CC BY
114
ского государственного университета им. Н.А. Не- 6. Сигорский В.П. Математический аппарат ин-красова. - 2014. - №1. - С. 29-31. женера.- Киев: Техника, 1977. - 765 с.
УДК 621.9
галиновский Андрей Леонидович
доктор педагогических наук Московский государственный технический университет им. Н.Э. Баумана
зосимов Матвей Бладимирович
кандидат технических наук Костромской государственный университет им. Н.А. Некрасова
Моисеев Валерий Александрович
кандидат технических наук Московский государственный технический университет им. Н.Э. Баумана
Хафизов Максим Васильевич
Московский государственный технический университет им. Н.Э. Баумана
ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ГИДРОРЕЗАНИЯ СРЕДСТВАМИ АКУСТИЧЕСКОЙ ЭМИССИИ
В статье рассматриваются вопросы повышения эффективности гидрорезания за счет управления качеством обработки с применением метода акустической эмиссии (АЭ), который хорошо зарекомендовал себя при выборе рациональных режимов токарной и ультразвуковой обработки материалов. Опытным путем установлено, что мощность АЭ отражает характер изменения производительности гидрорезания. Эксперименты проведены при варьировании угла взаимодействия ультраструи с поверхностью материала и расстояния от среза фокусирующей трубки до поверхности образца. Рассмотрено влияние спрееобразования на интенсивность акустического излучения, пропорционально увеличивающегося с ростом расстояния от среза фокусирующего сопла до поверхности образца. Установлено, что применение данного метода может быть целесообразно с практической точки зрения для оперативного выбора рациональных режимов гидрообработки, в особенности когда осуществляется переход на резание новых материалов. Показана необходимость дальнейших исследований по уточнению влияния спрея ультраструи на мощность акустического излучения в целях повышения точности определения оптимальных режимов ультраструйной обработки. Утверждается, что аналогичные результаты могут быть получены при решении вопросов оптимизации гидроабразивной резки материалов.
Ключевые слова: ультраструйная обработка, гидрорезание, технологические режимы, акустическое излучение.
Ультраструйная технология имеет заметное число варьируемых технологических параметров, причем как очевидных, так и латентных. К параметрам ультраструйной обработки материалов и жидкостей относятся: скорость подачи гидро-, гидроабразивной струи (£, мм/с); твердость обрабатываемого материала (НЕС); толщина обрабатываемого материала (Н, отн. ед.); шероховатость поверхности (Ег, мкм); температура ультраструи (Т, °С); глубина гидрокаверны, (Н, мм); расход абразива (с, г/мин); унос массы материала вследствие эрозии (Ат, мг); величина валика пластического оттеснения материала (Ь, мкм); давление жидкости, создаваемое насосом высокого давлении (Р, МПа); АЭ - акустическая эмиссия; газонасыщение струи жидкости / суспензии (^ отн.ед.).
Многие из перечисленных параметров являются малоизученными, в особенности их взаимного влияния и взаимосвязи. Опираясь на многолетний опыт освоения ультраструйных технологий и системный анализ результатов исследований [3; 4; 6-8], мы получили свои качественно-количественные результаты числа взаимосвязей для параметров гидроструй-
ной обработки материалов и жидкостей. Определено, что в настоящее время установлено только около 40% возможных взаимосвязей параметров. Также отмечается недостаточная изученность их влияния на уровень акустического излучения.
Наряду с расходом абразива и варьированием давления в гидросистеме, для которых во многом уже решены вопросы выбора рациональных режимов, в частности по критерию обеспечения максимальной производительности и минимальной себестоимости реза [9], существует группа других оптимизируемых параметров, имеющих важное значение для обеспечения повышения эффективности ультраструйной обработки. В [2; 5] показано, что изменение угла взаимодействия ультраструи и поверхности образца а, а также варьирование расстояния от среза фокусирующего сопла до него Ь позволяет повысить производительность резания. Вместе с тем в настоящее время отсутствуют необходимые для реализации этих идей методики выбора данных параметров.
В контексте решаемой задачи по разработке экспресс-метода определения рациональных режимов ультраструйной обработки материалов опыт-
© Галиновский А.Л., Зосимов М.В., Моисеев В.А., Хафизов М.В., 2014 Вестник КГУ им. H.A. Некрасова М- № 6, 2014
59
системотехника
Эксперимент по определению взаимосвязи технологических и акустико-эмиссионных параметров ультраструйной обработки материалов
Гидрорезание (ГР)
t 1 г
ГР при ГР при
a^var L^var
Гидроабразивное резание (ГАР)
1 г 1 г
ГАР при a^var ГАР при L^var
1 i 1 1
Запись сигнала акустической эмиссии, расчет мощности сигнала по критерию
MARSE
Обработка экспериментальных данных, оформление результатов, получение зависимостей искомых параметров
a(H); а(АЭ); а( m)
L(H); ЦАЭ) L( m )
a(H); а(АЭ); a(m)
L(H); L(АЭ) L( m )
Выдача практических результатов по выбору рациональных режимов ультраструйной обработки по информативным критериям АЭ
Рис. 1. Этапы проведения экспериментов по определению взаимосвязи технологических и акустико-эмиссионных параметров ультраструйной обработки материалов
ным путем установим связь между отдельными технологическими и акустико-эмиссионными параметрами. Основные этапы эксперимента приведены на рис. 1.
