CC BY
18
СТРОИТЕЛЬСТВО И АРХИТЕКТУРА
УДК 691.3.05: 62-974
прогнозирование качества струино-абразивнои обработки строительных полимерных материалов
и изделий при низкотемпературном охлаждении
обрабатываемои поверхности
© 2012 г. В.И. Юрченко
Шахтинский институт (филиал) Южно-Российского государственного технического университета (Новочеркасского политехнического института)
Shakhty Institute (Branch) of South-Russian State Technical University (Novocherkassk Polytechnic Institute)
Рассматривается возможность прогнозирования качества струйно-абразивной обработки строительных полимерных материалов и изделий при низкотемпературном охлаждении обрабатываемой поверхности. Приводятся аналитические зависимости, связывающие износ обрабатываемой поверхности, а также температуру её охлаждения с физико-механическими свойствами обрабатываемого материала и режимными характеристиками процесса струйно-абразивной обработки.
Ключевые слова: износ; шероховатость поверхности; структурное стеклование; механическое стеклование; абразивные частицы.
The possibility ofprognosing the quality ofjet-abrasive treatment of building polymeric materials and wares at low temperature cooling off the surface treated is considered. Analytical dependences connecting wearing out the surface treated as well as the temperature of its cooling off with physical-mechanical properties of the material treated and the regime characteristics of the process ofjet-abrasive treatment are given.
Keywords: wearing out; roughness of the surface; structural glass-transition; mechanical glass-transition; abrasive particles.
Струйно-абразивная обработка (САО) применяется во многих отраслях промышленности и народного хозяйства: в тяжелом машиностроении, в обувном производстве, в космической отрасли, в медицине, в производстве оружейных оптических систем, в автосервисе и др. [1]. Основной целью САО является удаление некоторого слоя материала с обрабатываемой поверхности и создание на ней микрорельефа с определенной шероховатостью.
В производстве строительных материалов САО стала применяться сравнительно недавно [2]. Ее использование обусловлено необходимостью обеспечения высокой прочности склеивания несущего основания с поверхностью изделий для покрытия полов, изготовленных из синтетических полимерных материалов, эксплуатируемых при повышенных динамических нагрузках - в местах интенсивного движения людей, внутрицехового транспорта, в животноводческих помещениях и др.
Для обработки изделий для покрытия полов -плиточных, рулонных и др. - применяются оборудование и технологии САО, используемые в других производствах. Практика эксплуатации такого оборудования показывает, однако, что особенности поведения синтетических полимерных материалов в условиях ударно-абразивной обработки не позволяют эффек-
тивно использовать традиционные технологии и устройства для САО и обеспечивать требуемое качество обработки изделий. В связи с этим возникла проблема создания оборудования и разработки технологий для САО, адаптированных только для обработки синтетических полимерных материалов и конкретно - для обработки полимерных изделий клеевого метода крепления широкого ассортимента для покрытия полов внутри помещений, а также наружных дорожек, проездов и других несущих поверхностей.
Автором [2] предложены технология и оборудование для САО синтетических полимерных материалов (в том числе и строительных), обеспечивающие их качественную и производственную обработку. Отличительной особенностью указанной технологии [2] является использование в процессе САО низких температур, переводящих поверхность обрабатываемого материала в хрупкое стеклообразное состояние и обеспечивающих быстрое формирование требуемой шероховатости.
Как известно [2], эффективность любого технологического процесса зависит (помимо прочих факторов) от предсказуемости поведения обрабатываемого объекта (сырья, полуфабриката, детали, отдельной поверхности и др.) при выполнении над ним технологических операций, т. е. возможности максимально
точного прогнозирования результатов обработки объекта и, в случае необходимости, внесения в технологические режимы процесса соответствующих корректив, обеспечивающих требуемое качество и максимальную производительность обработки.
Точность прогнозирования определяется тщательным анализом текущей наиболее значимой априорной информации об изучаемом объекте и сравнения ее с закономерностями его традиционного поведения в той или иной ситуации [2]. В нашем случае таким объектом является шероховатость обрабатываемой поверхности строительных изделий, изготовленных из синтетических полимерных материалов. Ее значение (численный показатель) зависит от физико-механических свойств обрабатываемого материала и режимов обработки [3].
