Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Анализ возможностей и областей применения метода акустический эмиссии иультраструйной обработки материалов в современном машиностроении 12
1.1. Направления развития и области применения ультраструйных технологий в современном машиностроении 12
1.1.1. Технологические возможности и оценка изученности метода 12
1.1.2. Области применения и решаемые задачи 15
1.2 Особенности информационно-диагностического сопровождения технологических процессов методом акустической эмиссии 18
1.2.1. Традиционное применение акустико-эмиссионной диагностики 18
1.2.2. Эмиссионно-технологические критерии оптимизации режимов механической обработки материалов
1.2.3. Диагностика параметров качества обработанной поверхности 23
1.2.4. Технологические возможности диагностики процессов механической обработки 24
1.2.5. Акустический контроль состояния подвижных соединений 25
1.2.6. Диагностика высокоэнергетических процессов формообразования 26
1.2.7. Акустическая диагностика ультразвуковой обработки 27
1.2.8. Эмиссионная диагностика ультраструйной обработки 29 Стр.
1.3. Формулировка цели и задач исследования 34
ГЛАВА 2. Методическое обеспечение теоретических и экспериментальных исследований 36
2.1. Общий методический план проведения исследований 36
2.2. Постановки задачи, определение начальных и граничных условий для построения конечно-элементных моделей взаимодействия высокоскоростных суспензий с преградами 38
2.2.1. Постановка задачи механики сплошной среды 38
2.2.2. Использованные модели состояния и разрушения 43
2.2.3. Физико-механические характеристики материалов 46
2.3. Технологическое обеспечение экспериментальных исследований 46
2.3.1. Применяемое оборудование для гидроструйной и гидроабразивной обработки материалов 46
2.3.2. Оборудование для определения параметров качества обработанной поверхности и производительности гидроабразивного резания 49
2.3.3. Оборудование для регистрации, записи и обработки параметров сигналов акустической эмиссии из зоны резания
2.4. Методика проведения экспериментов по изучению взаимосвязи мощности акустического излучения и технологических параметров гидроструйной обработки 57
2.5. Оценка динамических свойств композиционной конструкционной керамики 64 Стр.
ГЛАВА 3. Теоретические исследования и математическое моделирование физико-технических процессов ультраструйной обработки материалов и акустико-эмиссионной диагностики 68
3.1. Анализ энергетических превращений в зоне взаимодействия гидроабразивной струи с мишенью 68
3.2. Анализ влияния волновой энергии на эффективность процесса гидроструйной обработки материалов 74
3.3. Оценка производительности ультраструйного микросуспензирования методом акустической эмиссии 78
3.4. Экспресс определение рациональных режимов гидроабразивной обработки материалов путем анализа данных акустической эмиссии 81
ГЛАВА 4. Экспериментальная проверка результатов теоретических исследований и моделирования, формирование научно-практических рекомендаций 85
4.1. Экспериментальная проверка влияния волновой энергии на процесс ультраструйной обработки методом акустической эмиссии 85
4.2.Изучение взаимосвязи мощности акустического излучения и технологических параметров гидроструйной обработки 87
4.3.Определение рациональных режимов получения суспензий методом акустической эмиссии 92
4.4. Оценка адекватности результатов конечно-элементного моделирования гидроабразивного и гидро- резания материалов на основе экспериментальных данных 98 Стр.
