Підвищення ефективності процесу струминно-абразивного різання на основі аналізу кінетики двофазного швидкоплинного потоку

Размещено на http://www.allbest.ru/

СевАстопольський національний технічний університет

Спеціальність 05.03.01 - Процеси механічної обробки, верстати та інструменти

УДК 621.914.4

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

Підвищення ефективності процесу струминно-абразивного різання на основі аналізу КІнетики двофазного швидкоплинного потоку

Фомовська Олена

Владиславівна

Севастополь - 2009

Дисертацією є рукопис.

Роботу виконано на кафедрі верстатів і верстатних комплексів Кременчуцького державного політехнічного університету ім. М. Остроградського Міністерства освіти і науки України.

Науковий керівник: доктор технічних наук, професор Саленко Олександр Федорович,

Кременчуцький державний політехнічний університет ім. М. Остроградського, завідувач кафедри верстатів та верстатних комплексів.

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор, заслужений діяч науки і техніки України Проволоцький Олександр Євдокимович,

Національна металургійна академія України (м. Дніпропет-ровськ), завідувач кафедри технології машинобудування;

кандидат технічних наук, доцент Гейчук Володимир Миколайович,

Національний технічний університет України «КПІ», доцент кафедри конструювання верстатів і машин.

Захист відбудеться 22 вересня 2009 року о 1400 годині на засіданні спеці-алізованої вченої ради К 50.052.01 у Севастопольському національному технічному університеті за адресою: 99053, м. Севастополь, вул. Університетська, 33, ауд. Г-212.

З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці Севастопольського національного технічного університету за адресою: 99053, м. Севастополь, вул. Університетська, 31.

Автореферат розісланий 20 серпня 2009 року.

Вчений секретар спеціалізованої О.О. Харченко вченої ради К 50.052.01

1. ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальнiсть теми. Гідрорізне обладнання знаходить все більше використання у різних галузях народного господарства завдяки широким технологічним можли-востям, відносно невисокій вартості обробки, спроможності здійснювати різання таких матеріалів, для яких традиційні методи механічного або теплового впливу малоефективні або неможливі.

Наразі виробники обладнання спрямовують зусилля на створення верстатів, які б здійснювали різання матеріалів значної товщини. Незважаючи на підвищення тиску, використання високоякісних сапфірових струминних сопел та калібрувальних трубок, забезпечення належної якості та геометричної точності крайки при прийнятній продуктивності стикається з рядом складнощів, пов'язаних переважно із тим, що струмінь рідини не є інструментом із сталими геометричними параметрами. Виникаючі відхилення форми, підвищену шорсткість та товщину деструктивного шару знижують відповідним уповільненням швидкості робочої подачі, використанням більш дрібного абразиву, частішою заміною сопел та калібрувальних трубок, що призводить до падіння ефективності обробки. Нині єдиної методології врахування особливостей взаємодії абразивно-рідинного струменя з оброблюваною заготовкою у технологічних прийомах та конструктивних рішеннях не існує, відтоді, задача забезпечення точності форми та високої якості крайки при максимально можливій продуктивності обробки залишається відкритою.

Однією із основних проблем, що виникає у виробничих умовах та являє науковий інтерес, є дослідження та опис розвитку ерозії твердого тіла під впливом двофазного потоку малого діаметра, який дозволить отримати функціональні залежності показників продуктивності та точності від властивостей оброблюваної заготовки, умов формування тонкого струменя, динамічних характеристик верстатної системи. Практичним виходом цих досліджень можуть стати принципи, технологічні та технічні рішення для забезпечення ефективної гідроабразивної обробки.

Отже, підвищення ефективності гідроабразивного різання на основі аналізу кінетики двофазного швидкоплинного потоку малого діаметра, розробка відповідних прийомів, технічних та технологічних засобів є важливою науково-практичною задачею, розв'язання якої дозволить скоротити затрати на обробку, розширити обсяги впровадження струминних технологій. Оскільки нині в Україні використовується значна кількість гідрорізальних верстатів, даний напрямок досліджень є актуальним.

Зв'язок із науковими програмами, планами, темами.

Дисертаційні дослідження виконувалися у рамках держбюджетної, госпдого-вірної та пошукової тем: фундаментальна науково-дослідна робота бюджетного фінан-сування «Розвиток теорії руйнування нових конструкційних матеріалів потужними джерелами енергії» (№13Д/06 - ВВК, 2006-2008 р., КДПУ, № держреєстрації 0106U002060); «Поліпшення експлуатаційний властивостей виробів із ПВХ-профілів за рахунок оптимізації обробних технологій» (№115/-7-ВВК-«КреміньПласт», 2007-2008 р.; КДПУ); «Розробка принципів адаптивного керування комбінованими процесами на основі струминного різання» (№ держреєстрації 0104U007025, 2004 р., КДПУ).

Мета і задачі дослідження. Метою роботи є підвищення ефективності процесу гідроабразивного різання листових матеріалів значної товщини шляхом розробки технічних, технологічних засобів та алгоритмів керування процесом на основі аналізу кінетики двофазного швидкоплинного потоку малого діаметра.

Для досягнення мети поставлено ряд задач:

1) створити узагальнену модель розвитку ерозії твердого тіла під дією двофаз-ного швидкоплинного потоку малого діаметра, отримати функціональні залежності для визначення інтенсивності ерозії заготовки двофазним швидкоплинним потоком малого диаметра в умовах відносного руху, розробити методику теоретико-експериментальних досліджень;

2) удосконалити метод 3-D візуалізації поверхні борозенки різа на основі враху-вання реального розподілу інтенсивності ерозії та зміни положення осі струменя при натіканні на перепону; визначити параметри імітаційної моделі;

3) виявити основні закономірності формування борозенки різа в процесі стру-минно-абразивного впливу та оцінити вплив технологічних факторів на стан поверхні та її геометричні параметри;

4) сформулювати принципи забезпечення ефективності гідроабразивного різан-ня, розробити прийоми, технічні засоби та алгоритми керування процесом;

5) запропонувати конструктивні та технологічні рішення, а також алгоритми керування процесом для досягнення високої ефективності гідроабразивного різання;

6) впровадити результати дисертаційних досліджень у виробництво.

