автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.13, диссертация на тему:Разработка и реализация инновационного потенциала ультраструйных машиностроительных гидротехнологий

! -.П

1 и'

На правах рукописи

ГАЛИНОВСКИИ АНДРЕИ ЛЕОНИДОВИЧ

УДК 621.9.048.7

РАЗРАБОТКА И РЕАЛИЗАЦИЯ ИННОВАЦИОННОГО ПОТЕНЦИАЛА УЛЬТРАСТРУЙНЫХ МАШИНОСТРОИТЕЛЬНЫХ ГИДРОТЕХНОЛОГИЙ

Специальность 05.02.13 Машины, агрегаты и процессы (машиностроение)

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

005567517

Ижевск - 2013

005567517

Работа выполнена в Московском государственном техническом университете

имени Н.Э. Баумана Научный консультант: БАРЗОВ Александр Александрович

доктор технических наук, профессор

Официальные СЕНТЯКОВ Борис Анатольевич

оппоненты: доктор технических наук, профессор,

Ижевский государственный технический университет им. М.Т. Калашникова, декан технологического факультета Боткинского филиала ИжГТУ (г. Ижевск) КОНДАКОВ Александр Иванович доктор технических наук, профессор, Московский государственный технический университет имени Н.Э. Баумана, профессор (г. Москва)

БАРСУКОВ Геннадий Валерьевич,

доктор технических наук, профессор, Государственный университет — учебно-научно-производственный комплекс, заведующий кафедрой Конструкторско-технологическое обеспечение машиностроительных производств (г. Орел). Ведущая организация: Рыбинский государственный авиационный

технический университет им. П.А. Соловьева

Защита диссертации состоится «30» декабря 2013 г. в 12-00 часов на заседании диссертационного совета Д 212.065.03 при Ижевском государственном техническом университете им. М.Т. Калашникова по адресу: 426069, Удмуртская Республика, г. Ижевск, ул. Студенческая, д. 7

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ИжГТУ по адресу: Адрес: 426069, Удмуртская Республика, г. Ижевск, ул. Студенческая, д. 7

Автореферат разослан «?*>> ^ 2013 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета Д 212.065.03

доктор технических наук, профессор Н.М. Филькин

Подписано к печати «_»_

Объем 1,5 п.л. Тираж 150 экз.

2013 г. Заказ №

Актуальность работы. На сегодняшний день одним из эффективных способов обработки деталей из современных конструкционных материалов является интенсивно развивающаяся технология гидрорезания/гидроочистки высокоскоростной жидкостной или абразивно-жидкостной струей. Однако, как показали предварительные исследования, физико-энергетическая основа данной технологии и возможности существующего парка гидротехнологических машин и агрегатов предопределяют существенно более широкую сферу их практических приложений в машиностроении.

Используя инверсию технологических понятий: режущий инструмент-обрабатываемый материал в МГТУ им. Н.Э. Баумана было показано, что высокоскоростную струю жидкости можно рассматривать как режущий инструмент в процессе гидрорезания материалов, как специфический обрабатываемый материал - гидротехнологическую суспензию (ГТС),

•подвергаемую ультраструйной обработке (УСО), а также как универсальный контрольно-диагностический инструмент, позволяющий получить оперативную информацию о физико-механическом состоянии поверхностного слоя деталей за счет создания кратковременных воздействий подобных реальным условиям их эксплуатации.

Поэтому, под ультраструйными (ультра от лат. ultra - сверх - за пределами) технологиями (УСТ) будем понимать совокупность методов и средств создания и реализации таких параметров высокоэнергетической компактной струи жидкости, которые при ее взаимодействии с окружающей средой, например при ударно-динамическом торможении о твердотельную мишень, способны привести к фиксируемым целенаправленным изменениям в обрабатываемом материале и/или в самой жидкости.

При этом, основой всех ультраструйных технологий является комплекс машин и агрегатов, применяемых для реализации процессов гидрорезания/гидроочистки, и соответствующие им технологические параметры (рабочее давление от 300 до 600 МПа, скорость струи в пределах от 300 до 1000 м/с) и режимы обработки. В случае обработки или получения ГТС это приводит к изменению ее потребительских свойств, т.е. специфической активации, стерилизации, насыщению материалами мишени и др. В случае ультраструйной диагностики (УСД) к гидроэрозии поверхности диагностируемого материала или детали, параметры которой связаны с физико-

• Механическими характеристиками поверхностного слоя объекта контроля. Это позволяет путем анализа параметров гидроразрушения материала получать информацию о его эксплуатационно-технологических и физико-механических характеристиках, в целях обеспечения надежной и безопасной эксплуатации, продления ресурса, на этапе технологической подготовки производства в частности: поврежденности, твердости, напряженно-деформированном состоянии и др.

Обоснованное наличие широких, но мало изученных возможностей развития УСТ и весьма узкая реализация потенциала гидроструйных машин и

агрегатов в машиностроительной отрасли объясняет актуальность исследования.

Цель и задачи работы. Целью работы является разработка научных и методологических основ перспективных операционных ультраструйных технологий и процессов, их реализация в машиностроении.

Для достижения поставленной цели сформулированы и решены следующие задачи:

1. Обоснована методическая база исследований на основе анализа альтернативных видов технологического воздействия с позиций получения диагностической информации и обработки промышленных жидкостей;

2. Научно-методическое обоснование возможности создания новых ультраструйных гидротехнологий;

3. Математическое конечно-элементное моделирование и экспериментальное изучение процесса гидроэрозионного разрушения материала с учетом) влияния волновых процессов;

4. Разработка основных принципов ультраструйной операционной технологии активации и суспензирования промышленных жидкостей;

5. Разработка основных принципов ультраструйной операционной технологии оценки физико-механических характеристик поверхностного слоя материалов, машин и агрегатов;

6. Разработка перспектив развития ультраструйной гидротехнологии и апробация результатов исследования

Методы исследований. Использован комплексный подход к решению поставленных задач на основе системного анализа, теории принятия решений, методов математического моделирования, теории вероятности и математической статистики. Экспериментальные исследования, связанные с оценкой технологических возможностей УСТ, проводились на лабораторном оборудовании и в реальных производственных условиях. Теоретические исследования выполнялись на современной вычислительной технике с использованием средств графического отображения информации.

Научную новизну исследования составляют следующие положения, позволившие разработать новые операционные гидротехнологии:

1. Теоретически и экспериментально показано, что взаимодействие ультраструи жидкости с мишенью, сопровождается интенсивными волновыми | процессами и энергетически неравновесными превращениями, при которых" происходит активация и суспензирование самой жидкости, величина которых зависит от физико-механических характеристик материала мишени. Это позволило сформулировать принцип дуализма ультраструйной обработки материалов и жидкостей, согласно которому при инверсии понятий: инструмент — обрабатываемый материал инструментом является твердотельная мишень, а обрабатываемый материал - ГТС.

2. Теоретическое и экспериментальное обоснование возможности определения физико-механических характеристик поверхностного слоя

материалов, машин и агрегатов путем кратковременного воздействия на них ультраструи жидкости и анализа результатов этого воздействия. Доказанное физико-технологическое соответствие между механизмами гидроэрозионного разрушения материала при ультраструйном воздействии с процессами изменения его поврежденности при эксплуатации при нестационарных нагрузках позволило сформулировать принцип подобия процессов разрушения объекта исследований при ультраструйном диагностировании и эксплуатации.

3. Совокупность математических моделей, описывающих взаимодействие ультраструи жидкости с материалом, позволяющих анализировать и выявлять особенности данного процесса:

вероятностные и конечно-элементные модели волнового возмущения зоны обработки;

модель взаимосвязи энергетических превращений при ультраструйной 'обработке, показывающая прямопропорциональный характер зависимости между интенсивностями гидроэрозионного разрушения обрабатываемого материала и струеформирующих элементов технологического оборудования; - аналитические и конечно-элементные модели влияния кинематического (углового) фактора взаимодействия ультраструи с материалом на эффективность ультраструйной обработки материалов при резании, очистке и суспензировании жидкостей.

4. Выявление доминирующего влияния гидродинамического, волнового фактора ультраструйного воздействия на выходные технологические параметры обработки в первую очередь интенсивность гидроэрозионного разрушения материала.

Основные научные положения, выносимые на защиту:

1. Результаты комплексного экспертно-аналитического обоснования актуальности и приоритетного характера решения задач по расширению прикладных возможностей гидротехнологических машин и агрегатов.

2. Принцип технологического дуализма ультраструйной технологии, согласно которому в жидкости происходит изменение свойств и ее суспензирование.

3. Принцип технологического подобия гидроэрозионного разрушения ) поверхности материала процессу его усталостного разрушения

4. Результаты теоретических и экспериментальных исследований, направленных на обоснование возможности определения физико-механических параметров поверхностного слоя материалов, машин и агрегатов.

5. Положение о влиянии волновых процессов на эффективность обработки материалов и получение суспензий.

6. Результаты математического моделирования и экспериментального изучения специфики взаимодействия ультраструи жидкости с преградой.

7. Инженерные методики и программно-математическое обеспечение для технико- экономического обоснования применения рациональных технологических условий обработки материалов.

8. Перспективы дальнейших исследований, связанные с повышением результативности данного вида гидротехнологий путем развития роторно-струйной обработки, ультраструйной технологии получения мелкодисперсных суспензий, получения бездефектных образов для испытаний, кавитационную диагностику материалов и покрытий и т.д., что дополняет полифункциональные возможности рассматриваемого способа физико-технологического воздействия на обрабатываемый материал и/или жидкость.

Практическая ценность работы состоит в:

— разработке конструкторско-технологических решений необходимых для обработки промышленных жидкостей и ГТС методом УСО;

— разработке методики и программно-математического обеспечения для определения рациональных технологических и экономически оптимальных условий обработки материалов и жидкостей;

- выработке практических рекомендаций по ультраструйной обработке промышленных жидкостей и ГТС;

- разработке и апробации инженерной методики ультраструйной оценки физико-технологических параметров материалов, машин и агрегатов;

- формировании научных принципов, позволяющих расширить области практического применения машин и агрегатов, применяемых в настоящее время для реализации процессов гидрорезания/гидроочистки материалов в машиностроении;

— возможности использования результатов в учебном процессе при подготовке инженеров по машиностроительным специальностям (акт внедрения в НУК СМ МГТУ им. Н.Э. Баумана, акт Аэрокосмического центра научного развития и академического обмена Китайской народной республики).

