Введение к работе
Актуальность темы диссертации. В последнее десятилетие технология гидроабразивной обработки, основанная на применении сверхзвуковой струи с абразивом в качестве режущего инструмента, является одним из перспективных направлений развития техники и технологий получения заготовок и деталей из различных материалов. Это связано с рядом достоинств, присущих методу, к которым относится главным образом универсальность, отсутствие нагрева обрабатываемых заготовок, возможность переналадки и автоматизации производства. Метод гидроабразивного профильного раскроя зарекомендовал себя в современном машиностроении и достаточно прочно занял свою нишу. Опыт показывает, что применение гидроабразивной обработки в машиностроении наиболее эффективно при вырезании заготовок из листов толщиной свыше 20-30 мм, где альтернативные методы раскроя, такие как: лазерный, эрозионный, плазменный, не всегда пригодны.
Кроме того, можно констатировать, что приблизительно 60% изготавливаемых на тяжелом механообрабатывающем производстве деталей (изготовление крупногабаритных и металлоемких изделий в морском и речном транспорте, изготовление энергетических блоков, которые включают в себя генераторы, турбины, атомные реакторы и т.д.) приходится на плоские профильные детали сложной формы толщиной до 150 мм. Чаще всего справиться с задачей фигурного раскроя металлов толщиной свыше 80 мм с требуемыми показателями производительности и параметрами качества без последующей обработки может только гидроабразивная струя.
В процессе вырезания заготовок из толстолистовых металлических материалов большая часть абразивного песка не участвует в процессе вырезания. Связано это со сравнительно малыми скоростями подачи сопловой головки относительно листового проката (порядка 0,05мм/с). В этом случае в процессе разрушения материала участвует не всё сечение струи, а лишь та его сторона, которая по ходу движения головки врезается в обрабатываемую заготовку. Иными словами, в этом случае большая часть песка используется неэффективно.
Поэтому актуальным является повышение эффективности гидроабразивного раскроя заготовок из толстолистовых металлических материалов как наиболее часто обрабатываемых в промышленности гидроабразивным методом.
Степень разработанности. Огромный вклад в исследование процесса гидроабразивной лбработки материалов внесли отечественные и зарубежные ученые: Р.А. Тихомиров, И.И. Шапиро, Ю.С. Степанов, Г.В. Барсуков, В.С. Гуенко, Г.В. Барсуков, В.А. Шманев, А.А. Барзов, С.П. Козырев, И.В. Петко, Е.Н. Петухов, M. Hashish, I.Finnie ,R. Kovacevic, R. Mohan, I.Hideo, N. Balc,A. Popan, M. Ramulu, S.N. Guo, G.L. Chahine, J. Chao, P. Berce, G. Fowler, L.C. Zhang и др. Авторы в своих работах предлагают эмпирические модели, позволяющие определить
скорость абразива, объемный унос материала из зоны резания, зависящие от основных параметров процесса, пути повышения эффективности обработки и др. Однако анализ эмпирических моделей показал, что ввиду отсутствия общего математического аппарата, связывающего все параметры гидроабразивной обработки, они рассматривают частные случаи процесса.
Цель работы состоит в повышении эффективности гидроабразивного вырезания заготовок из толстолистовых металлов на основе дискретной подачи абразива в сверхзвуковую струю воды. Так как раскрой деталей из толстолистовых металлов чаще всего носит заготовительный характер и шероховатость получаемых поверхностей является второстепенным показателем, то за основные критерии эффективности процесса раскроя принимается производительность и себестоимость.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
- теоретически изучить и провести анализ предлагаемых моделей процесса вырезки
заготовок из хрупких и пластичных толстолистовых металлов гидроабразивной струей;
- подготовить экспериментальный стенд по исследованию дискретной подачи абразива в
сверхзвуковую струю воды, провести и обработать результаты исследований;
- установить функциональные зависимости между параметрами дискретной подачи
абразива и временем сквозного прокола, шириной реза, скоростью раскроя заготовок из
толстолистовых металлов;
- разработать рекомендации по повышению производительности гидроабразивного раскроя
заготовок из толстолистовых металлов за счет применения дискретной подачи абразива.
Объектом исследования является процесс гидроабразивного фигурного раскроя заготовок из толстолистовых металлических материалов.
