CC BY
25
-□ □-
Дослиджено можлив^ть пидвищен-ня продуктивностi гидроструминно-го рiзання за рахунок накладання роз-тяжних напружень на зону струминного впливу. Проведено комп'ютерне моделю-вання напружено-деформованого стану листовог заготовки iз визначенням зон напружень на фронтi гидро^зання. Показано, що керування нестацюнарним напруженим станом дозволяв обмежи-ти швидтсть зростання трщини при зростанш продуктивностi рiзання
Ключовi слова: гiдроабразивне обро-блення, оброблення по криволтшному контуру, кероване трщиноутворення,
напружений стан, мехатронт пристрог
□-□
Исследована возможность повышения производительности гидроструйной резки за счет наложения растягивающих напряжений на зону струйного воздействия. Проведено компьютерное моделирование напряженно-деформированного состояния листовой заготовки с определением зон напряжений на фронте гидрорезания. Показано, что управление нестационарным напряженным состоянием позволяет ограничить скорость роста трещины при росте производительности резки
Ключевые слова: гидроабразивная обработка, обработка по криволинейному контуру, управляемое трещинообра-зование, напряженное состояние, меха-
тронные устройства -□ □-
УДК 621:30.050
|DOI: 10.15587/1729-4061.2016.599071
ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ГИДРОСТРУЙНОГО РЕЗАНИЯ ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ СРЕДСТВ УПРАВЛЯЕМОГО ТРЕЩИНООБРАЗОВАНИЯ
В. Н. Орел
Аспирант* Е-mail: [email protected] В. Т. Щетинин
Кандидат технических наук, доцент* Е-mail: [email protected] А. Ф. Саленко Доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой* Е-mail: [email protected] Н . Н . Я ц ы н а Кандидат технических наук, доцент* Е-mail: [email protected] *Кафедра процессов и оборудования механической и физико-технической обработки Кременчугский национальный университет им. Михаила Остроградского ул. Первомайская, 20, г. Кременчуг, Украина, 39600
1. Введение материала можно значительно уменьшить его сопротивляемость разрушению от гидравлической струи
Повышение параметров энергоэффективности и или гидроабразивного потока.
производительности при сложно контурном раскрое Главная проблема гидрорезания заключается в
листовых заготовок абразивно-жидкостной струей яв- том, что струя жидкости, обладая выборной способ-
ляется важной задачей эксплуатации гидроабразивных ностью проникать в систему микротрещин и вызвать
технологических комплексов, выпускаемых в широком в последних значительные растягивающие напряже-
ассортименте зарубежными и украинскими фирмами. ния, образует такую напряженную зону, в которой в
Создание определенных условий протекания ра- центре гидровоздействия материал сжат, а на границе
бочего процесса является одним из направлений ин- действия струи напряжения резко меняют свой знак
тенсификации обработки материалов резанием. То же на противоположный и становятся растягивающими.
самое касается и процессов гидро- и гидроабразивного Именно в этой зоне и происходит зарождение началь-
резания: изменение условий натекания струи на пре- ных трещин. Однако их дальнейшее распространение
граду [1], исключение явлений демпфирования потока может быть сложно прогнозируемым и происходит,
в месте гидродинамического удара [2], создание на- как правило, в том числе и за зоной непосредственного
пряженного состояния в зоне резания [3] - все эти спо- натекания струи. Такой механизм разрушения прак-
собы в большей или меньшей степени способствуют тически полностью соответствует положениям теории
повышению производительности обработки. Послед- Гриффитса для упругих тел [5], и объясняет форми-
нее направление является наиболее перспективным рование ряда дефектов формы, а также вероятность
[4], поскольку изменением напряженного состояния увода струи от первоначального направления. Вслед-
©
ствие этого рез формируется с достаточно широким дефектным слоем, а торец имеет разрывы и рытвины.
В то же время в ряде работ, в частности [6, 7], показано, что процесс трещинообразования напрямую зависит не только от приложенной нагрузки, но и от дефектов структуры материала, а также его напряженно-деформированного состояния.
Таким образом, можно предположить, что управлением напряженно-деформированного состояния зоны резания квазиупругих заготовок за счет устройств предварительного нагружения возможно не только повышение производительности обработки, но и повышение качества реза.
2. Анализ литературных данных и постановка проблемы
Существует ряд разработок повышения эффективности гидроабразивного резания путем создания растягивающих нагрузок в направлении, перпендикулярном движению рабочей подачи, приведенных, в частности, в [3]. Однако для контурного резания с произвольным движения струйной головки задача решена не была, поскольку перемещение струйной головки выполняется под постоянно изменяющимися углами относительно главных координатных осей привода. Автор [8] предлагает разделять рабочие движения на формообразующие и интенсифицирующие, но так как технические решения для реализации идеи разделения движений остаются достаточно сложными и энергоемкими, поиск рациональных схем и приемов выполнения обработки является важной и актуальной научно-технической задачей, решение которой дает возможность существенно повысить энергоэффективность гидрорезания листовых материалов.
В работе [9] показано, что изменение компоновки станка и применение инверсии движений (при которой рабочие перемещения совершает заготовка, а не струйная головка), существенно расширяет технологические возможности станка. При этом, на основании работы [10], значительно упрощаются и приемы контроля качества гидрорезки листовых материалов.