Практическая значимость научно-методических разработок диссертации подтверждается апробацией результатов исследований на ряде промышленных предприятий РФ, в частности ОАО Пермский завод «Машиностроитель», ОАО «НИКИМТ - Атомстрой», ОАО «Дубненский машиностроительный завод» им. Н П. Федорова», ООО «Старт-РЛ», ЗАО НПП «Класс», ООО «Горстрой» и др.

Апробация работы. Основные положения работы были доложены и получили одобрение на: Всероссийской научно-практической конференции «Производственная инфраструктура: экономические, технико-технологические, организационно-управленческие и информационные аспекты», (Кострома, 2009 - 2011 гг.); Международной конференции «Модернизация и инновации в авиации и космонавтике», (Москва, МАИ ТУ, 2011 г.); Всероссийской зимней

школе-семинаре аспирантов и молодых ученых «Актуальные проблемы науки и техники» (Уфа, 2011 г.); XIII, XIV Харитоновских чтениях, Саров, 2011, 2013 гг.; Всероссийской научно-технической конференции «Новые материалы и технологии-НМТ», (Москва, РГТУ (МАТИ), 2010 г.); XXXII - XXXV академических чтениях по космонавтике, (Москва, 2008 - 2013 гг.); Всероссийской конференции «Проблемы механики и акустики сред с микро- и наноструктурой: НАНОМЕХ», (Нижний Новгород, 2009 г.); Второй международный семинар «Гидроструйные технологии — оборудование и опыт применения», (Москва, 2009 г.); Всероссийской научно-технической конференции «Повышение эффективности механообработки на основе моделирования физических явлений» (Рыбинск, 2009 г.); Международной научно-технической конференции «Проблемы качества машин и их конкурентоспособности», (Брянск, БГТУ, 2008 г.); Всероссийской ^^конференции с международным Интернет-участием «От наноструктур, ^^ наноматериалов и нанотехнологии к наноиндустрии», (Ижевск, ИжГТУ, 2007 г.); Международной научной конференции «Татищевские чтения: актуальные проблемы науки и практики», (Тольятти, 2005 г.).

Исследования проведены в рамках 2-х проектов № 2.1.2.8670 (2006-2008 гг.) и № 3293 (2009-2010 гг.) аналитической ведомственной целевой программы «Развитие научного потенциала высшей школы», хоздоговорной работы с ООО «Старт-РЛ», Гранта Президента РФ для молодых российских ученых МК-962.2008.8 и МД-1885.2010.8, фанта РФФИ №12-08-00802-а, №12-08-33022-мол_а_вед

Публикации. По теме исследования опубликовано более 80 печатных работ, в том числе 3 патента РФ, 6 монографий, 20 статей в журналах рекомендованных ВАК. Под руководством автора выполнено 6 научно-исследовательские работы по теме диссертации.

Структура и объем работы. Работа состоит из введения, 6 глав, заключения, списка использованных источников из 153 наименований, приложения. Работа содержит 341 страницу основного текста, 165 рисунков, 27 таблиц, а также приложение на 8 страницах.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

• Во введении кратко обоснована актуальность темы, сформулированы цели и задачи исследования, сформировано понятие «ультраструйная технология», изложена научная новизна исследования и полученные результаты, выносимые на защиту.

В первой главе рассматривается комплекс машин, агрегатов и процессов традиционно применяемых для реализации технологии

гидрорезания/гидроочистки и решения ряда научно-технических задач, стоящих перед машиностроительным производством. Приводится классификация гидроструйных технологий исходя из их практического применения в машиностроении, в частности рассматриваются вопросы

жидкостного и гидроабразивного резания, обработки поверхности, совершенствования технологического оборудования, машин и агрегатов, информационно-диагностического обеспечения.

Показано, что комплекс машин, агрегатов и процессов УСО, обладая широкими функционально-технологическими возможностями, уверенно вошел в арсенал современных высокоэффективных способов физико-технической обработки различных материалов в машиностроении. Кроме того широкое распространение технологии УСО получили в судостроении, авиакосмическом машиностроении, в решении задач разоружения боеприпасов и утилизации.

Среди основных достоинств УСТ предопределивших их успешное применение в промышленности в главе отмечаются следующие:

- универсальность оборудования - возможность выполнения ряда операций (резание, очистка, упрочнение, и т.д.);

- низкие температуры ультраструи в зоне резания (мах 70° С);

- скорость резания, сопоставимую с другими физико-техническими методами формообразования;

- высокое качество обработанной поверхности;

- возможность обработки практически всех видов материалов (керамика, композиты, сталь, резина и т.д.)

Значительный вклад в разработку и развитие конструкторско-технологического обеспечения УСТ внесли отечественные и зарубежные ученые: Бабанин В.Ф., Барзов A.A., Барсуков Г.В., Бурнашов М.А., Бреннер В.А., Гуенко B.C., Ерухимович Ю.Е., Кузьмин P.A., Мещеряков A.B., Петухов E.H., Саленко А.Ф., Степанов B.C., Тарасов В.А., Тихомиров P.A., D. Arova, А. Momber, R. Kovacevic и др. В вопросы изучения свойств жидкофазных продуктов, подвергнутых экстремальным энергетическим воздействиям различной природы, эрозии поверхности, влияния ультразвука и кавитации и т.д., внесли свой вклад: Акуличев В.А., Алексеев В.Н., Буланов В.А., Бункин Ф. В., Верещагин А.Л., Давлетшин А.И., Ковалев A.A., Коломенский А. А., Кучкин К.В., Маргулис М.А., Михалевич В. Г., Немчин А.Ф., Brenner М. Р., Hilgenfeldt S., Flynn, Н. G. Анализ их исследований показал перспективность расширения сфер применения комплекса машин, агрегатов и процессов УСО в машиностроительном производстве. В последние годы повысился интерес к данной современной технологии обработки материалов, так число диссертаций за последние десять лет увеличилось почти вдвое. К настоящему времени | сформированы научные школы в области гидроструйной обработки материалов, среди направлений их научных исследований можно выделить следующие: создание оборудования и физико-технологических основ гидроабразивного резания (научная школа Тихомирова P.A., Петухова E.H.), анализ режущих свойств абразива (М. Agus, Петухов E.H.), Оценка и оптимизация процесса гидроабразивной резки (Г АР) по точности и шероховатости (научная школа Степанова Ю.С., Барсукова В.Г.), анализ условий наибольшей производительности гидроабразивного резания (расхода абразива) (научная школа Ерухимовича Ю.Е. Тихомирова P.A.), оптимизация

угла падения абразивно-жидкостной струи на обрабатываемую поверхность (Черепанов Г.П.) и др.

Делаются выводы о том, что основной особенностью гидроструйных технологий ГАР или гидроструйной резки (ГР), является то, что режущий инструмент — компактная высокоскоростная ультраструя (с плотностью мощности ~1 МВт/мм2) формируется непосредственно в процессе обработки гидротехнологическим оборудованием и гибко взаимодействует с материалом заготовки. Функциональные возможности этого инструмента определяются энергетическими характеристиками применяемого оборудования и комплекса массовых и физических параметров, расходуемых материалов: воды и частиц абразива (гидроабразивной суспензии).

Проводится сопоставительный анализ данных, демонстрирующий технологические возможности ГР и ГАР на примере ряда машиностроительных ^^материалов, а также сравнение качества обработанной поверхности у разных ^^современных технологий резания материалов.

Делаются предположения о влиянии нестационарных акустико-волновых процессов при ультраструйном воздействии на материал распространяющихся как в сторону преграды (мишени), так и в сторону специфического режущего инструмента - ультраструи. Данное обстоятельство позволило предположить, что использование выявленных особенностей протекания УСО может лечь в основу двух научных принципов: принцип физико-технологического дуализма ультраструйной обработки, принцип физико-технологического подобия ультраструйного воздействия на поверхностный слой материалов процессам изменения их состояния при эксплуатации.

В заключении главы рассмотрены перспективные направления развития инновационного потенциала ультраструйных гидротехнологий, сформирован общий методический план проведения исследований.

Во второй главе показано, что все традиционные и перспективные УСТ объединяет процесс интенсивной управляемой гидроэрозии поверхностного слоя материала в месте воздействия на него ультраструи жидкости/суспензии и специфические физические процессы в этой зоне.

Рассматривая новые области применения УСТ к которым относится, во-первых ультраструйное суспензирование и активация жидкостей, во-вторых УСД, были сформулированы следующие принципы:

принцип физико-технологического дуализма ультраструйной обработки, ^^ состоящий в инверсии понятий: инструмент-заготовка (обрабатываемый материал-инструмент), согласно этому принципу в процессе ультраструйного взаимодействия изменяются параметры состояния, как материала, так и инструмента, т.е. происходит специфическая обработка жидкости, ее суспензирование; - принцип физико-технологического подобия ультраструйного воздействия на поверхностный слой материалов деталей процессам изменения их состояния при эксплуатации. В связи с этим информативные параметры гидроэрозионного разрушения связаны с физико-механическими

характеристиками материалов, что является основой для их оценки, продления ресурса, обеспечения надежной и безопасной эксплуатации, решения вопросов технологической проработки производства, (рис.1). Для оценки подобия операционной гидротехнологии активации и суспензирования промышленных жидкостей путем их УСО, был предложен комплексный физико-технологический критерий КУС0, описывающий условия протекания большинства формообразующих операционных технологий механической и физико-технической обработки материалов. Данный критерий, характеризует отношение масс и в скрытом (латентном) виде энергий основных элементов технологической системы: инструмент-деталь, участвующих в процессе структуре- и формообразования при выполнении различных технологических операций, например, точения, шлифования и др.

Важно отметить, что при УСО энергетически латентная составляющая в выражении для расчета комплексного физико-технологического критерия присутствует в виде удельного импульса струи.

При^ГУС0«1 мы имеем дело с классическим вариантом гидрорезания/гидроочистки. Если Кусо» 1, т.е. обрабатываемый материал практически не разрушается, то это предельный случай суспензирования и активации промышленных жидкостей. Таким образом, технология активации/суспензирования в особенности для предельного случая использования сверхтвердых мишеней подобна традиционной механической обработке, в частности лезвийному резанию.

В главе отмечается, что важнейшей характеристикой рассматриваемой гидротехнологии получения активированных суспензий является количественная оценка энергетических параметров технологического процесса.

Нестационарные акустако-волновые процессы при ультраструйном воздействии на материал

Рисунок 1. - Основы расширения практического использования комплекса машин и агрегатов гидротехнологического назначения

Делаются выводы, что в результате ультраструйного суспензирования образуется специфическая структура, обладающая всеми признаками классического композиционного материала, находящимся в жидкофазном

состоянии. В результате анализа энергетических превращений при ультраструйном суспензировании определен КПД гидротехнологической установки, который включает в себя энергетические потери в насосах низкого и высокого давления (мультипликаторе или плунжере); в гидропроводных магистралях, а также непосредственно в струеформирующих элементах, в первую очередь в гидросопле.

