Размещено на http://www.allbest.ru/

ГОУ ВПО «Орловский государственный технический университет»

На правах рукописи

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Повышение эффективности разрезания листовых неметаллических материалов водоледяными струями высокого давления

Специальность 05.02.07 «Технологии и оборудование механической и физико-технической обработки»

Бурнашов Михаил Анатольевич

Орел 2010

Работа выполнена на кафедре «Технология машиностроения и конструкторско-технологическая информатика» ГОУ ВПО «Орловский государственный технический университет».

Научный консультант Заслуженный деятель науки РФ, доктор технических наук, профессор Степанов Юрий Сергеевич

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор Барзов Александр Александрович

доктор технических наук, профессор Протасьев Виктор Борисович

доктор технических наук, доцент Хандожко Александр Владимирович

Ведущее предприятие: ОАО «Тульский научно - исследовательский технологический институт»

Защита состоится «25» июня 2010 г. в 14 часов на заседании диссертационного совета Д 212.182.06 при ГОУ ВПО «Орловский государственный технический университет» по адресу: 302020, г. Орел, Наугорское шоссе, 29, аудитория 212.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Орловского государственного технического университета.

Автореферат разослан 2010 г.

Ученый секретарь диссертационного совета к.т.н., доцент Василенко Ю.В.

Общая характеристика работы

Актуальность работы. Гидроструйные технологии, основанные на использовании высокоскоростных струй в качестве режущего инструмента, являются на сегодняшний день одним из перспективных направлений развития техники и технологий разрезания различных материалов. Способность струй осуществлять работу по резанию анизотропных, композиционных и дублированных материалов при высокой скорости обработки и отсутствии реакций от обрабатываемой заготовки, делают их привлекательными в качестве инструмента для разрезания листовых неметаллических материалов (далее по тексту ЛНМ). Традиционная механическая резка характеризуется значительной удельной энергоемкостью, относительно низкой скоростью резания, невозможностью получения изделий сложной формы (ограничением является геометрические размеры механического инструмента), термическим воздействием на обрабатываемый материал и значительным пылеобразованием. Гидроструйная резка лишена указанных недостатков. Данная технология основывается на использовании энергии высокоскоростных гидравлических струй. Если вопрос о закономерностях эрозионного разрушения твердых материалов высокоскоростными гидравлическими струями хорошо изучен, то резание ЛНМ, имеющих различные физико - механические показатели, систематически не исследован.

Это, в частности, связано с тем, что листовые неметаллические материалы имеют широчайший разброс своих свойств, а физические процессы, определяющие их взаимодействие с высокоскоростными гидравлическими струями, носят характер, существенно отличающийся от разрушения твердых материалов, широко освещенных в литературных источниках.

Кроме того, необходимость обеспечения режимов резания, не допускающих значительного намокания кромок обрабатываемого материала, требует изыскания научно обоснованных рекомендаций при разработке конструкций струйного инструмента для высокоскоростного резания. Так, при введении в струю абразивных частиц производительность по разрушению резко возрастает, но это закрывает путь применения гидроструйной технологии в тех областях промышленности, где присутствие нерастворимых механических частиц нежелательно или недопустимо в технологическом процессе резки (медицина, пищевая, химическая промышленность и т.д.).

Водоледяная струя - выход из сложившейся ситуации. Применение охлажденной струи воды, насыщенной частицами льда полностью исключает вышеуказанные недостатки водоструйной и гидроабразивной технологий. Технологии на основе водоледяных струй в нашей стране, до настоящего времени, из-за некоторых технических сложностей реализации, не исследовались. Однако за рубежом уже подтверждены их перспективы для высокотехнологичных отраслей промышленности, таких как машиностроение, авиация, космонавтика и медицина.

Водоледяная струя имеет комбинированный характер воздействия на материал, заключающийся в одновременном действии напряжений растяжения-сжатия от гидравлической составляющей струи и эрозионного разрушения от действия разогнанных ледяных частиц, причем данные воздействия проходят на фоне протекания сложных термодинамических явлений, описание которых необходимо для уяснения физической сути процесса разрезания ЛНМ.

В силу своей специфичности, работ, посвященных систематизации подходов к разрезанию ЛНМ водоледяными струями, насчитывается буквально единицы, а существующие методы определения рациональных параметров процесса разработаны в основном для узкой номенклатуры материалов и поэтому не могут в имеющемся виде быть использованы при проектировании промышленного оборудования.

Таким образом, все это вызывает необходимость проведения широких комплексных теоретических и экспериментальных исследований, направленных на разработку научных основ создания оборудования для высокоскоростного разрезания ЛНМ с использованием водоледяных струй, что и определяет актуальность работы.

Научное исследование по теме диссертации связано с выполнением работ по гранту 11/1-98 (97-24-3.2-14) «Разработка теоретических и технологических основ резки композиционных и текстильных материалов сверхзвуковой струей жидкости» Минобрнауки РФ по фундаментальным исследованиям в области технических наук, а также работ, выполненных в рамках Федеральной целевой научно-технической программы «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития науки и техники» на 2002 - 2006 годы и аналитической ведомственной целевой программы «Развитие научного потенциала высшей школы» (2009 - 2010 годы).

Цель работы состоит в повышении эффективности разрезания листовых неметаллических материалов путем научно-обоснованного выбора рациональных параметров процесса раскроя водоледяными струями высокого давления.

Достижение поставленной цели потребовало постановки и решения следующих задач.

1) Классифицировать и провести анализ современных технологий гидрорезания листовых неметаллических материалов. Разработать классификацию материалов, разрезание которых водоледяными струями высокого давления обеспечило бы эффективное снижение энергоемкости при требуемой производительности.

