Расчет технологических режимов гидроабразивного разделения материалов с наложением электрического поля Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

УДК 621.9.047

РАСЧЕТ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ РЕЖИМОВ ГИДРОАБРАЗИВНОГО РАЗДЕЛЕНИЯ МАТЕРИАЛОВ С НАЛОЖЕНИЕМ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ПОЛЯ В.П. Смоленцев, Е.В. Г ончаров

Рассматривается методика расчета и определения режимов обработки для удаления эффекта шаржирования. Приведены экспериментальные сведения о минимально необходимой силе для удаления абразивных зерен при различной глубине их внедрения в заготовку и размере абразивного зерна. Представлены зависимости для определения величины минимального припуска на анодное растворение и определения скорости перемещения режущего сопла

Ключевые слова: гидроабразивное разделение металлов, комбинированная обработка, анодное растворение, шаржирование

Введение

Одним из перспективных методов раскроя материалов является гидроабразивная резка, которая позволяет разделять любые материалы, в том числе с большой толщиной и сложными контурами. Процесс протекает без термического воздействия и токсичных выделений. Сопутствующим явлением, ограничивающим применения метода [1], является возникновение при разделении вязких материалов шаржирования обрабатываемой поверхности абразивными зернами из рабочей среды, что не всегда позволяет передавать заготовку на последующие, в частности сборочные, операции без предварительного удаления припуска с поверхностей разделения, хотя в ряде случаев по технологии такая обработка не обязательна. Процесс сборки изделий из деталей, имеющих шаржированный слой, значительно ухудшает условия работы и эксплуатационные характеристики изделия. В процессе эксплуатации шаржированной поверхности или при наличии свободного абразива, освободившегося с шаржированной поверхности под воздействием вибрационных и других воздействий, в зоне подвижного контакта деталей в сборке может повышаться износ деталей, это может привести к уменьшению ресурса всего изделия. Иногда заготовки, полученные гидроабразивным разделением, применяют для изготовления сварных подсборок. В месте сварного шва, как правило, образуется упрочненный участок, который является “слабым звеном” высоконагру-женного изделия, а наличие в нем шаржирования может приводить к уменьшению прочности изделия. Традиционные методы удаления припуска с шаржированным слоем, как правило, дорогостоящие и малоэффективные. В работе предлагается применение для устранения абра-

Смоленцев Владислав Павлович - ВГТУ, д-р техн. наук, профессор, e-mail: smol@comch.ru, тел. 89036559970 Гончаров Евгений Владимирович - ВГТУ, аспирант, e-mail: gonevg@yandex.ru, тел. 89056557621

зивных зерен при использовании комбинированного гидроабразивного процесса анодное растворение материала.

Механизм удаления абразивных зерен При комбинированной обработке (рис. 1) абразивные зерна 1 могут удаляться в процессе растворения части припуска с поверхности заготовки 2 за счет наложения электрического поля в зону обработки через рабочую среду 3 и токопроводящие гранулы 4, подаваемые из сопла на поверхность разделения со скоростью (V).

Рис. 1. Механизм удаления абразивного зерна анодным растворением

В процессе анодного растворения поверхностного слоя, сцепление абразивного зерна с заготовкой уменьшается, и оно удаляется под действием силы (Б), действующей на абразивное зерно струей рабочей жидкости под высоким давлением.

Расчет режимов обработки Режимы комбинированного разделения материалов включают давление рабочей среды на выходе из сопла, напряжение на зажимах источника, скорость перемещения сопла вдоль контура разделения и т.д. Для достижения максимальной производительности и повышения

качества обработанной поверхности давление рабочей среды, как правило, выбирают рекомендованным для используемого оборудования. Напряжение на зажимах источника выбирается по рекомендациям, например в [2]. Скорость перемещения сопла вдоль контура разделения зависит от двух составляющих комбинированного метода: гидроабразивного и электрохимического. Для определения итогового значения скорости перемещения сопла вдоль контура разделения необходимо сравнить рассчитанное значение скорости перемещения режущего сопла вдоль контура разделения “ V рс ”,

гарантирующее удаление абразивных зерен из заготовки и рекомендуемое, например в [3], для разделения материала гидроабразивным методом и выбирается наименьшее. Определить максимально допустимую скорость “ V рс ” для

удаления абразивных зерен из заготовки можно через время “ т ” удаления припуска “ъ” и диаметр сопла, подающего токопроводящие гранулы в рабочей среде ‘Усопла” по формуле:

V = d ■ т ■ с , (1)

рс сопла V1 /

где сд - коэффициент изменения площади контакта струи рабочей жидкости с токопроводящими гранулами с обрабатываемой поверхностью относительно Дсопла.

Диаметр сопла “Дсопла” выбирается в зависимости от ширины реза.

Время “ т ” может быть определено по зависимости [4]:

^ ■ у

т =-------------------—---------------, (2)

ац- Км -и -(Сэл +Ь(Хгр ~ХэЛ)) ()

где ъ - минимально необходимый припуск, который следует растворить для удаления шаржирования; узаг - плотность разделяемого материала; а - электрохимический эквивалент; ц - выход по току; КМ - коэффициент срединной ошибки; и - напряжение на электродах; Аи - падение напряжения; /3 - концентрация

гранул; %эл, %гр - удельные электропроводимость рабочей жидкости и материала гранул.

Припуск (ъ) может быть найден решая неявную систему уравнений:

Р = Р

1 1 о.

