автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.07, диссертация на тему:Повышение эффективности гидроабразивной обработки на основе учета энергии двухфазной режущей струи

На правах рукописи

Яблуновский Ян Юрьевич

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ГИДРОАБРАЗИВНОЙ ОБРАБОТКИ НА ОСНОВЕ УЧЕТА ЭНЕРГИИ ДВУХФАЗНОЙ РЕЖУЩЕЙ СТРУИ

Специальность 05.02.07 - Технология и оборудование механической и физико-

технической обработки

1 2 Ш

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Рыбинск-2012

005012694

005012694

Работа выполнена в ФГБОУ ВПО «Рыбинский государственный авиационный технический университет имени П. А. Соловьева»

Научный руководитель д-р техн. наук, профессор

Рыкунов Александр Николаевич

Официальные оппоненты:

д-р техн. наук, профессор Барсуков Геннадий Валерьевич

канд. техн. наук

Коряжкин Андрей Александрович

Ведущая организация

ФГБОУ ВПО «Пермский национальный исследовательский политехнический университет», г. Пермь

Защита состоится «14» марта 2012 года в 12 часов на заседании диссертационного совета Д 212.210.01 в ФГБОУ ВПО «Рыбинский государственный авиационный технический университет имени П.А. Соловьева» по адресу: Ярославская область, г. Рыбинск, ул. Пушкина 53, главный корпус РГАТУ, ауд. 237.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Рыбинский государственный авиационный технический университет имени П. А. Соловьева».

Автореферат разослан «13» февраля 2012 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

Конюхов Б.М.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Созданные к настоящему, времени научные разработки, технологии и оборудование гидроабразивного резания направлены в основном на обеспечение самого процесса разделения материала, и в некоторых случаях, на обеспечение точности и качества изделия. Часто достижение необходимой производительности находится в противоречии с требуемым качеством. В то же время установлено, что повышение точности изготовления детали существенно повышает производительность последующих сборочных работ.

Результаты изучения влияния свойств абразива на механизм формирования микрогеометрии поверхности реза и достигаемой производительности представлены в трудах Ю.С. Степанова, Г.В. Барсукова, Р.А. Тихомирова, А.А. Барзова, А.Л. Галиновского, М.А. Бурнашова и др. Однако все имеющиеся расчетные зависимости основаны на моделировании самого процесса резания и практически исключены этапы пробивки заходного отверстия и этап окончания резания, отсутствуют математические модели, учитывающие такие механизмы разрушения материалов при гидроабразивном " резании как: усталостное, хрупкое разрушение, высокоскоростное столкновение абразивных частиц и материала.

В этой связи актуальным направлением в области машиностроительного производства является поиск путей повышения эффективности технологических процессов гидроабразивного резания материалов путем исследования физических процессов протекающих в области разрушения материалов под воздействием гидроабразивной струи.

Цель работы. Повышение эффективности гидроабразивной обработки на основе учета энергии двухфазной режущей струи.

Задачи:

• моделирование изменения скоростных и энергетических параметров водной струи и абразивных частиц;

исследование влияния износа сопла при гидроабразивной резке на разгон абразива;

• математическое моделирование взаимодействия абразивной частицы с поверхностью обрабатываемого материала;

• экспериментальные исследования процесса гидроабразивной резки материалов и получение эмпирических зависимостей для этапов пробивки отверстия и резки материала;

• разработка рекомендаций по повышению эффективности гидроабразивной резки.

Методы исследования. Теоретические исследования базируются на научных положениях физики высокоскоростного удара разрывов в сплошных средах, структурной макромеханики разрушения, системного анализа, технологии машиностроения; гидродинамики,"теоретической физики, теории организационных структур, тензорного и численного анализа,

дифференциальной геометрии, теории вероятности, теории упругости. Экспериментальные исследования выполнялись с использованием методов математического планирования и анализа.

Достоверность и обоснованность полученных научных результатов обеспечивается корректным использованием фундаментальных положений теории прочности, теории упругости и теории высокоскоростного разрушения материалов, использованием апробированных методик исследования и сертифицированных программных продуктов; подтверждается удовлетворительным согласованием расчетных и экспериментальных данных, а также эффективным практическим использованием результатов исследований в условиях промышленного производства. На защиту выносятся:

1. Зависимости, позволяющие установить взаимосвязь основных параметров процесса гидроабразивного резания с параметрами оборудования, размерами абразивных зёрен и их концентрацией;

2. Регрессионные зависимости расчета коэффициента эффективности и предложено использовать его в качестве комплексной характеристики процесса гидроабразивной обработки

3. Расчёты по критерию разрушения материала для определения пробивной способности струи с учетом энергетических возможностей для различных обрабатываемых материалов.

Научная новизна: Разработана математическая модель процесса пробивки отверстия при гидроабразивном резании и получены расчетные зависимости для управления процессом пробивки с использованием коэффициента эффективности. В том числе разработаны:

• математические зависимости взаимосвязи основных параметров процесса гидроабразивного резания с параметрами оборудования, износа сопла, а также с учетом конструктивных параметров технологического оборудования;

• регрессионные зависимости расчета коэффициента эффективности с учетом влияния технологических параметров гидроабразивного' резания на обработку, геометрию струеформирующих элементов сопла;

• математическая модель влияния износа сопла на энергетические параметры струи и ее пробивную способность.