2) Разработать основы теории формирования трехфазной струи (вода - лед - газообразный азот) как режущего инструмента процесса раскроя ЛНМ.

3) Разработать теоретическую модель разрушения ЛНМ водоледяными струями высокого давления.

4) Разработать модели распределения температуры резания в плоскости раскроя и по глубине обработки пакетов ЛНМ.

5) Установить закономерности влияния гидравлических, режимных и геометрических параметров технологического инструмента на эффективность разрезания водоледяной струей ЛНМ при соблюдении требуемых параметров точности и качества раскроя.

6) Разработать методики выбора оптимальных параметров управляемого процесса разрезания ЛНМ для использования в технологических расчетах.

7) Разработать принципы компоновки и расчета основных характеристик оборудования для водоледяного разрезания ЛНМ.

8) Разработать и внедрить в производство новые технические решения для оборудования водоледяного разрезания ЛНМ.

Метод исследования - комплексный, включающий методологию системного анализа; физику макромолекулярной теории полимеров, термодинамику, теорию распространения ударных волн, теоретические исследования на базе моделирования процессов формирования водоледяных струй и их воздействия на ЛНМ; экспериментальные исследования процессов резания ЛНМ струйным инструментом с использованием универсальных технологических модулей высоконапорного оборудования в стендовых и промышленных условиях; анализ и обработку экспериментальных данных с применением методов теории вероятности и математической статистики, сопоставление экспериментальных и расчетных данных.

Научная новизна полученных результатов заключается:

- в теоретическом обосновании требований к параметрам водоледяного разрезания материалов, результатом которого являются аналитические зависимости, связывающие начальные гидравлические и геометрические параметры водяной струи с режимными и геометрическими параметрами проектируемого технологического инструмента для формирования водоледяной струи;

- в теоретическом обосновании конструкции технологического инструмента, включающем аналитические зависимости, связывающие настроечные характеристики: давление и расход воды с образованием в водоледяной струе возможно максимальной концентрации частиц льда, а также с конструктивными параметрами камеры смешивания и коллиматора технологического инструмента, обеспечивающими наибольшую производительность разрезания;

- в разработке комплекса математических моделей термодинамических процессов, происходящих при формировании водоледяных струй и в процессе контакта с обрабатываемым материалом, что позволило прогнозировать и целенаправленно регулировать производительность водоледяного разрезания ЛНМ;

- в теоретическом и экспериментальном обосновании требований к параметрам водоледяного разрезания ЛНМ, обеспечивающим заданные показатели качества обработки, результатом которых являются аналитико - экспериментальные зависимости, связывающие режимные параметры процесса с шероховатостью боковой поверхности и шириной реза;

- в разработке методологии расчета режимов разрезания ЛНМ водоледяной струей.

Основные научные положения, выносимые на защиту:

1. Разработанная математическая модель описания термодинамических процессов, происходящих при формировании водоледяных струй и разрезании ЛНМ, в которой учитывается влияние геометрических и гидравлических параметров технологического инструмента, режимных параметров процесса и физико-механических свойств обрабатываемого материала.

2. Теоретически обоснована конструкция технологического инструмента, созданная на основе аналитических зависимостей, связывающих настроечные характеристики образования водоледяной струи и геометрические параметры камеры смешивания и коллиматора;

3. Экспериментально установленные закономерности процесса разрезания ЛНМ с учетом их свойств, геометрических, гидравлических и режимных параметров технологического инструмента, которые обеспечивают обоснование его конструктивного исполнения для достижения заданных показателей работы.

4. Методология выявления области минимальных удельных энергозатрат на основе исследования взаимосвязи свойств ЛНМ, геометрических, гидравлических и режимных параметров с показателями процесса разрезания водоледяной струей.

5. Математическая модель, описывающая взаимосвязь ширины реза и качества поверхности с гидравлическими параметрами технологического инструмента, режимами обработки и физико-механическими свойствами ЛНМ.

Практическое значение работы:

- разработана конструкция экспериментального стенда, обеспечивающего исследование процесса разрезания ЛНМ водоледяным инструментом в широком диапазоне изменения режимных и гидравлических параметров;

- предложена оригинальная компоновка и конструктивное решение технологического инструмента, обеспечивающего повышение эффективности процесса разрезания ЛНМ, что подтверждено экспериментально;

- получены инженерные расчетные зависимости и разработаны методики для определения рациональных давлений воды и скоростей подачи технологического инструмента, обеспечивающих минимум удельных энергозатрат и максимальную производительность процесса разрезания ЛНМ, позволившие обосновать показатели работы;

- разработана и внедрена на производстве программа "Методика расчета технологических параметров резания, определения геометрических характеристик технологического инструмента и выбора насосного оборудования для резки ЛНМ водоледяными струями";

- показано, что оснащение серийно выпускаемого гидрорезного раскройного оборудования системой подачи жидкого азота и технологическим инструментом для разрезания водоледяными струями позволит повысить производительность резки при относительно низком уровне давления, что дает значительный экономический эффект.

Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается корректностью постановки задач; представительным объемом экспериментальных данных, полученных в стендовых условиях с применением современных средств измерений и методов исследований; корректным применением методов теории вероятности и математической статистики при обработке и анализе экспериментальных данных; устойчивостью корреляционных связей установленных зависимостей (значения индексов корреляции находятся в пределах 0,80 - 0,99); удовлетворительной сходимостью расчетных данных с результатами экспериментов (отклонение не превышает 19 %); опытом использования методики проектирования технологического инструмента для водоледяного разрезания ЛНМ. неметаллический водоледяной технологический

Реализация результатов работы.