Предметом исследования являются закономерности влияния способа подачи абразива в сверхзвуковую струю воды на эффективность контурного раскроя заготовок из толстолистовых металлов.
Результаты, полученные автором и выносимые на защиту:
- теоретические основы дискретной подачи абразива в струю при фигурном раскрое
заготовок;
математическая модель влияния толщины материала и расхода абразива при стационарной подаче и толщины материала, частоты подачи абразива при дискретном способе на временя сквозного прокола;
математическая модель влияния частоты подачи абразива и толщины различных материалов на скорость разделительного раскроя заготовок;
- методика выбора рациональных параметров гидроабразивного раскроя заготовок.
Научная новизна работы состоит в:
выявлении связей между частотой подачи абразива в гидрострую и параметрами гидроабразивного резания заготовок из толстолистовых металлов (скорость подачи сопловой головки, время сквозного прокола металла, шероховатость и волнистость обработанных поверхностей);
математических моделях, связывающих частоту дискретной подачи абразива в струю воды и скорость вырезания заготовок из толстолистовых металлов;
- математических моделях, связывающих частоту подачи абразивного песка в
сверхзвуковую струю рабочей жидкости и параметры кромки реза (шаг волны пропила, высота
волнистости);
установлении влияния частоты дискретной подачи абразива в сверхзвуковую струю воды на время сквозного прокола толстолистовых металлических материалов;
схеме фигурного раскроя заготовок гидроабразивной струей с применением дискретной подачи песка в сверхзвуковую струю воды, обеспечивающей более эффективное их вырезание из толстых листовых металлических материалов.
Практическая значимость работы заключается в:
предложенной оригинальной конструкции дискретной подачи абразива в сверхзвуковую струю, обеспечивающей повышение эффективности вырезания заготовок из толстолистовых металлических материалов;
методике выбора рациональных режимов дискретной подачи абразива гидроабразивной резки заготовок из толстолистовых металлических материалов;
практических рекомендациях по выбору режимов дискретной подачи абразива гидроабразивной вырезки заготовок из толстолистовых металлов;
предложенной схеме подачи абразива в струю на уровне патента (Патент №125920 «Установка для гидроабразивной резки»).
Соответствие диссертации паспорту научной специальности. Работа соответствует формуле специальности 05.02.07 - "Технология и оборудование механической и физико-технической обработки" (технические науки) в области «исследования механических и физико-технических процессов в целях определения параметров оборудования обеспечивающих повышение производительности обработки», а так же «создание инструмента и других компонентов оборудования, обеспечивающих технически и экономически эффективные процессы обработки» в полном соответствии с п.п. 3,4 области исследования паспорта специальности.
Методы исследований. Теоретические исследования базировались на основных положениях теории взаимодействия частицы, обладающей сверхзвуковой скоростью, с
преградой, теории прочности, теории упругости, на известных закономерностях кавитационных процессов в жидкостях. При проведении экспериментальных исследований проводилось планирование и анализ данных с использованием статистических методов. Экспериментальные исследования проводились в производственных условиях с использованием измерительных средств.
Реализация работы. Полученные научные результаты и практические рекомендации апробированы и внедрены на ООО Научно-производственном предприятии «ПромГрафит» и в научно-исследовательской лаборатории ФГБОУ ВПО МГТУ «СТАНКИН». Результаты работы используются в учебном процессе ФГБОУ ВПО МГТУ «СТАНКИН» на кафедре «Системы приводов» при преподавании дисциплины «Технология и оборудование ультраструйной обработки».
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались в 2011 году на V Всероссийской конференции молодых ученых и специалистов «Будущее машиностроения России», в 2012 году на VIII Международной научно-практической конференции «Техника и технология: новые перспективы развития», обсуждались на выставке научно-технического творчества молодежи НТТМ 2011, заседаниях кафедры «Системы приводов» ФГБОУ ВПО МГТУ «СТАНКИН».
Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 9 печатных работ, в том числе 4 работы - в журналах, входящих в перечень ВАК, 2 - в трудах международных конференций и патент на полезную модель. Список публикаций по теме диссертационной работы приведен в конце автореферата.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 4 глав, общих выводов, списка литературы. Диссертационная работа изложена на 132 страницах машинописного текста, в том числе содержит 17 таблиц, 64 рисунка, 95 наименований литературы.
