Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Современное состояние вопроса обеспечения производительности технологии гидроабразивного резания 10
1.1. Функциональные возможности и области применения технологии гидроабразивного резания 10
1.2. Структура гидроабразивной технологической системы 15
1.3. Анализ технологических параметров, определяющих производительность гидроабразивного резания 18
ГЛАВА 2. Моделирование процесса износа канала соплового насадка гидроабразивной технологической системы 31
2.1. Теоретическое исследование закономерностей износа канала соплового насадка 31
2.2. Обобщенная математическая модель износа канала соплового насадка 34
2.3. Результаты моделирования износа соплового насадка и оценка влияния износа на производительность гидроабразивного резания 59
ГЛАВА 3. Экспериментальные исследования износа канала соплового насадка 96
3.1. Определение структурных характеристик гидроабразивной струи в канале СН 96
3.2. Исследование износа сопловых насадков методом рентгеновской интроскопии 101
3.3. Исследование изменения микротвердости материала СН вследствие износа. Сопоставление расчетных и экспериментальных данных по износу сопловых насадков 109
Стр. 3.4. Исследование изменения параметров гидроабразивной струи и производительности гидроабразивного резания вследствие износа
соплового насадка 123
ГЛАВА 4. STRONG Разработка инженерной методики рационального комплектования оборудования
Гидроабразивного резания STRONG 131
Выводы 141
Список литературы
- Структура гидроабразивной технологической системы
- Анализ технологических параметров, определяющих производительность гидроабразивного резания
- Обобщенная математическая модель износа канала соплового насадка
- Исследование изменения микротвердости материала СН вследствие износа. Сопоставление расчетных и экспериментальных данных по износу сопловых насадков
Введение к работе
Актуальность работы
Одной из основных задач в стратегии инновационного развития России на период до 2020 года является повышение конкурентоспособности отечественной продукции в различных отраслях промышленности.
Решение данной задачи требует перехода на более эффективные технологии в различных отраслях обрабатывающей промышленности с целью постоянного обновления ассортимента изделий, изготавливаемых из широкой номенклатуры материалов, имеющих различные физико-механические свойства.
Одной из ключевых технологий, позволяющей модернизировать существующие производственные процессы на предприятиях машиностроительной отрасли является резание гидроабразивной струёй, формируемой в режущей головке технологической системы (ТС). Рассматриваемая технология обладает широкими функционально-технологическими возможностями и применяется в различных отраслях машиностроения.
На сегодняшний день, в рамках совершенствования данной технологии выполнены работы, направленные на исследование физических явлений, протекающих в зоне резания и определение рациональных параметров проточной части гидроабразивного агрегата, при которых достигается эффективное преобразование гидравлической мощности. Рядом авторов предложены математические модели, устанавливающие взаимосвязь энергетических параметров гидроабразивной струи с выходными технологическими показателями процесса обработки.
Вместе с тем, в настоящее время в рекомендациях по проектированию технологического процесса (ТП) гидроабразивного резания (ГАР) не учитывается ухудшение режущих свойств гидроабразивной струи, а как следствие снижение производительности процесса обработки в результате износа соплового насадка (СН) (элемент, в котором происходит окончательное формирование гидроабразивной струи с заданными энергетическими характеристиками).
Для обеспечения заданной производительности ГАР важно определить момент, когда СН уже не может выполнять своего функционального назначения, и необходима его замена. На сегодняшний день отсутствуют расчетные методы, устанавливающие связь режимов ГАР и материала СН с износом последнего, и позволяющие, не прибегая к экспериментам, определить период стойкости СН.
В соответствии с этим, решение вопросов, связанных с оптимизацией процесса гидроабразивной обработки становится невозможным без учета закономерностей износа СН.
Во многом, это определяется тем, что на сегодняшний день нет систематизированных данных по механике движения гидроабразивной струи в канале СН и особенностях его разрушения, позволяющих сформировать физическую картину формирования волнообразного профиля износа СН.
В этой связи, представляется актуальной, имеющей важное научное и практическое значение работа, направленная на разработку методики оценки периода стойкости СН с целью обеспечения заданной производительности ГАР.
Целью диссертационной работы является разработка методики оценки периода стойкости СН для обеспечения заданной производительности ГАР.
