Содержание к диссертации
Введение
Глава 1 Анализ современного состояния вопроса повышения эффективности гидроабразивного резания 19
1.1 Эффективность применения гидроабразивного резания в различных отраслях промышленности 19
1.2 Технологическое обеспечение эффективности гидроабразивного резания различных материалов 26
1.2.1 Классификация струй жидкости, применяемых для резания материалов .. 26
1.2.2 Зависимость эффективности гидроабразивного резания от физико-механических свойств абразивных материалов 28
1.2.3 Строение технологической системы гидроабразивного резания, обеспечивающее эффективность процесса обработки 38
1.3 Критерии оценки эффективности гидроабразивного резания по геометрическим параметрам поверхности реза 42
1.4 Анализ технологических методов повышения эффективности гидроабразивного резания 45
1.5 Цель и задачи исследования 60
Глава 2 Анализ соподчиненности элементов и под систем технологической системы гидроабра зивного резания 64
2.1 Системный анализ иерархии элементов и подсистем технологической системы гидроабразивного резания 64
2.2 Функциональный анализ структуры технологической системой гидроабразивного резания 67
2.3 Анализ иерархической структуры системы управления тех-нологическими связями процесса гидроабразивного резания 81
2.4 Выводы по второй главе 96
Глава 3 Технологическое обеспечение параметров состояния поверхностного слоя при гидроаб разивном резании 98
3.1 Основные принципы и подходы к созданию технологического обеспечения параметров состояния поверхностного слоя при гидроабразивном резании 98
3.2 Анализ состояния поверхностного слоя детали после гидроабразивного резания 100
3.3 Геометрическая модель процесса формирования точности формы и расположения поверхности детали после гидроабразивного резания 106
3.4 Моделирование числа абразивных зерен, формирующих параметры состояния поверхностного слоя при гидроабразивном резании 116
3.5 Определение активной границы действия струи на основе анализа напряженно-деформационное состояние поверхностного слоя обрабатываемой детали 135
3.6 Моделирование реального микрорельефа поверхности после гидроабразивного резания 143
3.6.1 Выбор шага разбиения поверхности при моделировании реального микрорельефа после гидроабразивного резания 144
3.6.2 Расчет радиуса кривизны реального микрорельефа в перпендикулярном сечении поверхности после гидроабразивного резания 150
3.6.3 Определение знака радиуса кривизны реального микрорельефа в перпендикулярном сечении поверхности после гидроабразивного резания 152
3.6.4 Расчет нормальной кривизны реального микрорельефа в перпендикулярных сечениях поверхности после гидроабразивного резания 159
3.6.5 Расчет главной кривизны реального микрорельефа в перпендикулярных сечениях поверхности после гидроабразивного резания 163
3.6.6 Модульная геометрическая модель реального микрорельефа поверхности после гидроабразивного резания 167
3.7 Технологическое обеспечение качества поверхности после гидроабразивного резания на основе математического моделирования фрагмента поверхности после обработки 179
3.7.1 Геометрическая модель взаимодействия абразивного зерна с поверхностью заготовки 179
3.7.2 Имитационное моделирование фрагмента поверхности после гидроабразивного резания 185
3.7.3 Оценка адекватности имитационной модели фрагмента поверхности после гидроабразивного резания 189
3.8 Выводы по третьей главе 197
Глава 4 Конструкторско-технологическое обеспечение точности формы и расположения поверхностей детали при гидроабразивном резании 200
4.1 Анализ влияния технологической системы гидроабразивного резания на точность формы и расположение поверхностей обрабатываемой детали 200
4.2 Технологическое обеспечение точности криволинейных и угловых элементов контура детали при гидроабразивном резании 197
4.2.1 Моделирование отклонения струи по толщине обрабатываемого материала 203
4.2.2 Моделирование замедления струи по толщине обрабатываемого материала 216
4.2.3 Оценка адекватности модели изменения энергетических параметров струи по толщине обрабатываемого материала 226
4.3 Влияние сил резания на точность формы и расположение по верхностей обрабатываемой детали 235
4.3.1 Упругие перемещения сетчатой опорной поверхности для материала под действием сил резания 235
4.3.2 Упругие перемещения решетчатой ножевой опорной поверхности для материала под действием сил резания 242
4.5 Влияние режимов гидроабразивного резания на величину от клонений формы, размера и расположения поверхностей обрабатываемой детали 250
4.5.1 Зависимость точности размера верхней поверхности детали от режимов гидроабразивного резания 250
4.5.2 Зависимость точности размера нижней поверхности детали от режимов гидроабразивного резания 252
4.5.3 Зависимость точности формы поверхности детали от режимов гидроабразивного резания 254
4.5.4 Зависимость отклонение формы заданного профиля поверхности детали от режимов гидроабразивного резания 258
4.6 Выводы по четвертой главе 259
Глава 5 Технологические основы дискретного регулирования состояний технологической системы, обеспечивающей повышение эффективности гидроабразивного резания 262
5.1 Концепция реализации и методология оценки эффективности дискретного регулирования состояний технологической системы гидроабразивного резания 262
5.2 Технологические основы управления производительностью гидроабразивного резания на дискретном участке контура детали 271
5.3 Технологические основы управления точностью и качеством гидроабразивного резания на дискретном участке контура детали 281
5.4 Технологии повышения эффективности гидроабразивного резания на основе дискретного регулирования состояний технологической системы 285
5.5 Экономическая эффективность применения метода дискретного регулирования технологической системы гидроабразивного резания 298
5.5 Выводы по пятой главе 309
Заключение и основные выводы по работе 311
Список литературы 314
Приложение
- Технологическое обеспечение эффективности гидроабразивного резания различных материалов
- Функциональный анализ структуры технологической системой гидроабразивного резания
- Анализ состояния поверхностного слоя детали после гидроабразивного резания
- Технологическое обеспечение точности криволинейных и угловых элементов контура детали при гидроабразивном резании
Введение к работе
В стратегии развития Российской Федерации до 2010 г. приоритетной проблемой определена модернизация отечественной экономики [1]. Основой технического перевооружения всех отраслей экономики является машиностроительное производство, которое является главной отраслью металлообрабатывающей промышленности и занимает центральное место в экономике всех высокоиндустриальных стран.
