автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.07, диссертация на тему:Создание технологии гидроабразивного разделения материалов с наложением электрического поля

На правах рукописи

ГОНЧАРОВ Евгений Владимирович

л

СОЗДАНИЕ ТЕХНОЛОГИИ ГИДРОАБРАЗИВНОГО РАЗДЕЛЕНИЯ МАТЕРИАЛОВ С НАЛОЖЕНИЕМ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ПОЛЯ

Специальности: 05.02.07 - Технология и оборудование механической и физико-технической обработки

05.02.08 - Технология машиностроения

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

- 6 КАР 2014

Воронеж-2014

005545590

Работа выполнена в ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный технический университет»

Научный руководитель доктор технических наук, профессор

Смоленцев Владислав Павлович

Научный консультант доктор технических наук, доцент

Кириллов Олег Николаевич

Официальные оппоненты: Вячеславова Ольга Федоровна,

доктор технических наук, профессор, зам. зав. кафедрой «Стандартизация, метрология и сертификация» Московского государственного машиностроительного университета;

Гребенщиков Александр Владимирович, кандидат технических наук, зам. главного инженера «ВМЗ» - филиала ФГУП ГКНПЦ им. М.В. Хруничева

Ведущая организация ФГБОУ ВПО «Белгородский

государственный технологический университет им. В.Г. Шухова»

Защита состоится 16 апреля 2014 г. в 1600 часов в конференц-зале на заседании диссертационного совета Д 212.037.04 ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный технический университет» по адресу: 394026, г. Воронеж, Московский просп., 14.

С диссертацией можно ознакомиться в научно-технической библиотеке ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный технический университет».

Автореферат разослан «2/ »февраля 2014 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Постоянно растущие требования потребителей к показателям качества и производительности процессов разделения материалов, использование новых материалов с особыми свойствами, большой сортамент и номенклатура разделяемых изделий, многократность использования операции резки на стадиях изготовления заготовок потребовали новых технологий разделения материалов, так как традиционное механическое разделение имеет ограничение возможности и отличается значительной энергоемкостью, относительно низкой скоростью резания, сложностью получения изделий сложной формы (ограничением являются геометрические размеры механического инструмента), осыпанием кромок хрупких материалов, нежелательным термическим воздействием на обрабатываемый материал и образованием пыли, вызывающей профессиональные заболевания. Для некоторых широко используемых металлов применение традиционных методов механического разделения материалов не желательно, т.к. вызывает ухудшение эксплуатационных характеристик изделий. Примерами таких материалов могут быть металлы, для которых не допустим чрезмерный нагрев в зоне обработки (титан и т.д.), обладающие малой твердостью (алюминий, медь и т.д.), хрупкие материалы (полупроводники, эльбор и т.д.).

Одним из методов, снижающих негативное воздействие на зону разделения, является гидроабразивная резка материала. В процессе освоения этого метода выявлены недостатки, главным из которых является возникновение в зоне разделения металлов с малой твердостью элементов шаржирования поверхности абразивными зернами, которые вызывают трудности при последующей обработке. Абразив, застрявший в материале, требует дорогостоящей последующей операции, ухудшает эксплуатационные свойства детали и может вызвать выход изделия из строя в процессе эксплуатации.

В рассматриваемой работе проблема получения окончательного профиля несопрягаемых участков поверхностей решена применением комбинированной механической струйной гидроабразивной и электрохимической обработки путем анодного съема с поверхности разделения припуска, достаточного для удаления шаржированного слоя. Из теории электрохимической размерной обработки известно, что скорость съема материала анодным растворением будет выше на концентраторах поля, которыми являются неровности. Это способствует снижению шероховатости. Одновременно происходит съем металла, налипшего на поверхность абразива. Это приводит к стабилизации процесса разделения металла, повышению качества обработанной поверхности, производительности, срока службы инструмента, а также достигается значительное снижение себестоимости обработки. Таким образом, предлагаемый способ, сохраняя все преимущества гидроабразивного разделения, устраняет нежелательные факторы ранее

используемого процесса, расширяет технологические возможности гидроабразивного метода, что востребовано промышленностью и является актуальным в научном и прикладном аспекте.

Работа выполняется в соответствии с федеральной целевой программой «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 гг. и научным направлением ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный технический университет» в соответствии с планом ГБ НИР № 2010.15 «Наукоемкие технологии в машиностроении, авиастроении и ракетно-космической технике».

Научная проблема: создание способа и установление закономерностей передачи энергии электрического поля через токопроводящий канал, разработка механизма анодного растворения шаржированного слоя, совмещенного в реальном масштабе времени с механическим воздействием несвязанных абразивных гранул в процессе разделения материалов и очистки используемых абразивных зерен от продуктов обработки.

Цель работы: исследование процесса и разработка технологии комбинированного гидроабразивного разделения с анодным удалением шаржированного слоя управляемым электрическим полем, обеспечивающим получение чистовой геометрии токопроводящих заготовок и сопутствующей очистки используемого абразива от продуктов обработки.

Для достижения поставленной цели требуется решить следующие задачи:

1. Установить пути повышения качества поверхности при разделении токопроводящих материалов комбинированным воздействием гидроабразивной струи и управляемого электрического поля.

2. Создать новые инструменты с переменной анодной и абразивной составляющей съема материала.

3. Разработать новый способ и раскрыть механизм удаления шаржированного слоя с адаптивным управлением электрическим полем по обратной связи с местом разделения материалов.

4. Разработать новый способ и раскрыть механизм очистки абразивных гранул от продуктов обработки в процессе разделения комбинированным методом.

5. Разработать рекомендации для проектирования средств технологического оснащения при комбинированном разделении материалов.

6. Разработать технологию комбинированного разделения материалов для получения заготовок, не требующих последующей обработки несо-прягаемых поверхностей.

7. Оценить технологические возможности комбинированной обработки для получения поверхностей деталей с требуемой геометрией микро-и макропрофиля.

Методы исследований. В работе были использованы: теория обработки свободным абразивом; проектирование комбинированных методов

обработки с наложением электрического поля; моделирование процессов с адаптивными связями; закономерности электрохимической размерной и комбинированной электроабразивной обработки; классические закономерности электротехники, гидродинамики и химической кинетики.

Научная новизна полученных результатов работы включает:

1. Разработку механизма локального комбинированного разделения токопроводящих материалов с наложением электрического поля, отличающегося тем, что он включает адаптивное управление параметрами процесса анодного растворения с депассивацией зоны обработки за счет энергии воздействия абразивных гранул, используемых для гидроабразивной обработки.

