Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
НАЦІОНАЛЬНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ УКРАЇНИ
“КИЇВСЬКИЙ ПОЛІТЕХНІЧНИЙ ІНСТИТУТ”
САЛЕНКО Олександр Федорович
УДК 621. 91.005
НАУКОВІ ОСНОВИ ВИСОКОЕФЕКТИВНОГО ГІДРОРІЗАННЯ ТОНКОСТІННИХ ВИРОБІВ
З НЕМЕТАЛЕВИХ КОМПОЗИТІВ
Спеціальність 05.03.07 –Процеси фізико-
технічної обробки
АВТОРЕФЕРАТ
дисертації на здобуття наукового ступеня
доктора технічних наук
Київ –2
Дисертацією є рукопис
Робота виконана на кафедрах: конструювання верстатів та машин Національного технічного університету України “Київський політехнічний інститут”, Механіко-машинобудівний інститут; конструювання машин та технологічного обладнання Кременчуцького державного політехнічного інституту Міністерства освіти і науки України.
Науковий консультант: доктор технічних наук, професор
Струтинський Василь Борисович,
НТУУ “КПІ”, завідувач кафедрою
конструювання верстатів та машин
Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор
Білоус Михайло В'ячеславович,
НТУУ “КПІ”, завідувач кафедрою
загальної фізики та фізики твердого тіла
доктор технічних наук, професор
заслужений винахідних України
Носуленко Віктор Іванович,
Кіровоградський державний технічний університет,
завідувач кафедри обробки металів тиском,
доктор технічних наук, професор,
лауреат Державної премії України
Ляшенко Борис Артемович,
Інститут проблем міцності НАН України
завідувач відділом № 17
Провідна установа: Національний технічний університет
“Харківський політехнічний інститут”
Міністерства освіти і науки України,
кафедра різання матеріалів і ріжучого інструмента
Захист відбудеться 15 квітня 2002 року о 14:00 годині на засіданні спеціалізованої Вченої ради Д26.002.15 в Національному технічному університеті України “Київський політехнічний інститут”за адресою: 03056, м.Київ, просп. Перемоги, 37, корп. № 19_, ауд. № _.
З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці НТУУ “КПІ”.
Автореферат розісланий 12 березня 2002 року.
Вчений секретар
спеціалізованої Вченої ради Л.Ф.Головко
ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ
Актуальність теми
Сучасна тенденція розвитку машинобудування, авіаційної та хімічної промисловості характеризується значним зростанням обсягів використання нових конструкційних матеріалів –металевих та неметалевих композитів, які, на відміну від традиційних, володіють заданими фізико-механічними властивостями –легкістю, міцністю, спроможністю працювати в агресивних середовищах, тощо. Неметалеві композити, зокрема, склопластики та вуглепластики, є одними з перспективних матеріалів для створення легких тонкостінних виробів –плит, труб, щитів, панелей, профілів та ін.
Незважаючи на те, що заготовки з неметалевих матеріалів на стадії виробництва можуть бути наближеними до форми готового виробу, в більшості випадків існує необхідність у кінцевій обробці –видаленні формувальних площин, вирізці вікон, отворів, розтині групи заготовок. При цьому складна структура та відмінність властивостей компонентів композиту не дозволяє використовувати на кінцевих операціях традиційний ріжучий інструмент або фізико-технічні методи обробки. Різке збільшення обсягів використання неметалевих композитів при виробництві машин обумовило розвиток нового наукового напряму, що охоплює питання розробки методів обробки композитів та необхідного інструментального забезпечення.
Сутність гідроструминного різання як процесу фізико-технічної обробки полягає в руйнуванні швидкоплинним струменем певного обсягу оброблюваної заготовки, в результаті чого в ній виникає нова поверхня розділу. У більшості випадків технології гідрорізання, основою яких є ефект струминної ерозії, мають суттєві переваги перед фізико-технічними та механічними методами і набувають дедалі більшого розповсюдження як в Україні, так і за її кордонами. Зокрема, струминні технології відрізняються високою продуктивністю, відсутністю термічних перетворень у зоні різання, що запобігає піролізу матеріалів; практично не мають альтернатив при аварійно-відновлювальних роботах та у зонах з високою пожежо- та вибухонебезпечністю.
У той же час, проведений літературний та патентний аналіз, а також аналіз використання діючого гідроструминного обладнання довів, що мінімізація товщини деструктивного шару та досягнення високої якості отриманих при різанні композитів поверхонь розділу, вимагає використання високоточних профільованих сопел з діаметрами отвору 0,06-0,1 мм та створення тиску рідини понад 350 МПа. Обробка виконується при швидкості подачі, зниженій у 1,5-2,5 рази проти можливої, а для підвищення ефективності у швидкоплинний струмінь вводять розчинні полімери, дрібнодисперсний абразив, що значно здорожує обробку. Зважаючи на те, що на сьогодні обсяги різання, зокрема, при проведенні відновлювальних робіт в хімічному комплексі країни, невпинно зростають, розробка високоефективних технологій, головними принципами яких є зниження необхідного рівня тиску, підвищення продуктивності при забезпеченні високої якості отриманих поверхонь розділу, їхнє впровадження у виробництво набуває особливої актуальності та значимості.
Отже, аналітичні та експериментальні дослідження процесу гідрорізання композитів, спрямовані на виявлення закономірностей утворення поверхонь контуру різа з урахуванням фізико-механічних властивостей та структури матеріалу заготовки, схеми виконання обробки; створення на їх основні методологій та інженерних методик забезпечення високоефективного якісного гідрорізання; розробка принципів керування формоутворенням; розробка спеціальних пристроїв та елементів струминного обладнання дозволить покращити якість оброблених поверхонь при гідрорізанні з тиском до 250 МПа, знизити вартість обробки та сприятиме більш широкому впровадженню передових технологій у виробництво.
Зв'язок з науковими програмами, планами, темами
Дисертаційну роботу автора виконано відповідно до наукової тематики кафедри конструювання верстатів та машин НТУУ “Київський політехнічний інститут”, а також на підставі виконаних при безпосередній участі автора таких держбюджетних науково-технічних програм: державна програма № 2217-98, виконана в НТУУ “Київський політехнічний інститут”; програма Кременчуцького філіалу Харківського державного політехнічного інституту (м. Кременчук) №298ТМ-б, державна програма № 536Ф-96/б виконана у тому ж ВУЗі. При роботі над цими програмами автор працював на посадах провідного наукового співробітника та відповідального виконавця.
Мета і задачі досліджень
Мета дослідження –розробка та впровадження високоефективних технологій гідрорізання тонкостінних виробів з неметалевих композитів на основі концепції керування геометричними параметрами зони різання, обумовленими енергетикою струменя та динамічними характеристиками гідрорізного обладнання для забезпечення локалізації гідроруйнування у зоні струминного впливу та мінімізації товщини деструктивного шару при тисках, близьких до критичних; створення елементів та пристроїв для їх реалізації.