Если взять за основу идею перемещения заготовки по поверхности неподвижного стола с неподвижной струйной головкой, создание предварительного напряжения зоны резания за счет дополнительных нагрузочных приводов может быть легко реализуемо. При этом привода нагружают заготовку в нужном направлении лишь в пределах ее упругой деформации, будучи кинематически связанными, подобно системам [11], между собой и с приводом рабочих перемещений.
Рассмотрим напряженное состояние заготовки, расположенной на столе гидрорезного станка с компоновкой [9].
Известно, что при свободном опирании обрабатываемой заготовки в виде бесконечной пластины на жесткое горизонтальное основание натекание струи на неподвижную (ГО=0), установленную под углом а относительно оси струи заготовку, вызывает реакцию [12]
Р =
Рг
р(у0 ±га)2
- sin а =
= рЦоУо sin а,
где р1 - давление истечения жидкости; г - ее плотность; у0 - скорость истечения жидкости из сопла;
- расход через сопло.
Согласно [13], распределенная по поверхности контакта реакция обуславливает напряженное состояние поверхностного слоя, активизируя процесс трещиноо-бразования до критического состояния, сопровождаемого отрывом микрочастиц.
Образовавшийся растекающийся поток жидкости вызывает вторичное гидродинамическое нагружение торцевых поверхностей фронта реза и ведет к зарождению новых трещин, а также к ветвлению уже существующих магистральных. Активное развитие процесса может сопровождаться образованием значительных кромочных дефектов (при о"<[о], где о" - напряжения, возникающие от действующего струйного нагруже-ния) или поверхностным сколом [14].
Действие струи на выделенный микрообъём может быть описан следующим образом:
о = 2G
о= 2G ■
о, = 2G ■
т= G■
Эи Эг"
/
и
— 4 г
ЭИ
э,
ЭИ
э,
це
1 - 2ц це
+ те 1 - 2ц
ЭИ + Эг
(2)
Эи
где — =ег Эг
ЭИ
радиальная деформация; -= е - осе-
и Эг
вая деформация; — = е. - тенгенциальная деформация. г
При этом условия равновесия выделенного элемента будут следующими:
дог
Эг
о - о
■I=о,
до, Эт Т _
—^+—+-=о,
Э, Эг г
(3)
что позволяет дифференциальные уравнения перемещения в вертикальном и горизонтальном направлениях и и И записать следующим образом:
(1 - 2т)(ли - Ц )+£=о,
Эе
(1 -2ц)АИ + —г = 0,
Э,2
dг2 гdг dz2
С учетом (1) и того, что р0 = цуо^2ррь -г, имеем:
(1 - 2ц) Ро
4G
а d (1 - 2 ц) рЛ
2 2 2G
(5)
где G - модуль сдвига обрабатываемого материала; ц - его коэффициент Пуассона; е - объемная деформация; dc - диаметр среза сопла.
г
к
При действии растягивающих нагрузок Я в зоне резания для случая симметричной постановки задачи значение и и Н изменится:
(1 - И
U(t) = -U(t) = --
Po
\2
R
cos b
4G
(6)
Таким образом, повышение производительности гидрорезания листовых заготовок при выполнении операций раскроя возможно за счет создания такого напряженного состояния в зоне резания, при котором явления трещинообразования сохраняли бы контролируемость, а возникающие напряжения вдоль оси z снижали бы сопротивление разрушению при натека-нии струйного потока.
(1 - 2m) (м
H(t)=--
R
cos b
3. Цель и задачи исследования
2G
Для площадки ds, расположенной под углом а относительно главных осей, напряжения определятся так:
(8)
-fHc
где аь а2, а3 - углы, образованные нормалью площадки с направлением действия силы приводов Я и струи.
Полученные соотношения позволяют определить повышение производительности процесса гидрорезания без учета явлений трещинообразования, исходя из того, что объем съема материала определяется формулой [15]:
(7) Цель исследований - разработка принципов и тех-
нических решений, позволяющих повысить производительность процесса на основе управляемого трещи-нообразования.
Для достижения поставленной цели решали ряд задач, а именно:
- моделирование напряженно-деформированного состояния заготовки при различных видах предварительного нагружения;
- влияние различных форм и видов контура реза в предварительно нагружения зонах на возникающие напряжения и возможности управляемого трещиноо-бразования;
- оценка скорости распространения трещин и возможность ее контроля;
- разработка принципов и новых технических решений устройства для реализации процесса на действующем оборудовании, получение картин управляемого трещинообразования в исследуемых заготовках.
(9)
Q = 0,106 ■
12 100 )
о
1ТО
(10)
где р - давление в г/с, МПа; dc - диаметр стройной насадки, мм; Ь - толщина обрабатываемого материала, мм; о' - запас прочности материала как разница
о где оа
напряжение, создаваемое дополни-
тельным нагружением.
В то же время эти явления могут оказывать существенное влияние. Известно, что для квазихрупких материалов разрушение будет происходить за счет активного развития хрупких трещин, их слияния и формирования трещины магистральной, что, в конце концов, существенно снижает сопротивление разрушения образца.
Использовать такой эффект для повышения производительности гидрорезания сложно, поскольку рост трещин происходит практически неконтролированно. Ведь при превышении критических значений нагрузок, то есть при возрастании скорости высвобождения энергии ^-Я), будет происходить лавинообразное повышение кинетической энергии роста трещин с их активным ветвлением и слиянием. С другой стороны, незначительные нагрузки, не способные вызвать начало трещи-нообразования, интенсифицировать процесс не могут.