4.5. Технологические рекомендации по применению метода акустической эмиссии для диагностики процессов ультраструйных технологий 102
4.6.Перспективы применения метода акустической эмиссии для оценки состояния узлов и агрегатов гидрооборудования 108
4.7. Перспективы применения метода акустической эмиссии для оценки динамических свойств конструкционной керамики 111
Выводы 114
Список литературы
- Технологические возможности и оценка изученности метода
- Постановки задачи, определение начальных и граничных условий для построения конечно-элементных моделей взаимодействия высокоскоростных суспензий с преградами
- Анализ влияния волновой энергии на эффективность процесса гидроструйной обработки материалов
- Оценка адекватности результатов конечно-элементного моделирования гидроабразивного и гидро- резания материалов на основе экспериментальных данных
Введение к работе
Актуальность темы исследований. Методы ультраструйной
обработки (УСО) материалов в последнее десятилетие уверенно дополняют
арсенал современных машиностроительных технологий. В производстве
изделий ракетно-космической техники, технологии гидрорезания (ГР) и
гидроабразивного резания (ГАР) нашли широкое применение и
используются, в частности, для раскроя листового материала, размерной обработки элементов конструкций, изготовления оснастки, бездефектной вырезки образцов для испытаний, фрагментации частей изделий при утилизации. Для всех перечисленных ультраструйных гидротехнологий актуальными являются задачи выбора рациональных технологических режимов, обеспечивающих максимальную производительность процесса обработки.
Применительно к контролю и диагностике процессов механического
резания, лазерной и ультразвуковой обработки на кафедре технологий
ракетно-космического машиностроения МГТУ им. Н.Э. Баумана, а также в НИИД, НИЦ «Курчатовский институт» и других научно-исследовательских организациях было показано, что сигналы акустической эмиссии (АЭ) из зоны формообразования несут однозначную информацию об изменениях в условиях протекания доминирующих физических процессов при обработке, в частности разрушения, трения и пластической деформации. Это явилось основой для создания соответствующего информационно-диагностического обеспечения данных технологий, в том числе инженерных методик ускоренного определения рациональных режимов обработки.
Однако отсутствие полномасштабных теоретических и
экспериментальных данных об источниках АЭ при УСО, зависимостей
параметров АЭ от различных технологических факторов, а также критериев
определения рациональных режимов данного способа формообразования, не
позволяют в неадаптированном виде использовать имеющуюся
методическую базу для решения задач, связанных с технологическим обеспечением УСО методом АЭ. Поэтому создание методики ускоренного определения рациональных режимов и параметров УСО является актуальной задачей, имеющей научное и практическое значение.
Цель работы состоит в повышении эффективности этапа
технологической подготовки производства (ТПП) УСО материалов за счет
создания инженерной экспресс-методики акустико-эмиссионного
определения рациональных режимов обработки.
Задачи исследования:
-
Обосновать результативность использования метода АЭ для выбора рациональных режимов УСО.
-
Определить источники АЭ при УСО и изучить зависимость информативных параметров АЭ от основных технологических режимов, в частности от концентрации абразива, угла взаимодействия ультраструи с поверхностью обрабатываемого материала, условий закрепления заготовки.
-
На основе анализа энергетических превращений при ультраструйных взаимодействиях и уравнения баланса мощностей, получить физико-технологический критерий, связывающий информативные признаки АЭ и производительность УСО.
-
Для верификации полученного критерия выполнить численное моделирование процессов УСО типовых конструкционных материалов при различных технологических режимах, осуществить экспериментальную проверку полученных результатов, определить влияние технологических режимов на параметры АЭ.
-
Разработать и апробировать инженерную методику ускоренного определения рациональных режимов ГАР в конкретных производственных условиях. Дать практические рекомендации по использованию полученных результатов и наметить перспективы их развития.
Научная новизна работы:
1. Разработана и реализована конечно-элементная модель процесса
взаимодействия высокоскоростной гидроабразивной струи с металлической
преградой. Модель позволяет анализировать взаимосвязь эрозии поверхности
обработки и упруго-волновое возмущение зоны резания в широком
диапазоне изменения условий обработки: концентрации абразива, скорости
ультраструи, условий закрепления и т.д. Показано, в том числе
экспериментально, что волны АЭ являются активным физико-
технологическим фактором, влияющим на интенсивность эрозии обрабатываемого материала и, как следствие, производительность процесса УСО.