Основные задачи исследования
-
Провести анализ экспериментальных данных по износу канала СН с различным временем наработки с целью получения информации об особенностях и механизмах его разрушения;
-
Исследовать процесс формирования гидроабразивной струи в режущей головке оборудования ГАР с целью построения адекватной математической модели износа СН;
-
Разработать алгоритм и обобщенную математическую модель, позволяющую прогнозировать износ СН из различных материалов при варьировании технологических режимов, а также оценивать степень влияния износа СН на производительность технологического процесса гидроабразивной обработки;
-
Сопоставить теоретические данные по износу СН с экспериментальными, оценить адекватность построенной математической модели;
-
Разработать инженерную методику, позволяющую оценивать период стойкости СН на основании математической модели прогнозирования износа канала СН, а также формировать облик комплекта сопловых насадков для обеспечения заданной производительности технологического процесса гидроабразивной обработки.
Методы исследований
В работе использовались фундаментальные и прикладные положения технологии машиностроения, механики сплошной среды (разделы: гидродинамика, теория напряженного и деформированного состояния, теория пластичности) и численных методов с использованием специализированных средств 3D-моделирования. Экспериментальные исследования проводились с использованием стандартного и специального оборудования: установки для гидроабразивной резки материалов, установки для радиографии и томографии на тепловых нейронах (НИЦ «Курчатовский институт»), электронного микроскопа, датчика силы и др.
Научная новизна:
-
Определена физическая сущность процессов, обуславливающих формирование волнообразного профиля износа канала СН, в основе которой лежат особенности сверхзвукового режима течения гидроабразивной струи и усталостный механизм разрушения материала СН.
-
Разработаны алгоритм и обобщенная математическая модель прогнозирования износа СН на основании гидродинамических, прочностных и усталостных численных расчетов, где изменение во времени профиля износа СН (изменение диаметра канала СН от продольной координаты) системно связано с технологическими параметрами процесса ГАР (рабочее давление воды и расход абразива) и характеристиками материала СН.
-
На основании результатов математического моделирования и экспериментальных исследований определена степень влияния технологических режимов и материала СН на износ последнего, сопровождающийся снижением производительности ГАР. Установлено, что доминирующее влияние на интенсивность износа СН оказывает рабочее давление воды.
Практическая значимость работы
-
Разработана и апробирована в производственных условиях инженерная методика, позволяющая оценивать период стойкости СН из различных конструкционных материалов при различных технологических режимах ГАР, тем самым определять момент, когда СН уже не может выполнять своего функционального назначения и необходима его замена.
-
Предложенная методика позволяет осуществлять формирование облика комплекта сопловых насадков, обеспечивающего заданную производительность технологического процесса ГАР.
Достоверность и обоснованность научных положений и выводов, представленных в диссертационной работе автором, подтверждена удовлетворительным согласованием расчетных и экспериментальных данных, а также практическим использованием полученных результатов в производственных условиях.
Основные положения, выносимые на защиту:
-
Обобщенная математическая модель, позволяющая прогнозировать износ СН при различных технологических режимах ГАР;
-
Результаты математического моделирования и экспериментальных исследований, позволяющие определить степень влияния технологических режимов и материала СН на износ последнего;
-
Инженерная методика, позволяющая оценивать период стойкости СН из различных конструкционных материалов при различных технологических режимах ГАР и формировать облик комплекта СН с целью обеспечения заданной производительности ГАР.
Личный вклад. Автором выполнен анализ современного состояния проблемы обеспечения заданной производительности технологического процесса ГАР, на основании которого показана необходимость изучения процесса неравномерного износа СН, ответственного за выходные параметры обработки. Обоснована актуальность разработки методики оценки стойкости СН. Выполнены теоретические и экспериментальные исследования особенностей течения многокомпонентного потока (гидроабразивной струи) в канале СН, на основании которых определена сущность физических процессов, обуславливающих формирование волнообразного профиля износа канала СН. Разработаны алгоритм и математическая модель, позволяющая прогнозировать износ СН из ряда конструкционных материалов при варьировании технологических режимов обработки, а также оценивать степень влияния износа СН на производительность технологического процесса ГАР. Разработана инженерная методика и программно-методическое обеспечение, позволяющее на базе математической модели прогнозирования износа СН оценивать период стойкости последнего. Все результаты диссертационной работы получены лично автором или при его непосредственном участии в результате проведения экспериментальных и расчетных работ. Во всех необходимых случаях заимствования чужих результатов в диссертации приведены ссылки на литературные источники.