В главе, на базе обобщенного уравнения энергетического баланса УСО, анализировались основные факторы влияния, имеющие место при ультраструйной обработке.

При УСО происходят многократные и различные по интенсивности процессы превращения кинетической энергии струи в другие виды энергии. Было выделено пять характерных областей энергетических превращений в зоне обработки и проведен их структурный анализ, согласно которому при увеличении кинетической энергии струи обрабатываемой жидкости

С, ! 1 Км \ К-1

Зона 11

Зона IV

Зона V

I

*

К'..

г;

5

к,.

£

ЕШ

ЛЭ, э

5

X

Рисунок 2. - Схема энергетических превращений Данное обстоятельство также теоретически обосновывает перспективу дальнейшего изучения акустико-волнового фактора УСТ. Все пять основных зон энергетических превращений содержат весьма различные, но взаимосвязанные виды энергий: Е - энергия, подводимая к технологической системе от внешних источников с учетом потерь. Ет - тепловая энергия обработанной жидкости; Енп и Есф - соответственно энергии, расходуемые на | образование новых поверхностей, структурные и фазовые превращения. ЕАЭ -энергия акустического излучения - волн упругой деформации; ЕЗМи ~ энергия электромагнитного излучения; Бэээ - энергия экзоэлектронов; Еу -потенциальная энергия упругих деформаций элементов технологической системы не волновой природы, обусловленная действием статической и квазистатической составляющей полей механических напряжений; Епр - прочие виды энергии, которыми в первом приближении можно пренебречь, например вторичными акустическими и энергомагнитными излучениями.

Струя

Мишень

Струя Мишень

■, Струя

Газ

Обработанная жидкость Стерилизация

Суспензия Суспензирование

Газонасыщенная жидкость

Газонасыщение

Ушя ^ Сопло

2/ Струя /

Обработка Суспензия м (жидкость + Г--* Обработанная Модификация

жидкостей

, иастииы мияени) й Мишень

Каверна

Резание материалов Частицы материала

жидкость Загрязнение

Упрочнение Материал

жидкостей

иагностика (металль компзозиты, покрытия)

Струя Датчик

Модификация и обработка материалов

Утилизация

Гравировка

Резание Волны акустической эмиссии (АЭ)

Обработка

I I

Объемное (точение, Листовых материалов фрезерование)

Струя

Очистка

Струя

■м,

Загрязнение

Упрочнение

Струя Г: 5

Упрочненная поверхность

5 - направление подачи сопловой головки гидроструйной установки

Рисунок 3,- Основные области реализации УСТ для модификации жидкостей и

обработки материалов Следует отметить, что согласно предложенному принципу дуализма к перспективным областям применения УСТ относятся гидротехнологии активации, модификации и реновации различных жидкостей, а в соответствии с принципом подобия к ним относится аппарат ультраструйной оценки качества поверхностного слоя деталей. Применительно к значительному числу реально наблюдаемых вариантов термо-силового нагружения конструкционных

материалов можно отметить, что подавляющее большинство изделий машиностроения эксплуатируется в условиях нестационарных механических воздействий при относительно невысоких температурах. Поэтому сверхинтенсивное динамическое и умеренное термическое (0<1ОО'С) воздействие на конструкционный материал в процессе ультраструйного диагностирования (УСД) функционально наиболее близки к реальным условиям эксплуатации целого ряда типовых промышленных объектов в топливно-энергетическом комплексе, атомной энергетике, судостроении на транспорте и т.п. При этом сам процесс является кратковременным, что позволяет говорить об экспрессности метода УСД. В работе методами экспертного оценивания определялось значение инновационно-диагностического потенциала УСД для сравниваемых вариантов контрольно-диагностических физико-технологических воздействий.

• В этом заключаются полифункциональные возможности операционных ультраструйных гидротехнологий, определяющие их инновационный потенциал (рис. 3).

Таким образом, в главе сформированы базовые принципы технологического дуализма ультраструйной обработки и технологического подобия, лежащие в основе научно-методологических подходов по разработке и реализации инновационного потенциала ультраструйных машиностроительных гидротехнологий.

В третьей главе представлены результаты теоретических исследований связанных с вопросами обоснования, анализа и описания физико-технических процессов УСО материалов и жидкостей. Представлена совокупность математических моделей, описывающих взаимодействие ультраструи жидкости с преградами, в том числе: вероятностные и конечно-элементные модели волнового возмущения зоны обработки, модель взаимосвязи энергетических превращений при ультраструйной обработке, аналитические и конечно-элементные модели влияния кинематического (углового) фактора взаимодействия ультраструи с материалом (заготовкой).

Важное внимание при моделировании уделено волновым процессам, которые вносят один из основных вкладов в технологический процесс обработки материалов и жидкостей и выступают в качестве объединяющего _ критерия в принципах подобия и дуализма (см. рис. 1.).

ЧР С целью определения количественно-временных соотношений процесса генерации волн АЭ в зоне ударно-динамического торможения ультраструи жидкости о мишень была проведена процедура имитационного моделирования методом Монте-Карло, позволившая получить импульс волны упругой деформации, имеющий затухающий синусоидальный колебательный характер. Полученная форма функции изменения давления (рис. 4) вполне соответствует результатам реализации процедуры имитационного моделирования, а рассчитанные параметры несут однозначную информацию об интенсивности энергетических превращений в зоне ультраструйного взаимодействия (рис.5).

Результаты расчета частоты колебания давлений в зоне ультраструйного контакта, равные -125 кГц, позволил установить наличие весьма интенсивных низкочастотных ультразвуковых колебаний. При этом, заметим, что частоты ультразвуковых колебаний, при которых используется ультразвуковая кавитация в технологических целях, лежат в области именно этих частот. Ультразвук, действуя на жидкость или ГТС, приводит к изменению ее физико-химических свойств: увеличению pH, электропроводности воды, увеличению числа свободных ионов и активных радикалов, структуризации и активации молекул, стимулированию таких процессов, как гидролиз, окисление, полимеризация, деполимеризация, ускорение реакций и т.д.

На следующем этапе были проведены экспериментальные исследования по изучению динамических и волновых особенностей УСО методом акустической эмиссии (АЭ), в частности более детально исследовались зависимости информативных признаков сигнала от основного технологического параметра обработки - рабочего давления в цилиндре высокого давления мультипликатора.

Было установлено, что в целом, теоретическая зависимость достаточно полно отражает экспоненциальный характер нарастания волнового возмущения зоны обработки - области интенсивного торможения о мишень высокоскоростной струи жидкости при увеличении ее скорости. Об этом свидетельствует большое значение коэффициента корреляции между теоретическими и экспериментальными данными (г=0,89). Кроме того, отмечен рост волнового возмущения зоны обработки, т.е. энергоемкости АЭ при больших рабочих давлениях в системе (см. рис. 6).

а Давление Р, ГПа

1,0 0,8 0,6 0,4 0,2 0

LA

4-, 3

Результаты имитационного моделирования

Л

V^F

■r-.-vy. ■

Результаты расчетов методом конечных элементов

2 8 14 20 26 32 38 44 50

Время t, мкс

Рисунок 4. - Изменение давления от времени взаимодействия ультраструи и

преграды

нт-

1 - ультраструя, 2 - преграда (для улучшения видимости поля давлений в струе

не показана на расчетной схеме), 3 - шкала давления Рисунок 5 - Изменение давления ультраструи в процессе ее взаимодействия с

преградой (мишенью) Таким образом, в результате проведенной процедуры имитационного моделирования и экспериментальных исследований установлено, что энергетические параметры волн АЭ от скорости истечения струи обрабатываемой жидкости из сопла описываются экспоненциальной зависимостью. В связи с этим при высоких значениях давления наблюдается стабилизация АЭ. Сфера практического применения результатов связана с возможностью теоретического экспресс определения параметров гидроструйной обработки, влияющих на эффективность технологического процесса и связанных с интенсивностью энергетических превращений в зоне взаимодействия гидростуи и преграды.

В главе анализируются наиболее характерные варианты взаимодействия ^^ ультраструи жидкости, с поверхностью твердого тела методом конечных элементов. Моделирование позволило выявить закономерности зарождения и развития совокупности волновых процессов в зоне контакта ультраструи и преграды. Расчеты показали, что мощное волновое возмущение зоны ультраструйного контакта, в первую очередь поверхностного слоя твердотельной мишени, является физически естественным механизмом трансформации громадной удельной кинетической энергии ультраструи в другие виды энергий.

Давление, М] 1а

Рисунок 6. — Результаты сопоставительного анализа экспериментальных и теоретических данных о волновых особенностях УСО методом АЭ

Некоторые результаты численного моделирования представлены в виде последовательного развития волновых процессов в материале и на поверхности преграды (рис. 7).

Рисунок 7 - Этапы развития волновых процессов при взаимодействии высокоскоростной ультраструи воды (У=500 м/с) с цилиндрической стальной

преградой

Согласно рис. 7 можно проследить поэтапное возникновение волновых флуктуаций, возникающих при взаимодействии в некоторой достаточно малой области поверхности и/или подповерхностном слое мишени, различных по мощности и типу волн упругой деформации. При этом, следуя данным шкалы распределения напряжений в материале, напряженно-деформированное состояние материала мишени в месте появления волновых флуктуаций достигает максимальных значений. Безусловно, это приводит к изменению структуры материала, в частности локальному пластическому течению, оттеснению поверхностных слоев на периферию области удара ультраструи, формированию микро и субмикротещин, их развитию в течение времени воздействия на преграду (мишень).

Значимый вклад волновых процессов в эффективность УСО доказан по результатам моделирования и экспериментальных исследований (рис. 8). В

• результате изоляции преграды с помощью резины происходит аккумуляции волновой энергии в зоне обработки, сокращается время прорезания, увеличивается глубина гидрокаверны.

Рисунок 8 - Иллюстрация распределения волн упругой деформации (а - жесткое (металлическое) основание, б - резиновое основание) Таким образом, полученные результаты математического моделирования и экспериментального изучения специфики взаимодействия ультраструи жидкости с преградой показали наличие достаточно выраженной

Относительный уровень сигнала АЭ (металлическое основание)

Отн. ед. .........................................................

Время

Относительная глубина гидрокаверны

Относительная глубина гидрокаверны

-10 мкм

Относительный уровень сигнала АЭ (резиновое основание)

волновой нестационарности энергетических превращений в зоне обработки при осуществлении ультраструйных операционных технологий.

