Исследование струй сжатого воздуха, подаваемых в рабочую камеру, заполненную абразивной суспензией Текст научной статьи по специальности «Физика»

В1СНИК ПРИАЗОВСЬКОГО ДЕРЖАВНОГО ТЕХН1ЧНОГО УН1ВЕРСИТЕТУ 2003 р. Вип. №13

УДК 621.92.001.5

Андилахай А. А.

ИССЛЕДОВАНИЕ СТРУЙ СЖАТОГО ВОЗДУХА, ПОДАВАЕМЫХ В РАБОЧУЮ КАМЕРУ, ЗАПОЛНЕННУЮ АБРАЗИВНОЙ СУСПЕНЗИЕЙ

Предложен аналитико-эмпирический метод определения конструктивных и технологических параметров рабочих камер струйно-абразивных установок. Изложена методика определения инжектирующей способности затопленных струй, истекающих из воздушных сопел различной формы и размеров.

Отделочно-зачистная обработка деталей в свободных абразивных средах широко распространена в машиностроении. К настоящему времени накоплен большой опыт эмпирического исследования процессов струйно-абразивной обработки, основанной на прокачивании абразивной суспензии через сопла [4], однако, имеется лишь ограниченное число работ, в которых рассматривается сравнительно новый процесс обработки с помощью струй сжатого воздуха [1, 2], затопленных абразивной суспензией, хотя именно при такой схеме обеспечивается сохранность сопел, подающих рабочий агент, рис. 1.

Рис. 1- Фрагмент соплового аппарата струйно-абразивной установки

Целью работы является научное обоснование выбора конструктивных и технологических параметров рабочей камеры на основе фундаментальных исследований процесса струйно-абразивной обработки мелких деталей малой жесткости затопленными струями сжатого воздуха.

Установлено, что струи сжатого воздуха перед входом в абразивную суспензию на относительно коротком участке движутся в свободном объеме, где происходит их расширение. В продольном сечении, вытекающая из сопла струя, имеет прямолинейные границы начального участка (рис. 2) и при продолжении, в целом, образует усеченный конус, одним из оснований которого, является сечение сопла, второе - представляет собой некоторую площадку, сливающуюся с общим потоком. В начальном участке струи имеется ядро, в котором воздух движется с такой же скоростью Ж0 как на выходе из сопла.

Известно, что при турбулентном режиме истечения осесимметричной струи скорость Жх в произвольной точке зависит от координат X и Я, от начальной скорости IV0 на выходе из сопла и его радиуса г0. Отношение скоростей может быть выражено функцией:

УРх/Жо=/(Х/г0; Я/Х) (1)

ПГТУ, канд. техн. наук, доцент

Рис. 2 - Схема воздушной струи в рабочей камере с абразивной суспензией

Объемный расход воздуха через любое поперечное сечение струи выражается зависимостью

Vx=\Wx-dS, (2)

S

где S — площадь поперечного сечения струи.

Воздушная струя распыляет и увлекает жидкость и абразив из окружающего пространства [3], поэтому Vx возрастает при увеличении X. Отношение объемного расхода газа Vx, проходящего через рассматриваемое сечение X, к расходу V 0, на выходе из сопла можно выразить функцией:

Vx/V0 = ¡WxdS/ W0So, (3)

s

где S0, — площадь поперечного сечения сопла.

Отношение количества движения потока в разных сечениях может быть выражено уравнением

MJM0 = jpW?dS/pW^S0 = f(X/r0), (4)

где р - плотность потока.

Опытные данные показывают, что статическое давление в каждом поперечном сечении струи практически постоянно и равно давлению в окружающем пространстве, поэтому

MJMo = 1. (5)

Поскольку масса абразивных зерен одинакова, глубина отпечатков на экране является функцией их кинетической энергии и, следовательно, пропорциональна квадрату скорости абразивного зерна, которой оно обладало в момент столкновения с экраном. Тогда с большой степенью вероятности можно утверждать то, что потоки во всех сечениях струи динамически подобны и распределение скоростей абразивных зерен внутри диффузионной зоны выражается одной функцией. Экспериментальные данные удовлетворительно описываются функцией распределения вероятностей Гаусса с характерным значением среднего квадратического отклонения скоростей для каждого сечения:

^ г (wx-KP)2

Ф(Ю = —^=\е dW 5 (6)

Сq

где а - среднее квадратическое отклонение скоростей абразивных зерен, определяемое по формуле:

~wJm • (7)

Для описания картины скоростей абразивных зерен, инжектированных осесимметричной струей, следует найти удвоенное значение интеграла, определяющего половину площади, ограниченной кривой Гаусса и рассматриваемым сечением X, являющимся осью абсцисс.

Выражение (6) можно записать в нормированном виде в форме известной функции Лапласа:

Ш <8>

значения этой функции табулированы в зависимости от t. Здесь t представляет собой нормированный параметр распределения:

t=(Wx-Wcp)/a (9)

Хорошо известно, что решение функции Лапласа зависит не от конкретных значений (Wx - Wcp) и а, а от их отношения в соответствии с формулой (9).