К ультраструйной обработке относится гидро-и гидроабразивное резание. В обстановке масштабности исследований, из двух обозначенных способов далее более подробно остановимся на изучении гидрорезания.
Эксперимент проводился на установке FLOW (США) в Центре гидрофизических исследований МГУ им. М.В. Ломоносова. Были выбраны следующие параметры технологических режимов:
- давление рабочей жидкости, P = 410 МПа;
- скорость подачи сопловой головки, S = 2 мм/с.
В качестве материала мишени выступал алюминиевый сплав Д16Т, выбранный по причине невысоких физико-механических характеристик и хорошей обрабатываемости.
Вопрос варьирования расстояния от среза фокусирующего сопла до поверхности образца легко решаем за счет технических возможностей используемого оборудования. Для рассматриваемого случая применима разработанная в [1] схема проведения эксперимента. Для обеспечения изменения угла взаимодействия ультраструи и поверхности преграды образец закреплялся в специальных поворотных синусных лекальных тисках, что показано на рис. 2. Показания акустической эмиссии снимались с помощью осциллографа АКИП с широкополосным акустическим датчиком (частотный диапазон 1-500 КГц). Мощность сигнала оценивалась по критерию MARSE (Measured Area of the Rectified Signal Envelope - измеренная площадь под
огибающей сигнала). Измерение проводилось на центральном участке гидрокаверны.
В первой части экспериментов проводилась ультраструйная обработка поверхности образцов при углах взаимодействия от -60° до +60° (рис. 3а). Для каждого случая измерялась глубина образовавшихся гидрокаверн и акустическая эмиссия, рассчитывался параметр MARSE. После этого данные заносились в таблицу и по ним строились экспериментальные зависимости.
В результате ультраструйного воздействия жидкости на поверхности образца образовались гидро-
Рис. 2. Схема экспериментальной установки. 1 - исследуемый образец; 2 - высокоскоростная струя жидкости; 3 - струйная головка; 4 - датчик АЭ; 5 - осциллограф; 6 - компьютер; 7 - опоры; 8 - прижим; 5" - подача режущей головки; Ь . - расстояние, принимаемое за неизменное;
среднее А 7 А 1
а - угол наклона образца; ^ - усилие прижима датчика АЭ к образцу
13 8
а) б)
Рис. 3. Участки гидрокаверн в центральной части образцов, полученные на различных режимах обработки (а - при различном угле а; б - при различном расстоянии до поверхности образца)
каверны различной глубины и ширины (рис. 3). Из схемы эксперимента видно, что, кроме угла взаимодействия а, также изменяется и расстояние Ь, и для измерений глубины гидрокаверны было установлено фиксированным значение Ь . , равное
т А среднее^ А
12 мм. С целью исключения влияния краевых эффектов, связанных с неустановившимся режимом работы гидрооборудования, измерения производились на центральной части образца.
Глубины гидрокаверн Н измерялись при помощи металлографического микроскопа МИМ-1600Б, макро- и микрометрические винты которого обладают шкалами, отображающими изменение расстояния. Учитывая наличие шероховатости поверхности на дне гидрокаверны, измерения глубины проводились по 10 точкам с последующим расчетом их среднего значения.
Во второй части эксперимента проводилась ультраструйная обработка поверхности образцов для расстояний от среза фокусирующего сопла до поверхности образца в диапазоне от 2 до 20 мм (рис. 3б). Аналогичным образом были измерены глубины образовавшихся гидрокаверн и значения акустической эмиссии.
Получив в результате эксперимента значения глубин гидрокаверн, нами была рассчитана производительность обработки т (мг/с) для обозначенных случаев. Для оценки геометрических характеристик площади сечения гидрокаверн образцы были разрезаны перпендикулярно рассматриваемым трассам (рис. 3).
Из полученных данных для гидрорезания при переменном угле а следует, что в целом мощность АЭ отражает характер изменения производительности гидрорезания как для отрицательных, так и для положительных углов взаимодействия ультраструи с поверхностью материала (рис. 4). С практической точки зрения по максимальному значению мощности АЭ можно говорить о рациональном режиме обработки по критерию максимальной производительности. Однако в данном случае было отмечено увеличение ширины гидрокаверны вблизи поверхности, что связано с увеличением площади ультраструи и ее спрееобразованием. Такое поведение отражено перехлестом графиков а(Ь) и а(т ). Следовательно, если технологическая задача требует обеспечения высокого качества реза, следует по данным АЭ-анализа провести дополнительные эксперименты на углах, близ-
параметры гидрорезания в зависимости от угла атаки струи
Ч
о £0 т
О
П-
5
5
мм/с ▲
А
А
/ X
♦
□ ■ □
♦ производительность по объему
>- л ■ производительность по глубине А мощность акустического сигнала X мощность сигнала (с отсечением спрея)
о
-90,00
45,00 « СО
(Л
а.
