CC BY
847
А.А. Реутов
ОБОСНОВАНИЕ РЕЖИМА РЕЗАНИЯ РЕЗИНЫ ПРИ РА ЗДЕЛКЕ КОНВЕЙЕРНЫХ ЛЕНТ
Рассмотрен механизм и структура энергозатрат процесса резания резины, технические требования к режимам резания. Приведены экспериментальные данные.
Ключевые слова: резина и резинотканевые материалы, резание и шерохо-вание., энергозатраты резания.
ТТ еобходимость механической обработки резины и рези-
Ц нотканевых материалов резанием возникает при ремонте конвейерных лент и автомобильных шин. В последнее время к этим двум направлениям добавились разрезание резинового покрытия корпусов подводных лодок, а также утилизация автомобильных, авиационных шин и других резиносодержащих материалов путем механического измельчения.
Из всех видов механической обработки для резины наибольшее практическое применение получили резание и шерохование.
Первоначально резание применялось как операция разделения массива или листа резины на части с помощью ножей и ножниц. Позже, при создании технологии ремонта автомобильных шин, появилась необходимость срезания слоёв резины, аналогично срезанию слоя металла или дерева.
Шерохование — это обработка поверхности металлической щеткой для создания требуемой шероховатости. По сути шерохо-вание также является резанием с помощью большого количества тонких стержней (проволок щетки).
Резина и резинотканевые материалы имеют существенные отличия в физико-механических свойствах по сравнению с другими материалами. Поэтому теоретические и практические знания по резанию металлов, дерева и других материалов непосредственно к резине непригодны, хотя общие подходы и методы исследования применимы. Установление закономерностей физических, химических и механических процессов, протекающих при резании резины, необходимо для определения оптимальных параметров инструмента и режима резания. В качестве частных критериев оптимальности
могут рассматриваться минимум удельных энергозатрат, минимум себестоимости, максимум производительности.
Требования к режимам резания
Использование обработанной поверхности резины для дальнейшей вулканизации и склеивания, накладывает определенные требования на температуру, влажность, характер неровностей поверхности.
Важной характеристикой процесса резания является температура. Температура t сильно влияет на механические свойства резины, процессы трения. При t > 100 °C наблюдалось налипание резиновой крошки на поверхность инструмента. Нагрев поверхности резины до температуры более 110 °C приводит к ее окислению и осмолению, снижению прочности клеевого (вулканизированного) соединения. По данным фирмы Marangoш [1] сопротивление расслаиванию связи старого и нового протектора шины при температурах шероховки поверхностного слоя 100-110 150-150 180-
200 °C составляет соответственно 95, 45 и 35 кН/м.
Другими важными характеристиками являются влажность и чистота поверхности. Влажность и загрязненность поверхности продуктами резания и посторонними веществами приводит к образованию пузырей, раковин, пор и отрицательно влияет на прочность вулканизируемых соединений. Обработанная поверхность резины должна быть сухой и чистой.
Волнистость обработанных поверхностей препятствует их плотному контакту и отрицательно влияет на прочность вулканизируемых соединений. Шероховатость поверхностей должна быть близка к оптимальному значению, обеспечивающему наибольшую прочность вулканизации.
Механизм разрушение резины
При больших скоростях резания и низких температурах возможен режим хрупкого или квазихрупкого разрушения, когда между острием лезвия (точка А) и вершиной трещины (точка В) имеется зазор. Т.е. трещина растет быстрее, чем движется лезвие. Внедрение лезвия в массив резины приводит к образованию трещины нормального отрыва (рис. 1, а) или продольного сдвига (рис. 1, б).
Хрупкий характер разрушения резины проявляется тогда, когда скорость нарастания напряжений в зоне резания превышает скорость релаксации этих напряжений вследствие молекулярной перестройки.
При малых скоростях резания в вершине трещины (точка В) вследствие релаксационных процессов успевают образоваться сильно растянутые участки резины (так называемые тяжи). Острие лезвия (точка А) непосредственно контактирует с резиной, и ее разрушение происходит вследствие образования предельных деформаций в зоне острия (рис. 2).
Рис. 1. Схема взаимодействия лезвия с массивом резины: а — образование трещины нормального отрыва; б — образование трещины продольного сдвига (1 — лезвие; 2 — массив резины; 3 — стружка)
Рис. 2. Схема образования тяжей у острия лезвия
Большие упругие и неупругие деформации резины в зоне резания являются причиной увеличения сопротивления резанию при уменьшении скорости резания.
Структура энергозатрат резания
При резании энергия привода затрачивается на упругую деформацию, разрушение резины (образование новых поверхностей), преодоление сил трения. Большая часть затраченной энергии превращается в тепло, выделяемое в области упругих деформаций, зо-
не непосредственного разрыва молекул резины, на поверхностях трения.
Трение скольжения инструмента по резине происходит на передней и задней поверхностях лезвия. Сила трения Fт изменяется вдоль пути резания, поскольку изменяется нормальное давление N и температура контактирующих поверхностей ^. Формулу Аман-тона Fт = fN можно использовать с учетом, что коэффициент трения является функцией скорости скольжения Vск, давления N и температуры ^. Скорость скольжения задней поверхности лезвия по резине практически равна скорости резания. В ИМАШе им. А.А. Бла-гонравого для разноименных пар трения при сухом трении и граничной смазке была получена обобщенная зависимость коэффициента трения от скорости скольжения при фиксированных значениях номинального давления [2]
f = (а + )есКк + d,
где а, Ь, с, d — параметры, зависящие от условий трения и физико-механических свойств материалов пары трения. Большая часть работы силы трения превращается в тепло.
