Повышение эффективности разрезания листовых неметаллических материалов водоледяными струями высокого давления

Эксперименты проводились при следующих параметрах: скорость перемещения образца разрезаемого материала относительно водоледяного инструмента V_п = 0,005 м/с, расстояние от среза коллиматора до образца материала l₀ = 0,0040 м, отношение диаметров коллиматора и насадки d_к/d_о = 5 и диаметр дроссельной шайбы трубопровода подачи жидкого азота d_N = 0,0020 м.

В результате анализа экспериментальных данных установлено, что с увеличением давления истечения струи параметр шероховатости уменьшается и достигает при обработке: ПВХ - R_а= 0,8 мкм; ПММА (НS_А = 78) - R_а=0,9 мкм; ПММА (НS_А = 83) - R_а = 1,25 мкм. Это объясняется тем, что при повышении давления увеличивается скорость струи, и частицы льда получают большую кинетическую энергию, что позволяет снимать мелкие микронеровности.

Следует отметить, что увеличение диаметра струеформирующей насадки также приводит к уменьшению шероховатости поверхности реза. Так, снижение R_а для ПВХ происходит в среднем на 40%; ПММА (НS_А = 78) - на 39%; ПММА (НS_А = 83) - на 22%. Это объясняется тем, что при увеличении диаметра струи увеличивается время взаимодействия инструмента (струи) с обрабатываемой поверхностью.

Экспериментальные исследования по изучению влияния давления воды Р_о на ширину реза проводились на образцах пластиков ПВХ и ПММА с показателем твердости по Шору НS_А 67, 78 и 83.

В ходе экспериментов устанавливалось влияние давления воды Р_о на ширину реза b 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.

Эксперименты проводились при следующих параметрах: скорость перемещения образца разрезаемого материала относительно водоледяного инструмента V_п = 0,005 м/с, расстояние от среза коллиматора до образца материала l₀ = 0,0040 м, отношение диаметров коллиматора и насадки d_к/d_о = 5 и диаметр дроссельной шайбы трубопровода подачи жидкого азота d_N = 0,0020 м.

Результаты этих экспериментов приведены в табл. 6.

Таблица 6 - Влияние давления воды Р_о на ширину реза b

Обработка данных, представленных в табл. 6, позволила получить расчетную формулу для определения ширины реза в зависимости от давления воды и диаметра струеформирующей насадки водоледяного инструмента при разрезании ЛНМ с различными физико-механическими свойствами

.(58)

Для определения и обоснования необходимого объема емкости для жидкого азота (сосуда Дюара), агрегатируемого с технологическим инструментом, при реализации технологии водоледяной резки ЛНМ была выбрана максимально возможная область изменения параметров процесса:

- толщина разрезаемого материала от 0,01 до 0,05 м;

- твердость разрезаемого материала по Шору НS_А от 20 до 80;

- давление высоконапорной воды от 50 до 150 МПа;

- периметр одного реза от 1 до 26 м.

Расчеты, выполненные с использованием полученных формул, показали следующее:

- диапазон изменения необходимого объема жидкого азота, т.е. объема сосуда Дюара, располагающегося в непосредственной близости от технологического инструмента, для всего массива экспериментальных данных был в пределах от 0,1 до 15 литров;

- наибольшее влияние на определение необходимого объема жидкого азота оказывает периметр реза;

- при проектировании оборудования для водоледяной резки ЛНМ в проект целесообразно закладывать объем технологического сосуда для жидкого азота, согласованный с предполагаемым наиболее часто применяемым периметром резания;

- при проектировании универсального оборудования для водоледяной резки целесообразно закладывать максимальный объем технологического сосуда для жидкого азота в виду его конструктивной простоты и относительной дешевизны, который обеспечивал бы удобство обслуживания оборудования (в случае компоновки оборудования с размещением сосуда на подвижном кронштейне, например, при использовании покупного координатного стола, лимитирующим фактором будет являться масса сосуда с жидким азотом, воспринимаемая подвижными элементами оборудования).