В главе четыре приводятся результаты экспериментального исследования влияния УСО на параметры и свойства ГТС различного производственного назначения на основе принципа физико-технологического дуализма. Показано, что УСО повышает эксплуатационные характеристики промышленных ГТС и другие потребительские свойства обрабатываемых жидкофазных систем. Рассматривается возможность применения УСО для решения гидроэкологических задач утилизации и реновации промышленных жидкостей и ГТС. Также рассматривается решение проблемы экспресс оценки производительности ультраструйной активации/суспензирования с помощью метода акустической эмиссии. Предложенное информационно-методическое обеспечение позволят в режиме реального времени оценить насыщенность жидкости элементами материала мишени при воздействии на нее ультраструей воды (рис. 9).

демпфер пульсации трубопровод высокого давления

подкачивающий насос

обрабатываемая мишень

компьютер

акустическая система "Малахит АС - 15А>2"

рдг[ - другие возможные места установки пьезодатчиков

Рисунок 9.- Схема по использованию акустической системы для определения параметров процесса активации/суспензирования промышленных

жидкостей

Для оценки возможностей выбора рациональных режимов и определения параметров УСО промышленных жидкостей методом АЭ были проведены эксперименты по получению суспензий на основе мишеней, изготовленных из химически чистого серебра и меди. В качестве инструментально фиксируемых

18

параметров суспензирования определялись: унос массы материала мишени, форма, размеры и распределение частиц твердой фазы, образующихся при гидродиспергировании мишеней, относительные значения АЭ, температура ГТС. Коэффициенты корреляции между данными параметрами составили значение более 0,9.

Таким образом, в результате экспериментов были установлены физически обусловленные прямые и обратные связи между волнами упругих деформаций и физико-химическими процессами суспензирования. При этом был предложен удельный физико-технологический критерий, связывающий совокупность процессов различной физической природы в зоне взаимодействия ультраструи и мишени с выходными параметрами обработки, в частности массой унесенного материала или его объемом.

0 5000 10000 15000 20000 25000 30000 35000 40000 45000

Площади частиц, мкм2

Рисунок 10. - Типовые распределения частиц серебра (а) и меди (б) различных фракций в зависимости от их площади

Дальнейшее расширение практических возможностей метода АЭ может быть также направлено на решение вопросов диагностики машин и агрегатов ^кходящих в комплекс гидротехнологического оборудования. В заключение ^^лавы представлены результаты системного анализа взаимосвязи совокупности выявленных параметров У СО. Показано, что лишь около 40% из них установлены в настоящее время, что говорит о существовании предпосылок для развития, совершенствования, а также нахождения новых областей применения и расширения сферы традиционной реализации обработки материалов и жидкостей с использованием высокоскоростных гидроструй.

Пятая глава рассматривает инновационные направления развития УСТ в области разработки основных принципов ультраструйной операционной технологии оценки физико-механических характеристик поверхностного слоя

материалов, машин и агрегатов на основе принципа физико-технологического подобия. Сформулирован физико-технологический принцип подобия УСД процессу усталостного разрушения материала конструкции, позволяющий путем анализа параметров гидроэрозии получать информацию о его эксплуатационно-технологических и физико-механических характеристиках, в целях обеспечения надежной и безопасной эксплуатации, продления ресурса, на этапе технологической подготовки производства в частности: поврежденности, твердости, напряженно-деформированном состоянии и др.

1 -гидросопло;

2-ультраструя;

3-гидрокверна;

4-спрееобразование;

5-частицы мат ериала; /г-высота валика пластического оттеснения; к, п - глубина и ширина гидрокаверны

1-место удара ульграсгруи (2);

3-поверхность объекта диагностики;

4-волны акустической эмиссии (АЭ);

5-гидросопло; 6-пьезопреобразователь; 7-частицы материала; 9-процесс трещинообразования; 10-внутренние дефекты материала.

6

1к измерительной, л аппаратуре "

Рисунок 11.- Принципиальная схема УСД (а), схема измерения акустической эмиссии в процессе УСД (б) Анализируются потенциальные возможности и области применения УСД, приведены результаты экспериментальных исследований на примере различных материалов и изделий машиностроения. Суть УСД состоит в том, что при воздействии на определенные участки поверхности контролируемого (диагностируемого) объекта жидкостной или абразивно-жидкостной струи, могут быть оценены параметры этого воздействия (геометрические характеристики гидрокаверны, продукты гидроэрозии, структура материала и до.). Далее, сравниваются полученные результаты с исходными данными по идентичному струйному воздействию на образцы аналогичного конструкционного материала с известными физико-механическими свойствами | (эталона). По разнице результатов этих воздействий (диагностического и эталонного) можно судить о физико-механическом состоянии поверхностных и/или подповерхностных слоев материала машин и агрегатов, элемента конструкции, серийной детали, лабораторного образца и др. В качестве эталона сравнения можно использовать априори наиболее качественные (менее дефектные, с большим остаточным ресурсом) участки самой диагностируемой конструкции, в частности, её наименее нагруженные зоны, элементы и т.д. В машиностроительном производстве УСД может результативно применяться параллельно с существующими методами диагностики, например методом

акустической эмиссии (АЭ) с целью повышения достоверности получаемой технологической информации.

Приведем некоторые характерные примеры возможностей УСД, по оценке физико-механических характеристик материалов и деталей.

1. Экспресс-оценка эффективности химико-термической обработки, повышающей эксплуатационные характеристики поверхностного слоя деталей за счет увеличения твердости, улучшения структуры и т.д.

В экспериментах проводилась УСД поверхности (до и после химико-термического упрочнения (цементации)) шестерни коробки двигательных агрегатов типового газотурбинного двигателя, изготовленного из стали 16ХЗМВФАБ-Ш. Анализ геометрических параметров гидрокаверн на поверхности неупрочненной и цементированной детали проводился с ^^использованием профилографа-профилометра. На профилограмме ^^неупрочненной детали отмечается ярко выраженная гидрокаверна, а параметры гидрокаверны упрочненной детали лежат в пределах шероховатости самой шестерни.

Рисунок 12,- Результаты УСД материала (а) и лопатки (б) после огневых

испытаний

2. Экспресс диагностика образца материала марки ХН52МВБКТЮ в состоянии поставки на предприятие и лопатки газотурбинного двигателя изготовленного из того же материала, прошедшей огневые испытания. В результате УСД, были измерены параметры гидрокаверны, представленные на рис. 12. Результаты показали, что часть лопатки газотурбинного двигателя,

21

подверженная огневому воздействию, имеет максимальную глубину гидрокаверны, что соответствует сути предлагаемого метода диагностики.

3. Оценка эксплуатационно-технологических свойств материалов по данным исследования геометрических характеристик гидрокаверны, полученной при УСД на образцах, прошедших пяти, десяти и пятнадцати часовое азотирование (рис. 13). В результате изучения гидрокаверн на поверхности образцов, подвергнутых гидроэрозионному воздействию были сделаны выводы о том, что в качестве критериев диагностирования может выступать как глубина и ширина каверны, так и ее площадь (см. рис. 13).

Сравнительный анализ результатов изучения геометрических параметров гидрокаверн образцов с характеристиками глубины азотированного слоя и числом циклов до разрушения позволили установить значение тройственной корреляции (0,973). .

4. Оценка твердости образцов методом УСД на примере исследования разнотвердых образцов изготовленных из сплава 37Х2НВМБР (КВК 37) и прошедших различную термическую обработку. В результате измерения глубины гидрокаверн, полученных на профилографе-профилометре была зафиксирована характерная зависимость ее уменьшения с увеличением твердости образца, что вызвано ростом стойкости к индентированию и снижением скорости гидроэрозии (рис. 14).

300

О 1

10 15

В!

о ч

о

сз 2

® ё К 2

в

200

100

Азотированный образец 5 часов 10 часов 15 часов Неазотированный образец

Площадь сечения гидрокаверны, мкм2 356954 330214 305515 364342

Число циклов до разрушения 25863 28956 33050 15320

Рисунок 13.- Образцы подвергшиеся азотированию после УСД (а) и кинетика роста азотированного слоя (б)

Таким образом, можно сформировать обобщенную инженерную методику УСД, которая учитывает следующие основные этапы:

1. На поверхность объекта контроля оказывается гидроструйное воздействие, вызывающее гидроэрозию поверхности при определенных режимах: заданном рабочем давление струи, её диаметре, рациональной кинематике движения по диагностируемой поверхности т.д.

22

2. Параметры гидроэрозии сравниваются с эталонными характеристиками и/или между собой на различных участках поверхности.

3. По полученной разнице результатов сравнений (абсолютной и/или относительной) судят о качестве (остаточном ресурсе, физико-механических свойствах) контролируемого участка (участков) поверхности и о текущем и/или прогнозном состоянии объекта в целом.

Твердость, HRC Закалка Отпуск

54,0 54,0 54,0 950°С, 30 мин, охлаждение в воде без отпуска

50,5 50,5 50,5 950°С, 30 мин, охлаждение в воде низкий отпуск (180°С, 2 часа охлаждение на воздухе)

43,0 43,0 43,0 950°С, 30 мин, охлаждение в воде отпуск (540°С, 1 час, охлаждение на воздухе)

//„ мкм

V -РИ дрокан ерна

Твердость, Глубина гидрокаверны,

№ HRC мкм

1 54,0 8,1

2 50,5 16,5

3 43,0 23,2

Рисунок 14. - Зависимость глубины гидрокаверны К от твердости образцов и их режимов термообработки

Кроме того, было установлено, что метод УСД является эффективным для оценки качества неметаллических материалов, в частности композиционной конструкционной керамики (КК). Исследования показали высокую эффективность применения УСД КК в сочетание с измерением сигнала АЭ на образце. Расчеты коэффициента корреляции между значениями уноса массы и энергией электрического сигнала АЭ «MARSE» (Measured ared of the rectified signal envelope) позволили установить значение r=0,95, демонстрирующее фективность предложенного способа диагностики баллистических арактеристик. Полученные данные были полностью согласованы с результатами испытаний с применением твердотельного высокоскоростного сердечника. Особый эффект от применения УСД был отмечен на этапе отработки технологии получения КК. Предложенный метод УСД позволил достаточно оперативно и в лабораторных условиях установить оптимальное процентное содержание нанопорошка бемита в общей массе оксида алюминия, используемого для повышения динамической прочности КК.