Практическая ценность: разработана методика расчета основных технологических параметров системы гидроабразивного резания, позволяющая обеспечить качественные показатели обрабатываемой детали с учетом изменения энергетических и динамических характеристик гидроабразивной струи;

разработаны рекомендации, обеспечивающие технологическое повышение эффективности гидроабразивного резания, позволяющее выбрать оптимальные параметры обработки.

Реализация результатов. Результаты разработанного математического аппарата были использованы на ОАО «Рыбинский завод приборостроения»,

ОАО «Сатурн Газовые турбины».

Апробация работы: Основные научные положения диссертации докладывались и обсуждались на: Международной школе-конференции молодых учёных, аспирантов и студентов им. П.А. Соловьёва и В.Н. Кондратьева «Авиационная и ракетно-космическая техника с использованием новых технических решений» (Рыбинск, 2006); на конкурсе научно-технических работ ОАО «Корпорация «Тактическое ракетное вооружение»» (Королёв, 2007).

Публикации. Основные результаты диссертационной работы опубликованы в 9 работах, в том числе 6 в изданиях, рекомендованных ВАК,

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, библиографического списка из 100 источников и приложения. Содержит 142 страницы основного текста, 19 таблиц, 69 рисунков.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, приведена цель и постановка задач, краткая аннотация содержания работы по разделам. Дана оценка новизны, достоверности и практической ценности полученных результатов, сформулированы защищаемые положения.

Первая глава посвящена рассмотрению физической схемы обработки материалов струей жидкости сверхвысокого давления при гидрорезании. Показано, что струйная обработка является более сложным процессом резания, имеющим свои специфические особенности и отличающимся от традиционных процессов резания.

Рассмотрен механизм кавитации при гидроабразивном резании. Физическая модель кавитационной повреждаемости представляет собой периодическое нагружение поверхности ударными волнами, генерируемыми схлопыванием пузырьков, при этом происходит образование глубоких раковин на обрабатываемой поверхности.

Вторая глава описывает методики исследования процесса гидроабразивного резания листового материала.

Часть главы посвящена исследованию процессов, происходящих на стадии пробивки отверстия. На стадии пробивки отверстия образуется противоток гидроабразивной струи в обратном направлении по отношению к направлению истекания струи из сопла гидроабразивной установки, что может существенно ослаблять действие абразивных частиц на разрушаемый материал. При этом перестает действовать механизм абразивного микроцарапания обрабатываемой поверхности, начинает преобладать механизм динамического воздействия на поверхность реза.

Экспериментальные исследования были направлены на- получение следующих результатов:

- выявление основных" дефектов, возникающих при гидроабразивном резании;

- исследования пробивки, резания и окончание обработки как гидроабразивной, так гидроструёй;

- экспериментальные исследования и обработка результатов резания различных материалов при соответствующих технологических условиях;

- получение зависимости глубины резания от основных технологических параметров обработки;

- определение коэффициента эффективности на всем промежутке процесса резания;

- экспериментальное подтверждение кавитационных явлений при гидроабразивном резании.

Цели исследований:

1. Исследование процесса разрушения материалов при пробое струёй с различными методами врезания;

2. Исследование процесса разрушения материалов при резании;

3. Определение коэффициента разрушения.

Экспериментальные работы проводились в производственных условиях ОАО «Рыбинский завод приборостроения» на гидроабразивной установке NC 3515 фирмы Water Jet Sweden.

Для описания глубины реза и коэффициента эффективности от технологических условий была принята зависимость

h=cS<Xp0Qr, (1)

где с, а, р, У - постоянные коэффициенты.

Проверка коэффициентов регрессии на значимость проводилась с помощью /-критерия Стьюдента при 5 % уровне значимости

5 WJ- N , (2)

где S2(b,) - дисперсия коэффициента регрессии; S2(y) - дисперсия исследуемого показателя процесса вычисляется по результатам всех опытов в центре плана; N-число опытов.

Проверка моделей на адекватность проводилась по F-критерию Фишера. Уравнение регрессии принимается при выполнении условия

F _ uad < F

1 расч табл- (3)

В третьей главе рассматривается математическая модель процесса гидроабразивной обработки.

Одним из обязательных условий применения жидкостных струй для разрезки различных материалов является получение при вылете из сопла струи

с хорошими гидродинамическими свойствами, обеспечивающими достаточно высокую эффективность процесса гидрорезания (рис. 1).

Вода высокого давления Насадок для ускорения струи

Абразив

Сопло

Защитный кожух

Рис.1. Схематический вид режущей головки

Произведены расчеты изменения осевой скорости для двух типов сопел -для нового сопла и сопла с отработкой 120 ч. (рис.4а)

Как видно из рис.2а осевая скорость гидроабразивных частиц на выходе из сопла у отработавшего 120 ч в 1,8 раза меньше, чем у нового. Уменьшение осевой скорости приводит к снижению качества и производительности процесса гидроабразивного резания.

