Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Резание материалов при гидроабразивной обработке 10
1.1 Условия разрезки материалов жидкостной струей 10
1.2 Обработка материалов абразивно-жидкостной струей 11
1.3 Процессы разрушения при гидроабразивном резании 18
1.4 Анализ исследований процесса разрушения материала 19
1.5 Структурная макромеханика разрушения 30
1.6 Кавитационные явления при гидроабразивной обработке 35
1.7 Экспериментальная проверка кавитационных моделей 37
1.8 Механизм кавитационной эрозии 39
Выводы по главе 1 43
Цель и задачи исследования 45
Глава 2. Методика исследований гидроабразивного резания листового материала 47
2.1 Аналитические методы построения модели работы гидроабразивной струи на стадии пробивки отверстия 47
2.2 Методика экспериментальных исследований 48
2.3 Оборудование, материалы и аппаратура, применяемые для исследований 50
2.4 Планирование многофакторных экспериментов и регрессионный анализ 57
Выводы по главе 2... 60
Глава 3. Математическая модель процесса гидроабразивной резки материалов
3.1 Схематическое представление процесса гидроабразивного резания. 61
3.2 Модель двухфазной струи с твердыми частицами 66
3.3 Результаты расчетов движения гранул в двухфазной струе 73
3.4 Снижение энергии гранул при движении в неподвижной жидкой среде 79
3.5 Разрушение материала при гидроабразивном резании. Модель единичного ударного взаимодействия абразивной гранулы с поверхностью материала 85
Выводы по главе 3 99
Глава 4. Результаты экспериментальных исследований резания гидро и гидроабразивной струей 100
4.1 Экспериментальное исследование кавитационных явлений при резании струей жидкости 100
4.2 Качество реза и дефекты, возникающие при гидроабразивной резке материалов
4.3 Исследование этапов пробивки первичного отверстия 107
4.4 Влияние технологических параметров гидроабразивной обработки на эффективность резки образцов с различными технологическими параметрами 112
4.5 Внедрение результатов исследования 124
Выводы по главе 4 125
Общие выводы 127
Список использованных источников
- Обработка материалов абразивно-жидкостной струей
- Оборудование, материалы и аппаратура, применяемые для исследований
- Результаты расчетов движения гранул в двухфазной струе
- Качество реза и дефекты, возникающие при гидроабразивной резке материалов
Введение к работе
Актуальность работы. Созданные к настоящему времени научные разработки, технологии и оборудование гидроабразивного резания направлены в основном на обеспечение самого процесса разделения материала, и в некоторых случаях, на обеспечение точности и качества изделия. Часто достижение необходимой производительности находится в противоречии с требуемым качеством. В то же время установлено, что повышение точности изготовления детали существенно повышает производительность последующих сборочных работ.
Результаты изучения влияния свойств абразива на механизм формирования микрогеометрии поверхности реза и достигаемой производительности представлены в трудах Ю.С. Степанова, Г.В. Барсукова, Р.А. Тихомирова, А.А. Барзова, А.Л. Галиновского, М.А. Бурнашова и др. Однако все имеющиеся расчетные зависимости основаны на моделировании самого процесса резания и практически исключены этапы пробивки заходного отверстия и этап окончания резания, отсутствуют математические модели, учитывающие такие механизмы разрушения материалов при гидроабразивном резании как: усталостное, хрупкое разрушение, высокоскоростное столкновение абразивных частиц и материала.
В этой связи актуальным направлением в области машиностроительного производства является поиск путей повышения эффективности технологических процессов гидроабразивного резания материалов путем исследования физических процессов протекающих в области разрушения материалов под воздействием гидроабразивной струи.
Цель работы. Повышение эффективности гидроабразивной обработки на основе учета энергии двухфазной режущей струи.