Об'єкт досліджень –процес гідрорізання матеріалів. Предмет досліджень –фізичний механізм, техніка та технологія гідрорізання тонкостінних виробів з неметалевих композитів, армованих переважно скляними та вуглецевими волокнами.
Методи досліджень
Для досягнення поставленої мети використовувалися теоретичні та експериментальні методи технології машинобудування, опору матеріалів, теорії пружності, гідромеханіки, гідродинаміки, теорії коливань. Формулювання основних наукових положень механіки гідроруй-нування композитного неметалевого матеріалу сформульовано на підставі положень теорій крихкого та в'язкого руйнувань твердого тіла, теорії гідромеханіки, теорії пружності, теорії авто-матичного регулювання; використані положення механіки композитів, що знайшли відображення в фундаментальних працях проф. Верезуба М.В., проф. Дрожжина В.І.; залучено положення теорії струминних течій та динамічного моделювання складних гідравлічних системи, сфор-мульованих проф. Струтинським В.Б. Доведення теоретичних тверджень виконане на основі експериментальних досліджень із залученням методів спектрального аналізу коливань, методу хемографії (положення якого сформульовано проф. Єлізаровим О.І.), мікроскопічного аналізу зони гідрорізання. Обробка статистичних даних виконувалася за допомогою засобів обчис-лювальної техніки. Результати досліджень перевірялися випробуваннями у діючому виробництві.
Задачі досліджень:
1) Створити базову фізико-математичну модель формоутворення при гідрорізанні композитного матеріалу, в основу якої покласти принципи та положення механіки струминного руйнування неметалевого композиту, визначивши вплив властивостей оброблюваного матеріалу та енергетики струминного навантаження на геометричні параметри зони різання і пов'язаний з останніми процес тріщиноутворення, локалізацією якого забезпечується досягнення поставленої мети.
) Розробити методологію і виконати комплекс теоретико-експериментальних досліджень взаємозв'язку вхідних параметрів процесу з вихідними параметрами –показниками якості та продуктивності, на основі чого науково обгрунтувати принципи та підходи розв'язання проблеми ефективного якісного гідрорізання.
) Дослідити умови локалізації струминної ерозії в плівках, нанесених на поверхню твердого тіла. Сформулювати умови ефективного видалення плівки та розробити інженерні методики розрахунку режимів ведення обробки.
) Розробити концепцію оптимального керування геометричними параметрами зони струминного різання з метою забезпечення мінімізації товщини деструктивного шару, заданої геометрії борозенки різа.
) Розробити принципи проектування технологій для реалізації високоефективних процесів струминного різання тонкостінних виробів з неметалевих композитів.
) На основі сформульованих принципів створити нові способи гідроструминної обробки, елементи, пристрої і технологічне оснащення та впровадити їх у діюче виробництво.
Наукова новизна одержаних результатів
1. Запропоновано нову концепцію в теорії гідрорізання неметалевих матеріалів, яка полягає у тому, що керуючи орієнтацією елементів поверхні розділу відносно осі швидкоплинного струменя, забезпечують оптимальні умови протікання нестаціонарних процесів струминної ерозії композитного матеріалу як наслідку тріщиноутворення, що дозволяє мінімізувати деструктивний шар на фронті руйнування та підвищити ефективність виконання гідрорізання з тиском рідини до 250 МПа, а саме: домогтися заданої високої якості оброблюваної поверхні при одночасному зниженні вартості обробки в 1,3-1,5 разів.
. Вперше розроблено і практично реалізовано методологію комплексного теоретико-експери-ментального дослідження, яка базується на врахуванні динаміки руйнування квазікрихкого неоднорідного тіла під впливом високочастотного гідродинамічного навантаження швидкоплинного потоку і дозволяє розв'язувати задачу забезпечення показників якості при гідрорізанні на основі аналізу формоутворення борозенки різа, що значно підвищує точність та вірогідність розрахунків.
3. На основі запропонованої методології створено базову фізико-математичну модель процесу та сформульовано основні принципи формоутворення, сутність яких, на відміну від існуючого підходу, полягає в уявленні оброблюваного матеріалу у вигляді адгезійних зчеп-лених шарів з відмінними фізико-механічними властивостями, а формоутворення визна-чається складним рухом елементів поверхні розділу, утворених внаслідок струминної ерозії, при зміні точки прикладання струминного навантаження, на базі якого створено алгоритм та програмний продукт відтворення борозенки різа при обробці виробів довільної форми.
. Вперше сформульовано умови мінімізації товщини деструктивного шару як основного параметра якості обробки, функціонально пов'язаного з контрольованими показниками, на базі яких обгрунтовано концепцію керування процесом гідрорізання. Показано, що мінімізація деструктивного шару та локалізація струминної ерозії досягається забезпеченням докритичного кута нахилу елементів поверхні розділу в зоні різання у межах 30-150 за рахунок вибору відповідних технологічних режимів обробки, або за рахунок адаптивного керування технологічними режимами на струминному обладнанні.
. Доведено, що керування процесом гідрорізання та формоутворення може здійснюватися на основі моніторингу зони різання шляхом контролю виходу потоку відпрацьованої рідини та ступеня її дисипації, в результаті якого виконується динамічне двозонне регулювання подачі та миттєвого значення тиску як керованих факторів технологічної системи.
. Подано узагальнення виявлених закономірностей зміни показників якості при зміні параметрів зони різання та встановлено функціональні зв'язки, які покладено в основу створеної інженерної методики розрахунку режимів ведення обробки для забезпечення заданої якості обробки, та методики оцінки вартості обробки.
. Уточнено механізм взаємодії швидкоплинного струменя з поверхневою плівкою, до якого залучено положення про важливість впливу на процес руйнування плівки пружних властивостей основи. При цьому ефективність обробки забезпечується створенням умов активного та сталого відшарування за рахунок швидкої зміни точки прикладання струминного навантаження з одночасним динамічним збудженням коливань тиску в гідросистемі з частотою 500-1500 Гц. Доведено, що інтенсивність локальної струминної ерозії обумовлюється насамперед, розмірами зони струминного навантаження (діаметром сопла) та у меншому ступені, тиском технологічної рідини.
. Сформульовано основні принципи практичної реалізації заходів із забезпечення високоефективного якісного гідрорізання конструкційних неметалевих матеріалів з тиском рідини до 250 МПа, які поєднують розроблену автором методологію вибору режимів виконання гідрообробки та ряд конструктивних елементів та пристроїв гідрорізного устаткування. Запропонована гама елементів устаткування може використовуватися у будь-якому обладнанні в умовах діючого виробництва.
Практичне значення одержаних результатів
1. Виконаний комплекс теоретичних та експериментальних досліджень дозволив отримати практичні результати і впровадити у діюче виробництво технологію та елементи обладнання для високоефективного якісного гідрорізання заготовок з неметалевих композитних матеріалів товщиною до 10 мм (гідрорізання у заготівельному виробництві, при проведенні аварійно-відновлювальних робіт, при очищенні поверхонь та ін.), яка реалізується на базі мультиплікаторних систем з робочим тиском до 250 МПа та використовує модулі існуючого верстатного обладнання або ручний гідрообробний інструмент, що дозволяє знизити вартість обробки в середньому у 1,5 рази.