Исследователи [2, 4], занимающиеся вопросами струйно-абразивной обработки синтетических полимерных материалов, отмечают, что формирование рисунка обрабатываемой поверхности с характерной для каждого режима САО шероховатостью происходит весьма непродолжительное время - до 10 с, затем полученный профиль поверхности копируется, оставаясь неизменным сколь угодно долго. Поэтому кроме параметров процесса САО, обеспечивающих для каждого вида полимерного материала требуемую шероховатость обрабатываемой поверхности, важно знать ещё величину износа материала, точнее, толщину удаляемого слоя обрабатываемой поверхности, необходимую и достаточную для достижения требуемого качества обработки и обеспечения необходимых эксплуатационных свойств обработанной детали.
В работах, посвященных исследованию эрозионного износа, по-разному трактуется физический смысл количественной характеристики износа и предлагаются различные методики его расчета [4]. По нашему мнению, наиболее приемлемая для случая САО полимеров формулировка эрозионного износа приводится в работах [4, 5].
В общем случае в качестве характеристики износа принимается отношение массы изношенного материала к массе изнашивающего [4], т. е.
I _
ЗУмРм
(1)
состоянии полимеры проявляют как упругие, так и пластические свойства [3]. Поэтому при определении эрозионного износа стеклообразных полимеров, по нашему мнению, должен учитываться весь комплекс деформационных свойств обрабатываемых материалов, проявляемых ими в условиях низких температур.
Принимая во внимание зависимости, предложенные в [4] и [5], общий (полный) износ стеклообразных полимеров при САО, можно определить из выражения
I _ I c +1 c
o у у пл пл •
(2)
где cy, спл - коэффициенты, учитывающие долю
износа при упругом и пластическом контактах абразивной частицы с материалом.
В формуле (2) величина коэффициентов cy и спл
колеблется в пределах от нуля до единицы (в зависимости от физико-механических свойств материала и температуры [2]), однако в любом случае должно соблюдаться условие cy + спл = 1.
Нетрудно заметить, что из зависимостей, предложенных в работах [4] и [5], а также из (1), (2) можно определить лишь удельный износ материала, величина которого при установившемся режиме САО постоянна в течение всего периода обработки поверхности. В нашем случае, однако, необходимо знать численное значение минимальной толщины удаляемого в результате САО слоя материала, обеспечивающей требуемое качество обрабатываемой поверхности и необходимые эксплуатационные свойства обработанной детали. Учитывая, что в соответствии с (1)
V Р
I _ MF M
О _ JT
VaPa
(3)
В выражении (3) объем Ум разрушенного в результате обработки материала можно представить как Ум = Sh (здесь S - площадь обрабатываемой поверхности; h - толщина удаленного при САО материала), искомая величина h определится из выражения
4П RP q
где Ум - изношенный объем материала; рм, ра -плотности изношенного материала и изнашивающих абразивных частиц соответственно; Ra - радиус шарообразных абразивных частиц; q - число частиц, вызвавших износ.
Величину эрозионного износа полимерных материалов можно определить из выражений, предложенных в работах [4] (при упругом контакте абразивных частиц с обрабатываемой поверхностью) и [5] (при пластическом контакте).
Однако для случая САО полимерных материалов в условиях низкотемпературного охлаждения формулы из [4] и [5] в представленном виде использовать нельзя, поскольку даже в хрупком (стеклообразном)
h _ 1 oVaPa
Рм S
(4)
где Vа = q /3 - объем абразивных частиц, вызвавших износ Ум материала.
Количество абразивных частиц q в струе рассчитывается следующим образом: q = с^с, где са -концентрация абразивных частиц в струе; Vc - объем воздушно-абразивной струи.
Если струя цилиндрическая (с «нулевым» или малым углом распыла), то Ус = SсL = ^с2L , где Sс = ^с2 - площадь сечения струи (здесь Rc - радиус сопла струйного устройства); L - длина струи.
В случае большого угла распыла струя имеет форму усеченного конуса, тогда
V = nL (R2 + Rc Rn + Rn2 )/3
где Rп - радиус пятна контакта струи с обрабатываемой поверхностью.
Концентрацию ca частиц в струе можно определить из выражения, предложенного в работе [2]:
ca = c0exp|- 4 Ra3pa gL / k T
1 -
Rc + L tgß
где co - концентрация частиц на оси струи при выходе из сопла (определяется экспериментально [2]); g -ускорение свободного падения; k" - коэффициент пропорциональности, имеющий размерность постоянной Больцмана; Т - абсолютная температура; г - радиус струи; в - угол распыла струи.