Задачи:
моделирование изменения скоростных и энергетических параметров водной струи и абразивных частиц;
исследование влияния износа сопла при гидроабразивной резке на разгон абразива;
математическое моделирование взаимодействия абразивной частицы с поверхностью обрабатываемого материала;
экспериментальные исследования процесса гидроабразивной резки материалов и получение эмпирических зависимостей для этапов пробивки отверстия и резки материала;
разработка рекомендаций по повышению эффективности гидроабразивной резки.
Методы исследования. Теоретические исследования базируются на научных положениях физики высокоскоростного удара разрывов в сплошных средах, структурной макромеханики разрушения, системного анализа, технологии машиностроения, гидродинамики, теоретической физики, теории организационных структур, тензорного и численного анализа,
дифференциальной геометрии, теории вероятности, теории упругости. Экспериментальные исследования выполнялись с использованием методов математического планирования и анализа.
Достоверность и обоснованность полученных научных результатов обеспечивается корректным использованием фундаментальных положений теории прочности, теории упругости и теории высокоскоростного разрушения материалов, использованием апробированных методик исследования и сертифицированных программных продуктов; подтверждается удовлетворительным согласованием расчетных и экспериментальных данных, а также эффективным практическим использованием результатов исследований в условиях промышленного производства.
На защиту выносятся:
Зависимости, позволяющие установить взаимосвязь основных параметров процесса гидроабразивного резания с параметрами оборудования, размерами абразивных зёрен и их концентрацией;
Регрессионные зависимости расчета коэффициента эффективности кэФ и предложено использовать его в качестве комплексной характеристики процесса гидроабразивной обработки
Расчёты по критерию разрушения материала для определения пробивной способности струи с учетом энергетических возможностей для различных обрабатываемых материалов.
Научная новизна: Разработана математическая модель процесса пробивки отверстия при гидроабразивном резании и получены расчетные зависимости для управления процессом пробивки с использованием коэффициента эффективности. В том числе разработаны:
математические зависимости взаимосвязи основных параметров процесса гидроабразивного резания с параметрами оборудования, износа сопла, а также с учетом конструктивных параметров технологического оборудования;
регрессионные зависимости расчета коэффициента эффективности с учетом влияния технологических параметров гидро абразивного резания на обработку, геометрию струеформирующих элементов сопла;
математическая модель влияния износа сопла на энергетические параметры струи и ее пробивную способность.
Практическая ценность:
разработана методика расчета основных технологических параметров системы гидроабразивного резания, позволяющая обеспечить качественные показатели обрабатываемой детали с учетом изменения энергетических и динамических характеристик гидроабразивной струи;
разработаны рекомендации, обеспечивающие технологическое повышение эффективности гидроабразивного резания, позволяющее выбрать оптимальные параметры обработки.
Реализация результатов. Результаты разработанного математического аппарата были использованы на ОАО «Рыбинский завод приборостроения»,
ОАО «Сатурн Газовые турбины».
Апробация работы: Основные научные положения диссертации докладывались и обсуждались на: Международной школе-конференции молодых учёных, аспирантов и студентов им. П.А. Соловьёва и В.Н. Кондратьева «Авиационная и ракетно-космическая техника с использованием новых технических решений» (Рыбинск, 2006); на конкурсе научно-технических работ ОАО «Корпорация «Тактическое ракетное вооружение»» (Королёв, 2007).
Публикации. Основные результаты диссертационной работы опубликованы в 9 работах, в том числе 6 в изданиях, рекомендованных ВАК.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, библиографического списка из 100 источников и приложения. Содержит 142 страницы основного текста, 19 таблиц, 69 рисунков.
Обработка материалов абразивно-жидкостной струей
Согласно теоретическим и экспериментальным данным [46], струя жидкости при больших скоростях может рассматриваться как хрупкое твердое тело. Однако взаимодействуют струя жидкости и твердое тело иначе, чем два твердых тела. Если при взаимодействии двух твердых тел скорость суммарной деформации их контактных поверхностей все время остается равной скорости их сближения, то в гидрорезании при установившемся процессе обтекания твердой преграды для струи характерен профиль, свойственный флюиду. Жидкость даже при больших скоростях способна обтекать тело, и скорость контактных поверхностей во время деформации тела может значительно отличаться и быть меньше скорости истечения и определяется в основном величиной удельного давления жидкости на поверхности.