. Прикладне значення мають технічні рішення та концепція керування процесом гідрорізання для мінімізації товщини деструктивного шару шляхом забезпечення оптимального миттєвого положення елементів поверхні розділу за рахунок раціонального вибору режимів ведення обробки та конструктивних елементів струминних пристроїв; розроблені та використані на практиці алгоритми управління процесом і пакети прикладних програм для розрахунку вартісних та якісних показників гідрорізання шляхом визначення параметрів деструктивного шару; впроваджено програму для візуалізації на основі 3-D моделювання поверхні борозенки різа, який утворюється при різанні неметалевих матеріалів, у тому числі, композитів, внаслідок чого знижено витрати часу на технологічну підготовку виробництва у 15-20 разів.
. Розроблені конструкції, методи їх розрахунку, технологічні режими, алгоритми та пакети прикладних програм, інженерні методики оптимізації технологічних процесів, впроваджено на ряді підприємств країни. Зокрема, впроваджено: спеціальні пристрої для виконання якісного різання композитних матеріалів та гаму струминних інструментів, які дозволяють отримувати високу якість обробки при підвищенні продуктивності в середньому у 1,5 рази (завод “Калькулятор”); технологічну документацію на струминний комплекс по очищенню статорів збагачувальних машин, який за рахунок оптимізації руху струминної головки та динамічних пульсацій тиску покращує якість видалення забруднення, знижує час обробки на 30% та енерговитрати на 25% (Комсомольський ГЗК м. Комсомольськ Полтавської області); методику гідравлічного розрахунку сопел для формування ефективних потоків рідини, використання якої дозволило знизити енерговитрати в середньому на 10% (УкрНДІСпецсталь, м. Запоріжжя); методику та прикладну програму для визначення параметрів борозенки різи, яка дозволила скоротити час на технологічну підготовку в середньому в 4 рази (державне підприємство “Технологія”м. Світловодськ).
. Ряд наукових розробок впроваджено у навчальний процес Інституту економіки та нових технологій (м. Кременчук), Кременчуцький державний політехнічний університет, Національний технічний університет України “Київський політехнічний інститут”. За отриманими в процесі роботи над дисертацією результатами поставлено лабораторні роботи для студентів спеціальностей “Технологія машинобудування”, “Металорізальні верстати та системи”та “Матеріалознавство та обробка металів”, видано посібник “Гідро- та гідроабразивна обробка: теорія, технологія та обладнання”.
Особистий внесок здобувача в одержаних наукових результатах
Усі наукові результати одержані здобувачем самостійно. Здобувач здійснив наукове обгрунтування розробок у галузі машинобудування, що забезпечує вирішення важливої прикладної проблеми –підвищення ефективності гідрообробки неметалевих конструкційних матеріалів за рахунок комплексного підходу до забезпечення процесу формоутворення борозенки різа завдяки розробленим принципам керування параметрами струминної ерозії, наслідком чого є формування деструктивного шару, що виникає на утвореній поверхні розділу. Постановка задач і обговорення наукових результатів виконані разом з науковим консультантом і частково зі співавторами публікацій.
Апробація результатів дисертації
Основні результати досліджень оприлюднено на міжнародних науково-технічних конференціях: “Интерпартнер”(м. Алушта, 1998, 2000); МНТК “Проблемы создания новых машин и технологий”(м. Кременчук, 1996-2000); “Прогрессивные технологии и системы машиностроения”(м. Севастополь, 1998 –); НТК Асоціації спеціалістів промислової гідравліки і пневматики (м. Київ, 1998, Кіровоград, 2000); міжнародному НТС “Високі технології в машинобудуванні”(Харків, 2000); ”Прогресивна техніка і технологія машинобудування, приладобудування і зварювального виробництва”(Київ, 1998).
Дисертація у повному обсязі доповідалася і отримала позитивну оцінку на науково-технічному семінарі кафедр обробки тиском та технології машинобудування Національної Металургійної академії України (м, Дніпропетровськ), 2001 р.; на розширеному засіданні кафедри конструювання верстатів і машин НТУУ “КПІ”(м. Київ), 2000 р.; кафедри конструювання машин та технологічного обладнання Кременчуцького державного політехнічного університету, 2001 р.
Публікації
Основні результати дисертації викладено в одній монографії, 23 статтях у провідних фахових виданнях, затверджених переліком ВАК України, 6 тезах доповідей на науково-технічних конференціях, 3 депонованих рукописах у ДНТБ України, 5 працях науково-технічних семінарів.
Структура і обсяг роботи
Структура: вступ, 7 розділів, загальні висновки, список використаних джерел, додатки. Обсяг: 429 стор. –іл. –табл. –Бібліогр.: 279 найм. – додатків на 20 стор.
ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ
Розділ 1. У розділі виконано детальний аналіз сучасного стану та тенденцій розвитку гідрообробки, прийомів інтенсифікації процесу.
Відомо, що обробка неметалевих матеріалів швидкоплинним струменем рідини є високопродуктивним, екологічно чистим методом, який полягає у керованому локальному високоенергетичному навантаженні оброблюваної заготовки рідиною, що витікає зі струменеформуючого каналу сопла малого діаметра під тиском понад 150-400 МПа, в результаті чого в матеріалі відбуваються пружнопластичні та незворотні високоеластичні деформації, котрі, сягаючи критичних значень, викликають активне руйнування матеріалу.
Продуктивність процесу гідрорізання, яка виражається обсягом диспергованого за одиницю часу матеріалу, залежить від його міцності, тиску технологічної рідини, діаметра струменя та його компактності. Встановлено, що різання відбувається у разі, коли створюваний гідросистемою тиск перевищує критичний рівень, пропорційний межі міцності оброблюваного матеріалу, однак якість утворюваних поверхонь розділу при цьому залишається низькою. Гідрорізання з тиском 350-400 МПа та вищим значно покращує якість обробки, суттєво підвищує її продуктивність, одночасно викликаючи подорожчання в 1,5-2 рази. Тож можна констатувати, що на сьогодні головною перепоною для впровадження струминних технологій у виробництво є необхідність придбання коштовного обладнання високого тиску (до 500 МПа), яке вимагає значних одноразових витрат та подальших затрат на його обслуговування.
Аналіз вартості обробки та її продуктивності, а також парку існуючого в нашій країні та за кордоном гідрорізного обладнання довів, що найбільш перспективним є використання гідрорізних систем, побудованих на дешевих мультиплікаторних пристроях, здатних створювати тиск до 250 МПа з витратою до 200 см3/с. У той же час гідрорізання композитів на вказаних режимах є неефективним і супроводжується низькою якістю отриманої поверхні розділу, розшаруванням та деструкцією прилеглої ділянки, відколами торця та ін.