2. Механизм управления комбинированным процессом, отличающийся тем, что впервые установлены взаимосвязи режимных параметров анодного процесса с механическим воздействием абразивных гранул, необходимые для достижения технологических показателей разделения материалов и обеспечение эксплуатационных требований к изделию.

3. Научное обоснование предельных технологических возможностей комбинированной обработки с учетом взаимного воздействия на процесс абразивных частиц и анодного растворения припуска с поверхности разделения.

4. Раскрытие механизма интенсивного управляемого переноса электрического поля при использовании в качестве инструмента нетокопрово-дящих абразивных гранул с токопроводящим твердым покрытием, удаляемым тепловым и динамическим воздействием струи при контакте с обрабатываемой поверхностью.

Практическая значимость работы:

1. Создание нового способа комбинированного разделения материалов, обеспечивающего совмещенное механическое воздействие абразивных несвязанных сред и локального действия электрического поля с регулированием времени протекания процесса по положению струи в зоне разделения.

2. Создание новой технологической схемы и инструмента для комбинированной обработки, позволившим устранить существенный недостаток гидроабразивного разделения - шаржирование поверхности разделения материала.

3. Разработка технологических режимов и технологии гидроабразивного разделения материалов с управляемым наложением электрического поля, позволяющим обеспечить повышение качества обработанной поверхности и снизить шероховатость в соответствии с требованиями к заготовке, создать условия для исключения последующей обработки несопря-гаемых поверхностей деталей.

4. Создание нового инструмента, обладающего управляемой проводимостью при подаче электрического поля в зону обработки, что дает воз-

можность повысить режущую способность инструмента за счет очистки гранул от загрязнений продуктами обработки.

Личный вклад соискателя включает:

1. Создание нового, защищенного патентом (№ 2465994) способа комбинированного разделения токопроводящих материалов, заключающегося в одновременном сверхзвуковом воздействии гидроабразивной струи на разделяемый материал с удалением шаржированной части поверхностного слоя анодным растворением.

2. Разработку механизма удаления щаржированного слоя с поверхности разделения при адаптивном гидроабразивном разделении материалов с наложением электрического поля по сигналам обратной связи о геометрии зоны разделения.

3. Создание нового, защищенного патентом (№2455132) способа удаления с абразивных зерен токопроводящего загрязняющего слоя продуктов обработки путем их управляемого растворения внешним электрическим полем.

4. Разработку метода повышения чистоты поверхности за счет анодного выравнивания поверхностного слоя при комбинированном механическом и депассивирующем воздействии абразивных гранул, а также электрохимического растворения микронеровностей.

5. Методику расчета режимов и проектирования ТП комбинированного разделения токопроводящих материалов, обеспечивающих получение технологических показателей, отвечающих требованиям к поверхностям деталей в процессе эксплуатации без их последующей обработки.

6. Конструкции инструментов, обеспечивающих повышение технологических показателей комбинированной обработки.

7. Рекомендации по модернизации оборудования для комбинированного гидроабразивного разделения материалов с подводом в зону обработки электрического поля.

Апробация работы. Основные положения диссертации обсуждались и получили одобрение специалистов на:

Международных конференциях: МК-130-411, г. Пенза, 2011 г.; VI Международная научно-практическая конференция «Технологическое обеспечение качества машин и приборов, г. Москва, 2011 г.; ОАО "Концерн "Авиационное оборудование" Перспектива развития авиационного оборудования и агрегатов г. Москва, 2012 г.; ССП-2012, г. Воронеж, 2012 г.; VIII международная научно-техническая конференция «Информационные технологии в науке, технике и образовании», г. Пицунда, 2012 г; ССП-2013, г. Воронеж, 2013 г.

Всероссийских конференциях: АКТ 2011, г. Воронеж; Новые материалы и технологии в ракетно-космической и авиационной технике "Центр подготовки космонавтов", г. Москва, 2011 г.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 17 научных работ, в том числе 6 в изданиях, рекомендованных ВАК РФ. Получены 2 патента РФ.

В работах, опубликованных в соавторстве и приведенных в конце автореферата, лично соискателю принадлежат: [1, 3, 8, 12] - исследование разделенной поверхности гидроабразивным и проектируемым методом; [2]

- экспериментальные исследования качества поверхностного слоя от режимов гидроабразивного разделения с наложением электрического поля и выведение зависимостей для определения режимов разделения; [4, 5, 9, 11]

- предложен новый метод разделения; [6] - разработка схемы удаления дефектного слоя и проведение экспериментальных исследований; [10] -исследование анодного растворения концентраторов напряжения и течения жидкости из отверстия малого сечения; [15] - сформированы рекомендации по выбору оптимального способа подведения электрического поля в зону обработки; [16, 17] - согласно закону «Об интеллектуальной собственности» каждый автор имеет равные права на изобретение.

Структура и объем работы. Диссертационная работа включает введение, 5 глав, заключение. Основная часть работы изложена на 155 страницах, содержит 61 рисунок, 7 таблиц, список литературы из 102 наименований, приложения.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность решаемой проблемы, сформулированы цель и задачи исследования, показана научная новизна и практическая значимость работы.

В первой главе рассмотрено современное состояние технологических возможностей гидроабразивного разделения материалов, повышение качества поверхности разделения, введением дополнительных операций обработки. Проанализирована имеющаяся в литературе информация о комбинированных методах обработки материалов абразивным инструментом с локальным анодным растворением материала.

Анализ показал, что имеющиеся в литературе методы повышения качества гидроабразивного разделения не позволяют исключить полностью негативные воздействия гидроабразивной струи на обрабатываемый материал, такие как шаржирование поверхности разделения, гребенчатый характер шероховатости, дефекты кромок на входе и выходе гидроабразивной струи из материала, загрязнение используемого абразива продуктами обработки. В связи с этим возникает необходимость создания нового способа разделения материалов с разработкой нового вида инструмента для его реализации.

На основании проведенного поиска и анализа литературы были сформированы задачи исследования.

Во второй главе представлены рабочие гипотезы и методическая основа диссертации. Анализ состояния вопроса позволил сформулировать обоснованные научные гипотезы:

1. Управляя внешним электрическим полем, возможно повысить показатели поверхностного слоя мест разделения, в том числе устранить шаржирование, снизить шероховатость, глубину измененного поверхностного слоя, геометрической погрешности мест разделения путем адаптивного управления вектором струи и временем локального анодного съема в процессе разделения материала.

2. Подвод электрического поля в зону обработки возможен за счет использования электропроводящих свойств рабочей среды, токопроводя-щего абразива, введением токопроводящих гранул или покрытия используемого свободного абразива токопроводящим веществом для придания временной токопроводности диэлектрическому абразиву.