Подобная особенность условий деформирования и является на практике основной причиной высокой энергоемкости гидрообработки, так как вследствие малой скорости деформации материала полезная работа разрушения, совершаемая силой давления струи в единицу времени, значительно меньше мощности струи, В результате, большая часть энергии струи теряется при обтекании, а теоретический КПД процесса оказывается существенно меньше единицы [46]. Поэтому с целью увеличения производительности гидрорезания необходимо стремиться к обеспечению (приближению) условий взаимодействия струи и обрабатываемого материала к условиям взаимодействия двух твердых тел.
Наиболее эффективного увеличения режущей способности струи жидкости можно достичь введением в нее абразива в виде порошков, микропорошков, кварцевого песка и т.п. Так, например, по данным Ш. М, Билика, при введении даже в низконапорную струю жидкости песка в объемной концентрации 8-Ю % разрушающие свойства ее возрастают в 10-12 раз по сравнению со струей воды, а при большой концентрации Т : Ж — 3:7 (Т : Ж -отношение количества твердого вещества к количеству жидкого по объему) до 20 раз.
Струйно-абразивная обработка материалов при низких давлениях истечения струи {р = 0,2 - 2,0 МПа) малоэффективна. Увеличение давления истечения струи позволяет значительно увеличить кинетическую энергию струи, повысить производительность процесса, расширить его технические возможности обрабатывать труднообрабатываемые материалы, такие, как боропласт, ситалл, твердые и магнитные сплавы и т.д.
Однако осуществление на практике абразивно-жидкостной обработки сопряжено с рядом трудностей, важнейшая из которых — введение абразива в тонкую струю жидкости сверхзвуковой скорости с минимальным нарушением ее высоких гидродинамических характеристик. Эти недостатки в основном устраняются с применением схемы свободного ввода абразива в струю. Абразивно-струйная головка работает следующим образом. Рабочая жидкость высокого давления (80 - 210 МПа) подается через штуцер 1 и истекает из сопла 4. Абразивно-жидкостная суспензия под давлением 0,05 МПа подается во внутреннюю полость корпуса 3.
Как показали эксперименты, интенсивный износ отверстия насадки протекает в первые секунды процесса, затем он уменьшается и стабилизируется на определенном размере для определенных параметров истечения разгонной струи и расстояния между разгонным соплом и нижним срезом насадки.
При установке обрабатываемого материала на небольших, порядка 1- 4 мм, расстояниях от струйной головки происходит износ и наружной поверхности насадки за счет отраженных от материала абразивных частиц. Однако этот износ незначительный, он составляет несколько микрометров за час работы, и его можно практически не учитывать.
При движении разгонной струи, истекающей из сопла 4 (см. рис. 1), и турбулентных пульсациях внутри струи ею захватываются частицы абразива из суспензии, и она со скоростью порядка 420 - 630 м/с ударяется об обрабатываемый материал, разрушая его (микрорезание).
Установлено, что на производительность гидроразрезки различных листовых материалов абразивно-жидкостной струей высокого давления оказывает влияние расстояние между торцом сопла 4 и отверстием в насадке 2, а также отношение диаметров dc и dH головки.
Экспериментальные исследования разрезки различных листовых материалов абразивно-жидкостной струей с применением струйной головки, изображенной на рис. 1, показали возможность увеличения производительности процесса гидрорезания без дополнительного увеличения давления истечения струи. г і
Можно сделать вывод, что наиболее целесообразно применение абразивно-жидкостной струи высокого давления для обработки труднообрабатываемых материалов как полимерных, так и металлических (стеклотекстолит, фольгированные пластики, боропласты, титановые материалы и т. п.).