Наведене дає підставу сформулювати важливу наукову проблему, яка полягає в розробці принципів керування струминним руйнуванням неметалевого композитного матеріалу в діапазоні тисків 150-250 МПа з метою його локалізації та мінімізації деструктивного шару на утвореній поверхні розділу, розв'язання якої дозволить значно підвищити ефективність даного метода, знизити собівартість та поліпшити якість обробки.
Вивченням питань струминного руйнування твердого тіла займалися дослідники провідних технічно розвинутих країн світу, а основні результати досліджень опубліковано в друкованих роботах Я.С.Антова, Ф.П.Боудена, М.Брайєна, В.І.Геронтьєва, Ю.А.Гольдена, В.С.Гуєнка, А.Н.Зеленіна, Ж.Ж.Камусі, Р. Кіношити, Ю.Г.Конящина, В.Г.Лабазіна, Ж.Лоуна, А.Л.Майстренка, Є.Н.Пєтухова, І.В.Пєтко, О.Є.Проволоцького, В.Б.Струтинського, А.А.Семерчана, А.М.Чапка, Р.А.Тихомірова, Ж.Є.Філда, Ф.М.Філлера, З.Н. Фінкельштейна, М. Хашиша та ін. Особливості механічного різання матеріалів, що мають шарувато-волокнисту структуру, висвітлені в роботах О.П.Бурмістенкова, М.В.Верезуба, І.Д.Говорова, В.І.Дрожжина, С.В.Егорова, А.С.Зенкіна, А.Кобаяші, В.Г.Любімова, О.С.Манівецького, М.Ф.Семка, Р.Г.Мірзоєва, А.В.Руднєва, Б.П.Штучного та ін.
Існуючу на сьогодні сукупність математичних описів процесу струминного руйнування твердого тіла можна поділити на такі групи: - емпіричні моделі, що пов'язують між собою основні режими ведення обробки, певні фізико-механічні властивості оброблюваного матеріалу, для якого такі моделі створено, з узагальненим показником продуктивності гідрорізання; - емпірико-теоретичниі моделі, що при визначенні показника продуктивності враховують технологічні фактори та властивості оброблюваного тіла; - теоретичні моделі, побудовані на основі аналізу енергетики взаємодії струменя з оброблюваним матеріалом. В аналізованих моделях механіка процесу розкрита недостатньо, а загальним підходом у створених описах є використання принципів та положень теорії опору матеріалів.
У той же час автори ряду робіт - В.В.Болотін, А.К.Буров, Г.А.Ванін, В.М.Верезуб, Ю.С.Гусєв, С.М.Зайцев, І.М.Коп'єв, Є.М.Сахарова, О.С.Овчинський, та ін., розглядаючи процеси лезового різання неметалевих композитних матеріалів, вважають, що вирішення проблеми отримання якісної поверхні розділу повинно базуватися на аналізі геометричних параметрів зони різання та положеннях лінійної механіки руйнування: створення нових поверхонь розділу є наслідком процесу тріщиноутворення в певному обсязі оброблюваного матеріалу. Про важливість аналізу геометрії зони руйнування свідчать також роботи О.Є.Проволоцького, І.В.Пєтка, В.Б.Струтинського, Р.А.Тихомірова.
В цілому, виконаний аналіз стану проблеми ефективного гідрорізання тонкостінних виробів з неметалевих композитів довів, що на сьогодні до питання забезпечення ефективності та якості гідрорізаня з тиском технологічної рідини, близьким до критичного, єдиного підходу не існує; розроблені дослідниками математичні описи у переважній більшості випадків приховують механіку процесу і не можуть бути покладені в основу створення принципів та концепцій забезпечення ефективності при обробці даного класу виробів.
На основі проведеного аналізу визначено основні задачі наукового дослідження.
Розділ 2. У розділі подаються основні положення фізичної моделі формування поверхні розділу (борозенки різа) та утворення деструктивного шару при гідрорізанні неметалевих матеріалів, зокрема, композитів, що базуються на використанні лінійної механіки руйнування та запропонованої автором методології теоретико-експериментальних досліджень, відмінною рисою якої є розв'язання задачі прогнозування показників якості на основі аналізу мікрогеометричних параметрів зони різання з обов'язковим урахуванням динамічної несталості струминного навантаження елементів поверхні розділу.
Фізична основа процесу гідрорізання, внаслідок якого утворюються нові поверхні розділу, полягає в струминній ерозії певного обсягу матеріалу, що знаходиться між основним тілом оброблюваної заготовки та її відокремленою частиною. При цьому руйнування матеріалу є наслідком процесів стиснення, розтягування, розтріскування, зсуву, розповсюдження хвиль, кавітаційного пошкодження та зносу, котрі протікають у тілі та викликаються гідродинамічними локальними навантаженнями перепони –елементів поверхні у зоні різання оброблюваної заготовки при натіканні струменя.
Існуючі фізичні моделі процесу струминного руйнування твердого однорідного ізотропного тіла, розглядаючи різання у квазістаціонарній постановці, базуються на положенні, що струмінь рідини, володіючи виборною спроможністю проникати в мережу мікротріщин і викликати в останніх значні розтяжні напруги, формує таку напружену зону, в якій у центрі гідровпливу матеріал стиснуто, а на межі дії струменя (радіусом rc), у так званій зоні передруйнування, при r=rc напруги різко змінюють свій знак на протилежний і стають розтяжними. Надання поступової подачі елементам технологічної системи призводить до перенесення гідровпливу на сусідню ділянку, а, відтоді, і до зміни на ній знаку напружень, в результаті чого ділянка сприйматиме знакозмінне навантаження, яке і викликає появу початкових мікротріщин. В подальшому утворені мікротріщини починають активно розповсюджуватися вглиб тіла у напрямку, перпендикулярному межовій площині z=0.
Вважається, що мікротріщини є наслід-ком процесів зсуву на межі пластичної та пружної зон, де при струминному навантаженні діють значні розтяжні напруження. Зароджуючись на початкових локальних дефектах оброблюваного тіла, мікротріщини розвиваються, зливаються, створюючи макротріщину, яка веде до відокремлення частки оброблюваного тіла (рис.1).
Поряд з цим, аналіз стружкоутворення при різанні матеріалу ріжучим клином доводить, що напружений стан у верхівці тріщини, утвореної під дією ріжучого клина уздовж гіпотетичної поверхні різання, забезпечує розповсюдження тріщини в напрямку вектора швидкості головного руху. Теорія Гріфітса для пружних тіл, до яких можна віднести і розглянутий клас матеріалів, характеризує стабільну міцність за всіма напрямками, що дозволяє очікувати відхилення тріщини від початкового напрямку при КІІ № 0 (зсуву) на певний кут c=-cс, співпадаючий з напрямком максимального значення сили збурення Р, що обумовлює розвиток тріщини. Якщо прийняти до уваги, що напрям тріщини завжди сприяє її розкриттю, то задача оцінки ймовірного напрямку розвитку тріщини при гідроструминному навантаженні зводиться до встановлення очікуваної епюри тиску на фронті руйнування –поверхні утвореної борозенки, яка визначатиметься миттєвим положенням та розмірами елементів такої поверхні, або, іншими словами, геометрією зони різання, обумовленою швидкістю струминної ерозії, швидкістю подачі, фізико-механічними властивостями, неоднорідністю матеріалу тощо.