В то же время автор работы [16] отмечает, что скорость возрастания трещин может быть контролирована не только нагружением, но и его цикличностью
_dl dN
(AoVl)
4. Материалы и методы исследований
4. 1. Исследуемые материалы и оборудование, используемые в эксперименте
Исследования проводились как средствами математического моделирования (с использованием пакетов Solid Works), так и реализацией ряда натурных экспериментов с использованием гидрорезного станка ЛСК-400-5, оснащенного специальными приспособлениями, способными создавать управляемого многоцикловое нагружение рабочей зоны клещевыми схватами. В качестве исследуемых образцов применяли листы поликарбоната NOVATTRO толщиной 1,0-4,0 мм; акрил PLAZID толщиной 2,5-4,0 мм и листовой фольги АМг-2Н толщиной 0,1 мм.
Исследования развития трещин выполнялись на растровом электронном микроскопе «РЭМ-106И».
До2
4. 2. Методика проведения исследований
Пусть исследуемая заготовка покоится на рабочем столе и консольно связана с механизмом ориентации и рабочих перемещений [3]. Если схваты выполнены парой и охватывают зону резания симметрично с двух сторон, то их перемещение вдоль кромки или поворот вокруг вертикальных осей будет вызывать соответствующее нагружение заготовки и ее деформацию.
Создание напряженного состояния в листовой заготовке возможно использованием: (11) 1) приводов продольного перемещения вдоль ОХ
(рис. 1), при котором в области упругих деформаций
2
в зоне резания формируются растягивающие напряжения;
2) приводов поворотного движения относительно OZ в точках захвата, при использовании которых растягивающие напряжения формируются в отдаленной в направлении ОY зоне, а в месте схвата - сжимающие;
3) одновременного использования приводов поворотного и продольного перемещений, что дает возможность изменять положение наиболее нагруженной зоны вдоль О^
Рис. 1. Компоновка гидрорезного станка с подвижной заготовкой и подвижной в вертикальной плоскости струйной головкой (неподвижной в плоскости XOY)
Предусматривается, что в местах захвата с пятном контакта ЬхЬ возможна установка вспомогательных приводов, обеспечивающих предварительное нагру-жение заготовки в зоне резания растягивающей силой, возникающей за счет линейного микро-перемещения вдоль оси ОХ, а также силами, возникающими за счет поворота вокруг вертикальной оси ОZ, т. е. совершения движения с1 и с2.
Таким образом, возможны три варианта создания напряженного состояния в зоне резания (рис. 2): растяжение от продольного перемещения схватов (рис. 2, а), от поворота схватов вокруг оси z1 и Z2 (рис. 2, б), а также от их одновременного действия (рис. 2, в), что дает возможность изменять форму эпюры нагружения, распределяется сжимающие и растягивающие напряжения в слое заготовки относительно начала координат ХYZ.
Проведение модельных экспериментов потребовало создания расчетной модели специальных схватов для удержания и рабочего перемещения листовых заготовок размером BxL с установленными дополнительными приводами микроперемещений (рис. 3, а), что позволяет схему зоны резания представить в соответствии с рис. 3, б.
Рис. 3. Захват и удержание заготовки устройством предварительного нагружения: а — общий вид устройства; б — расчетная схема листовой заготовки с зоны предварительного нагружения
Для решения поставленной задачи были приняты во внимание следующие параметры процесса:
- внешние усилия, создаваемые приводом: сила Рр и момент М (которые приняты одинаковыми);
- нагрузка Рс и угол приложения нагрузки а струи жидкости;
- геометрические параметры захвата, расстояние между схватами 10; ширина Ь и длина Ь зоны захвата.
Для оценки скорости удаления материала при условии создания дополнительного нагружения зоны резания воспользуемся эмпирической формулой (11).
Далее определяли размеры зоны напряженно-дне-формированного состояния заготовки и максимально возникающие вне контакта со схватами напряжения (рис. 4). При этом исходили из условия, что усилия на контактных площадках схватов не должны превышать предел текучести материала [аш], а максимальные усилия определяются трением контакта, т. е. Rmax1 = 2цРРп, Рп < кЬ1 [от] к - коэффициент запаса, предотвраща-ющй деформирование заготовки и ее повреждение в месте контакта.
а б В
Рис. 2. Создание напряженного состояния заготовки в зоне резания: а — продольное нагружение; б — нагружение поворотом вокруг оси OZ; В — совместного действия силы и момента
Rmax2 =
Другим ограничением была величина нагрузки
n2EJn
4L2
при которой листовая заготовка могла
потерять устойчивость с последующим ее короблением. Тут L - расстояние между схватами; ,|т!п - минимальный момент инерции, для данного случая ^
Рис. 4. Примеры расчета статических узловых напряжений на модели листовой заготовки, воспринимающей нагружения от механотронного привода микроперемещений
При оценке влияния трещинообразования на производительность гидрорезания исходили из следующего. Из линейной механики разрушения известно, что интенсивность напряжений связана с длиной трещины следующей зависимостью [5]:
k = oVra,
1 -v2 ,, G = — A(V)k2,
Пусть при резании контур обработки располагается перпендикулярно лини реза (рис. 5).
1 \
V.
IV Î к IV
L
(12)
где к - коэффициент интенсивности напряжений; s -действующие напряжение; а - половина длины трещины (рис. 1).
Коэффициент интенсивности напряжений обусловливает скорость высвобождения энергии, которая связана с ним следующим соотношением:
(13)
где v - коэффициент Пуассона, E - модуль упругости первого рода материала, МПа.
