической обработки определяет время, необходимое для структурных превращений материала. В практических случаях данный параметр может приближенно оцениваться по следующим зависимостям, соответственно для первого и второго предложенных способов:

t = Јl, t = Ј± к

V V

где t -- продолжительность обработки, с; p -- плотность материала детали, кг/м3; 8 -- толщина снимаемого припуска за один проход, м; V -- скорость растворения материала детали в растворителе, определяемая экспериментальным путем, кг/м2с; к -- коэффициент сплошности поверхности заготовки.

Наличие поверхностного слоя материала постоянной глубины и степени охрупчивания является предпосылкой улучшения качества обработанной поверхности после механической обработки заготовки за счет стабильности распространения магистральной трещины вдоль линии среза.

Выводы

1. На основании анализа явлений, происходящих при взаимодействии полимерных материалов с агрессивными средами и результатов проведенных экспериментальных исследований обосновано химическое воздействие на заготовки из полимерных материалов перед обработкой резанием. При этом целесообразно проводить обработку полимеров агрессивной средой таким образом, что бы обеспечить растрескивание или разрыхление поверхностного слоя на определенную глубину, без изменения химических свойств конкретного полимера.

2. Разработаны химико-механические способы обработки заготовок из полимерных материалов для повышения эффективности процесса обработки резанием.

Глава 2. НОВЫЕ ПОДХОДЫ К ОБРАБОТКЕ ПОЛИМЕРОВ РЕЗАНИЕМ

В современном машиностроении все больше находят применение различные полимерные материалы, отличающиеся как своими физико-механическими свойствами, так и областями их применения. Для достижения требуемых точности и качества поверхностного слоя, получения сложных конфигураций изделия зачастую необходимо применять обработку резанием. Механическая обработка оказывает большое влияние на свойства изделий из полимерных материалов, что объясняется их спецификой структуры и свойствами.

При разрушении полимеров, согласно гипотезе Людвика [1], существует характерное касательное напряжение, вызывающее вязкое разрушение, и характерное растягивающее напряжение, вызывающее хрупкое разрушение. Оба эти напряжения являются функцией от условия разрушения и свойств полимера. Таким образом, тип разрушения определяется в зависимости от того, какое из этих двух критических напряжений будет достигнуто первым.

Общая зависимость напряжения от деформации, характерная для большинства полимерных материалов, показана на рисунке 1. Согласно этой зависимости, хрупкие материалы разрушаются при малых удлинениях и в отсутствие признаков течения в конце первого участка кривой ? - ?. Прочные материалы текут или разрушаются вблизи точки 3. Если материал - вязкий, то он может разрушаться в разных точках кривой от 4 до 8, при этом видны отчётливые признаки течения. Деформационно-упрочняющие материалы следуют кривой от 3 до 7, а затем хрупко разрушаются.

Обрабатываемый материал в процессе резания испытывает деформации, которые оказывают влияние на точность размеров и формы детали. Анализ исследований зоны резания показывает, что обрабатываемый материал испытывает вблизи вершины резца деформации растяжения, перпендикулярные к направлению резания, и деформации сжатия, направленные вдоль резания. Максимальные напряжения сжатия наблюдаются вблизи вершины резца. Особенность обработки резанием полимерных материалов - наличие существенного слоя сжатия обрабатываемого материала, находящегося ниже линии среза, что приводит к интенсивному его упругому восстановлению. Это, в свою очередь, вызывает интенсивное изнашивание инструмента по задней поверхности и является причиной появления погрешностей размеров.

Обобщая известную литературу [1 - 12] в области обработки полимерных материалов резанием можно выделить основные особенности этого процесса:

1. Значительные упругие деформации сжатия обрабатываемого материала перед режущей кромкой инструмента и под ней снижают качество поверхностного слоя, точность геометрических размеров детали и увеличивают площадки контактирования на задней поверхности лезвия инструмента;

2. Силы резания, возникающие при обработке полимерных материалов в 10…20 раз ниже, чем при аналогичной обработке металлов;

3. Возбуждаемая в зоне резания температура, вследствие низкой теплопроводности полимеров, ухудшает качество поверхностного слоя;

4. Механическое разрушение полимерных материалов происходит практически без пластического течения;

5. Большие упругие деформации в зоне резания, значительное упругое последействие предопределили увеличенные передние и задние углы и уменьшенные углы заострения лезвия режущего инструмента.

