Содержание к диссертации
Введение
1. Анализ современного состояния вопроса и постановка цели и задач исследования 9
1.1. Обзор теоретических и экспериментальных исследований разрушения твердых тел струями жидкости высокой скорости 9
1.2. Современное состояние вопроса по гидрорезанию материалов и пути совершенствования процесса 15
1.3. Анализ исследований по применению рабочей жидкости различного состава при гидрорезании материалов 22
Выводы по главе и постановка цели и задач исследования 31
2. Теоретическое исследование процесса гидрорезания полимерных материалов струей рабочей жидкости с добавками водорастворимых полимеров 33
2.1. Влияние условий течения потока рабочей жидкости в подводящих каналах гидросистемы на структуру струи 33
2.2. Механизм образования когерентной струи рабочей жидкости при истечении из сопла 48
2.3. Исследование распада высокоскоростной струи раствора полимера при истечении в окружаюшую среду 52
2.4. Механизм разрушения материалов сверхзвуковой струей жидкости 61
Выводы по главе 84
3.1. Цель и задачи экспериментального исследования 86
3.2. Экспериментальная установка для проведения исследований 86
3.3. Выбор объектов исследования 90
3.4. Выбор методов и средств измерения основных параметров процесса гидрорезания 92
3-3.5. Методика исследования основных параметров процесса гидрорезания материалов 97
3.5.1. Методика исследования гидродинамических и силовых параметров струи 97
3.5.2. Методика исследования зависимости производительности гидрорезания от основных параметров процесса 101
4. Экспериментальное исследование процесса резания полимерных матерр1алов струей рабочей жидксти с дoбавками водорастворимых полимеров 106
4.1. Влияние добавок водорастворимых полимеров на угол конусности внешних границ струи рабочей жидкости 106
4.2. Определение длины начального участка струи жидкости 109
4.3. Зависимость силы воздействия струи жидкости различного сосгава на магериал ог основных парамехров процесса гидрорезания 111
4.4. Определение расхода рабочей жидкости через сопло 116
4.5. Влияние параметров гидрорезания струей жидкости
с полимерными добавками на производительность процесса 119
4.5.1. Влияние концентрации полимера и расстояния от сопла до обрабатываемого материала на величину подачи 125
4.5.2. Зависимость производигельности гидрорезания от параметров истечения струи 129
4.5.3. Зависимость величины подачи от толщины и физико-
механических свойств обрабатываемого материала 131
4.6. Зависимость производительности гидрорезания от числа повторных использований раствора полимера в качестве рабочей жидкости 133
4.7. Исследование параметров точности и качества обработанных поверхностей при гидрорезании струями жидкости различного состава 135
4.7.1. Влияние основных параметров процесса на ширину реза 136
4.7.2. Зависимость шероховатости обработанной поверхности от основных параметров процесса 138
4.7.3. Зависимость угла отклонения профиля реза от толщины обрабатываемого материала 140
4.8. Анализ и оценка энергоемкости процесса гидрорезания 142
Выводы по главе 146
5. Основные рекомендации промышленности по внедрению процесса гидрорезания материалов сгруей жидкости с полимерными добавками 148
5.1. Рекомендации по использованию различных видов водорастворимых полимеров в качестве добавок в рабочую жидкость при гидрорезании 148
5.2. Аппараты для введения водорастворимых полимеров в pабочую жидкость 151
5.3. Современные отечественные и зарубежные гидрорезные агрегаты, их компоновка и конструктивные особенности, возможность модернизации для применения рабочих жидкостей с полимерными добавками 155
5.4. Конструктивные решения узлов гидрорежущих установок 159
Выводы по главе 162
Общие выводы 163
Список литературы 165
- Современное состояние вопроса по гидрорезанию материалов и пути совершенствования процесса
- Механизм образования когерентной струи рабочей жидкости при истечении из сопла
- Методика исследования основных параметров процесса гидрорезания материалов
- Зависимость силы воздействия струи жидкости различного сосгава на магериал ог основных парамехров процесса гидрорезания
Введение к работе
Одной из важнейших задач современной науки и техники является изыскание новых методов обработки материалов, обеспечивающих высокую производительность и качество обработки, при одновременном снижении себестоимости обработки изделий, повышение надежности и долговечности деталей машин и механизмов.
