Пристрій для адаптивного гідрорізання листових композитних матеріалів

Пристрій для адаптивного гідрорізання листових композитних матеріалів

Автор:

О.Ф.Саленко, д-р.техн.наук, проф.;

В.Б.Струтинський, д-р.техн.наук, проф.

Стрімкий розвиток науково-технічного прогресу, що спостерігається останнім часом, обумовив різке збільшення обсягів промислового використання неметалевих композитів, а відтоді - і розвиток нового наукового напряму, що охоплює питання розроблення методів обробки композитів, необхідного інструментального забезпечення. Серед зазначених методів провідне місце займають струминні технології, сутність яких полягає у виконанні керованого руйнування заготовки в малому обсязі за допомогою тонкої рідинної струмини, яка витікає з соплової насадки з надзвуковою швидкістю.

Проведений літературний та патентний аналіз, а також аналіз використання діючого гідроструминного обладнання довів, що мінімізація товщини деструктивного шару та досягнення високої якості отриманих при різанні листових композитів поверхонь поділу вимагає використання високоточних профільованих сопел з діаметрами отвору 0.06-0.1 мм та створення тиску рідини понад 350 МПа. Обробка виконується при швидкості подачі, заниженій у 1.5-2.5 разу проти можливої (при якій відбувається повне перерізання перетину заготовки), а для підвищення ефективності у швидкоплинну струмину вводять розчинні полімери, дрібнодисперсний абразив, що значно здорожує обробку та робить її низькоефективною.

Детальне та всебічне дослідження механіки струминного руйнування композитів дозволило знайти інший шлях подолання зазначених недоліків методу.

У відповідності до теоретичних положеннь, сформульованих у роботах [1], [2], маємо, що поверхня поділу в зоні гідрорізання має певні геометричні характеристики, які однозначно характеризують очікувану якість розрізу, а саме: товщину деструктивного шару, рівень шорсткості та хвилястості поверхні, розшарування заготовки. Оскільки основною причиною відокремлення мікрочастинок при натіканні струмини є зародження, розвиток та зростання мікротріщин на існуючих дефектах армувальних волокон, у наповнювачі, а також на межі адгезійного зчеплення компонентів композиту, то кінцеву якість утвореної поверхні поділу слід пов'язувати саме з цим явищем. Можна вважати, що в перетині напрямку робочої подачі поверхня поділу являє собою площину П, яка складається з окремих елементів, на яких, власне, і відбувається тріщиноутворення з відокремленням частинок шламу. Така гіпотетична площина П нахилена під кутом відносно осі струмини (рис.1, фото гідроруйнування оптично прозорого матеріалу), причому існує зв'язок кута нахилу з фізико-механічними властивостями оброблюваної заготовки та режимами ведення обробки:

, .(1)

У формулах: r - радіус струмини; h - товщина стінки виробу; v_z, v₀ - швидкість проникнення струмини у компоненти (шари) матеріалу; p - тиск технологічної рідини; Т=T_m - міцність наповнювача; v_c - швидкість витікання струмини, а Т=Т'_m - міцність армувальних включень (для v_0, v_z відповідно). Слід зауважити, що максимальний кут нахилу визначається товщиною заготовки та діаметром струмини,. Чим більший кут нахилу, тим гірша якість обробки, однак більш повно витрачається підведена у зону різання енергія. Навпаки, зменшення кута призводить до того, що основну руйнівну роботу виконує периферія струмини, продуктивність обробки зменшується, однак якість отриманих поверхонь розділу зростає.

Аналіз рівнянь (1) показує, що необхідного значення кута нахилу можна досягти, змінюючи швидкість робочої подачі s та швидкість витікання струмини v_c. Так, якщо оброблюваний матеріал являє собою багатошарову структуру з твердим армувальним шаром та менш міцним шаром наповнювача, швидкість подачі необхідно зменшити до рівня

(2)

де s - подача, розрахована для випадку різання однорідного матеріалу з межею міцності, що дорівнює межі міцності композиції в цілому; х - параметр структури оброблюваного матеріалу.

Сформульовані положення дозволяють сформулювати принципи керування процесом, головним із яких є принцип одночасного досягнення максимальної продуктивності різання та заданої якості обробки на основі моніторингу геометричних параметрів зони різання шляхом контролю напрямку збігу потоку відпрацьованої рідини. При цьому можна виходити з припущення, що кут стікання відпрацьованої рідини практично повністю збігається з кутом нахилу елементів поверхні розділу на фронті гідроруйнування (або, іншими словами, з кутом нахилу гіпотетичної площини П). Це дає змогу встановлювати максимальну робочу подачу при номінальному тиску технологічної рідини (від якої залежить швидкість витікання струмини та його кінетична енергія), а залежно від того, наскільки бажане значення кута відрізняється від потрібного, зменшувати подачу чи на тривалий час підвищувати тиск, досягаючи повернення контрольованого параметра у встановлені межі.

Викладений принцип реалізовано шляхом створення адаптивної системи, в якій відбувається плинне керування параметрами, що визначають орієнтацію елементарних площинок поверхні розділу за перетином оброблюваного тіла - швидкістю подачі s та тиском технологічної рідини р за рахунок контролю кута збігу відпрацьованої рідини. При цьому відмінною рисою такої системи є одночасне взаємопов'язане керування параметрами, що здійснюється в режимі відпрацювання on-line. Принципову схему слідкуючої системи керування процесом гідрорізання подано на рис.2. Слідкуюча система має два замкнутих контури: контур керування швидкістю робочої подачі К₁ з автономним задавачем початкової швидкості; контур керування миттєвим рівнем тиску технологічної рідини К₂ з силовим елементом та пропорційним керуванням. Тож у пропонованій системі використання контуру К₁ забезпечує стабілізацію кута нахилу площинки гідроруйнування у певних межах за рахунок забезпечення відповідної швидкості подачі s, а контур К₂ - за рахунок керованої зміни тиску рідини р. Вхідною координатою даної слідкуючої системи є кут нахилу площинки, який залежить від умов гідрорізання, а також властивостей та структури оброблюваного матеріалу.