Установлено, что введение абразивных частиц в струю воды при ее постоянном давлении истечения меньше влияет на производительность разрезки материалов с низкими физико-механическими свойствами и больше при обработке «твердых» материалов.
Это объясняется тем, что энергетические параметры даже «чистой» струи достаточны для эффективного микроразрушения материала в зоне резания и условный коэффициент обтекания (проскальзывания) струи находится в пределах 250 - 300 относительных единиц ( K = ST/S3, где ST - теоретическая подача материала относительно струи, воздействующая на материал без обтекания и проскальзывания; S3 - экспериментальная подача материала относительно струи).
Введение в струю абразивных частиц несколько снижает значение К при обработке винипласта до 85 - 100 отн. ед., т. е. уменьшает проскальзывание струи относительно материала, увеличивая производительность примерно в 3 раза. Разрушение (отрыв) материала в зоне резания под действием частиц жидкости в данном случае также эффективно (но несколько в меньшей степени), как и за счет царапания (среза) материала твердыми абразивными частицами.
При обработке стеклопластиков, фольгированных пластиков или металлов их более высокие прочностные свойства, более плотная структура, меньшее количество наружных микродефектов (микротрещин, микрощелей, микропустот и т.д.) изменяют механизм взаимодействия струи жидкости и обрабатываемого материала. При этом изменяется механизм разрушения (диспергирования) материала.
По данным работы [46] от прочного материала отрываются более мелкие частицы, «чистая» струя как бы выглаживает обрабатываемую поверхность и при дальнейшей обработке степень проскальзывания струи относительно материала увеличивается. Энергетических параметров струи становится недостаточно для интенсивного отрыва частиц от общей массы материала за счет гидроудара.
Введение абразивных частиц в струю при обработке труднообрабатываемых материалов способствует изменению условий взаимодействия струи и обрабатываемого материала, т.е. изменяется механизм разрушения материала в зоне резания. Твердые частицы абразива, находящиеся на периферийных участках струи, воздействуют на обрабатываемую поверхность с силой в 3 - 4 раза больше [47], чем отдельные капли жидкости, имеющие ту же скорость и размеры. Под хх действием на поверхности образуются микротрещины, микроцарапины, в которых появляется возможность реализации разрушающего действия гидроударов, мгновенных гидростатических давлений. отс способствуер развитию трещин и подготовлению зоны предразрушения. Частицы абразива, контактируя с поверхностью обрабатываемого материала, без сколько-нибудь заметного проскальзывания, снимают микростружку, т.е. царапают материал, выбивают микрочастицы, увеличивая его шероховатость. В результате этого также создаются предпосылки к лучшему воздействию тонкой струи жидкости сверхзвуковой скорости на материал, облегчаются условия отрыва частиц материала от основной его массы (облегчаются условия резания), что и ведет к увеличению производительности процесса гидрорезания.
Оборудование, материалы и аппаратура, применяемые для исследований
Независимо от возможных интерпретаций критерий является постулатом, определяющим макроразрыв «бездефектной» сплошной среды. Главным его недостатком является невозможность перехода к квазистатике. Так, согласно данному соотношению, любое, даже незначительное, напряжение вида r = tr0H(t), где Я - функция Хевисайда, приводит к разрушению. Это делает неопределенным положение динамической ветви на временной зависимости прочности, позволяя интерпретировать некоторые временные эффекты динамического разрушения лишь качественно.
Такими же недостатками обладает и интеграл повреждений Тулера-Бучера [8]. Авторами было предложено рассматривать абстрактную функцию повреждаемости как функцию, зависящую от истории напряжений. Предложенный критерий можно записать в общей форме
Момент достижения Ч некоторого критического значения определяет время до разрушения, Ч может рассматриваться как общее количество или суммарный объем формирующихся микротрещин или микродефектов. Далее авторами было предложено введение некоторого порогового значения напряжения сг0, при достижении которого начинался процесс разрушения. Критерий Тулера-Бучера породил ряд модифицированных критериев.
