CC BY
16
Материаловедение. Обработка металлов
УДК 621.9.048.7:621.923.01
A.А. Барзов, А.Л. Галиновский,
B.И. Колпаков, С.К. Сальников
АНАЛИЗ ВЛИЯНИЯ КИНЕТИЧЕСКОГО ФАКТОРА УЛЬТРАСТРУИ НА ЭФФЕКТИВНОСТЬ ГИДРООБРАБОТКИ МАТЕРИАЛОВ
Ультраструйная технология (УСТ) — характерный пример инновационной технологии современного машиностроительного производства. В последние годы помимо традиционных областей ее применения (резка труднообрабатываемых материалов, очистка и упрочнение поверхностей изделий) появились абсолютно новые направления ее научно-практического развития, к которым относится ультраструйная диагностика и обработка жидкостей. УСТ представляет собой совокупность методов и средств создания и реализации таких параметров высокоэнергетической компактной струи жидкости, которые при ее взаимодействии с окружающей средой (например, при динамическом торможении о твердотелую мишень) способны привести к фиксируемым целенаправленным изменениям в обрабатываемом материале и/или в самой жидкости.
Анализ показал, что одним из основных параметров, существенно влияющих на результативность всех видов УСТ, можно считать кинематический фактор (КФ), определяющий взаиморасположение ультраструи жидкости к нормали поверхности обрабатываемого изделия в месте их ударно-динамического взаимодействия. Однако применительно к проблематике УСТ, в частности для гидрорезания, данный фактор не исследовался подробно теоретически.
Одна из целей совершенствования УСТ — повышение результативности обработки материалов путем определения влияния КФ ультраструи жидкости при ее взаимодействии с материалом.
Под КФ ультраструйной обработки (УСО) будем понимать совокупность угловых параметров, характеризующих направление действия ударно-силовых нагрузок жидкостного или гидроабразив-
ного потока, в частности компактной гидроструи, на поверхность обрабатываемой заготовки.
Краткое описание понятия кинематический фактор
Условно в КФ гидроструи можно выделить интегральную и дифференциальную координаты. Интегральная координата КФ представляет собой угловую координату вектора коллективного (результирующего) движения частиц струи жидкости относительно поверхности, с которой она взаимодействует. Под дифференциальной координатой КФ понимается истинная угловая координата, характеризующая взаиморасположение векторов нагрузок, действующих на поверхность в некоторой малой области относительно нормали и/или касательной к анализируемой точке поверхности.
Кинематический фактор характеризует динамическое взаимодействие набегающего потока (струи) жидкости или газа на твердое тело (преграда, мишень). Однако в ультраструйной технологии как правило геометрические параметры струи, например ее диаметр, много меньше размеров обрабатываемой заготовки.
Кинематический фактор как функцию времени можно разделить на нестационарный, когда изменением КФ во времени с точки зрения его влияния на результат взаимодействия ультраструи с преградой пренебречь нельзя (характерный пример — очистка поверхностей пульсирующими струями, совершающими колебательное движение относительно их осей, так называемая вибрационная ультраструйная обработка), и квазистационарный, при анализе результативности которого можно пренебречь динамическим изменением во
1 1 5
времени взаиморасположения вектора силового воздействия на преграду и нормали к поверхности в точке воздействия (пример этого вида КФ — классическое гидрорезание листовых материалов).
Очевидна необходимость подразделения КФ на объемный и поверхностный.
Согласно схеме, представленной на рис. 1, КФ — неотъемлемый, весьма важный технологическим параметр, который в различных областях практического использования УСТ в значительной мере характеризует в целом производительность и качество УСО материалов [1,2].
