CC BY
121
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
galcomputer@yandex.ru
зосимов Матвей Бладимирович
кандидат технических наук Костромской государственный университет им. Н.А. Некрасова
zosimov@inbox.ru
Моисеев Валерий Александрович
кандидат технических наук Московский государственный технический университет им. Н.Э. Баумана
moiseev56@mail.ru
Хафизов Максим Васильевич
Московский государственный технический университет им. Н.Э. Баумана
m-khafizov@mail.ru
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.