Об'єктом досліджень є процес гідроабразивної ерозії та деструкції поверхнево-го шару як сукупний прояв явищ мікроабразивного різання, деформаційного зношуван-ня, гідродинамічного навантаження та руйнування твердого тіла.

Предметом досліджень є закономірності формування вирви та утворення деструктивного шару на закрайках заготовки під дією двофазного швидкоплинного потоку малого діаметра.

Методи дослідження. Роботу виконано на базі фундаментальних положень лінійної механіки руйнування твердих тіл, технічної гідромеханіки, теорії різання, тео-рії міцності та пластичності. Використано результати досліджень кавітаційного та гідроабразивного зносу твердих тіл у швидкоплинному потоці. Залучено сучасні мето-ди експериментального дослідження поверхонь: електронну растрову мікроскопію та енергодисперсійний рентгенівський мікроаналіз поверхні та поверхневого шару. Обробка експериментальних даних здійснювалася прикладними програмами: «MathCad 2000», «Statgraphics 5+». Достовірність теоретичних посилок, розробок, конструкцій інструментів та технологій підтверджена експериментами, виконаними в лабораторних та виробничих умовах.

Наукова новизна отриманих результатів.

1. Вперше на основі аналізу кінетики двофазного рідинного потоку малого діаметра отримано залежність для визначення розподілу інтенсивності ерозії перепони (оброблюваного тіла) на площинці контакту у функції часу та параметрів потоку, яка дозволяє оцінити ефективність гідроабразивного різання та встановити очікувану форму вирви та борозенки різа в цілому.

2. Із використанням положень лінійної механіки руйнування аналітично отри-мано та експериментально доведено вираз для визначення товщини деструктивного шару, що виникає на крайках заготовки під час гідроабразивного різання.

3. Отримав подальший розвиток метод 3-D візуалізації борозенки різа шляхом врахування реального розподілу інтенсивності ерозії та зміни положення осі струменя при натіканні на перепону, обчислених на основі розрахунку точок рівного імпульсу при відносному русі струменя і заготовки.

4. Досліджене явище виникнення на утворених поверхнях задирок, в яких залишається абразивний бруд. Встановлені функціональні зв'язки та отримані рівняння для визначення абразивного «забруднення» поверхонь залежно від режимів гідро- абразивного різання.

Практичне значення отриманих результатів.

1. Запропоновано принцип початкової ідентифікації технологічної системи, який полягає у визначенні відхилення осі струменя на нижній площині заготовки, отриманої із прийнятої швидкості контурної подачі для певного оброблюваного матеріалу, та наступного коригування цього параметру при обмеженнях геометричних помилок за визначеними рівняннями.

2. Розроблено алгоритм забезпечення контурної швидкості подачі, за яким точ-ність відтворення заданого контуру є найвищою.

3. Отримано ряд регресійних рівнянь для визначення прогнозних показників якості гідроабразивної обробки при прийнятому рівні продуктивності, використання яких дозволяє визначити раціональні режими ведення обробки.

4. Удосконалено алгоритм візуалізації поверхні борозенки при гідроабразивному різанні, який передбачає розрахунок перетинів вирви руйнування на основі очікуваної інтенсивності ерозії на певній ділянці перетину та враховує відхилення осі струменя за миттєвими значеннями заглиблень вирви на суміжних перетинах.

5. Сформульовано принципи забезпечення високої ефективності гідроабразив-ного різання та отримано практичні рекомендації щодо удосконалення верстата ГАР-400 НВФ «РОДЕНЬ» (м. Черкаси).

Результати роботи у вигляді експериментальних стендів для виконання лабора-торної роботи із курсу «Технологія конструкційних матеріалів» та «Фізико-технічні ме-тоди обробки у машинобудуванні» впроваджені у навчальний процес Кременчуцького державного політехнічного університету ім. М.Остроградського; на спеціалізованому дослідно-експериментальному підприємстві з випуску гідрорізного обладнання НВФ «РОДЕНЬ», де здійснене впровадження результатів дисертаційної роботи у вигляді рекомендацій та розрахункових методик, а також алгоритмів керування процесом струминного різання.

Особистий внесок здобувача. Усі основні результати дисертації отримані автором самостійно. Результати досліджень, виконаних у співавторстві, отримані при безпосередній участі дисертанта на усіх етапах роботи. Здобувачем особисто сформульовано наукові положення роботи, наведено технологічні та технічні рішення, алгоритми керування, використання яких дозволяє суттєво підвищити ефективність обробки, її якість та знизити собівартість; удосконалення методу 3-D візуалізації борозенки різа дозволило створити окремий програмний продукт.

Апробація результатів роботи. Основні результати роботи доповідалися та обговорювалися на конференціях: науково-технічній конференції «Проблеми створення нових машин та технологій» (м. Кременчук, КДПУ, 2007 та 2008 р.р.); Всеукраїнській науково-технічній конференції «Фізичні процеси та поля технічних і біологічних об'єктів» (м.Кременчук, КДПУ, 2007, 2008 р.р.); Міжнародній науково-технічній конференції «Машинобудування та техносфера ХХІ століття» (м.Севастополь, ДонНТУ, 2007 та 2008 р.р.); щорічній науково-технічній конференції Асоціації спеціалістів промислової гідравліки та пневматики (м.Київ, НАУ, 2008 р.).

Публікації. За результатами дисертаційних досліджень опубліковано 12 друкованих праць, у тому числі, у фахових виданнях, затверджених ВАК України - 7; тез доповідей - 5.

Структура і обсяг роботи. Дисертаційна робота складається із вступу, п'яти розділів, загальних висновків, переліку використаних джерел і посилань із 178 найменувань. Обсяг дисертації - 144 сторінки. В роботу включено 72 рисунка (51 сторінка), 33 таблиці, список використаних джерел літератури з 178 найменувань на 18 сторінках, додатки на 5 сторінках.

2. ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтовано актуальність роботи, сформульовано мету, об'єкт, пред-мет дослідження і задачі, які автор розв'язує у роботі. Окреслено наукову новизну та практичне значення отриманих результатів. Подано відомості про апробацію, публі-кації та структуру дисертаційної роботи.

