Содержание к диссертации
Глава 1 ГЛАВА 1 АНАЛИЗ СОСТОЯНИЯ ВОПРОСА ПАКЕТНОЙ
РЕЗКИ МАТЕРИАЛОВ гаДРОАБРАЗИВНОЙ СТРУЕЙ И
1.1 Применение гидроабразивного резания в различных отраслях
промышленности 11
L2 Сравнительная оценка применения гидроабразивного резания 18
Пакетная резка материалов гидр о абразив ной струей 20
Теоретические модели процесса і идроабразивного резания 23
Двумерные модели гидроабразивного резания в направлении подачи 23
Трехмерные модели гидроабразивного резания в направлении подачи 27
Модель энергетического баланса процесса гидроабразивного резания 29
Моделирование формы режущего фронта 35
Моделирование объема срезаемого слоя и глубины резания 36.
1.5 Цель и задачи исследования 42
Глава 2 РАЗРАБОТКА МАТЕМАТИЧЕСКИХ МОДЕЛЕЙ РАЗРУ
ШЕНИЯ ПАКЕТИРОВАННОГО МАТЕРИАЛА ПОД ДЕЙ
СТВИЕМ ГИДРОАБРАЗИВНОЙ СТРУИ 44
Анализ микротопографии поверхности реза на основе микроскопических исследований поверхности реза 44
Модельная среда 49
Моделирование внедрение абразивной частицы в обрабатываемый материал под прямым углом 52
Моделирование проникания абразивного зерна при различных углах контактного взаимодействия 66
Моделирование активной границы струи в межслойной зоне
--.> пакетированного материала " " *" ? '',''" ' 77
1 .
4 ^ ' і '
- 2.6 Моделирование изменения скорости подачи сопла при' реза
нии однослойного материала ,82
2.7 Моделирование изменения скорости, подачи.сопла при,реза
нии'пакетирован ного материала ;_ S7
Выводы по второй главе . . ' 92"
Глава 3 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ- ИССЛЕДОВАНИЯ ВЛИЯНИЯ
КОНСТРУКТИВНЫХ ПАРАМЕТРОВ' ПАКЕТА И, 1ЕХНО-
ЛОГИЧЕСКИХ РЕЖИМОВ^ ОБРАБОТКИ НА ОТКЛОНЕ- "
КИЕ ФОРМЪТИ РАСПОЛОЖЕНИЕ ПОВЕРХНОСТИ РЕЗА.
/ ВЫРЕЗАННЫХ ДЕТАЛЕЙ . ' * 93
ЗЛ Экспериментальные исследования влияния конструктивных
;....
параметров пакета и технологических режимов обработки иа:
„'. ( . --
ширинуреза г- ' " " . 93'
_. 3.2 Экспериментальные исследования влияния консіруктивньїх
' ' параметров пакета и технологических режимов'обработки па
конусность реза '- .100
3.3 Экспериментальные исследования влияний' конструктивных
параметров пакета и технологических режимов обработки на^
угол отклонения сгруи . . ."".> . . 102
. г j _ ч
3.4 Оценка адекватности разработанной^ математической' модели
разрушения пакетированного; материала под действием; гид-
роабразишюй струи. " 106
Выводы по третьей главе ' '-;.. 107
Глава 4 РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ РЕКОМЕНДАТЩЙ
ВЫБОРА РЕЖИМОВ РЕЗАНИЯ И КОНСТРУКТИВНЫХ
ПАРАМЕТРОВ ПАКЕТА 109
4:1 Технологические рекомендации выбора, режимов пакетной
резки материалов гидроабразивнои струей с межслойным за-
зором
Выбор оптимального расположения поддерживающих опор 126
Эконом ((ческая эффективность использования результатов
исследова пий 132
Выводы по четвертой главе 142
ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ 144
СІ 1ИС0К ЛИТЕРАТУРЫ 146
ПРИЛОЖЕНИЕ А Листинг программы расчета режимов обработки с
учетом физико-механических свойств обрабатываемого материала и
конструктивных параметров пакета в среде Matlab 156
ПРИЛОЖЕНИЕ Б Акт внедрения результатов работы 173
Введение к работе
В стратегии развития Российской Федерации до 2010 г. приоритетной проблемой определена модернизация отечественной экономики [1], Основой технического перевооружения всех отраслей экономики является'машиностроительное производство, которое является главной отраслью металлообрабатывающей* промышленности и- занимает центральное место в экономике всех иысокоиндустриальных стран.