Напряжения в зоне резания вызываются потоком жидкости вдоль оси z и создаваемым предварительным нагружением кромки листового материала. Таким образом, можно ожидать, что в результате действия нагрузок перемещения материала в зоне резания H и U определяться (6) и (7), а напряжения на площадках фронта разрушения - уравнениями (8) и (9).
С другой стороны, скорость роста трещины зависит от возникающих изгибающих нагрузок и пропорциональна -у/юп, где h - кинематическая плотность жидкости, w - частота ударов частиц струи по поверхности. Распирающее действие молекул жидкости способствует активному расклиниванию трещин, и, как следствие, ведет к переходу избытка высвобожденной энергии (G-R) в кинетическую энергию движения точек по обе стороны от траектории распространения трещины. Эти процессы зависят от компактности струи и практически не контролируемые.
В то же время, скорость роста трещин непосредственно влияющих на производительность процесса, будет определяться (11), а, следовательно, требуемым уровнем Да, создаваемым приводами предварительного нагружения.
Рис. 5. Пластина с начальным разрезом, нагруженная продольной силой
Для отыскания соответствующих напряжений и деформаций в такой постановке задача сводится к рассматриваемой в работе [17]. Если представить, что схема нагрузки листовой заготовки будет соответствовать (табл. 1), а сама пластина имеет размеры LxlB и растягивается в точках z1 и z2=z1 сосредоточенными силами Рр перпендикулярно линии краевой трещины L1, которая непосредственно связана их базисной системой координат хОу и расположена на отрезке |х|<1 линии симметрии пластины (оси Ох), причем начальный разрез соответствует берегам трещины L1, а границы пластины Lo, отнесенные к центральной локальной системt координат х0О0у0, свободны от напряжений, то граничные условия на контурах L1 и L0 примут вид:
N (to ) + iT (t0 ) = 0, t0 eL0;
N±(t1 ) + iT±(t1 ) = 0, t1 eL1 = [-!,!].
(14)
(15)
Тогда интегральное уравнение, описывающее состояние пластины, будет представлено в виде
} [м (%, п) V 0 (4)+N (%, п) ¥0(%) ] d %=пр0 (п), N * 1; м(%, п) = К (ю(%), ю(п));
N(%,п) = L(ю(%),ю(п)); р0 (п) = р0 Мп)) (16)
при условии, что
to = ш(%), t0 = ш(п) 1%,п|* 1, ю(±1) = -а.
Согласно [5] существует несколько моделей восприятия пластиной с трещиной нагрузки, для которых КИН определено аналитически. Это дает возможность уравнение (11) представить в следующем виде:
(17)
dl K
-^-1=~ .
dN Ao2vn
Тогда, зная КИН, можно определить условия появления и роста трещин в зоне резания, а также вероятную скорость, с которой трещины будут распространяться в материале.
Так, для случаев, представляющих интерес для данной задачи (продольное растяжение (силой Рр) или проворачивание (моментом М) при прямолинейном или контурном резании) коэффициенты сведены в табл. 1.
Принятое значение КИН для различных схем нагружения
Таблица 1
Расчетная схема
КИН
Воздействие силы Рр
Воздействие момента М
К1 = °1 1 2л/П
.с .с агсяп— - агсяп — -
-11 - тт + л ¡1 - -^г
, Т(С - Ь) ;;П-1 2л/ПГ П + 1
К = °(с-Ь) п-1 + ^Д 11 2,/ПГ П + 1 2,/П
.с .с агсяп — - агсяп— -
1 - тг + , Ь - Ьг
К1 = 3 Ол/ПГ,
кп = 44 о%/ПГ
о^ПЯяп а
21 1 + н1п2^
а . 2 а ( ~ 5 | сон—+ яп —сон I 2р + — а -
2 2 I н 2 )
3 V 2 а .4 а . . -сонI 2р + —а II сон2 —-8Ш2 |-8та;
хн1п2 а н1п ( 2Р + 3 а
Ол/пЯнп а
21 1 + н1п2-|
а . 2 а . („п 5 ^ 1 — + яп2—япI —а 1 +
+ н1п| 2Р + 3аЦсон2|-н1п4-О-1-н1пах
•2 а („„ 3 х яп2 — сон I 2р + —а
К, = 3 Ол/ПГ,
КП = 44 о%/ПГ
Ол/геЯяп а
21 1 + н1п2-
а . 2 а ( ~ 5 ) сон—+ яп —сон | 2р + — а -2 2 2 )
(„„ 3 V 2а . 4 а , -сонI 2р + —а II сое2 — -яп4 — |-Б1пах
хн1п2 а н1п (2Р + 3 а
О\/геЯ н1п а
21 1 + н1п2-
а . 2а . („„ 5 ^ 1 —+ яп2—яп | 2В + — а +
2 2 I 2 )
+ н1п| 2Р + 3а|(сон2а-н1п4а |-б1пах
хн1п2 асон | 2В + 3 а
2 I н 2
К1 = 3 ^л/ПГ,
КП = 44 ол/ПГ
К, =
К,, =
К, =
К,, =
Появление в зоне резания начального надреза от действия струи (сходного с начальной трещиной) требует уточнения значений КИН, обусловленных видом, величиной и положением надреза в пластине.
5. Результаты исследований трещинообразования в квазиупругих материалах
Полученные эпюры распределения напряжений позволили провести анализ влияния условий нагружения заготовки на эффективность процесса гидрорезания.