У першому розділі проведено аналіз та узагальнення наукових праць з питань дослідження процесу гідроабразивного різання конструкційних матеріалів. Обґрунто-вано доцільність досліджень розвитку ерозії твердого тіла під дією двофазного потоку малого діаметра, виявлення закономірностей утворення нових поверхонь крайки, висві-тлено задачу, яка являє науковий інтерес. Проаналізовано підходи до проблеми забез-печення ефективності гідроабразивного різання, існуючі системи керування обробкою, систематизовано методику експериментальних досліджень, застосовувану провідними фахівцями нашої країни та зарубіжжя.

Показано, що струминній та струминно-абразивній обробці, зокрема, різанню листових неметалевих матеріалів присвячена велика кількість робіт як закордонних, так і вітчизняних науковців, серед яких найбільш систематизованими є праці J.Bitter, P.Bridgmann, P.Engel, M.Hashish, H.Arasawa, I.Finnie, M.Halter, R. Koladychz, Kozo Koshi, M. Mazurkiewicz, K.Yamamoto, М.Дюплессі, І.Петка, О.Проволоцького, Ю.Клапцова, Ю.Пономарьова, В.Слободяника, В.Струтинського, О.Саленка, О.Антоненка, Р.Тихомірова та ін. Формування струменів малих діаметрів, а також двофазних потоків досліджували I.Daniel, L.Tutluoglu, M.Hood, С.Barton, О.Яхно, В.Струтинський, В.Бадах, В.Гейчук, Н.Семінська. Головною задачею більшості дослід-жень було виявлення закономірностей процесів струминної або струминно-абразивної ерозії швидкоплинним потоком малого діаметра, зокрема, встановлення функціональ-них зв`язків між технологічними режимами, властивостями оброблюваних матеріалів та обсягом зйому. Питання якості отриманих крайок у більшості випадків залишилися поза увагою дослідників: результати окремих досліджень (зокрема, О.Проволоцького та M.Hashish) носять частковий характер і не можуть використовуватися у практичній діяльності. Отже, можна стверджувати, що нині механізм виникнення дефектів на край-ках не розкрито, а самі моделі гідроабразивного різання побудовані переважно для випадку квазістаціонарної постановки задачі.

Зроблено висновок про доцільність розв'язання задачі підвищення ефективності гідрабразивних технологій на основі аналізу кінетики струминно-абразивного потоку як під час його формування, так і у момент контакту з перепоною, якою постає оброблюване тіло.

У другому розділі розглянуто взаємодію двофазного швидкоплинного потоку малого діаметра з оброблюваним тілом, наведено обґрунтування методики проведення комплексу теоретико-експериментальних досліджень.

При різанні листових заготовок гідроабразивним струменем малого діаметра виникає ряд дефектів, які умовно можна поділити на такі групи: мікрогеометричні дефекти крайки та поверхонь різа; відхилення форми; дефекти структури (виникнення деструктивного шару на поверхнях різання); інші дефекти (утворення оксидно-гідроксидних сполук при різанні металевих заготовок). Причиною виникнення дефектів є здатність швидкоплинного струминного потоку малого діаметра, насиченого абразивними частинками, вибірково оминати перепони, змінювати форму та напрямок руху, змінювати власну різальну спроможність при зношенні сопла та калібрувальної трубки, при зміні фракційності абразиву. Відсутність відомостей щодо впливу технологічних факторів, параметрів струминного потоку на процес гідроабразивного різання, та, відповідно, на формування поверхневого шару, призводить до необхідності виконання додаткових оздоблювальних операцій, які інколи виключають, знижуючи швидкість робочої подачі та фракційність абразиву, збільшуючи діаметр калібрувальної трубки. Оскільки для більшості оброблюваних матеріалів продуктивність та якість обробки знаходяться у протиріччі одне до одного, задачу забезпечення ефективності гідроабразивного різання розглянуто з точки зору досягнення максимальної продуктив-ності при накладенні обмежень геометричної точності та якості крайки (виключення або зниження до потрібного рівня виникаючих дефектів). При відомій собівартості операцій гідроабразивного різання С та оздоблювальної (для отриманих крайок) Со зниження продуктивності гідроабразивного різання не повинне перевищувати величини, де s - швидкість контурної подачі при різанні, мм/хв, soz - швидкість подачі при оздоблюванні крайки, мм/хв.

Оскільки усі відомі моделі процесу струминно-абразивного різання базувалися на принципі оцінки руйнування «контрольного обсягу» - кількості матеріалу для отримання наскрізного різу без урахування його геометричних параметрів, виникає необхідність у розробці нового математичного опису розвитку вирви руйнування та переростання її у борозенку різа, за яким ці параметри були б визначені без складнощів.

Встановлено, що виникнення борозенки різа та формування поверхневого шару крайки відбувається як результат взаємодії кількох процесів, інтенсивність та вага яких у загальному обсязі виконуваної роботи руйнування обумовлюється властивостями оброблюваної заготовки. Такими процесами є гідродинамічні процеси у струмені, процеси деформаційного руйнуваня та мікромеханічного різання у зоні обробки.

Кінетична енергія робочого середовища на виході з калібрувальної трубки

,

де - маса абразивних частинок, що припадають на певний елементарний обсяг розміром ; - маса рідини того ж обсягу; - втрати енергії на подолання сил опору середовища; - втрати енергії на подолання сил тертя та турбуленцію струменя. З урахуванням зазначеного Ю. Клапцовим припущення щодо рівномірного розподілу швидкостей абразивних частинок за перетином калібрувальної трубки, швидкість визначиться рівнянням

за умови прийняття ефективного діаметра струменя de у безрозмірному вигляді

,

де dn - плинний діаметр на відстані Х при довжині ядра Хс. У формулі- площа перетину струменя, мм2; - масова витрата абразиву, кг/с; - тиск перед струминним соплом, Па; - щільність рідини, кг/м3.

Енергія (1) витрачатиметься на виконання елементарної роботи а, Дж/кг, деформування та руйнування оброблюваного матеріалу:

.