Повышение конкурентоспособности отечественной машиностроительной продукции- требует постоянного обновления- ассортимента изделий. Опыт производства ведущих промышленно развитых стран показывает, что наибольшую'прибыль можно* получить в начале срока поставки новых машин, т.е. при минимальном периоде подготовки производства, определяемом временем технологического оснащения вы пуска, изделий [2, 3].
По данным Международной ассоциации инженеров-технологов, в мировой экономике на среднесерийное, мелкосерийное и единичное производство приходится 70-80 % общего объема выпуска изделий машино строения
[41
Сложность машиностроительной продукции, выросла в среднем в 6 раз
за последние три десятилетия [5, 6]. Из общего числа типоразмеров деталей, изготовляемых в механообрабатывающем производстве, наибольшая часть (более 2/3 общей номенклатуры) приходится на плоские, а также фигурные, профильные и другие детали сложной формы. Плоские детали сложной'фор-мы, не относящиеся к телам вращения, имеют значительное число наименовании (более 50 % номенклатуры) и составляют 20 — 30 % от общей стоимости механообработки.
В настоящее время, для изготовления плоских деталей из листа в заготовительном производстве широкое применение находя і различные механические методы обработки [7], в первую очередь резка ножовочными полотнами, ножницами, ленточными пилами, фрезами, штампами и др.
На долю механических методов резания приходится около 70 % всех выполняемых операций. Несмотря на многие достоинства этого процесса, при резании по сложному контуру возникают недостатки, связанные с низкой производитель*!остью, сложностью и высокой стоимостью отрезного инструмента -(штамповая оснастка), трудностью или невозможностью раскроя,
Поэтому в гиб костру ктурном современном производстве, где месячная программа изготовления сложнопрофильных деталей из листа может измеряться десятками и сотнями штук, применение традиционных методов становится экономически неоправданно.
За последние годы в мировой практике накоплен значительный опыт резания материалов ло сложному контуру с использованием электрофизического, электрохимического и физико-химического воздействия [8, 9].
Наиболее эффективным методом, сочетающим высокие показатели, как по производительности процесса, так и по точности и качеству поверхностей реза, является лазерное резание. Весьма эффективным оказалось применение лазерной резки фигурных, изделий на стадии освоения новой продукции, так как из-за высокой гибкости лазерного оборудования значительно сокращаются сроки освоения изделий. В настоящее время высокими темпами развивается резка пространственных изделий, в том числе с использованием роботов-манипуляторов, при этом лазерное излучение к зоне обработки может передаваться по гибкому оптоэлектронному лучепроводу [10].
Преимущества лазерного резания наиболее значимы в среднем и общем машиностроении, на долю которых приходится 40 % товарной продукции отрасли, где основная масса листовых заготовок имеет толщину до 5 — 10 мм,
Одной из конкурирующих технологий лазерной является резка гидроабразивной струей [11, 12].
Резание гидро абрази в пой струей позволяет:
повысить точность вырезки деталей, что определяет ооъем пригоночных работ при еборочно-сварных работах или возможность их полного исключения в случае изготовления деталей «в чистый размер»;
повысить качество кромок вырезанных деталей, что исключает необходимость их зачистки или механической обработки перед сборкой конструкции;
повысить производительность вырезки деталей;
исключить рихтовку заготовок после резки, так как отсутствуют высокие температуры в зоне резания;
исключить вредные выбросы в окружающую* сред;' и световое излучение, что существенно снижает затраты на обеспечение экологической чистоты процессов и соблюдение требований охраны труда.
Гидроабразивное резание является финишной операцией, так как достигаемые геометрические характеристики и физико-механические свойства поверхности детали не требуют дополнительной обработки,
Значительный вклад в разработку основ конструкторско-тсхнологического обеспечения процесса резания материалов сверхзвуковой струей жидкости внесли известные отечественные и зарубежные ученые: Р.А. Тихомиров В.Ф. Бабанин. Е.Н. Петухов, Г. В, Барсуков, А.А. Барзов, И.И. Шапиро, А.А. Семерчап, И.З. Зайченко, ИЗ. ГТетко, B.C. Гуетіко, В.А. Слабодяикж, В.А, Потапов, И.И. Шапиро, Ю.А. Пономарев, О.И, Скирденко, В.Н. Подураев, В.А. Новиков, А.Ф. Саленко, A. Member, М. Hashish, R. Kovacevic, Н. Lours, J. Wiedemeier, E. Geskin, R. Mohan, Y. Zhang, D. Arola, M. Ramum. J. Chao, J. Zeng и др.