Было доказано, что метод УСД может выступать, как альтернатива существующему методу динамических баллистических испытаний на

23

основании сопоставительного анализа морфологии поверхности образцов из КК. Целью этих исследований было установление соответствия между микро морфологией поверхности КК на сколах, полученных в результате воздействия высокоскоростной струи жидкости (УСД), изломов, полученных после разрушения под действием статической изгибной нагрузки и удара твердотельного металлического сердечника (образец 3).

№ п.п. Состав КК Масса (тГ), теряемая образцом при ультраструйной обработке, на 1 мм длины реза, г/мм Уровень сигнала АЭ, отн. ед.

1 А1203 0,0075 2,12 360

2 А1203+5% модификата (нанопорошок А12Оэ) 0,0065 2,19 335

3 А120з+1%ТТО2+0,5 %МеО 0,0148 1,83 440

Рисунок 15.- Результаты оценки эксплуатационных характеристик КК при

совместном использовании методов УСД и АЭ

В заключение главы отмечено, что реализация инженерной методики УСД обеспечивает необходимую информативность и производительность осуществления процедуры экспресс-оценки качества упрочнения поверхности, определения уровня остаточных напряжений в детали, а также прогнозирования ресурса объекта (детали) в целом.

Шестая глава посвящена вопросам анализа перспектив развития _ результатов диссертационного исследования. Направления научного поискаЩ базируются на основе традиционной технологии ГАР и сформулированных научных принципов физико-технологического подобия и дуализма и затрагивают вопросы: оптимизации технологических параметров ультраструйной обработки, совершенствование технологического обеспечения УСТ, УСД износостойких покрытий машин и агрегатов.

В главе рассматривается решение проблемы повышении технико-экономической эффективности гидроабразивного резания материалов путем оптимизации технологических параметров обработки на базе построения и

анализа математической модели удельной технологической себестоимости процесса формообразования. Созданное методическое обеспечение оптимизации технологических параметров ГАР позволяет снизить удельную технологическую себестоимость раскроя листовых материалов на предприятиях машиностроительного комплекса, повысить производительность машин, агрегатов и процессов, оценить их экономическую эффективность и ресурс. Анализ структуры затрат на обслуживание машин и агрегатов входящих в комплекс гидроструйного оборудования ведущих фирм мира КМТ Waterjet и Flow Systems показал существенную значимость расходов на гранатовый абразив и струеформирующие сопловые элементы составляющих -75% от общей величины затрат. Это обстоятельство показало, что оптимизация расходов на абразивный материал является важнейшим резервом повышения технико-экономической эффективности технологии ГАР. ^Исследование массопереноса и энергетических превращений в процессе ГАР ^позволило доказать несовпадение оптимальных значений концентрации абразива в абразивно-жидкостной струе, соответствующих наибольшей производительности и наименьшей технологической себестоимости гидроабразивной резки листовых материалов и конструкций. На основе анализа общей структуры затрат на ГАР, было получено математическое выражение для удельной технологической себестоимости ГАР листовых материалов и конструкций как функции от стоимостных и технологических параметров процесса, которое выступает в качестве целевой функции при оптимизации режимов обработки. В табл. 2 представлены сопоставительные данные об оптимальной концентрации абразива в абразивно-жидкостной струе, обеспечивающей минимум технологической себестоимости ГАР.

Таблица 2- Результаты оценки параметров закона эрозии обрабатываемых

материалов и технологические режимы при гидроабразивной обработке

Материал Скорость подачи, S, мм/с Расход абразива (теоретичес кий расчет), с0[„, кг/мин Рекомендации ООО «Старт-PJI» по расходу абразива, кг/мин Рекомендации фирмы KMT WaterJet по расходу абразива, кг/мин ►в р о X о

Сталь 45 2 0,188 0,2...0,25 0,22 п>

Сплав ВТ-4 2 0,178 0,2 0,2 s о

Шплав АМгб 5 0,148 - 0,125 1 ю

Стеклопластик 20 0,075 0,1 0,13 о ÎS

Текстолит 40 0,186 - -

Полиуретан 40 0,098 0,1...0,15 -

Предварительные расчеты показали, что в случае использования данных об оптимальном расходе абразива в процессе гидроабразивной резки материалов при загрузке гидрорежущего оборудования в течение рабочей смены (пять дней в неделю), экономия абразивного материала может составить до 500 кг в месяц или 300 у.е.__

Ст45

Резина СКС-30

Рисунок 16.- Образцы после ГАР при различных концентрациях абразива (а-100 г/мин; б -550 г/мин; промежуточное значение - copt)

Кроме того, был установлен характер изнашивания струеформирующего сопла и показан пропорциональный характер связи интенсивностей эрозионного изнашивания обрабатываемого материала Jom и материала^ струеформирующего сопла Jch с концентрацией абразива с. При этом, для различных исследуемых материалов, коэффициент корреляции между JCH и J0m составил значение г=0,95-0,97.

С другой стороны анализ показал, что одним из основных параметров, существенно влияющих на результативность всех видов УСТ, является кинематический фактор (КФ), определяющий взаиморасположение ультраструи жидкости к нормали поверхности обрабатываемого изделия в месте их ударно-динамического взаимодействия. Однако применительно к проблематике УСТ, и в частности для ГАР/ГР, данный фактор подробно теоретически не исследовался.

С учетом полученных теоретических уравнений, описывающих изменение скорости гидроабразивного потока в глубине разрезаемой заготовки, и выполнив численное решение задачи определения влияния КФ, оценено его влияние на процесс формирования профиля реза струей жидкости, определены координаты точек профиля реза.

Проведенный анализ показал, что КФ оказывает существенное влияние не только на эффективность гидрорезания, но и на технологию ультраструйной очистки материалов, что было подтверждено в результате моделирования динамического взаимодействия струи жидкости и многослойной преграды с использованием аппарата механики сплошной среды. ^

Принцип физико-технологического дуализма получил практическое развитие в разработке конструктивных и технологических решений в соответствии с требованиями снижения себестоимости обработки промышленных жидкостей, повышения надежности и долговечности, производительности обработки.

Проведенный поиск конструкторско-технологических решений, ориентированных на создание эффективных устройств для ультраструйного суспензирования/активации промышленных жидкостей показал, что

перспективным является конструкторское решение на основе эффекта действия центробежных сил, проявляющихся при высокоскоростном вращении дисков (роторов) внутренняя полость которых заполнена рабочей жидкостью. В результате этого была предложена роторно-струйная схема обработки жидкостей (рис. 17), которая лишена основных недостатков традиционных машин и агрегатов, используемых для получения микросуспензий в экспериментальных целях.

Рисунок 17. - Схема роторно-струйной обработки жидкости (а) и варианты реализации конструкций гидророторов барабанного и трубчатого типов с различным расположением сопел (б) Принцип физико-технологического подобия получил практическое развитие в разработке метода УСД износостойких покрытий, которые в независимости от их физической природы и области применение, нуждаются в ^к}формационно-диагностическом сопровождении. Была реализована методика ^ТСД на образцах прошедших усталостные испытания и имеющих покрытия на основе ПЫ и НОМ, нанесенные на подложку из стали 08Х18Н10 методом ионно-плазменного осаждения. Обработка данных экспериментов показала, что растрескивание и отслоение нанесенного покрытия от подложки было наиболее характерно выражено в месте сосредоточения наибольших напряжений возникших в процессе усталостных испытаний.

Самостоятельный интерес представляет сравнение данных морфологии поверхности покрытий с результатами измерения глубины гидрокаверн после УСД. С увеличением числа циклов с 40000 до 60000 уменьшается глубина

гидрокаверны в связи с выработкой пластичности материала и повышением твердости. При этом с приближением к точке максимальных напряжений глубина уменьшается интенсивнее. Характер этих изменений соответствует зависимости глубины гидрокаверны от числа циклов нагружения для образцов без покрытия. Однако для 80000 циклов в той же зоне наблюдается увеличение глубины. Это связано с ухудшением адгезии частиц покрытия, их растрескиванием, образованием более мелких фрагментов. При взаимодействии с высокоскоростной струей жидкости частицы покрытия выступают в роли своеобразного абразивного материала, лежащего на поверхности образца. По сути это приводит к эффекту воздействия на поверхность высокотвердых инденторов, внедряющихся в материал подложки и увеличивающих глубину гидрокаверны.

Таким образом, базовые принципы физико-технологического подобия и дуализма могут быть взяты за основу при реализации смежных ультраструйных( технологий, при этом развитие традиционной УСТ лежит в плоскости повышения качества, производительности обработки и снижения технико-экономических затрат на ее реализацию. В заключение отметим, что при реализации УСТ проявляется универсальность аппарата данной технологии, ее функционально-технологическая гибкость и перспективность использования для решения различных задач машиностроения.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

1. Предложена и проанализирована структура энергетических превращений в зоне взаимодействия ультраструи жидкости с твердотельной мишенью. Показано, что физическая основа данного взаимодействия позволяет существенно расширить области практического применения машин и агрегатов, применяемых в настоящее время для реализации процессов гидрорезания/гидроочистки материалов в машиностроении;

2. Сформулирован принцип технологического дуализма ультраструйной обработки. Согласно этому принципу в процессе ультраструйного взаимодействия сверхскоростной струи жидкости с твердотельной мишенью в последней происходит изменение функционально-технологических свойств, обусловленное ударно-волновым фактором обработки. Это обстоятельство позволило предложить новую операционную гидротехнологию по активации/суспензированию промышленных жидкостей. *

3. В результате анализа результатов моделирования взаимосвязи" энергетических превращений, данных конечно-элементного моделирования и экспериментального изучения процесса УСО установлено:

— активное влияние волновых процессов на производительность обработки материала и жидкостей;

— наличие ультразвуковых колебаний в зоне контакта ультраструи с мишеннью (-125 кГц);

— влияние кинематического (углового) фактора взаимодействия ультраструи с материалом на эффективность УСО;

- наличие прямоиропорциональной связи между интенсивностями гидроэрозионного разрушения обрабатываемого материала и струеформирующих элементов технологического оборудования;

4. Исходя из анализа особенностей гидроэрозионного разрушения обрабатываемой заготовки ультраструей жидкости сформулирован принцип технологического подобия данного механизма процессу усталостного разрушения материала конструкции при эксплуатации. Это положение позволяет путем анализа параметров гидроразрушения материала получать информацию о его эксплуатационно-технологических и физико-механических характеристиках, в целях обеспечения надежной и безопасной эксплуатации, продления ресурса, на этапе технологической подготовки производства в частности: поврежденности, твердости, напряженно-деформированном состоянии и др.