-
Обоснована возможность использования 2-х и 3-х мерных конечно-элементных моделей взаимодействия ультраструйных суспензий с поверхностями образцов из различных материалов в зависимости от конкретных условий анализа.
-
На основании результатов теоретического анализа сформулирован физико-технологический критерий, связывающий в единый комплекс энергетические характеристики параметров АЭ и производительность УСО, обусловленную интенсивностью эрозионного разрушения обрабатываемого материала.
Практическая ценность работы:
разработана инженерная методика ускоренного определения рациональных технологических режимов ГАР материалов по критерию обеспечения максимальной производительности на основе анализа информативных признаков волн акустической эмиссии из зоны обработки;
даны рекомендации по использованию АЭ для уточнения значения оптимальной концентрации абразива при ГАР, особенно в конкретных производственных условиях, в том числе для типовых перспективных конструкционных материалов и структур: высокопрочной керамики, полимерных композитных материалов, сотовых панелей и т.п.;
даны предложения по использованию результатов работы в учебном процессе при подготовке специалистов в области технологий механической и физико-технической обработки материалов;
Методы исследования. Экспериментальные исследования проводились на сертифицированном зарубежном и отечественном оборудовании в Дмитровском филиале МГТУ им. Н.Э. Баумана и в Центре гидрофизических исследований физического факультета МГУ им. М.В. Ломоносова. В проводимых экспериментах использовались установки для водяной и гидроабразивной резки производства фирм MultiCam WaterJet Systems и Flow с насосными системами мультипликаторного типа производства фирмы KMT, которые обеспечивают рабочее давление 410 МПа. Для регистрации, записи и обработки сигналов
АЭ использовались 2-х канальная акустическая система «Малахит АС-15А/2» производства ЗАО НПФ «Диатон» при НИЦ «Курчатовский институт» и 4-х канальный осциллограф «АКИП-4110/1» производства «Pico Technology» с широкополосными датчиками - преобразователя акустической эмиссии производства «APC International» с полосой пропускания 40-600 кГц. При решении задач численного моделирования применялся программный комплекс ANSYS. Для металлографических исследований использовался микроскоп МИМ-1600Б.
Для достижения поставленной цели в ходе экспериментальных и
теоретических исследований применялся комплексный подход с
использованием положений технологии машиностроения, физической акустики, планирования экспериментов и методов конечно-элементного моделирования (МКЭ).
Апробация результатов работы. Основные результаты теоретических
и экспериментальных исследований опубликованы в 20-ти научных работах
(из них 8 статей в журналах, рекомендованных ВАК РФ), докладывались на
6-х научно-технических конференциях. Исследования проводились в рамках
гранта Президента РФ №16.120.11.5069-МД, грантов Российского Фонда
Фундаментальных Исследований №12-08-00802-а и №12-08-
33022 мол_а_вед, а также проекта №7.1855.2011 целевой программы
Министерства образования и науки РФ «Развитие научного потенциала
высшей школы». Получены 4 акта апробации инженерной экспресс-методики
определения рационального значения концентрации абразива в
высокоскоростной гидроабразивной струе (ООО «Старт-РЛ», ООО «МагДжет») и возможностей гидроструйных технологий (ООО «Горстрой», АО «ПЗТМ»).
На защиту выносятся следующие научно-практические
положения:
1. Результаты математического моделирования, отражающие взаимно
однозначное соответствие между условиями обработки и уровнем
упруго-волнового возмущения из зоны формообразования. Это
позволяет только путем анализа АЭ оценить производительность
процесса УСО в конкретных условиях формообразования.
2. Теоретическое и экспериментальное обоснование возможности
экспресс-определения рациональной концентрации абразива в струе
при ГАР, путем определения акустико-эмиссионного физико-
4
технологического критерия W, представляющего собой мощность акустического излучения, генерируемого в зоне обработки.
-
Инженерная методика и технологические рекомендации по определению оптимальной концентрации абразива по критерию обеспечения максимальной производительности ГАР на основании анализа информативных параметров АЭ.
