Введение к работе
Актуальность темы. За последние три десятилетия сложность современной машиностроительной продукции выросла в среднем в 6 paз. Из общего числа типоразмеров деталей, изготовляемых в механообрабатывающем производстве, наибольшая часть (более 2/3 общей номенклатуры) приходится на листовые, а также фигурные, профильные и другие детали сложной формы. Листовые детали сложной контурной формы имеют значительное число наименований (более 50 % номенклатуры) и составляют 20-30 % от общей стоимости механообработки.
В мировой практике накоплен значительный опыт обработки материалов по сложному контуру с использованием механических методов, энергии ультразвука, плазмы, лазера, гидроабразивной струи и др. Для обработки заготовок из листа толщиной до 6 мм наиболее предпочтительна лазерная резка как более производительная и менее энергоемкая.
При вырезке деталей из листов толщиной более 6 мм предпочтение отдают гидроабразивной резке. В этом случае стоимость резки одного погонного метра металла гидроабразивной струей как основного конкурента лазеру не превышает стоимость при лазерной резке, а при резке больших толщин является более производительной и экономичной.
Целесообразность применения резки материалов гидроабразивной струей определяется следующими преимуществами: возможностью вырезки листовых деталей по любому контуру без оплавления кромок и коробления листов; высокой производительностью, точностью до 0,025-0,1 мм и шероховатостью поверхности реза Ra до 0,25-0,5 мкм.
Значительный вклад в разработку основ процесса гидроабразивной резки материалов внесли известные отечественные и зарубежные ученые: Р.А. Тихомиров, Е.Н. Петухов, Ю.С. Степанов, М.А. Бурнашев, А.П. Черепенько, И.И. Шапиро, А.А. Семерчан, И.В. Петко, B.C. Гуенко, Ю.А. Пономарев, В.Н. Подураев, A. Momber, М. Hashish, R. Kovacevic и др.
Часто достижение необходимой производительности находится в противоречии с требуемым качеством. В большинстве случаев рекомендации по выбору режимов обработки определены только для случая резки по прямой линии, а при обработке сложного контура детали зачастую только методом пробных проходов можно определить, где и насколько необходимо изменить рекомендуемую скорость резания для достижения заданного качества и производительности. В этой связи актуальным направлением в области машиностроительного производства является поиск путей повышения эффективности резки материалов гидроабразивной струей, заключающейся в повышении производительности с сохранением заданных параметров качества путем оптимизации режимов и разработкой новых способов и устройств формирования гидроабразивной струи.
Цель работы заключается в повышении эффективности процесса гидроабразивной обработки листовых деталей путем оптимизации режимов обработки и параметров струи рабочей жидкости.
Методика исследований. Теоретические исследования базируются на основе методов технологии машиностроения и основных положениях гидродинамики, динамики многофазных сред, численного анализа и математических методов. Для получения количественной оценки влияния технологических факторов гидроабразивной резки на исследуемые показатели применялось моделирование на основе многофакторного эксперимента. Опыты производились на установке гидроабразивной резки с ЧПУ фирмы «PTV, spol. s r.o.» с использованием современных средств измерения. Обработка результатов исследований проводилась с использованием компьютерных программ.
Научная новизна:
получена математическая модель, раскрывающая механизм формирования гетерогенной гидроабразивной струи, учитывающая взаимодействие фонового потока и частиц абразива, действующие между ними гидродинамические силы, поверхностные напряжения, их скорость, концентрацию, массу и плотность, зная которые, можно прогнозировать оптимальные условия процесса обработки;
получены аналитические зависимости для определения глубины внедрения абразивной частицы и съема металла при гидроабразивной резке, которые учитывают физико-механические свойства обрабатываемого материала, размеры абразивных частиц, расстояния до обрабатываемой детали, параметры гидроабразивной струи;
получены экспериментальные аналитические зависимости влияния основных технологических факторов, подачи режущей головки, расхода абразива, твердости материала на результаты обработки: шероховатость обработанной поверхности , твердость обработанной поверхности Т, отклонение от овальности , конусность реза и съём металла q. Определены оптимальные условия осуществления процесса гидроабразивной резки листовых деталей;
предложен и теоретически обоснован способ гидроабразивной резки, основанный на закручивании струи рабочей жидкости, позволяющий концентрировать абразивные частицы на оси струи, повышая её режущие свойства. Получены аналитические зависимости конечной скорости на оси закрученной гидроабразивной струи и её диаметра, зависящие от начальной скорости струи, расстояния до обрабатываемой поверхности, конструктивных параметров сопла, расхода частиц.
Практическая ценность:
разработаны технологические рекомендации выбора оптимальных режимов резания. Подача режущей головки составила S= 200 мм/мин, расход абразива Q= 325 г/мин, при этом шероховатость поверхности составит Rа=2,1 мкм, конусность реза 0,2 мм, отклонение от овальности 0,15 мм при вырезке отверстия, съем металла q=29,15 г/мин. В результате производительность процесса резания увеличилась на 12%;
результаты исследований внедрены на ОАО «Саратовский агрегатный завод». Экономический эффект от внедрения результатов исследования составил 197700 руб.
Апробация работы. Основные положения работы докладывались и обсуждались на 9 конференциях различного уровня:
6 Международных научно-практических конференциях: «Современные технологии в машиностроении XIII», (Пенза, 2009); «Молодые ученые за инновации: создавая будущее» (Саратов, 2011); «Технологическое обеспечение качества машин и приборов» (Пенза, 2011); «Математические методы в технике и технологиях», (Саратов, 2011); «Современные проблемы и пути их решения в науке, транспорте, производстве и образовании 2011» (Одесса, 2011); «Теоретические и прикладные проблемы науки и образования в 21 веке» (Тамбов, 2012).
3 Всероссийских научно-практических конференциях: «Инновации и актуальные проблемы техники и технологий» (Саратов, 2009); «Проблемы геометрического компьютерного моделирования в подготовке конструкторов для инновационного производства» (Саратов, 2010); «Инновации и актуальные проблемы техники и технологий» (Саратов, 2010);
ежегодных научно-практических конференциях молодых ученых машиностроительного факультета «Проблемы современного машино- и приборостроения» (Саратов, 2010-2012).
Публикации. По теме работы опубликовано 15 печатных работ, из них 3 – в журналах из перечня ВАК РФ, 1 патент РФ на изобретение.
Структура и объем работы. Работа состоит из введения, 5 глав, общих выводов, списка использованной литературы из 127 наименований и 11 приложений. Работа содержит 159 страниц, в том числе 142 страницы основного текста, 56 рисунков, 28 таблиц.
Похожие диссертации на Повышение эффективности процесса гидроабразивной резки листовых деталей путем оптимизации режимов обработки и параметров струи рабочей жидкости