м/с

Ог

0,01 0,02 0,03 0,04 0,05

L!dr -►

а) б)

Рис. 2. Разрез сопла после отработки 120 ч (а), осевая скорость гидроабразивных частиц

(б)

Часть третьей главы посвящена моделированию изменения скоростных и энергетических параметров водной струи и абразивной частицы.

Моделирование водной струи и абразивной частицы было произведено для нового сопла и сопла с отработкой 120 ч. используя алгоритм, указанный на рис.3.

Геометрия сопла, абразива данологические параметры.сбработка , С;

Рис.3. Алгоритм моделирования изменения скоростных и энергетических параметров водной струи и абразивной частицы

Построены графики изменения кинетической энергии абразивных частиц при движении внутри сопла (рис.4)

Дж

0,15, 0,1(4 0,05 0,00'

* -0,05

а)

• « » ♦--4

•"> ШЯ? . 5 ШШР > <г -

. .. . •• '

г_ ~ Щ »_ 0,02 Г "¿"-^ода . щ еда • . . 0,06 : . 0,07 0,08 " 0

0,04 0,04

Дж

0,03 0,02 0,02 0,01 Ек 0,0. 0,00 -0,01

■ ".■■• ......V ■

4 1 Заді,Й■■ ^ 'с *г-- -' ^ ■ ' V- ■ і; кй«3е£ .....

ШЩШШй 5г* ^/¡«Й'&ґя -Г- і "'» шш Л ,

, ?

ШШШЩ 1 ЖЩЙ - ЙЩЭЙ§ ■йййМ

В ■НИ&ж і ч» і»>л ' > * <

.0.06 0,08 ■ ІІІІІ

б)

Рис. 4 графики изменения кинетической энергии абразивных частиц при движении внутри сопла: без износа (а), после отработки 120 ч (б)

После использования сопла в течение 120 ч кинетическая энергия абразивных частиц снижается в три раза по сравнению с новым соплом, что

непосредственным образом влияет на производительность, качество изготавливаемых деталей.

Часть главы посвящена математической модели взаимодействия абразивной частицы с поверхностью обрабатываемого материала.

Рассмотрено снижение энергии гранул при движении в неподвижной жидкой среде. При разработке модели двухфазной струи учитывалось также влияние факторов, снижающих эффективность гидроабразивной струи по мере ее движения к обрабатываемой поверхности - изменения скорости абразивных частиц в струе. Особенно это важно на стадии начала прорезки, когда имеет место значительное снижение скорости и даже противоток жидкости.

Математическая модель процесса движения абразивной гранулы адаптирована к определению энергии, теряемой гранулой при ее движении в жидкой среде. Для упрощения задачи абразивная гранула моделировалась сферой с эквивалентным радиусом г,.

Методика расчётов изменения кинетической энергии абразивной гранулы при ее разгоне, пролете в двухфазной струе и движении в слое жидкости до момента контакта с обрабатываемой поверхностью определялась последовательностью вычислений (рис.5).

Характерной особенностью резки материала гидроабразивной струей с использованием абразивных гранул является то, что состояние разрушаемого поверхностного слоя материала формируется в результате множественных воздействий гранул в процессе обработки под действием двухфазной среды со свойствами, определёнными распределением абразивных частиц по энергиям.

Для различных видов ударного воздействия характерно сходство механизмов разрушения материала обрабатываемой поверхности. Разрабатываемая методика основана на использовании контактной задачи Герца для расчета упруго-пластических деформаций с учетом энергии ударных волн, и позволяет определять ударные силы, деформации и напряжения при упруго-пластических взаимодействиях, происходящих в зоне контакта абразивной гранулы и разрушаемой поверхности материала.

Рис.5. Методика расчетов изменения—■— кинетической энергии абразивной гранулы

Для описания механизма деформации и разрушения материала при формировании профиля реза на обрабатываемой поверхности можно применить общий подход, заключающийся в определении количественных параметров единичного взаимодействия абразивного зерна с поверхностью материала. В основу построения математической модели положен закон сохранения энергии. Предполагалось, что кинетическая энергия движущейся абразивной гранулы при контакте с упрочняемой поверхностью переходит в энергию упругой деформации абразивной 1ранулы и упрочняемого тела, энергию пластической деформации упрочняемой поверхности и трения на контактных поверхностях и энергию ударных волн, распространяющихся по грануле и разрушаемому телу.

При достижении предела прочности на части поверхности контакта или на всей ее поверхности происходит переход к хрупкому разрушению. В этом случае среднее усилие деформирования в интервале времени А? будет определяться зависимостью

?ср = ав{е,еугпг3{\ +Акп)} (4)

где &в(£>в) - предел прочности разрушаемого материала в зависимости от степени деформации и температуры, МПа.