4M. Результаты выполненных исследований прошли комплексную научно-практическую апробацию в ряде организаций, специализирующихся в области ультраструйных гидротехнологий в виде:

- инженерной методики УСД различных машиностроительных материалов;

- методики и программы расчета удельной технологической себестоимости процесса ультраструйной обработки материалов.

6. Намечены перспективы дальнейшего развития результатов исследований, основными из которых являются следующие:

- реализация конструкторско-технологических решений для ультраструйного суспензирования/активации промышленных жидкостей;

- совершенствания методики УСД износостойких покрытий

Основные положения диссертации отражены в работах: Монографии

1. Балашов O.E., Барзов A.A., Галиновский A.JI., Литвин Н.К., Сысоев H.H., Шашурин В.Д. Ультраструйная технология получения микросуспензий.- М.: МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2011.-352 с.

2. Барзов A.A., Галиновский А.Л. Технология ультраструйной обработки и диагностики материалов,- М.: МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2009.-246 с.

3. Барзов A.A., Галиновский А.Л., Пузаков B.C. Технологии ультраструйных жидкостей и суспензий.- М.: МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2009.-250 с.

Барзов A.A., Галиновский А.Л., Долгушин Н.В. Обеспечение промышленной безопасности методом ультраструйной диагностики - М.: Издательство МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2009.-36

5. Барзов A.A., Галиновский А.Л., Пузаков B.C., Сидельников К.Е. Ультраструйная технология активации жидкостей.- М. Машиностроение -1.2006.-93 с.

6. Барзов A.A., Галиновский А.Л., Пузаков B.C., Трощий O.A. Вероятностное моделирование в инновационных технологиях.- М.: Изд-во «НТ», 2006.-100 с.

Публикации в научных изданиях. Рекомендованных ВАК РФ

7. Тарасов В.А., Галиновский А.Л., Елфимов В.М. Эрозионное изнашивание обрабатываемой поверхности при циклическом нагружении потоком абразивных частиц//Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. Специальный выпуск.-2008.-М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана.-С.163-174.

8. Барзов A.A., Галиновский А.Л., Сальников С.К. Анализ влияния и оптимизации кинематического фактора ультраструйной обработки//Вестник ИжГТУ.-2008.-№3(39)/2008.- С. 4-6.

9. Галиновский А.Л., Елфимов В.М. Оценка технико-экономической оптимизации технологии гидроабразивного резания конструкционных материалов//Вестник МГИУ..-№2.-2008.-М.: Изд-во МГИУ.-С.20-29.

10.Галиновский А. Л., Елфимов В.М. Научно-методическое обеспечение технологических параметров гидроабразивной обработки конструкционных материалов//Оборонная техника.-2008.-№6.- С. 49-54. л

11 .Галиновский А.Л. Анализ инновационного потенциала ультраструйных технологий в оборонных отраслях промышленности//Оборонная техника,-2008.-№6.- с. 54-59.

12.Барзов A.A., Галиновский А.Л., Пузаков B.C. Инверсия технологических понятий: «инструмент» - «заготовка» при ультраструйной обработке материалов и жидкостей//Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. Серия машиностроение.-2009.-М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана.-С.72-83.

13.Барзов A.A., Галиновский А.Л. Полифункциональные возможности ультраструйной технологии обработки материалов и жидкостей//Вестник УГАТУ. Машиностроение.-2009.-т. 12, 4 (ЗЗ).-Уфа: УГАТУ.-С.116-120

14.Барзов A.A., Галиновский А.Л., Кузнецов И.Е. Области применения ультраструйной диагностики и контроля качества изделий/ЛЗестник УГАТУ. Машиностроение.-2009.-т.12, 4 (ЗЗ).-Уфа: УГАТУ .-С. 121-126

15.Галиновский А.Л., Елфимов В.М., Пономарев К.А. Повышение технико-экономической эффективности функционирования гидрорежущего оборудования/ЛЗестник КГУ им. H.A. Некрасова.-2009.-т. 15.-Кострома: ЮГУ им. H.A. Некрасова.-С.26-28.

16.Барзов A.A., Галиновский А.Л., Сальников С.К., Елфимов В.М. Повышение результативности ультраструйной обработки путем оптимизации кинематического фактораУ/Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. Специальный выпуск.-2010.-М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана.-С.217-229. |

17.Барзов А. А., Галиновский А. Л., Елагина О.Ю., Жигарев Г.А* Функционально-диагностические возможности ультраструйных гидротехнологий в обеспечении промышленной безопасности объектов ТЭК//Управление качеством в нефтегазовом комплексе.-№3-2010.-М.: Изд-во «Нефть и газ».-С.41-46.

18.Барзов A.A., Галиновский А.Л., Елагина О.Ю. Анализ возможностей применения ультраструйного диагностирования для обеспечения промышленной безопасности/ХМашиностроение и инженерное образование.-№ 1 (22).-2010.-М.: Изд-во МГИУ.-С.9-15.

19.Абашин М.И., Барзов A.A., Галиновский A.JL, Шутеев В.А. Ультраструйная экспресс-диагностика материалов и изделий машиностроения//Научно-технические ведомости СПбГГТУ.- 2(123).- 2011.-Санкт-Петербург: Изд-во СПбГПУ,- С.141-147.

20.Барзов A.A., Галиновский A.JL, Елфимов В.М., Сальников С.К. Анализ влияния кинематического фактора ультраструи на эффективность гидрообработки материалов//Научно-технические ведомости СП6ГПУ.-2-2(100).-2010,- Санкт-Петербург: Изд-во СПбГПУ.-С.115-124.

21.Тарасов В.А., Галиновский A.JI., Елфимов В.М. Минимизация технологической себестоимости гидроабразивного резания с учетом стоимостных и технологических параметров процесса обработки//Известия высших учебных заведений «Машиностроение».- №4.-2011,- С. 46-54.

22.Беспалов И.В., Галиновский A.JL, Муляр С.Г. Сравнительный анализ двух

»экспресс-методик оценки баллистических свойств керамических материалов//Фундаментальные и прикладные проблемы техники и технологии.- 4/3 (288).-2011.- Орел: Изд-во «Госуниверситет-УНПК»,-С. 139-144.

23.Абашин М.И., Галиновский A.JL, Хафизов М.В. Возможности экспресс-оценки информационно-диагностических параметров изделий ультраструйным методом//Фундаментальные и прикладные проблемы техники и технологии.- 4/3 (288).-2011.-Орел: Изд-во «Госуниверситет-УНПК»,- С. 128-134.

24.Абашин М.И., Галиновский A.JL, Сгибнев A.B. Технологическое обеспечение процедуры ускоренного определения параметров качества поверхностного слоя материала изделий ракетно-космической техники. Известия высших учебных заведений. Машиностроение,- № 3. 2013- С. 7379

25.Галиновский A.JL, Проваторов A.C., Хафизов М.В. Экспресс-выбор рациональных режимов гидроабразивной обработки материалов с использованием акустической эмиссии//Известия высших учебных заведений. Машиностроение,- № 3,- 2013- С. 56-61

26.Судник Л.В., Галиновский А.Л., Колпаков В.И., Хафизов М.В., Муляр С.Г., Сайфутдинов P.P. Формирование и ультраструйная диагностика спеченного материала из наноразмерного порошка бемита.- Наноинженерия № 1. -

| 2013.-С. 26-31.

™7.Судник Л.В., Галиновский А.Л., Абашин М.И. Определение твердости и стойкости к истиранию стальных образцов ультраструйным методом. Известия высших учебных заведений. Машиностроение.- № 9. - 2013.-С. 37-43.

28.Галиновский А.Л., Муляр С.Г., Хафизов М.В. К вопросу об оценке качества керамических композиционных материалов//Известия высших учебных заведений. Машиностроение.- JVb 9.- 2012- С. 35-40.

29.Галиновский A.JI., Абашин М.И., Барзов A.A. Факторная модель ультраструйной гндроэрозии//Известия высших учебных заведений. Машиностроение,- № 10 - 2012- С. 63-68.

30. Галиновский А.Л., Абашин М.И., Барзов A.A., Литвин Н.К. Ультраструйное микросуспензирование жидкостей и гидротехнологических сред//Фундаментальные и прикладные проблемы техники и технологии.-№2-3(292).-С,3-8

Учебные пособия

1. Галиновский А.Л., Гуревский A.B., Елфимов В.М. Технологии гидроструйной и гидроабразивной обработки материалов в современном машиностроении.- М.: Издательство МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2009.-36 с.

2. Галиновский А.Л., Гуревский A.B., Жигарев Г.А. Ультраструйная и лазерная технологии ракетно-космического машиностроения. Учебное^ пособие. М.: МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2010,- 35 с.

3. Абашин М.И., Галиновский А.Л., Беспалов И.А., Колпаков В.И., Муляр С.Г. Моделирование быстротекущих процессов в среде Ansys AutoDYN 12.1. Учебное пособие. М.: МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2011,- 29 с.

4. Абашин М.И., Галиновский А.Л., Колпаков В.И., Муляр С.Г., Хафизов М.В. Анализ гидрофизических процессов и их возможностей при ультраструйной обработке материалов PKT. Учебное пособие. М.: МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2011,- 29 с.

Патенты на изобретения

5. Патент РФ №2270717-С2. Способ обработки жидкости/О.Е. Балашов, A.A. Барзов, А.Л. Галиновский, H.H. Сысоев.- 0публ.27.02.06. Бюл. №6.-9 с.

6. Патент РФ №2009113198/15(017951). Способ получения суспензий/ O.E. Балашов, A.A. Барзов, А.Л. Галиновский, Н.К. Литвин, Е.И. Мельникова, H.H. Сысоев,- Опубл. 09.04.2009. Бюл. №15.-9 с.

7. Патент РФ №2006127269/15(029633).Способ приготовления суспензии/ O.E. Балашов, A.A. Барзов, А.Л. Галиновский, Н.К. Литвин, H.H. Сысоев.-Опубл. 15.03.2010. Бюл. №15.-9 с.

Тезисы докладов

8. Барзов A.A., Галиновский А.Л., Пузаков B.C. Экологические возможности инновационный потенциал ультраструйной технологии обработки жидкостей//Материалы Международной научной конференции «Татищевские чтения: актуальные проблемы науки и практики». Тольятти: Волжский университет им. В.Н. Татищева, 2005.- С. 76-84.

9. Барзов A.A., Галиновский А.Л., Пузаков B.C. Диагностика технологического оборудования и процесса ультраструйной обработки материалов методом акустической эмиссии//Материалы 5-й международной научно-технической конференции, 19-21 октября 2005 г. Брянск.: Изд-во БГТУ, 2005.-С. 225-226.