Основные подходы к обеспечению производительности и качества резания материалов сверхзвуковой струен жидкости различного состава разрабатываются научной школой проф. Р.А. Тихомирова. Установлена пзаимо-связь технологических факторов процесса гидрорезания и определены оптимальные параметры струи, ее состав и характер воздействия на материал. Изучены схемы микроразрушения материалов при различном характере воз-
действия струи- Установлена взаимосвязь динамических и геометрических параметров струи и обрабатываемого материала. Разработаны различные структурные схемы шдрорезаиия,
Пакетная резка материалов гидроабразивной струей существенно снижает энергоемкость процесса, что является весомым-конкурентным преимуществом перед лазером.
Для резания пакетированных материалов рекомендуется выбирать режимы резания так, как будто разрезается один лист соответствующей толщины, без учета особенностей собранного пакета материала.
Однако основные затруднения-при гидроабразнвной резке возникают
і і
именно вследствие неплотного прилегания листов-в пакете. При наличии зазоров гидроабразивная струя искривляется о растекается в стороны, образуя завихрения, которые препятствуют сквозному прорезанию материала, при этом процесс резания прекращается. При резании по сложному контуру мелких деталей процесс резки сопровождается растеканием струи, локальным подъемом уложенных листов и прекращением процесса сквозного резания.
Для обеспечения сквозного прорезания место обработки дополнительно стягивается или нагружается. При вырезке внутренних контуров резку начинают с отверстий, заранее просверленных на некотором расстоянии от контура деталей на тех частях пакета, которые идут в отход.
Листы, предназначенные для пакетной резки, тщательно выправляются, очищаются от грязи, ржавчины, окалины, удаляются местные отгибы, зазубрины и крупных заусенцы.
Существенно снизить время на подготовительные работы позволяет разработанный в ходе исследования способ сборки пакета материалов с технологическим межслойпым зазором, который позволяет: исключить образование водных пробок в межслойной зоне; улучшить условия отвода из зоны резания продуктов разрушения; повысить эффективность гидроабразивной струи; вывести из зоны разрушения отработанный абразив,
ЦЕЛЬ РАБОТЫ: повысить производительность процесса обработки и
і разработать технологический процесс для пакетной резки материалов гидроабразивной струей.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
Оценить влияние режимов резания и конструктивных параметров пакета материалов на процесс гидроабразивного резания и разработать технологический метод і ювышения производительности обработки.
Установить функциональные зависимости технологических режимов резания от конструктивных параметров пакета материалов посредством ма-темаї ического моделировании его разрушения под действием гидроабразивной струи.
Установить закономерности отклонения формы и расположение поверхности реза вырезанных деталей от режимов резания и конструкшвных параметров пакета материален на основе экспериментальных исследований.
4. Разработать и промыптленно апробировать технологические реко
мендации выбора режимов резашія и конструктивных параметров пакета, по
зволяющие повысить производительность пакетной резки материалов гидро-
абразивпой струей.
МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ, Теоретические исследования базируются на основных положениях механики деформируемого твердого тела, теории упруго пластического течения, численного анализа и математических методов. Экспериментальные исследования выполнялись с использованием методов математического планирования и анализа экспериментов,
НАУЧНАЯ НОВИЗНА- Научно обосвоиан технологический процесс пакетной резки материалов гидро абразивной струей, отличающийся от ранее известных созданием межслойного зазора в пакете материалов основанный на выявлении функциональных зависимостей:
величины межслоііпого зазора и-шага межслойньгх опор пакета материалов от диаметра зерна, физико-механических свойств материала, толщины и режимов резания;
количества'листов в пакете материалов, ширины и конусности реза, отклонения фронта разрушения в продольном направлении от величины межслойного зазора, толщины И' физыко-механических свойств, материала, режимов резания.
ПРАКТИЧЕСКАЯ ЦЕННОСТЬ:
1. Получены закономерности разрушения пакетированного материала с
межслойным зазором под действием гидроабразивной струи, позволяющие
технологу назначить режимы резапия с учетом конструктивных особенно
стей пакета материалов.
Разработан способ сборки пакета материалов, позволяющий улучшить условия разрушения в меж^лойных переходах и обеспечить устойчивое. сквозное резание гидро абразивной струей,
Разработано программное обеспечение, позволяющее автоматически производить расчет режимов обработки с учетом физико-механических свойств обрабатываемого материала и конструктивных параметров пакета.
Разработаны технологические рекомендации выбора режимов резания и конструктивные параметры пакета материалов.
5. Результаты исследований нашли применение на ОАО НИИ «Изо
терм» (г. Брянск),
По теме работы опубликовано 13 печатных работ, из них 6 в журналах из перечня*ВАК, рекомендованного для опубликования результатов диссертационных работ.