-
Перспективы развития информационно-технологического обеспечения УСО. В частности, использование АЭ для определения степени износа струеформирующих сопловых элементов, оптимального угла взаимодействия ультраструи при обработке поверхностей.
Личный вклад автора состоит в анализе и систематизации данных,
известных из литературных источников и полученных в результате
выполнении экспериментов и теоретических исследований, проведении
численного моделирования УСО, анализе влияния параметров
ультраструйной обработки материалов на АЭ, возникающую в зоне резания, создании и апробации инженерной экспресс-методики определения рациональных режимов ГАР на основе регистрации АЭ из зоны обработки.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, выводов и списка литературы. Содержит 125 страниц, из которых на 115 изложен основной текст, проиллюстрированный 49 рисунками и 14 таблицами. Список литературы состоит из 88 наименований.
Технологические возможности и оценка изученности метода
Номенклатура современного гидрорежущего оборудования достаточна широка и различается по степени универсальности и автоматизации [55, 56, 85]. Оно изготавливается в стационарном и мобильном технологических вариантах. Поиском рациональных технологических режимов ГАР и оптимизацией гидрообработки занимались такие ученые, как: Черепанов Г.П., Тихомиров Р.А. [57], Барсуков Г.В. [80], Бурнашов М.А. [82], Ерухимович Ю.Е. [42], Тарасов В.А. [25], Степанов Ю.С. [24], Петухов Е.Н. [54], Елфимов В.М. [79], Abdel-Rahman А.А.[46], Agus М., Maniadaki К.[28], Ramulu М., Chen L. [88], Liu Н., Wang J., Srinivasu D. S., Mabrouki T. [30], Hloch S. [50].; совершенствованием гидромашинных агрегатов: Тихомиров Р.А., Петухов Е.Н.; поиском новых областей применений технологии: Галиновский А.Л. [1], Абашин М.И. [35], Барзов А.А. [1], Сысоев Н.Н. [22], Пузаков В.С., Hashish M. [27], Whalen, J.; вклад в разработку и развитие конструкторско-технологического обеспечения процесса ГАР также внесли: В.Ф. Бабанин [52], В.С. Гусенко, И.И. Шапиро, Агоvа D., Momber А., Kovacevic R. и др.
Однако в работах этих авторов не рассматривалась возможность использования метода АЭ для диагностика процессов УСО, что является весомым аргументом для проведения данных исследований. Учитывая накопленный опыт по применению АЭ для управления качеством и информационно-диагностического сопровождения различных операций механической обработки, а также имеющуюся тенденцию к распространению УСТ в машиностроении тема диссертации является актуальной и практически значимой.
Сравнительный анализ технологических возможностей УСТ с другими методами структуро- и формообразования показал, что данные технологии вполне конкурентоспособны и перспективны [1, 2, 24, 23, 83, 84, 86, 87]. В работе, в частности, приводятся результаты обобщенного сопоставления производительности резания материалов для различных методов обработки. Согласно полученным данным УСТ обеспечивают скорость резания, сопоставимую с самыми производительными физико-техническими методами формообразования, но при меньших затратах энергии. Особенно эффективно применение УСТ в производстве деталей ответственного назначения типа командных деталей авиационных и ракетных двигателей, где необходимо обеспечение минимального уровня остаточных напряжений в поверхностном слое обрабатываемых заготовок.