Установлено, что работа привода линейного нагружения схватов вызывает растягивающие напряжения в слое заготовки с осесимметричной спадающей эпюрой, перпендикулярной оси привода (рис. 6, а). Прило-
жение момента к схватам изменяет картину и вызывает появление напряжений только в некотором удалении от оси схватов, больших по своей величине на 20-40 % (рис. 6, б).
а
б
Рис. 6. Эпюры статических узловых напряжений, полученных при моделировании нагружения заготовки: а — линейное микроперемещением схватов; б — поворотное микроперемещением
схватов
Прикладная механика
При этом напряженное состояние, при котором возможно активное трещинообразование, достигается только в непосредственной близости от точки захвата (параметрическое расстояние 0,07-0,09) что для листа шириной 500 мм ограничивается 50-100 мм от торца схватов (рис. 7). Размеры схватов, условия контакта и расположение схватов относительно торца оказывают незначительное влияние на возникающие напряжения и характер их распределения.
Проверку условия роста трещин и оценку влияния трещинообразования на производительность гидрорезки осуществляли следующим образом. Заготовку нагружали циклическими растягивающими и поворотными нагрузками (пример приведен в табл. 2 - силой Рр и моментом М). С использованием пакета SolidWorks определяли напряженно-деформированное состояние зоны обработки, что позволило рассчитать напряжения а, входящие в (17).
При выполнении условия трещина на-
чинат развиваться, что дает возможность, зная частоту приложения нагрузки, установить приращение длины трещины dl для каждого последующего цикла. Таким образом, с учетом длительности периода цикла нагружения, определена скорость роста трещины в теле заготовки.
Далее проводили натурные эксперименты, нагружая исследуемые образцы циклической периодической силой, максимальное значение которой определялось условием допустимого деформирования заготовки (отсутствием потери устойчивости), а минимальное составило 0,1-0,25 максимального. Частота нагружения - 50...250 Гц. Значение сил и моментов для образца из форльгированного поликарбоната NOVATTRO, а также микроэлектронные фотографии форм и видов трещин, приведены в табл. 3.
Распределение напряжения в зоне резания
График напряжений
Продольное сечение
Поперечное сечение
1.50-» 1 ■ I 1,00-И г 5 №
: \
й 0 П 2 С .4 0.5 0 5 10 'Чичт«^« « »н
1
Таблица 2
Напряжения в зоне резания, рассчитанные на основе моделирования различных типов начальных резов
Рис. 7. Изменение величины растягивающих напряжений
вдоль OY по оси симметрии привода (по горизонтали показано относительное расстояние, начало координат у правого края)
Таблица 3
Микрофотографии образцов из форльгированного поликарбоната NOVATTRO (толщина материала = 1,2 мм, толщина фольги — 25 мкм)
Воздействие растягивающей силы на образец и длина трещины
1йг=450 мкм
=380 мкм
1йг=560 мкм
1^=330 мкм
Амплитуда и чатота нагруже-ния раст. усилием
Ртах=120 Н, Ршт=12 Н, 50 Гц
Ртах=90 Н, Ртт=15 Н, 50 Гц
Ртах=120 Н,
Ртт=20 Н,
250 Гц
Ртах=90 Н, Ртт=15 Н, 250 Гц
Воздействие крутящего момента на образец и длина трещины
Амплитуда и чатота нагру-жения раст. усилием
Мт
м
1йг=620 мкм
1йг=730 мкм
1йг=810 мкм
1tг=410 мкм
Применение фольгированного материала позволило без существенных изменений физико-механических свойств материала получить токопроводящую поверхность, дающую возможность использовать растровую электронную микроскопию для фиксации картин трещинообразования.
6. Обсуждение результатов использования управляемого трещинообразования для повышения производительности гидроабразивного раскроя квазиупругих листовых заготовок
Экспериментальные исследования позволили установить следующее. Создание в плоскости материала циклических напряжений в пределах 40-60 МПа с частотой 50-250 Гц обеспечивает рост трещин со скоростями (рис. 8), не ведущими к появлению значительных сколов на кромках обработки. При этом такие напряжения в пластинках толщиной до 1,5-3,0 мм не приводят к существенным деформациям, следовательно, погрешность формы готовых изделий за счет деформаций исходной заготовки будет оставаться минимальными, что весьма важно в практическом аспекте. Сетка начальных трещин в момент начала резки от торца с перпендикулярным входом струи составляет ветви длиной 0,05-0,35 мм, распространяющиеся в пределах углов ±п/6. При этом повышение частота прилагаемой нагрузки ведет к большему ветвлению трещин и уменьшению их длины, что в целом соответствует положениям теории Гриффитса.
Сравнение расчетных величин скорости распространения трещины и результатов микроэлектронного анализа показывает, что коэффициенты интенсивности напряжений, определяемые по уравнениям табл. 1, адекватны лишь для случая начального распространения трещины и нагружения зоны резания растягивающим усилием. При нагружении моментом результаты имеют существенное отличие, которое можно пояснить отличием напряженно-деформированного состояния зоны резания в заготовке от идеальных условий.
8,0 Нм, тт=1,0 Нм, 50 Гц
Мтах=4,0 Нм, Мт1п=0,5 Нм, 250 Гц
м,
Нм, ,т=1,0 Нм, 50 Гц
Мтах=4,0 Нм,
м
тт=0,5 Нм, 250 Гц
Изменение длины начального разреза ведет к росту напряжений при неизменной нагрузке и к прогрессирующему росту скорости образования трещин.
