Наукові основи високоефективного гідрорізання тонкостінних виробів з неметалевих композитів

, (7)

де h - відстань від зрізу сопла до оброблюваної поверхні; g - кут нахилу струменя; j - кут розходження (факел) струменя; h1 h2 - товщини плівки та шару стічного потоку рідини відповідно; m - в'язкість консистентної плівки; b - кут обходу контуру фронту очищення відносно напрямку руху струменя.

Дослідженнями встановлено, що процеси струминного видалення високоеластичних плівок та консистентних сполук нетривалі і при нерухомому струмені збільшення радіусу очищення припиняється протягом 0,1-0,5 с.

Сприймання гідродинамічного навантаження основою, яка володіє певною шорсткістю, призводить до появи на останній локальних пластичних деформацій, обмежених мікровиступами поверхні. На основі аналізу напруженого стану для схеми перпендикулярного натікання струменя на поверхню встановлено критичну величину навантаження, при якому відбувається зміна рівня шорсткості Rz за умови, що тиск рідини рb перевищує межу текучості матеріалу основи sm. На основі виявленої закономірності встановлено граничний рівень шорсткості поверхні, який залежить від отвору струменеформуючого каналу та тиску рідини і визначається співвідношенням

,

СRz - константа,

,

Кf - коефіцієнт збільшення площі контакту від наявної шорсткості поверхні, L, k - характеристики мікрогеометрії поверхневого шару. Узагальненим параметром процесу є відношення рb/sm.

Таким чином, проведені дослідження механіки обмеженого руйнування (видалення поверхневої плівки) дозволяють стверджувати, що ефективність процесу, незважаючи на відмінність механізмів взаємодії плівки зі струменем, обумовлюється як тиском рідини рb, так і її витратою q (що залежить від отвору сопла dc). Збільшення цих параметрів призводить до розповсюдження руйнування у прилеглу до ділянки безпосереднього натікання струменя зону. Для твердих покрить ефективність може бути підвищена створенням гідроударних явищ на поверхні шляхом генерації пульсацій тиску потоку.

Розділ 4. Розділ присвячено методиці експериментальних досліджень, направлених на доведення теоретичних положень, сформульованих у попередніх розділах. Основна концепція досліджень полягала у вивченні динамічних процесів, що протікають у зоні гідрорізання та обумовлюють розвиток борозенки різа і формування деструктивного шару.

Головним елементом, обумовлюючим високочастотне навантаження поверхні розділу, є швидкоплинний струмінь рідини. Для зняття амплітудної та частотної характеристик струминного впливу розроблено та виготовлено прилад з вимірювальним магніто-електричним перетворювачем 4136 фірми Брюль і К'єр, під'єднаним до підсилюючої ланки з фіксуючим пристроєм. Голковий чутливий елемент приладу встановлено на мікрометричному гвинті. Зняття динамічних характеристик потоку виконувалося введенням чутливого елементу до перетину струменя на різних відстанях від зрізу сопла, а аналіз спектру та побудову амплітудо-частотних характеристик здійснювали за допомогою відповідного програмного забезпечення персонального комп'ютеру, на інтерфейс якого подавали зафіксовану шумову картину. Аналіз отриманих на різній відстані від зрізу сопла та для різних зон струменя спектрограм дозволив зробити такі висновки.

Створений апаратно-програмний комплекс дозволив зафіксувати амплітудо-частотну характеристику гідродинамічного впливу струменя в різних перетинах. Встановлено, що частота пульсацій гідродинамічного тиску для певного перетину струменя сягає максимуму в центральній частині струменя, з поступовим зниженням у напрямку оболонки - до 1,5 - 5,0 кГц. Амплітуда коливань змінюється у межах 0,15 - 1,2 Н і максимуму набуває в оболонці струменя. Отримано також залежність для визначення очікуваної товщини деструкції за параметрами струминного навантаження та схемою ведення обробки. Розвиненість оболонки призводить до суттєвого падіння частоти коливань та збільшення амплітуди, максимум якої спостерігається на відстані (50-100)dc і співпадає з серединою оболонки струменя з поступовим згасанням при виведенні чутливого елемента приладу в напрямку від осі струменя (рис. 6). Частота пульсацій гідродинамічного впливу на серединній точці оболонки струменя визначається рівнянням

і пов'язана з параметром Ср,

який характеризує розвиненість потоку за рахунок утворення кавітаційних каверн. Гідродинамічний тиск визначено залежністю

,

Де

- амплітуда коливань. В наведених формулах D - діаметр струменя в контрольованому перетині,

,

А, К, kf, ka - коефіцієнти пропорційності; u, v, q, z - показники ступеня; li - відносна відстань, визначена у dc.

Це дозволяє для відомої характеристики швидкоплинного струменя встановлювати очікувану товщину деструктивного шару на утворених поверхнях розділу, залежно від схеми виконання обробки. Помилка розрахованих та встановлених на основі експерименту параметрів деструктивного шару не перевищує 10-12%.

Вивчення стану та змін у зоні струминної ерозії здійснювалося за допомогою відкритого проф. О. Єлізаровим явища фотографічної фіксації гетерогенних реакцій наднизьких концентрацій окислювального характеру, яке отримало назву хемографії. Сутність хемографії полягає у створенні в фотоемульсії світлочутливої пластинки або плівки прихованого зображення досліджуваної поверхні твердого тіла, здатного до окислення, однак не за допомогою світла, а шляхом фіксації потоку продуктів окислення наднизьких концентрацій, які назвали фотомолекулярними потоками (ФМП). Інтенсивність ФМП залежить від цілої низки факторів, у першу чергу, від існування дефектів, включень, розривів у поверхневому шарі, мікротріщин, напруженого стану поверхні тощо. Після експонування плівки за відомою схемою її оброблюють і візуалізують приховане зображення, яке дає уяву про стан поверхні. Розрізнювальна здатність методу становить 0,005 мм, що достатньо для виявлення зароджених при гідрорізанні тріщин.

Внаслідок інертності оброблюваних матеріалів до реакцій окислювального характеру, для створення хемографічного ефекту на поверхню дослідного зразка методом електронно-вакуумного осадження наносили тонкий (2-5 мкм) шар металу, наприклад, міді. У подальшому зразок піддавали різним видам струминного навантаження, і оцінювали хемографічне зображення.