3. Электрическое поле в зоне обработки будет воздействовать и на токопроводящее загрязнение, образующееся на абразиве во время обработки, растворяя его и тем самым очищая абразив. Очищение абразива особенно актуально при разделении материалов с малой твердостью и позволяет значительно увеличить срок его службы.

4. Совмещение режущих свойств абразива и анодного выравнивания поверхностного слоя зоны разделения способно обеспечить технологические показатели комбинированной обработки до уровня, требуемого в чертежах на деталь, что будет значительно сокращать период освоения новых изделий и трудоемкость изготовления выпускаемой продукции, высвобождать металлорежущее оборудование от необходимости чистовой обработки заготовок с нефункциональных поверхностей.

Также в главе проанализированы методы подвода электрического поля в зону обработки и разработаны новые виды инструмента. На основании этого разработана установка для экспериментальных исследований проектируемой технологии и алгоритм проведения исследований.

В третьей главе раскрыт механизм повышения качества поверхности разделения и очистки используемого абразива от загрязнения при гидроабразивном разделении материалов с наложением электрического поля. В процессе разделения материала 1 (рис. 1, а) часть абразивных зерен 2 остаются на поверхности обработанной поверхности, образуя шаржированную поверхность. Это обусловлено тем, что абразив 2 и его осколки погружаются на такую глубину, что сила (Р) воздействия на него рабочей жидкости 3 меньше, чем сила его сцепления с материалом 1. Устранить шаржирование можно растворением части припуска, что уменьшит сцепление абразива 2 с материалом 1. Это можно осуществить за счет использования токопроводящего покрытия 4 на абразиве 2 (токопроводящих частиц). Высокая скорость движения V] абразива 2 с токопроводящим покрытием 4 и малая проводимость рабочей жидкости 3 обеспечивают малое

"стекание" электрического заряда до их столкновения с разделяемым материалом 1, что обеспечивает высокую равномерность обработки поверхности. Растворение части припуска (г) с материала 1 ослабляет силу сцепления с ним абразива 2, что способствует удалению шаржирующих гранул потоком рабочей жидкости 3.

Очистка абразива (рис. 1, б) происходит за счет изменения вектора скорости гранул вступивших во взаимодействие с обрабатываемым материалом \2 и гранулами, не соприкасающимися с ним V]. Абразивные зерна 2, вступившие в контакт с обрабатываемым материалом 1, загрязняется им и поворачивает вектор скорости движения \2 в сторону, обратную скорости подачи сопла вдоль контура разделения. Абразивные зерна 2 с токопрово-дящим покрытием 4, не вступающие в контакт с разделяемым материалом 1, продолжают прямолинейное движение, и за счет высокой скорости движения V] заряд, переносимый токопроводящим покрытием 4, практически не расходуется на съем припуска с поверхности разделения и способствует съему налипшего загрязнения на абразиве 2 при столкновении с ним.

Рис. 1. Схема анодного растворения материала при гидроабразивном разделении с наложением электрического поля

На базе сформулированной физической модели выполнено моделирование самого процесса, что позволило получить аналитические зависимости, необходимые для построения технологического процесса. Алгоритм расчета режимов обработки представлен в главе 5. Для формирования математической модели процесса примем следующие ограничения: разделяемая заготовка токопроводящая толщиной не более 40 мм. Исходной информацией для расчета режимов обработки является: давление рабочей жидкости, подводимое к соплу; свойства, размер и форма абразива; физи-

ь.

а

б

ко-химические свойства разделяемого материала и рабочей жидкости; диаметр и форма сопла; толщина заготовки.

Определить максимальную скорость подачи режущего сопла вдоль контура разделения, достаточную для гарантированного удаления шаржирования с поверхности разделения, можно по формуле:

с! ■ с

тг _ сопла с/ /1 \

спптт ' ' '

где (1сопла - диаметр сопла; г - минимальное время обработки анодной составляющей комбинированного метода разделения для удаления шаржирующего слоя; С;) - коэффициент изменения площади контакта струи рабочей жидкости (при условии нормального протекания процесса разделения сс!=1н-2,5 и может быть определен из теории течения жидкости).

Время Г можно определить из зависимости:

- "7,

« • 7 • Км ■ К5 ■ и(рэл + р{Ррр - рэлУ)

(2)

где г - минимальный припуск для анодного растворения; у % разделяемого материала; а - электрохимический эквивалент; Т] - выход

по току; Км - коэффициент связи срединной ошибки со среднеквадратиче-

§

ским отклонением; К8 = —— ; 8сеч - площадь сечения струи суспензии;

$сеч

— часть площади сечения струи, участвующая в удалении припуска с обрабатываемой поверхности; и - напряжение на электродах источника тока, которое можно определить из формулы (6); ¡3 - средняя концентрация

гранул; рэ 1, ргр - удельные электропроводности рабочей жидкости и материала гранул.

Коэффициенты Км приведены в теории струйной электрохимической обработки с применением твердого токопроводящего наполнителя, =(0,2-М),8), ОС и Ц представлены в теории электрохимической обработки.

Минимально необходимый припуск для анодного растворения можно определить, решая систему уравнения, первое из которых характеризует силу воздействия струи (И), а второе условие удаления абразивного вкрапления. Уравнение включает эмпирические коэффициенты:

Р - Р0 • Кобр

100^-7

Л--Л2

360

я2

|Л

±л2

'V

8 • /? • (/г, + г) - 2 • (/г, + г)2 8-+г)-2-(/г,+г)2 Л2 'V Л2

где Рс - давление на выходе из насадка; Кабр - коэффициент формы абразива (может быть определен из зависимостей силы воздействия потока жидкости на преграду, представленных в гидродинамике); рстр, р - плотность струи и среды соответственно; у^р, у„ — скорость струи суспензии на поверхности разделения и на выходе из сопла (могут быть определены из формул (4) и (5)); Я - приведенный радиус абразивного зерна; И! -величина выступающей части абразивного зерна из материала заготовки после гидроабразивного разделения . _ > ,, _ Ь ; с1 - максимальный размер

1 100

используемого абразивного зерна; Ъ - процент объема абразивных частиц, погруженных в разделяемый материал (может быть определен из графика, представленного на рис. 2); Ь,, - коэффициент, характеризующий среднеквадратичную погрешность; ар - коэффициент, характеризующий зависимость силы воздействия на абразивное зерно от величины его освобожденной части из заготовки.

Коэффициенты Ър и ар эмпирические и могут быть определены из зависимостей, представленных на рисунках 3 и 4.

