Моделирование отклонения гидроабразивной струи при резании пакетированного материала с межслойным зазором от скорости подачи сопла и типа абразива Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

http://vestnik-nauki.ru/

2015, Т 1, №4

УДК 621.9

МОДЕЛИРОВАНИЕ ОТКЛОНЕНИЯ ГИДРОАБРАЗИВНОЙ СТРУИ

ПРИ РЕЗАНИИ ПАКЕТИРОВАННОГО МАТЕРИАЛА С МЕЖСЛОЙНЫМ ЗАЗОРОМ ОТ СКОРОСТИ ПОДАЧИ СОПЛА И ТИПА АБРАЗИВА

Г.В. Барсуков, А.В. Михеев

MODELLING TREND JET WATERJET CUTTING MATERIAL PACKAGED WITH INTERLAYER GAP ON THE FEED RATE OF THE NOZZLE AND TYPE ABRASIVE

G.V. Barsukov, А^. Мikheev

Аннотация. При массовой вырезке однотипных деталей из листов применяют пакетную резку. Для исключения образование водных пробок в межслойной зоне, улучшения условий отвода из зоны резания продуктов разрушения, повышения эффективности гидроабразивной струи предлагается делать межслойный зазор. В статье предлагается модель отклонения гидроабразивной струи при резании пакета материалов с межслойным зазором от скорости подачи сопла и типа абразива, что позволяет обеспечить требуемую точность вырезанных деталей за счет изменения величины подачи для выравнивания точек входа и выхода струи из материала.

Ключевые слова: гидроабразивное резание; многодетальная резка; пакетированный материал; настил материала; межслойный зазор.

Abstract. When the mass felling of similar parts from sheets apply batch cutting. In order to exclude the formation of water plugs in the interlayer zone, to improve the conditions of the water-cutting area of the degradation products, improve the efficiency of the jet-term gidroabraziv invited to make inter-gap. The article proposes a model deviation waterjet cutting jet when the package material with an interlayer clearance between the nozzle and the feed rate of the abrasive type, which ensures the required precision cut parts by changing the supply amount to align the entry and exit points of the jet of material.

Key words: abrasive waterjet cutting; cutting multiple parts; packaged material; flooring material interlayer gap.

Пакетная резка применяется при необходимости получения серии однотипных заготовок. Использование пакетированной резки позволяет при гидроабразивном раскрое снизить себестоимость изготовления в несколько раз, что увеличивает преимущества перед другими методами, например, лазерной резки.

При сборке пакета листовых материалов необходимо выполнять ряд правил. Если между листами будет зазор, то гидроабразивная струя будет иметь возможность растекаться и поднимать листы в межслойной зоне, что приведет к неполному прорезания уложенных материалов. Поэтому обычно перед резкой листы материалов стягивают между собой струбцинами или болтами через технологические отверстия. Однако это ограничивает возможности раскладки лекал деталей и увеличивает время на сборку пакета материалов.

Для решения этой проблемы авторами предлагается способ сборки пакета материалов с заранее установленным технологическим межслойным зазором, который позволяет: исключить образование водных пробок в межслойной зоне и улучшить условия отвода из зоны резания продуктов разрушения (рис. 1).

Введение

http://vestnik-nauki.ru/

Рисунок 1 - Пакет листового материала с технологическим зазором

В то же время наличие технологического зазора накладывает ограничения на точность вырезанных деталей, так как обычные настройки гидрорезного станка рассчитаны на сплошной материал, без пустот. В первую очередь необходимо учитывать угол отклонения струи по толщине пакета (рис. 2) [1 - 4]. Решить эту технологическую проблему позволит математическая модель, с помощью которой технолог может назначить не только технологические режимы резания, но и конструктивные параметры пакета материалов.

Л

Рисунок 2 - Схема отставания точки выхода струи от точки входа в обрабатываемый материал

В модели так же следует учесть характеристики применяемого абразивного зерна, от режущих свойств которого зависит угол отклонения струи, а, соответственно и производительность при обеспечении требуемого качества [5, 6].

Разработка модели отклонения гидроабразивной струи

Объем снимаемой стружки единичным зерном определяет величину отставания струи во время разрушения материала [6]. В связи с чем, необходимо знать траекторию врезания частицы в обрабатываемый материал, определяющую глубину к, ширину Ь и длину Ь царапины от выступов микрорельефа зерна. В работе [7] установлено, что среднее значение углов 2в при вершине уменьшается с понижением номера зернистости. Значение углов 2в лежат в пределах 40 - 150°. При этом процент острых углов составляет 12 - 25 %.

Рассмотрим задачу о проникновении абразивного зерна в материал, когда угол между контактной поверхностью и осью симметрии внедряемой частицы а небольшой. При определении траектории движения единичного зерна будем учитывать вращение абразивной частицы вокруг центра масс.

Для решения задачи сделаем следующие допущения:

http://vestnik-nauki.ru/

1) зерно внедряется в материал на величину не более своего радиуса А;

2) Вращением зерна пренебрегаем, а учитываем только при взаимодействии с поверхностью материала;

3) вектор скорости зерна направлен по его оси симметрии;

4) форма зерна представим в виде двух конусов с общим основанием и с разнонаправленными вершинами на одинаковом расстоянии от него.

