Повышение качества токарной обработки полимерных материалов на основе обеспечения стабильности технологической системы и предварительных внешних воздействий на заготовки

Размещено на http://www.allbest.ru/

ПОВЫШЕНИЕ КАЧЕСТВА ТОКАРНОЙ ОБРАБОТКИ ПОЛИМЕРНЫХ МАТЕРИАЛОВ на основе обеспечения стабильности технологической системы и ПРЕДВАРИТЕЛЬНЫХ внешних ВОЗДЕЙСТВИЙ НА ЗАГОТОВКИ

Специальность 05.03.01 - Технологии и оборудование механической и физико-технической обработки

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени

доктора технических наук

ЕРЕНКОВ ОЛЕГ ЮРЬЕВИЧ

Комсомольск-на-Амуре 2009

Работа выполнена в государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Тихоокеанский государственный университет» (г. Хабаровск)

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор Емельянов Сергей Геннадьевич ( г. Курск)

доктор технических наук, профессор Киричек Андрей Викторович (г. Орел)

доктор технических наук, профессор Ким Владимир Алексеевич (г. Комсомольск - на - Амуре)

Ведущая организация: Институт машиноведения и металлургии ДВО РАН (г. Комсомольск - на - Амуре)

Защита состоится «05» июня 2009 г. в 10⁰⁰ часов на заседании диссертационного совета ДМ 212.092.01 в государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Комсомольский-на-Амуре государственный технический университет» по адресу: 681013, г. Комсомольск-на-Амуре, пр. Ленина, 27. Факс: 8(4217) 54-08-87; e-mail: mdsov@knastu.ru

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Комсомольского-на-Амуре государственного технического университета.

Автореферат разослан «___» 2009 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета

кандидат технических наук, доцент Пронин А.И.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Развитие современного машиностроения, приборостроения и многих других отраслей промышленности невозможно без применения синтетических полимерных материалов. Это обусловлено тем, что пластические материалы обладают высокой удельной прочностью, превосходящей традиционные конструкционные материалы как стали, чугуны, латуни, бронзы и др. Кроме того пластмассы имеют высокую химическую стойкость, диэлектричность, антифрикционную способность и хорошие технологические свойства.

Наблюдаемая тенденция замены металлических сплавов полимерными материалами для производства вкладышей подшипников скольжения, втулок, уплотнительных колец, антифрикционных дисков, зубчатых и червячных колес и др. является весьма перспективной для развития многих отраслей промышленности в связи с возрастающим дефицитом минерального сырья и ухудшающейся экологической обстановкой при производстве черных и цветных сплавов. Несмотря на очевидные преимущества полимерных материалов, при изготовлении деталей из пластмасс современными методами (литье под давлением, прессование, экструзия) происходит изменение их размерно-геометрических параметров, связанное с усадкой материала во время затвердения и охлаждения, и зачастую не обеспечиваются требуемые параметры качества функциональных поверхностей детали, что приводит к необходимости дополнительной механической обработки, преимущественно токарной, от качества которой в значительной степени зависит надежность и долговечность функционирования деталей и механизмов.

Наличие у полимерных материалов специфичных свойств обуславливает резкое отличие процессов их механической обработки от процессов резания металлов, при этом эффективность методов обработки резанием в основном зависит от режимов обработки и параметров режущего инструмента. Однако на практике имеются большие затруднения с достижением требуемого качества обработанной поверхности деталей из полимерных материалов на основе обычных методов обработки и рекомендуемых в литературе режимов резания.

Таким образом, задача повышения эффективности обработки заготовок из полимерных материалов резанием является актуальной для современного машиностроения, так как ее решение позволит повысить качественные характеристики изготавливаемой продукции и снизить себестоимость ее изготовления.

Одним из путей решения данной проблемы является разработка нового подхода к выбору режимов резания полимерных материалов и разработка новых способов обработки, сущность которых заключается в направленном изменении свойств обрабатываемого материала путем применения предварительных внешних (механических, термомеханических и химических) воздействий на заготовки с целью обеспечения высокого качества обрабатываемой резанием поверхности деталей.

Актуальность темы диссертации подтверждается выполнением научно-исследовательских работ в рамках гранта Тихоокеанского государственного университета (грант 3.08.ТОГУ «Разработка и исследование новых комбинированных методов механической обработки полимерных материалов для обеспечения высокого качества обработанной поверхности изделий») и по специальному заказу ОАО «Дальэнергомаш» (договор № 04-03/217/08 от 15 сентября 2008 г. «О научно-техническом сотрудничестве между Тихоокеанским государственным университетом и ОАО «Дальэнергомаш»).