(4)

где <р - коэффициент скорости (р -

; % - коэффициент сопротивле-

ния режущей головки; С, - коэффициент Кориолиса; Р0 - давление, подво-

димое к гидроабразивной головке; ух

струи

■ плотность рабочей среды.

Коэффициенты Е, и представлены в теории истечения жидкости из отверстия.

V =

стр

0,96 • (р 0,16-

Г,

обр

струи

+ 0,29

1( Ь

(5)

где 1о5р - расстояние от сопла до области обработки; Ьр - расстояние по

нормали от оси струи суспензии до рассматриваемой точки.

Очистка абразива от продуктов обработки производится в процессе разделения, соответственно необходимо определить минимальное напряжение, подводимое от источника тока, обеспечивающее достаточную скорость анодного растворения для гарантированной его очистки:

3,07 -V -у заг-(р- эта,,,

и = -

(р„ + р(р1р - р,,))" (0,16 • (Я + /„,) + 0,29 • )

(6)

где V - объем загрязняющего вещества на абразиве (можно определить из формулы (7)); й?аб - средний диаметр абразивных зерен; КЛс - коэффициент изменения диаметра струи с токопроводящим наполнителем (может быть определен из теории течения жидкости); апов - угол поворота струи

относительно первоначального вектора движения.

Так как при разделении материалов с низкой твердостью практически весь снимаемый материал остается на абразиве, образуя загрязнение, его объем на абразивном зерне можно определить из уравнения:

сЦ г =-[

180

-агсвт

2- 1>(х) - 2^ай • /,(х) - Ых)1

2^с1об-И(х)-/,(х)2

сЬс

(7)

где Ь - длина царапины; Ь(х) - глубина врезания абразивного зерна в обрабатываемый материал в каждой точке (х) на длине царапины.

В четвертой главе представлены экспериментальные исследования, проведенные по методике, разработанной во второй главе диссертации.

Исследования глубины проникновения изометрических абразивных частиц размером 0,28+0,3 мм при разделении заготовок толщиной 12±0,5 мм дали возможность получить процент размера абразивного зерна,

погруженного в разделяемый материал (Л ,) в зависимости от твердости

Из рисунка 2 видно, что с увеличением твердости разделяемого материала уменьшается глубина проникновения в него абразива. При достижении твердости материала 40+60 НВ дальнейшего снижения глубины внедрения абразива практически не наблюдается, что объясняется удалением его потоком рабочей жидкости.

Экспериментальные исследования по удалению абразивных зерен, залегающих на различной глубине, позволили найти зависимости силы Р, которую необходимо приложить к абразивному зерну для его удаления, от глубины внедрения абразива, отнесенной к его размеру (рис. 3), и зависимость силы, необходимой для удаления зерна из заготовки, от приведенного радиуса зерна абразива (Я) (рис. 4).

Из зависимостей, представленных на рисунках 3 и 4, видно, что сила, прилагаемая к зерну для его удаления из заготовки, увеличивается с повышением глубины внедрения абразивного зерна, увеличением твердости материала заготовки и размера абразивного зерна.

Исследования шероховатости и геометрической точности разделенной поверхности показали, что применение проектируемого метода снижает шероховатость на 40+70% относительно гидроабразивного разделения.

Также в главе приведены экспериментальные исследования по очистке используемого абразива в процессе разделения, что дает возможность повторного его использования без значительного снижения качества разделенной поверхности. Так повторное использование очищенного абразива повышает шероховатость разделенной поверхности на 8+10% в отличие от первичного его использования, а использование загрязненного абразива на 2500+3200%. Это показывает необходимость очистки используе-

обрабатываемого материала (рис. 2).

л %

92,5

90

815

Ю 20 30 ИВ

Рис. 2. Процент погруженного объема абразивных частиц в разделяемый материал в зависимости от его твердости

мого абразива, т.к. в противном случае он может быть использован только однократно.

Рис. 3. Зависимость силы, прилагаемой к абразивному зерну размером 0,18-0,22 мм для его удаления из заготовки, от глубины внедрения абразива, отнесенной к его размеру.

1 - свинец; 2 - алюминий; 3 - медь; 4 - титан; 5 - Ст 3

Рис. 4. Зависимость силы, прилагаемой к абразивному зерну для его удаления из заготовки, от приведенного радиуса абразивного зерна при его погружении в алюминий на 50% своего размера.

В пятой главе даны практические рекомендации по промышленному использованию гидроабразивного разделения материалов с наложением электрического поля и оценка экономической эффективности от внедрения в производстве.

Разработан технологический процесс гидроабразивного разделения материалов с наложение электрического поля, который включает:

1. Получение исходных данных от проектировщика изделия: чертеж заготовки со сведениями о требуемой геометрии, шероховатости и качества разделенного поверхностного слоя, свойствах, габаритах и толщине заготовки.

2. Расчет исходных режимов обработки:

- выбираем метод подвода электрического тока в зону разделения в зависимости от свойств материала, толщины заготовки и требованиям к качеству и точности поверхности разделения по рекомендациям, представленным во второй главе;

- выбираем размер абразивных частиц по рекомендациям, представленным в первой главе;

- выбираем состав суспензии по рекомендациям, представленным в

первой главе;

- назначаем давление рабочей жидкости;

- определяем процентное содержание токопроводящих гранул (токо-проводящего покрытия) в гидроабразивной струе по рекомендациям, представленным во второй главе;

- рассчитываем объем материала, загрязняющего абразивное зерно в процессе обработки, по формуле 7;

- рассчитываем минимально необходимое напряжение, подводимое в зону разделения, которое будет обеспечивать достаточную скорость протекания электрохимического растворения загрязнения на абразивных зернах для восстановления его режущих свойств, по формуле 6;

- рассчитываем величину выступающей части абразивного зерна из материала-основы после гидроабразивного разделения по графику на рисунке 2;

- определяем силу сцепления абразивных зерен с разделяемым материалом по графикам на рисунках 3, 4;

- рассчитываем минимальный припуск на анодное растворение, обеспечивающий удаление шаржирующего слоя в поверхности разделения по системе уравнений 3 с учетом изменения скорости течения струи, рассчитываемой по формулам 4 и 5;

- рассчитываем время анодного растворения припуска по формуле 2 и скорость подачи сопла вдоль контура разделения по формуле 1;

- сравниваем расчетную скорость подачи сопла вдоль контура разделения, достаточную для удаления шаржирующего слоя, с рекомендованной для обеспечения шероховатости и точности обработанной поверхности, приведенной в четвертой главе.

3. Выбираем по напряжению зазор между режущим соплом и заготовкой, достаточный для исключения короткого замыкания.