Скорость перемещения гидроабразивной головки относительно материала, давление истечения и количество активных абразивных гранул на рабочей части струи, обусловленных развитостью периферийной зоны, будут определять напряженно-деформационное состояние поверхностного слоя разрушаемого материала. Малая скорость подачи на стадии пробивки отверстия характеризуется высокой интенсивностью подвода в зону резания энергии, что увеличивает область критических значений напряженного состояния. Таким образом, размеры активной границы струи определяют характер внешнего воздействия гидроабразивного потока на поверхностный слой, влияют на механизм и скорость разрушения материала, а, следовательно, формируют ширину, глубину реза и финишное состояние поверхностного слоя разрезаемого материала.

Четвертая глава посвящена экспериментальной проверке теоретических результатов исследования.

Проведены экспериментальные исследования, подтверждающие наличие кавитационных явлений при гидрорезании без абразива на нескольких типов материалов (рис. 6). При этом, можно сделать следующие выводы:

1. Подтверждено наличие процесса кавитации и эрозии материалов при гидрорезании;

2. Процесс разрушения малопроизводителен (по сравнению с гидроабразивным резанием - более чем в 10 раз), плохое качество поверхности;

3. Для интенсификации процесса разрушения в гидрострую целесообразно вводить абразивные зерна.

Рис. 6. Рез и кратерообразная поверхность латуни Л63

Как показывает производственный опыт, одним из наиболее ответственных этапов гидроабразивной обработки является этап первичной пробивки отверстия. На этом этапе абразивные частицы, движущиеся в гидроабразивной струе, вынуждены замедлить скорость движения до нуля, а затем начать движение в боковом или в противоположном направлении. Только после полной пробивки отверстия движение абразивных частиц происходит в одном направлении.

Исследования пробивки отверстия в материале проводились при следующих условиях (рис.7):

Рис.7. Типы пробоя (справа налево):

• сопло осциллирует относительно точки пробоя по круговой траектории без использования абразива;

• сопло неподвижно без использования абразива;

» сопло осциллирует относительно точки пробоя по круговой траектории с использованием абразива;

• сопло неподвижно с использованием абразива.

Следующая серия экспериментов имела своей целью установление влияния основных технологических параметров процесса гидроабразивной обработки на глубину реза и коэффициент эффективности. 1. Обработка алюминия АМгб, толщина 30 мм, диаметр сопла 0,76 мм

Рис.8. Внешний вид образца АМгб Рис.9. Продольная разрезка прорезов

группы 16

По результатам эксперимента построены зависимости глубины реза от технологических параметров: подачи А = /(5), давления Н = /(р), расхода абразива й = /(0 (рис.10).

а)

е= 1,7 Г/с .X

£=2,2 мы/с

5=43 мм/с „ £=6,5 мм/с

О1-1----

О 100 200 300 40С

р-> МПа

б)

Рис.10. Зависимость глубины резания: а) от подачи к = /(5), б) давления к = /(р)

Для варианта обработки алюминия АМгб был определен коэффициент эффективности К^ для трех групп режимов:

где

дт, - изменение массы заготовки, кг; ¡шгао - изменение массы гидроабразивной струи, кг.

По результатам эксперимента построены зависимости коэффициента эффективности от времени (см. рис. 11).

0,012 0,008 0,004

Р •= 350 МПа; ¡2= 1,7 г/с 1----------1 ,5=2.2 мм/с

/ 6 // / 1^5 = 4.3 мм/с ь

и / // / /У і Л-СЛииЛ «Г \ \ X \ >

12

и

а)

0,006 0,004 0,002

Р<= 150 МПв; е-1,7 г/с 5=43 мм/с / 5=2,2 мм/с /

/ / / / 1 £ \ \ \

Ж > ч < А \

12

И

б)

о,ооз 0,002 0,001

Квф

.Р = 350МПа; 1 в" 0,85 г/с г - ^ ЛГ"=4.3 мм/с •V= 7 5 ии/п

У У

/ ^ / 1 1 \ \ \ 'г

//у » \ \ \ »

12

1С

в)

Рис. 11. Изменение коэффициента эффективности Кщ

По результатам экспериментальных данных разрушения гидро- и гидроабразивной струёй были получены следующие зависимости для расчета:

коэффициента эффективности ф ,

Кф- 41.2-

Ґ N-0.2 ,

\°еод

Р_

Ро

V О'вод )

(6)

глубины реза для АМгб:

( S) -0.6 ( \ р 1.9 f 2.1

\°вод 1 Ро) \Qeod ; > (7)

где h - глубина реза, м; S - подача, м/с; р - давление жидкости, МПа; р0 - атмосферное давление, МПа Q - расход абразива, кг/с.

Проведённые исследования, в целом, показывают возможность использования коэффициента эффективности Кзф в качестве комплексной характеристики процесса гидроабразивной обработки, позволяют учитывать влияние на неё различных факторов и производить оптимизацию процесса, исходя из критерия его производительности. В частности, использование величины Кэф для исследования эффективности процесса резания заготовок из алюминия АМгб путем сравнительной оценки различных технологических условий обработки позволило добиться повышения производительности труда на 60% в сравнении со стандартной технологией.