В настоящее время критерий (11) записывается в несколько измененном виде [9] где 7],а0- постоянные параметры, полученные экспериментально. Интегрирование по времени начинается в момент tQ, когда а = а0.
При выполнении в некотором сечении условия К = Кс, где Кс -постоянная материала, происходит разрушение, МПа /с. На наш взгляд, главной особенностью данного критерия (12), ограничивающей возможность его применения, является тот факт, что момент t0, когда т = т0 является трудно физически определимым. Применение критерия затруднено и требует дальнейшей проработки, поскольку не ясен физический смысл Кс. Важно отметить, что (11 и 12) впервые указывают на релаксационный характер динамического разрушения [10].
Введение импульсного критерия явилось важным шагом вперед, так как обеспечило возможность учитывать историю нагружения непосредственно через механизм разрушения. Такой подход уже в рамках упругохрупкой модели позволяет объяснить некоторые принципиальные эффекты быстрого динамического разрыва твердых тел.
Предложенные выше модели описывают только часть известных эффектов динамического откольного разрушения: увеличение прочности с уменьшением длительности, зависимость прочности от скорости деформации.
В описываемых работах подобраны параметры для конкретных материалов и получено неплохое соответствие между расчетными данными и экспериментальными, однако, большое количество подгоночных параметров, физический смысл которых трудно определим, скрывает все преимущества данных моделей. Они, к сожалению, носят частный характер и не отражают общих закономерностей процесса разрушения.
Многие методы моделирования эффектов динамического разрушения связывают их непосредственно с неупругой реологией и развитием микротрещин. Во многих случаях это неизбежная физическая необходимость. Однако для практических целей очень важно располагать и прямым механическим подходом, позволяющим сводить анализ динамического разрушения к простой «индустриальной» процедуре. Одно из основных направлений развития моделей состоит в выборе структурных характеристик процесса разрушения. Необходимость учета структурных параметров в настоящее время уже не подвергается сомнению, так как в ее пользу свидетельствуют результаты практически всех экспериментов. Вопрос состоит лишь в том, какие характеристики микроструктурных физических процессов должны быть введены в макромеханику разрушения. Наиболее естественным представляется поиск таких параметров, которые, как размер Г. Нейбера - В. В. Новожилова в квазистатике, носят универсальный характер и не связаны однозначной физической трактовкой, которая может быть разной в зависимости от особенностей материала, масштабного уровня процесса и класса задач.
В классических критериях предполагается, что в процессе динамического разрыва материала энергия и импульс, идущие на образование новых поверхностей и областей разрушения, расходуются непрерывным образом. Покажем, что элементарный учет физической дискретности процесса динамического разрушения приводит к динамическому обобщению линейной механики разрушения.
Рассмотрим базовые принципы подхода В. В. Новожилова [21]. Они могут быть сведены к следующим положениям; все твердые тела состоят из пространственных структурных элементов конечного размера; элементарный акт разрушения на макроуровне есть разрушение одного структурного элемента; параметры критерия, в том числе и размер структурного элемента, должны выбираться таким образом, чтобы в предельных случаях получались результаты классической теории разрушения.
Применим эти принципы для формулировки соответствующего условия разрушения. Рассмотрим статическое двумерное поле напряжений, например, в условиях плоской деформации и предположим, что разрушение происходит вдоль некоторого направления Ох, являющегося осью симметрии. В соответствии с первым из вышеперечисленных принципов будем считать, что на пространственной шкале задана структура (рис.6), а линейный размер одной структурной составляющей равен d. Будем предполагать, что макроразрушение произошло, если вышел из строя хотя бы один структурный элемент. Запишем естественное условие разрыва в виде условия достижения силы, действующей на структурный элемент, некоторого критического значения
В терминах континуального поля напряжений, с которыми мы в действительности и имеем дело в механике сплошной среды, это соотношение может быть переписано в виде
Последнее условие представляет собой силовой критерий В. В. Новожилова. Напряжение ас можно рассматривать как обозначение для некоторого критического напряжения, вводимого взамен критической силы Fc. Для определения ас и введенного линейного размера d применим третий базовый принцип. Применим формулу (14) к задаче о разрушении однородного бездефектного образца. Полагая, что разрушение в этом случае определяется классическим критерием прочности т ав, получаем трещинностойкость материала.