Для обработки вязкоупругих теплоизоляционных и теплозащитных полимерных материалов, таких как ТТП-ФС, пенопласты и т.п., применение традиционных схем резания не обеспечивает требований по качеству обработанной поверхности. Дело в том, что традиционная схема предполагает отделение срезаемого слоя в результате создания зоны напряженного состояния, обусловленной упругопластической деформацией. При этом стружка отделяется по плоскостям действия наибольших напряжений.

Для вязкоупругих материалов такая схема резания приводит к отрыву срезаемого слоя по направлениям разрыва молекулярных связей на определенной стадии упругонапряженного состояния. Обработанная поверхность при этом характеризуется неупорядоченными (хаотическими) вырывами и сколами по кромкам, определяющими достаточно низкие показатели качества поверхностного слоя. Соответственно получаются низкими показатели точности размеров обработанных поверхностей. Следовательно, возникает необходимость изучения механики и кинематики процесса резания полимеров на основе нового метода, который бы в полной мере учитывал особенности обрабатываемости этих материалов. Результаты научных исследований В.И. Дрожжина и Н.В. Верезуба создали предпосылки выдвижения гипотезы о механизме скользящего резания вязкоупругих полимерных материалов.

В процессе обработки, вступая в контакт с обрабатываемым материалом, режущая кромка скользит по поверхности резания. Следствием скольжения является трение по контактной поверхности. Это условие вызывает растягивающие напряжения в обрабатываемом материале. Начинается процесс зарождения и накопления микродефектов типа волосных трещин в полимерном материале непосредственно в местах контакта режущей кромки с обрабатываемым материалом. При достижении критических растягивающих напряжений в зоне контакта участка режущей кромки с полимером образуется макротрещина, которая пересекает плоскость нормальную к направлению приложенного напряжения. При этом режущая кромка внедряется в обрабатываемый материал и за счет сил трения происходит отрыв его микрочастиц. Таким образом, осуществляется разрыв молекулярных связей полимерного материала непосредственно перед режущей кромкой в плоскости резания.

При этом существенно уменьшается величина упругой деформации, так как концентрация критических напряжений происходит непосредственно перед режущей кромкой и локализуется в плоскости резания.

Вместе с тем, врезаясь в обрабатываемый материал, точки режущей кромки перемещаются одновременно в двух взаимно перпендикулярных направлениях, что создает условие стеснения подвижности молекулярных цепей и также уменьшение величины упругой деформации.

В результате значительного уменьшения упругой деформации, сопровождающей процесс скользящего резания вязкоупругих полимерных материалов, снижается внутреннее трение, которое возникает вследствие изменения молекулярными цепями своего местоположения и скольжения их сегментов относительно друг друга. При этом снижается рассеивание энергии. Упругая энергия преобразовывается в работу разрыва молекулярных связей. В этой связи следует ожидать понижение температуры резания.

Совокупность изложенных явлений определяет хрупкий срез или надрез вязкоупругого полимерного материала, происходящий без пластического течения.

Далее, в результате движения подачи, режущая кромка внедряется вглубь материала. Надрезанная часть обрабатываемого материала перемещается по передней поверхности лезвия инструмента и надлом ее должен произойти за режущей кромкой. Иначе, в результате силы, действующей на передней поверхности инструмента, будет создана большая зона напряженного состояния, обусловленная упругопластической деформацией, как это имеет место при традиционной схеме обработки и произойдет отрыв срезаемого слоя. Это приведет к образованию на обработанной поверхности вырыва. Таким образом, к числу основных факторов, определяющих тип стружки, следует отнести величину переднего угла ? и глубину резания t. При большой глубине резания будет происходить надлом стружки в зоне резания, что также приведет к образованию вырыва или скола по кромке.