Ультраструйная обработка обеспечивает высокие показатели качества обработанной поверхности. В частности, уровень остаточных напряжений в поверхностном слое деталей после УСО в 2,0-2,5 раза меньше, чем при традиционной механической обработке. Величина относительной степени наклепа обработанной поверхности в плоскости реза детали из титанового сплава составляет 131% на входе и 137% на выходе режущей струи, глубина наклепа не выше 0,12 мм [5, 7], что совпадает с аналогичными показателями измерений после операции ленточного шлифования, весьма распространенной в технологии производства авиадвигателей. Низкие температуры ультраструи в зоне резания (мах 90 С) и незначительной величины силы резания (до 100 Н) практически исключают упругую и термоупругую деформацию заготовки, оплавление и пригорание обрабатываемого материала, что особенно важно при резании композиционных материалов с полимерной матрицей, широко применяемых в изделиях спецназначения. Причем химический микроанализ обработанной поверхности показал отсутствие ее газонасыщения и изменений в элементном составе. Таким образом, реализация технологических возможностей УСО связана не только с эффективным выполнением весьма различных формообразующих операций, вплоть до многокоординатной обработки сложнопрофильных деталей, но и с получением весьма высоких показателей качества их поверхностного слоя. Практически полная пожаровзрывобезопасность УСТ позволила применить данную технологию для глубокой утилизации боеприпасов (включая толстостенные и крупнокалиберные, снаряженные «невыплавляемыми» ВВ) и других объектов военной техники, например корпусов РДТТ, бронетехники. Отмечается, что УСТ представляется наиболее перспективной, взрывобезопасной и позволяет в последующем использовать металл корпуса головных частей и корпусов боеприпасов для переработки, а утилизируемые пороха - в качестве источника генератора высокого давления (5-7 Кбар). УСТ в промышленности также используются для гидромеханического разрушения горных пород [76, 77, 78].
Ультраструйная технология не имеет альтернатив при резке легковоспламеняющихся материалов, в частности алюминиево-магниевых сплавов, широко применяемых в авиационной и космической отраслях; для фрагментации корпусов самолетов и вертолетов, отработавших ступеней ракетоносителей, авиационных топливных баков, где присутствуют остаточные пары топлива, с целью последующей утилизации. С использованием УСТ был проведен комплекс необходимых работ при подъеме АПЛ «Курск» и ее последующей фрагментации. Реализация этой задачи стала возможной благодаря тому, что и в подводном положении ультраструя остается эффективным средством резания весьма различных по физико-механическим характеристикам конструкционных материалов, присутствующих в слоистой структуре корпуса АПЛ. Кроме того, УСТ позволяет срезать с корпусов АПЛ резиновые покрытия металлоконструкции активной зоны ядерного реактора.
Постановки задачи, определение начальных и граничных условий для построения конечно-элементных моделей взаимодействия высокоскоростных суспензий с преградами
Глава посвящена разработке методического обеспечения проводимых теоретических и экспериментальных исследований. Рассмотрены возможности применения метода экспертного оценивания (МЭО) для выбора средства диагностики процессов ГР и ГАР; представлено применяемое в экспериментах оборудование с указанием его основных технических характеристик; предложены методические подходы к выполнению экспериментов направленных на подтверждение результатов выполненного математического моделирования и теоретических исследований, включая сформулированные феноменологические представления. Отдельные параграфе главы содержат схемы проведения экспериментов, методы и подходы к обработке данных, с описанием возможностей используемого программного обеспечения.
Результаты, представленные в данной главе позволяют эффективно организовать научно-исследовательскую работу и могут быть полезны для решения схожих задач, обладая в яде случаев общностью изложения.
Для решения поставленных задач был сформирован план проведения исследований (см. Рис. 2.1.). На первом этапе исследований путем критического анализа литературных источников анализируются возможные пути повышения эффективности технологического процесса ультраструйной обработки изделий и материалов. Результатом выполнения этого этапа является вывод об актуальности и возможностях совершенствования ГАР путем выбора оптимальных режимов обработки.
Также первый этап включает обоснование выбора анализа акустического излучения в качестве средства технологической диагностики процесса ультраструйной обработки при помощи метода экспертного оценивания. Анализ возможностей повышения эффективности применения ультраструйных технологий и путей их реализации на основе результатов экспертного оценивания.