Апробация результатов работы. В ходе выполнения диссертационной работы результаты исследования докладывались и обсуждались на научных семинарах кафедры технологии приборостроения ФГБОУ ВПО МГТУ им. Н.Э. Баумана, Москва, 2010-2013 гг.; на 23-ей Международной инноваци-3
онно-ориентированной научно-технической конференции молодых ученых и студентов (МИКМУС-2011), ИМАШ РАН, Москва, 2011; на конференции «Современные научные достижения – 2012», Чехия, Прага, 2012.
Реализация и внедрение результатов работы. Основные результаты диссертационной работы были реализованы в рамках НИР и ОКР, проводимых в НИИ «Конструкционные материалы и технологические процессы», НИИ «Энергомашиностроение» ФГБОУ ВПО им. Н.Э. Баумана, использованы на заводе ракетно-космического приборостроения ОАО «Российские космические системы», а также рекомендованы к внедрению в ОАО «Информационные спутниковые системы» имени академика М.Ф. Решетнева», что подтверждено соответствующими актами.
Публикации. Основное содержание работы отражено в 7 публикациях, из которых 5 в изданиях, входящих в перечень ВАК РФ.
Структура и объём работы. Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения, списка используемой литературы и приложения. Содержит 149 страниц, в том числе 95 иллюстраций и 12 таблиц.
Структура гидроабразивной технологической системы
В настоящее время для машиностроения характерны предприятия полного цикла (заготовка, механическая обработка, сборка) с выпуском продукции небольшими сериями и даже индивидуального назначения. При этом, по данным [1], из общего числа типоразмеров более 50% номенклатуры составляют сложнопрофильные детали, при производстве которых используются различные механические методы обработки (резка ленточными пилами, фрезами, и др.).
Требования по увеличению толщины листа заготовки, снижению температурных и силовых деформаций заготовки, а так же в некоторых случаях применение светоотражающих материалов снижают производительность и точность лазерного и механического резания, а для получения контура обычно применяют последующую обработку по периметру детали, трудоемкость которой зачастую превышает время разделения материала [2].
Кроме того, в машиностроении используются материалы, обладающие специальными физико-механическими и химическими свойствами (высокой удельной прочностью, жаропрочностью, коррозионной стойкостью и другими свойствами) – например, материалы для изготовления агломерационного и доменного оборудования, машин непрерывного литья заготовок, прокатного и кузнечно-прессового оборудования. Такие материалы очень сложны в обработке резанием традиционными методами, а также интенсивно изнашивают режущий инструмент. [2, 3, 9, 21] Таким образом, становится очевидной необходимость разработки и применения новых высокоэффективных, материало- и энергосберегающих технологий, обеспечивающих высокие показатели производительности и качества резания толстолистовых материалов широкой номенклатуры . Одной из технологий, удовлетворяющих приведенным выше требованиям, является резка гидроабразивной струей, формируемой в режущей головке гидроабразивной технологической системы (ТС) [2].
В настоящее время технологии гидроабразивного резания (ГАР) неметаллических и композиционных материалов, тугоплавких, жаропрочных и титановых сплавов, конструкционной керамики, все шире применяемых в современном машиностроении, продемонстрировали высокую конкурентоспособность по сравнению с механическим, лазерным, плазменным и другими высокотехнологичными видами резания [4].
Первые работы по исследованию ГАР начались в СССР в конце 50-х-начале 60-х годов 20 века [4]. Но первыми запатентовали способ гидроструйной обработки материалов представители фирмы McCartney Manufacturing s (США) и успешно внедрили его в 1971 году на заводе Alton Box Board Co. для разрезки материалов. В настоящее время ведущими производителями гидроабразивного оборудования являются «KMT waterjet group» (США), «Omax» (США), Water Jet Sweden (Швеция), ANT (Германия), «ООО Грот-центр» (Россия), ООО «Робокон» (Россия), ООО «Савеловский машиностроительный завод» (Россия) и др.
Гидроабразивная струя осуществляет резание посредством ударного воздействия абразивных частиц на обрабатываемый материал, вызывая срез, эрозию, эффект микромеханической обработки и разрушения под действием быстроизменяющегося поля местных напряжений [6,7]. Схема, иллюстрирующая процесс гидроабразивной обработки материала, представлена на Рис.1.1.