Результаты исследований, изложенные в диссертации, нашли применение на ЗАО «Радуга» и УПП ВОГ (г. Орел).

Опытные образцы технологического инструмента прошли промышленные испытания и приняты к производству на ООО «Скуратовский опытно-экспериментальный завод» (г.Тула). Ими оснащены стенды для исследования гидроструйных технологий.

Результаты работы в виде рекомендаций и методик расчета, пакет расчетных программ по математическому моделированию процессов формирования водоледяных струй и разрезания материалов, а также все конструктивные решения технологического инструмента и рекомендации по выбору режимов обработки в полном объеме используются на ЗАО «АТЛАНТ» (г. Ясногорск Тульской области) и ООО «Коммунсельхозтехника» (г. Мценск Орловской области) при создании технологий разрезания ЛНМ.

Результаты исследований внедрены в учебные курсы «Технология машиностроения» и «Технология обработки специальных материалов» для студентов ОрелГТУ, обучающихся по направлению и специальности 150900 «Технология, оборудование и автоматизация машиностроительных производств» и 151001 «Технология машиностроения». Пакеты прикладных программ используются при курсовом и дипломном проектировании.

Апробация работы. Результаты исследований и основные материалы диссертационной работы докладывались на: Всерос. Науч.-техн. конф. «Перспективные технологические процессы обработки материалов» в СПбГТУ (г. Санкт-Петербург, 1995 г.), Междунар. молодежном науч.-техн. конгрессе «Молодежь и наука - третье тысячелетие» в МГТУ им. Н.Э. Баумана (г. Москва, 1996 г.), Междунар. науч.-техн. конф. «Молодая наука - новому тысячелетию» в КамПИ (г. Набережные Челны, 1996 г.), междунар. науч.-техн. конф. «Прогресс-98» в ИГТА (г.Иваново, 1998 г.), на I - IV Междунар. науч.-техн. конф. «Фундаментальные и прикладные проблемы технологии машиностроения» в ОрелГТУ (г.Орел, 2000 - 2004 гг.), 3-ей Межд. научн.-техн. конф. «Проблемы повышения качества промышленной продукции» в БГТУ (г. Брянск, 1998 г.), Всеросс. науч.-техн. конф. «Новые материалы и технологии - НМТ-98» в МАТИ (г. Москва, 1998 г.), Всеросс. науч.-техн. конф. «Актуальные проблемы повышения качества машиностроительной продукции» в ВГУ (г. Владимир, 1999 г.), 4-й Междунар. науч.-техн. конф. «Качество машин» в БГТУ (г. Брянск, 2001 г.), Междунар. межвузовской науч.-техн. конф. «Информационные технологии и моделирование» ГГТУ (РБ, г. Гомель, 2003 г.), 3 Междунар. науч.-техн. конф. «Автоматизация и энергосбережение машиностроительного производства, технология и надежность машин, приборов и оборудования» в ВоГТУ (г. Вологда, 2007 г.), 6-й Междунар. науч.-техн. конф. «Проблемы качества машин и их конкурентоспособности» в БГТУ (г. Брянск, 2008 г.), Науч.-техн. конф. «Перспективные направления развития технологии машиностроения и металлообработки» в ДГТУ (г. Ростов-на-Дону, 2008 г.).

Публикации. По теме исследования опубликовано 44 печатные работы, в том числе 8 патентов РФ, 1 монография.

Объем работы. Диссертация состоит из введения, 5 глав и заключения, изложенных на 350 страницах машинописного текста, содержит 62 рисунка, 45 таблиц, список использованной литературы из 276 наименования и 3-х приложений.

Содержание работы

Во введении обоснована актуальность темы, сформулирована цель и определено научное направление исследований, изложены основные результаты, выносимые на защиту.

В первой главе рассмотрено современное состояние проблемы обеспечения эффективности разрезания материалов с применением высокоскоростных струй высокого давления различного состава.

Анализ результатов исследований, выполненных Г.К. Асатуром, Н.А. Артемьевым, Р.П. Афанасьевым, А.А. Барзовым, Г. В. Барсуковым, В.А. Бреннером, В.Е. Бафталовским, Ю.А. Гольдиным, В.С. Гуенко, И.А. Кузьмичем, Г.П. Никоновым, М. Мазуркевичем, В.Г. Мерзляковым, И.В. Петко, Е.Н. Петуховым, В.Н. Подураевым, Ю.А. Пономаревым, А.Е. Пушкаревым, Д.А. Саммерсом, Ю.С. Степановым, Р.А. Тихомировым, Р. Файвелом, М. Хеслингом, М. Хашишем и другими учеными, позволил установить перспективность гидроструйных технологий, основанных на использовании энергии высокоскоростных струй, которые могут осуществлять работу по разрушению практически любого материала самостоятельно или в комбинации с другими воздействиями (например, с механическими). Уже нашли широкое применение технологии резания и обработки поверхности различных материалов водяными струями. Причем для высокотехнологичных отраслей кроме разрезания водяными и гидроабразивными струями характерен поиск новых технологий на основе водоледяных струй.

Известные достоинства водоледяных струй делают их весьма привлекательными для использования в конструкциях машин для резки ЛНМ. При этом из распространенных способов получения водоледяных струй наиболее простым в реализации является способ подачи в струю методом увлечения жидкого азота, при котором получение ледяных частиц происходит в ходе термодинамических процессов при протекании струи по водоледяному инструменту.