Цель работы - повышение качества токарной обработки полимерных материалов на основе определения стабильности технологической системы станок-приспособление-инструмент-заготовка (СПИЗ) и исследования взаимосвязи между параметрами предварительных внешних (механических, термомеханических и химических) воздействий на заготовки и качественными показателями обработанной поверхности.

Для достижения поставленной цели в работе решались следующие задачи:

1. Разработка нелинейной математической модели колебаний и моделирование колебаний технологической системы при точении заготовок из полимерных материалов

2. Определение условий и установление зоны нестабильности динамической системы при токарной обработке полимерных материалов.

3. Исследование процесса стружкообразования и параметров качества обработанной поверхности при токарной обработке в зонах стабильности технологической системы.

4. Исследование кинетики процесса разрушения полимерных материалов методом акустической эмиссии и установление характера изменений их прочностных характеристик от параметров механических и химических воздействий.

5. Исследование взаимосвязи между предварительными термомеханическим и химическим воздействием на заготовку и качеством токарной обработки полимерных материалов.

6. Исследование влияния предварительной механической деструкции поверхностного слоя полимерных материалов на качество обработанной точением поверхности.

7. Разработка новых технологических способов обработки заготовок из полимерных материалов, заключающихся в предварительных внешних (механических, термомеханических и химических) воздействиях с последующим точением для достижения высокого качества обработанной поверхности.

Научная новизна работы.

1. Разработана математическая модель для определения стабильного и нестабильного состояния технологической системы при точении полимерных материалов. Установлено, что возникновение нестабильного состояния при обработке обусловлено пониженной жесткостью и высоким демпфированием колебаний у полимеров.

2. Обоснован выбор параметров режима резания полимерных материалов, соответствующих зоне стабильности технологической системы. Экспериментально подтверждено, что точение полимеров в зоне нестабильности приводит к возрастанию колебаний технологической системы, изменению характера процесса стружкообразования и ухудшению параметров качества обработанной поверхности.

3. Предложено и обосновано применение предварительной механической деструкции поверхностного слоя заготовок из полимерных материалов для повышения качественных параметров обработанной поверхности. Для реализации способа механической деструкции поверхностного слоя сконструированы и изготовлены устройства для предварительной механической обработки заготовок из полимерных материалов, конструкции которых защищены патентами на изобретения.

4. Научно обосновано применение предварительных термомеханических воздействий на заготовки для снижения энергии активации процесса разрыва связей в полимерных материалах и повышения качества последующей токарной обработки. Разработан новый способ повышения качества обработанной поверхности деталей из полимерных материалов за счет применения предварительного механического деформирования и нагрева заготовок, защищенный патентом на изобретение.

5. Экспериментально доказана целесообразность предварительного химического воздействия поверхностно-активными веществами на заготовки из полимерных материалов перед обработкой резанием. Разработана методика расчета основных диффузионных параметров при взаимодействии агрессивной среды с полимерным материалом. Разработаны химико-механические способы обработки заготовок из полимерных материалов для повышения эффективности процесса обработки резанием, защищенные патентами на изобретения.

6. Получена дополнительная информация о кинетике процессов деформирования и разрушения полимерных материалов. Установлено, что на разных стадиях нагружения исследуемых полимерных материалов четко выделяются различные события, идентификация которых осуществляется посредством анализа параметров сигналов акустической эмиссии. Накопление повреждений во всех исследуемых материалах при воздействии внешней нагрузки является сложным многостадийным процессом. Создание предварительного напряженного состояния величиной в пределах (0,6-0,8) приводит к снижению прочности исследуемых полимерных материалов при последующем вторичном деформировании (- предельная прочностная характеристика материала). токарный обработка полимерный материал

7. Впервые получены новые результаты по влиянию режимов резания, вида и параметров предварительных воздействий на заготовки из полимерных материалов на такие качественные показатели обработанной поверхности как твердость, параметры шероховатости и отклонения формы поверхностей деталей, и дано научное обоснование установленным зависимостям. Применение предварительной механической деструкции позволило снизить уровень шероховатости обработанной точением поверхности полимерных материалов до 5 раз; в случае создания предварительных напряжений величиной до (0,6-0,8) при сжатии или растяжении заготовок из капролона и нагрева заготовок до 60⁰С позволило снизить шероховатость обработанной поверхности до 4 раз; предварительная обработка заготовок ПАВ обеспечивает снижение уровня шероховатости до 4,5 раз.