35,00 <
30,00 ГС с;
ГС
„„ I
л I-и О X
3 о £
10,00
0,00
-70,00 -50,00
-30,00 -10,00 10,00 30,00 50,00 70,00 90,00
угол между осью сопла и нормалью к мишени, град.
Рис. 4. График изменения параметров гидрорезания в зависимости от угла между осью фокусирующего сопла и нормалью к мишени
системотехника
параметры гидрорезания в зависимости от расстояния до мишени
Л 3,50 %
S
S 3,00 -U
ю
° 2,50
л
0 2,00
1 л
н S
ч:
S 1,00 -
0,50
0,00
3,50
1,50 - »! 1,50
О
1,00
0,50
0,00
♦ производительность по объему В производительность по глубине А мощность акстического сигнала X мощность сигнала (с отсечением спрея)
0,00
0,00
2,00
4,00
6,00
8,00 10,00 12,00 14,00 расстояние до среза сопла, мм
Рис. 5. График изменения параметров гидрорезания в зависимости от расстояния между фокусирующим соплом и обрабатываемым материалом
ких к рациональным. Это также позволит сократить безвозвратный унос материала и повысит экономическую эффективность обработки.
Из рис. 5 видно, что для различного расстояния Ь изменение значения мощности сигнала АЭ имеет два характерных участка. Первый характеризуется пропорциональным увеличением мощности в диапазоне варьируемого расстояния Ь от 2 до 4 мм. Это объясняется ростом производительности в связи с минимизацией тормозного обратного действия ультраструи, характерного для малых расстояний Ь. Второй участок отличается разно-направленностью производительности гидрорезания и изменением мощности АЭ. В данном случае рост АЭ связан с интенсивным спрееобразованием ультраструи и заметным увеличением пятна контакта. Следует отметить, что влияние спрея на акустическую картину в зоне взаимодействия ультраструи и преграды можно оценить путем проведения дополнительного эксперимента с отсечением юбки спрея на участке выхода ультраструи из сопла.
Учитывая, что оптимальное значение расстояния Ь лежит в довольно узких границах и зависит от обрабатываемого материала в незначительной степени, нами предлагается значение, равное 4 мм, принять за эталон. Причем это наше предложение хорошо согласуется с экспериментальными данными других исследователей [2 и др.] и рекомендациями производителей гидроструйного оборудования.
Примечание
1 Работа выполнялась в соответствии с грантом РФФИ № 12-08-33022 мол_а_вед «Разработка теоретических основ гибридной диагностики материалов и технологических покрытий».
Библиографический список
1. Абашин М.И. Ускоренное определение параметров качества поверхностного слоя материала
изделии по результатам воздействия на него сверхзвуковой струи жидкости: автореф. ... дис. канд. техн. наук. - М., 2013. - 17 с.
2. Авакян В.А., Агасарян Р.Р., Дохинян Р.Т. Технологии и конструкции станков для струйно-абра-зивной обработки: метод. рекомендации НПСО «Армстанок». - М.: ВНИИТЭМР, 1990. - 40 с.
3. Барзов А.А., Галиновский А.Л., Пузаков В.С. Ультраструйные технологии жидкостей и суспензий. - М.: МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2009. - 250 с.
4. Барсуков Г.В., Алюшин Е.Г., Шоркин В.С. Совершенствование технологии гидроабразивного резания на основе направленных вибраций материала // Наукоемкие технологии в машиностроении. - М., 2012. - № 5. - С. 3-6.
5. ГалиновскийА.Л., Сальников С.К. Анализ влияния и оптимизации кинематического фактора на повышение эффективности ультраструйной обработки // Проблемы качества машин и их конкурентоспособности: материалы 6-й международной научно-технической конференции. - Брянск: БГТУ 2008. - С. 285-286.
6. Гидроабразивное резание горных пород / В.А. Бреннер, А.Б. Жабин, А.Е. Пушкарев, М.М. Щеголевский. - М.: Изд-во Московского государственного горного университета, 2003. - 279 с.
7. Ерухимович Ю.Э. Математическое моделирование и совершенствование метода расчета эффективности процесса резания горных пород гидроабразивным инструментом: автореф. ... дис. канд. техн. наук. - Тула, 1999. - 16 с.
8. Степанов Ю.С., Барсуков Г.В., Алюшин Е.Г. Современные технологии гидро- и гидроабразивной обработки заготовок // Наукоемкие технологии в машиностроении. - М., 2012. - № 6 - С. 15-20.
9. Тарасов В.А., Галиновский А.Л., Елфи-мов В.М. Эрозионное изнашивание обрабатываемой поверхности при циклическом нагружении потоком абразивных частиц // Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. - 2008. - Спец. вып. - С. 163-174.