Анализ формулы (4) показывает, что в ней содержатся все наиболее значимые параметры процесса САО, а также параметры, характеризующие свойства обрабатываемого материала и абразивных частиц. Следовательно, толщину h удаляемого слоя материала можно рассматривать как критерий, которым можно оценивать качество САО поверхности любого полимерного материала или детали низа обуви перед склеиванием, а зависимость (4) позволяет прогнозировать ожидаемую величину h при любых сочетаниях параметров процесса САО, сравнивать её расчетное значение с эталонными (нормативными) значениями, полученными экспериментальным путем для различных видов материалов и изделий, и назначать такие режимы струйно-абразивной обработки, которые обеспечивали бы требуемое качество поверхности изделий под нанесение клеевых плёнок, необходимые эксплуатационные свойства клеевого соединения и максимальную производительность обработки.
При ударном нагружении полимера, если скорость приложения нагрузки становится равной скорости распространения волн упругих деформаций в материале (скорости звука), его упругоэластические свойства не могут проявиться. В таких условиях ударного нагружения полимерный материал переходит в стеклообразное состояние, а процесс перехода называют механическим стеклованием, подчеркивая, вероятно, термином «стеклование» те хрупкие свойства, которые полимер при этом проявляет [6].
Вместе с тем широко известный в науке о прочности полимеров принцип эквивалентности воздействия на физико-механические свойства материала скорости деформирования и температуры его охлаждения свидетельствует о том, что эти параметры процесса перевода полимера в иное физическое состояние взаимозаменяемы [6]. Другими словами, полимер можно переводить в стеклообразное состояние и иным способом, воздействуя на него только понижением температуры. Причем в этом случае при определенной температуре Тст происходит так называемое структурное стеклование [6]. Ниже температуры Тст при тем-
пературе хрупкости Тх полимер становится полностью хрупким и способен разрушаться по атермическому механизму, в соответствии с которым разрыв химической связи определяется только напряженным состоянием материала [6]. Однако перевод полимера в стеклообразное состояние медленным понижением температуры еще не вызывает его разрушения, которое может произойти только при приложении к нему нагрузки.
Струйно-абразивная обработка представляет собой механическую обработку поверхности направленным потоком абразивных частиц - высокоскоростной струёй. При этом реализуется динамический процесс ударного нагружения поверхности, характеризуемый определенной нагрузкой и скоростью её приложения. А в случае применения технологии [2] имеет место еще и охлаждение обрабатываемой детали.
Если скорость хрупкости Ух полимера невелика (до 300 м/с), то организовать процесс хрупкого разрушения материала довольно просто. Это показано, например, в работах [4, 5]. Однако при больших значениях Ух картина сразу усложняется. Так, в полимерах, используемых в производстве строительных изделий (поливинилхлоридах, полиуретанах, термоэла-стопластах, некоторых видах резин и др.), скорость распространения волн упругих деформаций достигает 1000 м/с и выше. Реализовать при САО этих материалов самый эффективный механизм разрушения -хрупкий - не удается, поскольку на современных струйных устройствах технически сложно обеспечить разгон частиц абразива до таких высоких скоростей соударения (превышающих в несколько раз скорость распространения звука в воздухе). Кроме того, при этом возникает и другая проблема - при высокой скорости частиц не удается сохранить их целостность до момента соударения частиц с поверхностью полимера, поскольку в процессе разгона частицы дробятся (разрушаются) от взаимных столкновений.
Известно, что температура механического стеклования Тм не является константой материала и зависит от скорости механического воздействия (скорости удара): при повышении скорости Тм увеличивается и наоборот [6]. Следовательно, понижением температуры полимера можно, вероятно, при его САО обеспечить реализацию механизма хрупкого разрушения при скоростях удара, гораздо меньших скорости распространения звука в полимере.
В данной работе делается попытка теоретического обоснования таких режимов обработки полимерных строительных материалов методом САО, при которых, с одной стороны, обеспечивалась бы интенсивная их обработка (при хрупком разрушении поверхности) и, с другой - учитывались бы технические возможности оборудования (сопел, пистолетов и т.д.) для разгона абразивных частиц.
В этой связи необходимо отметить, что отдельное влияние скорости нагружения и температуры на процесс хрупкого разрушения полимера изучено достаточно подробно [6, 7], однако их взаимосвязь и совместное влияние на процесс разрушения поверхно-
3
2
r
сти при САО полимерных материалов до настоящего времени в литературе не описаны.