Однако практическая реализация водоледяного резания ЛНМ затруднена, поскольку не установлены процессы, сопровождающие формирование таких струй, определяющие их свойства и, в конечном счете, эффективность их применения. Известно, что наряду с параметрами воды и геометрией струеформирующего сопла существенное влияние на процесс формирования водоледяных струй оказывают характеристики льда или хладагента, а также геометрические параметры технологического инструмента. Однако закономерности этого процесса не установлены. Кроме того, не выявлены закономерности процесса резания ЛНМ в зависимости от их прочности, а также гидравлических, геометрических и режимных параметров водоледяного инструмента и не существует конкретных рекомендаций по выбору их рациональных значений. Все это не дает возможности осуществить системный подход к созданию метода проектирования водоледяных резаков.

Комплект оборудования для резания ЛНМ, равно как и для любой другой гидроструйной технологии, состоит из источника высокого давления и коммуникации (трубопровод или гибкие рукава высокого давления), посредством которых осуществляется подача воды от источника высокого давления к технологическому инструменту. Источник высокого давления, при компоновке которого традиционно применяется модульный принцип, включает в себя, помимо модуля водяного насоса низкого давления с системой фильтров, насосный агрегат высокого давления плунжерного типа, или модуль преобразователя давления мультипликаторного типа с приводной насосной станцией. В качестве блока-источника хладагента целесообразно использовать сосуд Дюара, оснащенный системами регулирования и контроля подачи жидкого азота.

Однако, отсутствие научно обоснованных рекомендаций по выбору конструктивного исполнения и характеристик источника высокого давления, согласованного с модулем-источником хладагента, обеспечивающих рациональные параметры техпроцесса и наиболее полно использующих технические возможности оборудования, не позволяют осуществить системный подход к созданию метода расчета оборудования для реализации технологии водоледяной резки ЛНМ.

Для выбора оборудования, инструмента и режимов резания ЛНМ водоледяными струями основные факторы, определяющие и характеризующие процесс можно объединить в четыре группы:

гидравлические - определяющие выходные параметры насосной установки высокого давления и конструкцию технологического инструмента: давление Р₀ (МПа) и расход воды Q₀ (м³/с) перед струеформирующей насадкой, диаметр d₀ (м) струеформирующей насадки, скорость истечения воды из насадки V₀ (м/с);

геометрические параметры инструмента: длина l_кс (м) и диаметр d_kс (м) камеры смешивания, диаметр d_к (м) и длина коллиматора l_к (м);

режимные: скорость v_п (м/с) перемещения (подача) инструмента относительно материала, массовый расход азота Q_N (м³/с) (диаметр дроссельной шайбы системы подачи жидкого азота d_N, м), концентрация частиц льда в водоледяной струе с (%), расстояние l₀ (м) между торцом коллиматора и поверхностью ЛНМ;

свойства материала - твердость по Шору HS_A, толщина пакета h (м), допустимая ширина реза b (м), периметр одного реза по схеме раскроя S (м).

На основе проведенного поиска и анализа полученной информации были сформулированы задачи исследования процесса разрезания ЛНМ водоледяной струей.

Во второй главе представлены результаты теоретических исследований процессов формирования водоледяной струи и контактного взаимодействия водоледяной струи с обрабатываемым материалом. Определена температура резания при раскрое пакета ЛНМ водоледяной струей.

Для математического описания процессов формирования ледяных частиц в водяной струе под действием хладагента целесообразно принять допущения, справедливость которых обоснована в научной литературе, а также требует экспериментальной проверки:

- к моменту входа в коллиматор весь увлеченный в камеру смешивания азот перешел в газообразное состояние;

- вдоль оси коллиматора течет водяная струя радиусом R; ее охватывает поток (однородный по плотности), представляющий собой смесь ледяных частиц с газообразным азотом;

- между струей и потоком смеси действуют силы трения интенсивностью . В результате их действия водоледяной поток ускоряется, а водяная струя тормозится; её радиус R при этом увеличивается.

При этом основными стадиями формирования водоледяной струи являются:

1. Водяная струя под высоким давлением, вырываясь из струеформирующей насадки, создает в камере смешивания область низкого давления, в которую из подводящего канала увлекается жидкий азот.

2. В камере смешивания происходит увлечение азота водяной струёй, его перемешивание с потоком капель и пара, а, также, интенсивный теплообмен, характеризующийся испарением азота и кристаллизацией капель с образованием частиц льда.

3. В коллиматоре происходит разгон смеси воды, азота и ледяных частиц.

Теоретическое описание процесса формирования водоледяной струи как режущего инструмента производится на основе комплекса преобразований и решений следующих математических зависимостей.

Уравнение силового баланса импульса кольцевого слоя, ограниченного образовавшимися льдинками, записывается следующим образом:

(1)

где Q_к - импульс (количество движения) жидкости, заключенной в слое; Р_к - главный вектор внешних сил, действующих на слой; индекс к принимает значения 1, 2, 3 (в общем случае).

,(2)

где q_к - компоненты вектора внешней нагрузки,

S - площадь боковой поверхности слоя, V - объем слоя.

,(3)

где _с- плотность потока смеси, u_к - компоненты вектора скорости смеси. Из выражения (1) и с учетом, что

,(4)

где - компоненты вектора внешней нормали к поверхности слоя, следует (с учетом стационарности движения), что

.(5)

На торцевых поверхностях

= - 1 q₁ = р_и ,(6)

= 1 q₁ = р_и + dр_и .(7)

На внутренней поверхности

= - 1 q₁ = .(8)

Так как все величины зависят только от у, подынтегральные выражения - константы (с точностью до бесконечно малых высших порядков). Получим из (5) следующее выражение:

(9)

или

.(10)

Аналогичное рассмотрение применительно к водяной струе приводит к уравнению:

. (11)

В уравнениях (9), (10) v - скорость водяной струи (усредненная по её сечению), u - скорость смеси азота и ледяных частиц, - плотность воды, р_u - избыточное давление в коллиматоре, _с - плотность смеси воды, азота и ледяных частиц, определяемая по зависимости:

, (12)

где: Q₀ - секундный массовый расход азота; Q_л - объемный расход ледяных частиц в водоледяной струе; Q_v - суммарный объемный расход смеси воды, азота и ледяных частиц в водоледяной струе, связанные соотношениями:

, (13)

где: с₀, с_i, u₀, u_i - соответственно плотности и скорости азота и i-ой ледяной частицы; б, б_i - общая массовая доля и доля i-ых ледяных частиц в потоке; g_i - массовая доля i-ой ледяной частицы в общей массе частиц; F - площадь рассматриваемого сечения потока.