Рис. 8. Рост скорости развития трещин при приложении гармонической нагрузки к зоне струйного резания
Обход контура по другим направлениям должен осуществляться без дополнительного нагружения и с меньшей скоростью рабочей подачи s для обеспечения полного прорезания и соответствующего уровня качества обработки.
Таким образом, полученные результаты являются основой для синтеза механотронного привода с зависимым регулированием по направлению обхода контура. Угол между касательной к контуру в конкретной точке и осью симметрии рабочего органа является входной координатой как для привода линейного перемещения (создающего нагрузку Р), так и для привода поворотного перемещения (создающего момент М), рис. 10. Поскольку работа приводов требует дополнительных энергетических затрат, работа с углами ае [-п/8; п/8] и ае [7/8п; -7/8 п] должна осуществляться без предварительного нагружения.
Таким образом, с увеличением длины реза нагрузка зоны резания должна снижаться для предотвращения неконтролируемого возрастания скорости трещи-нообразования.
Выполнен анализ изменения производительности резания при перемещении вдоль оси симметрии схватов привода. Нетрудно заметить, что повышение производительности существенно в зоне возникновения максимальных растягивающих напряжений, при удалении от которой на расстояние Ь=130 мм процесс гидрорезания протекает, как и в обычных условия (рис. 9, а).
При этом угол наклона касательной к траектории движения а также оказывает существенное влияние на повышение объемного съема материала Q (рис. 9, б). Из результатов расчета очевидно, что максимальное значение угла а при обработке не должно превышать значений ±п/4, что позволяет построить диаграмму эффективных направлений обхода контура (рис. 10), для которых повышение производительности при резании будет иметь место.
337,5
Q мм3/с
•СБА ■PVC
292.5
270
247,5
67,5
СВА
PVC
102,5
■Обычная
производительность
Рис. 10. Диаграмма эффективных направлений обхода контура
100 200 «град
Рис. 11. Механотронное устройство для создания контролируемого напряженного состояния зоны обработки
Рис. 9. Изменение производительности процесса, выраженное через объемный съем материала при гидрорезании: а — в зависимости от расстояния от кромки схватов, б — угла между касательной к контуру реза и осью симметрии рабочего органа
Само механотронное устройство может иметь следующее техническое решение.
Устройство состоит из пары симметрично расположенных зажимных губок 1 (рис. 11, а), кинематически соединенных путем механизма сведения губок
а
и передаточного механизма 2 с реверсивным приводом 3, смонтированных с возможностью продольного перемещения в направлении, близком к перпендикуляру касательной контура резки на направляющей выходного звена манипулятора 4. Между собой пары губок 1 шарнирно соединены приводом продольного перемещения 5. Каждая из губок дополнительно оснащена вставками 6 в виде контактирующих с поверхностью листовой заготовки 7 прижимов. Последние установлены с возможностью вращения вокруг вертикальной оси каждой из губок 1 и шарнирно соединены между собой приводом 8, который поворачивает вставки (например, за счет жестко закрепленных односторонних рычагов, шарнирно контактируют с приводом линейных перемещений 8). При этом работа приводов 5 и 8 согласуется с перемещением выходного звена манипулятора 4, и определяется прочностными характеристиками заготовки, а также точкой приложения струйного нагрузки 9 от струи 10, которая должна находиться между токами контакта вставок 6. Приводы 5 и 8 соединены с системой управления 11 с помощью линий 12 и 13 обеспечения усилий на парах губок 1. Информация о перемещениях и, соответственно, деформациях обрабатываемой заготовки 7 (рис. 11, а) поступает в систему управления 11 (рис. 11, б) путем обратных связей по координате 14 и 15 соответственно для каждого привода. Дополнительно к системе управления 11 шиной 16 поступает информация о свойств обрабатываемой заготовки, а шиной 17 - по направлению движения струйной головки 10 (рис. 11, а). Устройство работает следующим образом. После подведения манипулятором 4 губок 1 до кромки листовой заготовки 7 подается команда на ущемление, и с помощью реверсивных приводов 3 путем передаточного механизма 2 губки 1 смыкаются на заготовке, вызывая сведения вставок 6 до их контакта с заготовкой 7. При этом информация о свойствах и геометрических параметров обрабатываемой заготовки 1 поступает шиной 16 до устройства управления 11, а информация о траектории движения - шиной 17. В точках зажима вследствие действия сил Я возникнут контактные деформации, способные вызвать силу трения Ft, Ft=mR, где т - коэффициент трения, которая обеспечивает перемещение заготовки относительно оси струи. При этом в зависимости от положения точки действия струйного нагрузки 9 и направления раскроя заготовки 7 приводы 5 и 8 получают сигналы от системы управления 11 линиями 12 и 13 (рис. 11, б). Далее они начинают нагружать пары губок 1 и вставки 6 продольной Р и вспомогательной (поворотной)
Fk нагрузками так, что Р FkL<Mt, где L - длина рычага вставки, М1; - момент трения в точке контакта, определяется силой зажима, в частности, Mt=Rdp, где dp - приведенный диаметр вставки, определяемый конструкцией. Вследствие упругого деформирования заготовки в ней могут возникнуть растягивающие напряжения, достигающие своего максимума на торце закрепления с уменьшением при удалении от этого торца, и контролируются с деформацией заготовки 1 линиями обратной связи 14 и 15 которые соединены с системой управления 11. Распределения напряжений в плоскости заготовки, и, следовательно, повышение производительности гидрорезания определяется уменьшением сопротивления гидроразрушения Я в определенном направлении за счет созданных нагрузками приводов 5 и 8 напряжений ап в зоне резания. Это позволяет повысить производительность ги-
( °-°п I-0'75
дрорезания в I—^—I раз, где а - предел прочности
материала при растяжении, МПа.