Обоснование целесообразности оценки влияния кинематического фактора
Кинематический фактор применительно к проблематике УСТ — далеко не единственный параметр, влияющий на выходные характеристики данной технологии. Поэтому обоснование перспективности его изучения и учета — значи-
мая методическая задача, решение которой на начальном этапе исследования будем искать методом экспертных оценок Применение этого метода также связано с трудно формализуемым сравнением потенциальной результативности учета КФ по отношению кдругим, более развитым и изученным направлениям повышения эффективности операционных УСТ, в частности УСО материалов. Такой подход позволяет методически верно обосновать актуальность изучения КФ как параметра управления качеством УСТ в целом. Функцию базового метода экспертного оценивания (МЭО) выполнял метод взвешенной суммы:
= (1)
/=1
где II— итоговая оценка инновационного потенциала анализируемого конструкторско-техноло-гического решения (КТР) и/или мероприятия, параметра, фактора ит. д.; ' — весовойкоэффи-
Кинематический фактор ультраструйной обработки
Объемный
Цель УСО -max Л
Идентифицирующий лунки (гндрокаверна)
5=0 а=0
Дифференциальный
Поверхностный
Ультрастр умная гидрозрозия поверхности материала
Нестационарный (da/dp»d)
Квазистационарный (da/dp = 0)
Рис. 1. Структурная схема классификации кинематического фактора ультраструйной обработки (а — угол атаки струи (кинематический фактор); —opt _ угол атаки струи, позволяющий повысить производительность обработки; h — толщина разрезаемого материала; S— скорость подачи инструмента (струи);
т — время обработки)
циент, индивидуализирующий значимость критерия Кь характеризующего некоторое качество КТР; п — общее число критериев качества (оценок).
Применение данного метода позволило рассчитать значения итоговой оценки значимости Vисследований различных факторов УСТ и сделать выводы о приоритетности решения вопросов, связанных с оптимизацией КФ.
На первом этапе реализации МЭО путем опроса экспертов были сформулированы основные критерии, характеризующие значимость возможных положительных изменений эффективности УСО в результате целенаправленного варьирования технологических параметров. На втором этапе анализа перед экспертами была поставлена задача по формулированию основных способов повышения эффективности УСТ и их количественной оценки.
После выполнения процедуры формализации мнений экспертов была получена с использованием выражения (1) итоговая оценка значимости исследований различных факторов УСТ (рис. 2).
Согласно полученным данным (см. рис. 2) КФ УСТ следует считать пока недостаточно исследованным технологическим параметром УСО, изучение и учет которого способны повысить эффективность УСТ в целом.
Модель влияния кинематического фактора резания
Согласно классификации, представленной на рис. 1, рассмотрим влияние КФ на процесс
формирования профиля реза высокоскоростной абразивно-жидкостной суспензией (рис. 3).
Поскольку большинство работ, например [3], связано с анализом процессов гидроструйной эрозии поверхности, результаты этих исследований трудно адаптируемы к решению поставленной задачи о влиянии КФ на формирование поверхности реза на больших глубинах резания. В связи с этим специально рассмотрим процесс образования траектории реза гидроабразивным потоком в заготовке, имеющей существенную толщину.
Для получения количественных соотношений введем следующие основные допущения.
1. Поток, по крайней мере вблизи обрабатываемой поверхности, представляет собой достаточно однородную в энергетическом отношении абразивно-жидкостную гомогенную суспензию, имеющую некоторую скорость относительного движения ^(ф).
2. Сила торможения потока вблизи стенки (тангенциальная составляющая) пропорциональна инерционной силе, возникающей из-за определенной кривизны профиля реза, которая прижимает поток к обрабатываемой поверхности, обеспечивая тем самым ее абразивно-жидкостное разрушение (изнашивание, гидроэрозию). Это является аналогом сил нормального давления и трения при анализе классической схемы фрикционного контакта:
Г(ф) = КрЩф), (2)
где /Хф) —сила торможения потока вблизи стенки разрезаемого материала; ТУ(ф) — инерцион-
и
498
500 450 440 | 1
|||||||
: Ц [ И I и II и и
Р з я ~ я я аз ад лз а*«
-»а НН Н 3 р1 а 13 Но. 3 3 3
уя з з Iз а 3 £
О и а ^ ^ Ю " МО £ о 2 3 о
'£ я & й 3 яд =3 уя й За
£3 ^ 3 з а н а з £ & ^ й 2
О 3 Ой Г, -:3 ЬД з и 2 з ^
з^ з 3 - 3 о зя ^ ч Зо
33 я з 5 д а е з % § »
уз а э й э ^ ё *
Я 3 с. 3 Р" ^ г-, о 3
3 3 3 а £ ^^
3 Ра у о =3 «а
,2 * '§ £ а ^ д ^ 3
Рис. 2. Результаты итоговой оценки значимости исследований различных факторов УСТ
Рис. 3. Расчетная схема формирования профиля реза: р(ф) — радиус кривизны реза; а — угол атаки струи; У0 — скорость соударения струи с обрабатываемым материалом;
Ф и Лф — соответственно угол поворота гидроабразивного потока и его приращение; А, В — некоторые близко расположенные точки на поверхности реза (обрабатываемой поверхности)
ная сила, зависящая от кривизны профиля реза; Кр — коэффициент гидроабразивного резания. В данном случае Кр некоторый постоянный для конкретных условий обработки параметр, близкий по смыслу к коэффициенту трения в традиционной трактовке динамических соотношений фрикционного взаимодействия твердых тел.