Скорости v, u связаны с радиусом R(y) условиями постоянства расхода воды Q_n и смеси азота и ледяных частиц Q_c:

(14)

(15)

Предполагается, что интенсивность сил трения подчиняется зависимости = (v-u), где - турбулентная вязкость, - определяется выражением = _n / ; здесь _n - динамическая вязкость воды, - толщина пограничного слоя ( = R₀/, где Re - число Рейнольдса), - эмпирический коэффициент.

Решение уравнения (10) получается в виде:

(16)

где , D - константа интегрирования, определяемая условием R = R₀ при y = 0. Уравнение (15) позволяет найти R, v, и u в выходном сечении коллиматора (при y = L_к). Уравнение (9) имеет решение:

(17)

где константа интегрирования Е находится из условия обращения в нуль избыточного давления при y = L_к.

Так как поток в камере тормозится (в направлении, перпендикулярном оси коллиматора), то уравнение баланса импульса записывается в виде:

(18)

где при y = 0.

Уравнение (17) является тем недостающим уравнением, которое позволяет однозначно определить все неизвестные величины, входящие в расчетные формулы.

По известным значениям R, u, v при y = L_к рассчитывается средняя скорость v_вл водоледяной струи:

. (19)

Для учета теплофизических свойств, в частности теплоёмкости контактирующих сред и размеров частиц льда от температуры, целесообразно воспользоваться уравнением сохранения полной энергии системы, записанным в дифференциальной форме:

, (20)

где о_i - степень кристаллизации капель в потоке; С_р - удельная теплоемкость газообразной фазы, С_i - удельная теплоемкость капель, представляемые в виде:

(21)

Для учета изменения текущего размера i-ой частицы (капли) при охлаждении используется соотношение:

, (22)

где W_i - текущее значение объема i-ой частицы (капли); в_Wi(T_i) - коэффициент объемного расширения.

Решение уравнений (20-22) выполняется при следующих начальных условиях: при y=0, u=u₀; u_i=u_io; б= б₀; б_i= б_i0; T=T₀; T_i=T_i0; о_i=0.

В модели также учитывается изменение размеров ледяных частиц.

Теоретическая модель разрушения ЛНМ при разрезании водоледяной струей рассматривается с учетом следующих соображений.

Каждый отдельно рассматриваемый акт взаимодействия частицы льда с разрезаемым материалом подобен предыдущему с некоторым коэффициентом подобия, зависящим от начальных условий взаимодействия. Полная энергия, генерируемая при ударном взаимодействии в замкнутой системе «частица льда - материал», трансформируется в тепловой поток и работу разрушения, причем, особый интерес представляет определение доли энергии, затраченной на нагрев частицы льда, который сопровождается возникновением локальных зон обратного фазового перехода льда и на нагрев материала.

Как правило, ЛНМ обладают низкой способностью к теплопереносу, следовательно, температурой, определяющей механические и теплофизические свойства ЛНМ, будет являться температура контактной поверхности «частица льда - материал».

Уравнение движения частицы льда в преграде запишется в следующем виде:

(23)

где т(t) - текущее значение массы частицы льда с учетом обратного фазового перехода на контактирующей поверхности; V(t) - текущее значение скорости проникания; С_x - коэффициент лобового сопротивления частицы льда; S(h,ц) - текущее значение проекции площади сечения частицы льда с учетом глубины проникания и наличия обратного фазового перехода на элементарной площадке в пределах телесного угла ?ц:

(24)

где h(t), R(t) - функции глубины проникания и текущего радиуса частицы льда с учетом обратного фазового перехода соответственно; Н(...) - функция Хевисайда.

Для рассматриваемой схемы движения частицы льда в материале при наличии фазовых переходов на контактной поверхности, сила трения будет зависеть от наличия жидкой фазы:

. (25)

Гидродинамические параметры водяной струи определяются следующим образом.

Скорость по оси струи:

, м/с (26)

где: l - расстояние от насадки, м; v₀ - скорость на срезе насадки, м/с; d₀ - диаметр насадки, м

Скорость в произвольной точке струи:

, м/с (27)

где: r - расстояние по нормали от оси струи до рассматриваемой точки, м.

Формулы (26)-(27) известны из получивших экспериментальное подтверждение аналитических выкладок Г.Н. Абрамовича. При этом разрезание ЛНМ происходит в результате преодоления прочности материала под действием гидродинамического давления и динамического воздействия скоростного потока частиц льда.

Расчет силы воздействия струи определяется по формуле:

, (28)

где Р₀ - давление на выходе из насадки, МПа; с_m, с - плотность струи и среды, соответственно.

Исходя из известных физических свойств воды для жидкой и твердой фазы и изменяя параметры процесса формирования водоледяной струи выполнены расчеты содержания ледяных частиц в потоке для различных диаметров насадки и давления. При этом предполагалось, что наиболее эффективной, с точки зрения производительности резания, будет водоледяная струя с наибольшим количеством частиц при их максимальной суммарной кинетической энергии (табл. 1).