Общие выводы по работе

1. На основе анализа кинематики и динамики движения двухфазной струи с учетом конструктивных параметров технологического оборудования получены зависимости, позволяющие установить взаимосвязь основных параметров процесса гидроабразивного резания с параметрами оборудования, износом сопла;

2. На основании исследования влияния на обработку технологических параметров гидрорезания, геометрии струеформирующих элементов, течения струи в сопле получены регрессионные зависимости расчета коэффициента эффективности и предложено использовать его в качестве комплексной характеристики процесса гидроабразивной обработки;

3. Исследования износа струеформирующего сопла позволили установить его влияние на энергетические параметры струи за счет изменения формы в продольном и поперечном сечении. Показано, что через 120 ч. работы кинетическая энергия струи на выходе из сопла уменьшается более чем в 3 раза;

4. Исследование этапа первичной пробивки отверстия в обрабатываемом материале совместно с коэффициентом эффективности позволило снизить расход гранатового концентрата (в среднем на 10%) с увеличением стойкости сопел в среднем на 80 часов (с 100 ч. до 180 ч.);

5. Исследование влияния кавитации на процесс гидроабразивного резания металлов показало, что процесс гидрорезания без абразива малопроизводителен и характеризуется плохим качеством обработанных поверхностей, поэтому, для интенсификации процесса разрушения материала в гидрострую необходимо вводить абразивные зерна в количестве не менее 8 - 10 % от объемного содержания струи;

6. Исследование разрушения материала позволили определить пробивную способность струи на основе моделирования ударного воздействия абразивных зерен;

7. На основании выполненных исследований разработаны рекомендации для повышения эффективности процесса гидроабразивного резания материалов.

СПИСОК ПУБЛИКАЦИЙ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ Публикации в изданиях рекомендованных ВАК:

1. Рыкунов, А.Н. Повышение эффективности гидроабразивной обработки на основе моделирования процессов микроразрушения материалов [Текст] / Рыкунов, А.Н., Яблуновский, Я. Ю. // Справочник. Инженерный журнал. - 2009. - № 4 приложение. - С. 14-17.

2. Яблуновский, Я. Ю. Гидроабразивное резание материалов [Текст] / Я. Ю. Яблуновский // Естественные и технические науки. - 2007. - №5,-С. 182-183.

3. Яблуновский, Я. Ю. Управление качеством при гидроабразивном резании материалов [Текст] / Я. Ю. Яблуновский // Естественные и технические науки. - 2007. - № 5. - С. 184-186.

4. Яблуновский, Я. Ю. Модель двухфазной турбулентной струи с твердыми частицами [Текст] / Я. Ю. Яблуновский // Естественные и технические науки. - 2008. - № 2. - С. 335-338.

5. Яблуновский, Я. Ю. Повышение эффективности гидроабразивной обработки на основе учета коэффициента эффективности [Текст] / Я. Ю. Яблуновский // Естественные и технические науки. - 2011№4. - С. 386 -390.

6. Рыкунов, А.Н., Яблуновский, Я. Ю. Оценка эффективности процесса обработки материалов гидроабразивной струёй на основе использования коэффициента приведённой массы [Текст] / Рыкунов А.Н. // Вестник Рыбинского государственного авиационного технического университета имени П. А. Соловьева. - 2011. - №2(21). - С.67 - 72.

Прочие публикации:

1. Яблуновский, Я.Ю. Управление качеством при гидроабразивном резании материалов [Текст] / Я.Ю. Яблуновский // Авиационная и ракетно-космическая техника с использованием новых технических решений: мат. Международной школе-конференции молодых учёных, аспирантови студентев им. П.А.ХоловьеваГи В.Н. Кондратьева. - Ч. 2. -Рыбинск: РГАТА, 2006. - С. 223-225.

16 Ъ

2. Яблуновский, Я. Ю. Повышение эффективности гидроабразивной обработки на основе моделирования процессов микроразрушения материалов [Текст]: сб. научн. тр. / Я. Ю. Яблуновский // Технология, оборудование и автоматизация машиностроительного производства,-СПб.: Инструмент и технологии, 2008. - С. 213 - 216.

3. Яблуновский, Я. Ю. Исследование зависимости скоростных характеристик гидроабразивной струи от износа сопловых насадок [Текст]/ Я. Ю. Яблуновский// Аспирант и соискатель, - 2011- №3. - С. 96-98.

Зав. РИО М. А. Салкова Подписано в печать 9.02.2012 Формат 60x84 1/16. Уч.-изд.л. 1,0. Тираж 100. Заказ 66.