Для визначення обсягу руйнування встановимо кількість актів взаємодії абразивної частинки з поверхнею. Експериментальні дослідження ряду авторів доводять, що розподіл мас частинок абразиву за перетином струменя підкоряється закону

,

де , - центри розсіювання (математичні сподівання) по осях ОХ та ОY відповід-но; , - середні квадратичні відхилення; х, у - плинні координати.

Скориставшись поняттям потоку маси, запропонованими З.А.Стоцьком, маємо вирази для визначення кількості маси робочого середовища, яка потрапляє на оброблювану поверхню площею f за певний час t для випадку потрапляння на плоску нормально орієнтовану поверхню

,

де

- ймовірність потрапляння частинки абразиву на ділянку площиною D (рис. 1).

Прийнявши припущення про малість кутів атаки та про відсутність суттєвого впливу рідинної складової на процеси руйнування, а також нехтуючи роботою деформування, обсяг вилученого матеріалу за одиничний акт взаємодії визначимо за теоретико-емпіричними залежностями, отриманими M.Hashish та удосконаленими М.Мануелом: глибина лунки п та її довжина а, мм, становитиме

;

,

де m - маса абразивної частинки, кг; vn, va - нормальна та тангенційна складова швидкості удару частки з оброблюваною поверхнею, м/с; Ra, HB, b - параметри шорсткості, твердості та міцності поверхні; zn - зернистість абразивних часток; Tp - постійна, що враховує інерційність процесу мікрорізання; kn, ka - постійні коефіцієнти.

Прийнявши, що для кулькового сегменту обсяг

де R - радіус абразивної частинки; а для циліндричної ділянки

,

загальний обсяг вилученого матеріалу становитиме

.

Переміщення струминно-абразивної головки можливе тоді, коли з оброблюваної поверхні - фронту борозенки різання - буде знято шар матеріалу, обсяг якого дорівнює обсягу фігури між двома послідовно розташованими циліндрами.

Зважаючи на те, що пошукова площа контакту f струменя з оброблюваною заго-товкою являє собою малу смугу шириною l, причому, з урахуванням , , довжиною 2Rс, мм (за умови постійної швидкості руху), h - товщина оброблюваного матеріалу, мм, а ймовірність потрапляння частинок до площини різа наближається до (внаслідок використання калібрувальної трубки, у якій струминно-абразивний потік фокусується і впорядковується), вираз (4) набуває вигляду:

.

Обсяг вилученого матеріалу пакетом абразивних частинок дорівнюватиме , мм3/с, де - кількість актів взаємодії, тобто по площині фронту борозенки різа протягом часу інтегрування зніметься шар обсягом

.

Рідинна складова потоку, не виконуючи безпосередньо суттєвої роботи руйнування, відхиляє струмінь на певний кут, який на основі положень гідромеханіки складає

при зміщенні і-тої точки рівного імпульсу у відповідних напрямках y та z на величину , де - координата, вимірювана уздовж фронту натікання, х - плинна відстань від поверхні натікання в площині АВСО.

Деструктивний шар на заготовках із різних типів матеріалів має суттєві від-мінності: у крихких та квазікрихких матеріалах виникають сколювання, тріщи-нуватість; композитам властиве розшарування та тріщиноутворення на елементах ком-позиту; на поверхнях поділу пружно-пластичних матеріалів, залежно від інших фізико-механічних властивостей, виникає пластично-деформований шар.

Для крихких матеріалів абразивні частинки виконують не тільки роботу руйнування, а і створюють циклічне навантаження мікровиступів (або окремих складових композиту), внаслідок чого виникають і розвиваються мікротріщини. Врахування зазначених чинників виконували з використанням основних положень лінійної механіки руйнування. Оскільки спрощене рівняння розвитку тріщини при циклічному навантаженні має вигляд ,його інтегрування та перетво-рення дозволяють пов'язати кількість циклів навантаження N з відносним розміром виниклої тріщини: , де ; , де a0 - початкова довжина тріщини; ас - її плинний розмір (критичний до моменту розгалуження); - густина матеріалу; n, c - константи матеріалу; - мікронапру-ження, визначені за залежністю ; причому l,b - геометричні характеристики мікровиступу. Кількість циклів навантаження обумовлюється кількістю потрапляння абразивних частинок на поверхню борозенки різа за час t, протягом якого струмінь переміститься на величину власного діаметра. Тоді на елемент поверхні потрапить кількість частинок з математичним очікуванням , а вираз набуває вигляду , де sk - швидкість контурної подачі. Отже, довжина тріщини становить

Зростання тріщини без розгалудження відбуватиметься доти, доки різниця вивільненої енергії G та енергії опору розвитку тріщини R не сягне критичного значення. Надання струменю поступової подачі призводить до переміщення центру впливу, однак значних стискуючих напружень крайки не сприймають. Відтоді створюються умови для розвитку сітки магістральних нерозгалуджених тріщин, які можуть припинити зростання після виходу із зони контакту з потоком за умови, що рідинна складова двофазного потоку, не викличе появу у верхівках тріщин напружень, що перевищують межу міцності матеріалу, тобто у разі, коли струмінь вільно стікає з фронту борозенки різа. Накопичення тріщин та їхній розвиток, що призводить до зміни фізико-механічних властивостей, врахуємо відповідним коефіцієнтом , відтоді товщина деструктивного шару на крайках буде:

Рівняння (5) дозволяє зробити ряд висновків. 1) Зростання площі контакту двофазного потоку із оброблюваним матеріалом (обумовлене ) призводить до пропорційного збільшення обсягу вилучення. Зважаючи на те, що при обробці намагаються діаметр отвору калібрувальної трубки зменшувати, відповідне збільшення продуктивності різання можливе за умови зростання кута . 2) Збільшення витрати абразиву викликає пропорційне зростання обсягу руйнування, однак у той же час відбувається зменшення швидкості струминного потоку, і частинки втрачають кінетичну енергію, оскільки передача енергії при введенні абразиву із va 0, супроводжується втратами енергії, пропорційними витраті абразиву, який піддали розгону. Отже, поверхня матеріалів із вираженими пружно-пластичними властивостями та низькою міцністю НВ може мати задирки, в яких можливе утримання залишків абразиву. 3) Зміна маси абразивного зерна призводить до змін геометричних параметрів лунки, виниклої від одиничного акту взаємодії.