Практическая значимость работы заключается в том, что использование теоретических и технологических разработок позволило определить пути повышения качества токарной обработки полимерных материалов за счет выбора рациональных режимов резания и параметров предварительных термомеханических и химических воздействий:

1. Разработаны методика и алгоритм, позволяющие определить оптимальные режимы резания полимерных материалов, обеспечивающие стабильность технологической системы СПИЗ и требуемое качество обработанной поверхности.

2. Разработаны новые комбинированные способы обработки полимерных материалов на основе предварительных термомеханических и химических воздействий и точения (патенты № 2203183, 2317196, 2328374). Научно-обоснованные рекомендации промышленного использования данных способов внедрены в ОАО «Дальневосточный научно-исследовательский институт технологии судостроения», в ОАО «Дальэнергомаш», ООО «Хабаровский завод металлоизделий», ФГУП «Хабаровский судостроительный завод», что подтверждается актами внедрения и положительным заключением о результатах производственных испытаний.

3. Разработаны устройства для осуществления предварительной механической деструкции поверхностного слоя заготовок из полимерных материалов, конструкции которых защищены патентами на изобретения (патенты № 2284911, 2207937, 2342249). Устройство для предварительной обработки заготовок из пластмасс (патент № 2284911) испытано и внедрено в производственный процесс восстановления и ремонта узлов и механизмов в филиале ОАО РЖД Хабаровского отделения ДВЖД «Локомотивном депо» ст. Вяземская. Применение данного устройства позволило снизить среднее арифметическое отклонение профиля обработанной поверхности деталей из текстолита и гетинакса до 4 раз.

4. Определены значения параметров предварительных физико-химических воздействий: диаметр точечных микроповреждений, глубина и шаг их нанесения в случае применения механической деструкции поверхностного слоя; значения растягивающего или сжимающего усилий в случае применения предварительного растяжения/сжатия заготовок; температурный диапазон тепловой обработки (Т_хр<?t_экспл.<Т_стекл) материалов; время эффективной химической обработки и вид поверхностно - активного вещества для конкретного полимерного материала.

Методы исследования. В теоретических исследованиях применялись методы теории обработки материалов резанием, динамики станков, положения термофлуктуационной концепции прочности, методы физической химии полимеров. Экспериментальные исследования проводились по разработанным методикам и основываются на современных методах определения прочностных параметров материалов, кинетики процессов деформирования и разрушения, а также современных методах математико-статистической обработки экспериментальных данных.

Обоснованность и достоверность научных положений и выводов диссертации подтверждаются использованием известных методик планирования экспериментов и проведения теоретических и экспериментальных исследований, современной вычислительной техники и программных средств для анализа и обработки данных эксперимента, проведением экспериментальных исследований с применением современного оборудования на основе цифровых технологий, прошедшего государственную поверку, а так же результатами промышленных внедрений на предприятиях Хабаровского края.

Личный вклад автора состоит в разработке концепции работы и постановке задач аналитических и экспериментальных исследований. Лично автором разработана математическая модель для определения нестабильности при точении; предложена методика расчета и определения зон нестабильности технологический системы при точении полимерных материалов; выполнен комплекс экспериментальных исследований с последующими анализом и обработкой полученных данных; разработаны новые комбинированные способы обработки заготовок из полимерных материалов с применением предварительных воздействий и конструкции устройств для их реализации. При личном и непосредственном участии автора разработаны рекомендации по применению разработанных новых способов обработки (патенты №№2203183, 2317196, 2328374, 2284911, 2207937, 2342249).

Под научным руководством автора по данной научной специальности подготовлены и успешно защищены 3 кандидатские диссертации.

Апробация результатов работы:

Основные результаты диссертации были доложены и обсуждены на международных, всероссийских научно-технических конференциях: Международной конференции «Синергетика. Самоорганизующиеся процессы в системах и технологиях» (г. Комсомольск-на-Амуре, 2000 г.), III Всероссийской научно-технической конференции «Информационные технологии в науке, проектировании и производстве» (г. Нижний Новгород, 2001 г.), Международной научно - технической конференции «Сертификация и управление качеством продукции» (г. Брянск, 2002 г.), Инновационном форуме с международным участием «Роль науки, новой техники и технологий в экономическом развитии регионов» (г. Хабаровск, 2003 г.), II Международной научно-технической конференции «Материалы и технологии XXI века» (г. Пенза, 2004 г.), VII Международной научно-технической конференции «Динамика технологических систем» (г. Саратов, 2004 г.), III Международном симпозиуме по транспортной триботехнике «Повышение износостойкости и долговечности машин и механизмов на транспорте» (г. Санкт-Петербург, 2005 г.), II Всероссийской научно- практической конференции «Технологическое обеспечение качества машин и приборов» (г.Пенза, 2005 г.), IX,XI Международных научно-практических конференциях «Современные технологии в машиностроении» (г.Пенза, 2005, 2007 г.), III, IV,V Международных научно - технических конференциях «Современные инструментальные системы, информационные технологии и инновации» (г.Курск, 2005,2006,2007,2008 г.), Международной научно-технической конференции «Новые материалы и технологии в машиностроении» (г. Брянск, 2005, 2006, 2007, 2008 г.), Международном симпозиуме «Принципы и процессы создания неорганических материалов» (г. Хабаровск, 2006 г.), I,III Joint China-Russia symposium «Advanced materials processing technology» (КНР, г.Харбин, 2006, 2008 г.), II International Russia-China Symposium «Modern materials and technologies 2007» (г.Хабаровск, 2007 г.), VI Международной научно-технической конференции «Динамика систем, механизмов и машин» (г.Омск, 2007г.), Всероссийской. научно-практической конференции «Новые технологии и материалы. Инновации и инвестиции в промышленности Дальнего Востока» (г. Комсомольск - на Амуре, 2007г.), 6-й Международной научно-технической конференции «Проблемы качества машин и их конкурентоспособности» (г. Брянск, 2008 г.).

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 71 научная работа, в том числе 21 в изданиях рекомендуемых ВАК, 1 монография, 6 патентов РФ на изобретения.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, шести глав, основных выводов, библиографического списка используемой литературы из 165 наименований, и приложений. Объем диссертации составляет 328 страниц машинописного текста, включает 152 рисунка, 32 таблицы, 6 приложений.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснованы актуальность, научная новизна исследования, сформулирована ее цель, представлены научная новизна и практическая ценность, приведены основные научные положения, выносимые на защиту.

В первой главе рассмотрено современное состояние вопроса о процессах обработки полимерных материалов, произведен анализ известных тепловых, механических и химических методов обработки и влияния режимов резания на качественные показатели обработанной поверхности. Приведены результаты теоретических исследований технологической системы СПИЗ при механической обработке полимерных материалов. Рассмотрены основные факторы процесса деформирования и разрушения полимерных материалов и аспекты взаимодействия материалов с агрессивными средами. На основе анализа классификационных признаков разработаны новые комбинированные способы обработки полимерных материалов на основе предварительных физико-химических воздействий и точения.

Большой вклад в исследования процессов обработки материалов резанием, внесли российские и зарубежные ученые: С.А. Васин, А.С. Верещака, В.И. Дрожжин, Н.Н. Зорев, А.Г. Ивахненко, Ю.Г. Кабалдин, М.И. Клушин, А. Кобаяши, М. Ф. Полетика, В.Н. Подураев, А.И. Промптов, М.Ф.Семко, В.К.Старков, А.А. Степанов, А.Г. Суслов, Г.К. Сустан, А.М. Шпилев, Б.П. Штучный и др.

Анализ литературных данных показывает, что современные способы производства изделий из пластмасс без снятия стружки не обеспечивают достаточно высокой точности заготовок и деталей. В тех случаях, когда требуется изготовление деталей из полимерных материалов повышенной точности, сложной конфигурации с высоким качеством поверхностного слоя необходимо применять механическую обработку резанием.

При получении деталей из полимерных материалов решающим фактором является качество обработанной поверхности. Однако режущих инструментов, оборудования и технологических методов, специально предназначенных для обработки пластмасс, недостаточно, и они имеют низкую эффективность. Основные параметры процесса резания полимерных материалов оказывают неоднозначное влияние на формирование шероховатости обработанной поверхности; скорость и глубина резания не оказывают существенного влияния на шероховатость поверхности; подача оказывает наибольшее влияние на шероховатость поверхности, при этом ее увеличение приводит к почти пропорциональному увеличению шероховатости. При этом отсутствуют обоснованные рекомендации для выбора конкретных значений параметров режима резания.

Проведенный теоретический анализ известных способов тепловых, механических и химических воздействий на заготовки из полимеров позволяет сделать вывод о том, что данные способы предназначены для устранения дефектов технологического процесса получения полимерных изделий, зачистки изделий с целью удаления впусков и других элементов литниковой системы, снятия грата и заусенцев по контурам изделия, смятия и округления кромок, упрочнения поверхности и придания ей привлекательного вида.