Повышение конкурентоспособности отечественной машиностроительной продукции требует постоянного обновления ассортимента изделий. Опыт производства ведущих промышленно развитых стран показывает, что наибольшую прибыль можно получить в начале срока поставки новых машин, т.е. при минимальном периоде подготовки производства, определяемом временем технологического оснащения выпуска изделий [2, 3].
По данным Международной ассоциации инженеров-технологов, в мировой экономике на среднесерийное, мелкосерийное и единичное производство приходится 70-80 % общего объема выпуска изделий машиностроения
[4].
Сложность машиностроительной продукции выросла в среднем в 6 раз за последние три десятилетия [5, 6]. Из общего числа типоразмеров деталей, изготовляемых в механообрабатывающем производстве, наибольшая часть (более 2/3 общей номенклатуры) приходится на плоские, а также фигурные, профильные и другие детали сложной формы. Плоские детали сложной формы, не относящиеся к телам вращения, имеют значительное число наименований (более 50 % номенклатуры) и составляют 20 - 30 % от общей стоимости механообработки.
В настоящее время для изготовления плоских деталей из листа в заготовительном производстве широкое применение находят различные механические методы обработки [7], в первую очередь резка ножовочными полотнами, ножницами, ленточными пилами, фрезами, штампами и др.
На долю механических методов резания приходится около 70 % всех
выполняемых операций. Несмотря на многие достоинства этого процесса, при резании по сложному контуру возникают недостатки, связанные с низкой производительностью, сложностью и высокой стоимостью отрезного инструмента (штамповая оснастка), трудностью или невозможностью раскроя.
Поэтому в гибкоструктурном современном производстве, где месячная программа изготовления сложнопрофильных деталей из листа может измеряться десятками и сотнями штук, применение традиционных методов становится экономически неоправданно.
За последние годы в мировой практике накоплен значительный опыт резания материалов по сложному контуру с использованием электрофизического, электрохимического и физико-химического воздействия [8, 9].
Наиболее эффективным методом, сочетающим высокие показатели, как по производительности процесса, так и по точности и качеству поверхностей реза, является лазерное резание. Весьма эффективным оказалось применение лазерной резки фигурных изделий на стадии освоения новой продукции, так' как из-за высокой гибкости лазерного оборудования значительно сокращаются сроки освоения изделий. В настоящее время высокими темпами развивается резка пространственных изделий, в том числе с использованием роботов-манипуляторов, при этом лазерное излучение к зоне обработки может передаваться по гибкому оптоэлектронному лучепроводу [10].
Преимущества лазерного резания наиболее значимы в среднем и общем машиностроении, на долю которых приходится 40 % товарной продукции отрасли, где основная масса листовых заготовок имеет толщину до 5 - 10 мм.
В сложившихся технико-экономических условиях отечественной промышленности доля тяжелого машиностроения в производстве продукции составляет 60%. Затраты на сырье и материалы здесь составляют от 40 до 85 % [11,12].
10 Тяжелое машиностроение включает в себя производство морского и
речного транспорта, металлургического, горного и подъемно транспортного оборудования, энергетических блоков (паровых котлов, атомных реакторов, турбин и генераторов), а также других крупногабаритных и металлоемких изделий. Для тяжелого машиностроения характерны предприятия полного цикла (заготовка, механическая обработка, сборка) с выпуском продукции небольшими сериями и даже индивидуального назначения. Главной особенностью является использование для получения деталей толстолистового проката толщиной до 150 мм.
Большая толщина листа резко снижает производительность и точность лазерного и механического резания, а для получения сложного контура применяют последующую обработку по периметру детали, трудоемкость которой превышает время разделения материала.
Поэтому применение новых, высокоэффективных, материало- и энергосберегающих технологий радикально решающих вопросы производительности и качества резания толстолистовых материалов, является актуальной-1 проблемой в промышленности.
Одной из таких ключевых технологий, позволяющей радикально модернизировать существующие технологические процессы на предприятиях тяжелой промышленности, является резка гидроабразивной струей [13-15].