Также в главе приведено сравнение используемых методов разделения материалов с проектируемым методом, которое показало, что гидроабразивное разделение материалов с наложением электрического поля ограничено в возможности обрабатывать только токопроводящие материалы, уступает по скорости разделения плазменному и газокислородному методу, но по качеству разделенной поверхности уступает только электроэрозионному разделению проволочным электродом. Однако использование проектируемого метода разделения более технологично и универсально, чем электроэрозионное разделение проволочным электродом, что делает проектируемый метод перспективным для использования в промышленности.

В главе разработаны и экспериментально подтверждены перспективные возможности технологии для повышения качества поверхностного слоя изделий.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Разработан способ гидроабразивного разделения материала с наложением электрического поля, позволяющий посредством анодного растворения части припуска с поверхности разделения и используемого абразива повысить качество поверхностного слоя и уменьшить стоимость работ (на способ получен патент №2455132).

2. Разработаны способы подвода электрического поля в зону обработки при комбинированном гидроабразивном разделении материалов с наложением электрического поля, позволяющие повысить скорость и равномерность анодного растворения материала со всей поверхности разделения (на способы поданы две заявки на патент).

3. Раскрыт механизм (физическая модель) удаления абразивных вкраплений с одновременным снижением шероховатости и толщины измененного слоя с поверхности разделения путем анодного растворения части припуска и очистки используемого абразива от продуктов обработки. На основании физической модели разработано математическое описание процесса (математическая модель), позволяющее оптимизировать режимы обработки.

4. Разработанные физическая и математическая модели, подтвержденные экспериментальными исследованиями, позволили сформировать следующие ограничения технологических возможностей комбинированной обработки:

- для протекания анодного растворения при комбинированном разделении в качестве разделяемого материала можно применять только токо-проводящие материалы. Эффективность процесса напрямую зависит от проводимости материала, поэтому не целесообразно разделять проектируемым методом заготовки с высоким электросопротивлением;

- образующиеся пазы в процессе разделения имеют малую ширину (0,3-Н,5 мм), что приводит к "стеканию" электрического заряда с его носителя на разделяемый материал. Это снижает эффективность анодной составляющей комбинированного метода, что проявляется заметнее с увеличением толщины разделяемой заготовки. Экспериментальные исследования и теоретические расчеты позволили установить, что эффективность комбинированной обработки интенсивно снижается при разделении заготовок толщиной более 40 мм. В диапазон толщин материалов, которые могут быть разделены проектируемым методом, входит около 90% всех разделяемых токопроводящих материалов, имеющих высокие требования по качеству разделенной поверхности;

- перенос электрического поля происходит за счет движения с высокой скоростью токопроводящих частиц, что не позволяет полностью устранить измененный слой с поверхности разделения, но дает возможность снизить его толщину до 0,0 КО, 1 мм (при гидроабразивном разделении эта

величина составляет 0,1+0,12 мм) и получить относительный наклеп до 105+115% (при гидроабразивном разделении эта величина составляет 132+139%);

- с экономически целесообразной производительностью можно получать шероховатость 11а=1,2+12 мкм, что позволяет по параметру шероховатости охватить практически всю номенклатуру деталей, подлежащих разделению;

- в связи с быстротой протекания процесса и использованием в качестве инструмента струю свободных гранул в рабочей среде, комбинированное разделение с экономически целесообразной производительностью при давлении 415 МПа позволяет получать точность разделения ±0,02+ 0,95 мм, что соответствует большинству требований конструкторской документации к точности разделения.

5. Разработан способ устранения эффекта шаржирования с разделяемой поверхности, заключающийся в анодном растворении части припуска, что снижает силу сцепления абразивных зерен с обрабатываемым материалом и удаляется давлением рабочей среды (на способ получен патент №2465994). С учетом одновременности протекания процесса гидроабразивного разделения и анодного растворения были выведены математические зависимости определения режимов обработки для удаления шаржирующего абразива в зависимости от давления рабочей среды, физико-химических свойств обрабатываемого материала и условий обработки.

6. Обоснована необходимость в очистке использованного абразива от продуктов обработки, т.к. при обработке материалов с малой твердостью абразив сильно загрязняется и непригоден для повторного применения (шероховатость при экспериментальном разделении алюминия толщиной 30 мм при скорости подачи сопла вдоль контура разделения 100 мм/мин. с загрязненным абразивом составила Яа=80+120 мкм, при первичном использовании абразива - Яа=3,2+3,8 мкм, при обработке очищенным абразивом - Яа=3,5+4,2 мкм). В работе выявлено, что для обеспечения нормального режима резания при повторном использовании абразива необходимо очистить от токопроводящего загрязнения его режущие кромки, что обеспечивается при удалении 80% загрязняющего металла с поверхности абразива. Выведены математические зависимости для определения режимов обработки для очистки абразива от загрязнений от свойств материала и режимов разделения (на способ получен патент).

7. Для осуществления процесса комбинированного разделения разработаны рекомендации по проектированию технологических процессов, новых видов инструментов и рекомендации по модернизации промышленных гидроабразивных установок для комбинированного разделения.

8. Проведенные экономические расчеты показали, что затраты на абразив уменьшаются примерно в 1,9 раза с небольшим увеличением затрат на амортизацию оборудования, расходные комплектующие установки и

электроэнергию, что приводит к удешевлению обработки примерно в 1,2 раза. При работе установки в 2 смены по 8 часов с учетом потери времени на наладку и ремонт установки экономия от использования комбинированного метода на одном станке будет примерно 750 ООО рублей в год, что приводит к быстрой ее окупаемости и уменьшению стоимости изготовления продукции.

9. Представленные в работе исследования позволяют проектировать эффективные технологические процессы разделения токопроводящих материалов. Разработанные на основе проведенных исследований рекомендации используются при проектировании технологических процессов на «Воронежском механическом заводе» - филиале ФГУП «ГКНПЦ им. М.В. Хруничева» и в ОАО «Конструкторское бюро химавтоматики», что подтверждено соответствующими актами внедрения.

Основные результаты диссертации опубликованы

в следующих работах: Публикации в изданиях, рекомендованных ВАК РФ

1. Смоленцев В.П. Формирование поверхностного слоя при гидроабразивном разделении металлов с наложением электрического поля / В.П. Смоленцев, Е.В. Гончаров // Вестник Воронежского государственного технического университета, Воронеж: ГОУВПО "Воронежский государственный технический университет". - 2011.-Т. 7.-№7. - С.74-77.

2. Смоленцев В.П. Расчет технологических режимов гидроабразивного разделения материалов с наложением электрического поля / В.П. Смоленцев, Е.В. Гончаров // Вестник Воронежского государственного технического университета, Воронеж: ГОУВПО "Воронежский государственный технический университет". - 2012. - Т. 8. - №4. С. 130-133.