На сегодняшний день d не имеет однозначной физической интерпретации. Вопросы, связанные с интерпретацией d обсуждались в [11].
Параметры ас и d являются равноправными и самостоятельными характеристиками процесса разрушения. Поэтому наиболее естественной представляется данная в [11] трактовка d, как параметра масштабного соответствия, определяющего корреляцию прочностных свойств материала на заданном масштабном уровне. Гораздо важнее то, что в соответствии с основополагающими принципами физики вводимые параметры должны быть измеряемы, т.е. прямо или косвенно определяемы из опытов. Относительно d и сгс, данное требование удовлетворяется.
Вышеприведенный подход допускает естественное обобщение на случай динамики. Пусть при прежних условиях напряженное состояние среды однородно в пространстве и изменяется только во временной шкале Ot (рис.66). Пусть на временной шкале также задана структура. Соответствующий «размер» обозначим т и назовем структурным (инкубационным) временем разрушения. Предположим, что разрушение происходит, если силовой импульс, действующий в течение времени т, достигает критического значения
Результаты расчетов движения гранул в двухфазной струе
Регрессия парных зависимостей позволяет формализовать математическую модель исследуемого процесса и на основе выбора пользователем вида аналитического решения определить коэффициенты регрессии удовлетворяющих условию минимума суммы квадратов отклонений опытных значений функции от рассчитанных по выбранной зависимости. В программе реализована возможность автоматического подбора оптимальной математической формы аналитического выражения из имеющегося набора зависимостей по минимальному коэффициенту корреляции.
Раздел математической статистики, именуемый регрессионным анализом, позволяет на основе экспериментальных данных приближенно описать искомую, функциональную зависимость в виде полинома или степенного ряда, рассчитать коэффициенты этого полинома, проверить адекватность полученного уравнения. Для этой цели в программе предусмотрена аппроксимация кусочным полиномом, определяющая коэффициенты полинома заданной степени, либо заданной точности, при автоматическом определении его степени и числе отрезков разбиения.
Значительно больший практический интерес представляет математическое описание многофакторных зависимостей вида У = f(.xl,x2,x3..jcn)t что и было использовано в данной работе. Методом множественной регрессии можно определить статистическую связь между факторами и степень влияния факторов на исследуемую характеристику, найти вид множественной регрессии, оценить адекватность полученного математического описания
Экспериментальные работы проводились в производственных условиях ОАО «Рыбинский завод приборостроения» на гидроабразивной установке NC 3515 фирмы Water Jet Sweden.
Сопла для гидроабразивной обработки были использованы фирмы Water Jet Sweden Roctec 100
В качестве исследуемых материалов использовались материалы с различными технологическими свойствами: АМц, Л63, Ст20, Ст45, ЗОХГСА, 10ХСНД, 12Х18Н10Т, ЛС59,В95,М-МП-Хидр. Гидроабразивная установка NC 3515 фирмы Water Jet Sweden (ОАО «Рыбинский завод приборостроения») представлена на рис. 9. Все опыты проводились с использованием как гидро, так и гидроабразивной струи.
В качестве абразивного материала использовался гранатовый концентрат Garnet #80 - неметаллический минерал, является альмандином граната, химически инертен (рис. 10). Характеристики гранатового зерна приведены в табл. 3.
Выбор оборудования осуществлялся с учетом размеров дефектов гидроабразивной обработки, и обосновывался необходимостью максимально четко продемонстрировать поверхности реза и выявленные дефекты.