В результаті проведених досліджень вдалося довести існування механізму багатоциклового руйнування мікрообсягів матеріалу при натіканні швидкоплинного струменя: таке руйнування відбувається протягом 0,1-0,5 с, і, як правило, охоплює ділянку безпосереднього натікання струменя. Відокремлюються частки розміром 0,05-0,15 мм. Якщо різ неповний, потік евакуйованої рідини на відстані (15-25)dc змінює рівень шорсткості поверхні (рис. 7). Поява світлих плям свідчить про втрату поверхневих центрів окислювання (руйнування поверхневого шару). Оцінка ступеня навантаження по снятій динамічній характеристиці потоку дозволила встановити, що мікровиступи перебували під навантаженням частотами 0.8-5 кГц та амплітудами 0.1-0.5 Н, що спричинило відокремлення частки матеріалу від його тіла за (N=103-105) циклів навантаження.

Імпульсний поверхневий вплив дозволив візуалізувати мікротріщини у прилеглій до зони різання: утворена сітка охоплює зону радіусом (2-3)dc, яка збільшується при зменшенні тиску рідини та при збільшенні діаметра сопла, що пов'язане зі збільшенням периферійної частини струменя; мінімального значення набуває при тисках рідини біля 220-230 МПа; зародження мікротріщин відбувається на концентраторах напружень - внутрішніх та зовнішніх дефектах матеріалу, а також на межі контакту структурних фракцій матеріалу; уточнено розміри зони передруйнування: остання має незначну довжину - до 0,5dc і в еластичних матеріалах майже повністю відсутня.

Таким чином, проведений комплекс досліджень довів сформульовані положення механіки гідрорізання неметалевого композитного матеріалу.

Розділ 5. Розділ присвячено створенню імітаційної моделі процесу струминної ерозії неметалевого композитного матеріалу з візуалізацією очікуваної поверхні борозенки різа.

Для моделювання борозенки різи та її візуалізації було використано підхід розрахунку перенесення тонких зрізів Dх, сукупність яких утворює повний перетин. При цьому можливий стан поверхневого шару встановлювали на основі аналізу процесу тріщиноутворення при переміщенні такого перетину від зони передруйнування (контакту з периферійною частиною струменя) до його повного виходу за межі дії струменя. Властивості композиту, його структуру задавали у вигляді параметрів фізико-механічних властивостей точки Vijk, які зв'язували з поверхневою розрахунковою сіткою Aij. Це дозволяє встановлювати не тільки значення опорних координат борозенки, а й зміни стану точки, наприклад, внаслідок виникнення тріщини, що не досягла критичної довжини і не викликала відколу поверхневого шару. Розвиток тріщин та їхнє злиття в перетині, а також виникнення та орієнтацію елементів поверхні розділу визначали на основі оцінки інтенсивності струминної ерозії в мікрообсягах, обумовленою властивостями компонентів матеріалу, зчепленням між собою, можливими дефектами у вигляді розірваних волокон, тощо, межовими умовами від дії сусідніх шарів, та, нарешті, гідродинамічним навантаженням. Напружений стан визначався з урахуванням перерозподілу навантаження між зв'язками армувальних волокон та можливого прояву розгалуження магістральних тріщин. Контур перетину встановлювали у вигляді кривих другого порядку. Для підвищення точності розрахунку використовували генератор випадкових чисел, який визначав параметри моделі оброблюваного матеріалу.

Надання струменю поступової подачі моделювали фактичним перенесенням точки розрахунку максимальної струминної ерозії уздовж заданого контуру, що дало змогу врахувати при оцінці інтенсивності гідроруйнвання не тільки пульсації тиску в системі, а й динамічні помилки приводів подач, відхилення заданого контуру, тощо.

Результат імітаційного моделювання подається у вигляді відтвореного контуру борозенки різа (рис. 8) представленого за допомогою алгоритму 3-D візуалізації поверхні, аналіз якого дозволяє визначити мікрогеометричні характеристики борозенки, можливе розшарування перетину, оцінити наявність та геометрію поверхневих відколів. Товщина деструктивного шару визначається як сума максимального відхилення реального контуру від заданого та товщини деструктивного шару (в якому мікротріщини не досягли свого критичного для відколу рівня).

На основі запропонованого підходу та сформульованих наукових положеннях механіки струминного руйнування неметалевого композита розроблено пакет прикладних програм (ППП), який дозволяє за заданими властивостями композита та технологічними режимами визначати очікувану борозенку різа, її характеристики та продуктивність метода. Даний ППП може використовуватися при розробці нового гідрорізного обладнання або оптимізації відповідних технологій.

Розділ 6. Розділ присвячено створенню технологічних основ забезпечення ефективного гідрорізання, сформульованих на основі виконаних теоретико-експериментальних досліджень.

У якості контрольованих параметрів, які необхідно забезпечувати при виконанні гідрорізання, встановили такі: hDF - товщина дефектного шару на утвореній поверхні розділу, мм; RT - ступінь розшарування торця заготовки, як відношення товщини торця після обробки до товщини до обробки; RZ - рівень шорсткості поверхні B - ширина різа та TB - допуск на ширину. Після оцінки ступеня значимості прийнятих до уваги факторів та встановлення рівня їх зміни, було виконано ряд досліджень, в результаті чого було встановлено таке.

Найбільш впливовим фактором на ступінь розшарування композиту є діаметр отвору струменеформуючого каналу сопла (рис.9), збільшення якого викликає відповідне зростання розшарування, більш динамічне при різанні тонких шарів. Композити виявили різну схильність до розшарування, що пояснюється відмінностями структури матеріалів, міцності, схильності до крихкого руйнування.

Явище узгоджується з теоретичними положеннями про особливості протікання струминної ерозії та її залежність від діаметра струменеформуючого отвору.

Збільшення тиску рідини викликає зменшення розшарування, однак для волокніту залежність майже протилежна, що можна пояснити спроможністю волокон цього матеріалу витримувати значні згинаючі деформації без утворення часток шламу, здатних виконувати абразивне різання волокон, та без істотної диспергації матеріалу при відкритті нової поверхні розділу, особливо при різанні з максимальною подачею.