В различных отраслях промышленности (судо-, авиа-, автомобилестроении, строительной и легкой промышленности) все большее распространение получают неметаллические материалы, в частности, полимерные, которые обладают рядом ценных эксплуатационных свойств. При этом их разрезка традиционными методами связана с рядом трудностей и недостатков, основным из которых является быстрое затупление режущего инструмента и низкое качество обработанных поверхностей, и объясняется, в основном, особенностями физико-механических свойств, строения и структуры полимерных материалов, высокими абразивными качествами наполнителя, их механической анизотропией и неоднородностью составных частей.
Поэтому замена традиционных методов обработки полимерных материалов новыми высокоэффективными материало- и энергосберегающими технологическими процессами, радикально решающими вопросы стойкости режущего инструмента весьма актуально в настоящее время.
По сравнению с другими методами обработки, гидрорезание исключает из технологического цикла режущий инструмент, рабочие кромки которого постоянно подвержены износу, при обработке струей жидкости возникают малые силы резания, и достигается высокая точность реза, выделяется минимум тепла на поверхности детали, достигается большая экономия материала за счет уменьшения величины реза, симметричная струя не требует ориентации в направлении резки и может быть использована с регистрирующими устройствами, электронными устройствами и при обработке с копировальным устройством. Кроме того, резка может начинаться в любой точке поверхности детали.
Все вышесказанное говорит о перспективности использования процесса гидрорезания для обработки различных материалов.
В качестве рабочей жидкости при обработке материалов гидрорезанием используется в большинстве случаев простая необработанная вода и вода с добавками абразива.
Применение необработанной воды как рабочей жидкости, которая легко доступна, имеет низкую стоимость, не токсична, вполне оправдано для разрезки низкопрочных материалов. Главный недостаток ее использования состоит в необходимости создания очень высоких давлений истечения струи жидкости для разрезки прочных материалов, при этом существуют некоторые ограничения по толщине обрабатываемых материалов. При изготовлении гидрорежущего оборудования с высоким давлением истечения рабочей жидкости (до 10000 МПа), когда возможно использовать необработанную воду для разрезки практически любых видов материалов, весьма усложняется процесс его проектирования и эксплуатации. Так, основная проблема связана с использованием уплотнений из специальных материалов, которые имеют ограниченный срок службы, а также с применением высокопрочных сталей и сплавов для изготовления узлов высокого давления гидрорежущего оборудования. Стоимость такого оборудования достаточно высока при ограниченном сроке службы. Еще одним недостатком применения в гидрорезании необработанной воды является невозможность обеспечения требуемой производительности и качества (точность и ширина реза, качества обработанных поверхностей) разрезки, при обработке материалов с высокими физико-механическими характеристиками и толщиной. Причиной тому служат невысокие гидродинамические параметры струи, которая имеет большой распыл и низкую стабильность, что сказывается на ее разрушающей способности. Таким образом, описанные выше недостатки ограничивают область применения необработанной воды в качестве рабочей жидкости при гидрорезании.
Одним из способов повышения производительности процесса гидрорезания, расширяющим его технологические возможности, является введение в режущую струю жидкости абразивных добавок. Это позволяет вести разрезку высокопрочных материалов, в том числе сталей, при относительно низких давлениях порядка 250-500 МПа, обеспечивая при этом такую же производительность, что и при разрезке чистой водой с более высоким давлением истечения. Вместе с тем, гидродинамические параметры струи с абразивом снижаются, т.е. падает ее скорость, увеличивается распыл, уменьшается длина начального участка; все это приводит к увеличению площади контакта струи с обрабатываемым материалом и снижению удельного давления резания, снижению технологических параметров процесса обработки и увеличению энергоемкости процесса. Важно, что, несмотря на способ ввода абразивных добавок в струю, наблюдается интенсивное изнашивание абразивных головок гидрорежущего оборудования, главным образом сопла, в результате чего изменяется рабочий диаметр струи и возникает необходимость частой замены насадков. Также должна учитываться дополнительная стоимость абразивных добавок и необходимость проектирования специальных режущих головок для ввода абразива в струю.