Резание гидроабразивной струей позволяет:
повысить точность вырезки деталей, что определяет объем пригоночных работ при сборочно-сварных работах или возможность их полного исключения в случае изготовления деталей «в чистый размер»;
повысить качество кромок вырезанных деталей, что исключает необходимость их зачистки или механической обработки перед сборкой конструкции;
повысить производительность вырезки деталей;
исключить рихтовку заготовок после резки, так как отсутствуют высокие температуры в зоне резания;
- исключить вредные выбросы в окружающую среду и световое излучение, что существенно снижает затраты на обеспечение экологической чистоты процессов и соблюдение требований охраны труда.
Гидроабразивное резание является финишной операцией, так как достигаемые геометрические характеристики и физико-механические свойства поверхности детали не требуют дополнительной обработки.
Значительный вклад в разработку основ конструкторско-технологического обеспечения процесса резания материалов сверхзвуковой струей жидкости внесли известные отечественные и зарубежные ученые: Р.А. Тихомиров, В.Ф. Бабанин, Е.Н. Петухов, И.И. Шапиро, А.А. Семерчан, И.З. Зайченко, И.В. Петко, B.C. Гуенко, В.А. Слабодянюк, В.А. Потапов, И.И. Шапиро, Ю.А. Пономарев, О.И. Скирденко, В.Н. Подураев, В.А. Новиков, А.Ф. Саленко, A. Momber, М. Hashish, R. Kovacevic, Н. Louis, J. Wiede-meier, E. Geskin, R. Mohan, Y. Zhang, D. Arola, M. Ramulu, J. Chao, J. Zeng и
др.
Основные подходы к обеспечению производительности и качества резания материалов сверхзвуковой струей жидкости различного состава разрабатываются научной школой Р.А. Тихомирова, Е.Н Петухова. Установлена взаимосвязь технологических факторов процесса гидрорезания и определены оптимальные параметры струи, ее состав и характер воздействия на материал. Изучены схемы микроразрушения материалов при различном характере воздействия струи. Установлена взаимосвязь динамических и геометрических параметров струи и обрабатываемого материала. Разработаны различные структурные схемы гидрорезания.
Вместе с тем, нуждаются в совершенствовании вопросы взаимосвязи шероховатости, точности формы и расположения поверхности реза с направлением формообразования деталей фасонного контура при гидроабразивном резании.
Обеспечение и повышение производительности и качества немыслимы без серьезных научных достижений в области создания гидрорежущего обо-
12 рудования. В этой области необходимо выделить труды Ю.Н. Лаптева, А.Т.
Момчилова, B.C. Гуенко, И.И. Шапиро, СВ. Беляева, В.А. Слабодянюка,
И.В. Петко, М. Hashish, R. Kovacevic, В. Liu, J. Fair, С. Brandt и др.
В связи с ростом требований к шероховатости, точности формы и расположения поверхности реза после гидроабразивного резания большое внимание уделяется исследованию применяемого абразивного материала (зернистости, материалу абразива и его твердости, распределению формы и режущих кромок). Результаты изучения влияния свойств абразива на механизм формирования микрогеометрии поверхности реза и достигаемой производительности представлены в трудах И.В. Петко, В.А. Слабодянюка, Ю.В. Клап-цова, М. Agus, Н. Wadell, Н. Heywood, S. Bahadur и R. Badruddin, J. Vasek, A. Laurinat. Однако все имеющиеся расчетные зависимости (за исключением чисто эмпирических) для определения толщины среза, силы резания, скорости съема металла имеют в своем составе в качестве переменных факторов только диаметр зерна.
Расчеты по этим зависимостям и анализ влияния технологических факторов на формирование шероховатости поверхности сопряжены с погрешностями не только количественного, но и качественного характера.
Технологические трудности, связанные с достижением требуемой шероховатости, точности формы и расположения поверхности реза, могут быть преодолены на основе применения современного программного обеспечения, способного не только моделировать взаимодействие между струей и материалом, но и программировать движение инструмента перед обработкой, оценивать время резания. Большой вклад в развитие этого направления внесли И.И. Шапиро, М.В. Барабанов, Г.М. Иванов, В.К. Свешников, J. Zeng, J. Munoz, P. Singh, M. Varghese, A. Thomas, Geskin E.S., D. Arola, M. Ramulu, R. Kovacevic, R. Mohan, M. Hashish, A. Momber и др. [16 - 21].
Очевидные технические и экономические преимущества гидроабразивного резания, позволили только на одном предприятии Санкт-Петербурга АО «ЭЛЕКТРОСИЛА» за год экономить материала до 48 тонн, сократить 11
13 единиц оборудования и получить экономический эффект более 30 млн. руб
[22].
Более низкий уровень цен на водоструйную технику, выпускаемую в России (в 5 - б раз), по сравнению с импортной, повышает конкурентоспособность отечественной продукции на внутреннем рынке этого оборудования. Это в целом и определяет конкурентоспособное преимущество его использования в России [23].
Однако, при оснащении предприятий новыми установками АО ВАЗ (г. Тольятти), АО ЗИЛ (г. Москва), АО ВТЗ (г. Владимир), АО «ЭЛЕКТРОСИЛА» (г. Санкт-Петербург), МТЗ (г. Минск), УРАЛТРАНСГАЗ, Верхнесал-динском металлургическом ПО и др. в рамках экспертного исследования установлено, что на 39% предприятий возникают проблемы с системой высокого давления, на 19 % - со струеформирующими соплами, на 3% - с системой подачи сопла, на 47 % - с управлением процессом при резании по сложному контуру, достигаемой производительностью и качеством обработки.