Вследствие малой величины угла заострения ? и малого радиуса округления режущей кромки ? при скользящем резании вязкоупругих полимерных материалов напряжения в подрезцовом слое не достигают критических значений и на обработанной поверхности не образуются трещины.

Задний угол ? должен выбираться таким, чтобы температура резания не превышала установленных норм для обрабатываемого материала и инструмента.

Для экспериментального подтверждения гипотезы о механизме скользящего резания разработана модель режущего инструмента. На боковой стороне обрабатываемого образца наносится точная квадратная делительная сетка.

На рисунке 3 представлена предлагаемая схема многопозиционной высокоскоростной синхронной киносъемки процесса резания образца моделью торцового инструмента.

Киносъемка выполнялась двумя прецизионными универсальными скоростными камерами (СК-1 и СК-3), которые синхронно снимали процесс резания при входе в обрабатываемый материал лезвия инструмента и на выходе. Кроме того, перед выходом лезвия из обрабатываемого материала образца в направлении движения подачи, автоматически включалась скоростная камера СК-2 и снимался процесс резания в этот промежуток времени.

Экспериментальное подтверждение гипотезы о механизме скользящего резания осуществлялось при обработке пенополиуретанов.

Исследования проводились для двух схем обработки: скользящего резания торцовым режущим инструментом (?=80°) и по традиционной схеме обработки (?=15°) с постоянными геометрическими параметрами лезвия и режимом резания, численные значения которых представлены в таблице.

деталь пенополиуретан резание полимерный

В процессе обработки по традиционной схеме резания происходил отрыв надрезанной части. На рис. 4. хорошо просматривается искажение масштабной сетки, что свидетельствует о больших деформациях, сопровождающих процесс резания. Кроме того, наблюдается восстановление подрезцового слоя.

Обработанная поверхность при таком процессе стружкообразования содержит большое количество вырывов и сколов.

Наибольший объем деформации имеет место в отделяемом элементе стружки. Здесь происходит искажение как формы, так и размеров первоначально нанесенной сетки. По высоте сетка изменяется очень незначительно. Главные изменения приходятся на ширину сетки, размер которой уменьшается до 25...30%

В зоне резания, впереди кромки, также наблюдается некоторое изменение формы и размеров.

Величина восстановления подрезцового слоя составляет около 0,3...0,5 мм.

Анализ результатов обработки при скользящем резании (рис. 5) показал, что первой отличительной особенностью образования стружки при такой схеме резания является то, что существенно увеличивается длина отделяемого элемента, стружка сходит непрерывно и напоминает сливную. Образование стружки происходит на пути до 40 мм и более, после чего элемент отделяется. При этом её надлом происходит за режущей кромкой.

Второй отличительной особенностью указанного процесса стружкообразования является то, что он протекает без практического искажения масштабной сетки, а восстановление подрезцового слоя в 3...4 раза меньше, чем в первой серии опытов.

Следует отметить, что на обработанной поверхности образца пенопласта отсутствовали вырывы и сколы по кромкам.

Анализ проведенных исследований также показал, что с увеличением глубины резания длина пути на образование отделяемого элемента сокращается, а место надлома стружки приближается к режущей кромке. Таким образом, создаются условия, такие же, как и в случае традиционного резания, при котором отделение срезаемого слоя сопровождается образованием на обработанной поверхности вырывов и сколов. Это предопределило использование при скользящем резании с большими глубинами t > 2 мм в конструкции инструмента отрезного ножа, что позволило управлять процессом отделения срезаемого слоя.

Исследование процесса стружкообразования по схеме скользящего резания в двух взаимно перпендикулярных направлениях (рис.6) отличалось тем, что глубина резания была увеличена до t = 5 мм, а отрезной нож установлен с углом наклона кромки ? = 9° и имел геометрические параметры: передний угол ? = 70°; задний угол ? = 10°.

Для обеспечения условий обработки скользящего фрезерования с большими глубинами резания, при которых не образовывались бы вырывы и сколы, отрезной нож устанавливался на глубину резания t0 = t - 2 мм и впереди подрезного ножа.