Оскільки довжина та глибина штрихів обумовлюється топографією поверхні, вираженою через узагальнюючий параметр Ra, який у той же час обумовлюється рядом інших факторів, виникає необхідність у експериментальному визначенні цього параметру та у виявленні відповідних функціональних зв'язків. Також потребують експериментального визначення параметри закону розподілу ймовірності потрапляння частинок на перепону - оброблювану поверхню (х у).

Розроблено методику проведення досліджень із використанням створеної моделі, методу візуалізації борозеки різа та методики топографування поверхні дослідних зразків за допомогою растрової електронної мікроскопії із дослідженням стану поверхні енергодисперсійним рентгенівським мікроаналізом.

У третьому розділі виконано ідентифікацію параметрів розподілу х у; вивчено фракційність абразиву та розсіювання мас зерен; оцінено рівень шорсткості поверхні у зоні струминно-абразивного впливу Ra; встановлено функціональні зв'язки технологічних факторів, параметрів обробної системи та властивостей матеріалів з показниками деструктивного шару та точності відтворення контуру різа, що дозволило довести механізм розвитку вирви струминно-абразивного різання та утворення деструктивного шару на поверхнях з плином часу.

При плануванні дослідів та виборі межових значень контрольованих параметрів базувалися на рекомендаціях виробника. Максимальний тиск технологічної рідини становив р = 320 МПа, швидкість контурної подачі забезпечувалася стандартними алго-ритмами. У якості абразиву використовували кварцовий річковий пісок та гранатовий пісок. Контроль зразків отриманих поверхонь здійснювали за допомогою електронного мікроскопу РЕМ-106, вивчаючи топографію поверхні та вимірюючи певні величини за допомогою електронних мірильних інструментів.

Установлено, що процеси мікрорізання та руйнування, обумовленого деформа-ційним зношенням, внаслідок яких відбувається формування закрайки контуру різу, відрізняються для металів і неметалів. Різання неметалевих, зокрема, композитних матеріалів, відбувається значною мірою із дією водяної компоненти струменя. Боро-зенки від дії абразивних зерен виражені слабко, на торцях спостерігається значна кількість шламу із армувальних волокон (рис. 2, а). Металеві зразки характеризуються чіткими рисками мікрорізання, на поверхнях спостерігаються задирки розмірами, порівняними із розмірами абразивних зерен (рис. 2, б). Як для пластиків, так і для мета-лів переміщення від верхньої площини заготовки до нижньої супроводжується значним зростанням шорсткості та хвилястості. Для заготовок товщиною до 5 мм хвилястість становить 1,0…1,2 мм, для заготовок товщиною 10…15 мм відповідно - 1,5…1,8 мм. Остання чітко видна навіть на звичайних оптичних фотографіях заготовок із неметалевих матеріалів.

Усереднення даних вимірів параметру шорсткості поверхонь дозволило встановити відповідні значення Ra для кожного з матеріалів: Сталі низьколеговані та чорні (сталь 40Х) - Ra 152,5 мкм; Сталі високолеговані, неіржавіючі (сталь Х18Н10Т) - Ra 202,5 мкм; Плексиглас - Ra 122,0 мкм; Склотекстоліт (КАСТ-В) - Ra 102,0; Склопластик (СВА) - Ra 102,0 мкм.

Експериментально доведено, що зменшення шорсткості можна досягти як за рахунок зменшення швидкості контурної подачі sk, так і за рахунок використання абра-зиву меншої фракції ba (зернистості z). Варіювання масовою витратою абразиву ma доцільне тільки у випадку різання неметалів, оскільки існує чітко виражений екстре-мум, пов'язаний із складним механізмом формування мікрогеометрії поверхневого шару заготовки. Оскільки шорсткість поверхні за перетином товстих (понад 5 мм) листових заготовок збільшується до нижньої крайки, запропоновано у виразі для п та а використовувати усереднене значення ; , визначених за прийнятими технологічними факторами.

Було вивчено фракційний склад абразивів, які промислово використовуються на підприємствах із встановленим гідрорізним обладнанням. Відповідно до сертифікату піски (річний вітчизняний та гранатовий виробництва Bengay Garnet Heavi Minerals (Індія)) мають визначену фракційність. Зазвичай використовуються піски з фракцією 0,09 мм, 0,12 мм, 0,22 мм. Установлено, що сертифікований гранатовий пісок має більш виражену гранність, крайки переважно є гострокутовими, з малим заокругленням на верхівці. Таке заокруглення не перевищує 5 мкм, що значно підвищує різальну властивість частинки абразиву. Вивчення фракційності довело, що розсіювання розмірів частинок відповідає закону нормального розподілу.

У порівнянні з вітчизняним річковим піском розсіювання розмірів абразивних частинок гранату є меншим, ргр = 25 мкм, у той час як для річкового піску рр =39 мкм, відтоді слід очікувати від гранатового піску не тільки більш стабільну топографію поверхні зони різання, а і більшу надійність різу, пов'язану із несталістю масової витра-ти абразиву внаслідок значного розсіювання розмірів частинок і можливості залипання трубки подачі. ерозія заготовка борозенка абразивний

Незважаючи на нормованість розмірів частинок (фракція 0,22 мм) для гранато-вого піску відхилення на досліджуваному зразку становило 0,14…0,29 мм; для річко-вого відповідно - 0,11…0,27 мм. Таким чином, для забезпечення стабільності роботи гідроабразивної головки слід використовувати гранатовий абразив; при використанні вітчизняного абразиву фракцією 0,22 мм можливі значні періодичні зміни різальної властивості потоку із відповідним погіршенням якості обробки.

Для визначення параметрів розподілу частинок абразиву за перетином струминного потоку малого діаметра Dk виконано дослідження дзеркальної (з рівнем шорсткості Ra 0,08 мкм) металевої поверхні, на яку здійснено струминний вплив протягом фіксованого часу, встановлюваного перебивачем потоку із часом спрацю-вання 0,05…0,20 с. Переривач потоку пневматичний, обертового типу із вікном, розміри якого забезпечують певний час ( = 0,05с) експонування дослідного зразка. Експонування виконувалося до повного прорізання заготовки товщиною h = 2,0 мм, із витримкою 0,5 с.