При резании толстолистового материала толщиной 20 - 150 мм изменение разрушающего действия струи в осевом и радиальном направлении при корректировке скорости подачи сопла приводит к колебанию размеров (± 1 мм), нестабильности шероховатости и формы поверхности детали.
Для таких условий обработки только методом пробных проходов можно определить, где и насколько необходимо изменить рекомендуемую скорость гидроабразивного резания для достижения требуемой шероховатости, точности формы и расположения поверхностей сложнопрофильных детали.
В то же время современное машиностроительное производство характеризуется постоянным ростом требований к уровню затрат и трудоемкости изготовления выпускаемой продукции.
Поэтому, чтобы быть конкурентноспособными, необходимо учитывать факторы, влияющие на точность и качество резки. Так, только в судостроительном производстве при традиционной для плазменной и кислородной резки погрешности размера 4 - 6 мм на 10 м длины детали, расходы времени на
14 сборочно-сварные операции составляют 80 чел.ч. [24]. При увеличении же
точности размера до 2 мм на Юм расходы времени уменьшаются до 25 чел.ч., а при точности, достижимой в случае гидроабразивного резания, 0,1 -1 мм - в 3 и более раз, что снижает время изготовления судна на 6 - 12 месяцев.
Несмотря на большое количество работ по проблемам математического моделирования технологической системы гидроабразивного резания, в настоящее время отсутствуют общие подходы к ее исследованию. Имеющиеся модели касаются, как правило, отдельных аспектов функционирования конкретной технологической системы. Такие модели включают в себя прогноз поведения отдельных элементов технологической системы, как правило, режущего инструмента - струи жидкости, которое связано с некоторой узкой производственной целенаправленностью.
Созданные к настоящему времени научные разработки, технологии и оборудование гидроабразивного резания направлены в основном на обеспечение самого процесса разделения материала, а не на обеспечение точности и качества изделия. Часто достижение необходимой производительности находится в противоречии с требуемым качеством. В большинстве случаев рекомендации по выбору режимов резания определены только для случая резания по прямой линии, а при обработке криволинейного контура детали зачастую только методом пробных проходов можно определить, где и насколько необходимо изменить рекомендуемую скорость резания, для достижения заданного качества и производительности. В то же время установлено, что повышение точности этих операций, существенно повышает производительность последующих сборочных работ.
В этой связи актуальным направлением в области машиностроительного производства является поиск путей повышения эффективности технологических процессов гидроабразивного резания листовых материалов.
15 Цель работы заключается в обеспечении требуемой точности и качества обработки плоских деталей машин сложной формы путем научно-обоснованного выбора параметров, режимов и схем управления технологической системой гидроабразивного резания.
Методы исследования. Теоретические исследования базируются на научных положениях 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 экспериментов.
Научная новизна заключается в создании научно-технологических основ дискретного регулирования состояний технологической системы гидроабразивного резания, заключающихся в разработке комплекса математических моделей технологического обеспечения для обоснованного выбора технологических факторов и организации технологических процессов с дискретным регулированием их параметров в процессе обработки по критериям управления эффективностью работы технологической системы.
Получены следующие новые научные результаты:
разработаны концептуальные схемы и варианты эффективного управления организационной структурой технологической системой гидроабразивного резания, в которых требуемая точность и качество обработки обеспечивается путем коррекции всех регулируемых в процессе резания технологические факторов: скорости подачи сопла, давления истечения струи, расхода абразива, расстояния от сопла до материала;
впервые разработан комплекс математических моделей, описывающих движение фронта разрушения материала под действием гидроабразивной струи в радиальном и продольном к подаче направлении, что позволило прогнозировать точность обработки деталей машин сложной формы;
разработана теория и программное обеспечение представления микрорельефа поверхности в виде пересекающихся модулей (поверхностей соприкасающегося параболоида), что позволило создать имитационную модель состояния поверхности детали после гидроабразивного резания с учетом размера, формы и движения зерна;
созданы научно-технологические основы нового метода дискретного регулирования параметров технологической системы по контуру детали, разработана методология и критерии оценки эффективности управления, отражающие влияние принятых технологических параметров на точность, качество и производительность обработки.
Автор защищает:
геометрическую модель движения фронта разрушения материала под действием гидроабразивной струи в радиальном к подаче направлении;
математическую модель влияния режимов гидроабразивного резания на активную границу действия струи;
математическую модель отклонения гидроабразивной струи по толщине обрабатываемого материала;
математическую модель изменения энергетических параметров гидроабразивной струи по толщине материала;
математическую модель изменения по толщине интенсивности разрушения материала под действием гидроабразивной струи в радиальном к подаче направлении;
математическую модель интенсивности разрушения материала периферийной областью струи;
математическую модель числа абразивных зерен, формирующих состояние поверхностного слоя;
имитационную модель состояния поверхностного слоя детали при гидроабразивном резании, ядром которой является разработанная теория и математический аппарат поверхностного моделирования на основе параболической интерполяции;
- технологические основы нового метода дискретного регулирования
состояний технологической системы гидроабразивного резания,
методологию оценки эффективности работы технологической системы на основе критериев эффективности дискретного регулирования состояний технологической системы;
комплекс технологических приемов дискретного регулирования состояний технологической системы для достижения заданного качества и точности обработки.