Обоснование перспектив применения информационно-диагностического потенциала АЭ Исследования физических процессов и явлений, возникающих в процессе взаимодействия ультраструи жидкости с преградой, на основе анализа результата применения конечно-элементного моделирования. IE Проведение комплекса экспериментальных исследований по определению влияния на информативные параметры АЭ технологических режимов гидроструйной технологии
Разработка инженерной методики по выбору производительных режимов в зависимости от информативных параметров АЭ, промышленная апробация результатов работы, перспективы ее развития Рис. 2.1. Общий методический план проведения исследований Второй этап исследований связан с теоретическим анализом физических процессов, происходящих при взаимодействии высокоскоростной струи с обрабатываемой деталью. Целью данного этапа является показание и обоснование наличия оптимального режима ГАР и построение вероятностной модели генерации волн упругой деформации в зоне удара высокоскоростной струи жидкости о мишень.
Также второй этап включает в себя моделирование процесса взаимодействия высокоскоростной гидроабразивной струи с твердотельной преградой методом конечных элементов.
Целью экспериментальных исследований является проверка результатов теоретических расчетов и результатов моделирования, экспериментальное обоснование наличия и возможности определения оптимального режима ультраструйной обработки в зависимости от параметров сигнала АЭ. Для этого проводятся испытания по обработке заготовок, в ходе которых определяются основные источники АЭ. Изучается связь параметров АЭ с основными технологическими режимами и условиями УСО. Устанавливаются соответствующие критерии выбора оптимальных режимов обработки. На заключительном этапе исследований разрабатывается методика по выбору оптимальных режимов ГАР. Также этот этап предусматривает промышленную апробацию результатов работы, разработку рекомендаций по использованию методики в производственных условиях. Постановки задачи, определение начальных и граничных условий для построения конечно-элементных моделей взаимодействия высокоскоростных суспензий с преградами 2.2.1. Постановка задачи механики сплошной среды
Заключается в составлении замкнутой системы уравнений, которая описывает движение и состояние сплошной среды с учетом ее физико-механических свойств, внешних силовых факторов и позволяет найти все функции, определяющие движение и состояние среды (U,V,p,E,S,T,P…), в зависимости от координат и времени. Для правильной постановки задачи МСС необходимо пройти следующие шаги:
Выбор модели сплошной среды для изучаемого процесса Для данного вида взаимодействия, с учетом природы и условий процесса, была выбрана мультиматериальная Эйлерова модель описания движения деформируемой сплошной среды для материала мишени и воды. Абразивные частицы были заданы как Логранжевые элементы, взаимодействующие с Эйлеровой областью.
Выбор системы отсчета и систем координат, по отношению к которым рассматривается движение деформируемой среды Моделирование производится в относительной системе координат, начало которой располагается в точке соприкосновения гидроабразивной струи и преграды. Схемы постановки задачи и направления осей показаны на Рис. 2.2. Задачи решались в двумерной осесимметричной и трехмерной постановке. При близкой размерности расчетных областей, обеспечивающей необходимую точность (порядка 50-150 элементов в одном направлении с неравномерной сеткой, сгущающейся к оси струи жидкости) двумерная осесимметричная задача требует гораздо меньше машинных ресурсов. Схемы двумерной осесимметричной (а) и трехмерной (б) постановок задачи численного моделирования процесса ГАР: 1 - абразивная частица; 2 – струя воды; 3 – обрабатываемый материал; 4 – опора.