Ю.Барзов A.A., Галиновский A.JI., Пузаков B.C. Перспективы применения ультраструйной технологии в производстве ГТД//Вестник Рыбинской государственной авиационной технологической академии имени П.А. Соловьева: Сборник научных трудов.-Рыбинск, 2007.-№1(11).-С.127-130.

11.Галиновский А.Л. Имитационное моделирование и экспериментальное изучение факторов ультраструйной обработки//Компьютерная интеграция производства и ИПИ-технологии/Сборник материалов всероссийской научно-практической конференции.- Оренбург: ИПК ГОУ ОГУ, 2007.-С.216-220.

12.Барзов A.A., Галиновский А.Л., Пузаков B.C., Сидельников К.Е. Ультраструйная технология получения наносуспензий//От наноструктур, наноматериалов и нанотехнологии к наноиндустрии.: Всероссийская конференция с международным Интернет-участием. Ижевск, 27-28 июня,

« 2007,-Ижевск.: Изд-во ИПМ УрО РАН, 2007.-С.17

З.Барзов A.A., Сальников C.B., Галиновский А.Л. Кинематический фактор ультраструйной обработки материалов и жидкостей//Актуальные проблемы развития отечественной космонавтики: Труды XXXII академических чтений по космонавтике. Москва, январь 2008 г./Ответственный редактор А.К. Медведева М.: Комиссия РАН, 2008,- С. 514-515.

Н.Галиновский А.Л., Елфимов В.М. Особенности построения модели технико-экономической оптимизации технологии гидроабразивного резания// Проблемы качества машин и их конкурентоспособности: материалы 6-й международной научно-технической конференции. Под общ. ред. А.Г. Суслова,- Брянск: БГТУ, 2008.-С. 283-284.

15.Балашов O.E., Галиновский А.Л., Елфимов В.М., Мельникова И.И. Свойства жидкофазных сред после ультраструйного микродиспергирования//Сборник докладов международной конференции «Вопросы инженерной нанотехнологии».-Москва, 2008.-С. 129-130.

16.Галиновский А.Л. Инверсия технологических понятий в ультраструйной технологии//Актуальные проблемы российской космонавтики: Труды XXXIII академических чтений по космонавтике. Москва, январь 2009 г. -М.: Комиссия РАН, 2008,- С. 513-514.

17.Галиновский А.Л., Жигарев Р.В., Абашин М.И. Усталостно-волновой фактор ультраструйных гидротехнологий/Второй международный семинар

• «Гидроструйные технологии - оборудование и опыт применения». Москва, 3-4 июня 2009 г.-М.: МИСиС, 2009.-С.14-15

18.Барзов A.A., Галиновский А.Л., Пономарев К. А. Ультраструйная технология получения гидротехнологических сред с микро- и наноструктурой/Первая всероссийская конференция «Проблемы механики и акустики сред с микро- и наноструктурой: НАНОМЕХ - 2009.- Москва, 2123 сентября 2009 г.- Нижний Новгород, 2009.-С.17-18.

19. Диагностика потенциально опасных объектов ультраструйным методом//Актуальные проблемы развития отечественной космонавтики: Труды XXXIV академических чтений по космонавтике. Москва, январь

2010 г./Под общей редакцией А.К. Медведевой М.: Комиссия РАН, 2010.- С. 566-567.

20.Галииовский A.JL, Абашии М.И. Гидрорезание как аппарат ультраструйной диагностики ракетно-космических изделий/Производственная инфраструктура: экономические, технико-технологические, организационно-управленческие и информационные аспекты. Материалы Всероссийской научно-практической конференции (Кострома, 27-28 мая

2011 г.).-Кострома: КГУ им. H.A. Некрасова.-2011,- С.115-120.

21.Галиновский A.JL, Елфимов В.М., Кузнецов И.Е., Ревич Ю.И. Программно-математическое обеспечение процедуры оптимизации технологической себестоимости гидроабразивного резания/Материалы Всероссийской научно-практической конференции (г. Ишинбай 12-14 мая 2011 г).-Уфа: УГАТУ, 2011.-145 с.

22.Абашин М.И., Балашов O.E., Галиновский A.JL, Литвин Н.К., Новожилов! С.А. Ультраструйная гидротехнология получения активированных микро и нано суспензий/Тезисы докладов международной конференции Модернизация и инновации в авиации и космонавтике.- М.: Изд-во МАИ-ПРИНТ, 2011, С. 222-227.

23.Шутеев В.А., Галиновский А.Л. Использование технологии мультиагентных систем для решения задачи поиска экономически оптимального режима резания материалов/Сборник трудов шестой Всероссийской зимней школы-семинара аспирантов и молодых ученых «Актуальные проблемы науки и техники».-Уфа 2011.-С.116-120.

24.Барзов A.A., Галиновский А.Л., Жигарев Г.А., Муляр С.Г., Сайфутдинов P.P. Ультраструйная экспресс диагностика конструкционной керамики//Сборник тезисов докладов, XIII Харитоновские чтения, Саров, 2011.-С. 288-290.

Препринты

25.Абашин М.И. Барзов A.A., Галиновский А.Л., Казакова О.И., Ковалев A.A., Колпаков В.И., Муляр С.Г., Новожилов С.А., Сысоев H.H. Численное моделирование гидрофизических процессов в хоне ударно-динамического взаимодействия ультраструи жидкости с твердотельной мишенью. Препринт №4/2011. Изд-во: МГУ им. М.В. Ломоносова, 2011.- 3 5 с.

26.Галиновский А.Л., Елфимов В.М., Сальников С.К., Сысоев H.H. Техникой экономическая оптимизация технологических параметров гидрорезания" А.Л. Галиновский, В.М. Елфимов, С.К. Сальников, Н.Н.Сысоев. Препринт № 9/2007. Изд-во: МГУ им. М.В. Ломоносова, 2007.- 31с.

Подписано к печати 5.11.13. Заказ № 709 Объем 2,0 печ.л. Тираж 100 экз. Типография МГТУ им. Н.Э. Баумана 105005, Москва, 2-я Бауманская ул., д.5,стр.1 (499) 263-62-01

Московский Государственный Технический Университет

им. Н.Э.Баумана

Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук

0520145(1663

ГАЛИНОВСКИЙ Андрей Леонидович

РАЗРАБОТКА И РЕАЛИЗАЦИЯ ИННОВАЦИОННОГО ПОТЕНЦИАЛА УЛЬТРАСТРУЙНЫХ МАШИНОСТРОИТЕЛЬНЫХ ГИДРОТЕХНОЛОГИЙ

Специальность 05.02.13 Машины, агрегаты и процессы (машиностроение)

Москва - 2013

СОДЕРЖАНИЕ

ОБОЗНАЧЕНИЯ И СОКРАЩЕНИЯ................................................................5

ВВЕДЕНИЕ..........................................................................................................7

1 Области применения и задачи, решаемые ультраструйными гидротехнологиями в промышленном производстве....................................13

1.1 Гидроструйные технологии и их функциональные возможности.........14

1.1.1 Принципы и классификация гидроструйных технологий................14

1.1.2 Задачи, решаемые гидроструйными технологиями...........................24

1.2 Конструкторско-технологическое обеспечение гидротехнологий........31

1.2.1 Технологическое оборудование для ультраструйного резания.......31

1.2.2 Гидроабразивная обработка поверхностей.........................................34

1.2.3 Расширение области применения. Задачи исследования..................39

2. Научно-методическое обоснование возможности создания новых операционных ультраструйных гидротехнологий........................................44

2.1 Перспективы развития гидротехнологий.................................................45

2.1.1 Инверсия понятий режущий инструмент - обрабатываемый материал..........................................................................................................45

2.1.2 Полифункциональные возможности ультраструйных технологий . 51

2.1.3 Принцип подобия между диагностическими и эксплуатационными воздействиями.................................................................................................54

2.2 Теоретический анализ физико-технических процессов ультраструйной обработки и суспензирования..............................................................................67

2.2.1 Принципы и применение гидротехнологии суспензирования............67

2.2.2 Ультраструйное суспензирование жидкостей......................................73

2.2.3 Усталостно-волновой механизм гидроэрозии....................................78

2.2.4 Эмиссионно-технологические критерии подобия.............................82

2.2.5 Доминирующие физические процессы...............................................87

2.2.6 Энергетические превращения при суспензировании.......................92

3 Математическое моделирование процессов ультраструйной обработки материалов и жидкостей...................................................................................95

3.1 Вероятностное моделирование акустических явлений...........................96

3.1.1 Источники волн акустической эмиссии..............................................96

3.1.2 Вероятностный анализ динамики ультраструй..................................98

3.1.3 Вероятностные уравнения генерации сигнала акустической эмиссии ........................................................................................................................100

3.2. Имитационное моделирование волновых процессов...........................101

3.2.1 Процедура реализации метода Монте-Карло...................................101

3.3 Акустико-эмиссионный анализ волновой динамики............................106

3.3.1 Диагностическое обеспечение и регистрируемые параметры.......106

3.3.2 Этапы диагностирования мметодом акустической эмиссии..........110

3.3.3 Оценка информативности волновых параметров...........................113

3.4 Исследование ультраструйного взаимодействия жидкости с преградой методом конечных элементов............................................................................115

3.4.1 Постановка задачи моделирования...................................................115

3.4.2 Модель волновых возмущений..........................................................122

3.4.3 Сопоставление результатов моделирования....................................128

3.4.4 Аккумуляция волновой энергии в преграде.....................................133

3.4.5 Экспериментальная проверка результатов моделирования...........137

3.4.6 Моделирование процесса гидроабразивной резки материалов......139

3.4.7 Моделирование углового взаимодействия ультраструи жидкости с преградой.......................................................................................................145

3.4.8 Моделирование усталостных испытаний образцов.........................150

3.4.9 Выводы по результатам теоретического моделирования...............154

4. Ультраструйная операционная технология активации и

суспензирования промышленных жидкостей..............................................155

4.1 Свойства воды, водных растворов и суспензий.....................................156

4.1.1 Влияние ультраструйной обработки на физико-химические параметры......................................................................................................156

4.2 Эксплуатационно-функциональные свойства микросуспензий..........162

4.2.1 Ультраструйное диспергирование эмульсий...................................162

4.2.2 Трибологические свойства гидротехнологических сред................164

4.2.3 Возможности ультраструйной реновации и утилизации гидротехнологических сред........................................................................165

4.3 Оценка производительности ультраструйного микросуспензирования методом акустической эмиссии.........................................................................166

4.3.3 Выводы по результатам анализа влияния ультраструйной обработки

на свойства жидкостей................................................................................. 176