Структурная схема гидрорезного оборудования, оснащенного схватами с механотронными приводами микроперемещений показана на рис. 12. За основу взято техническое решение гидрорезного станка с ЧПУ, представленное в [8]. Введение двух дополнительных приводов (линейного нагружения заготовки усилием Рр и нагружения моментом Мв схватов) предполагает также установления обратной связи ОС3 для определения направления движения и введения дополнительной лини коррекции скорости рабочей подачи Ка, сигнал от которой подается на элемент суммирования. Кроме того, привод П является ведущим, а привод П2 - ведомым, что предполагает согласование их работы элементами через соответствующие связи.
Рис. 12. Структурная схема предлагаемого технического решения
Таким образом, полученная интегрированная система интенсификации гидрорезания позволяет при задействовании приводов предварительного нагруже-ния заготовки увеличить производительность обработки квазиупругих листовых материалов (в частности, поликарбоната NOVATTRO толщиной 1,0-4,0 мм; акрила PLAZID толщиной 2,5-4,0 мм) небольшой толщины на 15-25 %, за счет более полного использования мощности основной гидростанции станка.
В дальнейшем необходимы дополнительные исследования предлагаемой системы на достижимую точность, поскольку резание с интенсификацией процесса за счет явлений управляемого трещинообразования предполагает деформацию заготовки.
7. Выводы
1. В результате моделирования напряженно-деформированного состояния заготовки при различных видах предварительного нагружения установлено, что напряжения в зоне резания могут создаваться линейным нагружением схватов для случая, когда зона резания находится в непосредственной близости к торцу захвата, и моментами, когда зона удаляется от торца на расстояние, превышающее размер пятна контакта со схватом. При этом силовое нагружение ограничивается устойчивостью заготовки, а также условиями возникновения сил трения в местах контакта со схватами. Нагрузка должна осуществляться так, чтобы возникающие напряжения не превышали 40-60 МПа, а частота определяется условиями гидрорезания.
2. Формы и виды контура реза оказывают существенное влияние на снижение сопротивления разрушению исследуемых материалов. Так, отклонение реза от перпендикулярного направления ведет к существенному снижению эффекта управляемого тре-
щинообразования, которое полностью исчезает для случая резания в направлении, близком к направлению действия силы предварительного нагружения. Установлено, что наиболее эффективно резание с созданием предварительного нагружения тонколистовых заготовок с пределом прочности до 90 МПа (PVC-пла-стиков, РР-пластмасс, некоторых композиционных материалов - стеклотекстолитов СВА и т. д.). При этом с увеличением толщины свыше 5-6 мм эффект снижается (несмотря на повышение предварительного нагружения начинают сказываться особенности процессов разупрочнения и деструкции на фронте разрушения) и при обработке материалов толщиной свыше 15 мм он сопоставим с дополнительными энергозатратами.
3. Показано, что квазигармоническое нагружение зоны струйной резки при гидрорезания листовых упругих заготовок малой толщины интенсифицирует появление микротрещин в малых объемах с ограниченной скоростью их развития, позволяет ожидать повышения производительности струйного резки за счет существенного падения сопротивления разрушений материала. Оценка скорости распространения трещин и возможность ее контроля, создание в плоскости материала циклических знакопеременных напряжений в пределах 40-60 МПа с частотой 200-1500 Гц обеспечивает рост трещин со скоростями 0,75-2,5 м/с, не ведущими к появлению значительных сколов на кромках обработки; при этом такие напряжения в пластинках толщиной до 1,5-3,0 мм не создают существенных деформаций и не ведут к появлению погрешностей формы, что важно в практическом аспекте.
4. Для создания соответствующего напряженного состояния зоны обработки целесообразно применение механотронного привода, способного обеспечить управляемость нагрузкой зоны струйной эрозии и препятствовать появлению значительных деформаций листовой квазиупругой заготовки.
Литература
1. Miller, R. Waterjet Cutting: Technology and Industrial Applications [Text] / R. Miller. - Fairmont Press, 1991. - 154 р.
2. Бреннер, В. А. Гидроструйные технологии в промышленности. Гидроабразивное резание горных пород [Текст] / В. А. Бреннер, А. Б. Жабин, А. Е. Пушкарев, М. М. Щеголевский. - М.: Изд-во Московского государственного горного университета, 2003. - 279 с.
3. Рыкунов, А. Н. Повышение эффективности гидроабразивной обработки на основе моделирования процессов микроразрушения материалов [Текст]: справочник / А. Н. Рыкунов, Я. Ю. Яблуновский // Инженерный журнал. - 2009. - № 4 приложение. - С. 14-17.
4. Orel, V. N. Using of mechanotronics devices for working movements workpiecеs during waterjet cutting [Text] / V. N. Orel, V. T. Shchetinin O. V. Fomovska, A. F. Salenko // Journal of the Technical University of Gabrovo. - 2015. - Vol. 52. - Р. 35-42.
5. Матвиенко, Ю. Г. Модели и критерии механики разрушения [Текст] / Ю. Г. Матвиенко. - Москва: ФИЗМАЛИТ, 2006. -328 с.