В рамках современной теории упругости в работе [3] получена зависимость, определяющая величину приведенных контактных напряжений, возникающих в материале при ударе по нему абразивных частиц (расшифровку параметров см. в [3]),
ок _ 1,65ЕД
Ра
(1 - д2 г
Р
1/5
/ \ 2/5
' V л
C,
sin (vt ). (5)
В соотношении (5) все параметры, кроме плотности абразивной частицы и скорости удара, учитывают свойства нагружаемого материала, а последние, как известно [6], зависят от температуры охлаждения полимера. К сожалению, соотношение (5) в явном виде не отражает влияние температуры охлаждения. Попытаемся установить это влияние.
Как известно [6], каждому значению скорости на-гружения соответствует вполне определённая температура Тм перехода полимера в стеклообразное состояние. А в случае периодических процессов нагру-жения - каждому значению частоты v динамического воздействия на полимер также соответствует фиксированное значение Тм.
Процесс соударения частиц с поверхностью полимера от момента касания частицы до момента ее отскока при САО является периодическим (синусоидальным) и характеризуется соответствующими значениями периода t и частоты v [2]. Этот процесс, с одной стороны, зависит от характеристик струи (величины начальной скорости соударения частиц У), а с другой - от физического состояния материала, обусловленного температурой его охлаждения. Иными словами, скорость воздействия здесь конкурирует со скоростью перегруппировки подвижных сегментов макромолекул полимера (скоростью теплового движения) и обеспечивает процесс механического стеклования, а понижение температуры уменьшает подвижность этих цепей и вызывает процесс структурного стеклования.
Таким образом, чтобы учесть влияние температуры охлаждения на величину ок при САО, необходимо рассмотреть эти два процесса (ударное нагружение и охлаждение материала) в их взаимосвязи. При этом необходимо иметь в виду, что внешний фактор (скорость частиц У) должен быть известной величиной, а частота v зависит от скорости У и температуры полимера Тм. Следовательно, необходимо установить зависимость между v, У и Тм.
Если принять, что частота нагружаемого материала определяется из выражения [2]
VI 1 -
3сРв L
4RaPa
1/2
1-
Rc + Ltgß
3/2
1/5
V _ -
2/5
1 - Да , 1 - Д
2 Л
2/5
у Ea Ем
то остается установить взаимосвязь Тм и V.
Воспользуемся для этого основным уравнением механического стеклования полимеров [7]
VI = с', (6)
где т = т0ехр[и (Тм) / ()] - продолжительность
молекулярной релаксации при температуре механического стеклования; и - энергия активации; k - постоянная Больцмана; с'=5/п - безразмерная постоянная.
Как видно, величина Тм здесь представлена в неявном виде, поэтому встает задача приведения уравнения (6) к виду, удобному для расчета значений Тм для различных полимеров и в широком диапазоне частот V.
Для достаточно большого интервала температур (Тст, Тст+100 °С) энергия активации и сегментальной подвижности в формуле (6) может быть показана в следующем виде:
U T U _- œ
t - T
(7)
где и„ - постоянная, равная энергии активации при Т^да; Т0 - температура, лежащая ниже температуры структурного стеклования примерно на 50°.
В работе [7] показано, что для всех аморфных полимеров характерны приблизительно одинаковые значения ида = 17,2 кДж/моль и Т0= Тст - 51,6°.
Подстановка выражения (7) в уравнение
т = т0 ехр (и / №)
для определения продолжительности молекулярной релаксации, отнесенной к одной кинетической единице, приводит к известному уравнению Вильямса-Ландела-Ферри [8], представляющему собой наиболее удобную форму записи принципа температурно-временной эквивалентности,
т _ Тоехр Ц / k (T - To )]
(8)
Последующая подстановка выражений (7) и (8) преобразует уравнение (6) следующим образом:
vToexp [иш / k (Т - То )] = с'.
После логарифмирования полученное равенство примет вид
_
k (T - To ) VTo
(9)
Решая уравнение (9) относительно Т = Тм аналогично выражению (8), окончательно получим
Т м _ Т о +
Urr
k ln (c / Tov )
(10)
где V - частота нагружения, определяемая из выражения, предложенного в [2].