Моделированию процессов в динамической системе посвящены работы Б.М. Бржозовского, В.В. Бушуева, В.Л. Вейца, В.М. Давыдова, И.Г. Жаркова, В.Л. Заковоротного, В.А.Кудинова, С.И. Клепикова, А.И. Левина, А.В. Пуша, В.Э. Пуша, В.С. Хомякова и др.

Анализ многочисленных исследований в области механической обработки полимерных материалов показывает, что известные в настоящее время эмпирические степенные зависимости служат только для приблизительной оценки параметров режима резания и шероховатости поверхности; представленные уравнения не позволяют в полной мере учесть влияние всех факторов, влияющих на процесс резания, и не раскрывают физическую сущность процесса резания.

На основе определения явления нестабильности для нелинейного процесса, выдвинутого профессором Кирсановым М.Н., обосновано применение гипотезы нестабильности для анализа динамики технологической системы при обработке резанием полимерных материалов. Рассмотрены условия возникновения нестабильности динамических систем и показано, что нестабильность может возникать только в нелинейных системах. Нестабильность проявляется как разрыв связей между ускорениями, скоростями и перемещениями для процесса, достаточно близкого к заданному процессу, и возникающему при вариации сил, нелинейно зависящих от переменных состояния исходного процесса.

На современном этапе физические представления о прочности полимерных материалов базируются на кинетической концепции прочности, положения которой представлены в работах А.А. Аскадского, Г.М. Бартенева, В.Е. Гуля, В.А. Каргина, С.Н. Журкова, Ю.С. Зуева, Э.М. Карташова, Г. Кауша, В.Н. Манина, В.Н., Ю.В. Моисеева, C.Б. Ратнера, Г.Л. Сломинского, Я.И. Френкеля.

В кинетическом подходе основное внимание обращается на атомно - молекулярный механизм процесса разрушения, который 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. Экспериментально доказано, что под влиянием тепловой энергии, механических и химических воздействий, излучений и т.д. в полимерных материалах происходит разрыв химических связей, которые деформируются под влиянием приложенного напряжения и разрываются под действием тепловых флуктуаций.

В связи с вышеизложенным и с учетом поставленной цели сформулированы соответствующие задачи исследований.

Во второй главе рассмотрено применение гипотезы о нестабильности технологической системы СПИЗ при исследовании процесса точения полимерных материалов. За основу принята неоднократно апробированная модель колебаний технологической системы при точении в виде следующей системы уравнений:

, (1)

где x_д, y_д, z_д, и x_и, y_и, z_и - составляющие вектора вибросмещений по осям X, Y и Z заготовки и инструмента, соответственно; F^д_y и F^д_z - составляющие силы вызванные наличием статического дисбаланса вращающейся заготовки; - составляющие силы резания, . (2)

Для учета параметров динамического состояния технологической системы вместо номинально заданных значений подачи s₀, скорости v₀ и глубины резания t₀ рассматриваются их мгновенные значения - s, v и t:

. (3)

Для исследования нестабильности в выражении (2) для составляющих силы резания необходимо учесть нелинейные члены по всем рассматриваемым переменным, входящим в (3). С учетом такого разложения система уравнений (1) представляет собой нелинейную модель колебаний технологической системы.

В соответствии с гипотезой о нестабильности динамических систем, если, наряду с основным процессом с векторами перемещений , скоростей и ускорений , существует другой параллельный процесс, близкий к первоначальному, и который имеет вектора перемещений , скоростей и ускорений , мало отличающиеся от основного процесса, то линеаризованные уравнения относительно вариаций перемещений, скоростей и ускорений можно представить в матричном виде

, (4)

где , , - вектора вариаций перемещений, скоростей и ускорений, соответственно; М, Hu, Сu - матрицы масс, демпфирования и жёсткости соответственно.

(5)

Тогда для рассматриваемой динамической системы условия нестабильности имеют следующий вид:

det Нu = 0, (6)

det Сu = 0. (7)

В данной работе создан алгоритм определения нестабильности, включающий следующую последовательность действий: составление нелинейной модели колебаний (1); вариация перемещений, скоростей и ускорений; линеаризация уравнений колебаний относительно вариаций (3); формирование определителей матриц Нu и Сu для расчета точек нестабильности; задание параметров модели и режимов обработки; решение нелинейной модели колебаний; вычисление определителей матриц Нu и Сu; проверка выполнения условий нестабильности (6) и (7).

Согласно основным положениям гипотезы стабильности динамических систем переход системы из стабильного состояния в нестабильное состояние может быть вызван только внешними воздействиями. В модели нелинейных колебаний технологической системы таким источником является дисбаланс заготовки. На рис. 1 показано влияние дисбаланса заготовки из капролона на стабильность динамической системы при точении.