Решением проблемы повышения гидродинамических и геометрических параметров режущей струи, повышения производительности и качества гидрорезания может быть введение в рабочую жидкость в качестве технологических добавок водорастворимых полимеров.
В диссертационной работе впервые проведено комплексное исследование применения струй жидкости с добавками водорастворимых полимеров при гидрорезании неметаллических полимерных материалов. При этом установлены и разработаны: параметры истечения струи, обеспечивающие производительную и качественную обработку, методика и средства проведения экспериментальных исследований, наиболее эффективные полимерные добавки и их концентрация в растворе, механизм воздействия полимерных добавок на структуру струи, взаимосвязь между длиной начального участка струи и осевым ди-
намическим давлением, общая физико-механическая модель процесса воздействия струй с полимерными добавками на обрабатываемый материал, аналитическая модель для расчета величины подачи материала при изменении основных параметров гидрорезания, в том числе состава рабочей жидкости, силовые факторы, закономерность изменения силы воздействия струи на материал при изменении состава рабочей жидкости и расстояния от сопла до обрабатываемого материала, оптимальные режимы резания, возможность применения различных полимерных добавок в зависимости от условий процесса гидрорезания.
На защиту выносится решение важной научно-технической задачи, имеющей практическое значение - разработка процесса гидрорезания материалов струями жидкости с добавками водорастворимых полимеров, позволяющей повысить производительность процесса и качество обработанных поверхностей.
Диссертационная работа выполнялась на кафедре «Технология машиностроения» Владимирского государственного университета под руководством д.т.н. профессора Тихомирова Р.А. и научного консультанта к.т.н. доцента Пе-тухова Е.Н.
Диссертация состоит из введения, пяти глав, общих выводов, списка литературы и приложения. Она изложена на 177 страницах, в том числе содержит 7 таблиц, 65 рисунков, 112 наименований литературы.
Современное состояние вопроса по гидрорезанию материалов и пути совершенствования процесса
Одним из наиболее перспективных и прогрессивных методов позволяющих эффективно вести разрезание листовых полимерных материалов является метод гидроструйного резания. Сущность этого метода заключается в том, что жидкость, выходя из сопла малого диаметра под большим давлением, обладает большой удельной энергией. Она способна разрушать неметаллические материалы и металлические сплавы [3, 14-18].
Указанный метод появился сравнительно недавно (последние 35 - 40 лет), несмотря на то, что струи жидкости горнорудной промышленности (для добывания сланцев, угля, торфа и т.п.) уже нашли промышленное применение и используются более 70 лет. Это вызвано специфическими условиями и трудностями обработки полимерных материалов, необходимостью создания систем и агрегатов больших давлений, применением сопел малых диаметров, надежных уплотнительных устройств и пр.
Первые сведения о возможности использования струи сверхвысокого давления как режущего инструмента для обработки различных материалов появились в СССР [19], но первыми запатентовали [20] способ гидрообработки представители фирмы McCartney Manufacturing s (США) ) испешно орименили данный метод на заводе Alton Box Board Со. для разрезки различных материалов, где опытная установка эксплуатируется с 1971 г. в условиях двухсменной работы. Занимаясь промышленным освоением метода разрезки материалов водяной струёй сверхзвуковой скорости, эта фирма ведет исследования по разрезке вязких и хрупких неметаллических материалов и сплавов. Некоторые другие фирмы США также используют тонкую сверхзвуковую струю жидкости для разрезки различных листовых материалов. Для получения малой ширины реза и рационального раскроя заготовок, устранения шума и запыленности рабочего места, повышения качества и производительности разрезки листовых неметаллических материалов используют сверхзвуковую струю жидкости как режущий инструмент канадская фирма Canadian Onlarnation naire, шведская фирма Gull-fiber, английские компании British Shoe and Allied Tradee British Hydromecanics Research Assoasiation (BHRA).
Применение сверхзвуковой струи жидкоСТИ возможно не только для разрезки листовых неметаллических материалов. Водяная струя сверхзвуковой скорости применяется также и для очистки литья из алюминия и других легких сплавов, при этом удается полностью устранить механические повреждения поверхности детали. Другие фирмы и компании США, Англии, Германии, Японии, также применяют гидрорезание для обработки различных материалов с целью снижения себестоимости продукции при выполнении разрезки листо -17 вых материалов, раскрое облицовочных материалов, дроблении материалов, удалении заусенцев, пробивке отверстий, отрезке литников, очистке оборудования химических заводов, днищ судов, внутренних каналов труб, зачистке поверхностей деталей в труднодоступных местах и т. д.