Для экспериментального подтверждения наличия кавитационных явлений при гидроабразивном резании использовалась методика, основанная на выполнении реза без добавления абразивного материала в струю жидкости. После реза образец препарировался для получения возможности наблюдения дна прорезаемого отверстия. Изучение поверхности реза выполнялось с использованием металлографического микроскопа МИМ-8М (рис.11).
Микроскоп металлографический горизонтальный МИМ-8М Микроскоп металлографический горизонтальный МИМ-8М предназначен для визуального наблюдения и фотографирования микроструктуры металлов и других прозрачных объектов в светлом поле при прямом и косом освещении, в темном поле и в поляризованном свете. Визуальное наблюдение на микроскопе производится с помощью монокулярной и бинокулярной насадок. Для фотографирования микроскоп снабжен фотокамерой с мультипликатором, адаптером и набором металлических и деревянных кассет. Применяется в металлографических лабораториях научно-исследовательских институтов, промышленных предприятий и высших учебных заведений.
Для определения массы разрушенного материала исследуемый образец взвешивался предварительно до обработки, затем взвешивался после обработки. Разность полученных весовых значений определяла массу разрушенного материала образца. При определении массы использовались весы лабораторные квадрантные 4 класса модели ВЛКТ-500г-М с механизмом компенсации массы тары (рис.12).
370x355x220 Микроскоп МБС-10 предназначен для наблюдения как объемных предметов, так и тонких пленочных и прозрачных объектов, а также препарировальных образцов. Наблюдение может производиться как при искусственном, так и при естественном освещении в отраженном и проходящем свете (рис, 13),
Существенным этапом при экспериментальных исследованиях является обработка экспериментальных данных и проверка их на сходимость (адекватность).
Часто на практике возникают задачи исследования зависимости выходного фактора от нескольких факторов хъ хь..., хр. Примером может служить задача установления зависимости между глубиной реза и режимными условиями реализации процесса гидроабразивного резания. Данную задачу можно решить с помощью множественного регрессионного анализа [4].
Математическое описание исследуемых характеристик процессов проводилось на основании проведения планирования полного факторного эксперимента по методике [4]. Значительное место в экспериментальных исследованиях занимали статистический анализ результатов измерений, расчет на ЭВМ в математическом программном обеспечении Mathcad 14 и построение адекватных математических зависимостей.
Физическая схема обработки материалов струей жидкости сверхвысокого давления при гидрорезании сходна со схемой обработки режущим лезвийным инструментом. Как и при резании лезвийным инструментом, в результате движения струи относительно обрабатываемого материала происходит последовательное разрушение материала за счет отрыва, скалывания или сдвига отдельных его элементов в виде стружки. Однако, струйная обработка является более сложным процессом резания, имеющим свои специфические особенности и отличающимся от традиционных процессов резания.
В основе гидрорезания лежит механизм возникновения и развития микротрещин, приводящих к хрупкому разрушению. Разрушение материала в процессе гидрорезания может иметь несколько схем, поскольку движущаяся с большой скоростью абразивно-жидкостная, струя (как наиболее сложная по составу) представляет собой в периферийной части каскад брызг-капель и отдельных абразивных частиц, захваченных струей и окружающих ее нераспавшийся участок. На схеме взаимодействия абразивно-жидкостной струн с обрабатываемым материалом (рис.14) струя движется в направлении, указанном стрелкой о, обрабатываемый материал - стрелкой S. При рассмотрении взаимодействия элементов струи с обрабатываемым материалом в микрообъемах зоны резания можно отметить, что реализуются все три вида разрушающего воздействия. Стрелками 2 и 8 выборочно указаны зоны разрушения ударного действия, стрелками 1, 4, 5, 7, 9 - зоны разрушения скользящего действия, стрелками 3,6- зоны разрушения косого действия.