Товщина оброблюваного матеріалу також має вплив на величину RT, однак якщо волокнисті композити проявляють властивості зменшення розшарування при збільшенні товщини, то розшарування текстоліту, як багатошарового пресованого пластика, навпаки, прямо пропорційне його товщині у діапазоні (2-10) мм. Схожий вплив на ступінь розшарування має також і міцність оброблюваних композитів. Аналіз впливу відстані від зрізу сопла до оброблюваної поверхні довів існування певного екстремуму, при якому спостерігається зменшення ступеня розшарування, і який дорівнює (20-25) мм. З точки зору динаміки струменя, саме на цій відстані для сопла з діаметром 0,22 мм існує максимум кінетичної енергії потоку, однак диспергація струменя (розвиненість оболонки) ще відносно незначна. Зі збільшенням відстані кінетична енергія потоку падає внаслідок гальмування струменя в повітрі, розвиненість оболонки зростає, а інтенсивність струминного навантаження поверхні у зоні передруйнування знижується, в результаті чого розгалуження зароджених тріщин не відбувається, і зона струминної ерозії починає розповсюджуватися за межі безпосереднього натікання струменя, що і призводить до збільшення ступеня розшарування.

Товщина деструктивного шару, утвореного під поверхнею розділу, також залежить від тиску технологічної рідини та отвору dc струменеформуючого каналу. При цьому встановлено, що збільшення діаметру dc призводить майже до пропорційного зростання товщини шару, однак найбільш чутливими матеріалами є композити з низькою міцністю.

Оцінено силу впливу тиску рідини, отвору сопла, відстані до поверхні та швидкості робочої подачі на параметр шорсткості поверхні RZ (рис. 10). Встановлено, що збільшення діаметру отвору струменеформуючого каналу сопла призводить до погіршення якості обробки - зростання рівня шорсткості, появи значних відколів на поверхні. Ступінь зростання в різних матеріалах відрізняється: найбільш чутливим є волокніт, менш чутливими - вуглепластик та неармовані полімерні матеріали - зокрема, оргскло.

Таким чином, проведений аналіз довів, що гідрорізання неметалевих композитів слід вести з мінімальним отвором струменеформуючого каналу, максимальним тиском, при перпендикулярному натіканні струменя на перепону та на оптимальній відстані. Основними параметрами, які суттєво змінюються при відхиленні режимі ведення обробки від оптимальних, є товщина деструктивного шару та пов'язаний з нею ступінь розшарування. Також встановлено, що між рівнем шорсткості поверхні RZ та товщиною деструктивного шару hDF існує тісний кореляційний зв'зок. Це дало змогу зробити висновок, що досягнення високої якості оброблюваної поверхні та ефективності гідрорізання в цілому забезпечується мінімізацією товщини деструктивного шару на утворених поверхнях розділу, яка, на основі аналізу механіки струминного руйнування композиту, забезпечується оптимальним положенням елементів поверхні розділу. Наступний етап експериментальних досліджень дозволив пов'язати пошукові показники якості з параметром, обумовлюючим умови протікання нестаціонарних процесів струминної ерозії - кутом нахилу елементів поверхні розділу в зоні різання (рис. 11).

Отримавши експериментальне підтвердження сформульованого раніше положення про те, що кут нахилу елемента поверхні розділу визначається такими основними факторами - міцністю Тm (матеріалу або його компонентів), тиском рідини рb, товщиною матеріалу h, діаметром соплового отвору dc, структурою шарів матеріалу д та швидкістю робочої подачі s, перейшли до визначення зв'язку показників якості з розглянутим параметром (рис. 12). Експериментально доведено, що всі прийняті до уваги показники якості можуть бути визначені, виходячи з положення кута нахилу площадок у зоні гідрорізання та окремих технологічних факторів. При цьому вдалося встановити, що збільшення кута нахилу веде до погіршення якості обробки, а задовільну якість можна досягти, якщо критичний кут нахилу площинки руйнування при тиску р=180 МПа відносно осі струменя для склопластиків становить 50-70, вуглепластиків - 30-50, для текстоліту - 20-30, гетинаксу - 70 (рис. 13 )

На основі викладених міркувань запропоновано такий алгоритм розрахунку вихідних показників якості:

1) Розрахунок потрібного тиску рb технологічної рідини залежно від виду оброблюваного матеріалу (Tm,T'm), його товщини h та очікуваної продуктивності процесу, вираженої через подачу s за відомими методиками, корегування тиску виходячи з потужності прийнятої гідростанції високого тиску, режиму її роботи, міркувань раціональної експлуатації;

2) вибір конструкції та матеріалу струменеформуючого сопла, уточнення діаметра отвору dc;

3) визначення очікуваних кутів нахилу елемента поверхні розділу з урахуванням структури композита, його фізико-механічних властивостей та товщини h:

;

4) визначення очікуваної товщини деструктивного шару, як функції максимального кута нахилу елемента поверхні розділу з урахуванням гідродинамічного ефекту від тиску рідини рb:

Де

;

5) встановлення імовірних значень пошукових показників якості: ступеня розшарування

;

параметра шорсткості

;

ширини різа

та допуску на ширину різа

,

де відповідні коефіцієнти враховують відмінність властивостей оброблюваних матеріалів;

6) порівняння із заданими величинами та корегування відповідних режимів ведення обробки;

7) визначення собівартості ведення обробки та її зміни у разі додержання заданих вимог з якості.

Собівартість обробки доцільно представляти як суму затрат Ср на її фактичну реалізацію при максимальній продуктивності за даних умов (коли відбувається гідрорізання матеріалів з максимально можливою подачею) та додаткових затрат на забезпечення якості Сq (що виражається через зміну деяких технологічних та конструкційних факторів, тощо):

Се =Ср + Сq

Тоді затрати на реалізацію гідрорізання одиниці довжини за умови максимальної ефективності визначаться з рівняння

,

Де

Wо - вартість обладнання з урахуванням витрат на його встановлення; Wр - затрати на обслудговування обладнання; Т - час роботи обладнання до повного зносу або капітального ремонту з наступним відновленням балансовой вартості; smax - максимальна подача для даних умов; р - тиск у гідросистемі у контурі високого тиску; Q - витрата рідини; h - к.к.д. джерела високого тиску; С - вартість однієї кіловат-години електроенергії.