Технологічні режими роботи обладнання: рb = 320 МПа, Dk = 1,20 мм, абразив - пісок гранатовий із витратою 0,5 кг/хв., фракційність абразиву - 0,12 мм, відстань від зрізу калібрувальної трубки до поверхні зразка - 25 мм (оптимальна з точки зору максимальної потужності двофазного потоку малого діаметра). Після впливу зразок промивали у проточній воді та досліджували засобами електронної мікроскопії (при кратності х600), за якої чітко спостерігалися місця контакту зерен з поверхнею.

Центр групування по обох осях склав відповідно -0,003 та 0,010 мм, що порівню-ється із точністю вимірів (10 мкм). Перевірка вибірки щодо нормальності розподілення точок контакту з оброблюваною поверхнею за допомогою 2-критерію Пірсона для 6 обраних інтервалів розмірами по 0,2 мм підтвердила нормальність розподілу, оскільки для кількості ступенів вільності f = 6 - 1 = 5 та = 0,05, 2таб = 11,07 і перевищує 2х = 6,89 та 2у = 9,23. Отже, в математичній моделі (5) при рівні значимості = 0,05 можна користатися законом нормального розподілу.

Електронна мікроскопія дозволила установити, що при безпосередньому наті-канні руйнування відбувається переважно за рахунок ефектів як мікрорізання, так і деформаційного зносу, що взагалі відповідає міркуванням А.Кіношити та M.Hashish. У подальшому, після виникнення наскрізного прорізання, топографія поверхні різко змі-нюється, і на поверхні спостерігаються довгі штрихи, характерні для мікрорізання. Внаслідок цього реальний розмір вирви перевищує діаметр калібрувальної трубки і для Dk = 1,2 мм становить 1,62…1,65 мм (в цілому це відповідає 6-інтервалу розподілу то-чок потрапляння частинок на оброблювану поверхню. Конусність борозенки обумовле-на нерівномірним розподілом енергетичних параметрів струменя; зазвичай вона зникає після витримки струменя в нерухомому стані протягом 2…3 с.

Таким чином, проведені дослідження дозволили не тільки визначити параметри моделі х = у = 0,206 мм, а і підтвердити припущення щодо превалючої дії ефектів мікрорізання в процесі ерозії у разі виконання обробки з поздовжньою подачею sk.

Перевірку рівняння (7) здійснювали шляхом випробування зразків на розривній машині мод. P-20, порівнюючи товщину деструктивного шару (7) з експериментально визначеною , де b - ширина перетину зразка, Рр Р'р - зусилля руйнування зразка без деструктивного шару та отриманого гідроібразивним різанням відповідно.

Еталонні зразки готовили при механічній обробці (кінцевими фрезами 10 мм, Р6М5), перемичку виконували у розмір 5 мм, при цьому механічним способом забезпе-чували ІТ8 (). Гідроабразивні зразки вирізали за один прохід. Аналіз отриманих результатів показав таке. Помилка вимірів критичного навантаження Р як еталонних зразків, так і дослідних, не перевищує 5%, промахи відсутні; відхилення розрахункової величини від експериментального значення становить 3-5%, є однаковим для двох досліджуваних матеріалів і обумовлюється, швидше за все, неврахованістю накопиче-них пошкоджень, (коефіцієнтом ). Товщина деструктивного шару при різанні матері-алу КАСТ-В становить 0,45…0,60 мм.

Досліджено забрудненість поверхні крайки залишками абразиву.

Наявність частинок абразиву на поверхні є небажаною, оскільки кожна така час-тинка є вологою, а зона мікрорізання, в якій частина розташована, володіє надлишком енергії, що призводить до виникнення і швидкого поширення процесу окислення. Тобто у металічних зразках зони, в яких знаходяться частинки абразиву, є центрами корозії.

Аналіз виконували на квадратних ділянках поверхні площею в 5,25 мм2. При цьому підраховували кількість частинок, що потрапляла на цю ділянку. Для досліджен-ня брали зразки товщиною 5,0 мм; 7,5 мм; 10,0 мм; 20,0 мм. У якості змінних парамет-рів застосовували такі: тиск рідини рb, МПа; діаметр калібрувальної трубки Dk, мм; швидкість робочої подачі v, мм/с; кут стікання рідини з поверхні бв.

В результаті статистичної обробки даних установлено: для всіх досліджуваних матеріалів спостерігається стійка тенденція збільшення кількості включень на верхній та нижній частинах закрайки, яка для різних матеріалів може становити від N = 20…60 до N = 500…700. Найбільша кількість включень спостерігається в композиті СВА, що пояснюється шарувато-волокнистою структурою, і, як наслідок, складністю вимивання частинок абразиву відпрацьованим потоком рідини. Також можна дійти висновку, що у більш в'язких матеріалів кількість занурених частинок більша.

Четвертий розділ присвячено удосконаленню метода 3-D візуалізації борозенки різа, за допомогою якого проведено ряд модельних експериментів.

Зазначене удосконалення полягає у тому, що за кількістю актів взаємодії на основі ймовірнісних параметрів виконується розрахунок заглиблень потоку у кожній точці перетину, що дозволяє більш точно враховувати динаміку зміни геометричних параметрів вирви, та також врахування відхилень струминного потоку малого діаметра під час мікрорізання та деформаційного зношування оброблюваного тіла, обчислених на основі розрахунку точок рівного імпульсу при відносному русі струменя і заготовки. На рис. 3 подано розподіл кінетичної енергії, що виконує корисну роботу мікрорізання.

Виконано перевірку адекватності математичної моделі, проведено серію модельних експериментів багатофакторної лінійної регресії, яка охоплювала основні технологічні фактори та властивості оброблюваного матеріалу. З цією метою згенеровано композиційний план Плакета-Бермана виду 243/8, який дозволив для виділених 4 значущих факторів виявити регресійні коефіцієнти впливу на кінцевий показник якості обробки, яким було обрано помилку 0. Зміна досліджуваних факторів здійснювалася на двох рівнях (+1 та -1).