Таблица 1 - Интервалы изменения параметров процесса формирования водоледяной струи

№ п/п	Наименование параметра	Интервал / шаг
1	Давление воды, МПа	100-150 / 10
2	Диаметр насадки, м	0,0002-0,0004 / 0,00005
3	Температура окружающей среды, оС	20
4	Исходная температура воды, оС	8

Построение функциональных зависимостей содержания ледяных частиц в потоке при задаваемом массовом соотношении азота и воды с последующим их исследованием на экстремум позволило определить момент времени, когда содержание ледяных частиц в струе достигает максимума и получить выражение для его расчета.

(29)

Исходя из (29) рекомендуемая длина коллиматора, учитывая время формирования ледяных частиц в струе, определяется из выражения

. (30)

Аналитическое описание тепловых процессов, проходящих в раскраиваемом пакете ЛНМ, достаточно сложное ввиду неопределенности положения зоны контакта при обработке различных деталей. При определении уравнения теплового баланса необходимо учитывать теплообмен между границами пакета и источником тепла - режущей водоледяной струи, а траектория движения инструмента относительно границ пакета постоянно меняется.

Вещество пакета ЛНМ, находящееся в трехмерной области Q, (x = (x₁, x₂, x₃), ось Ох₃ направлена вертикально вверх, оси Ох₁, Ох₂ расположены в горизонтальной плоскости) имеет плотность (x), теплоемкость c(x) и коэффициент теплопроводности k(x). u(x,t) - температура в точке х€Q в момент времени t. В начальный момент t=t₀ температура известна:

(31)

требуется определить ее при .

- некоторая подобласть Q. В соответствии с законом Ньютона количество тепла, проходящее через границу в область Q за промежуток времени , равно:

, (32)

где n - внешняя нормаль по отношению к .

Так как скорость прохождения водоледяной струёй пакета материала намного больше скорости подачи, то плотность источников тепла f(x,t) в материале можно представить в виде движущегося источника тепла с известной плотностью (11):

(33)

где(y) - дельта - функция;

х_р(t) - вектор положения инструмента в горизонтальной плоскости в процессе раскроя;

С_b - коэффициент теплоотдачи водоледяной струи;

- распределение температуры водоледяной струи по толщине материала в момент резания в заданной точке.

Тогда приращение тепла в области выразим по формуле:

(34)

где Q₁₂ - проекция области Q₁ на плоскость Ох₁х₂ и, следовательно, уравнение теплового баланса в Q₁ имеет вид:

(35)

где V_g(t)- модуль вектора скорости движущегося источника тепла при раскрое.

Учитывая, что , и пользуясь формулой Остроградского, получим:

=(36)

В силу произвольности выбора области и интервала последнее равенство эквивалентно дифференциальному уравнению:

(37)

В случае, когда функции c(x),(x),k(x) постоянны, уравнение (37) имеет вид:

(38)

где u(x,t) - температура материала в момент времени t в процессе раскроя в точке х;

с - теплоемкость водоледяной струи;

(х₁, х₂) - функция строения обрабатываемого материала (учитывает специфику строения, особенно композиционных и дублированных материалов);

с - теплоемкость обрабатываемого материала;

- плотность материала;

k - коэффициент теплопроводности материала.

Уравнение (38) целесообразно решать численным методом, составив разностную аппроксимацию.

Согласно многокомпонентному методу расщепления задач получим систему уравнений:

(39)

Уравнения системы (39) решаются методом факторизации. Первое уравнение системы (39):

(40)

Введем обозначения:

.

Тогда первое уравнение системы (39) запишется в виде:

(41)

Таким образом рассчитывается первое уравнение системы (39). Для граничных условий без раскроя расчет производится по формулам:

(42)

(43)

(44)

Решая систему (42 - 44) методом факторизации, получим:

;. (45)

Также как и в случае решения первого уравнения системы (39), для второго уравнения этой системы получаем две системы линейных уравнений, характеризующих тепловой процесс снизу и сверху от разреза.

Введем обозначения .

Тогда разностная аппроксимация второго уравнения системы (39) имеет вид:

(46)

При решении третьего уравнения системы (39) необходимо решить лишь одну систему уравнений.

Введем обозначения:

Тогда разностная аппроксимация третьего уравнения системы (39) определяет линейную систему уравнений:

(47)

(48)

(49)

Решая систему (46 - 48) методом факторизации, получим:

(50)

Из уравнения (48) получим:

(51)

Подставляя формулу (51) в (49), получим:

(52)

Из формулы (50) получим:

(53)

Уравнения (51, 52) при осуществляют прямой ход метода факторизации. Дальнейший расчет величин осуществляется согласно формулам (50) с учетом (53) для , при этом осуществляется обратный ход метода факторизации.

Решая третье уравнение системы (39) при различных k, m получим сеточную функцию , характеризующую распределение температуры в пакете ЛНМ в следующий момент времени . В начальный момент времени функция известна из начальных условий.

В последующие моменты времени распределение температуры в пакете определяется при последовательном решении системы (39) для различных моментов времени .

Рассмотренная вычислительная схема имеет первый порядок точности по величине и второй порядок точности по величине и абсолютно устойчива.

На основе представленного моделирования процесса формирования водоледяной струи, описания термодинамических процессов и разрезания материалов разработано программное обеспечение.

В третьей главе представлена методика и техника экспериментальных исследований процесса водоледяного разрезания ЛНМ.