Витрати на забезпечення якості обробки являють собою частку, яка визначається відмінністю нормованого показника якості (RZ, DF або RT) від базису (значення, встановленого при різанні з максимальною продуктивністю) з формули

,

Де

,

Ві - значення базису (із відповідної таблиці), Рі - потрібне значення показника Cij - приведені витрати на забезпечення показника за рахунок технологічного фактора. Таким чином, дана методика дозволяє оцінити альтернативні варіанти забезпечення показників якості за рахунок зміни технологічних факторів, схеми виконання обробки, та прийняти економічно доцільний варіант.

Увагу приділено питанням підвищення ефективності і продуктивності обмеженого гідроруйнування (видалення поверхневих плівок). Врахування ефекту зміни радіусу очищення у часі для певних поверхневих плівок дозволяє сформулювати оптимізаційну задачу для мінімізації часу на виконання поверхневої обробки плоскої поверхні розміром LxB. Якщо радіус видалення поверхневої плівки дорівнює R, ширина смуги очищення

H=2R,

з урахуванням зони перекриття гідровпливу шириною w загальний час на виконання необхідної кількості проходів визначено як

,

де sn- швидкість подачі. З рівняння витікає, що збільшення ширини смуги очищення Н та зменшення ширини перекриття w зменшує загальний час обробки. Тоді функція оптимізації:

Задача розв'язується на основі встановлення співвідношення між швидкістю перенесення гідровпливу за рахунок надання струменю поступової подачі sn та зміною ширини смуги очищення Н для різних поверхневих плівок, яка визначається зміною R=R(t) і нерівномірно збільшується у часі.

Для спрощення інженерних розрахунків радіусу гідроруйнування запропоновано ряд емпіричних залежностей, які дозволяють встановлювати очікувану зміну радіусу, і на основі виразу оптимізувати швидкість переміщення струменя по поверхні.

Так, наприклад, для консистентних сполук, нанесених на тверду поверхню, зміна радіусу визначається залежністю

R=f(t)=Мpndcte/hk,

M - коефіцієнт, що враховує властивості плівки та її зчеплення з поверхнею, n,c,k,e - емпіричні коефіцієнти. Інші змінні, що входять до формули, визначають технологічні режими ведення обробки.

Отримані залежності дають змогу визначати очікувану зміну радіусу видалення плівки, що дозволяє встановлювати оптимальну швидкість поздовжньої подачі sn.

Розділ 7. В розділі розроблено основні принципи практичної реалізації запропонованої концепції гідрорізання щодо використання ефекту керованої стабілізації положення елементів поверхні розділу “швидкоплинний струмінь - тверде тіло” у неоднорідному матеріалі. Встановлено, що створити оптимальні умови для перебігу нестаціонарних процесів струминної ерозії оброблюваного тіла можна, використавши відповідну двоконтурну адаптивну систему, котра забезпечує зміну швидкості подачі заготовки уздовж лінії різа та тиску технологічної рідини залежно від напряму стікання відпрацьованого потоку (рис. 14), кут виходу та дисипація якого залежить від геометричних параметрів зони різання. При цьому контур К1 є опорним та забезпечує потрібне положення площинки на основі контролю миттєвого положення потоку виходу відпрацьованої рідини та ступеня її дисипації, а контур К2 виконує керовану зміну тиску у разі, коли впливу контуру К1 не досить і заданого положення не досягнуто.

Керування геометричними параметрами зони різання, а, відтоді, й умовами протікання нестаціонарних процесів струминного руйнування, здійснюється в режимі двозонного відпрацювання. У першій зоні збільшення кута нахилу a призводить до лінійного зменшення швидкості подачі s та пропорційного збільшення тиску рідини рb. Якщо контрольований кут все ще залишається за допустимими межами і цих прийомів недостатньо, по досягненні критичної швидкості sp/Cp в дію залучається ланка гасіння тиску до значення C2ppb при одночасному продовженні зниження робочої подачі до sр=0. Далі тиск починає зростати, а подача змінює напрям. Таким прийомом фронтальна частина зони різання спрямляється, перетворюючись у площину з мінімальним кутом нахилу, більш міцний елемент оброблюваної заготовки сприймає інтенсивніше гідронавантаження і руйнується без збільшення товщини деструктивного шару (так як умови гідроруйнування наближаються до оптимальних), після чого система знову набуває максимальної швидкості подачі sm та тиску рb.

Помилку керування визначено залежністю:

за умови, що

- постійна часу ланок керування, wk - циклічна частота зміни фракцій композита при поступовому переміщенні струменя, da/dt визначається фізико-механічними властивостей та розмірами фракцій оброблюваного композиту.

Розроблена слідкуюча система адаптивного керування процесом гідрорізання дозволила значно підвищити ефективність гідрорізання за рахунок створення оптимальних умов перебігу нестаціонарних процесів струминної ерозії на елементах поверхні розділу, отримати високу якість поверхні при роботі з тисками рідини 150-220 МПа при одночасному зростанні швидкості робочої подачі у 1,6-1,9 рази.

В цілому, підвищення ефективності гідрорізання забезпечено розв'язанням таких практичних задач:

на базі верстата мод. ЛТ260МФ3 побудовано адаптивну систему керування процесом гідро-різання для обробки неметалевних композитних матеріалів з тиском технологічної рідини до 210 МПа, яка забезпечує високу якість обробки при зниженні собівартості на 30-50%;

розроблено програмний продукт моделювання процесів гідрорізання та наступної візуалізації борозенки різа, який дозволяє виконувати оптимізацію процесу та складає основу алгоритму керування верстатом з ЧПК для операцій гідрорізання;

створено інженерну методику розрахунку режимів різання при забезпеченні заданої якості;

розроблено та впроваджено гаму струминних роторних головок з оригінальними обертовими опорами (пат. України № 18903А).

ЗАГАЛЬНІ ВИСНОВКИ

1. В результаті теоретико-експериментальних досліджень процесів гідрорізання тонкостінних виробів з неметалевих композитів створено наукові основи і вирішено актуальну науково-технічну проблему підвищення ефективності гідрорізання на основі локалізації гідроруйнування композиту в зоні струминного впливу, за рахунок чого досягається мінімізація товщини деструктивного шару на утвореній поверхні розділу при тисках, близьких до критичних, шляхом розробки концепції оптимального керування геометричними параметрами зони різання, обумовленими енергетичними параметрами струменя, та прогнозування напружено-деформованого стану поверхні розділу на фронті струминного руйнування, що дозволяє виконувати ефективне якісне гідрорізання тонкостінних виробів на обладнанні з максимальним тиском до 250 МПа.

