Введение к работе
Актуальность работы. Гидроструйные технологии, основанные на использовании высокоскоростных струй в качестве режущего инструмента, являются на сегодняшний день одним из перспективных направлений развития техники и технологий разрезания различных материалов. Способность струй осуществлять работу по резанию анизотропных, композиционных и дублированных материалов при высокой скорости обработки и отсутствии реакций от обрабатываемой заготовки, делают их привлекательными в качестве инструмента для разрезания листовых неметаллических материалов (далее по тексту ЛНМ). Традиционная механическая резка характеризуется значительной удельной энергоемкостью, относительно низкой скоростью резания, невозможностью получения изделий сложной формы (ограничением является геометрические размеры механического инструмента), термическим воздействием на обрабатываемый материал и значительным пылеобразованием. Гидроструйная резка лишена указанных недостатков. Данная технология основывается на использовании энергии высокоскоростных гидравлических струй. Если вопрос о закономерностях эрозионного разрушения твердых материалов высокоскоростными гидравлическими струями хорошо изучен, то резание ЛНМ, имеющих различные физико - механические показатели, систематически не исследован.
Это, в частности, связано с тем, что листовые неметаллические материалы имеют широчайший разброс своих свойств, а физические процессы, определяющие их взаимодействие с высокоскоростными гидравлическими струями, носят характер, существенно отличающийся от разрушения твердых материалов, широко освещенных в литературных источниках.
Кроме того, необходимость обеспечения режимов резания, не допускающих значительного намокания кромок обрабатываемого материала, требует изыскания научно обоснованных рекомендаций при разработке конструкций струйного инструмента для высокоскоростного резания. Так, при введении в струю абразивных частиц производительность по разрушению резко возрастает, но это закрывает путь применения гидроструйной технологии в тех областях промышленности, где присутствие нерастворимых механических частиц нежелательно или недопустимо в технологическом процессе резки (медицина, пищевая, химическая промышленность и т.д.).
Водоледяная струя - выход из сложившейся ситуации. Применение охлажденной струи воды, насыщенной частицами льда полностью исключает вышеуказанные недостатки водоструйной и гидроабразивной технологий. Технологии на основе водоледяных струй в нашей стране, до настоящего времени, из-за некоторых технических сложностей реализации, не исследовались. Однако за рубежом уже подтверждены их перспективы для высокотехнологичных отраслей промышленности, таких как машиностроение, авиация, космонавтика и медицина.
Водоледяная струя имеет комбинированный характер воздействия на материал, заключающийся в одновременном действии напряжений растяжения-сжатия от гидравлической составляющей струи и эрозионного разрушения от действия разогнанных ледяных частиц, причем данные воздействия проходят на фоне протекания сложных термодинамических явлений, описание которых необходимо для уяснения физической сути процесса разрезания ЛНМ.
В силу своей специфичности, работ, посвященных систематизации подходов к разрезанию ЛНМ водоледяными струями, насчитывается буквально единицы, а существующие методы определения рациональных параметров процесса разработаны в основном для узкой номенклатуры материалов и поэтому не могут в имеющемся виде быть использованы при проектировании промышленного оборудования.
Таким образом, все это вызывает необходимость проведения широких комплексных теоретических и экспериментальных исследований, направленных на разработку научных основ создания оборудования для высокоскоростного разрезания ЛНМ с использованием водоледяных струй, что и определяет актуальность работы.
Научное исследование по теме диссертации связано с выполнением работ по гранту 11/1-98 (97-24-3.2-14) «Разработка теоретических и технологических основ резки композиционных и текстильных материалов сверхзвуковой струей жидкости» Минобрнауки РФ по фундаментальным исследованиям в области технических наук, а также работ, выполненных в рамках Федеральной целевой научно-технической программы «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития науки и техники» на 2002 – 2006 годы и аналитической ведомственной целевой программы «Развитие научного потенциала высшей школы» (2009 - 2010 годы).
Цель работы состоит в повышении эффективности разрезания листовых неметаллических материалов путем научно-обоснованного выбора рациональных параметров процесса раскроя водоледяными струями высокого давления.
Достижение поставленной цели потребовало постановки и решения следующих задач.
-
Классифицировать и провести анализ современных технологий гидрорезания листовых неметаллических материалов. Разработать классификацию материалов, разрезание которых водоледяными струями высокого давления обеспечило бы эффективное снижение энергоемкости при требуемой производительности.
-
Разработать основы теории формирования трехфазной струи (вода – лед – газообразный азот) как режущего инструмента процесса раскроя ЛНМ.