Для проведения исследований по изучению влияния основных действующих факторов на показатели процесса водоледяного резания ЛНМ использовалась специальная установка, основными элементами которой являлись источник воды высокого давления, система подачи жидкого азота и технологический инструмент, конструкция которого позволяла изменять геометрические параметры в широком диапазоне.

Для замеров параметров эксперимента использовался измерительный комплекс, включающий в себя следующие элементы:

- для регистрации уровня давления воды высокого давления - стрелочный манометр прямого действия первого класса точности и тензоманометр с измерительной станцией на базе ПЭВМ;

- для регистрации скорости перемещения образцов ЛНМ относительно водоледяного инструмента - датчики линейных перемещений, встроенные в стол-податчик;

- для регистрации температуры исходной воды - ртутный термометр, установленный во всасывающей магистрали;

- для регистрации температуры воды после прорезания ЛНМ - ртутный термометр, установленный в приемной емкости стола-податчика.

- для регистрации температуры азота - измеритель криогенных температур СТМ-0125, предназначенный для измерения температур в диапазоне 2 - 400 K.

Эксперименты проводились на образцах различных материалов (таб. 2).

Таблица 2 - Образцы материалов, принятые к исследованиям

№ п/п	Материал	Твердость по Шору НSА
1	Резина МБС ГОСТ 7338-90	24
2	ПВХ листовой ППВ ГОСТ 18108-80	32
3	ПВХ листовой ППВ ГОСТ 18108-80	42
4	Резина МБС ГОСТ 7338-90	56
5	ПВХ ячеистой структуры ТУ 5772-001-18757376-99	67
6	ПММА ГОСТ 10667-74	78
7	ПММА ГОСТ 10667-74	83

В четвертой главе представлены экспериментальные исследования влияния параметров процесса на эффективность водоледяного резания ЛНМ. В ходе предварительных экспериментов были установлены геометрические параметры технологического инструмента (рис. 1), обеспечивающие наибольшую эффективность резания (глубину реза). Исследование параметров эксперимента методом множественной регрессии позволило получить выражение для расчета длины камеры смешивания:

l_кс=e^1,35Ч d_о^0,97/d_kс^0,7(54)

В дальнейшем использовался технологический инструмент в трех исполнениях (табл. 3).

Таблица 3 - Исполнения технологического инструмента

dо, м	lкс, м	dkс, м
0,00020	0,020	0,015
0,00025	0,025	0,015
0,00030	0,030	0,015

Рис.1. Технологический инструмент: 1 - корпус; 2 - струеформирующая насадка; 3 - штуцер; 4 - трубопровод; 5 - закладная втулка коллиматора; 6 -камера смешивания; 7 - дроссельная шайба системы подвода жидкого азота.

Кроме того, было выявлено, что водоледяная струя имеет промежуточную структуру между гидроабразивной струей и струей чистой воды (рис. 2). Установлено, что водяная струя имеет активный участок по оси струи; гидроабразивная струя представляет собой поток разогнанных абразивных частиц, равномерно распределенных по сечению струи, тогда как водоледяная струя имеет и активный участок по оси и разогнанные ледяные частицы по периферии.

На основании анализа полученных экспериментальных данных можно утверждать, что для данной конструкции водоледяного инструмента существует рациональное соотношение диаметров отверстий коллиматора и струеформирующей насадки d_к/d_о 5, а, также, рациональное соотношение длины камеры смешивания и диаметра отверстия струеформирующей насадки l_кс/d_о 100 с точки зрения получения максимальной глубины реза.

а) б) в)

Рис. 2. Следы от: а) высокоскоростной струи воды; б) водоледяной струи; в) гидроабразивной струи

Экспериментальные исследования насыщения высокоскоростной водяной струи жидким азотом позволили установить, что:

- для одного диаметра струеформирующей насадки при неизменной конфигурации проточной части технологического инструмента соотношение расходов высоконапорной воды и жидкого азота в истекающей высокоскоростной струе постоянно и не зависит от давления воды, что позволяет задавать его лишь соответствующим, рассчитанным по эмпирической формуле диаметром дроссельной шайбы;

- существует рациональное, с точки зрения показателей эффективности резания, соотношение расходов.

Исследования влияния насыщения высокоскоростной водяной струи жидким азотом на эффективность водоледяного резания показали, что максимальная глубина реза достигается при вполне определенном значении концентрации с (%) увлекаемого жидкого азота, которое не зависит от твердости разрезаемого материала при всех давлениях воды для данного водоледяного инструмента и составляет примерно 25 %.

Результаты проведенных экспериментов приведены в табл. 4, на основании которых получена расчетная формула для определения диаметра дроссельной шайбы системы подачи жидкого азота d_N :

. (55)

Экспериментальные исследования по изучению влияния давления воды Р_о и диаметра насадки на глубину реза проводились на образцах резины МБС гост 7338-90.

В ходе экспериментов устанавливалось влияние давления воды Р_о на глубину реза h при диаметрах отверстия струеформирующей насадки d_о= 0,00020; 0,00025 и 0,00030 м. Давление воды Р_о в опытах изменялось в пределах от 25 до 150 МПа.