Гидроструйный метод разрезания материалов обладает целым рядом важных преимуществ по сравнению с механическим разрезанием. Это в первую очередь, отсутствие дорогостоящего режущего инструмента, так как его в этом случае заменяет тонкая струя жидкости, резкое повышение производительности труда и качества обработки изделий, возможность полной автоматизации процесса и пр. Все это и целый ряд других преимуществ, на которые будет указано ниже, несомненно, вызывают интерес к дальнейшему развитию и совершенствованию этого способа обработки. Исследования по применению и внедрению данного метода в промышленность в настоящее время ведутся в Японии, Англии, Германии, США, Канаде, России и ряде других стран.
Большое разнообразие операций, выполняемых струёй жидкости и требований, предъявляемых к ним, обусловило появление значительного количества различных методов и схем гидрорезания, а также необходимость их классификации.
Существующие методы и схемы процесса гидрорезания зависят от многих факторов, в соответствии с которыми их можно разделить на следующие группы: - по виду выполняемых операций — разрезка листовых материалов; прорезка пазов, вырезка окон, фигурная обработка по контуру, пробивка отверстий; по верхностная обработка материалов и изделий (очистка и полировка наружных поверхностей, в том числе и в труднодоступных местах изделий сложного про филя, маркировка); - по типу обрабатываемого материала — для обработки мягких материалов (бумага, картон, ткани, кожа, древесина, резина); для обработки полимерных материалов (винипласт, фторопласт, органическое стекло, гетинакс, текстолит, -18 стеклопластик и т. п.); для обработки фольгированных и металлгоированных пластмасс (фольгированные гетинакс и стеклотекстолит, облицованные с одной или с двух сторон, фторопласт и т. п.); для обработки труднообрабатываемых материалов (твердые сплавы, ситаллы, магнитные материалы и др.); - по составу рабочей жидкости — обработка струёй воды; обработка абразивно-жидкостной струёй; - по методу воздействия струи на материал — обработка непрерывной струёй жидкости постоянного давления; обработка с вибрацией; обработка пульсирующей струёй; обработка импульсной струёй; - по направлению воздействия струи на материал — обработка ударной струёй; обработка косой струёй; обработка скользящей струёй.
Каждый метод обработки материалов следует рассматривать с учетом физической сущности процесса гидрорезания, конструктивного выполнения принятого метода обработки, структурной схемы процесса и возможности построения его математической модели [21, 22].
Для разрезки и обработки материалов применяются гидроустановки мощностью 8-80 кВт, которые обеспечивают давление истечения струи 150— 1000 МПа и выше, что соответствует скорости струи 540 — 1400 м/с и намного превышает скорость звука в воздухе.
Для производительной и качественной обработки применяют сопла диаметром выходных отверстий 0,05—0,5 мм в зависимости от толщины обрабатываемого материала и его физико-механических свойств. Расход жидкости через сопла небольшой — 500—2500 см /мин в зависимости от параметров истечения струи.
Механизм образования когерентной струи рабочей жидкости при истечении из сопла
Масштабный эффект при течении раствора полимера в трубах различного диаметра [70]; 1 - = 0,11 см; 2 - 0,01 см; 3 - 0,39 см; 4 - 0,0 см; При большом снижении сопротивления переходная область может распространяться практически на всё сечение канала, что по существу ламинизи-рует поток и снижает уровень его турбулентности. Если же снижение сопротивления мало, то на некотором удалении от стенки имеется зона развитого турбулентного течения, в которой константа турбулентности се сохраняет своё обычное значение.
Введение полимерных добавок сильно (в несколько раз) снижает пульсации поперечной компоненты скорости [75], в то время как характер изменения продольной компоненты пульсации зависит от типа полимера. В растворах по-лиэтиленоксида максимальные значения продольных пульсаций скорости, отнесённые к величине динамической скорости на стенке, почти не отличаются от аналогичных значений для воды или несколько снижаются, в то же время положения максимума продольных пульсаций отодвигаются на большее расстояние от стенки, а сами максимумы оказываются более размытыми. В растворах полиакриламида относительные величины продольных пульсаций 7Х/ 3 оказываются яыше, чем в воде.