При моделировании примем, что на поверхность контакта абразивного зерна с материалом действует избыточное давление, определяемое по зависимости [8]:

p = v

2 Р С

b(v- 2)

v-2

(

v

\

a 2 -1

(

+ b(v-2)a 2 -

v

f v V

Y

a 2 -1

v у

sin2 e +

+

a 2 -1

v У

Po +■

v(l + д)

(1)

где a, b - коэффициенты a = —1—; b = -p^ = const; p0 - начальная плотность

1 - b Р(()

обрабатываемого материала; p(() - текущая плотность обрабатываемого материала в зоне контакта с абразивным зерном; V0 - осевая составляющая скорости внедрения зерна в материал; т0 - предел текучести обрабатываемого материала; д - коэффициент Пуассона

обрабатываемого материала; v - коэффициент, v = 2д ; р0 - начальное давление на

1 + д

поверхности контакта зерна с материалом; Р - угол при вершине абразивного зерна.

Определим площадь проекции абразивного зерна Sy и Sz на плоскости y^ и

подвижной системы координат yzE, (рис. 3).

Запишем уравнение линии пересечения конической поверхности абразивного зерна с плоскостью преграды:

S 2 +

d

-А I - z sin a

2 f = tg 2p

d

2tgp

-z

(2)

где 2 - текущие координаты абразивного зерна в произвольный момент времени; ё -диаметр зерна; А - глубина врезания зерна в поверхность. Положим, что = 0, тогда:

А

tgP - sin a

(3)

Решая уравнение (2) при z = 0 , определим значения 2,

£ = ±VdA-A2 .

V

V

V

т

0

2

2

Z

max

http://vestnik-nauki.ru/

Рисунок 3 - Схема взаимодействия абразивной частицы с поверхностью обрабатываемого материала

Определим площадь проекции абразивного зерна на плоскость у^ :

4

Ил/с!И - И

Sy =■

3 tgв - Бт а

(5)

Аналогично определим площадь проекции абразивного зерна на плоскость :

* =

г 4

п 180'

-агсБт-

2л]СИ-И2 2л/СИ-И

С

с

Л

1-

2л1 СИ-И

С

(6)

2

Учитывая, что на всю поверхность контакта действует давление р, определяемое формулой (1), найдем значения осевой и поперечной силы резания:

4 VСИ3 -И4

Ру = SyP = 3 —в—:-р , (7)

3 tgp- бш а

http://vestnik-nauki.ru/

Í

F е d

Fz = SzP —

п 180

-arcsin-

2л/ dA-A2 2л/ dA-A

d

d

1

1-

f2л/dA-A2 ^

d

P .(8)

Определим приближенное значение результирующего момента сил относительно центра масс абразивного зерна:

f d 2 Л 1 A „

M = -I---A IF. +--Fy.

12 3 J z 3 tge y

(9)

Для составления уравнения движения абразивного зерна вычислим проекцию осевой составляющей скорости на ось х и п неподвижной системы координат хуп:

x = V cos а, (10)

П = V sin а, (11)

где V - скорость абразивной частицы.

Представим выражение (1) в следующем виде:

p = х 2k + w,

(12)

где k =

Ро v- -2

b(v - 2) v _ v

f v Л f

w = a 2 -1 Po

v J v

a 2 -1

+ b(v- 2)a2 -

f

Y

a2 -1

v J

sin2 в:

v

(1

V

V

V

T

Запишем уравнения движения и вращения центра масс абразивного зерна относительно неподвижной системы координат хуп:

mx = -Fz cos а + Fy sin а, <mn\ = -Fz sin а- Fy cos а, (13)

/ф = M,

где т - масса абразивного зерна; I - экваториальный момент инерции; ф = а0 - а - изменение угла наклона оси симметрии зерна к преграде; а0 - начальный угол между контактной поверхностью и осью симметрии внедряемого зерна. Из рис. 3 видно, что:

А = Л- Яо, (14)

а = а0 -ф.

Подставляя (14), (15) в (13), получим:

http://vestnik-nauki.ru/

шх =

тр =

х2к + w - у оо8(а0 -ф) + 3з1sin(а0 -ф),

х2к + w ]у sin(a0 - ф) + -31 оо8(а0 - ф),

(16)

/ф =

х2к + w

- £ / 2 - 2 (Л-Я0))+9А.

4 \2 3У 0')

1.

где 1, у - коэффициенты; 1 =

^(П-Н0)3-(-Н0)4 ; - ^п(0(,0 - Ф) '

у =

п . 2д/й(-Н0)-(-Н0)2 ^й(-Н0)-(-Н0)2 Г2д/й(-Н0)-(-Н0)

-arcsin---11 - -

180 й й ] й

Л*" Л

Начальные условия для системы уравнений (16):

х(0) = К0 cos а0,

П(0) = ф(0) = 0.

sin а,

0

х(0) = 0, П(0) = Н 0,

ф(0) = а0.

(17)

Система уравнений (16) решена численным методом.