Рис. 1 Влияние дисбаланса заготовки из капролона на стабильность динамической системы при точении: а) e = 0,1•10³ мм; б) e = 0,3•10³ мм

Таким образом, теоретические и экспериментальные исследования подтверждают положение гипотезы стабильности динамических систем, согласно которому, переход системы из стабильного состояния в нестабильное состояние связан с внешними воздействиями, каковым в данном случае является сила от дисбаланса заготовки.

Из представленных результатов видно принципиальное отличие таких свойств динамических систем, как устойчивость и стабильность. Неустойчивость динамических систем проявляется при любой величине внешнего воздействия, отличной от нуля. Нестабильность динамических систем имеет потенциальный характер, т.е. возникновение интенсивных колебаний в нестабильной системе, изменяющих характер процесса обработки, возможно только при превышении определенного порога величины внешнего воздействия. При малой величине внешнего воздействия нестабильность динамической системы может не проявиться.

В данной главе посредством моделирования определены зоны стабильного и нестабильного состояния динамической системы при точении полимерных материалов, а также проведены экспериментальные исследования процесса стружкообразования при обработке в зонах стабильного и нестабильного состояний. На рис. 2 представлены границы зоны стабильности, полученные при моделировании процесса точения заготовок из капролона.

Экспериментальная проверка возможности появления нестабильности при обработке капролона выполнялась при различных технологических режимах. Фотографии полученных стружек при следующих режимах обработки s = 0,1 мм/об, t = 1 мм. представлены на рис. 3.

Рис. 2 Зона нестабильности при обработке капролона: а - подача 0,1 мм/об; б - глубина резания 1,0 мм

Анализ полученных данных показал соответствие характера процесса стружкообразования зонам стабильности и нестабильности технологической системы. Так, фотография стружки представленная на рис. 3,а соответствует процессу обработки в зоне стабильности, а фотография стружки, представленная на рис. 3,б соответствует процессу обработки в области перехода от зоны стабильности к зоне нестабильности. Фотографии стружек представленные на рис. 3,в и 3,г соответствуют процессу обработки капролона в зоне нестабильности технологической системы.

а б в г

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 3 Фотографии стружек капролона: а - скорость резания 100 м/мин; б - скорость резания 150 м/мин; в - скорость резания 180 м/мин; г - скорость резания 240 м/мин

На основании выполненных теоретических и экспериментальных исследований предлагается следующее объяснение механизма возникновения нестабильности динамической системы при точении. Нелинейный характер рассмотренной модели колебаний динамической системы обусловлен степенной зависимостью силы резания от смещений и скоростей заготовки и режущей кромки инструмента. Вариация связей обусловлена изменением коэффициентов С_р, К_р, x, y, z в выражении для силы резания (1), причинами чего могут быть неоднородность обрабатываемого материала заготовки и износ режущего инструмента. Изменение коэффициентов в выражении для силы резания (1) приводит к изменению параметров технологической системы, что отражается в изменении параметров модели колебаний (4). Данные изменения параметров могут привести к переходу технологической системы в потенциально нестабильное состояние. При наличии внешнего воздействия (силы от дисбаланса вращающейся заготовки), величина которого превышает некоторый пороговый уровень.

Таким образом, разработана нелинейная модель колебаний технологической системы при точении, а также создан и реализован алгоритм определения нестабильности динамической системы при точении. Установлено, что внешним воздействием, приводящим к переходу технологической системы в нестабильное состояние, является сила от дисбаланса обрабатываемой заготовки. Экспериментально установлено наличие взаимосвязи между параметрами колебаний технологической системы при обработке и шероховатостью обработанной поверхности детали, что подтверждает правомерность результатов теоретического исследования о наличии зон нестабильности технологической системы СПИЗ при токарной обработке полимерных материалов.

Третья глава посвящена исследованиям процесса разрушения полимерных материалов акустико-эмиссионным методом, их прочности от скорости нагружения образцов, влияния предварительного деформирования на характер изменения прочности, прочности от продолжительности выдержки образца без - и под нагрузкой перед конечной стадией деформирования и твердости полимерных материалов в зависимости от степени предварительно-напряженного состояния.

Исследование кинетики накопления повреждений в процессе деформирования и разрушения проводились с применением метода акустической эмиссии (АЭ) на стандартных плоских образцах с использованием штатного нагружающего устройства универсальной установки ИМАШ 20-75. Кривая нагружения регистрировалась также при помощи штатных устройств данной установки. Параллельно с записью кривой нагружения велась непрерывная регистрация сигналов АЭ. Схема экспериментальной установки представлена на рис. 4.