3. Кроме работы сил "гидроабразивного" трения и изнашивания, другие виды энергетических превращений не учитываются. В частности, считается малой энергия, затрачиваемая на процессы образования новых поверхностей и структурно-фазовые превращения в обрабатываемом материале и рабочей гидросреде. Поэтому физически обоснованно полагаем, что основное изменение кинетической энергии потока связано с работой сил гидроабразивного трения (изнашивания) на обрабатываемой поверхности.
Учитывая эти допущения и следуя логике поставленной задачи, согласно схеме и обозначениям на рис. 3 изменение кинетической энергии потока АЕК при его повороте на малый угол Аф можно записать следующим образом:
Д£к =^[Ьр + Лф) + ^(ф)]х
Коэффициент 1/2 введен в соотношение (3) в соответствии с известной теоремой о среднем. Первый сомножитель представляет собой "силу трения", совершающую механическую работу на перемещении, описываемом остальными сомножителями. Таким образом (3) — суть элементарное изменение кинетической энергии потока, затрачиваемое на преодоление средних сил сопротивления трению и резанию на малом среднем линейном перемещении.
Выражение (3) представляет интегрально-дифференциальное соотношение, полученное на основе закона сохранения энергии без учета потерь, которыми можно пренебрегать в соответствии со сделанными ранее физически обоснованными допущениями о малости вторичных энергетических превращений. В этом состоит смысл интегральности соотношения (3), которое вполне справедливо при малых (дифференциальных) перемещениях гидроабразивного потока.
Следуя первому допущению, выделим некоторую элементарную массу потока 9т вблизи обрабатываемой поверхности криволинейного реза. Тогда, используя известные понятия и соотношения криволинейного движения, в частности понятия центростремительной силы и ускорения, левую и правую части выражения (3) можно представить так:
| Лт {К2 (ф) - [ К( ф) - Л К(ф ■+ Лф) ] - =
--Ат-Кп 4 р
У2(У) +^(ф + Дф)' р(ф) р(ф + Аф)
(4)
фА
(приращение).
Аф
приближении и пренебрегая величинами второго порядка малости, после промежуточных преобразований определим скорость потока
К(ф) = К0ехр(-*рф).
(5)
х~[р(ф + Лф) + р(ф)]Лф.
(3)
Таким образом, соотношение (5) в первом приближении описывает изменение скорости гидроабразивного потока в глубине разрезаемой заготовки. Коэффициент гидрорезания К в данном соотношении отражает режущую (истирающую, эрозионную) способность гидроабразивной струи для конкретных условий обработки. Причем аналогичный результат можно получить для чисто жидкостной струи.
Профиль
обрабатываемой
заготовки
Гидроабразивный поток
Обрабатываемый материал
Несмотря на кажущуюся простоту, соотношение (5) обладает необходимой общностью и допускает вполне обоснованную конкретизацию исследуемого КФ гидрорезания (гидроабразивного резания). Рассмотрим основные выводы, следующие из (5):
1. Полученноеуравнение(5)приф«я/2 позволяет определить своеобразную точку отрыва гидроабразивного потока от обрабатываемой поверхности, т. е., по сути, рассчитать критическую (предельную) толщину прорезаемого материала.