Натікання струменя на поверхню, орієнтовану під певним кутом відносно осі струменя, якою є елемент поверхні розділу, обумовлює напружений стан поверхневого шару борозенки, активізуючи процес тріщиноутворення та розгалудження мікротріщин, наслідком якого є відрив мікрочасток.
Стічний потік та оболонкова частина струменя, володіючи значною розвиненістю, викликає вторинне гідродинамічне циклічне навантаження торцевих поверхонь борозенки різи, в якій зароджені мікротріщини не досягли критичного розміру. Подальший розвиток останніх за певних умов супроводжуватиметься розшаруванням матеріалу (при s”<[s] на значній глибині залягання тріщини) або поверхневим відколом (рис. 2), якщо глибина заляганні тріщин незначна –до 0,1-0,3 мм. Таким чином, кінцеве формування показників якості відбувається внаслідок вторинного струминного впливу, важливою характеристикою якого є амплітудний та частотний спектр коливань.
Отже, процесу тріщиноутворення та динамічному стану зони різання властива взаємообумовленість: зміна геометрії зони за рахунок переорієнтації, зникнення та появи нових елементів поверхні розділу, викликає відповідні зміни напруженого стану зони різання, з яким безпосередньо пов'язане утворення тріщин та їхнє розгалуження, що дозволяє вважати процес гідрорізання неметалевих матеріалів нестаціонарним.
Наслідком процесу зародження, зростання та розгалуження тріщин є утворення деструктивного шару на поверхнях розділу. Тому задачу забезпечення якості і ефективності гідрорізання можна трактувати як задачу локілазації струминного руйнування у зоні впливу струменя та мінімізації товщини деструктивного шару, утвореного під поверхнею розділу, розв'язання якої полягає у створенні оптимальних умов протікання нестаціонарних процесів струминного руйнування, обумовленого геометрією зони різання.
Розглянемо схему утворення поверх-ні розділу при наданні струменю поступової подачі s (рис. 3). Уявимо струмінь у вигляді коаксиально розташованого компактного циліндричного ядра (dc) з розвинутою зовнішньою оболонкою (периферійною части-ною струменя діаметром D0, що залежить від відстані між зрізом сопла та оброблюваною поверхнею li), в якій швидкість руху vп елементарного обсягу рідини dw значно менша за швидкість vс в ядрі, а, відтоді, під дією якого менше гідродинамічне навантаження поверхні. Виділимо такі зони на фронті гідровпливу: 1 –зона існування розтяжних напружень; 2 –перехідна зона (вплив периферійною частиною); 3 –зона максимального струминного навантаження з виникненням значних стискуючих напружень.
Мікроскопічне дослідження зон різання відмінних за своїми властивостями матеріалів струменями рідини dc = 0,1–,5 мм, з достатнім рівнем достовірності дозволяє вважати, що зоною зародження та розвитку тріщин можна вважати малу фронтальну товщину F, котра є проміжком між границями першої та третьої зон і співпадає з проекцією оболонкової частини струменя на площину його натікання. У той же час відомо, що високі швидкості зростання навантажень Y призводять до припинення збільшення довжини тріщини та початку її розгалуження.
Отже, швидкість поступової подачі s, ширина фронтальної товщини F, обумовлена розвиненістю периферійної частини струменя, визначатиме умови припинення зростання магістральної тріщини та початку її розгалуження: менша ширина ділянки F та більша швидкість подачі зменшує час розвитку тріщини у такому напруженому стані, який характеризується помірною інтенсивністю підведення енергії, і відповідно, її розгалуження відбудеться скоріше. Наступне потрапляння розгалуженої тріщини у 3 зону викликає активне руйнування матеріалу з утворенням дрібно диспергованого шламу. Частки шламу насичують струмінь та підвищують його різальну спроможність, виконуючи певну роботу гідроруйнування.
Розвиненість струминного потоку, яка проявляється у пульсуючому навантаженні елементів поверхні розділу, інтенсифікує тріщиноутворення та скорочує час розвитку мікротріщин до критичного розміру, змінюючи стан поверхневого шару, що не дозволяє нехтувати цим фактором. Цьому сприяє збільшення крихкості матеріалу та зменшення граничних характеристик його міцності внаслідок прояву ефекту Ребіндера.
Таким чином, на основі реалізованого комплексу теоретико-експериментальних досліджень встановлено, що формування борозенки різа та утворення деструктивного шару при гідрорізанні композитних матеріалів є наслідком розвитку, розгалуження і злиття тріщин у вертикальній та горизонтальній площинах під різними кутами відносно осі натікання струменя, які, в шарі наповнювача розвиваються переважно під кутами 30-150, а на поверхні адгезійного контакту армувального волокна з наповнювачем –уздовж цієї поверхні (рис. 4), в результаті чого створюються умови виникнення локальних відколів та розшарувань, розвиток яких обумовлюється дією гідравлічного клина, та відбувається утворенням дрібнодисперсного шламу. Вище викладене дозволяє зробити висновок, що руйнування матеріалу в центрі прикладання гідровпливу є абстрагованим процесом одночасної роботи великої кількості мікроскопічних ріжучих клинів, напрям руху яких співпадає з напрямком розвитку тріщини, внаслідок чого ділянка деструкції матеріалу поширюється за межі зони безпосереднього натікання струменя.
Можна зробити висновок, що властивості струменя, у першу чергу, його компактність (D0/dc) та розміри (dc), обумовлюють швидкість зростання гідродинамічного навантаження Y, початок та інтенсивність процесу тріщиноутворення, в результаті якого утворюється деструктивний шар та відбувається формування борозенки різа. Розвиненість периферії струменя знижує інтенсивність зміни напружень на ділянці передруйнування F, і призводить до безперешкодного зростання тріщин за межі струминного впливу, що погіршує якість обробки, збільшує товщину деструктивного шару, який розповсюджується на прилеглу до зони різання ділянку. Використання компактного струменя малого діаметра обумовлює інтенсивне диспергування шламу та покращує якість утвореної поверхні. Отже, параметром тріщиноутворення у зоні передруйнування можна вважати Y.