2. Використання підходів лінійної механіки руйнування дозволило сформулювати основні положення теорії гідрорізання неметалевого композитного матеріалу. Встановлено, що формоутворення та утворення деструктивного поверхневого шару обумовлюється орієнтацією та напружено-деформованим станом елементів поверхні розділу і є наслідком гідроруйнування заготовки при її поступовому переміщенні відносно швидкоплинного струменя, що призводить до зародження, зростання та розгалуження мікротріщин, орієнтованих під кутами 30-150 відносно осі швидкоплинного струменя в шарі наповнювача і у перпендикулярній площині уздовж волокон на відстань до (2-5)dc, їх наступного злиття з активним руйнуванням у зоні безпосереднього контакту зі струменем, та кінцевого формування поверхні розділу як наслідку багатоциклового руйнування приповерхневого шару внаслідок впливу стікаючого потоку, насиченого продуктами руйнування, з частотами 1,8-3,5 кГц та максимальною амплітудою 0,2Н. Оброблювані композити виявляють крихкі властивості, зі зменшенням крихкості при зниженні інтенсивності струминного впливу в зоні виходу струменя. Концентрація мікротріщин, їхнє зародження і напрямок розвитку залежить від ширини зони передруйнування (0,2-0,5dc), яка утворюється на межі стискуючих і розтяжних напружень, співпадає із зоною впливу оболонкою струменя, та швидкості перенесення гідровпливу уздовж оброблюваної поверхні. Розвиток, розгалуження та злиття тріщин обумовлюється струминним пульсуючим навантаженням поверхні різання, яке, в свою чергу, залежить від орієнтації та напружено-деформованого стану елементів утвореної поверхні розділу, що обумовлює геометрію зони різання. Критерієм розгалуження мікротріщин є швидкість зростання струминного навантаження vs, яка обумовлюється швидкістю робочої подачі, орієнтацією елементів поверхні розділу та розмірами і компактністю струменя і не повинна бути нижчою за 12 ГПа/с.

3. Запропоновано нову концепцію у теорії гідрорізання неметалевих матеріалів, яка полягає у тому, що керуванням орієнтацією елементів поверхні розділу, яка обумовлює товщину деструктивного шару, можна забезпечити оптимальні умови протікання нестаціонарних процесів струминної ерозії, внаслідок чого значно підвищується ефективність процесу, а саме: забезпечується висока якість оброблюваної поверхні при одночасному зниженні її вартості. Встановлено, що зміна кутів нахилу елементів поверхні розділу при поступовому русі струменя зі швидкістю понад 50p/с та наближення кутів до критичного рівня, характерного для кожного конкретного матеріалу, як функції тиску технологічної рідини, порушує цільність композиту і викликає його розшарування. Зокрема, для склопластиків критичний кут нахилу площинки руйнування при тиску р=180 МПа відносно осі струменя становить 50-70, вуглепластиків - 30-50, для текстоліту -30-50, гетинаксу -70. Забезпечення оптимальної орієнтації елементів поверхні розділу технологічними засобами або за допомогою спеціальних пристроїв струминних головок та верстатних систем дозволяє виключити розшарування оброблюваного матеріалу та зменшити шорсткість поверхні.

4. Теоретично обгрунтовано та експериментально доведено, що пульсації динамічного тиску струминного потоку викликають багатоциклове (N=103-105) навантаження поверхні розділу, внаслідок чого відбувається активне зростання мікротріщин та відповідне збільшення товщини деструктивного шару до (0,5-1,0)dc. Останній змінюється також і у зоні виходу відпрацьованої рідини на довжині l=(10-20)dc. Встановлено, що частота пульсацій гідродинамічного тиску для певного перетину струменя сягає максимуму в центральній частині струменя і становить понад 40 кГц, з поступовим зниженням у напрямку оболонки - до 1,5 - 5,0 кГц. Амплітуда коливань змінюється у межах 0,15 - 1,2 Н і максимуму набуває в ядрі потоку. Отримано також залежність для визначення очікуваної товщини деструкції за параметрами струминного навантаження та схемою ведення обробки, яку покладено в основу оцінки товщини деструктивного шару на окремих ділянках борозенки різа для оптимізації технології струминного різання.

5. Встановлено, що абразивний знос поверхні різання, перед усім, армувальних волокон, частками шламу диспергованого матеріалу, відіграє роль активізатору процесу руйнування, знижуючи межу міцності армувальних волокон в середньому в 1,5-3,5 разів. Ефект спостерігається при тисках рідини 150-180 МПа та вищих на глибині понад 0,7 мм і проявляється збільшенням у 1,8-2,5 рази швидкості занурення струменя у товщу матеріалу протягом перших 150-200 мкс струминного впливу. Запропоновано формулу для оцінки прояву механізму абразивно-гідродинамічного руйнування. Врахування ефекту при розробці алгоритму керування гідрорізанням на операціях неповного прорізання (скрайбування) дозволяє забезпечувати високу точність глибини різа (з помилкою 5-8%), покращує її якість.

6. Теоретично обгрунтовано та експериментально доведено, що динамічні збурення та помилки відпрацювання заданих переміщень приводами подач верстатної системи викликають суттєве погіршення поверхні різи та збільшують товщину деструктивного шару, яка обумовлює підвищений у 2-4 рази рівень шорсткості та місцеві розшарування торця на 15-18%. Встановлено, що збільшення швидкості руху струминної головки при відпрацюванні довільної траєкторії призводить до пропорційного збільшення хвилястості борозенки. Нехтувати динамічними збуреннями в приводах подач можна тільки у разі обробки матеріалів товщиною понад 4 мм. На основі виконаних досліджень отримано залежність для визначення допустимих максимальних амплітуд і коливань контурної швидкості, забезпеченої пристроєм подач.