Доведено, що суттєво на точність впливає як діа-метр струминно-абразивного потоку (зі зростанням Da «жорсткість» струменя збільшується, а помилка скорочується) так і швидкість контурної подачі (зростання sk негативно позначається на якості різу). Вплив інших чинників на процес значно менший, відтоді, з прийнятною точністю рівняння може бути приведене до вигляду . Аналогічні рівняння отримані для матеріалів: Сталь 40Х: ; Сталь Х18Н10Т: ,СВА:; КАСТ-В:.

Оскільки характер зміни міцності оброблюваних матеріалів неоднаково впливає на контрольований показник, отримати єдину формулу не вдалося.

Таким чином, досягнення високої ефективності процесу струминно-абразивного різання є можливим за умови використання калібрувальних трубок мінімального діаме-тра із одночасним коригуванням швидкості робочої подачі за умови, що зниження цієї швидкості не призведе до падіння продуктивності більше, ніж на , причому між параметром питомої кінетичної енергії струминного потоку та контро-льованим показником якості існує тісний кореляцйний зв'язок з R = 0,94. Перерахунок рівнів кінетичної енергії та виміряних помилок відтворення контуру для заготовок із плексигласу товщиною h = 15,0 мм дозволив визначити також і коефіцієнт пропорцій-ності: Сk = 0,278.

У п'ятому розділі описані технічні рішення з удосконалення елементів гідрорізних верстатів та алгоритмів керування робочими органами для поліпшення ефективності процесу.

Розроблено, реалізовано та випробувано елементи комп'ютеризованої системи керування, сукупність яких дозволяє виконувати початкову ідентифікацію технологіч-ної обробної системи та на основі отриманих результатів виконувати коригування режимів різання, забезпечуючи її максимально досяжну продуктивність при обмежен-нях за показниками геометричної точності борозенки різа.

Сутність початкової ідентифікації пояснює рис 4. Оброблювана заготовка вста-новлюється на стіл так, щоб спиратися на кутові базові упори. Контакт із упорами дозволяє прив'язати систему координат XOYZ заготовки із початком координат робо-чого столу, і, відповідно, нульовою точкою гідроабразивної головки. Відведена у поча-тковий момент часу, остання починає рухатися униз до тих пір, поки щуп не зафіксує контакту із оброблюваною поверхнею. При цьому рух головки припиняється, а з датчика зворотного зв'язку зчитується координата z, яка дозволяє визначити товщину заготовки , мм.

Далі, за обраним оброблюваним матеріалом та визначеною товщиною h на основі отриманих моделей розраховується значення контурної подачі skmax, яку задають, виконуючи пробне різання від кінцевої закрайки заготовки. Рух подачі здійснюється доти, доки встановлений під заготовкою на відстані l0 від початку системи координат датчик не зафіксує появу стічного струменя. У цьому випадку відхилення осі струменя (помилка) визначається як , де - час різання заготовки до спрацювання датчика, с. Порівняння величини 0, мм, отриманої під час тестового різа, із допустимим значенням дозволяє виконати відповідне коригування режимів обробки.

Оскільки параметрами для забезпечення умов керування є швидкість контурної подачі sk та витрата абразиву , виконується обчислення пріоритетів керування, і за одним із них (наприклад, швидкістю sk) розраховується реальне значення цього чинни-ка, виходячи з моделі :

, .

Після ідентифікації установлюється нове значення контурної швидкості і обробка ведеться без зворотного зв'язку.

Оскільки використання запропонованої моделі стикається із рядом складнощів щодо визначення великої кількості параметрів, які носять ймовірнісний характер, з метою отримання спрощених регресійних моделей виду проведено комплекс експериментальних досліджень з отримання керуючих регресійних моделей.

Типізовано ділянки контуру різа та показано, що для усіх ділянок величина 0 залежить від відхилення осі струменя, визначається цим відхиленням і разом із гео-метричними параметрами заготовки та її фізико-механічними властивостями одно-значно визначає інші параметри: ширину різу, допуск на ширину тощо. Дослідженнями установлено, що суттєві помилки виникають для заготовок товщиною понад 5 мм для матеріалів з т 30…50 МПа та понад 2,5 мм для т 50 МПа. Відхилення осі струменя спричиняє відмінність 0 при різних змінах напрямку руху струменя. Відхилення на новій ділянці більші за попередні при обходженні гострих кутів (до 40%) та менші за попередні при обходженні тупих кутів (до 50%). У той же час, 0 не залежить від елементу траєкторії. Зі збільшенням діаметру калібрувальної трубки Da помилка 0 зменшується.

Установлено, що для певних dc, Da існує оптимальна витрата , при якій досягається максимальна «жорсткість» струменя. Існування оптимуму можна пояснити зростанням різальної спроможності струменя при збільшенні та одночасним змен-шенням компактності, і, відповідно, концентрації кінетичної енергії у точці натікання. Різнонаправлена дія зазначених факторів і обумовлює наявність екстремуму. Отже, регулювання процесу зміною витрати абразиву є недоцільним.

Доведено, що 0 пропорційна швидкості контурної подачі, отже, підвищення точності відтворення контуру на елементах траєкторії вбачається у зниженні швидкості контурної подачі (рис. 5, швидкість відносна).

Параметр 0 залежить від кута зміни напрямку руху струменя: якщо між новою гілкою та попередньою кут тупий, помилка зменшується, і навпаки, гострі кути збіль-шують помилку. Із задовільною точністю (R = 0,95) залежність описується лінійною моделлю , де кут повороту ц задається у градусах, ц < 1800. Суттєвої розбіжності між помилками різних елементів траєкторій не виявлено.

Приймаючи до уваги те, що досліди виконувалися без гальмування приводів по-дач при підході до точки зміни напрямку руху, побудували залежність різницi , де 0k - помилка кінцева; 0n - помилка початкова. Із рівнем точності 0,9 залежність описує лінійне рівняння . Подані рівняння мають практично однакові коефіцієнти при ц, що свідчить про тотожність функціональної залежності від ц.

Приведене також економічне обґрунтування пропонованої системи попередньої ідентифікації.