С целью достижения высоких показателей точности механической обработки, качества поверхностного слоя и производительности предлагается способ обработки вязкоупругих полимерных материалов [13] на основе принципиально новой схемы резания в двух взаимно перпендикулярных плоскостях, позволяющий управлять процессом отделения срезаемого слоя.

Способ обработки резанием материалов заключается в следующем (рис.7).

Один из ножей, названный подрезным 1 (рисунок 7, а), непосредственно осуществляя скользящее резание, контактирует с обработанной поверхностью и решает при этом главную технологическую задачу обеспечения требований к качеству поверхностного слоя материала.

Второй нож, названный отрезным 2 (рисунок 7, б), по существу выполняет вспомогательную функцию, связанную с отделением надрезанного слоя и в принципе может работать как по традиционной, так и по скользящей схеме резания.

В режущем инструменте подрезные ножи устанавливаются с углом наклона режущей кромки ? более 70°. Режущая кромка в процессе обработки по этой схеме не только создает, как и в традиционной схеме, упругонапряженное состояние в зоне деформации, но и скользит по поверхности резания в направлении главного движения Dг.

По результатам настоящей работы можно сделать следующие выводы.

1. Разработан новый способ [13] обработки резанием полимерных материалов, позволяющий управлять процессом отделения срезаемого слоя, а энергию деформации преобразовать в работу разрушения молекулярных связей.

2. Экспериментально подтверждена гипотеза о механизме скользящего резания вязкоупругих полимерных материалов.

3. Установлены отличительные особенности скользящего торцового фрезерования от традиционного.

4. Разработана модель торцового инструмента, позволяющая проводить исследования процесса резания вязкоупругих полимерных материалов.

5. Предложена схема многопозиционной высокоскоростной синхронной киносъемки процесса резания исследуемого образца.

Список литературы:

1. Либовиц Г. Разрушение неметаллов и композитных материалов. - М.: Мир, 1976. - т. 7, 470 с.

2. Штучный Б.П. Обработка пластмасс резанием. Справочное пособие. - М.: Машиностроение, 1974. - 144 с.

3. Семко М.Ф., Сустан Г.К., Дрожжин В.И. Обработка резанием электроизоляционных материалов. - М.: Энергия, 1975. - 175 с.

4. Кобаяши А. Обработка пластмасс резанием. - М.: Машиностроение, 1974. - 192 с.

5.Баранчиков В.И., Тарапанов А.С., Харламов Г.А. Обработка специальных материалов в машиностроении: Справочник. Библиотека технолога. - М.: Машиностроение, 2002. 264 с.: ил.

6. Н.В. Верезуб Модель механики резания полимерных материалов // Сучасні технології у машинобудуванні: Збірник наукових статей / За заг. ред. Н.І. Грабченка. - Том. 1. - Харків: НТУ «ХПІ», 2006. - С. 30-42.

7 В.И. Вадачкория Исследование обрабатываемости пластмасс резанием. - Издательство грузинського политехнического института им. В.И. Ленина, Тбилиси, 1960.

8 С.Н. Лавриненко, О.В. Титаренко, А.Ю. Танченко Оценка величины деструкции полимерного термопластичного материала после лезвийной обработки фрезерованием // Резание и инструмент в технологических системах: Междунар. науч.-техн. сб. - Харьков: НТУ «ХПИ», 2007. - Вып.73. - С.154-159

9 Дрожжин В.И. Физические особенности и закономерности процесса резания слоистых пластмасс. - Автореф. дис… д-ра техн. наук: 05.03.01 / ХПИ. - Харьков, 1982. - 32 с.

10 Ю.Я.Прохоров Механическая обработка стеклопластиков и других неметаллических материалов // Резание труднообрабатываемых и неметаллических материалов: материалы семинара - 1967г.

11 Степанов А.А. Обработка резанием высокопрочных композиционных полимерных материалов. - Л.: Машиностроение, ленингр. отд-ние, 1987. - 176 с., ил.

12 Тихомиров Р.А., Николаев В.И. Механическая обработка пластмасс. - Л.: Машиностроение, 1975. - 208 с., ил.

13. Патент України 19905. Спосіб обробки матеріалів різанням/ В.О. Марунич. Бюл.№1-2007.

Размещено на Allbest.ru