Исследование адгезионного контакта в клеевых соединениях рифленой поверхности формованных подошв Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

УДК 678.685.34

ИССЛЕДОВАНИЕ АДГЕЗИОННОГО КОНТАКТА В КЛЕЕВЫХ СОЕДИНЕНИЯХ РИФЛЕНОЙ ПОВЕРХНОСТИ ФОРМОВАННЫХ ПОДОШВ

© 2011 г. Е.В. Заушицына, П.С. Карабанов, В.П.Косых

Новосибирский технологический институт Московского государственного университета дизайна и технологии (филиал)

Technological Institute of the Moscow State University of the Design and Technologies (branch), Novosibirsk

Проведена оценка устойчивости выступов рифленой поверхности склеивания формованных подошв при прессовании склеек и на основе деформационных характеристик материалов верха и низа построены модели их адгезионного контакта.

Ключевые слова: рифленая поверхность; прочность склеивания; адгезионный контакт; устойчивость выступов.

The protrusions seamy surface stability bonding molded soles during extrusion gluing were assessed. Models of the shoe materials adhesive contact were developed based on their deformation characteristics.

Keywords: corrugated surface; adhesion strength; adhesive contact; stability of protrusions.

Известно, что рифленая поверхность склеивания формованных подошв увеличивает прочность крепления к верху обуви [1]. Это обусловлено возрастанием площади адгезионного контакта и частичным внедрением выступов в волокнистые материалы верха, что создаёт эффект заклинивания склеиваемых поверхностей. Кроме факторов, известных из теоретических положений процесса склеивания твердых тел, на формирование адгезионного контакта системы рифленый материал низа - материал верха обуви влияют также степень продольной деформации выступов, их вдавливание и поперечный сдвиг («сваливание») в результате потери устойчивости при прессовании склеек. Это может приводить к образованию дефектов адгезионного контакта и появлению дополнительных очагов внутренних напряжений в клеевом шве. В этой связи представляется важной оценка устойчивости выступов рифленой поверхности, степени их вдавливания и внедрения в волокнистый материал верха обуви при прессовании.

Для решения этой задачи по общепринятой методике [2] экспериментально определяли истинные диаграммы «напряжение - деформация» при сжатии образцов подошвенных термоэластопластов различной твердости (76 и 85 усл. ед.) и натуральной кожи. Полученные зависимости с = f (в) приведены на рис. 1.

Напряжение с определяли делением усилия сжатия на площадь поперечного сечения образца при данном усилии, а деформацию - по формуле в = 1п(И/Но), где И и Но - текущая и начальная высота образца соответственно. На рис. 1 маркерами показаны экспериментальные значения измеряемых пара-

метров, сплошными линиями - аппроксимация степенной зависимостью вида:

с = Asm

(1)

где А, т - постоянные аппроксимации. При этом ошибка аппроксимации не превышала 5 %

о, МПа 1,0

0,8 0,6 0,4

0,2 0

0,1

0,2 0,3 0,4 0,5

0,6

Рис. 1. Истинные диаграммы сжатия термоэластопластов Sofprene марок 199Ш1585 (1), 199Ш1576 (2) и натуральной кожи (3)

Перейдем теперь к расчету величины вдавливания выступов рифленой поверхности в функции действующего на них усилия прессования F. При этом будем рассматривать выступы в виде цилиндров диаметром йо = 0,5мм и разной начальной высотой И0 (от 0,2 до 1,2 мм). При прессовании склеек происходит осадка выступов, которую будем определять текущим значением их высоты И .

2

1

к

Схема формирования адгезионного контакта при склеивании рифленой поверхности термоэластопласта с кожей представлена на рис. 2.

F

1ШЩШ

F

-UiUUUU

где S - текущая площадь поперечного сечения выступа, которая определяется из условия постоянства его объема при деформации.