2. В научно-методическом плане уравнение (5) позволяет путем весьма ограниченного числа прямых экспериментов определить основные физико-технологические параметры гидрорезания, а именно: истинную скорость рабочего участка гидроабразивной струи ¥0 и своеобразный коэффициент гидрорезания Кр. Этот коэффициент представляет собой соотношение между комплексом технологических параметров процесса — рабочее давление, концентрация абразива, скорость (энергии) струи ит. д. — и результатом этого действия, которое определяется радиусом и кривизной поверхности резания, т. е. соотносительностью между тангенциальными и касательными напряжениями, свойствами обрабатываемого материала и т. д. Причем кривизна р является функцией практически всех параметров обработки и легко определяется экспериментально, например при различных скоростях подачи инструмента (струи) £ относительно заготовки и варьировании КФ — угла атаки а (см. рис. 1).
Таким образом, уравнение (5) позволяет при весьма общих допущениях анализировать вполне конкретные закономерности рассматриваемого физико-технического метода обработки материалов. Кроме этого, из соотношения (5)
можно также определить все параметры функ-рф
обрабатываемого материала на данный вид технологического воздействия — высокоскоростную гидроабразивную струю.
Для практической оценки и количественно-рф
физически обоснованное допущение. Считая постоянной скорость подачи инструмента (струи) мм/с, делаем очевидный вывод о рав-ноудаленности обработанной и обрабатываемой поверхности относительно гидроабразивной струи (см. рис. 3). Тогда, применяя энергетиче-
ское утверждение о прямопропорциональной зависимости между затрачиваемой на процесс резания работой и ее результатом, можно потребовать равенства работы всех сил на всех участках реза. Иными словами, работа сил резания должна быть величиной постоянной. В противном случае будет нарушено условие равноудаленно-сти, которое вполне очевидно при реальных стабильных значениях скорости подачи В принципе необходимо учесть, что перемещения, на которых совершается работа сил резания, в точках Л и В будут различны. В первом приближении для реального случая резания листовых материалов этим обстоятельством можно пренебречь. Тогда с точностью до масштабирующего коэффициента получим соотношение
^2(ф)(8Шф + АрС08ф)=Смр(ф), (6)
где См — масштабный коэффициент, уравнивающий размерности в (6).
Или с учетом уравнения (5)
V1
р(ф) = ^(8Шф + С08ф)ехр (-2 Арф). (7)
Соотношение (7) полностью связывает внешнюю энергетику процесса криволинейного гидрорезания ( внутреннюю содержательность процессов на границе раздела "твердое тело —
гидроабразивная струя (зона резания)"
рф
Отметим, что экспериментальные данные, частично изложенные в работе [2], подтверждают адекватность предложенной детерминированной модели влияния КФ на эффективность процесса гидрорезания.
Численное решение задачи определения влияния кинематического фактора
Численно решая задачу определения влияния КФ, оценим его применительно к процессу формирования профиля реза струей жидкости. Рассмотрим расчетную схему процесса, представленную на рис. 3, согласно которой траекторию движения гидроабразивного потока разобьем на 90 участков, т. е. через один угловой градус. Предполагаем, что на /-м участке траектория потока является дугой окружности с радиусом р(ф) = л., углом Дф = 1° и что известны все параметры потока (Я,-+\ — радиус, У!+1 — ско-ф
Примем, что интенсивность воздействия гидроабразивного потока Jl, действующего на обрабатываемый материал, прямопропорциональ-на нормальной силе:
Г1
J: = K„,m
YL
Я
(8)
V-,
(9)
Поскольку на /-м участке траектория потока является дугой окружности с радиусом Аф
гии потока на /-м участке можно записать в виде
Ф =
=—тК.,
2 м
V2 F2, Ri Ri-\
С другой стороны,
(Ю)
(Н)
Приравняв выражения (10) и (11), получим уравнение
—тК,, 2 м
V-1 V+ _!_ + _!+
Я я
7+1
RiAy = ^m
К
-Y,l, 1.02)
+
После простейших преобразований уравнение (12) приметвид
К„
+
я я
+
ЯА <* = V}-Vlx.
Из уравнения (9) следует
где т— = Fn, (ф) — нормальная сила, действуЯ
ющая на поверхность реза со стороны элемента гидроабразивного потока массой т, а Кы — некоторый масштабный коэффициент.