При этом разрушенный и унесенный объем материала варьируется в процессе обработки за счет изменения энергетических параметров гидроаб 12 разивной струи, положения гидроабразивного инструмента по высоте, а так же за счет изменения времени воздействия гидроабразивной струи на обрабатываемый материал. Стоит отметить, что процесс гидроабразивной обработки носит эрозионный характер, то есть в результате воздействия гидроабразивной струи, несущей твердые частицы абразива, происходит разрушение и удаление только поверхностного слоя материала определенного объема без нарушения его внутренней структуры.
Таким образом, физической причиной уноса материала с обрабатываемой поверхности является разрушение обрабатываемого материала вследствие высокоскоростного воздействия на него частиц абразива.
Анализ технологических параметров, определяющих производительность гидроабразивного резания
Схематизируя случайный процесс нагружения на основании рассмотренного алгоритма получают данные, характеризующие повторяемость амплитуд напряжений различных уровней в блоке нагружения, а так же накопленные числа циклов.
В качестве основной характеристики материала, используемой при моделировании многоциклового нагружения является кривая усталости (кривая Велера), описывающая зависимость максимального значения напряжения в цикле от числа циклов до разрушения при заданном уровне максимального напряжения, постоянного в ходе всего процесса нагружения [41]. Схематичный вид кривой усталости представлен на Рис. 2.14. [41]. а)
Схематичный вид кривой Велера для разных материалов: углеродистые и среднелегированные стали (а), алюминий, медь и их сплавы и нержавеющие стали (б) и высокопрочные стали и титановые сплавы (в) где т - показатель наклона первого участка кривой усталости, т1 -показатель наклона второго участка кривой усталости, NG - абсцисса точки перегиба кривой усталости обозначается, Gm - предел ограниченной выносливости на базе NG , N - число циклов до отказа. значение амплитуды напряжения [Па], для которого необходимо определить долговечность (количество циклов до разрушения) - N.
Учет технологических параметров изготовления СН (шероховатость поверхности канала) проводится на основании коэффициента пересчета предела усталости материала СН [42, 61].
В результате моделирования определяется значение количества циклов до разрушения N материала мишени (СН) за инкубационный период - tинк : долговечность, выраженная в циклах нагружения, при уровне нагрузки соответствующей g -ой ступени блока, определяемая на основании зависимости (2.52), п - длительность ступени, ( g = 1, / ).
Моделирование позволяет провести расчёт усталостной долговечности материала СН, подверженного ударному воздействию абразивных частиц в зависимости от уровня напряжений (Stress-Life).
В результате этого моделирования определяются значения количества циклов до разрушения Л фрагмента СН за инкубационный период материала СН tum с учетом заданных технологических параметров обработки, которые являются входными данными для блока 3, посвященного моделированию разрушения материала СН с заданными физико-механическими свойствами и построение соответствующей математической модели, позволяющей прогнозировать износ канала СН за заданное время непрерывной работы.
Математическое моделирование износа канала СН при различных технологических режимах обработки, состоит из 2-х основных этапов: 1) Формирование расчетной схемы износа СН - разбиение СН на единичные интервалы (кольца шириной 1 мм) и расчет глубины разрушения материала СН на каждом интервале. Определение диаметров колец по истечению заданного времени непрерывной работы; 2) построение профиля износа канала СН.
Глубина разрушения материала СН на каждом интервале (кольце) за заданное время непрерывной работы СН определялась согласно выражению 2.54: к ра0- p-SK где Нк (Т,ра6) - глубина разрушения материала СН на рассматриваемом кольце за заданное время непрерывной работы, м; J - скорость уноса массы материала СН с рассматриваемого интервала (кольца), кг/удар; со - частота ударного воздействия абразивных частиц на рассматриваемом интервале (кольце), удар/сек; Т,раб- время непрерывной работы СН, с; нТэкв=НТср1 п- эквивалентное количество циклов до разрушения площади кольца Sк, NТ - усредненное количество циклов до разрушения материала СН, соответствующее значению усредненной поперечной скорости абразивных частиц на рассматриваемом интервале (кольце), удар; п - количество ударов абразивных частиц за 1 с на рассматриваемом интервале СН (кольце); к - поправочный коэффициент, определяемый с учетом экспериментальных исследований по уносу массы с образцов материалов СН и расчетных данных, полученных в модуле 1,2.; к - коэффициент, учитывающий коррозионное воздействие струи воды, р- плотность материала СН, кг/м3; Sк- площадь рассматриваемого кольца, м2.
