На правах рукописи

Яблуновский Ян Юрьевич

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ГИДРОАБРАЗИВНОЙ

ОБРАБОТКИ НА ОСНОВЕ УЧЕТА ЭНЕРГИИ ДВУХФАЗНОЙ

РЕЖУЩЕЙ СТРУИ

Специальность 05.02.07 – Технология и оборудование механической и физикотехнической обработки

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Рыбинск – 2012 2

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

Научный руководитель д-р техн. наук, профессор Рыкунов Александр Николаевич

Официальные оппоненты: д-р техн. наук, профессор Барсуков Геннадий Валерьевич канд. техн. наук Коряжкин Андрей Александрович

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

Пермь

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

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

Автореферат разослан «13» февраля 2012 г.

Ученый секретарь диссертационного совета Конюхов Б.М.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

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

Результаты изучения влияния свойств абразива на механизм формирования микрогеометрии поверхности реза и достигаемой производительности представлены в трудах Ю.С. Степанова, Г.В. Барсукова, Р.А. Тихомирова, А.А. Барзова, А.Л. Галиновского, М.А. Бурнашова и др.

Однако все имеющиеся расчетные зависимости основаны на моделировании самого процесса резания и практически исключены этапы пробивки заходного отверстия и этап окончания резания, отсутствуют математические модели, учитывающие такие механизмы разрушения материалов при гидроабразивном резании как: усталостное, хрупкое разрушение, высокоскоростное столкновение абразивных частиц и материала.

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

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

Задачи:

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

• исследование влияния износа сопла при гидроабразивной резке на разгон абразива;

• математическое моделирование взаимодействия абразивной частицы с поверхностью обрабатываемого материала;

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

• разработка рекомендаций по повышению эффективности гидроабразивной резки.

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

Экспериментальные исследования выполнялись с использованием методов математического планирования и анализа.

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

На защиту выносятся:

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

Регрессионные зависимости расчета коэффициента эффективности K эф и предложено использовать его в качестве комплексной характеристики процесса гидроабразивной обработки Расчты по критерию разрушения материала для определения пробивной способности струи с учетом энергетических возможностей для различных обрабатываемых материалов.

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

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

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

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

Практическая ценность:

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

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

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

Апробация работы: Основные научные положения диссертации докладывались и обсуждались на: Международной школе-конференции молодых учных, аспирантов и студентов им. П.А. Соловьва и В.Н.

Кондратьева «Авиационная и ракетно-космическая техника с использованием новых технических решений» (Рыбинск, 2006); на конкурсе научнотехнических работ ОАО «Корпорация «Тактическое ракетное вооружение»»

(Королв, 2007).

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

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

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

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

Первая глава посвящена рассмотрению физической схемы обработки материалов струей жидкости сверхвысокого давления при гидрорезании.

Показано, что струйная обработка является более сложным процессом резания, имеющим свои специфические особенности и отличающимся от традиционных процессов резания.

Рассмотрен механизм кавитации при гидроабразивном резании.

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

Вторая глава описывает методики исследования процесса гидроабразивного резания листового материала.

Часть главы посвящена исследованию процессов, происходящих на стадии пробивки отверстия. На стадии пробивки отверстия образуется противоток гидроабразивной струи в обратном направлении по отношению к направлению истекания струи из сопла гидроабразивной установки, что может существенно ослаблять действие абразивных частиц на разрушаемый материал.

При этом перестает действовать механизм абразивного микроцарапания обрабатываемой поверхности, начинает преобладать механизм динамического воздействия на поверхность реза.

Экспериментальные исследования были направлены на получение следующих результатов:

выявление основных дефектов, возникающих при гидроабразивном резании;

исследования пробивки, резания и окончание обработки как гидроабразивной, так гидроструй;

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

получение зависимости глубины резания от основных технологических параметров обработки;

определение коэффициента эффективности на всем промежутке процесса резания;

экспериментальное подтверждение кавитационных явлений при гидроабразивном резании.

Цели исследований:

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

2. Исследование процесса разрушения материалов при резании;

3. Определение коэффициента разрушения.

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

Для описания глубины реза и коэффициента эффективности от технологических условий была принята зависимость где – постоянные коэффициенты.

Проверка коэффициентов регрессии на значимость проводилась с помощью t-критерия Стьюдента при 5 % уровне значимости где S bi – дисперсия коэффициента регрессии; S y – дисперсия исследуемого показателя процесса вычисляется по результатам всех опытов в центре плана; N – число опытов.

Проверка моделей на адекватность проводилась по F-критерию Фишера.

Уравнение регрессии принимается при выполнении условия В третьей главе рассматривается математическая модель процесса гидроабразивной обработки.

Одним из обязательных условий применения жидкостных струй для разрезки различных материалов является получение при вылете из сопла струи с хорошими гидродинамическими свойствами, обеспечивающими достаточно высокую эффективность процесса гидрорезания (рис. 1).

Произведены расчеты изменения осевой скорости для двух типов сопел – для нового сопла и сопла с отработкой 120 ч. (рис.4а) Как видно из рис.2а осевая скорость гидроабразивных частиц на выходе из сопла у отработавшего 120 ч в 1,8 раза меньше, чем у нового.

Уменьшение осевой скорости приводит к снижению качества и производительности процесса гидроабразивного резания.

Рис. 2. Разрез сопла после отработки 120 ч (а), осевая скорость гидроабразивных частиц Часть третьей главы посвящена моделированию изменения скоростных и энергетических параметров водной струи и абразивной частицы.