Вязкий подслой имеет квазистационарную трёхмерную структуру. За характерное время пристенной области обычно принимается средний период между двумя последовательными резкими выбросами жидкости от стенки. Средние расстояния между соседними выбросами (по х и Z) служат характерными размерами турбулентной структуры в плоскости стенки. Наибольшие значения величины рейнольдсовых напряжений, а, следовательно, и плотности генерации турбулентной энергии достигаются в моменты резкого выброса полосок замедленной жидкости от стенки и последующего вторжения к стенке порций жидкости из более отдалённых областей потока. Изменение характерных масштабов течения, т.е. числа выбросов с единицы поверхности в единицу времени должно приводить к изменению интенсивности генерации турбулентной энергии.
Отличительная особенность течения в вязком подслое - существование структур, связанных с процессом генерации турбулентной энергии, для которых характерны значительные деформации растяжения ("полоски" замедленной жидкости). В условиях продольной деформации молекулы полимера будут распрямляться и растягиваться. Оценки показывают [76], что длина молекулы при полном ее распрямлении может увеличиться на два порядка. При этом сопротивление деформации (продольная вязкость раствора) по мере приближения скорости деформации Г к величине XI9 сильно возрастает и может быть на несколько порядков больше, чем в ньютоновской жидкости. Аналогичный результат может быть получен и из анализа поведения вязкоупругой жидкости в условиях одномерного растяжения. На рост продольной вязкости поток реагирует изменением кинематики течения. В вязком подслое такой реакцией может быть увеличение пространственных и временных масштабов продольных вихрей, что приводит к снижению деформации растяжения.
В результате исследования различных моделей снижения трения был сформулирован механизм снижения трения в турбулентном потоке при течении рабочей жидкости по подводящим каналам гидрорежущего оборудования.
Сущность предлагаемой модели состоит в следующем. В разбавленных полимерных растворах макромолекулы практически не взаимодействуют друг с другом, надмолекулярные структуры отсутствуют, В покоящемся растворе длинные линейные молекулы свернуты в слабо асимметричные насыщенные растворителем клубки. Их размеры малы по сравнению с характерными масштабами пристеночной турбулентности.
Совершенно иначе макромолекулы ведут себя в турбулентном потоке с растяжением, характерным для гидрорезания. Здесь даже умеренной скорости растяжения оказывается достаточно, чтобы развернуть молекулярный клубок, вытянув молекулу до ее предельно возможной длины, обусловленной числом, геометрией и размерами скелетных химических связей.
Разворачивание и ориентация по потоку происходят практически мгновенно при достижении критического значения скорости растяжения, связанного с максимальным временем релаксации макромолекулы. Ориентированные вдоль направления растяжения и вытянутые до своей предельной длины молекулы образуют в потоке систему "нитей", интенсивно препятствующих течению с растяжением. Жидкость, обтекая такие молекулы, тратит тем большую часть своей энергии на преодоление их вязкого сопротивления, чем больше их длина и чем больше их число, т.е. чем выше концентрация раствора. Сопротивление растяжению проявляется в резком повышении продольной вязкости по сравнению с ньютоновской продольной вязкостью ньютоновского растворителя.
Пристеночный турбулентный поток представляет собой своего рода "смесь", содержащую как элементы сдвиговых течений, так и элементы тече -39 ний с растяжением. Выбросы заторможенной вблизи стенки жидкости во внешнюю область пограничного слоя, почти периодически прерывающие спокойное течение, и вторжение в пристеночную область ускоренной жидкости реализуются в виде затопленных струй (течении с продольным градиентом скорости). С ростом динамической скорости характерная скорость растяжения в таких струях растет и, в конце концов, обратная ее величина становится соизмеримой с максимальным временем релаксации находящихся и потоке полимерных молекул. Последние, развернувшись, препятствуют дальнейшему развитию струйных течений, т.е. снижают интенсивность выбросов, уменьшают их число и, в конечном счете, подавляют обусловленный струйными выбросами турбулентный поперечный перенос, следовательно, снижают сопротивление трения. В каждом из элементов течения с растяжением и в пристеночной области турбулентного потока возникает подвижная решетка из ориентированных молекул, препятствующая развитию выбросов и вторжений.