Скорость уноса массы материала СН с рассматриваемого интервала (кольца) вычислялась по следующему выражению [43]:
Профиль износа СН, характеризующийся изменением диаметра канала СН по длине за заданное время непрерывной работы был определен аппроксимированной функцией вида: DCН(LJраб) = Fl(DК(Tраб)) (2.57) Для оценки изменения производительности ГАР от износа СН за заданное время непрерывной обработки на основании работ [20, 9] было получено следующее выражение: AQ(Tраб .) = (3/(4-K-r?))-AVабр . (Tраб)-w-r,-(pГАС/pм)-b-S (2.58) где AQ(Tраб .)- изменение производительности ГАР за время обработки, м3/с; га- эквивалентный радиус абразивной частицы, м; АКбр.(траб.) = КТбр-Кбр(траб) - изменение продольной скорости абразивных частиц на срезе СН за время непрерывной работы СН, Vабр(T0),Vабр(Tраб .)- соответственно продольная скорость абразивных частиц на срезе СН на момент начала работы СН и по прошествии заданного времени непрерывной работы, зависящая от профиля износа СН: Vабр .(Tраб .) = F2(DCН(L,Tраб .)), м/с; w - объем материала, унесенного при ударе одной абразивной частицей, м3 определяется согласно выражению (2.59): w = 0,091p0Jб р37 -(AVабр (Траб. ))1,674 .(2-02,781 -К0,438 -E-1,165 -#-0,118 (2.59) где pабр- плотность материала абразивной частицы, кг/м3, К1с,Е ,Н - вязкость разрушения, модуль упругости и твердость обрабатываемого материала; г, - постоянный коэффициент, с; РГАС - эквивалентная плотность гидроабразивной смеси, кг/м3; Рм - плотность обрабатываемого материала, кг/м3; Ъ ширина реза м; S - величина подачи режущей головки, м/с
Оценка изменения продольной скорости абразивных частиц на срезе СН вследствие его износа за время непрерывной работы СН - AVабр(Tраб .) проводилась согласно методике, разработанной в [20] и состоит из следующих основных этапов:
Обобщенная математическая модель износа канала соплового насадка
Необходимо отметить, что характер распределения ударов абразивных в целом сохраняется при широком диапазоне изменении расхода, на гистограмме распределения ударов так же можно выделить 3 участка, в которых увеличивается частота соударений абразивных частиц с поверхностью канала СН. Диапазон изменения углов атаки абразивными частицами стенок канала СН в рассматриваемых областях составляет от 2 до 35 град. Поперечная ско 68 рость абразивных частиц не превышает 60 м/с. Частота соударений абразивных частиц со стенками канала СН на рассматриваемых интервала не превышает 90000 уд/с.
Зависимость поперечной скорости абразивных частиц от давления перед струеформирующей насадкой в первом приближении можно рассматривать, как линейную. При давлении на входе в струеформирующее сопло до 200 МПа максимальное значение поперечной составляющей скорости абразивных частиц не превышает 28 м/с. При изменении давления на 50% скорость абразивных частиц увеличится не менее, чем на 55 - 60%.
Моделирование единичного ударного взаимодействия абразивной частицы со стенкой канала СН.
В качестве расчетной схемы при моделировании выбрано взаимодействие сферического ударника диаметром 200 мкм (абразивной частицы) с мишенью (фрагментом материала СН). В качестве мишени использовалась пластина длиной 0,45 м, шириной 0,45 м и толщиной 0,01 м. Константы, входящие в состав модели упрочнения материала (С и P) были взяты из иностранных источников [62 - 64].
Входными данными для модели оценки напряженно-деформированного состояния материала мишени являются геометрия, физико-механические свойства, скорость и угол соударения абразивной частицы, полученные на основании гидродинамического расчета, а также свойства материала (мишени) (Таблица 6).
Расчет выполнялся на лагранжевой сетке (Рис. 2.25) размерностью 550000 элементов, построенной в препроцессоре Prep7 ANSYS Mechanical APDL 14.5, с помощью решателя LS-DYNA 3D v.971 R6. В сетке была задана искусственная нерегулярность (сгущение) в зоне контакта – 0,02 мм. Размер элементов по периферии от 0,1 мм до 1 мм (1 мм на мишени по краям).