3. Смоленцев В.П. Повышение точности гидроабразивной обработки и качества поверхностного слоя в зоне разделения вязких материалов / В.П. Смоленцев, Е.В. Гончаров// Упрочняющие технологии и покрытия, Москва: Машиностроение. - 2012. - №4 (88). - С. 45-48.

4. Гончаров Е.В. Комбинированное разделение металлов в электрическом поле / Е.В. Гончаров, В.П. Смоленцев, О.Н. Кириллов // Фундаментальные и прикладные проблемы техники и технологии. Орел: Машиностроение. - 2012. - №2-5 (292). - С. 10 - 15.

5. Усов C.B. Конструктивно-технологические возможности гидроабразивной обработки деталей машин как фактор научно-технического прогресса / C.B. Усов, Д.С. Свириденко, Е.В. Гончаров, С.Н. Коденцев // Фундаментальные и прикладные проблемы техники и технологии. - 2013. -№2(298). - С. 95-100.

6. Кириллов О.Н. Повышение качества поверхностного слоя деталей гидроабразивной обработкой с локальным анодным растворением / О.Н.

Кириллов, E.B. Гончаров, В.И. Котуков // Вестник Воронежского государственного технического университета. - 2013. - Т 9. - №6.1. - С. 64 - 66 .

Статьи и материалы конференций

7. Гончаров Е.В. Повышение качества переходных участков деталей машин // Нетрадиционные методы обработки, Выпуск 9 Часть 3. Москва: Машиностроение. - 2010. - С. 98-106.

8. Смоленцев В.П. Гидроабразивное разделение металлов с наложением электрического поля / В.П. Смоленцев, Е.В. Гончаров // Обеспечение качества продукции на этапах конструкторской и технологической подготовки производства, Выпуск 6. Воронеж: ГОУВПО "Воронежский государственный технический университет". - 2011. - С. 102-108.

9. Смоленцев В.П. Автоматизированный расчет технологических режимов гидроабразивной обработки с наложением электрического поля / В.П. Смоленцев, Е.В. Гончаров// Обеспечение качества продукции на этапах конструкторской и технологической подготовки производства, Выпуск 8. Воронеж: ГОУВПО "Воронежский государственный технический университет". - 2011. - С. 13-16.

10. Гончаров Е.В. Применение электрохимической обработки отверстий форсунок ЖРД для обеспечения расходов рабочего тела, заданных КД / Е.В. Гончаров, A.M. Романюк, Г.А. Сухочев // Научно-технический юбилейный сборник. КБ химавтоматики: В 3 томах / Под ред. B.C. Рачука. -Воронеж: «Квартал». - 2012. - Т. 3. - С. 90-95.

11. Smolentsev V.P. The combined division of metal materials / V.P. Smolentsev, E.V. Goncharov, B.J. Omegov // Nauka i studia. - 2012. - 7 (52) -P. 5-10.

12. Smolentsev V.P. Quality of a superficial layer after hydroabrasive processing / V.P. Smolentsev, E.V. Goncharov, V.G. Grizyk, K.M. Gazizullin // Nauka i studia. - 2012. - 7 (52). - P. 10-15.

13. Гончаров Е.В. Формирование поверхностного слоя при гидроабразивном разделении материалов с наложением на зону обработки электрического поля // ССП-2012: Материалы V Международной научно-практической конференции. Воронеж. - 2012. - С. 199-203.

14. Гончаров Е.В. Сравнение комбинированной гидроабразивной резки с наложением на зону разделения электрического поля с другими методами разделения // ССП-2013: Материалы VI Международной научно-практической конференции. Воронеж. -2013 .-С. 175-179.

15. Гончаров Е.В., Смоленцев В.П. Способы подведения электрического поля в зону обработки при гидроабразивном разделении материалов / Е.В. Гончаров, В.П. Смоленцев // Наукоемкие технологии в машиностроении и авиадвигателестроении: Материалы IV Международной научно-технической конфиренции. В 2-х частях. - Рыбинск: РГАТУ имени П.А. Соловьева. - 2012. - Ч. 2. - С. 220-223.

Патенты РФ

16. Пат. №2465994 Российская Федерация МПК В23Н5/00 Способ устранения эффекта шаржирования при гидроабразивном разделении вязких металлов / Смоленцев В.П., Гончаров Е.В., Печатан А.П. 2011105507;, заявл. 14.02.2010; опубл. 20.08.2012, Бюл. 31, 2012 .

17. Пат. №2455132 Российская Федерация МПК В23Н5/14 Способ гидроабразивного разделения вязких материалов / В.П. Смоленцев, И.Т. Коптев, Е.В. Гончаров, А.И. Осеков. 2010149206; заявл. 30.11.2010; опубл. 10.07.12//Бюл. 19, 2012.

Подписано в печать 01.02.2014 . Формат 60x84/16. Бумага для множительных аппаратов. Усл. печ. л. 1,0. Тираж 80 экз. Заказ № 6.

ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный технический университет» 394026 Воронеж, Московский просп., 14.

ФГБОУ ВПО «ВОНЕЖСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»

На правах рукописи

04201456997

Гончаров Евгений Владимирович

СОЗДАНИЕ ТЕХНОЛОГИИ ГИДРОАБРАЗИВНОГО РАЗДЕЛЕНИЯ МАТЕРИАЛОВ С НАЛОЖЕНИЕМ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ПОЛЯ

Специальности: 05.02.07 — Технология и оборудование механической и

физико-технической обработки 05.02.08 — Технология машиностроения

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: д.т.н., профессор Смоленцев В.П.

Научный консультант: д.т.н., доцент Кириллов О.Н.