В качестве исследуемых материалов выбраны представители термореактивных и термопластичных пластмасс, детали и изделия из которых широко применяются в машиностроении: текстолит ПТК, гетинакс 1, капролон В, фторопласт-4.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 4 Схема экспериментальной установки для исследования материалов методом АЭ. На схеме обозначены: 1 - тензобалка, 2 - тензодатчик, 3 - образец, 4 - захват, 5 - акустический датчик, 6 - усилитель, 7 - аналого-цифровой преобразователь, 8 - персональная ЭВМ, 9 - оригинальный программный комплекс, 10 - автономный блок питания, 11 - упругий элемент, 12 - тензопреобразователь, 13 - самопишущий потенциометр

На рис. 5 представлены диаграммы нагружения () капролона и гетинакса и кинетика изменения параметров АЭ.

В начальный период нагружения (участок ОА на рис. 5, а) образец из капролона находится в зоне упругой деформации, что подтверждается полным отсутствием импульсов всех четырех параметров АЭ. Участок АВ - зона совместного действия упругой и пластической деформации материала образца. Под действием нагрузки происходит развитие и интенсивное накопление дефектов в структуре материала в виде микротрещин. Об этом свидетельствуют значительный рост интенсивности сигналов до значения N, равного 34 имп/с, а также наличие большого количества сигналов, пиковая амплитуда которых находится в диапазоне от 0,05 до 0,4 В.

В вершинах микротрещин, имеющихся в любом реальном полимерном материале, образуются микрообласти перенапряжений, в которых протекают вынужденноэластические деформации с разрывом химических связей. Об этом свидетельствует чередование сигналов стабильно высокой интенсивности с пиковыми амплитудами от 0,5 до 1,0 В. При этом наблюдается резкое увеличение суммарного счета до 300 событий, и суммарной энергии сигналов до 7,0 В²с, что позволяет сделать вывод об увеличении интегральной повреждаемости материала исследуемого образца. Максимум интенсивности сигналов АЭ приходится на точку В, в связи с чем окрестность точки В можно рассматривать как зону предтекучести материала образца. Напряжение в этой точке составляет 80 МПа, и это значение можно рассматривать как предел вынужденной эластичности капролона.

Рис. 5 Результаты обработки сигналов акустической эмиссии при растяжении полимерных материалов: а - капролон; б - гетинакс

В отличии от капролона, на диаграмме нагружения гетинакса участок АВ характеризуется наличием большого количества сигналов небольшой амплитуды (порядка 0,2В) и значительной интенсивности, что свидетельствует о микрорасслоении в матрице материала и расщеплении пучков волокон. Присутствие сигналов с максимальной амплитудой (до 1В) является доказательством того, что в образце также происходит развитие имеющихся и образование новых дефектов в виде микротрещин, о чем свидетельствует также рост параметров сигналов АЭ, характеризующих интегральную повреждаемость образца - суммарный счет (55 имп.) и суммарная энергия (0,35 В²с). Участок ВС можно рассматривать как стадию образования и роста магистральной разрушающей трещины. В пределах данного участка наблюдается интенсивный рост суммарного счета и суммарной энергии сигналов, которые при практически постоянной интенсивности имеют невысокую амплитуду (порядка 0,2В), что свидетельствуют о дальнейшем увеличении интегральной повреждаемости образца. Наличие сигналов АЭ с амплитудой до 0,6 В можно идентифицировать с разрывом адгезионных связей между матрицей и армирующими волокнами данного материала и разрывом отдельных волокон.

Анализ представленных на рис. 5 данных позволяет заключить, что на разных стадиях нагружения исследуемых полимерных материалов четко выделяются различные события, идентификация которых однозначно осуществляется посредством анализа параметров сигналов АЭ. При этом, накопление повреждений во всех исследуемых материалах является сложным многостадийным процессом. В случае нагружения гетинакса и текстолита эти стадии включают микропластические сдвиги в матрице, трещинообразование в матрице, разрыв адгезионных связей между матрицей и армирующим элементом, разрыв отдельных волокон и целых пучков армирующего материала. Для капролона и фторопласта характерны процессы разрыва химических связей, вынужденноэластической деформации в вершинах микротрещин и пластической деформации в объеме материала. Все эти процессы сопровождаются образованием упругих волн АЭ.