Рыбинский государственный авиационный технический университет имени П. А. Соловьева

(РГАТУ имени П. А. Соловьева)

Адрес редакции: 152934, г. Рыбинск, ул. Пушкина, 53

Отпечатано в множительной лаборатории РГАТУ имени П. А. Соловьева

152934, г. Рыбинск, ул. Пушкина, 53

61 12-5/2210

ФГБОУ ВПО «Рыбинский государственный авиационный технический

( ^г ^

университет имени П.А. Соловьева»

На правах рукописи

Яблуновский Ян Юрьевич

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ГИДРОАБРАЗИВНОЙ ОБРАБОТКИ НА ОСНОВЕ УЧЕТА ЭНЕРГИИ ДВУХФАЗНОЙ

РЕЖУЩЕЙ СТРУИ

Специальность 05.02.07 - Технология и оборудование механической и физико-

технической обработки

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель д-р техн. наук, проф. Рыкунов А.Н.

Рыбинск-2012

СОДЕРЖАНИЕ

УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ..............................................................................4

ВВЕДЕНИЕ.................................................................................................................6

ГЛАВА 1. РЕЗАНИЕ МАТЕРИАЛОВ ПРИ ГИДРОАБРАЗИВНОЙ ОБРАБОТКЕ............................................................................................................Ю

1.1 условия разрезки материалов жидкостной струей.................................10

1.2 Обработка материалов абразивно-жидкостной струей..........................11

1.3 Процессы разрушения при гидроабразивном резании............................18

1.4 Анализ исследований процесса разрушения материала.......................19

1.5 Структурная макромеханика разрушения................................................30

1.6 Кавитационные явления при гидроабразивной обработке....................35

1.7 Экспериментальная проверка кавитационных моделей......................37

1.8 Механизм кавитационной эрозии..............................................................39

Выводы по главе 1................................................................................................43

Цель и задачи исследования..............................................................................45

ГЛАВА 2. МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЙ ГИДРОАБРАЗИВНОГО РЕЗАНИЯ ЛИСТОВОГО МАТЕРИАЛА...........................................................47

2.1 Аналитические методы построения модели работы гидроабразивной струи на стадии пробивки отверстия...............................................................47

2.2 Методика экспериментальных исследований........................................48

2.3 Оборудование, материалы и аппаратура, применяемые для исследований........................................................................................................50

2.4 Планирование многофакторных экспериментов и регрессионный

анализ.....................................................................................................................57

Выводы по главе 2................................................................................................60

ГЛАВА 3. МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ПРОЦЕССА ГИДРОАБРАЗИВНОЙ РЕЗКИ МАТЕРИАЛОВ..............................................61

3.1 Схематическое представление процесса гидроабразивного резания. 61

3.2 Модель двухфазной струи с твердыми частицами..................................66

3.3 Результаты расчетов движения гранул в двухфазной струе.................73

3.4 Снижение энергии гранул при движении в неподвижной жидкой среде........................................................................................................................79

3.5 Разрушение материала при гидроабразивном резании. Модель единичного ударного взаимодействия абразивной гранулы с

поверхностью материала...................................................................................85

Выводы по главе 3................................................................................................99

ГЛАВА 4. РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ РЕЗАНИЯ ГИДРО И ГИДРОАБРАЗИВНОЙ СТРУЕЙ................................100

4.1 Экспериментальное исследование кавитационных явлений при резании струей жидкости..................................................................................100

4.2 Качество реза и дефекты, возникающие при гидроабразивной резке материалов..........................................................................................................102

4.3 Исследование этапов пробивки первичного отверстия..................107

4.4 Влияние технологических параметров гидроабразивной обработки

на эффективность резки образцов с различными технологическими параметрами.......................................................................................................112

4.5 Внедрение результатов исследования.....................................................124

Выводы по главе 4..............................................................................................125

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ...............................................................................................127

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ.......................................129

ПРИЛОЖЕНИЕ А.................................................................................................140

УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ

0 - скорость гидроабразивной струи, м/с; р -давление, МПа;

5 - скорость подачи сопла, м/с; к - глубина реза, м;

- расход гидроабразивного потока, кг/с;

0,а - расход абразива, кг/с;

Овод ~ расход воды, кг/с;

1 - время, с;

с - скорость звука, м/с; г - расстояние от центральной оси сопла, м; Яс - радиус сопла, м;

I - длина сопла, м;

р0 - атмосферное давление, МПа;

о ь- осевая скорость частицы, м/с;

оа - скорость абразива, м/с;

°вод ~ скорость водяной струи, м/с;

ЕК - кинетическая энергия, Дж;

Ь — расстояние, м;

ср - угол распыла струи, рад.;

^-концентрация абразива, шт;

рь - концентрация абразива на оси струи, м;

и0 - начальная осевая скорость абразива на выходе из сопла, м/с;

Яэ- эквивалентный радиус абразивной частицы, м;

ра- плотность абразива, кг/м3;

рв - плотность воздуха, кг/м3.

рж - плотность жидкости, кг/м3.