Воронеж - 2014

Содержание

Введение 4

Глава 1. Методы разделения металлических материалов 11

1.1 Анализ методов разделения материалов 11

1.2. Гидроабразивное разделение 15

1.3. Анодно-абразивная обработка металлических материалов 30 Анализ известных исследований и обоснование задач работы 39 Глава 2. Методика решения поставленных задач 41

2.1. Рабочие гипотезы 41

2.2. Объекты обработки 42

2.3. Обоснование и выбор способа подведения электрического поля в 44 зону обработки при гидроабразивном разделении металлов с анодным растворением поверхности разделения

2.4 Новые материалы для инструментов при гидроабразивном 50 разделении с наложением электрического поля

2.5. Экспериментальная установка и оснастка 56

2.6. Порядок выполнения работы 57 Выводы 59 Глава 3. Механизм гидроабразивного разделения материалов с 61 наложением электрического поля

3.1. Физическая модель комбинированного разделения 61

3.2. Математическое описание процесса удаления шаржированного 65 слоя при комбинированной обработке

3.3. Математическое описание процесса удаления загрязнения с 73 поверхности используемого абразива при комбинированной обработке

Выводы 77

Глава 4. Экспериментальные исследования гидроабразивного 78 разделения материалов с наложением электрического поля

4.1. Анализ дефектов поверхности после гидроабразивного 78 разделения

4.2. Удаление шаржированного слоя при комбинированном 88 разделении

4.3. Шероховатость и точность поверхности разделения после 94 комбинированного разделения

4.4. Восстановление режущих свойств абразива при 100 комбинированном разделении

Выводы 103 Глава 5. Реализация комбинированного способа разделения в 105 машиностроении

5.1. Схема промышленной установки для комбинированного 105 разделения материалов и рекомендации по модернизации гидроабразивных установок

5.2. Технологический процесс комбинированного разделения 111 токопроводящих материалов

5.3. Технологические возможности способа разделения 113 5.4 Перспектива использования комбинированной гидроабразивной 119 обработки с наложением электрического поля

Выводы 128

Результаты и выводы по работе 130

Литература 134

Приложение 1 146

Приложение 2 149

Введение

Актуальность темы: Постоянно растущие требования потребителей к показателям качества и производительности процессов разделения материалов, использование новых материалов с особыми свойствами, большой сортамент и номенклатура разделяемых изделий, многократность использования операции резки на стадиях изготовления заготовок потребовали новых технологий разделения материалов, так как традиционное механическое разделение имеет ограничение возможности и отличается значительной энергоемкостью, относительно низкой скоростью резания, сложностью получения изделий сложной формы (ограничением являются геометрические размеры механического инструмента), осыпанием кромок хрупких материалов, нежелательным термическим воздействием на обрабатываемый материал и образованием пыли, вызывающей профессиональные заболевания. Для некоторых широко используемых металлов применение традиционных методов механического разделения материалов не желательно, т.к. вызывает ухудшение эксплуатационных характеристик изделий. Примерами таких материалов могут быть: металлы, для которых не допустим чрезмерный нагрев в зоне обработки (титан и т.д.), обладающие малой твердостью (алюминий, медь и т.д.), хрупкие материалы (полупроводники, эльбор и т.д.).

Одним из методов, снижающих негативное воздействие на зону разделения, является гидроабразивная резка материала. В процессе освоения этого метода выявлены недостатки, главным из которых является возникновение в зоне разделения металлов с малой твердостью элементов шаржирования поверхности абразивными зернами, которые вызывают трудности при последующей обработке. Абразив, застрявший в материале, требует дорогостоящей последующей операции, ухудшает эксплуатационные свойства детали и может вызвать выход изделия из строя в процессе эксплуатации.

В рассматриваемой работе проблема получения окончательного профиля несопрягаемых участков поверхностей решена применением комбинированной механической струйной гидроабразивной и электрохимической обработки путем анодного съема с поверхности разделения припуска, достаточного для удаления шаржированного слоя. Из теории электрохимической размерной обработки известно, что скорость съема материала анодным растворением будет выше на концентраторах поля, которыми являются неровности. Это способствует снижению шероховатости. Одновременно происходит съем металла, налипшего на поверхность абразива. Это приводит к стабилизации процесса разделения металла, повышению качества обработанной поверхности, производительности, срока службы инструмента, а также достигается значительное снижение себестоимости обработки. Таким образом, предлагаемый способ, сохраняя все преимущества гидроабразивного разделения, устраняет нежелательные факторы ранее используемого процесса, расширяет технологические возможности гидроабразивного метода, что востребовано промышленностью и является актуальным в научном и прикладном аспекте.

Работа выполняется в соответствии с федеральной целевой программой «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 20092013 гг. и научным направлением ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный технический университет» в соответствии с планом ГБ НИР № 2010.15 «Наукоемкие технологии в машиностроении, авиастроении и ракетно-космической технике».

Научная проблема: создание способа и установление закономерностей передачи энергии электрического поля через токопроводящий канал, разработка механизма анодного растворения шаржированного слоя, совмещенного в реальном масштабе времени с механическим воздействием несвязанных абразивных гранул в процессе разделения материалов и очистки используемых абразивных зерен от продуктов обработки.

Цель работы: исследование процесса и разработка технологии комбинированного гидроабразивного разделения с анодным удалением шаржированного слоя управляемым электрическим полем, обеспечивающим получение чистовой геометрии токопроводящих заготовок и сопутствующей очистки используемого абразива от продуктов обработки.

Для достижения поставленной цели требуется решить следующие задачи:

1. Установить пути повышения качества поверхности при разделении токопроводящих материалов комбинированным воздействием гидроабразивной струи и управляемого электрического поля.

2. Создать новые инструменты с переменной анодной и абразивной составляющей съема материала.

3. Разработать новый способ и раскрыть механизм удаления шаржированного слоя с адаптивным управлением электрическим полем по обратной связи с местом разделения материалов.

4. Разработать новый способ и раскрыть механизм очистки абразивных гранул от продуктов обработки в процессе разделения комбинированным методом.

5. Разработать рекомендации для проектирования средств технологического оснащения при комбинированном разделении материалов.

6. Разработать технологию комбинированного разделения материалов для получения заготовок, не требующих последующей обработки несопрягаемых поверхностей.

7. Оценить технологические возможности комбинированной обработки для получения поверхностей деталей с требуемой геометрией микро и макро профиля.

Методы исследований: В работе были использованы: теория обработки свободным абразивом; проектирование комбинированных методов обработки с наложением электрического поля; моделирование процессов с адаптивными связями; закономерности электрохимической размерной и комбинированной

электроабразивной обработки; классические закономерности электротехники, гидродинамики и химической кинетики.

Научная новизна полученных результатов работы включает:

1. Разработку механизма локального комбинированного разделения токопроводящих материалов с наложением электрического поля, отличающийся тем, что он включает адаптивное управление параметрами процесса анодного растворения с депассивацией зоны обработки за счет энергии воздействия абразивных гранул, используемых для гидроабразивной обработки.

2. Механизм управления комбинированным процессом, отличающийся тем, что впервые установлены взаимосвязи режимных параметров анодного процесса с механическим воздействием абразивных гранул, необходимые для достижения технологических показателей разделения материалов и обеспечение эксплуатационных требований к изделию.

3. Научное обоснование предельных технологических возможностей комбинированной обработки с учетом взаимного воздействия на процесс абразивных частиц и анодного растворения припуска с поверхности разделения.