Практическая ценность и реализация результатов работы:
Разработаны схемы и варианты эффективного управления организационной структурой и технологическими факторами гидроабразивного резания, которые легли в основу технологических приемов дискретного регулирования состояний технологической системы.
Создана имитационная модель состояния поверхностного слоя детали после гидроабразивного резания, что позволяет, исходя из заданной шероховатости для любого дискретного элемента контура детали, назначить технологические параметры процесса обработки.
Разработано технологическое обеспечение точности гидроабразивного резания, позволяющее выбрать оптимальные параметры обработки для любой технологической ситуации.
Разработана методология оценки эффективности дискретного регулирования состояний технологической системы гидроабразивного резания, позволяющая обеспечить требуемое качество и производительность обработки при минимальных энергетических затратах.
Разработаны технологические основы и приемы дискретного регулирования состояний технологической системы гидроабразивного резания, что позволяет обеспечить шероховатость, точность формы и расположение поверхности реза с учетом изменения энергетических и динамических характеристик гидроабразивной струи, а также упругих отжатий технологической системы гидроабразивного резания.
18 Результаты исследований нашли применение на ЗАО «Радуга» и УПП
ВОГ (г. Орел), на АООТ «Ливенский машзавод» и ОАО «Ливнынасос» (г.
Ливны) и на ОАО "Рудоавтоматика" (г. Железногорск), а так же в учебном
процессе при чтении курса «Специальные методы обработки материалов»
для студентов специальности 120100 «Технология машиностроения».
Актуальность исследований подтверждается выполнением работ в рамках Федеральной целевой научно-технической программы «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития науки и техники» на 2002 - 2006 годы, гранта Президента Российской Федерации для поддержки молодых ученых, грантов Минобрнауки по фундаментальным исследованиям в области технических наук и на проведение молодыми учеными научных исследований в ведущих научно-педагогических коллективах высших учебных заведений, грантов РФФИ.
Результаты работы, в совокупности с результатами других разработок, выдвигались на соискание премии Правительства Российской Федерации 2005 года в области науки и техники для молодых ученых.
Публикации. По теме работы опубликовано 92 печатных работ, в том числе 2 монографии, 12 патентов РФ.
Технологическое обеспечение эффективности гидроабразивного резания различных материалов
Тихомиров Р.А., Петухов Е.Н. [68] для характеристики гидроструйного инструмента используют термин сверхзвуковая или дозвуковая струя жидкости. Momber A.W. [69] предлагает классификацию в зависимости от фазовых состояний высоконапорной струи, как показано на рисунке 1.5. Однако технически трудно определить критическое давление насоса, которое отделяет состояние струи низкого или высокого давления. Поэтому, Louis Н. [70] предложил следующую классификацию. Если струя получена с применением плунжерного насоса, то она низкого давления, а если используются мультипликаторы и усилители - высокого давления. На рисунке 1.5 представлен современный мультипликатор для выполнения технологических операций гидрорезания. В связи с появлением плунжерных насосов, которые позволяют получать давление р = 270 МПа, что соответствует показателям усилителей гидравлического давления [71], такая классификация в последнее время некорректна. Относительно режима течения струи можно различать непрерывные и прерывистые струи. Wiedemeier J. [72] определяет струю как прерывистую, если она формирует в точке воздействия быстроменяющуюся нагрузку.
Но как указывает Momber A.W. [71], в точке действия струи из-за ее дисперсности, наличия пузырьков воздуха и других причин будет всегда наблюдаться колебание давления. Он предлагает, что прерывистые струи только те, кото рые получены с помощью специальных внешних механизмов. Momber A.W. [69], Labus T.J. [73] и Vijay М.М. [74] исследовали формирование, действие и использование прерывистых струй. Согласно фазовому составу различают: чистую струю, с присадками и гидроабразивную струю. Hollinger R.H. [75] добавлял в гидроабразивную струю смесь присадок. Такие инжекционные-абразивные струи являются трехфазными и содержат смесь абразивов, жидкости и воздуха. Абразивные материалы - это преимущественно материалы высокой твердости, природные и искусственные, применяемые для обработки менее твердых материалов. Для гидроабразивного резания используются в виде зерна или порошков. Обзор применяемых абразивов в промышленности для гидроабразивного резания показал, что наиболее часто используют [76 - 79]: - Гранат (90%) (Маркировка -92 Е) - минерал, представляющий собой соединение алюминия, железа, хрома, кальция, магния и марганца с кремне кислотой. В зависимости от примесей гранат бывает темно-красного (пироп), красного (альмандин), оранжево-желтого (спессартин), буро-красного, чер ного (андрадит) или изумрудно-зеленого (уваровит) цветов. Микротвердость у J 1300-1650 г/см , твердость по МООСу 6,5 - 7,5;плотность 3,5 - 4,2 кгс/см ; - Оливин (15%) минерал, силикат магния и железа (MgFe)Si04. Название минерала определил его оливково-зеленый цвет. Окраска оливина может быть также серо-зеленой или золотисто-зеленой. Блеск стеклянный. Твер-дость по МООСу 6,5-7, плотность 3,2-3,6 кгс/см ;