Выделяемая при резании теплота Qо распределяется (рассеивается) четырьмя потоками: в стружку Qс, в инструмент Qи, в обработанную поверхность Qп, в окружающую среду Qос.
Q = Q + Q + Q + Q
о с ^ос
Для снижения температуры обработанной поверхности необходимо минимизировать Qn.
Экспериментальные исследования процесса фрезерования резинотканевых конвейерных лент на горизонтально-фрезерном станке 6Н82 показали, что существует оптимальная величина скорости резания Vоnт, обеспечивающая минимум силы сопротивления резанию Fc. Величина Vоnт зависит от материала лезвия и конструкции фрезы. Так для фрезы с лезвиями из быстрорежущей стали Р6М5 Vоnт = 5,1 м/с и Fc = 1,3 Н/мм. Для фрезы с лезвиями из твердого сплава Vоnт = 3,4 м/с и Fc = 2,4 Н/мм.
При скоростях резания меньших Vоnт увеличение Fc обусловлено большими упругими деформациями резины в зоне резания, при скоростях резания больших Vоnт — увеличением коэффициента трения лезвия по резине. В экспериментах наблюдалось повыше-
ние температуры обработанной поверхности при увеличении скорости и глубины резания, скорости подачи.
Охлаждение и смазка зоны резания
Для охлаждения зоны резания может использоваться струя воздуха или водяная пыль, подаваемая струей воздуха. Водяная пыль, помимо охлаждения поверхностей, выполняет роль смазочного материала при трении лезвия по резине. В зависимости от количества вода образует граничную смазку либо водяной клин между трущимися поверхностями. Таким образом с увеличением количества воды между лезвием и резиной образуется смешанная система смазки и сила трения снижается. Экспериментально установлено [3] снижение коэффициента трения стали по резине с увеличением количества воды на поверхности до 3 г/м2. Дальнейшее увеличение количества воды на поверхности не снижает величину коэффициента трения.
Водяная пыль позволяет снизить энергозатраты на трение, но приводит к увлажнению обработанной поверхности. Вода проникает в микронеровности на поверхности резины и удерживается там силами поверхностного сцепления. При вскрытии тканевых слоев вода проникает глубоко в них, адсорбируясь волокнами.
Для нанесения клея и дальнейшего ремонта резиновая поверхность должна быть высушена и тщательно очищена. Для сушки и очистки используют инфракрасные излучатели, калориферы, струю воздуха, щетки. Экономия энергии при резании резины с водяной смазкой приводит к дополнительным энергозатратам на сушку и очистку поверхности. Сушка тканевых слоев требует большего времени и энергии, чем резиновой поверхности. Кроме того, увлажненные продукты резания прилипают к обработанной поверхности и труднее удаляются.
Таким образом, резание резины с водяной смазкой энергетически не оправдано для изделий, подвергаемых ремонту. Применение водяной или водоэмульсионной смазки целесообразно при резании резиновых деталей, не предназначенных для дальнейшего склеивания или вулканизации.
Заключение
В качестве критерия выбора режима резания К при разделке конвейерных лент целесообразно использовать отношение мощности силы резания W к производительности — площади поверхности, обрабатываемой за единицу времени
К = W/BS (Вт-с/м2), (1)
где В — ширина резания (м), S — скорость продольной подачи (м/с).
Ограничение температуры обработанной поверхности (не более 100 °С) целесообразно осуществить воздушным охлаждением.
Глубина фрезерования в формулу (1) не вошла, т.к. всю толщину удаляемого слоя целесообразно срезать за один проход. Экспериментально подтверждена возможность срезания резинового и резино-тканевого слоя толщиной до 8 мм за один проход.
При оптимальном режиме производительность фрезерования при мощности привода 10 кВт составляет 0,6—0,7 м2/мин.
По экспериментальным данным минимальные значения критерия К составляют 403,6 кВт-с/м2 для фрез с лезвиями из быстрорежущей стали Р6М5 и 765 кВт-с/м2 для фрез с лезвиями из твердых сплавов ВК6 и Т5К10. Причем минимальным значениям К и Fc соответствуют разные скорости резания.
------------------------------------------ СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Евзович В.Е. Восстановление изношенных пневматических шин. М.: Автополис-плюс, 2005. — 624 с.
2. Трение, износ и смазка/ А.В. Чичинадзе, Э.М. Берлинер, Э.Д. Браун и др.// М.: Машиностроение, 2 003. -576 с.
3. Высочин Е.М., Смирнов В.К. О сцеплении конвейерной ленты с барабаном / Вопросы рудничного транспорта. №11. М.: Недра, 1970. с. 68 шгЛ
Reutov A.A.
SUBSTANTIATION OF THE RUBBER CUTTING REGIME UNDER
THE WORKING-OUT OF CONVEYOR BELTS
Mechanism and the power consumption structure of the rubber cutting process, technical requirements for the cutting regimes are considered. Experimental data are given.
Key words: Rubber and rubber materials, cutting and roughing, cutting power inputs
Коротко об авторе
Реутов А.А. — профессор, начальник учебно-методического управления, доктор технических наук, Брянский государственный технический университет, е-таіі: [email protected]