р0- концентрация абразива на оси при выходе из сопла, шт;

g - ускорение свободного падения, м/с2;

ро- концентрация абразивных зерен в потоке, шт;

та- масса абразивного зерна, кг;

Ъ - ширина реза, м;

п - число абразивных зерен, шт;

I - расстояния от материала до сопла ,м;

с1с -диаметр выходного отверстия сопла, мм;

ар- предел прочности на растяжение, МПа;

^-содержание абразива в струе, %;

щ - начальная скорость движения струи, м/мин;

рж - плотность жидкости, кг/м3;

Сх - коэффициент гидродинамического сопротивления гранулы;

с- скорость обтекания шарика потоком жидкости, м/с;

2

Б - миделево сечение гранулы, мм ;

Я - сила сопротивления жидкости продвижению абразивной гранулы, кг(м/с2);

Иу - упругая деформация за период времени м;

аТ{£,в) - предел прочности материала в зависимости от степени

деформации и температуры, МПа;

Ат3 - изменение массы заготовки, кг;

Атгас - изменение массы гидроабразивной струи, кг;

Кэф - коэффициент эффективности.

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность работы: Созданные к настоящему времени научные разработки, технологии и оборудование гидроабразивного резания направлены 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 то же время установлено, что повышение точности изготовления детали, существенно повышает производительность последующих сборочных работ.

Результаты изучения влияния свойств абразива на механизм формирования микрогеометрии поверхности реза и достигаемой производительности представлены в трудах Ю.С. Степанова, Г.В. Барсукова, P.A. Тихомирова, A.A. Барзова, A.JI. Галиновского, М.А. Бурнашова и др. [51100]. Однако все имеющиеся расчетные зависимости основаны на моделирование самого процесса резания и практически исключены этапы пробивки заходного отверстия и этап окончания резания, отсутствуют математические модели, учитывающие такие механизмы разрушения материалов при гидроабразивном резании как: усталостное, хрупкое разрушение, высокоскоростное столкновение абразивных частиц и материала. 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.

В этой связи актуальным направлением в области машиностроительного производства является поиск путей повышения эффективности технологических процессов гидроабразивного резания

листовых материалов путем исследования физических процессов протекающих в области разрушения материалов под воздействием гидроабразивной струи.

Цель работы. Повышение эффективности гидроабразивной обработки на основе учета энергии двухфазной режущей струи. Задачи:

• моделирование изменения скоростных и энергетических параметров водной струи и абразивных частиц;

исследование влияния износа сопла при гидроабразивной резке на

разгон абразива;

• математическое моделирование взаимодействия абразивной частицы с поверхностью обрабатываемого материала;

• экспериментальные исследования процесса гидроабразивной резки

материалов и получение эмпирических зависимостей для этапов пробивки

отверстия и резки материала;

разработка рекомендаций по повышению эффективности

гидроабразивной резки.

Методы исследования. Теоретические исследования базируются на научных положениях физики высокоскоростного удара разрывов в сплошных средах, структурной макромеханики разрушения, системного анализа, технологии машиностроения, гидродинамики, теоретической физики, теории организационных структур, тензорного и численного анализа, дифференциальной геометрии, теории вероятности, теории упругости. Экспериментальные исследования выполнялись с использованием методов математического планирования и анализа экспериментов.

Достоверность и обоснованность полученных результатов подтверждается использованием теории прочности, теории упругости, теории высокоскоростного разрушения материалов, сходимостью полученных теоретических результатов с данными эксперимента.

На защиту выносятся:

1. Зависимости, позволяющие установить взаимосвязь основных параметров процесса гидроабразивного резания с параметрами оборудования, размерами абразивных зёрен и их концентрацией;

2. Регрессионные зависимости расчета коэффициента эффективности кэф и предложено использовать его в качестве комплексной характеристики процесса гидроабразивной обработки

3. Расчёты по критерию разрушения материала для определения пробивной способности струи с учетом энергетических возможностей для различных обрабатываемых материалов.

Научная новизна: Разработана математическая модель процесса пробивки отверстия при гидроабразивном резании и получены расчетные зависимости для управления процессом пробивки с использованием коэффициента эффективности. В том числе разработаны:

• математические зависимости взаимосвязи основных параметров процесса гидроабразивного резания с параметрами оборудования, износа сопла, а также с учетом конструктивных параметров технологического оборудования;

регрессионные зависимости расчета коэффициента эффективности с учетом влияния технологических параметров гидроабразивного резания на обработку, геометрию струеформирующих элементов сопла;

математическая модель влияния износа сопла на энергетические параметры струи и ее пробивную способность. Практическая ценность: разработана методика расчета основных технологических параметров системы гидроабразивного резания, позволяющая обеспечить качественные показатели обрабатываемой детали с учетом изменения энергетических и динамических характеристик гидроабразивной струи;

разработаны рекомендации, обеспечивающие технологическое повышение эффективности гидроабразивного резания, позволяющее выбрать оптимальные параметры обработки.

Реализация результатов. Результаты разработанного математического аппарата были использованы на ОАО «Рыбинский завод приборостроения», ОАО «Сатурн Газовые турбины».

Апробация работы: Основные научные положения диссертации докладывались и обсуждались на: Международной школе-конференции молодых учёных, аспирантов и студентов им. П.А. Соловьёва и В.Н. Кондратьева «Авиационная и ракетно-космическая техника с использованием новых технических решений» (Рыбинск, 2006); на конкурсе научно-технических работ ОАО «Корпорация «Тактическое ракетное вооружение»» (Королёв, 2007).