Таким чином, формування борозенки різа та деструктивного шару обумовлюються послідовним процесом переміщення певного обсягу оброблюваного матеріалу від зони F, в якій технологічні фактори (струминний тиск, швидкість витікання рідини, компактність струменя), фізико-механічні властивості та структура оброблюваного матеріалу, прояв ефекту високочастотного навантаження та ефекту Ребіндера, а також параметри струминного устаткування обумовлюють зародження мікротріщин, їх концентрацію та ймовірні напрямки розповсюдження, до зони максимального навантаження, в якій активна дисипація тіла є наслідком розгалуження і злиття мікротріщин з наступним виносом продуктів руйнування із зони різання. Надання руху подачі зі швидкістю s та існування певної швидкості vp заглиблення струменя в оброблюваний матеріал (рис. 1) призводить до того, що на фронті зони різання елементи поверхні розділу орієнтуються під кутами a (рис. 3), зростання яких викликає збільшення гідродинамічного навантаження бокової поверхні зони різання та відповідне збільшення товщини деструктивного шару. Виходячи з аналізу мікрогеометрії зони різання, максимальне значення кута , причому зменшення величини заглиблення hі струменя у тіло при збільшенні подачі s призводить до погіршення якості поверхні розділу.
Гідрорізання композита як ортотропного матеріалу з максимальною продуктивністю (максимально допустимій подачі за умови повного розрізання перетину заготовки) дозволяє визначити початковий кут нахилу елементарних площинок руйнування у функції зміни швидкості заглиблення струменя на більш міцному шарі: , причому . У формулах: rс –радіус струменя, h - товщина стінки виробу, vz, v0 - швидкість проникнення струменя у компоненти (шари) матеріалу, p - тиск технологічної рідини, Т=Tm - міцність наповнювача, vc - швидкість витікання струменя, а Т=Т'm –міцність армувальних включень (для v0, vz відповідно). Для повного розрізання армованого матеріалу швидкість подачі струменя spk відносно оброблюваної поверхні необхідно зменшити до рівня
(1)
s – подача, розрахована для випадку різання однорідного матеріалу з межею міцності, що дорівнює межі міцності композиції в цілому; х –параметр структури.
Внаслідок сприйняття зоною передруйнування F пульсуючого гідродинамічного впливу, обумовленого розвиненістю оболонки струменя, густина початкових тріщин визнається площиною прикладання струминного навантаження, а їх розвиток обумовиться напруженим станом, який виникає у поверхневому шарі матеріалу при циклічному навантаженні поверхні.
Згідно з положеннями лінійної теорії руйнування, вивільнення енергії пружних деформацій залежить від коефіцієнта інтенсивності напружень k, який визначається співвідношенням
причому
(2)
l,b –геометричні параметри тріщини; д –розкриття тріщини r - густина рідини; а –половина довжини тріщини; Е –модуль пружності; n - коефіцієнт Пуассону, v - циклічна частота пульсуючого навантаження, h0 –ширина тріщини при максимальному розкритті.
Прийнявши за основу положення про критичну швидкість руху тріщини, після якої вона починає розгалужуватися, та пов'язавши цей ефект з інтенсивністю навантаження, за критерій початку розгалуження тріщини встановлено різницю (G-R).
Залежно від кількості циклів навантаження та напруженого стану поверхні, що обумовлюється швидкістю робочої подачі, геометричними параметрами струменя та його енергетикою, довжину тріщини до розгалуження при потраплянні у зону максимального струминного впливу визначено співвідношенням:
n,rm –константа матеріалу та його густина, а0 –початкова довжина тріщини; ?р –перепад тиску; Ср –параметр дисипації струменя, причому , - мікронапруження в основі тріщини, де .
Пошукову товщину деструктивного шару визначено на основі встановлення довжини магістральної тріщини, яка, змінивши напрям свого розвитку при досягненні армувального волокна, розвивалася протягом часу дії циклічного струминного навантаження:
(3)
D0, Da –діаметр струменя та діаметр активної частини струменя на відстані l відповідно.
Зміна кута нахилу елемента поверхні розділу від a1 до a2®p/2 при досягненні армувального волокна протягом часу t викликає появу гідроударного явища, внаслідок чого тиск зростає до рівня
, (4)
С –швидкість звуку в рідині, v –швидкість натікання струменя, Кр - коефіцієнт, що враховує властивості рідини та швидкість співудару струменя з оброблюваною поверхнею, t0 –фаза удару.
Диспергований шлам, рухаючись з потоком, виконує зносно-абразивного руйнування та створює локальні зміни напруженого стану на поверхнях зони різання, зокрема, на армувальних волокнах. Внаслідок цього міцність останніх зменшується, що призводить до зростання швидкості заглиблення струменя в оброблюване тіло проти розрахованою за відомими співвідношеннями. Тоді для vz, v0 можна записати:
.
Аналіз поданої залежності з ідентифікованими на основі експериментальних досліджень параметрами доводить, що швидкість заглиблення струменя не є постійною, і при гідрорізанні з тисками понад 180 МПа сягає свого максимуму після 150-200 мкс від початку впливу, з поступовим зниженням у 1,8-2,5 рази при обробці матеріалів товщиною до 5 мм.
Таким чином, в результаті проведення на основі запропонованої методології теоретико-експериментальних досліджень, сформульовано основні положення механіки струминного руйнування тонкостінних виробів з неметалевих композитів:
1. Формування борозенки різа та утворення деструктивного поверхневого шару є наслідком струминної ерозії заготовки при її поступовому переміщенні відносно швидкоплинного струменя, внаслідок зародження, зростання та розгалуження мікротріщин, орієнтованих в наповнювачі під кутами 30-50 відносно осі швидкоплинного струменя та уздовж поверхні адгезії на армувальних волокнах, їх наступного злиття з активним руйнуванням у центрі зони різання, та кінцевого формування поверхні розділу периферійною частиною струменя і потоком евакуйованої рідини, насиченим продуктами руйнування.
. При гідрорізанні оброблювані композити проявляють крихкі властивості, зі зменшенням крихкості при зниженні інтенсивності прикладання струминного навантаження в зоні виходу струменя, в результаті чого кінцеве формування поверхні борозенки різи вбачається як наслідок багатоциклового руйнування поверхневих мікровиступів.
. Концентрація мікротріщин, їхнє зародження та розвиток залежить від параметру vs, та спостерігається в малій області межі стискуючих та розтяжних напружень, співпадаючою з зоною гідровпливу оболонкою струменя шириною (D0-dc).
4. Руйнування матеріалу в зоні різання можна уявити як сукупність одночасної роботи великої кількості мікроскопічних ріжучих клинів, напрям руху яких співпадає з напрямком розвитку тріщини, що розширює зону гідровпливу за межі зони безпосереднього натікання струменя та погіршує мікро- та макроякість поверхні розділу. Збільшенню товщини деструктивного шару сприяє більший кут нахилу елементів поверхні розділу, а також його різка зміна.
. Процес тріщиноутворення, наслідком якого є нестаціонарна струминна ерозія оброблюваної заготовки, визначає товщину деструктивного шару та форму поверхні різання, і в кінцевому рахунку обумовлює ефективність гідрообробки і якість отриманих поверхонь розділу в цілому.