Таблица 4 - Результаты исследований влияния концентрации увлекаемого водяной струей жидкого азота на эффективность разрезания ЛНМ

Р, МПа	50	100	150
d0, м	dN, м	QN, л/с	Q0, л/с	с, %	QN, л/с	Q0, л/с	с, %	QN, л/с	Q0, л/с	с, %
0,00020	0,001	0,0006		8,23	0,0011		9,10	0,00136		8,24
	0,002	0,0014	0,007443	14,71	0,00203	0,01052	13,23	0,00294	0,012897	13,89
	0,003	0,0029		18,24	0,00403		16,81	0,0066		20,80
0,00025	0,001	0,00096		11,99	0,0014		12,01	0,0018		11,02
	0,002	0,002	0,01163	17,45	0,00284	0,01645	17,26	0,0042	0,020152	16,98
	0,003	0,00423		25,25	0,006		25,82	0,0083		22,91
0,00030	0,001	0,00106		17,41	0,0018		17,85	0,0027		16,16
	0,002	0,00222	0,016748	24,09	0,0034	0,02368	25,36	0,0046	0,029018	23,84
	0,003	0,0047		36,55	0,0069		35,24	0,00932		32,11

Анализ представленных данных показывает, что глубина реза вначале возрастает с увеличением давления воды, а затем стабилизируется на определенной величине. Дальнейшее повышение давления воды к существенному росту глубины реза не приводит. Таким образом, на определенной глубине реза, постоянной для данного диаметра насадки, в струе происходит таяние всех ледяных гранул, что приводит к снижению режущей способности струи и стабилизации глубины реза (рис. 3).

Экспериментальные исследования по изучению влияния скорости перемещения инструмента V_п на глубину реза h проводились при диаметрах насадки d_о= 0,00020; 0,00025 и 0,00030 м и давлении воды Р_о = 100 МПа; расстоянии от среза коллиматора до образца материала l₀ = 0,0040 м; отношении диаметров коллиматора и насадки d_к/d_о = 5.

Анализ полученных результатов показал, что глубина реза уменьшается с ростом скорости перемещения инструмента по зависимости близкой к гиперболической (рис. 4).

Подобное явление можно объяснить тем, что при уменьшении подачи технологического инструмента время воздействия водоледяной струи на единицу площади поверхности ЛНМ становится больше, и как следствие, увеличивается глубина проникновения струи.

В качестве обобщающего показателя эффективности резания использовался показатель энергоёмкости резания, определяемый как отношение гидравлической мощности, затраченной на рез в единицу времени, к величине приращения площади боковой поверхности реза. Графики зависимости скорости приращения боковой поверхности реза от скорости перемещения инструмента для различных значений диаметра отверстия насадки представлены на рис. 5.

Анализ полученных данных показал, что энергоемкость процесса разрезания ЛНМ с увеличением скорости перемещения инструмента вначале уменьшается, достигает своего минимума, а, затем, увеличивается, т. е. изменяется по зависимости, близкой к параболической.

Наличие точки минимальной энергоемкости процесса резания ЛНМ (максимальной скорости приращения боковой поверхности реза) соответствует рациональной скорости перемещения инструмента для данного диаметра струеформирующей насадки.

С целью получения значений рациональной скорости перемещения инструмента для данных условий и соответствующих им максимальных скоростей приращения боковой поверхности реза были построены аппроксимирующие зависимости, которые исследовались на экстремум.

Рис. 3. График зависимости глубины реза h (м) от величины давления воды Р₀ (МПа) для различных значений диаметра отверстия насадки (м): 1 - для = 0,0020 м; 2 - для = 0,0025 м; 3 - для = 0,0030 м

Рис. 4. График зависимости глубины реза h (м) от скорости перемещения инструмента V_п, (м/с) для различных показателей твердости по Шору НS_А: 1 - для НS_А = 24; 2 - для НS_А = 32; 3 - для НS_А = 42;4 - для НS_А = 56; 5 - для НS_А = 67; 6 - для НS_А = 78; 7 - для НS_А = 83

В результате обработки экспериментальных данных была получена формула для расчета рациональной подачи технологического инструмента с принятым диаметром струеформирующей насадки:

.(56)

Зависимость между прорезаемой глубиной h и параметрами резания ЛНМ можно представить в виде . Для получения обобщающих количественных зависимостей использован графоаналитический метод, который позволил обобщить объем экспериментальных данных с учетом внутренних качественных и количественных связей между параметрами зависимости.

В табл. 5. указаны диапазоны изменения основных факторов процесса резания ЛНМ.

Таблица 5 - Диапазоны изменения основных факторов процесса резания ЛНМ

Основные факторы	Диапазон изменения
Давление воды - Р0, МПа	25 - 150
Диаметр струеформирующей насадки - , м	0,002 - 0,003
Скорость перемещения инструмента - Vп, м/с	0,005 - 0,02
Показатель твердости образцов резины МБС по Шору НSА	32-78

Часть критериев в процессе экспериментальных исследований не менялись. К числу неизменяемых факторов относятся следующие: l₀, d_к/d_о.

С учетом постоянства данных факторов, выражение для h будет иметь следующий вид: .

Обработка массива экспериментальных данных методом множественной регрессии позволила получить обобщенную формулу для расчета глубины реза:

(57)

Рис. 5. График зависимости скорости приращения боковой поверхности реза F₀ (м²/с) от скорости перемещения инструмента V_п (м/с) для различных показателей твердости по Шору НS_А: 1 - для НS_А = 24; 2 - для НS_А = 32; 3 - для НS_А = 42;4 - для НS_А = 56; 5 - для НS_А = 67; 6 - для НS_А = 78; 7 - для НS_А = 83

Индекс корреляции для данного выражения составил R = 0,97, критерий Фишера F = 221,5. Критическое значение критерия Фишера для зависимости (57) при 5% уровне значимости составляет F_0,05= 3,96.

Экспериментальные исследования по изучению влияния давления воды Р_о на шероховатость поверхностей R_а реза проводились на образцах пластиков ПВХ и ПММА с показателем твердости по Шору НS_А 67, 78 и 83 при диаметрах отверстия струеформирующей насадки d _о= 0,00020; 0,00025 и 0,00030 м. Давление воды Р_о в опытах изменялось в пределах от 25 до 150 МПа.