Результаты расчета зависимости h = f ^) по

формуле (2) для рифленой поверхности термоэластопласта Sofprene марки 199Ш1576 (твердостью 76 усл. ед.) представлены на рис. 3 (кривые 1 - 6).

Для оценки устойчивости выступов рифленой поверхности подошвенных материалов при прессовании склеек определим критическую нагрузку [3]:

FKp сткр SKp ,

(3)

где S - площадь поперечного сечения выступа при

б

-кр

критической нагрузке; скр - критическое напряжение сжатия.

h, мм 1,2 1,1

1,0 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2

0,1 0

F, Н

Рис. 2. Схема формирования адгезионного контакта: а - до прессования; б - после прессования склеек

Максимальное усилие Fmax, действующее на отдельно взятый выступ, определим из следующего экстремального условия его нагружения. Считаем, что максимальное давление прессования, применяемое при клеевом креплении низа обуви (Ртах = 0,6 МПа)

создает усилие, которое воздействует только на верхние площадки выступов рифленой поверхности. Из этого условия найдем Fmax = 6 Н.

Для определения зависимости h = f ^) подставим в формулу (1) выражение для расчета истиной деформации. В результате получим:

с = А[1п(к/к0)]т ,

откуда следует зависимость:

h = h0exp I F 0 1 SA

Рис. 3. Зависимость текущей высоты выступа рифленой поверхности к от усилия прессования F и кривая устойчивости выступа: 1 - к0 = 0,2 мм; 2 - 0,4; 3 - 0,6; 4 - 0,8;

5 - 1,0; 6 - 1, 2; 7 - кривая потери устойчивости

Как следует из рис. 1, зависимость «напряжение -деформация» нелинейна. Поэтому использование формулы Эйлера для определения критического напряжения в силу неопределенности модуля упругости материала является весьма проблематичным. Однако представляется возможным проведение расчета по уравнению Энгессера [3], применяемого при исследовании потери устойчивости материалов за пределами упругости. Согласно [3] критическое напряжение равно

п2 E„

акр =-

я2

где А - гибкость выступа, Ек - касательный модуль упругости.

t

h

0

а

h

2

3

4

5

1

Поскольку параметр Ек определяется как произ-

й с

водная напряжения по деформации (Ек =-) [3], то

йв

продифференцировав выражение (1), получим Ек = Атв т_1. Тогда, подставив в формулу (3) выражения для Ек и скр , будем иметь:

F =

кр

п2 Amsm~1 X2

(4)

где X =-. Для расчетов примем коэффициент при-

7

ведения высоты образца ц равным 0,5 (консольное крепление выступа к массиву материала), а радиус инерции поперечного сечения выступа 7 = й /4 [3]. Расчет зависимости И = f ) из выражения (4)

дает кривую потери устойчивости выступов рифленых поверхностей, которая представлена на рис. 3 (кривая 7). Таким образом, можно заключить, что выступы рифленых поверхностей подошвенных термоэласто-пластов твердостью 76 усл. ед. (а тем более и твердостью 85 усл. ед.) не теряют устойчивость при давлении прессования до 0,6 МПа.

Для оценки величины вдавливания выступов в массив подошвенного материала, а также их внедрения в волокнистый материал верха, примем следующие допущения:

а) выступ и массив материала - различные объекты;

б) массив материала будем считать линейным упругим полупространством;

в) выступ будем рассматривать как жесткий штамп, круглый в плане.

Учитывая, что вид связи между штампом и полупространством мало влияет на распределение давлений [4], воспользуемся известным соотношением для вдавливания гладкого плоского штампа в упругое полупространство [3]:

ю = -

1-у f

(5)

где V , G - коэффициент Пуассона и модуль сдвига полупространства, й - диаметр штампа (выступа).

При расчетах вдавливания выступов их текущий диаметр й определяли из условия постоянства объема до и после прессования, а в качестве модуля сдвига полупространства в выражении (5) примем секущие модули сдвига термоэластопластов и кожи.