Было проведено исследование влияния схемы постановки задачи, а также формы и распределения абразивных частиц в пространстве вокруг струи на процесс гидроэрозии. Результаты расчетов (см. Рис. 2.3) показали, что влияние распределения частиц и их формы на скорость протекания процесса незначительно. Далее для всех расчетов использовалась 2-х мерная осесимметричная постановка задачи, позволяющей получить результат, отличающийся от трехмерной не более чем на 15% при более чем в 50 раз меньших затратах машинных ресурсов. Т, мкс
Анализ влияния волновой энергии на эффективность процесса гидроструйной обработки материалов
Целью эксперимента является определение значения мощности сигнала АЭ по критерию W для различного угла , расстояния L от сопла до обрабатываемого материала и условий крепления образца при ГР, а также для различных значений концентрации абразива в струе при ГАР. С практической точки зрения это позволит определить оптимальные режимы ГР и ГАР при резании материалов с данными варьируемыми параметрами. Результаты экспериментальных исследований представлены в параграфе 4.3. Учитывая широкие возможности, открывающиеся при реализации метода АЭ следует рассмотреть возможность диагностики и распределения датчиков по ответственным участкам гидротехнологического оборудования, требующего оценки состояния в режиме реального времени, а также расходных элементов, прежде всего, фокусирующих насадок. Данная принципиальная схема представлена на Рис. 2.15.
Оценка динамических свойств композиционной конструкционной керамики Одним из перспективных материалов для изготовления бронеэлементов входящих в состав средств индивидуальной защиты является специальная конструкционная композиционная керамика (КК). Данный материал должен обладать высокими баллистическими свойствами, которые определяются физико-механическими характеристиками КК, такими как: твердость, пористость, прочность, зернистость, трещиностойкость и др. Определение этих характеристик представляет собой сложную научно-техническую задачу, решение которой, в настоящее время, осуществляется с помощью натурных экспериментов. Важным недостатком данного подхода является упрощенный критерий оценки качества бронеструктуры по критерию «пробитие - непробитие» [3, 36, 14]. В связи с чем поиск более информативных, менее затратных, и быстрых методов оценки физико-технических характеристик КК является актуальным и значимым [9]. Потребность в таких методах диагностики будет несомненно расти вместе с растущими областями применения данных материалов в различных отраслях машиностроения и смежных направлениях науки и техники. Причем необходимо отметить, что решение представленной проблемы будет востребовано как со стороны производителей КК, так и со стороны ее потребителей.
Учитывая результаты исследований технологических возможностей гидроструйных технологий, в частности используя физические особенности гидроэрозионного разрушения поверхности КК в месте воздействия сверхскоростной ультраструи воды, можно оценить параметры ее качества: ударную вязкость, прочность и т.д. Предварительный анализ возможностей метода УСД показал, что одними из информативных параметров могут стать результаты эрозионного разрушения ультраструей контролируемой КК, например изменения массы образцов до и после ультраструйного воздействия (унос массы), геометрические размеры и форма гидрокаверны и керамических частиц, отделившихся от поверхности исследуемого образца.
Это в целом создает реальные предпосылки для разработки и реализации инженерных методик экспресс-контроля и диагностики эксплуатационно-технологического состояния КК на основе метода УСД. Особый эффект может быть достигнут при использовании предложенного метода диагностики для экспресс-оценки и контроля функциональных характеристик КК на этапе отработки технологии ее получения, повышения технико-экономической результативности технологической подготовки производства.
Повышение достоверности результатов экспериментов может быть достигнуто путем параллельного использования метода АЭ. Таким образом, представляет интерес проведение данных совместных диагностических мероприятий, которые являются по сути новым гибридным методом диагностики.
Для проведения экспериментов были изготовлены образцы из КК на основе оксида алюминия, изготовленные по различным технологиям. Эксперименты проводились с использованием одного и того же технологического режима: продольная подача сопловой головки ( 0,5 мм/с), скорость гидроструи ( 850 м/с), расстояние от среза сопла до керамической пластины ( 3-4 мм), диаметр гидроструи ( 0,25 мм). В результате воздействия на поверхности образцов образовывались эрозионные гидрокаверны, размер и форма которых на качественном уровне коррелируют с физико-механическими свойствами исследуемого материала. Образцы изготавливались в Институте порошковой металлургии ГНПО ПМ НАНБ, г. Минск при полусухом статическом прессовании (100 кг/мм2) и режиме спекания на воздухе при температуре 1580 С в течении двух часов. Перед проведением УСД были получены изображения микрошлифов поверхности образцов с целью анализа структуры материала (см. Таблицу 11), также образцы были взвешены с использованием микровесов с ценой деления 0,001 г.