З точки зору теорії автоматичного регулювання процес утворення поверхні розділу уявляється у вигляді замкнутої динамічної системи, зворотний зв'язок в якій здійснюється через гідродинамічне навантаження елементів поверхні розділу, обумовлене геометрією зони різання, а вхідний вплив визначається окремими технологічними факторами. Це дозволило запропонувати нову концепцію у теорії гідрорізання, яка полягає у тому, що керуванням геометричними параметрами зони різання створюються оптимальні умови протікання нестаціонарних процесів гідроруйнування при тисках 150-250 МПа, внаслідок чого мінімізується товщина деструктивного шару.
Розділ 3. В розділі подано результати дослідження обмеженого гідрорізання –видалення поверхневих плівок –квазікрихких, високоеластичних, а також консистентних сполук, нанесених на поверхню твердого тіла. Доведено, що на розміри зони видалення плівки з основи при натіканні струменя впливають пружні властивості основи. Аналіз умов виникнення та розвитку мікротріщин у твердому тілі при навантаженні швидкоплинним струменем дозволив знайти принципово новий підхід до розв'язання важливої практичної задачі –локального гідрорізання, або струминного очищення поверхні довільних заготовок.
Різновид захисних поверхневих плівок, які відновлюють при проведенні різних робіт ремонтного характеру, змусив останні поділити на три групи: тверді квазікрихкі, у тому числі, армовані покриття; високоміцні еластичні; низькоміцні покриття на клейовому прошарку. Відмінність фізико-механічних властивостей плівок обумовлює принципові відміни механізму руйнування плівки.
Встановлено, що струминне руйнування квазікрихкої плівки, яка адгезійно зчеплена з пружною основою, протікає внаслідок високошвидкісних деформацій у зоні натікання струменя із розвитком магістральних тріщин з наступною диспергацією речовини плівки, та у прилеглій зоні внаслідок виникнення значних розтяжних напружень на поверхні плівки від пружного деформування основи у локальному обсязі, результатом яких є поява поверхневих тріщин, що розвиваються до досягнення межі “плівка-основа”. Напруження у плівці в початковий момент часу встановлено на основі деформації плівки, визначеної з урахуванням пружного втиснення основи: ; ; де Hym, Hy - пружне втиснення основи у центрі гідровпливу та на периферії; G –модуль зсуву плівки; h –товщина плівки; р –гідродинамічний тиск на поверхню основи; R –радіус зони виникнення поверхневих тріщин:
(6)
Поява кільцевих та півкільцевих тріщин має певне значення: розвиток тріщини до поверхні адгезії обумовлює виникнення дотичних напружень. Отже, руйнування плівки у прилеглій до центру струминного впливу зоні відбувається ступінчато, а виниклі в плівці тріщини обмежують зону порушення адгезійного зчеплення на відстань до (0,5-1,2) dc.
Встановлено, що розвиток тріщини по поверхні адгезії відбувається з максимальною швидкістю , а сама зона адгезії постає неідеально крихким тілом, для якого коефіцієнт інтенсивності напружень визначається з відомої моделі тріщини з кінцевою зоною Леонова-Панасюка:. Остання формула дає змогу експериментально визначити для будь-якої плівки значення параметрів у0 та д.
Вище викладене показує, що підвищення ефективності обмеженого струминного руйнування поверхневої плівки за рахунок ефектів у прилеглій зоні забезпечується не тільки тиском рідини, а і діаметром отвору соплового каналу dc. При цьому, в більшості випадків тиск не повинен перевищувати 120 МПа.
На відміну від крихких та квазікрихких плівок, високоеластичні плівки та покриття витримують значні деформації без утворення розривів та порушення цілості. Руйнування у зоні натікання струменя обумовлюється незворотними деформаціями і результатом злиття мікродефектів, які, зазвичай, маються в матеріалі, в результаті чого відбувається активна диспергація плівки. Розповсюдження руйнування за межі зони не відбувається, однак при малій адгезійній міцності спостерігається відшарування плівки з поверхні на відстань до (2-3)dc. Відшарована ділянка, володіючи незначною пружністю та опором деформування, сприймає гідродинамічне навантаження від стічного потоку рідини, деформується, в місці відшарування виникає порожнина, яка швидко наповнюється рідиною під тиском і починає зростати, поступово розриваючи адгезійні зв'язки прилеглої ділянки. У разі, коли адгезійна міцність значна, струминна ерозія локалізується тільки у зоні безпосереднього натікання струменя. Таким чином, умовою підвищення ефективності обмеженого гідроруйнування у цьому випадку є перевищення міцності адгезії напруженнями від дії потоку рідини.
Поведінку плівки з низьким адгезійним зчепленням визначено з використанням теорії мембранних оболонок. Якщо нехтувати пластичними деформаціями відшарованої частини плівки, та вважати, що радіальних розривів у плівці не відбувається, маємо, що зростання порожнини обумовлюватиметься тиском рідини, який існує у порожнині, деформацією плівки, та радіусом відшарування R. Розглядаючи рівновагу оболонки, що має головні радіуси кривизни серединної поверхні rц та rИ, пропорційні R,визначено функції напружень від плинного радіусу r:
які дають змогу встановити швидкість деформації оболонки до її розкриття, що призводить до падіння тиску в порожнині до рівня: , с –густина рідини, м –коефіцієнт витрати, f –перетин отвору, через який рідина витікає.
Деформації оболонки визначаються як , тоді
, k –коефіцієнт пропорційності. Порушення зчеплення плівки з поверхнею призводить до збільшення кола відшарування R і зміни головних радіусів кривизни. Експериментально встановлено, що , де уа –міцність адгезійного зчеплення. Однак тиск у порожнині залежить від деформацій відшарованої частини. Так було отримано систему рівнянь, розв'язання якої дозволило встановити зміну радіусу відшарування з плином часу (рис.5).
Отже, збільшення деформацій плівки призводить до зменшення швидкості розповсюдження розриву з поверхнею, що можна пояснити зміною напруженого стану внаслідок розкриття отвору проникнення струменя та падіння тиску в порожнині та уповільнення зростання радіусу R.
Розв'язання задачі у даній постановці при наданні струменю поступової подачі вимагає зміни початкових умов внаслідок того, що у плівці за фронтом руху струменя виникає розрив, і евакуйована рідина вільно витікає, створюючи гідродинамічне навантаження фронтальної поверхні перетину плівки тільки внаслідок дії стічного потоку рідини.
Створення пульсацій тиску в швидкоплинному потоці викликає появу ударних явищ, внаслідок чого тиск на перпендикулярно орієнтованій до поверхні стікання рідини площадці різко зростає (4) за умови t0/t®1, збільшивши гідродинамічне навантаження, і, відповідно, розповсюдження розриву адгезійного зчеплення. Як правило, максимального збільшення відшарувань можна досягти, створюючи пульсації тиску з частотою 10-500 Гц (рідше –до 1500 Гц).