Сравнение значений глубины реза, рассчитанными по формуле (57) со значениями, полученными экспериментально, показало, что эта формула может быть использована для расчетов эффективности разрезания при проектировании техпроцессов раскроя различных материалов водоледяными струями высокого давления.

В пятой главе представлена методика расчета технологических параметров резания, определения геометрических характеристик технологического инструмента и выбора насосного оборудования для резки ЛНМ водоледяными струями. С помощью методики определяются геометрические характеристики технологического инструмента, рациональная скорость перемещения водоледяной струи и необходимый объем жидкого азота для раскроя ЛНМ с известными физико-механическими свойствами, а, также, осуществляется обоснованный выбор выходных характеристик насосного оборудования.

При проектировании технологических процессов раскроя пакетов ЛНМ определяется последовательность раскроя деталей, чертежи которых и вид автоматизированной раскладки лекал на ЭВМ известен.

Поставленную задачу по определению кратчайшего пути инструмента решается с помощью метода ветвей и границ теории графов. Данный расчет удобно проводить по разработанным программам на ЭВМ.

Кроме того, при разработке технологического процесса раскроя пакетов ЛНМ предусмотрено решение следующих задач:

- разработка программы на ЭВМ для определения оптимальной траектории движения сопловой головки;

- назначение режимов резания:

- давления струи, МПа;

- расстояния от среза коллиматора до материала, м;

- величины рабочей подачи, м/с;

- параметры технологического инструмента (значения рабочего диаметра струеформирующей насадки, камеры смешивания, коллиматора и дроссельной шайбы системы подвода жидкого азота), м;

- определение необходимого объема жидкого азота для осуществления цикла реза исходя из его длительности и расхода жидкого азота;

- разработка управляющей программы для осуществления процесса раскроя с учетом прерывания резания в момент завершения операции раскроя каждой детали;

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

Опытные образцы системы подачи жидкого азота и технологического инструмента для разрезания водоледяными струями прошли промышленные испытания и приняты к производству на ООО «Скуратовский опытно-экспериментальный завод» (г. Тула) и на ООО «Коммунсельхозтехника» (г. Мценск Орловской обл.). Результаты исследований в виде рекомендаций и методик расчета используются ЗАО «АТЛАНТ» (г. Ясногорск Тульской области) при разработке технологических процессов раскроя ЛНМ.

Заключение и основные выводы по работе

В представленной работе изложены научно обоснованные технические и технологические решения проблемы разрезания листовых неметаллических материалов водоледяными струями высокого давления, внедрение которых вносит значительный вклад в развитие экономики и хозяйства страны.

Основные выводы, научные и практические результаты работы сводятся к следующему.

1. Проведены классификация и анализ современных технологий гидрорезания конструкционных материалов, на основе которых делается вывод о целесообразности применения новой высокоэффективной, ресурсосберегающей, экологически чистой технологии разрезания ЛНМ водоледяными струями высокого давления.

2. Разработаны основы теории формирования трехфазной водоледяной струи, что позволило выявить условия её образования с показателями, обеспечивающими максимальную производительность разрезания при заданных параметрах точности и качества раскроя ЛНМ.

3. Разработана теоретическая модель разрушения ЛНМ водоледяными струями высокого давления, позволяющая дать научно обоснованные рекомендации по выбору гидравлических, геометрических и режимных параметров технологического инструмента и процесса.

4. Установлен общий аналитический подход к расчету температурного режима разрезания, позволяющий в любой момент времени обработки определять температурный градиент в плоскости раскроя и по глубине пакетов ЛНМ.

5. Установлены закономерности влияния гидравлических, режимных и геометрических параметров технологического инструмента на производительность разрезания водоледяной струей ЛНМ, позволяющие оптимизировать режимы обработки при обеспечении требуемых параметров точности и качества раскроя.

6. Установлено, 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; при этом существует рациональное, с точки зрения показателей эффективности разрезания, соотношение расходов.