Вопрос о реологической модели, наилучшим способом описывающей поведение слабых растворов высокополимеров при различных деформациях, окончательно еще не решен. В одном из исследований [77] для этой цели предлагается использовать интегральную шестиконстантную модель Каро-Б. Входящие в нее реологические константы могут быть измерены с помощью обычных методов. В настоящее время для анализа роли упругих свойств среды используются обычно более простые реологические уравнения дифференциального типа, а именно, трехпараметрическое уравнение Олдройда или двухпара-метрическое уравнение Максвелла.
Для расчета турбулентного течения растворов полимеров в воде воспользуемся феноменологической двухслойной моделью течения [78], действие которой основано на том опытном факте, что логарифмический участок турбулентного профиля скорости в полулогарифмической системе координат для растворов полимеров сдвигается вверх на величину А параллельно профилю чистого растворителя (воды) как показано на рис. 2.4.
Методика исследования основных параметров процесса гидрорезания материалов
С целью устранения влияния на силу воздействия струи образующейся в металле лунки при измерении осевой составляющей силы резания, струя рабочей жидкости направлялась на специально закрепленную на тензостолике пластину из твердого сплава Т15К6.
Для выхода отработанной жидкости в динамометрическом столе и в основании динамометра предусматривалась специальная прорезь, по периметру которой устанавливалось жестяное ограждение, предупреждающее попадание жидкости на тензодатчики.
С целью предохранения тензодатчиков от влаги динамометр имеет две предохранительные рубашки: из полиэтиленовой пленки (внутренняя защита) и текстолита (внешняя защита).
Расчет упругих элементов производился в соответствии с методикой, изложенной в работе [102]. Прогиб кольца динамометра под максимальной расчетной нагрузкой будет Используемый для тензометрирования тензоусилитель марки ТА - 5 с блоком питания с целью стабилизации температурного режима работы прогревался перед проведением эксперимента в течение 1,5-2 часов и только после этого производилась тарировка использованного динамометра при помощи стандартных разновесов от О до 5 кг.
Данная конструкция динамометра и соответствующее соединение датчиков обеспечили независимость показания динамометра от точки приложения сил. Разброс показаний в пределах стола динамометра (125x170 мм) не превышал 8%.
Скорость подачи образца исследуемого материала определялась по формуле: где L - расстояние между выключателями на направляющих стола привода подач; / - время, за которое стол проходит заданное расстояние.
С целью определения времени перемещения стола в основании привода подач рядом с направляющим подвижного стола на расстоянии 80 мм друг от друга было установлено два микровыключателя, которые соединялись последовательно между собой и электронным секундомером. Включение и выключение секундомера происходило при последовательном срабатывании микровыключателей, на которые воздействовало первое по ходу движения колесо стола в начальной и конечной (через 80 мм) точке его перемещения. Точность показаний электронного секундомера 0,01 с.
Шероховатость обработанной поверхности измерялась на микроскопе МИС-11. Измерение расхода рабочей жидкости через сопло производилось следующим образом. Смесительный бак градуировался для определения находящегося в нем объема жидкости. Система высокого давления установки заполнялась из смесительного бака необходимым составом рабочей жидкости (воды или полимера), уровень жидкости в баке доводился до максимально возможного и производилось включение установки. Одновременно с моментом начала истечения жидкости из сопла включался электронный секундомер, фиксировавший время истечения рабочей жидкости из сопла. Через минуту установка выключалась и производилось измерение оставшегося объема рабочей жидкости в баке. Разница в первоначальном и оставшемся объеме жидкости в баке и составляла минутный расход рабочей жидкости через сопло.