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

Рис.3. Алгоритм моделирования изменения скоростных и энергетических параметров Построены графики изменения кинетической энергии абразивных частиц при движении внутри сопла (рис.4) Дж 0, Ек 0, Рис. 4 графики изменения кинетической энергии абразивных частиц при движении После использования сопла в течение 120 ч кинетическая энергия абразивных частиц снижается в три раза по сравнению с новым соплом, что непосредственным образом влияет на производительность, качество изготавливаемых деталей.

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

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

разрушаемого поверхностного слоя материала формируется в результате множественных воздействий упруго-пластических взаимодействиях, происходящих в зоне контакта абразивной гранулы и Рис.5. Методика расчетов изменения кинетической энергии абразивной гранулы Для описания механизма деформации и разрушения материала при формировании профиля реза на обрабатываемой поверхности можно применить общий подход, заключающийся в определении количественных параметров единичного взаимодействия абразивного зерна с поверхностью материала. В основу построения математической модели положен закон сохранения энергии.

Предполагалось, что кинетическая энергия движущейся абразивной гранулы при контакте с упрочняемой поверхностью переходит в энергию упругой деформации абразивной гранулы и упрочняемого тела, энергию пластической деформации упрочняемой поверхности и трения на контактных поверхностях и энергию ударных волн, распространяющихся по грануле и разрушаемому телу.

При достижении предела прочности на части поверхности контакта или на всей ее поверхности происходит переход к хрупкому разрушению. В этом случае среднее усилие деформирования в интервале времени t будет определяться зависимостью где В (, ) – предел прочности разрушаемого материала в зависимости от степени деформации и температуры, МПа.

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

теоретических результатов исследования.

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

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

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

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

Рис. 6. Рез и кратерообразная поверхность латуни Л Как показывает производственный опыт, одним из наиболее ответственных этапов гидроабразивной обработки является этап первичной пробивки отверстия. На этом этапе абразивные частицы, движущиеся в гидроабразивной струе, вынуждены замедлить скорость движения до нуля, а затем начать движение в боковом или в противоположном направлении. Только после полной пробивки отверстия движение абразивных частиц происходит в одном направлении.

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

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

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

сопло неподвижно с использованием абразива.

Следующая серия экспериментов имела своей целью установление влияния основных технологических параметров процесса гидроабразивной обработки на глубину реза и коэффициент эффективности.

Обработка алюминия АМг6, толщина 30 мм, диаметр сопла 0,76 мм (рис.8, 9) – разбивка по группам технологических параметров.

Рис.8. Внешний вид образца АМг6 Рис.9. Продольная разрезка прорезов По результатам эксперимента построены зависимости глубины реза от технологических параметров: подачи h f (S ), давления h f ( p), расхода абразива h f (Q) (рис.10).

Для варианта обработки алюминия АМг6 был определен коэффициент эффективности K эф для трех групп режимов:

где mз - изменение массы заготовки, кг; mгас - изменение массы гидроабразивной струи, кг.

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

Рис.11. Изменение коэффициента эффективности K эф По результатам экспериментальных данных разрушения гидро- и гидроабразивной струй были получены следующие зависимости для расчета:

глубины реза для АМг6:

где h - глубина реза, м; S - подача, м/с; р – давление жидкости, МПа;

p0 – атмосферное давление, МПа Q - расход абразива, кг/с.

Проведнные исследования, в целом, показывают возможность использования коэффициента эффективности К эф в качестве комплексной характеристики процесса гидроабразивной обработки, позволяют учитывать влияние на не различных факторов и производить оптимизацию процесса, исходя из критерия его производительности. В частности, использование величины К эф для исследования эффективности процесса резания заготовок из алюминия АМг6 путем сравнительной оценки различных технологических условий обработки позволило добиться повышения производительности труда на 60% в сравнении со стандартной технологией.

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

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

Исследования износа струеформирующего сопла позволили установить его влияние на энергетические параметры струи за счет изменения формы в продольном и поперечном сечении. Показано, что через 120 ч. работы кинетическая энергия струи на выходе из сопла уменьшается более чем в Исследование этапа первичной пробивки отверстия в обрабатываемом материале совместно с коэффициентом эффективности позволило снизить расход гранатового концентрата (в среднем на 10%) с увеличением стойкости сопел в среднем на 80 часов (с 100 ч. до 180 ч.);

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

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

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

СПИСОК ПУБЛИКАЦИЙ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

Публикации в изданиях рекомендованных ВАК:

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

2. Яблуновский, Я. Ю. Гидроабразивное резание материалов [Текст] / Я.

Ю. Яблуновский // Естественные и технические науки. – 2007. – № 5. – С. 182–183.

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

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

5. Яблуновский, Я. Ю. Повышение эффективности гидроабразивной обработки на основе учета коэффициента эффективности [Текст] / Я. Ю.

Яблуновский // Естественные и технические науки. – 2011.– №4. – С. 6. Рыкунов, А.Н., Яблуновский, Я. Ю. Оценка эффективности процесса обработки материалов гидроабразивной струй на основе использования коэффициента приведнной массы [Текст] / Рыкунов А.Н. // Вестник Рыбинского государственного авиационного технического университета имени П. А. Соловьева. – 2011. - №2(21). – С.67 – 72.

Прочие публикации:

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

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

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

96–98.