Электрокорунд (11%)- абразивный материал, состоящий из корунда (АЬОз) и небольшого количества примесей. Промышленность производит, несколько разновидностей электрокорунда, в том числе нормальный, белый, хромистый, титанистый, циркониевый, моно- и сферокорунд. Наиболее широко используются нормальный электрокорунд (маркировка - 16А - 12А), получаемый в электрических печах из бокситов, (микротвердость 1900-2000 кгс/мм , плотность 3,85-3,95 г/см3); - Кремнезем (11%). Диоксид кремния Si02 используется в различных видах: кристаллическом, стеклообразном. Твердость по Кнупу 475; - Карбид кремния, карборунд, SiC, соединение кремния с углеродом; один из важнейших карбидов, применяемых в технике. В чистом виде бесцветный кристалл с алмазным блеском; технический продукт зелёного или сине-чёрного цвета. Имеет исключительно высокую твёрдость (микротвёр-дость 33400 Мн/м или 3,34 тс/мм ), уступая только алмазу и бора карбиду В4С; хрупок; плотность 3,2 г/см3. Абразивные материалы подвергаются переработке по различным технологическим схемам, таким как дробление, измельчение, различные виды обогащения, термическая обработка, рассев, либо гидравлическая или пневматическая классификация. В результате получаются зерно или порошок требуемой крупности (размера). Зернистость абразивного материала - это показатель, определяющий содержание и размер данного шлифовального материала. В России обозначение зернистостей и их состав определены ГОСТ 3647-80. Предусмотрены следующие зернистости: 320, 250, 200, 160, 125, 100, 80, 63, 50, 40, 32, 25, 20, 16, 12, 10, 8, 6, 5, 4, 3 - получаемые рассевом на ситах [80]. Оценка абразивного материала для гидроабразивной обработки проводится но следующим параметрам: строение; твердость; физико-механические свойства; форма; гранулометрический состав; средний размер. Для оценки свойств абразива можно использовать следующую зависимость Agus [81, 82]
Функциональный анализ структуры технологической системой гидроабразивного резания
При освоении производства изделий из нового материала приходится отыскивать близкие по физико-механическим свойствам известные материалы и назначать аналогичные режимы резания, а по мере накопления производственного опыта их корректировать. При таком подходе, технологическая система при выработке управляющего воздействия X(t) руководствуется лишь целью обработки R(t). Управляющая система не получает информацию о текущем состоянии технологической системы, т.е. о векторе состояния Y(t), который фактически может существенно отличаться от желаемого. Подобный подход нельзя назвать оптимальным. Доминирующим фактором формирования погрешностей является нестабильный характер взаимодействия струи и обрабатываемой заготовки. При обработке происходит отклонение струи по толщине материала (рисунок 2.1). Вследствие этого образуются погрешности в виде необработанных или поврежденных поверхностей при резании по сложной траектории с острыми углами. Когда струя приближается к углу необходимо подать управляющий сигнал для замедления скорости подачи, для выравнивания точки входа и выхода, а после выхода из угла постепенно увеличить скорость подачи. Если сопло движется по дуге, как показано в рисунке 2.2, величина отклонения / вызывает искажение контура детали на величину д и д,. Особенность гидроабразивного резания заключается в том, что коррекция скорости подачи сопла S приводит к изменению разрушающего действия струи в осевом и радиальном направлениях. В результате рез принимает форму трапеции с большим или меньшим основанием внизу, улучшается или ухудшается шероховатость, появляются сколы и расслоения на нижней поверхности материала [126,155,156]. При увеличении расстояния между материалом и соплом разрез получается формы трапеции с большим или меньшим основанием вверху. С увеличением толщины обработки струя интенсивнее теряет энергию в периферийной зоне, что приводит к уменьшению выходной ширины реза.
Топография поверхности реза не является однотипной и разделяется на три характерные зоны: криволинейную (на кромке реза), гладкую в начале реза и грубую на некоторой глубине. Протяженность гладкой зоны на обрабатываемом участке зависит от режимов резания: скорости, глубины, направления резания и других параметров. При определенных режимах резания поверхность может быть как полностью гладкой, так и иметь штрихи обработки. Шероховатость в основном зависит от глубины и скорости резания. В грубой зоне величина шероховатости возрастает стремительно, как только возрастает глубина и скорость резания. В гладкой зоне величина шероховатость поверхности мало зависит от глубины резания, а при увеличении скорости резания несколько увеличиваются. Наклон штрихов обработки в грубой зоне поверхности реза увеличивается, чем выше скорость резания. Таким образом, для управления процессом формирования показателей точности и качества нет необходимости вводить в структуру технологической системы дополнительные устройства, так как для этого могут быть использованы сами элементы технологической системы. Выявление наиболее полного числа факторов, ограничивающих режимные условия гидроабразивного резания, является одной из основных за дач при разработке формализованных моделей, включающих систему параметрической оптимизации. В число таких факторов входят: выполнение условий формообразования поверхностей; удовлетворение критериям точности и качества, а также ряд кинематических и динамических ограничений. На основе параметрического анализа, проведенного применительно к гидроабразивному резанию, были выявлены следующие основные ограничивающие факторы, которые могут быть выражены условиями: 1. Наличие достаточного давления истечения струи р, обеспечивающего необходимую силу резания для сквозного прорезания обрабатываемого материала: где/? - давление истечения гидроабразивной струи; [р0] - минимально допустимое давление истечения гидроабразивной струи. С увеличением давления истечения струи сила резания возрастает по зависимости близкой к линейной. Влияние давления на силу резания возрастает с увеличением размера выходного сечения сопла. При определении давления истечения струи большое значение оказывают физико-механические свойства обрабатываемого материала и его толщина. Действие технологической системы гидроабразивного резания, приводящие к регулированию давления истечения струи отображается в конструктивной функциональной структуре, представляющей собой ориентированный граф, вершинами которого являются наименования элементов технологической системы и объектов внешней среды, а ребрами - функции этих элементов. Ребра выходят из вершин элементов, функции которых они описывают, а заканчиваются в вершинах-элементах, работу которых они обеспечивают. Из каждой вершины-элемента выходит столько ребер, сколько функ ций обеспечивает элемент. Пример описания действия обеспечения необходимого давления истечения показан в таблице 2.2, а конструктивная функциональная структура на рисунке 2.3. Принятые на графах обозначения вершин и ребер соответствуют приведенным в таблице 2.3 наименованиям элементов и описаниям их функций.