При нахождении зависимости угла конусности внешних границ струи р от концентрации полимера; силы воздействия струи жидкости Р различного состава на преграду от ее параметров истечения и расстояния от сопла до обрабатываемого материала, а также при исследовании длины начального участка струи /„, расхода рабочей жидкости через сопло (Зж ккждому основному фактору задавалось несколько значений при постоянных значениях других факторов для данной серии опытов. Для того, чтобы выявить влияние факторов, нужно задать каждому из них не менее 5-6 значений. Для полного исследования, например, силы воздействия струи на преграду от пяти факторов, каждый из которых принимает пять значений, потребовалось бы проделать 5 =3125 различных комбинаций экспериментов, что требует большой затраты времени и средств. Количество экспериментов может быть сокращено за счет того, что при исследованиях влияния какого-либо из факторов на изучаемую функцию, остальные факторы принимают фиксированные, наиболее важные для данного процесса значения, что позволяет сократить количество экспериментов до 456.
Для проведения экспериментальных исследований процесса гидрорезания сверхзвуковой струёй жидкости с добавками полимера объемы экспериментов были спланированы таким образом, чтобы опытные данные обеспечивали стабильность результатов при неоднократном их проведении, различии показателей, заметно отличающихся в отношении изменяемой величины (чувствительность пробы) и чтобы имела место функциональная или корреляционная связь между параметрами процесса. В качестве критерия степени нестабильности показания был использован общепринятый показатель математической статистики - коэффициент вариации, численно равный среднему квадратичному отклонению, выраженному в процентах, от средней арифметической [103].
Как известно, задачей всякого экспериментального исследования является установление объективных закономерностей, которые выражаются зависимостями различных факторов, характеризующих этот процесс, с целью последующего использования найденных зависимостей для управления исследованным процессом в желаемом направлении. В результате эмпирического изучения функциональной зависимости исследуемых величин у ф, /№ Р, QyJ от других переменных величин t (р, dc ,с и др.) были построены графические зависимости. Задача математической обработки экспериментальных данных заключалась в аналитическом представлении искомой функциональной зависимости, т.е. в подборе формулы, как можно ближе и точнее описывающей результаты эксперимента. Требование точного совпадения в узлах искомой функции с аналитической является необоснованным, поскольку значения искомой функции, определяемые экспериментально, безусловно, содержат погрещность эксперимента. Целесообразно выбрать такой способ приближения, при котором ошибки эксперимента не оказали бы существенного влияния на окончательный результат, т.е. следует найти такой способ аппроксимации y=f(t), который характеризовал бы функцию на рассматриваемом отрезке в целом, без копирования его местных условий и в то же время отображал бы физический смысл процесса.
Теория вероятности показывает, что наилучшим приближением будет такая функция, а в графическом выражении кривая (или прямая) линия, для которой сумма квадратов отклонений измеренных значений у, от расчетной будет минимальной. Такой метод обработки экспериментальных данных называется методом наименьших квадратов.
Зависимость силы воздействия струи жидкости различного сосгава на магериал ог основных парамехров процесса гидрорезания
Неперпендикулярность обработанных поверхностей является показателем точности реза и может образовываться при разрезке листовых материалов высоконапорными жидкостными струями из-за неправильно установленного расстояния / между струйной головкой и обрабатываемым материалом. В принципе, при оптимальном расстоянии /01ТГ и разрезке материалов небольшой толщины (до 4-6 мм в зависимости от давления истечения и диаметра сопла) неперпендикулярность обработанных поверхностей практически отсутствует. Однако, по мере увеличения величины Z, даже при выставлении расстояния 1от наблюдается увеличение угла отклонения профиля реза Д который и выражает в градусах отклонения профиля обработанных поверхностей от оси струи. С целью выяснения зависимости p=f{Z), были проведены исследования по разрезанию гетинакса толщиной 2-Ю мм струями чистой воды и 0,01% раствора полиоксиэтилена (рис. 4.26). Как видно из графика зависимости, минимальное отклонение профиля наблюдается при Z = 2 - 4 мм, дальнейшее увеличение толщины при разрезании струей воды приводит к резкому росту параметра /?, который изменяется с 0,6 при Z = 4 мм до 6 при Z = 10 мм.
Таким образом, можно констатировать, что при гидрорезании струей 0,01% раствора полиоксиэтилена обеспечивается более высокая точность реза материалов, особенно большой толщины, по сравнению со струей чистой воды. Это происходит из-за того, что струя с полимером обладает большей кинетической энергией, имеет высокую компактность, а, следовательно, ее разрушающая способность по мере углубления в материал снижается менее интенсивно, чем струи чистой воды.