ВИСНОВКИ

У дисертаційній роботі наведене теоретичне узагальнення і нове вирішення науково-технічної задачі підвищення ефективності гідроабразивного різання на роз-крійних верстатах, яке вбачається у створенні на основі аналізу кінетики двофазного струминного потоку сукупності засобів для виконання ідентифікації гідрорізної системи, що дозволяє задати раціональні режими ведення обробки з максимальною продуктивністю та обмеженнями по точності.

За результатами дисертаційної роботи сформульовано такі висновки.

1. Запропонований новий підхід до побудови моделі процесу, який базується на оцінці енергії потоку абразивних частинок у конкретній точці поверхні оброблюваної заготовки, що дає змогу за цим параметром і за напрямком руху частинки (з урахуван-ням напрямку і швидкості робочої подачі) оцінити зняття матеріалу від одиничного акту взаємодії. Поширюючи міркування на потік абразивних частинок, запропоновано залежність для визначення інтенсивності ерозії твердого тіла та обсягу отриманої борозенки різа. Із використанням лінійної механіки руйнування отримано залежність для визначення товщини деструктивного шару. Розроблено методику досліджень, яка

базується на використанні методу 3-D візуалізації борозенки різа та растрового топографування поверхні за допомогою електронної мікроскопії.

2. Удосконалено метод 3-D візуалізації шляхом врахування реального розподілу інтенсивності ерозії та зміни положення осі струменя при натіканні на перепону, обчислених на основі розрахунку точок рівного імпульсу при відносному русі струменя і заготовки. Експериментально перевірено створену модель та виконано визначення її параметрів. Проведені розрахунки дозволили визначити вплив технологічних факторів і параметрів обробки на топографію утворюваних поверхонь, накреслити напрямок подальших експериментальних досліджень.

3. Встановлено основні закономірності формування борозенки різа. Доведено, що для оцінки точності відтворення заданої форми найбільш інформативним є параметр 0 - помилка відтворення профілю на нижній поверхні заготовки, яка залежить від вигину осі струменя, визначається ним і разом із геометричними параметрами заготовки та її фізико-механічними властивостями однозначно визначає інші параметри: ширину різу, допуск на ширину тощо. Вигин осі струменя та відповідна помилка залежить як від ряду технологічних факторів, так і від фізико-механічних властивостей оброблюваної заготовки. Дослідженнями установлено, що суттєві помилки виникають для заготовок товщиною понад 5 мм для матеріалів з т 30…50 МПа та понад 2,5 мм для т 50 МПа. Вигин струменя спричиняє різну помилку відтворення контуру при різних змінах напрямку руху струменя. Відхилення на новій ділянці більші за попередні при обходженні гострих кутів (до 40%) та менші за попередні при обходженні тупих кутів (до 50%). У той же час величина помилки не залежить від елементу траєкторії. Зі збільшенням діаметру калібрувальної трубки Da помилка 0 зменшується. Помилка 0 пропорційна швидкості контурної подачі, отже, підвищення точності відтворення контуру на елементах траєкторії вбачається у гальмуванні робочого органу при виході у точку зміни напрямку за певним законом.

4. Сформульовано принципи забезпечення ефективного гідроабразивного різання. Досягнення мінімальних відхилень можливе коригуванням витрати абразиву та відповідною зміною швидкості робочої подачі. Однак установлено, що для певних dc, Da існує оптимальна витрата , при якій досягається максимальна «жорсткість» струменя. Ця умовна «жорсткість» пропорційна діаметру струменя у 3 ступені, відтоді незначне збільшення цього чинника підвищує точність відтворення контуру, у той же час зменшуючи енергетичну ефективність процесу. Таким чином, головним парамет-ром керування постає швидкість контурної подачі, для якої визначено економічно доцільні межі змін.

5. Оскільки геометричну точність крайки обумовлює ряд факторів, що носять випадковий характер, запропоновано виконувати початкову ідентифікацію техноло-гічної системи шляхом використання ряду елементів, сумісна робота яких забезпечу-ється оригінальними алгоритмом, а її задача полягає у визначенні такої швидкості контурного руху, при якій відхилення струменя, отриманого на максимальній швид-кості контурної подачі для певного оброблюваного матеріалу, не викличе появу гео-метричних похибок, що перевищують встановлений рівень.

6. Подано економічне обґрунтування запропонованих нових технічних рішень, впроваджених у діюче виробництво на серійні гідроабразивні верстати ГАР-400 (м. Че-ркаси, НВФ «РОДЕНЬ»).

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Some aspects of composite materials hydro jetting from the point of the Linear Mechanic Destruction / A.F. Salenko, V.G. Docenko, A.V. Fomovskaya , A.N. Mana / Journal of the Technical University og Gabrovo, 2008. - Vol.6. - P.23-33. (Здобувач наводить формалізовану модель розвитку борозенки різа при гідроабразивному впливі).

2. Фомовська О.В. Візуалізація формоутворення при гідроабразивному різанні на основі енергетичних моделей руйнування // Вісник КДПУ ім. М.Остроградського. - Кременчук: КДПУ, 2009. - Bип. 2. Ч.1. - С. 27-31.

3. Саленко О.Ф. Підвищення якості різу листових матеріалів гідроабразивним струме-нем малого діаметра / О.Ф. Саленко, О.В. Фомовська, В.Г. Доценко //Високі тех.-нології в машинобудуванні. Збірник наукових праць НТУ «ХПІ».- Харків, 2008. Вип.2 - С. 115-124. (Подаються отримані особисто здобувачем результати екс-периментальних досліджень формування мікрорельєфу поверхні після струминного впливу).

4. Саленко А.Ф. Качество обработки материалов гидроабразивной струей/ А.Ф. Саленко, Е.В. Фомовская // Оборудование и інструмент. - Харьков, 2008. - №6. - С. 92-95. (Здобувачем розроблені рекомендації щодо поліпшення геометричної точності відтворення заданої форми).

5. Саленко О.Ф. Перспективи ринку обладнання для листової обробки /О.Ф. Саленко, О.В. Фомовська // Вісник КДПУ ім. М.Остроградського. - Кременчук: КДПУ, 2008. - Bип. 6 (48).- С. 45-50. (Особисто здобувачем запропоноване конструктив-не рішення технічного пристрою для поліпшення геометричної точності загото-вок, отриманих гідроабразивним різанням).