На рис. 3 представлен полученный результат в графическом виде.

Известно, что при гидроабразивном резании в съеме металла принимает участие многочисленная совокупность абразивных зерен. При этом одновременно участвует в обработке значительное число зерен, часть из которых, проходя зону контакта, снимает единичные стружки, определяющие производительность процесса шлифования.

Объем снимаемой стружки единичным зерном определим по следующей формуле:

й2 0 и=—Г 4 1

(

п 180

-arcsln

. 2^йН0)-(-Н0)2 2^йН0)-(-Н0)2

й

й

1 -

Ъ] й (-Н 0 )-(-Н 0): й

Г-2 Л

йх.

(18)

Оценку отклонения фронта разрушения по толщине материала проведем, решая обратную задачу. Вначале задаем угол падения абразивного зерна а, а затем по зависимостям (10, 11, 16, 18) вычисляем режимы истечения гидроабразивной струи. Результаты моделирования представлены на рисунок 4.

х

http://vestnik-nauki.ru/

Б ,-м/мин

- .................. - -1-1- | [ Толщин а - - - -

£=-380- МПа, ста ль-40 ; - ..................

\ Толщин а-1 О-мм V

4 ~............... 'Ж

Толщина-20-мм

--: - _ - _ ! ■

Толщин а 40-мм - Толщина-30-мм

15 16

'гол-отклонения, трад.

Угол- отклонения, трад.

Рисунок 4 - Зависимость отклонения фронта разрушения от режимов резания и типа абразивного зерна: а - абразив гранат, б - абразив песок

Таким образом, разработана модель отклонения гидроабразивной струи при резании пакета материалов с межслойным зазором от скорости подачи сопла и типа абразива, что позволяет обеспечить требуемую точность вырезанных деталей за счет изменения величины подачи для выравнивания точек входа и выхода струи из материала.

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

1. Барсуков Г.В., Михеев А.В. Определение производительности гидроабразивного резания с учетом характеристик абразивного зерна // Справочник. Инженерный журнал, 2008. № 1. С. 9-14.

2. Степанов Ю.С., Барсуков Г.В., Михеев А.В. Моделирование разрушения многослойной преграды с газовым зазором под действием сверхзвукового струйного потока свободных абразивных частиц // Фундаментальные и прикладные проблемы техники и технологии, 2010. № 4-2. С. 65-70.

3. Степанов Ю.С., Барсуков Г.В., Алюшин Е.Г. Современные технологии гидро- и гидроабразивной обработки заготовок // Наукоемкие технологии в машиностроении, 2012. № 6. С. 15- 20.

4. Степанов Ю.С., Барсуков Г.В., Михеев А.В. Влияние параметров течения сверхзвуковой гидроабразивной струи на геометрическую форму поверхности разрушения

Вестник науки и образования Северо-Запада России

http://vestnik-nauki.ru/ -------

--2015, Т. 1, №4

преграды // Фундаментальные и прикладные проблемы техники и технологии, 2012. № 2 -5. С. 53-63.

5. Степанов Ю.С., Барсуков Г.В., Михеев А.В. Разрушение преграды сверхзвуковым потоком свободных абразивных частиц. - М.: Издательский дом «Спектр», 2010. 152 с.

6. Барсуков Г.В., Александров А.А., Фроленков К.Ю. Разработка технологии модификации вторичных техногенных абразивных материалов для гидроабразивного резания Фундаментальные и прикладные проблемы техники и технологии, 2013. № 3-2. С. 82-90.

7. Степанов Ю.С., Барсуков Г.В. Формирование качества поверхностного слоя деталей при резании сверхзвуковой струей жидкости // СТИН, 2003. № 10. С. 15 -17.

8. Ваксер Д.Б. Пути повышения производительности абразивного инструмента при шлифовании. - Л.: Машиностроение, 1964. 124 с.

9. Сагомонян А.Я. Проникание. М.: Изд-во МГУ, 1974. 299 с.

ИНФОРМАЦИЯ ОБ АВТОРЕ

Барсуков Геннадий Валерьевич ФГБОУ ВО «Приокский государственный университет», г. Орел, Россия, доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой конструкторско-технологическое обеспечение машиностроительных производств, E-mail: [email protected]

Barsukov Gennadiy Valerevich FSEI HE «Prioksky State University», Orel, Russia, Chairman of The engineering and technological support of machine-building production, Doctor of Technical Science, Professor, E-mail: [email protected]

Михеев Александр Васильевич ФГБОУ ВО «Приокский государственный университет», г. Орел, Россия, кандидат технических наук, докторант, кафедра конструкторско-технологическое обеспечение машиностроительных производств, E-mail: [email protected]

Mikheyev Aleksandr Vasilevich FSEI HE «Prioksky State University», Orel, Russia, PhD, Doctorate, Department of Design and Technology software engineering production, E-mail: [email protected]

Корреспондентский почтовый адрес и телефон для контактов с авторами статьи: 302020, Орел, ул. Московская, 34, ТИ ПГУ, КТОМП, каб. 308. Барсуков Г.В.

+7(906) 6650002