Анализ и оценка энергоемкости процесса гидрорезания Объективным показателем эффективности процесса гидрорезания материалов наряду с производительностью и качеством обработки является к.п.д. процесса и его энергоемкость. Для оценки данных параметров в случае применения струй воды и 0,01% раствора полиоксиэтилена далее воспользуемся зависимостями, представленными в [ПО].
Выражение для аналитического определения к.п.д. разрушения материала в зоне резания под действием струи: где Мм - скорость деформирования материала, vc - скорость ьстечения ятруи жидкости, рс - давление истечения струи, кр - коэффициент расширения струи, Еи - модуль упругости обрабатываемого материала, рм - плотность обрабатываемого материала.
Рассчитаем скорость деформирования материала ии и к.п.д. процесса в случае гидрорезания струей воды и струей раствора 0,01% полиоксиэтилена в зависимости от давления истечения струи с параметрами: обрабатываемый материла гетинакс (Еи = 104 МПа, р„ = 1,4 кг/м ), кр = 3 (вода) и крп = 1,5 (раствор полимера).
Для определения скорости истечения струи раствора полиоксиэтилена и струи воды воспользуемся графиком зависимости 4.10.
В таблице 4.3 представлены расчетные значения к.п.д. гидрорезания струями различного состава. Как видно, при гидрорезании струей с полиокси-этиленом повышается скорость деформирования материала, а, следовательно, возрастает и теоретический к.п.д. процесса по сравнению со струей чистой воды при неизменном давлении истечения.
Так как введение полимеров в струю не требует повышения энергетических затрат на создание струи, то использование струй рабочей жидкости с добавками полимеров следует считать выгодным с точки зрения увеличения к.п.д. гидрорезания.
В качестве критерия энергетической оценки операции разрезки листовых материалов примем удельную энергоемкость [110]:
Полезную площадь F„, обработанной поверхности в единицу времени, характеризующую интенсивность процесса гидрорезания, принимаем как про -144 изведение толщины Z обрабатываемого материала на величину подачи s его относительно струи:
Используя результаты исследований, приведенные в п. 4.5.3. и графики зависимостей 4.18 и 4.19 были определены зависимости єу = ftp) и єу = ftp), представленные на рис. 4.28 и 4.29.
Таким образом, в результате энергетического анализа гидрорезания струями жидкости различного состава установлено, что струя с добавкой полимера обеспечивает не только повышение к.п.д. процесса, но и снижение удельной энергоемкости по сравнению со струей воды с аналогичными параметрами истечения. Поэтому, применение струй с полимерными добавками выгодно с энергетической точки зрения.
Экспериментально подтверждена эффективность использования растворов полимеров в Рекомендации по использованию различных видов водорастворимых полимеров в качестве добавок в рабочую жидкость при гидрорезании. Результаты проведенных исследований показали, что наиболее эффективной полимерной добавкой в рабочую жидкость для повышения производительности качества процесса гидрорезания является полиоксиэтилен. Однако, также было установлена принципиальная возможность использования в качестве модифицирующей добавки любого Вида водорастворимых полимеров. Эффективность их использования будет несколько ниже, чем полиоксиэтилена, но в случае, когда того или иного полимера не имеется в наличии или его стоимость велика, а также если план выпуска предусматривает изготовление некоторого количества изделий с заданными производительностью и качеством, то возможен подбор рабочей жидкости на основе другого водорастворимого полимера. Поэтому, ниже предложена методика расчета оптимальной концентрации полимера в растворе и описаны основные характеристики полимеров, влияющие на эффективность их применения.
Основной особенностью использования полимеров при гидрорезании является то, что многие их характеристики, такие как температура плавления, температура стеклования, вязкость и т.д. не являются определяющими для повышения геометрических и гидродинамических характеристик струи и производительности процесса гидрорезания. Главное, от чего зависит эффективность той или иной полимерной добавки - это ое моолкулярная маасса Поээому, прр выборе полимерных добавок следует отдавать предпочтение тем, у которых молекулярная масса выше. Вместе с тем, при приблизительно одинаковой молекулярной массе, полимер, имеющий менее разветвленную молекулярную цепочку, является предпочтительным.