-
Разработать теоретическую модель разрушения ЛНМ водоледяными струями высокого давления.
-
Разработать модели распределения температуры резания в плоскости раскроя и по глубине обработки пакетов ЛНМ.
-
Установить закономерности влияния гидравлических, режимных и геометрических параметров технологического инструмента на эффективность разрезания водоледяной струей ЛНМ при соблюдении требуемых параметров точности и качества раскроя.
-
Разработать методики выбора оптимальных параметров управляемого процесса разрезания ЛНМ для использования в технологических расчетах.
-
Разработать принципы компоновки и расчета основных характеристик оборудования для водоледяного разрезания ЛНМ.
-
Разработать и внедрить в производство новые технические решения для оборудования водоледяного разрезания ЛНМ.
Метод исследования – комплексный, включающий методологию системного анализа; физику макромолекулярной теории полимеров, термодинамику, теорию распространения ударных волн, теоретические исследования на базе моделирования процессов формирования водоледяных струй и их воздействия на ЛНМ; экспериментальные исследования процессов резания ЛНМ струйным инструментом с использованием универсальных технологических модулей высоконапорного оборудования в стендовых и промышленных условиях; анализ и обработку экспериментальных данных с применением методов теории вероятности и математической статистики, сопоставление экспериментальных и расчетных данных.
Научная новизна полученных результатов заключается:
- в теоретическом обосновании требований к параметрам водоледяного разрезания материалов, результатом которого являются аналитические зависимости, связывающие начальные гидравлические и геометрические параметры водяной струи с режимными и геометрическими параметрами проектируемого технологического инструмента для формирования водоледяной струи;
- в теоретическом обосновании конструкции технологического инструмента, включающем аналитические зависимости, связывающие настроечные характеристики: давление и расход воды с образованием в водоледяной струе возможно максимальной концентрации частиц льда, а также с конструктивными параметрами камеры смешивания и коллиматора технологического инструмента, обеспечивающими наибольшую производительность разрезания;
- в разработке комплекса математических моделей термодинамических процессов, происходящих при формировании водоледяных струй и в процессе контакта с обрабатываемым материалом, что позволило прогнозировать и целенаправленно регулировать производительность водоледяного разрезания ЛНМ;
- в теоретическом и экспериментальном обосновании требований к параметрам водоледяного разрезания ЛНМ, обеспечивающим заданные показатели качества обработки, результатом которых являются аналитико – экспериментальные зависимости, связывающие режимные параметры процесса с шероховатостью боковой поверхности и шириной реза;
- в разработке методологии расчета режимов разрезания ЛНМ водоледяной струей.
Основные научные положения, выносимые на защиту:
1. Разработанная математическая модель описания термодинамических процессов, происходящих при формировании водоледяных струй и разрезании ЛНМ, в которой учитывается влияние геометрических и гидравлических параметров технологического инструмента, режимных параметров процесса и физико-механических свойств обрабатываемого материала.
2. Теоретически обоснована конструкция технологического инструмента, созданная на основе аналитических зависимостей, связывающих настроечные характеристики образования водоледяной струи и геометрические параметры камеры смешивания и коллиматора;
3. Экспериментально установленные закономерности процесса разрезания ЛНМ с учетом их свойств, геометрических, гидравлических и режимных параметров технологического инструмента, которые обеспечивают обоснование его конструктивного исполнения для достижения заданных показателей работы.
4. Методология выявления области минимальных удельных энергозатрат на основе исследования взаимосвязи свойств ЛНМ, геометрических, гидравлических и режимных параметров с показателями процесса разрезания водоледяной струей.
5. Математическая модель, описывающая взаимосвязь ширины реза и качества поверхности с гидравлическими параметрами технологического инструмента, режимами обработки и физико-механическими свойствами ЛНМ.
Практическое значение работы:
- разработана конструкция экспериментального стенда, обеспечивающего исследование процесса разрезания ЛНМ водоледяным инструментом в широком диапазоне изменения режимных и гидравлических параметров;
- предложена оригинальная компоновка и конструктивное решение технологического инструмента, обеспечивающего повышение эффективности процесса разрезания ЛНМ, что подтверждено экспериментально;
- получены инженерные расчетные зависимости и разработаны методики для определения рациональных давлений воды и скоростей подачи технологического инструмента, обеспечивающих минимум удельных энергозатрат и максимальную производительность процесса разрезания ЛНМ, позволившие обосновать показатели работы;
- разработана и внедрена на производстве программа "Методика расчета технологических параметров резания, определения геометрических характеристик технологического инструмента и выбора насосного оборудования для резки ЛНМ водоледяными струями";
- показано, что оснащение серийно выпускаемого гидрорезного раскройного оборудования системой подачи жидкого азота и технологическим инструментом для разрезания водоледяными струями позволит повысить производительность резки при относительно низком уровне давления, что дает значительный экономический эффект.
Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается корректностью постановки задач; представительным объемом экспериментальных данных, полученных в стендовых условиях с применением современных средств измерений и методов исследований; корректным применением методов теории вероятности и математической статистики при обработке и анализе экспериментальных данных; устойчивостью корреляционных связей установленных зависимостей (значения индексов корреляции находятся в пределах 0,80 - 0,99); удовлетворительной сходимостью расчетных данных с результатами экспериментов (отклонение не превышает 19 %); опытом использования методики проектирования технологического инструмента для водоледяного разрезания ЛНМ.
Реализация результатов работы.
Результаты исследований, изложенные в диссертации, нашли применение на ЗАО «Радуга» и УПП ВОГ (г. Орел).
Опытные образцы технологического инструмента прошли промышленные испытания и приняты к производству на ООО «Скуратовский опытно-экспериментальный завод» (г.Тула). Ими оснащены стенды для исследования гидроструйных технологий.
Результаты работы в виде рекомендаций и методик расчета, пакет расчетных программ по математическому моделированию процессов формирования водоледяных струй и разрезания материалов, а также все конструктивные решения технологического инструмента и рекомендации по выбору режимов обработки в полном объеме используются на ЗАО «АТЛАНТ» (г. Ясногорск Тульской области) и ООО «Коммунсельхозтехника» (г. Мценск Орловской области) при создании технологий разрезания ЛНМ.
Результаты исследований внедрены в учебные курсы «Технология машиностроения» и «Технология обработки специальных материалов» для студентов ОрелГТУ, обучающихся по направлению и специальности 150900 «Технология, оборудование и автоматизация машиностроительных производств» и 151001 «Технология машиностроения». Пакеты прикладных программ используются при курсовом и дипломном проектировании.
Апробация работы. Результаты исследований и основные материалы диссертационной работы докладывались на: Всерос. Науч.-техн. конф. «Перспективные технологические процессы обработки материалов» в СПбГТУ (г. Санкт-Петербург, 1995 г.), Междунар. молодежном науч.-техн. конгрессе «Молодежь и наука – третье тысячелетие» в МГТУ им. Н.Э. Баумана (г. Москва, 1996 г.), Междунар. науч.-техн. конф. «Молодая наука – новому тысячелетию» в КамПИ (г. Набережные Челны, 1996 г.), междунар. науч.-техн. конф. «Прогресс-98» в ИГТА (г.Иваново, 1998 г.), на I – IV Междунар. науч.-техн. конф. «Фундаментальные и прикладные проблемы технологии машиностроения» в ОрелГТУ (г.Орел, 2000 – 2004 гг.), 3-ей Межд. научн.-техн. конф. «Проблемы повышения качества промышленной продукции» в БГТУ (г. Брянск, 1998 г.), Всеросс. науч.-техн. конф. «Новые материалы и технологии – НМТ-98» в МАТИ (г. Москва, 1998 г.), Всеросс. науч.-техн. конф. «Актуальные проблемы повышения качества машиностроительной продукции» в ВГУ (г. Владимир, 1999 г.), 4-й Междунар. науч.-техн. конф. «Качество машин» в БГТУ (г. Брянск, 2001 г.), Междунар. межвузовской науч.-техн. конф. «Информационные технологии и моделирование» ГГТУ (РБ, г. Гомель, 2003 г.), 3 Междунар. науч.-техн. конф. «Автоматизация и энергосбережение машиностроительного производства, технология и надежность машин, приборов и оборудования» в ВоГТУ (г. Вологда, 2007 г.), 6-й Междунар. науч.-техн. конф. «Проблемы качества машин и их конкурентоспособности» в БГТУ (г. Брянск, 2008 г.), Науч.-техн. конф. «Перспективные направления развития технологии машиностроения и металлообработки» в ДГТУ (г. Ростов-на-Дону, 2008 г.).
Публикации. По теме исследования опубликовано 44 печатные работы, в том числе 8 патентов РФ, 1 монография.
Объем работы. Диссертация состоит из введения, 5 глав и заключения, изложенных на 350 страницах машинописного текста, содержит 62 рисунка, 45 таблиц, список использованной литературы из 276 наименования и 3-х приложений.