Публикации. Основные результаты диссертационной работы опубликованы в 9 работах, в том числе 6 в изданиях, рекомендованных ВАК.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, библиографического списка из 100 источников и приложения. Содержит 142 страницы основного текста, 19 таблиц, 69 рисунков.

ГЛАВА 1. РЕЗАНИЕ МАТЕРИАЛОВ ПРИ ГИДРОАБРАЗИВНОЙ

ОБРАБОТКЕ

1.1 Условия разрезки материалов жидкостной струей

Одним из условий применения жидкостных струй для разрезки различных материалов является получение при вылете из сопла струи с хорошими гидродинамическими свойствами, обеспечивающими достаточно высокую эффективность процесса гидрорезания. Общепринятым критерием оценки гидравлических свойств струи является компактность струи, под которой понимается ее способность не распадаться при движении и сохранять свою кинетическую энергию на определенном расстоянии от сопла.

Развитие, совершенствование гидравлических методов обработки в различных отраслях промышленности вызвали необходимость всестороннего изучения струй жидкости различных начальных параметров.

Исследования жидкостной струи, проведенные Институтом физики высоких давлений, показали, что уже при давлении около 60 МПа скорость струи примерно равна скорости звука в воздухе, а при более высоких давлениях значительно ее превышает (табл. 1).

Таблица 1

Зависимость скорости истечения струи воды от давления

р, МПа 60 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000

V » м/с 343 443 626 767 885 990 1084 1171 1252 1328 1400

Изучение структуры, строения и динамики жидкостных струй (особенно сверхвысокого давления) относятся к одному из наиболее сложных вопросов гидродинамики. Тонкие жидкостные струи сверхзвуковой скорости по условиям создания давления истечения и формирования струи отличаются от

струй низкого, среднего и высокого давления. Особенности движения струи в воздухе, а также отсутствие необходимой измерительной аппаратуры является причинами того, что характеристики струи сверхзвуковой скорости, их структура до настоящего времени изучены недостаточно. Однако проведенные ранее исследования струй низких и сверхвысоких давлений [44, 45] все же позволяют составить общее представление о процессах, происходящих при формировании струи. Напорный высокоскоростной поток жидкости после выхода из сопла попадает в воздух, т. е. в среду, плотность которой в 800 раз меньше плотности воды. При этом струя жидкости под действием турбулентных пульсаций и окружающей среды теряет цилиндрическую форму диаметра сопла и несколько расширяется, принимая вид конуса.

Движущийся струйный поток представляет собой смесь из капель жидкости и воздуха, причем вблизи сопла он состоит из сплошного стержня,

окруженного оболочкой из этой смеси.

В пограничной зоне, где жидкостная струя соприкасается с окружающей воздушной средой, находящейся в состоянии покоя, существует большая разность скоростей. В связи с этим пол прямым углом к оси струи возникают силы, пропорциональные этой разности скоростей, и в жидкостной струе, движущейся с огромной скоростью, образуются неравномерные распределения ее массы.

1.2 Обработка материалов абразивно-жидкостной струей

Согласно теоретическим и экспериментальным данным [46], струя жидкости при больших скоростях может рассматриваться как хрупкое твердое тело. Однако взаимодействуют струя жидкости и твердое тело иначе, чем два твердых тела. Если при взаимодействии двух твердых тел скорость суммарной деформации их контактных поверхностей все время остается равной скорости их сближения, то в гидрорезании при установившемся процессе обтекания твердой преграды для струи характерен профиль, свойственный флюиду. Жидкость даже при больших скоростях способна обтекать тело, и скорость

контактных поверхностей во время деформации тела может значительно отличаться и быть меньше скорости истечения и определяется в основном величиной удельного давления жидкости на поверхности.

Подобная особенность условий деформирования и является на практике основной причиной высокой энергоемкости гидрообработки, так как вследствие малой скорости деформации материала полезная работа разрушения, совершаемая силой давления струи в единицу времени, значительно меньше мощности струи. В результате, большая часть энергии струи теряется при обтекании, а теоретический КПД процесса оказывается существенно меньше единицы [46]. Поэтому с целью увеличения производительности гидрорезания необходимо стремиться к обеспечению (приближению) условий взаимодействия струи и обрабатываемого материала к условиям взаимодействия двух твердых тел.

Наиболее эффективного увеличения режущей способности струи жидкости можно достичь введением в нее абразива в виде порошков, микропорошков, кварцевого песка и т.п. Так, например, по данным Ш. М. Билика, при введении даже в низконапорную струю жидкости песка в объемной концентрации 8-10 % разрушающие свойства ее возрастают в 10-12 раз по сравнению со струей воды, а при большой концентрации Т : Ж = 3:7 (Т : Ж -отношение количества твердого вещества к количеству жидкого по объему) -до 20 раз.

Струйно-абразивная обработка материалов при низких давлениях истечения струи (р = 0,2 - 2,0 МПа) малоэффективна. Увеличение давления истеч