Считая скорость подачи S постоянной, запишем
V.1
Jj cosф;- = cosw =
Ri
У,2
= const ^ -1— С OS ф, = const.
я '
У,
—— СОвф; =
я '
V,
;+1
я
cosw+1-
(13)
(14)
7+1
Полученные уравнения (8—14) позволяют определить координаты точек профиля реза и построить его [4].
Далее, поворачивая профиль реза вокруг точки входа потока, можно определить зависимость глубины резания (толщины разрезаемого образца) от КФ (рис. 4). Как видно из графика, в конкретных условиях обработки при а = 60—65° профиль реза обладает максимальной глубиной.
В дополнение к представленным зависимостям, следующим из уравнения (10), может быть установлена взаимосвязь между потерями кинетической энергии и углом поворота траектории Аф
а
0,05058 м.
Моделирование влияния кинематического фактора на эффективность ультраструйной очистки
Проведенный анализ показал, что КФ оказывает существенное влияние не только на эффективность гидрорезания, но и на технологию ультраструйной очистки материалов. Для подтверждения данного предположения проведем расчеты по определению влияния угла атаки ультраструи жидкости на примере очистки трудноудаляемых
Рис. 4. Зависимость глубины резания h от кинематического фактора а
загрязнений с поверхности детали. Для моделирования динамического взаимодействия струи жидкости и многослойной преграды воспользуемся аппаратом механики сплошной среды (МСС) и потенциалам современного компьютерного обеспечения (AutoDyn v.bAoïAnsys).
Постановка задачи МСС заключается в составлении замкнутой системы уравнений, которая описывает движение и состояние сплошной среды с учетом ее физико-механических свойств, и внешних силовых факторов, позволяя найти все функции, определяющие движение и состояние среды в зависимости от координат и времени. Необходимо пройти следующие шаги для правильной постановки задачи МСС.
1. Выбор системы отсчета и систем координат, по отношению к которым рассматривается движение деформируемой среды.
Моделирование производится в относительной системе координат (рис. 5), которая располагается в точке начального соприкосновения струи и преграды.
2. Выбор модели сплошной среды для изучаемого процесса. Для данного вида взаимодействия с учетом природы и условий процесса необходимо выбрать мультиматериальную эйлерову модель описания движения деформируемой сплошной среды, которая заключается в исследовании изменения величин, описывающих движение и состояние сплошной среды для каждой из точек пространства.
3. Составление системы исходных уравнений для выбранной модели сплошной среды.
4. Выбор основных неизвестных и построение систем нахождения этих неизвестных. В данной задаче в некоторых точках пространства модели необходимо фиксировать следующие характеристики среды: скорость струи во время ее движения и взаимодействия с преградой, а именно колебания скорости в струе; колебания давления и плотности внутри преграды; зоны упругого и пластического деформирования, а так же разрушения среды; зоны распространения избыточного давления взаимодействия струи и преграды. Для этого в поле расчетной модели необходимо ввести некоторые характерные точки — реперные точки или маркеры (gauges).
5. Формулировка начальных и граничных условий:
к начальным условиям (initial conditions) относятся: начальная скорость струи У0 = 0,4—
Рис. 5. Схема взаимодействия струи и преграды в относительной системе координат
— 1,0 км/с, КФ (а); начальные физико-механические характеристики материалов детали, жидкости (струи) и воздуха;
к граничным условиям (boundaries) относятся: исходящий поток из области (flow out), который отсекает ненужный движущийся материал (находится по краям области); контактные напряжения в точках взаимодействия водной струи и поверхности преграды; поток, входящий (flow in) в область, который вводит в расчетную зону воду; максимальные напряжения разрушения материалов; максимальное значение скорости любой точки области; неограниченный разброс по энергии между каждым шагом интегрирования; неограниченный разброс по энергии за весь период расчета.
Благодаря реализации предложенной расчетной модели, была установлена динамика развития процесса очистки детали с покрытием на масляной основе струей воды диаметром d = 1 мм и скоростью V— 600 м/с (рис. 6).
На рис. 7 в качестве иллюстрации представлена одна из характеристик процесса взаимодействия струи и детали — динамика изменения скорости Vx детали по координате х.