0,40

а

0,45

0,5 МПа

б

0,10

1 0,5 МПа INN. III. 0,38

0 0,68 iL -J - 0,48

в г

Рис. 4. Картины адгезионного контакта кожи с рифленой поверхностью термоэластопластов 199№ 1576 (а, б) и 199Ш1585 (в, г) а, в - И0 = 1,2 мм, 5 = 2 мм; б, г - И0=0,8 мм s=2,8 мм

После расчета параметров к, d, и ю построены картины адгезионного контакта рифленой поверхности подошвенного материала с кожей для верха обуви, которые представлены на рис. 4.

Таким образом, выступы рифленой поверхности термоэластопластов твердостью 76 и 85 усл. ед. при прессовании склеек в диапазоне применяемых давлений (0,2 - 0,6 МПа) не теряют устойчивость. Однако при прессовании они вдавливаются в основу подошвенного материала и частично внедряются в волокнистый материал верха. Это приводит не только к повышению площади адгезионного контакта и эффекту заклинивания склеиваемых материалов, но и к возникновению внутренних напряжений в клеевом шве, что негативно сказывается на прочности склеивания.

Следовательно, при склеивании рифленых поверхностей с волокнистыми материалами на прочность крепления оказывают влияние противоборствующие факторы. Поэтому для повышения прочности их крепления требуется подбор параметров выступов

Поступила в редакцию

с учетом деформационных свойств субстратов и режимов прессования при склеивании.

Литература

1. Пат. 2304420 Российская Федерация, МПК А 43 В 13/32 , С 09 J 5/02, В 29 D 31/515. Способ повышения адгезионной способности поверхности формованных подошв / П.С. Карабанов [и др.]; опубл. 20.08.07. Бюл. № 23. 7 с.

2. Жихарев А.П., Краснов Б.Я., Петропавловский Д.Г. Практикум по материаловедению в производстве изделий легкой промышленности : учеб. пособие. М., 2004. 464 с.

3. Биргер И.А., Мавлютов Р.Р. Сопротивление материалов: учеб. пособие. М., 1986. 560 с.

4. Работнов Ю.Н. Механика деформируемого твердого тела : учеб. пособие для вузов. М., 1988. 712 с.

5. Джонсон К. Механика контактного взаимодействия : пер.

с англ. М., 1989. 510 с.

12 июля 2011 г.

Заушицына Екатерина Владимировна - старший преподаватель, кафедра «Технология и дизайн изделий из кожи», Новосибирский технологический институт Московского государственного университета дизайна и технологии (филиал). Тел. +7-952-911-01-77. E-mail: [email protected]

Карабанов Петр Степанович - д-р техн. наук, профессор, зав. кафедрой «Технология и дизайн изделий из кожи», Новосибирский технологический институт Московского государственного университета дизайна и технологии (филиал). директор НТИ МГУДТ (филиала). Тел.: +7-961-227-40-00.

Косых Владимир Петрович - канд. техн. наук, доцент, кафедра «Механика и инженерная графика», Новосибирский технологический институт Московского государственного университета дизайна и технологии (филиал). Тел. +7-913-398-08-51.

Zaushitsyna Ekaterina Vladimirovna - senior lecturer, department «Technology and Design of Leather Goods», Technological Institute of the Moscow State University of the Design and Technologies (branch), Novosibirsk. Ph. +7952-911-01-77. E-mail: [email protected]

Karabanov Petr Stepanovich - Doctor of Technical Sciences, professor, head of department «Technology and Design of Leather Goods», Technological Institute of the Moscow State University of the Design and Technologies (branch), Novosibirsk. Ph. +7-961-227-40-00.

Kosyh Vladimir Petrovich - Candidate of Technical Sciences, assistant professor, department «Mechanics and Engineering Graphics», Technological Institute of the Moscow State University of the Design and Technologies (branch), Novosibirsk. Ph. +7-913-398-08-51