6. Лебедев, А. А. Несущая способность пластины с трещиной при двухосном растяжении [Текст] / А. А. Лебедев, Н. Р. Музыка // Проблемы прочности. - 2001. - № 2. - С. 20-27.
7. Яблуновский, Я. Ю. Гидроабразивное резание материалов [Текст] / Я. Ю. Яблуновский // Естественные и технические науки. - 2007. - № 5. - С. 182-183.
8. Степанов, Ю. С. Современные технологии гидро- и гидроабразивной обработки заготовок [Текст] / Ю. С. Степанов, Г. В. Барсуков, Е. Г. Алюшин // Наукоемкие технологии в машиностроении. - 2012. - № 6. - С. 15-20.
9. Антоненко, О. В. Структурно-параметричний синтез гiдрорiзного верстата iз системою контролю зони струминно! ерозй [Текст]: сб. науч. тр. / О. В. Антоненко // Прогрессивные технологии и системы машиностроения. - Донецк. - 2007. -№ 47. - С. 144-156.
10. Agus, M. Abrasive perfomance in rock cutting with AWJ and ASJ [Text] / M. Agus, A. Bortolussi // Proc. 8-th American Water Jet Conference, 1995. - P. 31-48
11. Ламм, Т. В. Повышение точности деталей из листа при гибке-формовке эластичной средой [Текст] / Т. В. Ламм, Е. И. Иса-ченков. - Технические проблемы производства ЛА и двигателей. - Казань, 1998. - С. 20-29.
12. David, A. Waterjetting Technology [Text] / A. David, D. Summers. - Printed in Great Britain by the Alden Press, Oxford, 1995. - 882 p.
13. Саленко, А. Ф. Повышение точности контурного гидроабразивного резания пластин из твердых сплавов и сверхтвердых материалов [Текст] / А. Ф. Саленко, В. Т. Щетинин, А. Н. Федотьев. -2014. - Т. 3, № 36. - С. 73-84. doi: 10.3103/ s1063457614030083
14. Саленко, А. Ф. Качество обработки материалов гидроабразивной струей [Текст] / А. Ф. Саленко, А. В. Фомовская // Оборудование и инструмент. - 2009. - № 1. - С. 16-19.
15. Тихомиров, Р. А. Гидрорезание неметаллических материалов [Текст] / Р. А. Тихомиров, В. С. Гуенко. - Киев: Техника, 1984. - 150 с.
16. Свирский, Ю. О методе расчета скорости распространения трещины при нестационарном повреждении [Текст] / Ю. Свир-ский // Ученые записки ЦАГИ. - 1976. - Т. VII, № 4. - С. 81-96.
В статтi загальна структура виробничого процесу ремонту представляеться як система, що складаеться з ряду елементiв, як мають рiзний вплив на результу-ючу подю, - видмову вузла в експлуатацп тсля ремонту. Застосування iнструментiв алгебри логжи дозволило визначити структурну значим^ть елементiв системи, що характеризуе стутнь впливу техноло-гiчних процеыв ремонту на справтсть вузлiв тягового рухомого складу
Ключовi слова: технологiчний процес, ремонт, вузол, тяговий рухомий склад, вплив, елемент, вiдмо-ва, система, справтсть, оцтка
В статье общая структура производственного процесса ремонта представляется как система, состоящая из ряда элементов, которые имеют различное влияние на результирующее событие, - отказ узла в эксплуатации после ремонта. Применение инструментов алгебры логики позволило определить структурную значимость элементов системы, которая характеризует степень влияния технологических процессов ремонта на исправность узлов тягового подвижного состава
Ключевые слова: технологический процесс, ремонт, узел, тяговый подвижной состав, влияние, элемент,
отказ, система, исправность, оценка
-□ □-
УДК:629.4.027
|DOI: 10.15587/1729-4061.2016.598781
ВИЗНАЧЕННЯ СТУПЕНЮ ВПЛИВУ ТЕХНОЛОПЧНИХ ПРОЦЕС1В РЕМОНТУ НА СПРАВН1СТЬ ВУЗЛ1В ТЯГОВОГО РУХОМОГО СКЛАДУ
Ю. М. Дацун
Кандидат техычних наук, доцент Кафедра експлуатацп та ремонту рухомого складу УкраТнський державний уыверситет залiзничного транспорту пл. Феербаха, 7, м. Хармв, УкраТна, 61000 E-mail: [email protected]
1. Вступ
Реструктуризащя залiзничного комплексу Укра1-ни вимагае виршення ряду складних правових, орга-шзацшних та техшчних питань. Трансформащя галузi повинна ввдповвдати вимогам часу та носити оптимiза-цшний характер. Локомотивне господарство в цей час поряд iз забезпеченням перевiзноi роботи залiзниць та утриманням локомотивiв постане перед питаннями розробки, виробництва та впровадження нових серш тягового рухомого складу (ТРС), модершзацп та вщ-новлювального ремонту кнуючого парку ТРС, впровадження нових форм взаемоди мiж суб'ектами - учас-
никами перевiзного процесу, розробка та застосування нових видiв та методiв утримання i сервку ТРС [1].
Важливим питанням в таких умовах е необхщшсть об'ективно1 ощнки техшчного рiвня локомотиворе-монтних виробництв, як основного критерт при ви-значенш базових тдприемств для оргашзацп сервшу ТРС рiзних серш.
2. Аналiз лкературних даних та постановка проблеми
Першi методи ощнки дiяльностi тдприемств ви-никли в захвднш економвд в 20-и роки минулого