7. На основні сформульованої методології теоретико-експериментальних досліджень, на підставі якої задача прогнозування показників якості і продуктивності розв'язується шляхом аналізу формоутворення, запропонований основний принцип моделювання процесу гідрорізання неметалевого композитного матеріалу довільної структури, який, на відміну від існуючого підходу, розглядає оброблюваний матеріал як сукупність адгезійно зчеплених шарів з відмінними фізико-механічними властивостями, а сам процес різання - як складний рух елементів поверхні розділу при зміні точки прикладання струминного впливу. Вперше реалізовано алгоритм програмної візуалізації борозенки різа. Розвиток борозенки різи описується рядом кривих вищого порядку, побудованих на лінії руху струменя і відтворюючих елементарний фрагмент профілю борозенки різа. Коефіцієнти кривих визначаються на основі розрахунку обсягу струминної ерозії в перетині за миттєвим положенням елементів поверхні розділу в зоні різання. Даний підхід дозволив підвищити адекватність моделі реальному процесу і мати помилку розрахованих параметрів деструктивного шару на рівні 5-10% у порівнянні з натурними зразками. Модель покладено в основу алгоритму оптимального керування процесом гідрорізання.

8. Вивчено також процеси локальної струминної ерозії - руйнування поверхневої плівки, на основі яких сформульовано принципи ефективного гідровидалення поверхневих плівок: використання струменеформуючого сопла максимально допустимого діаметра dc на рівні 0,8-1,2 мм, створення гармонічних пульсацій струменя з частотою 10-500 Гц (а у деяких випадках, до 1500 Гц), що витікає з сопла під тиском до 120 МПа. Зокрема, встановлено, що руйнування квазікрихких плівок відбувається не тільки у зоні натікання струменя, а і у прилеглій зоні з радіусом до (1,5-3,0)dc, причому величина останнього залежить від пружніх властивостей основи. Високоеластичні плівки, в основному, руйнуються тільки у зоні впливу струменя, однак збільшення зони за рахунок відшарування плівки можна досягти, створюючи пульсації тиску струменя з частотою до 2 кГц. Шар консистентної речовини, який знаходиться на поверхні твердого тіла, сприймає гідродинамічне витіснення від дії стічного потоку рідини, а фронтальна частина шару видаляється за рахунок стікання рідини по поверхні. Встановлено, що зміна радіусу є уповільненою функцією часу t прикладання струминного навантаження і фактично припиняється за (0,1-0,5) с. При цьому за рівних інших умов вплив тиску рідини р на зростання радіусу R видалення шару речовини менший за вплив діаметра отвору струменеформуючого сопла d. Вилучення шару речовини відбувається динамічно і ефективно для товщини шару h < 3-4 мм. Товщина твердих плівок не повинна перевищувати 2 - 3 мм.

9. Встановлено, що струминний потік після руйнуванні плівки на глибину (10-25)dc і досягнення основи, викликає в останній пружно-пластичне деформування поверхневого шару, знижуючи шорсткість поверхні протягом (0,05-0,1) с. Показано, що остаточна шорсткість поверхні обумовлюється фізико-механічними властивостями матеріалу, тиском рідини та діаметром струменя, причому зазначені параметри складають чітку детерміновану залежність. Параметром процесу є відношення р/sm. Доведено існування граничного рівня шорсткості, по досягненні якого процес зміни шорсткості припиняється.

10. Використання хемографії у комплексі теоретико-експериментальних досліджень дозволило встановити, що руйнування поверхневого шару борозенки різа за рахунок циклічного струминного навантаження відбувається на глибину до 0,25 мм і припиняється за (1,2-1,5) с. Оцінено також вплив швидкості зростання гідродинамічного навантаження на геометричні характеристики зони різання. Встановлено, що у разі, коли швидкість знаходиться у межах 3-10 ГПа/с, зародження тріщин відбувається на значній відстані від центру гідровпливу - до (1.5-2,0)dc, що різко погіршує якість обробки та збільшує товщину деструктивного шару.

11. На базі сформульованих теоретичних положень високоефективного гідрорізання, отриманих залежностей, підтверджених експериментальними дослідженнями, створено технологічні основи забезпечення ефективного гідрорізання неметалевих композитів з тиском рідини до 250 МПа. Встановлено, що параметри рівня шорсткості утвореної поверхні розділу RZ та розшарування кромки торця RT пропорційні товщині деструктивного шару DF, причому мінімізація останнього забезпечується таким вибором тиску технологічної рідини р та швидкості робочої подачі s, при якому розрахункове відхилення елементів поверхні розділу не перевищує критичних кутів, значення яких знаходиться в межах 30-150 .

12. Створену концепцію оптимального керування процесом гідрорізання неметалевих композитів покладено в основу розробки адаптивної системи керування формоутворенням за рахунок моніторингу зони різання шляхом контролю виходу потоку відпрацьованої рідини та ступеня її дисипації, яка здійснює динамічне двозонне регулювання подачі та миттєвого значення тиску. Використання оригінальної мультиплікаторної системи з пропорційним керуванням дозволяє створювати пульсації тиску в межах 160-200 МПа з частотою до 10 Гц при номінальному тиску 210 МПа, що достатньо для ефективного гідрорізання матеріалів, армованих скловолокнами та вуглецевими волокнами.

13. Викладені технічні рішення та технологічні прийоми вирішують проблему високоефективного гідрорізання тонкостінних виробів з неметалевих композитів за рахунок оптимізації нестаціонарних процесів струминного руйнування, шляхом керування геометричними параметрами зони різання при тисках рідини до 250 МПа, що дозволяє покращити якість обробки, знизити її вартість на 30-50%.

14. Отримані нові наукові результати покладено в основу розв'язання ряду практичних задач: запропоновано конструкцію адаптивної системи гідрорізного верстата, що дозволяє виконувати якісну різу неметалевних матеріалів з тиском технологічної рідини до 180 МПа, забезпечуючи при цьому шорстіксть бокових поверхонь до Rz 20, товщину деструктивного шару до 0,15 мм та відсутність розшарувань уздовж лінії різи (завод “Калькулятор”); розроблено програмний продукт (ППП) моделювання процесів гідрорізання та наступної візуалізації борозенки різи, який дозволяє з мінімальними витратами встановлювати найбільш прийнятні технологічні режими (впроваджено на НПО “Технологія”); створено концепцію роботизованого комплексу для обробки великогабаритних виробів, який у порівнянні з існуючими видами обладнання має збільшену в 1,8 рази продуктивність (підприємство “Полтавський ГЗК”), розроблено методику розрахунків елементів обладнання та режимів ведення обробки (УкрНДІСпецсталь).