4. Раскрытие механизма интенсивного управляемого переноса электрического поля при использовании в качестве инструмента нетокопроводящих абразивных гранул с токопроводящим твердым покрытием, удаляемым тепловым и динамическим воздействием струи при контакте с обрабатываемой поверхностью.

Практическая значимость работы:

1. Создание нового способа комбинированного разделения материалов, обеспечивающего совмещенное механическое воздействие абразивных несвязанных сред и локального действия электрического поля с регулированием времени протекания процесса по положению струи в зоне разделения.

2. Создание новой технологической схемы и инструмента для комбинированной обработки, позволившим устранить существенный недостаток гидроабразивного разделения - шаржирование поверхности разделения материала.

3. Разработка технологических режимов и технологии гидроабразивного разделения материалов с управляемым наложением электрического поля, позволяющим обеспечить повышение качества обработанной поверхности и снизить шероховатость в соответствии с требованиями к заготовке, создать условия для исключения последующей обработки несопрягаемых поверхностей деталей.

4. Создание нового инструмента, обладающего управляемой проводимостью при подаче электрического поля в зону обработки, что дает возможность повысить режущую способность инструмента за счет очистки гранул от загрязнений продуктами обработки.

Личный вклад соискателя включает:

1. Создание нового, защищенного патентом (№2465994), способа комбинированного разделения токопроводящих материалов, заключающегося в одновременном сверхзвуковом воздействии гидроабразивной струи на разделяемый материал с удалением шаржированной части поверхностного слоя анодным растворением.

2. Разработку механизма удаления шаржированного слоя с поверхности разделения при адаптивном гидроабразивном разделении материалов с наложением электрического поля по сигналам обратной связи о геометрии зоны разделения.

3. Создание нового, защищенного патентом (№2455132), способа удаления с абразивных зерен токопроводящего загрязняющего слоя продуктов обработки путем их управляемого растворения внешним электрическим полем.

4. Разработку метода повышения чистоты поверхности за счет анодного выравнивания поверхностного слоя при комбинированном механическом и

депассивирующим воздействии абразивных гранул, а также электрохимического растворения микронеровностей.

5. Методику расчета режимов и проектирования ТП комбинированного разделения токопроводящих материалов, обеспечивающих получение технологических показателей, отвечающих требованиям к поверхностям деталей в процессе эксплуатации без их последующей обработки.

6. Конструкции инструментов, обеспечивающих повышение технологических показателей комбинированной обработки.

7. Рекомендации по модернизации оборудования для комбинированного гидроабразивного разделения материалов с подводом в зону обработки электрического поля.

Апробация работы. Основные положения диссертации обсуждались и получили одобрение специалистов на:

Международных конференциях: МК-130-411, г. Пенза, 2011 г.; VI Международная научно-практическая конференция «Технологическое обеспечение качества машин и приборов, г. Москва, 2011 г.; ОАО "Концерн "Авиационное оборудование" Перспектива развития авиационного оборудования и агрегатов г. Москва, 2012 г.; ССП-2012, г. Воронеж, 2012 г.; VIII международная научно-техническая конференция «Информационные технологии в науке, технике и образовании», г. Пицунда, 2012 г; ССП-2013, г. Воронеж, 2013 г.

Всероссийских конференциях: АКТ 2011, г. Воронеж; Новые материалы и технологии в ракетно-космической и авиационной технике "Центр подготовки космонавтов", г. Москва, 2011 г.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 17 научных работ, в том числе 6 в изданиях, рекомендованных Высшей аттестационной комиссией (ВАК) для публикации основных результатов диссертации. Получены 2 патента РФ. Общий объем публикаций 7,25 п.л. из них лично автору принадлежит 5,6 п.л.

Структура и объем работы. Диссертационная работа включает введение, 5 глав, заключение. Основная часть работы изложена на 155 страницах машинописного текста и содержит 61 рисунок, 7 таблиц, список литературы из 102 наименований, приложения.

Глава 1. Методы разделения металлических материалов

1.1 Анализ методов разделения материалов

Наиболее перспективны в современном производстве универсальные, быстропереналаживаемые, экономичные и экологически безопасные методы обработки. Наиболее применяемыми являются: гидроабразивное, лазерное, плазменное, газокислородное и проволочное электроэрозионное разделение [6, 10, 18, 52, 55, 71, 76, 84]. Все эти методы имеют различную природу и характеристики разделения. Рассмотрим эти методы подробнее и сравним их с проектируемым комбинированным методом.

Лазерная резка металлов основана на процессах нагрева, плавления, испарения, химических реакциях горения и удаления расплава из зоны резки. Сфокусированное лазерное излучение, обеспечивая высокую концентрацию энергии, позволяет разделять практически любые металлы и сплавы независимо от их теплофизических свойств за исключением светоотражающих и светопропускающих. При этом можно получить узкие резы с минимальной зоной термического влияния. При лазерной резке отсутствует механическое воздействие на обрабатываемый материал и возникают минимальные деформации, как временные в процессе резки, так и остаточные после полного остывания. Вследствие этого лазерную резку можно осуществлять с высокой степенью точности, в том числе легкодеформируемых и нежестких заготовок или деталей. Благодаря большой плотности мощности лазерного излучения обеспечивается высокая производительность процесса в сочетании с высоким качеством поверхностей реза.

Преимущества лазерного разделения:

- высокая скорость разделения тонких стальных листов (до 6 мм) не отражающих свет;

- автоматизация процесса;

- небольшая ширина реза;

- имеется возможность начать резание материала в любой его точке;

- высокая экономичность резания благодаря удалению малого объема материала и использования дешевых расходных материалов;

- очень быстрое и простое перепрограммирование.

Недостатки лазерного разделения:

- высокая стоимость оборудования;

- термическое воздействие на материал в зоне реза со всеми вытекающими неблагоприятными последствиями;

- ограничение перечня и диапазона толщин подвергающихся резке материалов;

- невозможность резки светоотражающих или светопропускающих материалов;

- высокий расход энергии;

- высокая стоимость обслуживания и ремонта;

- выделение вредных газов и испарений в процессе резки.

Технология плазменной резки основана на использовании воздушно-

плазменной дуги постоянного тока прямого действия. Сущность процесса плазменной резки заключается в локальном расплавлении и выдувании расплавленного материала из полости реза.

Преимущества плазменного разделения:

- относительно низкая стоимость оборудования;

- относительно высокая скорость разделительной резки малых и средних толщин при увеличенных допусках;

- автоматизация процесса резки.

Недостатки плазменного разделения:

- ограничение перечня подвергающихся резке материалов токопроводящими материалами;

- низкая точность реза криволинейных поверхностей;