Оценка адекватности результатов конечно-элементного моделирования гидроабразивного и гидро- резания материалов на основе экспериментальных данных
Из графиков (Рис. 4.6) видно, что и для различного расстояния L изменение значения мощности сигнала АЭ и производительности гидрорезания имеют три характерных участка. Первый (I) - восходящий участок кривых в диапазоне варьируемого расстояния L от 2 до 4 мм иллюстрирует достаточно резкое увеличение производительности гидрорезания. Второй участок (II) демонстрирует наличие оптимума в мощности сигнала АЭ и производительности обработки для расстояния L4мм. Третий (III) – нисходящий участок, характеризующийся достаточно плавным снижением производительности и качества обработанной поверхности.
Необходимо отметить, что первый участок, характеризующийся ростом производительности, связан с минимизацией тормозного обратного действия ультраструи, характерного для малых расстояний L. Третий участок отличается ухудшением качества обработанной поверхности, связанным с увеличением спрееобразования ультраструи и площади пятна контакта вследствие ее трения о воздух. Наиболее заметное снижение качества отмечается при максимально выбранных расстояниях L (Рис. 4.4б). Учитывая, что оптимальное значение расстояния L на втором участке лежит в достаточно узких границах и не сильно зависит от обрабатываемого материала можно рекомендовать это значение единым и равным 4 мм. Это заключение согласуется с экспериментальными данными других исследователей [79] и рекомендациями производителей гидроструйного оборудования. В заключении следует подчеркнуть, что полученные результаты могут найти широкое практическое применение на предприятиях вооруженных оборудованием для гидрорезания материалов. В практической технологической деятельности метод АЭ позволит весьма оперативно определить достаточно узкий диапазон рациональных режимов ультраструйной обработки материалов в зависимости от тех или иных варьируемых технологических режимов. В частности установлено, что по максимальному значению мощности акустического излучения можно судить о режиме гидрорезания приближенного к параметрам оптимальной производительности.
В результате проведенных исследований были получены следующие результаты: 1. Установлено, что: - изменение угла взаимодействия ультраструи и поверхности образца в целом соответствует характеру изменения мощности акустического излучения в зоне гидрорезания; - отрицательные углы взаимодействия ультраструи и поверхности образца снижают производительность обработки и качество обработанной поверхности; 2. Показано, что: - расстояние от среза фокусирующего сопла до обрабатываемой поверхности имеет оптимальное значение по критерию наибольшей производительности гидрорезания, а сам характер кривых производительности соответствует динамике изменения мощности акустического излучения в зоне обработки; На основе анализа полученных результатов можно сделать следующий практический вывод: по максимальному значению мощности акустического излучения можно судить о режиме гидрорезания приближенного к параметрам оптимальной производительности. Это позволит упростить выбор технологических параметров, сократит время и средства на использование аналитических моделей и экспериментальных исследований, облегчит работу технологов, обслуживающих гидроструйное оборудование.
В параграфе 3.3 была проведена оценка возможности применения метода АЭ для выбора рациональной (оптимальной) производительности ультраструйного микросуспензирования.
В качестве иллюстрации на Рис. 4.7 предложен результат проведенного эксперимента об оценке взаимосвязи параметров УСУ и АЭ, позволяющий оценить возможности реализации метода на практике с целью оптимизации технологических режимов. Как и ранее оборудование для эксперимента и методика оценки параметров осуществлялась на оборудовании описанном в главе 2.
Следует отметить, что экспериментально установленные физически обусловленные прямые и обратные связи между волнами упругих деформаций (АЭ) и физико-химическими процессами суспензирования предопределяют перспективу развития метода эмиссионной диагностики.