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ

1. Саленко О.Ф., Струтинський В.Б. Техніка та технологія гідроструменевої обробки: Монографія. - Київ: ІЗМН ВІПОЛ, 1998. - 252 с.

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

3. Саленко О.Ф. Собівартість гідроструменевого різання та її зв'язок з якістю оброблених поверхонь. // Проблемы создания новых машин и технологий: Научные труды КГПУ. - Вып. 11. - Кременчуг, КГПУ, 2001. - с. 450-454.

4. Саленко О.Ф., Струтинський В.Б. Динамічна постановка задачі при оцінці ефективності гідрорізання неметалевих матеріалів. // Проблемы создания новых машин и технологий: Научные труды КГПУ. - Вып. 10. - Кременчуг, КГПУ, 2001. - с. 405-409.

5. Саленко О.Ф., Бондаренко М.Й., Петко І.В., Приходько В.І. Гідроструменеве очищення поверхні твердого тіла. // Вісних Житомирського інженерно-технологічного інституту: Технічні науки. - Житомир, ЖТІ, 2001. - с.79-91.

6. Саленко О.Ф., Троцько О.В. Видалення твердих поверхневих шарів при гідроструменевому впливі // Проблемы создания новых машин и технологий: Научные труды КГПУ. - Вып. 9. - Кременчуг, КГПУ, 2000. - с. 428-430.

7. Саленко О.Ф., Подзорова Т.В., Смірнова А.Л., Приходько В.І. Дослідження динамічки швидкоплинного струменя // Проблемы создания новых машин и технологий: Научные труды КГПУ. - Вып. 9. - Кременчуг, КГПУ, 2000. - с. 431-437.

8. Саленко О.Ф., Пєтко І.В., Бондаренко М.Й. Експериментальні дослідження гідроструменевого очищення поверхні твердого тіла // Вісник технологічного університету Поділля: Частина 1: Технічні науки. - Хмельницький, 2000. - с.32-34.

9. Саленко О.Ф. Експериментальні дослідження механізму формування параметрів мікрогеометрії поверхневого шару при гідроструменевій обробці // Прогрессивные технологии и системы машиностроения: Сборник научных трудов. - Донецк, ДонГТУ, 2000. Вып. 13. - с. 152-155.

10. Саленко О.Ф., Приходько В.І., Пєтко І.В. Гідроструменеве очищення поверхні твердого тіла. // Високі технології в машинобудуванні: Збірник наукових праць НТУ “ХПІ”. - Харків, 2000, №1. - с. 218-222.

11. Саленко А.Ф. Автоматизированный комплекс гидроструйной очистки крупногабаритных изделий. - Вестник машинотсроения, №1, 1999. - с.33-35.

12. Саленко О.Ф. Формування мікрорельєфу бокових поверхонь контуру різи при гідроструменевій обробці // Прогрессивные технологии и системы машиностроениея: Сборник научных трудов. - Донецк, ДонГТУ, 1999. Вып. 8. - с. 181-184.

13. Саленко О.Ф. Особливості формоутворення при гідроструменевій обробці //Вестник НТУУ "КПИ": Машиностроение. - т.2, №36. - 1999. - с.291 - 298.

14. Саленко О.Ф., Колєснік М.П. Опори рідинного тертя для роторних гідроструменевих головок. // Прогрессивные технологии и системы машиностроениея: Сборник научных трудов. - Донецк, ДонГТУ, 1998. Вып. 6. т.3. - с. 55-59.

15. Саленко О.Ф., Приходько В.І. Видалення багатошарових покрить гідроструменевою обробкою // Прогресивна техніка і технологія машинобудування, приладобудування і зварювального виробництва: Збірник наукових праць. - Київ, НТУУ “КПІ” , 1998. - т.3., с. 364-369.

16. Саленко О.Ф., Гавриш А.П. Забезпечення параметрів якості при гідроструменевій обробці. - Вісті академії інженерних наук України. - Дніпропетровськ, 1998. - с. 66 - 79.

17. Саленко О.Ф. Смірнова А.Л. Математичне моделювання поверхні при гідроструменевій обробці. // Проблемы создания новых машин и технологий: Научные труды КГПУ. - Вып. 2. - Кременчуг, КГПИ, 1998. - с. 221-226.

18. Саленко А.Ф. Формирование микрорельефа поверхности реза при гидроструйной обработке // Проблемы создания новых машин и технологий: Научные труды КГПУ. - Вып. 1. - Кременчуг, КГПИ, 1998. - с. 203-206.

19. Саленко А.Ф. Смирнова А.Л. К вопросу моделирования работы приводов подач в станках для гидроструйной резки материалов // Проблемы создания новых машин и технологий: Научные труды КГПУ. - Вып. 1. - Кременчуг, КГПИ, 1998. - с. 212-216.

20. Саленко А.Ф. Особенности резания армированных материалов высоконапорной струей жидкости // Резание и инструмент в технологических системах. № 51. - Харьков, ХПИ, 1997. - с. 211-213.

21. Саленко А.Ф. и др. Гидроструйная резка конструкционных материалов и пути ее интенсификации. - Высокие технологии в машиностроении. - Харьков, ХГПУ, 1997. - с. 220-222.

22. Саленко А.Ф. Оценка влияния гидродинамической подушки при разрезке материалов высокоскоростной струей // Проблемы создания новых машин и технологий: Научные труды КГПИ. Ч.2. - Кременчуг, КГПИ, 1997. - с. 99-102.

23. Саленко А.Ф., Смирнова А.Л. Исследование влияния функции входного воздействия на частоту пульсаций давления жидкости в мультипликаторе // Проблемы создания новых машин и технологий: Научные труды КГПИ. Ч.2. - Кременчуг, КГПИ, 1997. - с. 102-108.

24. Патент України на винахід № 18903, авт. Саленко О.Ф., Струтинський В.Б. Федорець В.О. та ін. - Бюл. № 6 від 1997 р.

25. Саленко О.Ф., Пєтко І.В., Третьяков О.В. Гідро- та гідроабразивна обробка: теорія, технологія та обладнання. - К.: ІЗМН, 1999. - 484 с.