Исследовалось изменение прочности полимерных материалов в зависимости от условий предварительного деформирования образцов. Часть образцов после предварительного деформирования выдерживалась определенное время без нагрузки, другая часть - под нагрузкой. Затем производили вторичное деформирование до достижения предела вынужденной эластичности или разрушения материала образца.

Результаты данной серии исследований показывают (рис. 6), что создание предварительного нагружения образцов приводит к снижению прочности исследуемых полимерных материалов при последующем деформировании.

Рис. 6 Прочность материала после предварительного деформирования: а - гетинакс; б - капролон; 1 - базовая диаграмма; 2 - время разгрузки 5 мин; 3 - время разгрузки 20мин; 4 - время разгрузки 60 мин

Также установлено, что ослабленная на стадии предварительного нагружения структура материала сохраняется для капролона в течение 5-20 минут перед вторичным деформированием. Время разгрузки между ступенями деформирования, равно как и время выдержки под нагрузкой, для реактопластов типа гетинакса и текстолита не оказывает влияние на формирование и изменение прочности материала, так как дефектная структура образуется на стадии предварительного нагружения.

Исследовалась зависимость твердости полимерных материалов от величины прикладываемой нагрузки в условиях одноосного растяжения.

Анализ полученных данных (рис. 7) позволяет заключить, что для обоих материалов характер изменения твердости в зависимости от напряжений после деформирования примерно одинаковый. Области упругой деформации соответствует снижение твердости материала, что объясняется наличием зон пластической деформации в вершинах микротрещин. В этих зонах часть связей полимера напряжена, часть разорвана. Минимальное значение твердости приходится на начало зоны текучести материалов, т.е. практически совпадает с моментом достижения материалом предела вынужденной эластичности. При дальнейшем деформировании материалов происходит ориентационное упрочнение структуры, в результате которого повышаются прочностные свойства, что подтверждается ростом твердости.

Рис. 7 Твердость материала в зависимости от величины напряжения: 1- кривая нагружения; 2 - кривая изменения твердости; а - капролон; б - фторопласт

Четвертая глава посвящена исследованию влияния параметров процесса резания и вариантов предварительных воздействий на качество поверхности, получаемой после токарной обработки полимерных материалов. Также в данной главе представлено описание нового комбинированного способа обработки полимерных материалов с применением предварительного термомеханического воздействия на заготовки.

Рассматривая обработку режущим инструментом как разновидность процесса управляемого разрушения твердого полимерного материала, и с учетом кинетической концепции прочности, разработан новый комбинированный способ обработки полимерных материалов (патент № 2317196), сущность которого заключается в том, что предлагаемый к токарной обработке полимерный материал предварительно подвергают механическому деформированию путем сжатия или растяжения и нагреву.

За счет механического деформирования образуется такая структура материала, в которой часть связей разрушена, а часть напряжена. В сочетании с последующим нагревом это приводит к уменьшению энергии активации связей полимера и разрыву части возбужденных связей в полимерных цепях тепловыми флуктуациями. При дальнейшем взаимодействии поверхностного слоя материала с режущим клином инструмента облегчается процесс деформирования срезаемого слоя за счет образования зоны предразрушения. Магистральная трещина приобретает более устойчивое направление развития вдоль линии среза, что является предпосылкой повышения качественных показателей обработанной поверхности, так как снижается вероятность образования вырывов, сколов и подобных дефектов обрабатываемого резанием материала.

Тепловая обработка полимерных материалов проводилась согласно условию Т_хр<?t_экспл.<Т_стекл., где Т_хр - температура хрупкости материала; Т_стекл. - температура стеклования; ?t_экспл - температурный диапазон эксплуатации изделий из исследуемого материала.

При проведении экспериментальных исследований величина усилия на сжатие/растяжение выбиралась с помощью зависимости «деформация - напряжение» из области, соответствующей упругой деформации, до развития явления вынужденной эластичности. При этом прикладываемые к заготовке усилия должны создавать в объеме материала такое напряженное состояние, чтобы выполнялось следующее условие: ун < (0,6 -0, 8)ук (здесь, ун - напряжения, создаваемые в заготовке усилием растяжения/сжатия; ук - предельная прочностная характеристика материала).

Для предварительного деформирования цилиндрических заготовок из исследуемых полимерных материалов использовались разрывные машины МР-500 и УММ-20. Токарную обработку проводили на токарном патронно-центровом станке с ЧПУ модели РТ755Ф311. Рациональные значения основных параметров процесса резания материалов установлены на основании результатов анализа стабильности технологической системы, представленных в главе 2. Качество обработанной поверхности оценивается по следующим показателям: параметры шероховатости, отклонения формы, твердость.