Расчетные значения функции Лапласа в заданных поперечных сечениях позволяют оценить суммарную кинетическую энергию абразивных зерен, инжектированных в струю. При этом в пределах одного поперечного сечения

A W/ а = t = const, (10)

где AW=WX- Wcp.

Косвенная оценка основных характеристик струи получена экспериментально-аналитическим методом на основе построения математической модели с использованием планированного эксперимента. Критерием оценки скорости абразивных зерен, длины начального и основного участков, инжекции абразивных зерен по сечению потока, а также угла раскрытия струи являлись отпечатки абразивных зерен на полированных латунных пластинках, устанавливаемых поочередно в различных сечениях струи в виде экранов. Математические модели представляют собой показательные функции вида:

X = С * г0у * Рz; (11)

(p=C1xr0yxPz; (12)

XHa4=C2xrJxP\ (13)

где X - эффективная длина струи;

(р - угол раскрытия струи;

Хнач - начальный участок струи;

С, СI, С2 - эмпирические коэффициенты;

г с - радиус сопла;

Р - давление сжатого воздуха;

у - показатель степени при радиусе, определяющий его влияние на критерии (X, (р, Хнач);

z - аналогичный показатель степени при давлении сжатого воздуха.

Скорость абразивных зерен оценивалась глубиной отпечатков, которая измерялась на интерферометре с точностью до 0,5 мкм.

Современные разработки в области новых технологий отделочной обработки наряду с повышением производительности часто имеют целью повышение (или по крайней мере не

снижение) качества поверхностного слоя. В общем случае повышение производительности обработки ведет к увеличению высоты микронеровностей.

При несомненных технико-экономических преимуществах струйно-абразивная обработка, в то же время, далеко не всегда обеспечивает требуемое сочетание высокой производительности и достаточного качества, особенно при необходимости обработки деталей малой жесткости и сложной пространственной формы.

Экономические преимущества струйно-абразивной обработки затопленными струями в основном и определяют перспективность данного направления, однако, современный уровень промышленных технологий с применением струйно-абразивной и центробежно-абразивной обработки пока еще не позволяет ставить задачу применения нового перспективного метода.

При проектировании струйно-абразивной установки эффективная длина струи и угол ее раскрытия являются важнейшими конструктивно-технологическими параметрами, определяющими габаритные размеры рабочей камеры.

Выводы

1. Анализируя векторы скоростей абразивных зерен (в относительном измерении), рассеяние величин которых имеет форму кривых нормального распределения Гаусса, можно судить об относительных величинах среднего квадратического отклонения а в разных сечениях струи. Так, сравнивая кривую Гаусса в начале основного участка (сечение Хнач) и в сечении X, (см. рис. 2) можно утверждать, что величина о в сечении X в 2 раза больше, следовательно больше и рассеяние скоростей, что для данного метода обработки нежелательно.

2. Учитывая специфику процесса струйно-абразивной обработки деталей, свободно помещенных в рабочую камеру, эффективная обработка может достигаться при обеспечении значительного градиента скоростей потоков в зоне, нахождения обрабатываемой детали. В связи с этим поперечные сечения потоков абразива в струях должны быть меньше габаритных размеров деталей, тогда скорость абразивных зерен будет больше скорости перемещения обрабатываемых деталей. Таким образом, уменьшение диаметров сопел для обработки более мелких деталей должно привести к повышению производительности обработки в сравнении с обработкой в рабочих камерах с большими диаметрами сопел.

3. В соответствии с законом нормального распределения количество абразивных зерен, имеющих максимальную скорость и, как следствие, максимальный запас кинетической энергии, ограничивается точками перегиба кривой на расстоянии ±сг от ее вершины. Оставшаяся часть струи (± 2а) не эффективна, поэтому может быть занята смежными струями, например, встречного направления.

Перечень ссылок

1. Андилахай А. А. Теоретические и экспериментальные исследования формообразования поверхностей деталей в процессе обработки свободными абразивными зернами./ А. А. Андилахай //Вюник Приазов. держ. техн. ун-ту.: 36. наук. пр. - Мар1уполь, 2000. Вип. 10. -С. 164-172.

2. Сергиев А. П. Струйно-абразивная обработка мелких деталей во вращающемся потоке./А. П. Сергиев, А. А. Андилахай // Станки и инструмент. - 1981. - № 11. - С. 18-20.

3. Васильев А. С. Гидродинамика и массообмен при истечении газовых струй в жидкость./А. С. Васильев// Автореф. дис. ... канд. техн. наук. - М.: 1969. - 22 с.

4. Белецкий Д. Г. Основные параметры безэжекционной гидроабразивной обработки./ В.Н. Жемчугов//Вестник машиностроения,- 1967,- № 5. - С. 53 - 56.

Статья поступила 12.12.2002.