График, иллюстрирующий зависимость изменения эквивалентного напряжения по мизесу от поперечной скорости абразивных частиц приведен на Рис. 2.27. Рис.2.27. Зависимость эквивалентного напряжения по Мизесу от поперечной составляющей скорости соударения абразивной частицы с мишенью
Установлено, что при поперечной составляющей скорости соударения абразивной частицы с мишенью порядка 45-50 м/с, значения эквивалентного напряжения по Мизесу в материале 12Х18Н10Т превышают или сопоставимы с пределом текучести (динамическим) и возможно появление области пластического деформирования (наличие остаточных напряжений), в результате чего представляется возможным практически мгновенное локальное разрушение материала в месте контакта с образованием эрозионной лунки на поверхности детали за один акт взаимодействия с абразивной частицы с поверхностью мишени. При этом в материалах ВК6, ВТ1-0, 20Х13 напряжения по Мизесу во всем диапазоне изменения поперечной составляющей скорости абразивной частицы на превышают динамического предела текучести, что свидетельствует об усталостном механизме разрушения материала СН вследствие циклического ударного нагружения абразивными частицами. В соответствии с этим, применение 12Х18Н10Т в качестве материала СН возможно только при давлениях на входе в струеформирующее сопло до 100 МПа.
Моделирование циклического нагружения материала мишени
В качестве входных данных были использованы конечно-элементная сетка, модели материалов, а также профили эквивалентных напряжений по критерию Мизеса, полученные в блоке 1. Моделирование проводилось с учётом изменяющихся во времени нагрузки и напряжений, которые определялись методом статической суперпозиции.
В результате моделирования и последующей обработки данных в программной среде MatLab R2012а был получен массив данных по значениям количества циклов (ударов) до разрушения NкТ р (образования каверны на поверхности материала) для рассматриваемых материалов во всем диапазоне кинематических параметров абразивных частиц, полученных в модуле 1.
Моделирование проводилось численным методом в программной среде ANSYS 14.0 nCodeDesignLife согласно блок-схеме, приведенной на Рис. 2.28.
. Создание блок-схемы расчета усталостной долговечности в программной среде ANSYS 14.0 nCodeDesignLife Блок схема состоит из следующих основных модулей. FEInput – модуль, позволяющий загружать результаты моделирования, полученные методом конечных элементов. В данном случае это файл типа d3plot, полученный в результате моделирования взаимодействия микрогид-роструи с мишенью в среде ANSYS LS-DYNA 3D v.971 R6. Данный модуль извлекает информацию о данных нагружения для дальнейшей трансляции в модуль анализатора.
ExcelInput – модуль, позволяющий загружать данные в файлах типа xls для дальнейшей их обработки. В данном случае этот модуль использовался для получения данных зависимости нагружения от времени из таблицы, предварительно созданной в программе Microsoft Excel. Данные из этого модуля передаются в модуль MultiColumnToTimeSeries.
MultiColumnToTimeSeries – модуль, осуществляющий преобразование табличных данных в зависимость степени нагружения от времени и передачу сформированных данных в анализатор. МодульMultiColumnToTimeSeries позволяет установить частоту дискретизации табличных данных по временной шкале. К выходу данного модуля возможно подключение модуля ХYDisplay, позволяющего визуализировать профиль нагружения.
SNAnalysis – модуль анализатора, осуществляющий моделирование многоцикловой усталости. В данный модуль загружаются результаты моделирования методом конечных элементов – профиль нагрузки (зависимость нагрузки от времени). В параметрах данного модуля устанавливались единицы измерения результата моделирования (Па), тип усреднения значений напряжения (по Герберу), параметры нагрузки, параметры исследуемого материала и кривые нагружения (Рис. 2.29.).
Исследование изменения микротвердости материала СН вследствие износа. Сопоставление расчетных и экспериментальных данных по износу сопловых насадков
Анализ изображений, приведенных на Рис. 3.10., свидетельствует, что в течение определенного периода наработки профиль канала СН меняется незначительно. Этот временной период наработки соответствует инкубационному периоду усталостного износа материала СН. Заметное изменение диаметра появляется лишь по прошествии 50-70 часов, что согласуется с полученными в рамках расчетной теоретической модели значениями. Проанализировав график, (Рис. 3.11. б), можно сделать вывод, что характер изменения массы СН в зависимости от времени наработки имеет нелинейный характер с заметным увеличением интенсивности уноса массы материала СН по истечении тех же 50-70 ч. Все эти данные соотносятся с утверждением, что процесс износа канала СН носит усталостный характер.