Анализ состояния поверхностного слоя детали после гидроабразивного резания
Вверху реза просматриваются следы микрорезания. На поверхности пластичных материалов (алюминий, медь) проявляются следы субмикрорельефа отдельных граней абразивных зерен. Следы от ударов сравнительно четкие, короткие и глубокие. Направление следов практически вертикально. В некоторых случаях обнаружено образование навалов в конце следов.
В середине реза следы более длинные и мелкие. Прослеживается однородность ориентации следов по направлению режущего фронта. Внизу реза общий механизм разрушения не изменяется, но ориентация следов износа становится нерегулярной. Выделяется преобладание пластических деформаций при разрушении, что согласуется с исследованиями Arola и Ramulu, отмечающие увеличение внутренних напряжений внизу поверхности реза до 170 МПа (вверху 50-70 МПа) [124].
На основании проведенных микроскопических исследований выделены два этапа разрушения: ударное I (вверху реза) и фрикционно-контактное разрушение II (внизу реза).
При перемещении струи количество контактных взаимодействий убывает пропорционально ординате полусферы в радиальном к направлению подачи направлении.
Поэтому интенсивность разрушения материала на периферии значительно меньшая, чем в центре, через которую проходит большее количество режущих зерен, а, следовательно, объем удаляемого материала, приходящегося на единичное абразивное зерно, увеличивается от центра разрушения к периферии. Это объясняет наблюдаемые вверху поверхности реза короткие и глубокие следы, образуемые в результате отрыва микрочастиц обрабатываемого материала. Кроме этого, из-за расширения струи (до 10) вектор скорости периферийных зерен направлен в глубь материала, что приводит к росту толщины снимаемого припуска.
Как только скорость частицы снизится - процесс раскрытия трещин прекратится, поток жидкости унесет ее из зоны контакта, что объясняет образование навалов в конце следов. С этой точки зрения представляет интерес и тот факт, что на зерно дополнительно оказывается воздействие со стороны потока жидкости. Как только струя прорежет материал, поток жидкости в периферийной зоне изменит направление движения в сторону образовавшейся воронки, что способствует уносу абразива из зоны контакта.
Из анализа механизма разрушения следует, что на окончательный вид поверхности резания в первую очередь влияет скорость подачи сопла. Фронт резания в радиальном к подаче направлении представляет собой некоторую кривую, форма которой зависит от скорости перемещения струи. В связи со сложностью и многофакторностью процесса микроразрушения материала в зоне обработки под воздействием участка струи и ее отдельных элементов, в математической модели формирования качества поверхности реза следует выделить ряд упрощенных схем: 1. Процесс эрозионного разрушения материала происходит под действием импульсной нагрузки при ударе единичного абразивного зерна. 2. Фрикционно-контактно-усталостное разрушение материала обусловлено тем, что при бомбардировке поверхности каплями и абразивными зернами, напряжения и деформации, возникающие при этом, не достигают разрушающих значений. 3. Микрорезание осуществляется при однократном приложении силы летящей абразивной частицы, достаточной по величине для отрыва микрочастицы обрабатываемого материала и имеющей более высокую твердость по сравнению с ним. 4. Проникающее действие жидкости при ударе капель о поверхность с уже образовавшимися трещинами и эрозионными раковинами приводит к локальному разрушению материала. 5. Гидродинамическая кавитация - образование в струе пузырьков, схлопывание их при взаимодействии с обрабатываемой поверхностью материала, приводит к его кавитационной эрозии. 6. Разрушение струей действием изгиба и сжатия микронеровностей обрабатываемой поверхности. 7. Металл представляет собой поликристаллическую структуру. Следствием этого, является наличие внутри металла микропор. Согласно волновой теории при мгновенном приложении нагрузки от струи к материалу (упругая среда) в нем будет распространяться возмущение, волны которого допустимо рассматривать как плоские. Это позволит, аналитически описать процесс разрушения в зависимости от вышеуказанных факторов. Для достижения требуемой точности и качества резания деталей сложного контура, возникает необходимость регулирования во время обработки давления истечения, скорости подачи сопла, расстояния между соплом и материалом. Непостоянство режимов резания приводит к возникновению по грешности формы поверхности реза: конусности с большим или меньшим основанием вверху и бочкообразности (рисунок 3.4). Конусность поверхности реза с большим основанием вверху формируется с ростом толщины и твердости материала. Аналогичная конусность возникает при увеличении расстояния от сопла до материала, что приводит к расширению струи до поверхности материала. Поэтому по сечению струи плотность абразивного потока уменьшается, а, следовательно, уменьшается и количество режущих зерен воздействующих на единичную площадку области резания. Плотность абразивного потока в периферийной зоне струи наиболее низкая. Поэтому интенсивность разрушения материала в периферийной зоне обработки значительно ниже, и в ряде случаев не может обеспечить сквозное резание. Тогда как центральная область струи, с большим количеством режущих зерен, способна прорезать материал за тот же период времени воздей ствия. Если угол раскрытия струи при выходе из сопла значителен, то абразивное зерно сталкивается с материалом под большим углом, что приводит к росту толщины и снижению длины оставленного на поверхности следа ht (рисунок 3.5). Поэтому погрешность формы поверхности резания главным образом зависит от энергетических характеристик абразивных зерен (концентрация, направление движения, скорость и др.) в периферийной зоне.