Формула (10) показывает, при какой Тм полимер, стеклующийся в условиях структурного стеклования при Тст, приобретает свойства стекла, если на него воздействовать периодическими нагрузками с часто-
2
r
той v. А имея в виду реальный процесс САО, можно сказать, что зависимость (10) определяет ту Тм, до которой необходимо охладить полимерную деталь (или ее поверхность) при обработке воздушно-абразивной струей с частотой ударов частиц v, чтобы материал детали перешел в стеклообразное состояние, необходимое для реализации хрупкого механизма разрушения.
Как видно, в формуле (10) показаны все параметры процесса САО, в наибольшей степени влияющие на его интенсификацию, - V, v и Тм. Следовательно, выражение (10) позволяет наглядно представить, при каких условиях и в какой степени скорость частиц, частота нагружения материала и температура его охлаждения обеспечивают наиболее производительный - хрупкий механизм разрушения обрабатываемой поверхности полимерной детали.
Анализ формулы (10) показывает, что при увеличении частоты ударов частиц величина Тм попадает в диапазон более высоких значений, при которых возможно хрупкое разрушение полимера. Таким образом, полученная зависимость между Тм и v хорошо согласуется с современными представлениями о природе механического стеклования полимеров.
Если из выражения (10) найти частоту
v =
т0 exp \_UX / k (TM - Т0 )]
(11)
Т м = Т о +
и„
kNAln (С / T0V )
или
Т M = Т о +
U
Таким образом, используя выражение (12) в инженерных расчетах, можно задавать такие режимы обработки материала при САО (значения v и Тм), при которых, с одной стороны, обеспечивалась бы интенсивная его обработка при минимальных затратах энергии (например, на производство холода и разгон абразивных частиц) и, с другой - учитывались бы технические возможности оборудования (диапазоны изменения режимных характеристик, конструктивные особенности струйного аппарата - сопла и рабочей установки), на котором осуществляется процесс САО. Другими словами, применение зависимости (12) при проектировании технологии САО позволяет добиваться одинакового эффекта обработки материала при различных сочетаниях режимных параметров Тм и v, обеспечиваемых оборудованием для САО.
то подстановка выражения (11) в (10) приведет к искомой зависимости контактного напряжения ок в полимере от температуры его охлаждения и параметров струи.
Для определения Тм в инженерных расчетах формулу (10) можно использовать, разделив второе слагаемое правой части уравнения на ЫА= 6,022 1023 (ЫА - число молекул в моле), или вместо постоянной k использовать газовую постоянную R ^ = kNA), поскольку в справочной литературе величина Ц, приводится, как правило, отнесенной к молю вещества, т. е.
R ln(с' / T0V) '
(12)
Литература
1. Юрченко В.И. Влияние конструктивно-технологических факторов на интенсификацию процесса струйно-абразивной обработки деталей низа обуви перед склеиванием : автореф. дис. ... канд. техн. наук. М., 1990.
2. Юрченко В.И. Механическое оборудование для ударно-абразивной обработки синтетических полимерных строительных материалов при низких температурах. Новочеркасск, 2010. 196 с.
3. Пенкин Н.С. Влияние упругих свойств материалов на процесс изнашивания потоком абразивных частиц // Тр. Ленинградского ин-та водного транспорта. 1966. Вып. 86. С. 43 - 50.
4. Крагельский И.В., Добычин М.Н., Комбалов В.С. Основы расчетов на трение и износ. М., 1977. 526 с.
5. Веллингер К., Уетц Г. Изнашивание струёй абразивного материала // Сб. тр. и переводов обзоров ин. лит. Сер. машиностроение. 1956. № 2 (32). С. 52 - 77.
6. Гуль В.Е., Кулезнев В.Н. Структура и механические свойства полимеров. М., 1966. 316 с.
7. Бартенев Г.М., Зеленев Ю.В. Курс физики полимеров. Л.,
1976. 288 с.
8. Ферри Д. Вязкоупругие свойства полимеров. М., 1963. 535 с.
с
Поступила в редакцию 9 апреля 2012 г.
Юрченко Владимир Ильич - д-р техн. наук, профессор, Шахтинский институт (филиал) Южно-Российского государственного технического университета (Новочеркасского политехнического института). Тел. 8-928-60340-84.
Yurchenko Vladimir Ilyich - Doctor of Technical Sciences, professor, department MOPS, Shakhty Institute (Branch) of South-Russian State Technical University (Novocherkassk Polytechnic Institute). Ph. 8-928-603-40-84.