Таким образом, результаты исследований, проведенных с помощью метода нейтронной интроскопии, подтверждают правомерность ряда гипотез, выдвинутых при построении математической модели течения гидроабразивной струи (3-х фазного потока) в канале СН, в частности, об осевой симметричности струи и ее «ячеистой» структуры с количеством «ячеек», согласующимся с расчетными данными. Кроме того, косвенно была подтверждена гипотеза об усталостном характере разрушения материала СН.
Исследование изменения микротвердости материала СН вследствие износа. Сопоставление расчетных и экспериментальных данных по износу сопловых насадков
Косвенных доказательств усталостного механизма разрушения материала СН, полученных по результатам экспериментов по методу нейтронной интроскопии, недостаточно для уверенного подтверждения адекватности построенной теоретической модели износа. В связи с этим представляется целесообразным проведение еще одного исследования, с помощью которого можно было бы получить дополнительные доказательства состоятельности принятой гипотезы об усталостном разрушении материала.
Таким исследованием могла бы стать серия экспериментов по непосредственному определению изменения механических характеристик материалов СН с течением времени наработки, в частности, изменения твердости. Если гипотеза об усталостном механизме разрушения верна, то в течение времени наработки до значения, соответствующего длительности инкубационного периода Тинк, под воздействием абразивных частиц происходит упрочнение материала СН, т.е. увеличение его твердости. После превышения длительности наработки величины Тинк происходит разупрочнение материала со столь же заметным снижением твердости. Таким образом, увеличение твердости материала СН по сравнению с начальным значением и с последующим снижением твердости при длительности наработки более Тинк вполне может использоваться в качестве искомого доказательства принятой гипотезы и адекватности теоретической модели.
Геометрическая форма СН не позволяет получить доступ к тем его частям, на которые оказывают воздействие абразивные частицы, где заметен эффект упрочнения и где требуется проводить измерения. Поэтому из СН необходимо предварительно изготовить образцы, которые и подвергаются исследованиям. Было принято решение разрезать СН в продольном сечении методом электроэрозии. Этот метод заключается в разрушении частиц электропроводящего материала под воздействием электрических разрядов, возникающих при пробое среды между двумя электродами, один из которых является обрабатывающим электродом-инструментом, а другой – обрабатываемой деталью. Разряды возникают при подаче импульсов тока, т.е. разряды производятся в импульсном режиме, чтобы среда между двумя электродами успевала восстановить свою электрическую прочность. Помимо этого, при малой длительности электрических импульсов, которая может достигать долей микросекунд, тепловая энергия, которая выделяется во время электрического разряда, не успевает распространиться по объему материала, поэтому даже при незначительной энергии разряда становится возможным удалить небольшой объем обрабатываемого материала путем его последовательного нагрева, расплавления и испарения. Кроме удаления расплавленного и испаренного материала, удаляются также и частицы просто разогретого материала под действием давления, которое развивают частицы плазмы разряда при их ударе об электрод. Вид станка для электроэрозионной обработки представлен на Рис. 3.11.
Вид станка для электроэрозионной обработки Одним из достоинств метода электроэрозионной обработки является его особенная эффективность при обработке высокопрочных материалов, в частности, твердых сплавов, из которых изготовлена часть СН. Метод электроэрозионной резки позволяет получать рез очень высокого качества, поскольку объем удаляемого материала за единичный импульс очень мал и величина подачи режущего инструмента составляет порядка 1 мм/мин.
Для проведения эксперимента использовался набор из 12 СН, выполненных из ряда конструкционных материалов (твердых сплавов ВК6, ВТ1-0, легированных сталей 20Х13, 12Х18Н10Т, по 3 насадка из каждого материала). Один СН из каждых трех, изготовленных из одинакового материала, имеет нулевую наработку, а два других - наработку, соответственно больше и меньше теоретически рассчитанной длительности инкубационного периода. Для СН из твердого сплава ВК6 длительности наработки составляют соответственно 0 ч, 35 ч. и 70 ч. С помощью станка электроэрозионной обработки осуществлялось продольное разрезание комплекта СН на 4 одинаковые части. Четверть разрезанного вдоль СН и представляет собой образец для измерений микротвердости.