26. Саленко О.Ф., Струтинський В.Б., Загорянський Г.М. Гідроструменева обробка шарувато-волокнистих матеріалів: проблеми та перспективи - Наукові нотатки: Збірник наукових праць. - Луцьк, 1996.

27. Саленко О.Ф., Подзорова Т.В., Гергель А.П. К вопросу изготовления сопловых насадков для гидроструйной резки листовых материалов. // Проблемы создания новых машин и технологий: Научные труды КГПИ. Ч.2. - Кременчуг, КГПИ, 1997. - с. 113-117.

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

29. Саленко А.Ф. Драгобецкий В.В. Постановка задачи определения параметров слоистой заготовки при взаимодействии со струей жидкости // МОК, №39. - Одесса, 2000.

30. Саленко О.Ф. Особливості формоутворення при гідроструменевій обробці // Гидромеханика в инженерной практике: Тезисы докладов МНТК. - Сумы, 1999. - с. 55.

31. Саленко О.Ф. Забезпечення параметрів якості при гідроструменевій обробці // Гидромеханика в инженерной практике: Тезисы докладов МНТК. - Киев, 1998. - с. 50-52.

32. Саленко О.Ф., Колєснік М.П. Зменшення енергетичних витрат в гідростатичних опорах // Гидромеханика в инженерной практике: Тезисы докладов МНТК. - Киев, 1998. - с. 30-31.

33. Саленко А.Ф., Загорянский Г.Н. Проникновение высокоскоростной струи в твердое полупространство. - Прогрессивные технологии машиностроенеия и современность: Сборник трудов МНТК. - Донецк, ДонГТУ, 1997. - с. 213.

34. Саленко О.Ф., Струтинський В.Б., Загорянський Г.М. Інтенсифікація гідроструменевої обробки шарувато-волокнистих матеріалів. - Збірка тез доповідей 3-го міжнародного симпозіуму українських інженерів-механіків. - Львів, 1997. с.126.

35. Саленко А.Ф., Струтинский В.Б. Особенности проектирования инструментов для гидроструйной обработки. - Современные проблемы машиностроения и технический прогресс: Тезисы докладов МНТК. - Донецк, ДонГТУ, 1996. - с.202.

36. Саленко А.Ф., Загорянский В.Г. Расчет усилия, необходимого для упрочнения сварного шва. - Научные труды НТК "Проблемы создания новых машин и технологий". - Кременчуг, 1996. - с. 131-134.

37. Саленко А.Ф., Подзорова Т.В., Гергель А.В., Загорянский В.Г. К вопросу математического описания мультипликатора, оснащенного приводом с пропорциональным управлением. / КГПИ. - Кременчуг, 1997. - 28 с. / Гос. деп. ГНТБ Украины, №144-УК97.

38. Саленко А.Ф., Струтинский В.Б., Федорец В.А., Колесник Н.П. Высокоскоростные опоры жидкостного трения: разработка и исследование. / КГПИ. - Кременчуг, 1997. - 24 с. / Гос. деп. ГНТБ Украины, №349-УК97.

39. Саленко А.Ф. К вопросу разрушения слоисто-волокнистых пластмасс струей жидкости высокого давления / КГПИ. - Кременчуг, 1996. - 35 с. / Гос. деп. ГНТБ №1050-УК96.

АНОТАЦІЇ

Саленко О.Ф. Наукові основи високоефективного гідрорізання тонкостінних виробів з неметалевих композитів. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора технічних наук за спеціальністю 05.03.07. - Процеси фізико-технічної обробки. - Національний технічний університет України “Київський політехнічний інститут”. - Київ, 2001.

У дисертації вирішено важливу науково-технічну проблему керування процесами високоенергетичної струминної ерозії неметалевого композитного матеріалу шляхом оптимізації умов протікання нестаціонарних процесів тріщиноутворення, обумовлених орієнтацією елементів поверхні розділу, локалізованих у деструктованому шарі на поверхні борозенки різа відносно високошвидкісного струменя, завдяки чому досягнуто підвищення ефективності гідрорізання, поліпшено якість отриманих поверхонь розділу. Сформульовано основні положення механізму формування показників мікро- і макрогеометрії борозенки різа, згідно з якими топографія поверхні є наслідком зародження, розвитку і злиття мікротріщин, що рухаються у визначеному напрямку, залежно від інтенсивності струминного впливу, геометричних параметрів струменя, властивостей матеріалу. На основі аналізу фізичної моделі гідрорізання неметалевого композитного матеріалу запропоновано узагальнений алгоритм його моделювання. Створено технологічні основи забезпечення ефективного гідрорізання тонкостінних виробів з неметалевих композитів із заданими показниками якості. Запропоновано ряд технічних рішень виконання окремих елементів устаткування, створено адаптивну система гідрорізання, розроблено принципи її керування.

Ключові слова: ефективність, якість при обробці, гідрорізання, гідроруйнування, поверхнева гідрообробка, дослідження стану поверхні, обладнання високого тиску, гідроструминні голівки, інструмент, технологія.

Alexander F. Salenko Scientific bases of high effective jet penetrations of compose products at processing . - Manuscript.

Dissertation on competition of a scientific degree of the doctor of engineering science on a speciality 05.03.07. - The process of physic-technical processing. - National Polytechnic University of Ukraine "The Kiev Polytechnic Institute ". - Kiev, 2001.

In work the questions of maintenance of parameters of quality of products are considered processing by a jet penetration of a liquid.

For a quantitative rating of quality of processing by the author it is offered to use system of parameters reflecting geometrical and power ratio a surfaces of a procesable body. Bases of these parameters and their maintenance under production conditions will allow considerably to expand technological opportunities of a method of jet processing, to increase its efficiency and essentially to reduce the non-productive charges and losses from a spoilage. Is established, that the forecasting of quality of processing can be carried out on the basis of the physic-analytical model, developed by the author, of destruction of a material by a jet penetration of a liquid. Thus the real surface after hydroinfluence can be presented as ideal, on which there is a defective layer with determined micro- and makrofailure, and also power parameters.

Keywords: quality at processing, jet penetration, hydrocutting, hydrodestruction, superficial hydroprocessing, research of a status of a surface, equipment of high pressure, hydrojet head, hydrotool, technology, optimization.

Саленко А.Ф. Научные основы высокоэффективного гидрорезания тонкостенных изделий из неметаллических композитов. - Рукопись.