Качество реза и дефекты, возникающие при гидроабразивной резке материалов
В результате расчетов определяются значения скоростей uj и и2, величина силы Fcp, приращения деформации AhY и А/щ, коэффициент передачи кинетической энергии ц, а также значения температуры в и полной величины деформаций hY и hn по истечении времени At. Далее все приведенные расчеты повторяются. Таким образом, значения параметров постоянно уточняется, и для последующей итерации используются значения, определенные ранее.
Процедура увеличения времени удара t за счет приращения At выполняется до того момента времени tlt когда скорость абразивной гранулы щ становится равной нулю. В этот момент времени кинетическая энергия абразивной гранулы частично израсходована на необратимые процессы и переведена в потенциальную энергию упругих деформаций абразивной гранулы и разрушаемой поверхности и кинетическую энергию ударной волны. Сила ударного взаимодействия и упругопластические деформации достигают своего максимального значения, когда возможен процесс разрушения материала обрабатываемой поверхности. С этого момента времени начинается также процесс отлета абразивной гранулы, сопровождающийся переходом упругой деформации в кинетическую энергию движения абразивной гранулы. Для разрушаемого тела наступает период разгрузки, когда интенсивность напряжений в материале поверхности уменьшается. За счет пластической деформации на разрушаемой поверхности остается след, размер которого определялся на основании следующей зависимости
Таким образом, определяются действующие в данный момент времени напряжения на границе волны, и можно рассчитать величины напряжений по глубине разрушаемого слоя материала.
Данные величины деформаций и напряжений рассчитываются для идеально гладких поверхностей. В реальных условиях разрушаемая поверхность имеет некоторую шероховатость. Для того, чтобы учесть шероховатость поверхности воспользуемся подходом, основанным на фрактальных представлениях о шероховатой поверхности как о геометрическом объекте с дробной размерностью [17]. Модуль упругости шероховатого слоя Еш является величиной переменной и определяется следующей зависимостью Еш=Е2-є 5, (83) где Е2 - модуль упругости материала поверхности; є - относительная деформация неровностей шероховатого слоя; - константа ( =1); D -фрактальная размерность профиля шероховатой поверхности.
В свою очередь, относительная деформация неровностей шероховатой поверхности равна относительной деформации наиболее нагруженной неровности \Е2 ; где Р- площадь пятна контакта, м ; Rz - высота профиля неровности, м; а -радиус контурной площади, м.
Таким образом, при проникновении абразивной гранулы в поверхность материала, учитывая величину ее шероховатости, получаются более точные величины деформаций и действующих напряжений.
Скорость перемещения гидроабразивной головки относительно материала, давление истечения и количество активных абразивных гранул на рабочей части струи, обусловленных развитостью периферийной зоны, будут определять напряженно-деформационное состояние поверхностного слоя разрушаемого материала. Малая скорость подачи на стадии пробивки отверстия характеризуется высокой интенсивностью подвода в зону резания энергии, что увеличивает область критических значений напряженного состояния. Таким образом, размеры активной границы струи определяют характер внешнего воздействия гидроабразивного потока на поверхностный слой, влияют на механизм и скорость разрушения материала, а, следовательно, формируют ширину глубину реза и финишное состояние поверхностного слоя разрезаемого материала.
Анализ хрупкого разрушения материалов связан с сопоставлением действующего напряжения и критического напряжения. Критерий разрушения записывается в виде а ас. Однако, данный критерий не описывает многие существенные черты хрупкого разрушения, выражаемые временной зависимостью прочности и пространственным распределением разрушения, поэтому для анализа разрушения был использован структурно-временной критерий, записанный в форме
Согласно данному критерию для разрушения материала недостаточно только достижения напряжения тс, критическое напряжение должно действовать в течение некоторого интервала времени 1. Здесь т трактуется как минимальное время, необходимое для разрушения элемента материала при действии напряжения, равного тс.
Время разрушения т отвечает за динамические особенности хрупкого разрушения и определяется временем действия струи на разрушаемый элемент. Принятый в работе критерий разрушения учитывает импульсные характеристики поля напряжений и особенности процесса гидроабразивного резания.