7. Применение водоледяной струи как режущего инструмента позволяет снизить рабочее давление струи в 2,6 раз, а энергоемкость разрезания ЛНМ - на 50%, что обеспечивает рост ресурса гидрорежущего оборудования.

8. Предложена методика расчета основных характеристик оборудования для водоледяного разрезания ЛНМ, позволяющая разработать принципы его компоновки.

9. На основе моделирования процессов формирования и разрезания водоледяной струей разработаны и внедрены новые технологические процессы раскроя листовых и рулонированных неметаллических материалов различного состава на ООО «Скуратовский опытно-экспериментальный завод» (г. Тула), ЗАО «АТЛАНТ» (г. Ясногорск Тульской обл.) и ООО «Коммунсельхозтехника» (г. Мценск Орловской обл.). Общий экономический эффект составил 900000 рублей.

Основное содержание диссертации изложено в следующих публикациях

Монография:

1. Степанов, Ю.С. Прогрессивные технологии гидроструйного резания материалов [Текст] / Ю.С. Степанов, М.А. Бурнашов, К.А. Головин // Тула: Изд-во ТулГУ, 2009.- 318 с.

Публикации в научных изданиях, рекомендованных ВАК РФ:

2. Степанов, Ю.С. Технология раскроя сверхзвуковой струей жидкости технических текстильных материалов и композиций на их основе, применяемых в транспортном машиностроении [Текст] / Ю.С. Степанов, А.П. Черепенько, М.А. Бурнашов // Справочник. Инженерный журнал. - 1999.- №1.- С. 3 - 6.

3. Степанов, Ю.С. Повышение эффективности резания листовых и рулонных материалов за счет применения водоледяного инструмента [Текст] / Ю.С. Степанов, М.А. Бурнашов // Известия ОрелГТУ. Серия: «Фундаментальные и прикладные проблемы техники и технологии» - 2008. -№2-2. - С.49-53.

4. Бурнашов, М.А. Разработка технологии и оборудования для раскроя листовых и рулонных материалов водоледяными струями [Текст] / М.А. Бурнашов, О.А. Кучерова // Известия ОрелГТУ. Серия: «Фундаментальные и прикладные проблемы техники и технологии» - 2008. -№2-4. - С.32-37.

5. Бурнашов, М.А. Теоретическое обоснование повышения эффективности раскроя настилов материалов водоледяными струями высокого давления [Текст] / М.А. Бурнашов, А.А. Горский // Известия ОрелГТУ. Серия: «Фундаментальные и прикладные проблемы техники и технологии» - 2008. -№3-3. - С.59-63.

6. Степанов, Ю.С. Определение разрушающей способности водоледяной струи при раскрое настилов листовых и рулонных материалов [Текст] / Ю.С. Степанов, М.А. Бурнашов // Известия ОрелГТУ. Серия: «Фундаментальные и прикладные проблемы техники и технологии» - 2008. -№3-3. - С.78-83.

7. Бурнашов, М.А. Определение силы резания при раскрое настилов материалов водоледяной струей высокого давления [Текст] / М.А. Бурнашов // Вестник БГТУ. - 2008. - №4. - С.17-20.

8. Бурнашов, М.А. Оценка экономической эффективности технологии разрезания геоматериалов водоледяными струями [Текст] / М.А. Бурнашов // Известия ТулГУ, серия «Естественные науки. Науки о Земле». - 2009. - №1. - С.201-204.

9. Бурнашов, М.А. Способ раскроя настилов рулонированных материалов высоконапорной водоледяной струей [Текст] / М.А. Бурнашов // Известия МГТУ «МАМИ». - 2009. - №1-7. - С.36-40.

10. Бурнашов, М.А. Пути снижения энергоемкости гидрорезания листовых и рулонированных неметаллических материалов [Текст] / М.А. Бурнашов, М.А. Степанищев // Известия МГТУ «МАМИ». - 2009. - №1-7. - С.47-51.