В заключение анализа процесса моделирования и его результатов отметим следующее:
при УСО детали в диапазоне скоростей струи жидкости 400—1000 м/с характер движения металлической основы детали носит колебательный характер. При этом ее напряженно-деформируемое состояние находится в зоне упругости а/тах < аТ, где ат — предел текучести материала детали;
Рис. 6. Динамика развития процесса ультраструйной очистки при а = 30°: а — момент первоначального соударения струи технологической жидкости с поверхностью детали (покрытием); б— начало процесса снятия покрытия с поверхности детали; в — развитие процесса очистки; г — окончательный этап очистки детали на данном участке
_А_12
_в_1з
С 14 Г) 15 Е 16 _Е_17 _Э_18 _Ы_19 _20 _и_21
К ■>■>
К, мм/мс
ГГЙП—0.00040162 тах=0 0012847
Рис. 7. Динамика изменения скорости детали, V
при удалении "маслянистых" участков покрытий с поверхности детали в диапазоне ско-
а
наблюдается достаточно широкая область эффективного действия струи (20—ЗОМ где й — диаметр струи. С увеличением угла обработки до 60° пятно эффективного удаления несколько уменьшается до (15—20)сЗг, а скорость удаляемых частиц увеличивается. При этом выявлен механизм удаления покрытия, заключающийся в совмещении колебательного движения детали с действием на нее набегающего потока жидкости, скользящего вдоль ее поверхности. Первое движение приводит к "встряске" частиц покрытия и отделению их от металлической основы детали, второе — к удалению частиц с поверхности детали;
при обработке детали с твердым покрытием эффективной с точки зрения удаления является только область в зоне контакта струи с деталью, при этом максимальная скорость удаления частиц не зависит от скорости (400— 1 ООО м/с) и угла (30-60°) обработки.
Экспериментальное изучение кинематического фактора
Целью экспериментальной проверки и подтверждения достоверности математических моделей и теоретических зависимостей было определение профиля реза и его глубины в зависимости от различных значений КФ (угла атаки). Для обеспечения возможности наблюдения за результатом гидроабразивного воздействия струи в качестве экспериментального материала было выбрано оргстекло.
Для наглядного подтверждения сделанных выводов на рис. 8 продемонстрировано изображение экспериментального образца с надрезом, а
теоретической зависимостью, рассчитанной для а
К,
1 см
Рис. 8. Графическое сопоставление экспериментальной и теоретической траектории реза для а = 60°
В заключение отметим, что полученные результаты — лишь промежуточный этап в исследовании и анализе влияния кинематического фактора ультраструи на эффективность гидрообработки материалов.
Перспективными направлениями исследований при этом должны стать:
изучение влияния нестационарности КФ гидроабразивной струи на производительность резания (виброструйное резание);
проведение анализа высокочастотной динамики процесса взаимодействия гидроабразивной струи с преградой, например методом акустической эмиссии;
исследование влияния КФ на результативность использования гидроструи как средства изменения потребительских свойств самой рабочей жидкости.
Кроме того, отметим, что экспериментальные данные, частично изложенные в работе [1], подтверждают адекватность предложенной детерминированной модели влияния КФ на эффективность процесса гидроабразивного резания.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Барзов, A.A. Физико-технологические возможности ультраструйной обработки материалов и жидкостей. Физическая гидродинамика |Текст| / A.A. Барзов, B.C. Пу-заков, С.К. Сальников |идр.|//Препринт№ 6/МГУим. М.В. Ломоносова, Физический фак-т. ^2004. — 25 с.
2. Барзов, A.A. Анализ влияния кинематического фактора на эффективность ультраструйной обработки |Текст| / A.A. Барзов, С.К. Сальников, H.H. Сысоев
|и др.| // Препринт № 6 / МГУ им. М.В. Ломоносова, Физический фак-т. —2006. — 27 с.
3. Черепанов, Г.П. Механика хрупкого разрушения |Текст| / Г.П. Черепанов. — М.: Наука, 1974. — 640 с.
4. Барзов, A.A. Технология ультраструйной обработки и диагностики материалов |Текст| / A.A. Барзов, А.Л. Галиновский // М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2009. - 246 с.