Технологическое обеспечение точности криволинейных и угловых элементов контура детали при гидроабразивном резании
Сформулированы общие принципы и подходы к технологическому обеспечению качества гидроабразивного резания на основе математического моделирования, заключающиеся в представлении формирования параметров состояния поверхности в результате последовательного воздействия абразивных частиц, что позволяет установить режимы резания и прогнозировать качество обработки. 2. Анализ механизма разрушения и формирования параметров состояния поверхности при гидроабразивном резании показал, что микрорезание является преобладающим механизмом удельного съема материала единичным зерном, поэтому в основу математической модели технологического обеспечения качества обработки положен принцип копирования геометрии зерна на поверхность врезания. 3.
Разработана геометрическая модель движения фронта разрушения обрабатываемого материала под действием гидроабразивной струи, позволяющая объяснить зависимость снижения качества и точности обработки при росте скорости подачи сопла и снижении давления истечения и расхода абразива. С использованием этой геометрической модели для математической модели технологического обеспечения качества обработки выявлены условия изменения количества контактных взаимодействий абразива с элементарной площадкой от технологических факторов. 4. Разработана математическая модель числа абразивных зерен, формирующих состояние поверхностного слоя при гидроабразивном резании (3.41), позволяющая в зависимости от давления истечения струи, скорости подачи сопла, размеров абразивного зерна и физико-механических свойств материала определить рациональный объем абразивных зерен в зоне резания, а для математической модели технологического обеспечения качества обработки определить количество контактных взаимодействий абразива с элементарной площадкой поверхности реза. 5. Разработана математическая модель влияния режимов гидроабразивного резания на активную границу действия струи (3.59), позволяющая на основе анализа напряженно-деформированного состояния материала под действием гидроабразивной струи определить размеры активной границы струи в зоне резания формирующей финишное состояние поверхности реза. 6. На основе анализа методов математического поверхностного моделирования применительно к технологическому обеспечению качества гидроабразивного резания установлено, что использование известных отечественных и зарубежных систем моделирования поверхности приведет к значительному увеличению объемов вычислений при изменении только одной локальной области поверхности, а сохраненная информация будет иметь внушительные размеры.
Исходя из специфики решаемой задачи (большой набор динамически изменяемых узловых точек поверхности), выделено следующие основное требование к математической модели: использование простой малопараметрической модели, в которой степень поверхностей не выше второй. 7. Создана теория и математический аппарат поверхностного моделирования технологического обеспечения качества гидроабразивного резания, что позволило на основе представления микрорельефа поверхности в виде пересекающихся модулей (поверхностей соприкасающегося параболоида) сократить время аналитического описания микрорельефа в пространстве при коррекции контрольных точек и получить геометрический образ поверхности в пространстве. 8. Разработана имитационная модель технологического обеспечения качества обработки, позволяющая получить фрагмент поверхности после гидроабразивного резания, представленной как трехмерный фрагмент микрорельефа поверхности с учетом характера, количества и геометрии единичных воздействий абразивных частиц, что открывает возможность прогнозировать состояние поверхностного слоя детали для любых технологических ситуаций. 9. Разработана математическая модель зависимости шероховатости по верхности Ra от варьируемых по траектории движения сопла значений ско рости подачи сопла S (от 0,42 до 3,3 м/мин), давления истечения р (от 240 до350 МПа). По полученным экспериментальным данным установлено, что качество имитационной модели технологического обеспечения является дос таточно адекватной и точной. 10. Показано, что шероховатость поверхности Ra в верху поверхности реза возрастает с 4,2 до 6,8 мкм с ростом скорости подачи сопла до 3,3 м/мин при давлении истечения струи р = 350 МПа, в середине поверхности реза па раметр шероховатости Ra увеличивается с 8,07 до 10 мкм с ростом размера зерна от 160 до 240 мкм при р = 350 МПа, S = 1,1 м/мин. Аналогичная зави симость наблюдается и внизу поверхности реза.