5 Функционально-технологические возможности ультраструйной диагностики параметров качества материалов и изделий..........................177

5.1 Физико-технологические предпосылки гидродиагностики.................177

5.1.1 Технология и области применения....................................................177

5.1.2 Обоснование эффективности с применением теории принятия решений.........................................................................................................180

5.1.3 Информационно-диагностические параметры.................................184

5.2 Технологические особенности ультраструйной диагностики..............188

5.2.1 Структура процедуры диагностирования.........................................188

5.2.2 Варианты диагностического применения ультраструи..................196

5.2.3 Экспресс-оценка эксплуатационно-технологических параметров 203

5.3 Динамическая модель гидроусталостного разрушения........................209

5.3.1 Алгоритм определения концентрации дефектов.............................209

5.3.2 Результаты моделирования и их анализ...........................................214

5.4 Реализация возможностей ультраструйной диагностики.....................217

5.4.1 Оценка физико-технических характеристик материалов...............217

5.4.2 Диагностика деформационного старения материалов....................224

5.4.3 Контроль технологических параметров деталей.............................228

5.4.4 Оценка эксплуатационных свойств изделий....................................230

5.4.5 Диагностика лопатки жидкостного ракетного двигателя после огневых испытаний......................................................................................238

5.4.6 Оценка качества сварных швов ультраструйным методом............242

5.4.6 Оценка влияния микроструктуры материала на эксплуатационные

свойства изделий..........................................................................................246

5.5 Ультраструйная экспресс диагностика композиционных материалов 251

5.5.1 Перспективы диагностики конструкционной керамики.................251

5.5.2 Анализ существующих подходов к диагностике хрупких высокотвердых материалов.........................................................................253

5.5.3 Технология диагностики конструкционной керамики....................258

5.5.4 Сравнительный анализ методов диагностики конструкционной керамики........................................................................................................263

5.5.5 Гибридная диагностика композиционной конструкционной керамики........................................................................................................265

6 Перспективы развития ультраструйных операционных технологий и апробация результатов работы......................................................................269

6.1 Оптимизация технологических параметров...........................................270

6.1.1 Минимизация технологической себестоимости гидроабразивного резания...........................................................................................................270

6.1.2 Оптимизация кинематического фактора обработки........................280

6.2 Совершенствование технологического обеспечения............................293

6.2.1 Технология роторно-струйного способа обработки........................293

6.2.2 Конструкторско-технологическая проработка роторно-струйной установки.......................................................................................................298

6.3 Расширение сферы практических приложений ультраструйных технологий.......................................................................................................303

6.3.1 Ультраструйная технология получения суспензий.........................303

6.3.2 Особенности реализации процесса получения суспензий..............307

6.4 Перспективы развития ультраструйной диагностики....................309

6.4.1 Экспресс-контроль качества защитных покрытий..........................309

6.4.2 Диагностика потенциально опасных объектов................................317

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ.....................................326

ПРИЛОЖЕНИЕ А...........................................................................................342

Акты апробации..............................................................................................342

/

ОБОЗНАЧЕНИЯ И СОКРАЩЕНИЯ

АЭ - акустическая эмиссия;

АИ - акустическое излучение;

БЖ - бронежилет;

ВФ - волновая флуктуация;

ГАР - гидроабразивная резка;

ГТС - гидротехнологические среды;

ГР - гидрорезание;

ЖФ - жидкофазная матрица;

ИДП - инновационно-диагностического потенциала;

ИФП - инновационно-физический потенциал;

КВФ - критическая волновая флуктуация;

ККК — конструкционная композиционная керамика;

КФ - кинематический фактор;

МСС - механика сплошной среды;

ПАВ - поверхностно-активные волны;

ПСР - последовательных серийных разведений;

СВР - специальные водные растворы;

СИБ - средство индивидуальной бронезащиты;

СН - сопловой насадок;

СОЖ - смазочно-охлаждающая жидкость;

ТВМ - твердые мишени;

ТМ - туннельная мишень;

ТФ - твердофазный материал;

ММ - Мягкие мишени;

УМД - ультрамелкодисперсная суспензия;

УЗК - ультразвуковые колебания;

УС - ультраструя жидкости;

УСГ - ультраструйный гидрокомплекс;

УСД - ультраструйная диагностика;

УСО - ультраструйная обработка; УСС - ультраструйное суспензирование; УСТ — ультраструйная технология; УВМ - усталостно-волновой механизм; ФТВ - физико-технологических воздействий; ЭИП - электроимпульсное прессование; ЭМИ - электромагнитное излучение; ЭП - эмиссионный процесс; ЭЭЭ - экзоэлектронная эмиссия;

ВВЕДЕНИЕ

Одним из эффективных способов обработки деталей из современных конструкционных материалов является интенсивно развивающаяся технология гидрорезания сверхзвуковой абразивно-жидкостной струей. Однако, как показали исследования, физико-энергетическая основа данной технологии и реализовывающие ее машины и агрегаты предопределяют существенно более широкую сферу ее практических приложений в ведущих отраслях промышленности.

Технология гидрорезания, как традиционная компонента ультраструйной технологии (УСТ) решает вопросы управляемого удаления части твердотельной мишени (заготовки) с целью производительного получения на ней новой поверхности с требуемыми параметрами качества: точностью, шероховатостью и т.д. В этом случае ультраструя выступает в роли специфического режущего инструмента, а твердотельная мишень-классического обрабатываемого материала. Близка к гидрорезанию технология ультраструйной очистки поверхностей различных изделий от трудноудаляемых загрязнений, например эксплуатационного нагара при планово-восстановительном ремонте ряда командных деталей газотурбинных двигателей.

На основе вышесказанного можно сформулировать определение понятия «ультраструйная технология» под которой в дальнейшем будем понимать совокупность методов и средств создания и реализации таких параметров высокоэнергетической компактной струи жидкости, которые при ее взаимодействии с окружающей средой, например при ударно-динамическом торможении о твердотельную мишень, способны привести к фиксируемым целенаправленным изменениям в обрабатываемом материале и/или в самой жидкости.

При этом, основой всех ультраструйных технологий является комплекс машин и агрегатов, применяемых для реализации процессов гидрорезания/гидроочистки, и соответствующие им технологические параметры (рабочее давление от 300 до 600 МПа, скорость струи в пределах от 300 до 1000 м/с) и режимы обработки.

Анализ показывает, что научно-методическое обеспечение технологии гидрорезания и потенциальные возможности используемых машин и агрегатов существенно отстают от технической реализации. Практически не решены вопросы ультраструйного упрочнения и модификации поверхностей деталей ответственного назначения, не проведена комплексная технико-экономическая оптимизация технологических параметров гидрорезания, не развиты физико-технологические приемы повышения его эффективности, методы и средства информационно-диагностического обеспечения и т.д. Однако, следует отметить, что в недалеком будущем по аналогии с развитием перспективных направлений технологии механической обработки материалов, будет расширяться и область рационального применения ультраструйной обработки материалов, совершенствоваться ее технологическое и программное обеспечение, используемые машины, узлы и агрегаты, повышаться технико-экономические характеристики и увеличиваться производственно-технологические возможности. При этом физическая сущность данного способа обработки различных конструкционных материалов будет неизменна, так как она неразрывно связана с анализом и использованием механизмов гидроразрушения твердого тела ультраструей жидкости.

Принципиально иную перспективу имеет УСТ, как практически не изученный метод целенаправленного изменения потребительских свойств самой жидкости, подвергнутой комбинированному высокоэнергетическому воздействию в процессе ультраструйной обработки (УСО).

Действительно, согласно выдвинутого научного принципа инверсии технологических понятий: режущий инструмент-обрабатываемый материал в МГТУ им. Н.Э. Баумана было показано, что сверхскоростную струю жидкости можно рассматривать не только как режущий инструмент при гидрорезании материалов, но и как специфический обрабатываемый материал - гидротехнологическую среду, обладающую новыми свойствами (активированную) в том числе содержащую частицы материала мишени, т.е суспензию.

В основе всех ультраструйных технологий лежит несколько этапо и соотвесвующие им узлы и агрегаты гидротехнологическихъ машин: сжатие рабочей гидротехнологической среды высоких давлений (от 150 до 450 МПа), проход жидкостичерез специальное сопло малого диаметра из монокристалла сапфила или рубина (диаметр сопла от 0,1 до 0,2 мм), удар ультраструи о преграду со скоростью адекватной выбранному давлению и, чаще в сег превышающую скорость звука в воздухе (-600-800 м/с). Инструментом в случае обработки гидротехнологических сред является мишень изготовленная из сверхтвердых материалов, таких как монокристалл алмаза. При этом важно отметить, что машины и агрегаты применяемые для обработки жидколсьтей могут быть теми же, что используются в классических технологиях раскроя металлических материалов.

Исходя из являнений и процессов сопровождающих процесс УСО можно говорить о близости данной технологии, по ряду показателей, традиционным методам ультразвуковой и кавитационной обработке жидкостей, а также технология обработки жидкостей путем их капельной подачи на быстровращающийся барабан. Однако по производительности обработки и интенсивности воздействия на обрабатываемую жидкость эти технологии во многом уступают УСТ. Поэтому проведение исследований целью которых будет системное изучение процессов и явлений, сопровождающих все УСТ, а также раскрытие потенциала и технологических возможностей имеющегося

на вооружении предприятий машиностроения гидрорежущего оборудования представляет актуальную научно-практическую задачу, имеющую важное хозяйственное значение. Решение проблем данной области знаний требует научно-технического обоснования новых приложений УСТ, создания и модернизации процессов УСО материалов и жидкостей, адаптации существующего парка машин и агрегатов, их эксплуатации, что соответсвует выбранной специальности диссертации 05.02.13 Машины, агрегаты и процессы (машиностроение).

Научная новизна исследования:

1. Теоретически и экспериментально показано, что взаимодействие ультраструи жидкости с мишенью, сопровождается интенсивными волновыми процессами и энергетически неравновесными превращениями, при которых происходит активация и суспензирование самой жидкости, величина которых зависит от физико-механических характеристик материала мишени. Это позволило сформулировать принцип дуализма ультраструйной обработки материалов и жидкостей, согласно которому при инверсии понятий: инструмент - обрабатываемый материал инструментом является твердотельная мишень, а обрабатываемый материал - ГТС.

2. Теоретическое и экспериментальное обоснование возможности определения физико-механических характеристик поверхностного слоя материалов, машин и агрегатов путем кратковременного воздействия на них ультраструи жидкости и анализа результатов этого воздействия. Доказанное физико-технологическое соответствие между механизмами гидроэрозионно