Рисунок 2 - Принципова схема слідкуючої систем і керування гідрорізанням

Контур К₁ складається з приводного керованого двигуна М (рис.2), механічної ланки, що передає рух робочому столу 1, на якому закріплено оброблювану заготовку 2. Зворотний зв'язок ЗЗ₁ за положенням площинки гідроруйнування забезпечується за допомогою датчика положення евакуйованого потоку рідини індуктивного типу 3, сигнал з якого надходить на підсумовуючий елемент Е₁. Контур К₂ містить блок живлення високого тиску Р₁ з постійною нерегульованою витратою та постійним тиском р=const, а також додаткове джерело Р_к з пропорційним керуванням, яке забезпечується зворотним зв'язком ЗЗ₂ від того ж датчика положення. Керуючий вплив від датчика подається на додаткове джерело живлення Р_к через підсумовуючий елемент Е₂.

Цільова функція керування набуває вигляду _кр min, визначеного на основі експериментальних досліджень процесу гідрорізання еталонних зразків різних матеріалів. Враховано, що кут нахилу площинки гідроруйнування прямо пропорційний межі міцності оброблюваного матеріалу, швидкості подачі та зворотно пропорційний тиску технологічної рідини:

.(3)

Зворотний зв'язок у розглянутих контурах забезпечується пропорційною або диференційною інерційною ланками з пошуковою характеристикою. Подання процесу гідроруйнування у вигляді аперіодичної ланки (відповідно до [3]) дозволяє для математичного опису збурювального впливу використовувати детерміновані функції кількох типів.

За вихідну координату брали орієнтацію потоку відпрацьованої рідини, яку фіксували спеціальним пристроєм, оснащеним індуктивним датчиком положення потоку виходу відпрацьованої рідини. Пристрій складається з індуктивного двообмоткового трансформатора з розімкнутим магнітопроводом, обмотки якого під'єднано до ланки попереднього підсилення. Сигнал з цієї ланки надходить до змішувача, з'єднаного з генератором високої частоти, і далі до вузькосмугового фільтра, який виділяє частоту 16 кГц, на якій і відбувається аналіз амплітуди, що залежить від положення потоку виходу відпрацьованої рідини. Отриманий сигнал через підсилювальну ланку надходить до фіксуючого пристрою - осцилографа або порту комп'ютера. Рідина, протікаючи через щілину трансформатора, змінює його індуктивність та порушує умови резонансної роботи змішувача, викликаючи тим самим зміну амплітуди вихідного сигналу фіксованої частоти. Регулюванням приладу встановлювали резонанс при азимутальному положенні струмини (вертикальна вісь). Вимірювання кута здійснювалися до граничної межі 0-0_і, яку лімітувала геометрія робочої щілини трансформатора.

Найбільш ефективне забезпечення заданого положення елементів поверхні поділу досягається одночасним залученням двох слідкуючих контурів - керування подачею та тиском технологічної рідини (рис.2, лівий верхній кут). Для передування явищу несталої роботи прийнято двозонне керування процесом гідрорізання, яке дозволяє лінеаризувати закони керування процесом. У першій зоні лінійно зменшується швидкість подачі s та пропорційно збільшується тиск рідини р. Якщо цих прийомів недостатньо, після досягнення критичної швидкості s_p/C_p в дію залучається ланка гасіння тиску до значення C_2pp_b при одночасному продовженні зниження робочої подачі до s_р=0. Далі тиск підвищується, а подача припиняється. Цим досягається бажане положення потоку евакуйованої рідини, більш міцний елемент оброблюваної заготовки сприймає інтенсивніше навантаження і руйнується без збільшення товщини деструктивного шару (оскільки умови гідроруйнування наближаються до оптимальних), а система знову набуває швидкості подачі s_р та тиску р_b.

Розроблену систему доведено до рівня дослідно-промислового зразка та виконано його випробування. У результаті встановлено, що струминне різання листових матеріалів розробленою системою дозволяє отримати значне покращання якості торця (рис. 3), уникнути суттєвого розшарування та знизити водомісткість поверхневого шару більш ніж утричі. При цьому коефіцієнт використання підведеної потужності, який визначається відношенням корисної потужності до підведеної, зріс у середньому на 18%.

Список літератури

1. Саленко О.Ф., Приходько В.І. Адаптивна система для регулювання процесу гідрорізання. // Резание и инструмент в технологических системах- Харьков, НТУ “ХПИ”.- 2001. - № 60. - С. 205-212.

2. Саленко О.Ф. Високоефективне гідрорізання неметалевих ортотропних оболонок. Высокие технологии: Развитие и кадровое обеспечение. - Харьков, НТУ “КПИ”, 2001. - С. 189-192.

3. Башарин А.В., Постников Ю.В. Примеры расчета автоматизированного электропривода на ЭВМ: Уч. Пособие для вузов. - 3-е издание. - Л.: Энергоатомиздат.- 1990. - 512 с.