Натікання струменя на в'язку поверхневу плівку, нанесену на тверду основу, супроводжується її втисненням, створенням фронту навантаження, що сприймає гідродинамічний тиск стічного потоку рідини, який починає уповільнено збільшуватися та віддалятися від центру струменя, а також зсувом шарів плівки стічним потоком. Експериментально доведено, що основну роль відіграє зсув консистентної речовини та її масоперенос як наслідок гідродинамічного навантаження фронту, тому для випадку довільного натікання струменя на оброблювану плоску основу, залежність зміни радіуса кола очищення з плином часу має вигляд:
, (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 –,0 кГц. Амплітуда коливань змінюється у межах 0,15 –,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 показ-ники 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 –0-50, для текстоліту –0-30, гетинаксу –0 (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;
) вибір конструкції та матеріалу струмене-формуючого 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;
) 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:
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.
. 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.
. 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 –0-50, для текстоліту –0-50, гетинаксу –0. 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.
. 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 –,0 кГц. Амплітуда коливань змінюється у межах 0,15 –,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.
. 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.
. 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.
. 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.
. 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–мм. Товщина твердих плівок не повинна перевищувати 2 –мм.
. 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.
. 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.
. 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. –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. –. –с.291 –.
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 –.
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.
. 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. –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.
. 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. –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. –с. / Гос. деп. ГНТБ Украины, №349-УК97.
39. Саленко А.Ф. К вопросу разрушения слоисто-волокнистых пластмасс струей жидкости высокого давления / КГПИ. - Кременчуг, 1996. –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.
Диссертация на соискание научной степени доктора технических наук по специальности 05.03.07. –процессы физико-технической обработки. –Национальный технический университет Украины “Киевский политехнический институт”. –Киев, 2001.
В диссертации решена важная научно-техническая проблема повышения эффективности гидрорезания путем управления процессами высокоэнергетической струйной эрозии неметаллического композитного материала с целью локализации деструкции материала в требуемом минимальном объеме за счет оптимизации условий протекания нестационарных процессов трещинообразования, обусловленных геометрическими параметрами зоны резания и ее напряженным состоянием.
Показано, что формообразование при струйном резании, формирование поверхностного слоя, и, следовательно, показателей микро- и макрогеометрии бороздки реза является следствием зарождения, развития и слияния микротрещин, двигающихся в определенном направлении, которое зависит от интенсивности струйного воздействия, геометрических параметров струи, свойств и структуры обрабатываемого материала. На основе анализа физической модели гидрорезания неметаллического композитного материала предложен обобщенный алгоритм его моделирования.
Отличительной чертой предложенного алгоритма является моделирование поверхности бороздки резания как некоторой огибающей, проходящей через точки полной деструкции материала вследствие струйного воздействия. Если величина деструкции, или ее размеры не превышают критических значений, слой считается поврежденным, однако не разрушенным, а степень повреждения позволят установить толщину деструкции образованной поверхности резания.
Разработка оригинальной методологии и выполнение комплекса теоретико-экспериментальных исследований позволила доказать, что пульсирующая нагрузка периферийной частью струи фронта гидрорезания играет важную роль в формировании микрогеометрии поверхностного слоя и в степени его деструкции вследствие протекания многоциклового разрушения микрообъемов поверхности. Впервые, с помощью метода хемографии удалось проследить изменения поверхностного слоя, его микрогеометрии и деструкции, на основании чего сделан вывод о степени влияния данного механизма и о размерах зоны его проявления.
Изучены процессы локального струйного резания –удаления поверхностного слоя с многослойной оболочки. Установлен критерий локальности струйной эрозии и показано, что удаление квазихрупкой поверхностной пленки сопровождается изменением слоя, находящегося под ней. При этом, проявление упруго-пластических свойств слоя приводит к изменению микрогеометрии поверхности адгезионного сцепления. Важным является также тот факт, что повышение эффективности процесса удаления пленки путем ее разрушения с одновременным нарушение адгезионногно сцепления с основой обеспечивается за счет макисмально возможного увеличения диаметра струмеформирующего сопла, однако при обеспечении определенного давления (скорости истечения жидкости), являющегося важным энергетическим параметром интенсивности протекания процесса.
Таким образом, предложенная методика расчета режимов локального струйного гидрорезания базируется на учете упруго-пластических свойств поверхности, адгезионной прочности пленки, требуемой микрогеометрии поверхности после обработки, что позволяет наиболее точно установить значение необходимого давления истечения жидкости, и по максимальной мощности гидросистемы установить возможный диаметр сопла.
Созданы технологические основы обеспечения эффективного гидрорезания тонкостенных изделий с заданными показателями качества. Показано, что оптимальные условия протекания нестационарных процессов струйной эрозии твердого тела создаются при обеспечении докритического угла наклона элементов поверхности раздела, образованной в процессе струйной эрозии композита, и для разных материалов эти углы не превышают 3-150.
Угол наклона элементов образованной поверхности раздела является также универсальным параметром, позволяющим оценивать степень деструкции поверхности, оценивать показатели микро- и макрогеометрического качества. При этом предложенная методика расчета режимов резания базируется на учете свойств и структуре обрабатываемого материала и изначальном определении допустимого с учетом требований к обработанным поверхностям угла наклона лимитирующего элемента –находящегося на разделе фракций композитного материала. В дальнейшем, по установленным режимам проведения обработки оценивают ожидаемые показатели качества, проверяют производительность процесса, уточняют его себестоимость.
Такая последовательность в определении режимов резания позволяет устанавливать показатели качества поверхности в процессе назначения режимов гидрообработки, и выполнять их корректирование на действующем оборудовании без проведения дополнительных исследований, что снижает материальные затраты на оптимизацию технологии.
Предложен ряд технических решений выполнения отдельных элементов оборудования, создана адаптивная система гидрорезания, разработаны принципы ее управления. Показано, что обеспечивать заданное качество поверхности в диапазоне давлений 150-250 МПа можно только за счет снижения производительность процесса, что иногда снижает показатели эффективности гидрорезания. В то же время, получить заданное качество обработки при ее выполнении с максимальной производительностью можно, используя систему адаптивного управления процессом струйного разрушения. Контролируемыми координатами в такой системе является положение и диспергация потока отработанной жидкости, которые определяются положением элементов поверхности раздела. Управления системой двухкоординатное, двухзонное, с параллельно-последовательным регулированием скорости рабочей подачи и мгновенного значения давления истечения рабочей жидкости.
Созданная система прошла испытания и показала высокую эффективность ее использования: обеспечение высокого качества полученных поверхностей раздела выполнялось с производительность, на 40-50% большей, чем при обработке традиционным способом.
Ключевые слова: эффективность, качество при обработке, гидрорезание, гидроразрушение, поверхностная гидрообработка, исследование состояния поверхности, оборудование высокого давления, гидроструйные головки, инструмент, технология.
Підп. до друку ______________ Формат 60х84/16
Автор. арк. 1.92 Облік.-видавн. арк. 2.07
Тираж 120 прим. Замовлення № ______
Типографія ____________, ______________________________________