1 --

р (у \2

Г ст

100

р

360

-агссоз

1 - 4 - Я- (И1 + г)- (И1 + г) Я2

± Я2

8 - Я - (И1 + г)- 2 - (И1 + г)2

Я2

1 2-Я-(Д + г )-(^1 + г)

Г------------Я---------

Р = Ьр -(И, + г)ар где Ррж - давление рабочей жидкости на выходе из сопла; рстр, р - плотность струи и среды соответственно; Устр, уо - скорость струи вдоль оси и на выходе из сопла соответственно; Я -приведенный радиус зерна, площадь сечения которого принимаем равной площади сечения абразивного зерна; Ь1 - величина выступающей части размера абразивного зерна из заготовки после гидроабразивного разделения; ЬР - коэффициент, характеризующий среднеквадратичную погрешность; ар - коэффициент, характеризующий зависимость силы воздействия (Б) на абразивное зерно от величины его освобожденной части из заготовки (Ь1+е).

В системе уравнений (3) первое уравнение характеризует силу, прилагаемую к застрявшему абразивному зерну давлением рабочей жидкости с токопроводящими гранулами

[5]:

( \

р = Ррж ■S■

1 --

1

100

р

V у0 У

(4)

где 8 - площадь, на которую действует давление.

Площадь (8) определяется как часть площади сечения круга с приведенным радиусом (Я), выступающая из заготовки после комбинированного разделения. При этом величина выступающей части размера абразивного зерна из заготовки после комбинированного разделения принимаем как (Ь2=Ь1+ъ).

Второе уравнение в системе уравнений (3) является эмпирическим и определяется для каждого случая экспериментальными зависимостями (рис. 3, 4). Оно характеризует силу,

2

2

которую необходимо приложить к застрявшему абразивному зерну для его удаления.

Р = ^(Й2> = | (А + г) = Ьр -(А, + г )“р, (5)

Экспериментальные исследования

Экспериментальные исследования проводились на серийной установке типа РТУ WJ3020E 12-0 37 с давлением рабочей среды -415МПа. В качестве абразива использовался гранатовый концентрат ОМА 80 имеющий изометрическую форму. Скорость перемещения сопла вдоль контура разделения - 500 мм/мин. Нами использовались образцы из вязких металлов (медь, алюминий, свинец и др.) толщиной 12мм. Исследования глубины проникновения абразивных зерен дали возможность установить глубину внедрения абразива,

отнесенную к его размеру ( А1 ) при различной твердости обрабатываемого материала (рис. 2).

удаления, от глубины внедрения абразива, отнесенной к его размеру ( А2 ) (рис. 3).

10 20 30 М НВ

Рис. 2. Зависимость глубины внедрения абразива, отнесенной к его размеру от твердости материала заготовки

Из зависимости (рис. 2) видно, что, с увеличением твердости материала, глубина внедрения абразивных частиц в него снижается. При этом абразив не погружается полностью в заготовку, это объясняется малой поперечной составляющей силы в гидроабразивной струе.

По зависимости, представленной на рис. 2, можно определить величину выступающей части размера абразивного зерна из заготовки после гидроабразивного разделения (ИО по формуле:

А

Аг = d зер (1 - т^гЬ (6)

100

,зер - максимальным размер используемого

абразивного зерна.

Экспериментальные исследования по удалению абразивных зерен размером 0,18-0,22 мм, залегающих на различной глубине, позволили найти зависимость силы Б, которую необходимо приложить к абразивному зерну для его

Л/’, /о

Рис. 3. Зависимость силы, прилагаемой к абразивному зерну для его удаления из заготовки, от глубины внедрения абразива, отнесенной к его размеру: 1 - свинец; 2 - алюминий; 3 - медь; 4 - титан; 5 - Ст 3

Из зависимости (рис. 3) видно, что сила (Б) прилагаемая к зерну, для его удаления из заготовки увеличивается с повышением глубины внедрения абразивного зерна и увеличения твердости материала заготовки.

С учетом зависимости, представленной на рис. 3, можно найти необходимую высоту части абразива И2, выступающей из заготовки, для его удаления по следующей зависимости:

А~

(1 - -тЛ^) , (7)

И 2 =

зер

100

При этом сила, которую требуется приложить к абразивному зерну для его удаления из заготовки будет увеличиваться при увеличении его размера. Экспериментальные исследования позволили вывести зависимость силы, необходимой для удаления зерна из заготовки от приведенного радиуса зерна абразива (Я). Такая зависимость для абразива, погруженного в алюминий на 50% своего размера, представлена на рис. 4.

Экспериментальные исследования по удалению абразивных зерен показали высокую сходимость значений полученных экспериментальным путем и по системе уравнений (3) и дали возможность составить зависимость (рис. 5) припуска (ъ), который необходимо растворить для удаления абразивных зерен из заготовки при комбинированной обработке, от твердости материала заготовки при давлении струи токопроводящих гранул в рабочей жидкости 100МПа и размере абразива 0,1 мм.

Рис. 4. Зависимость силы, прилагаемой к абразивному зерну для его удаления из заготовки, от приведенного радиуса абразивного зерна при его погружении в алюминий на 50% своего размера

Рис. 5. Зависимость припуска (ъ) от твердости материала заготовки при давлении струи 100МПа и размере абразива 0,1 мм:

— - теоретическая зависимость __ - экспериментальные данные

Выводы:

1. Выведены зависимости для определения технологических режимов анодного растворения части припуска, достаточного для устранения шаржирования зоны разделения во время гидроабразивного разделения.

2. Приведено экспериментальное подтверждение работоспособности нового процесса, обеспечивающего повышение качества поверхностного слоя.

Литература

1. Смоленцев В.П. Формирование поверхностного слоя при гидроабразивном разделении металлов с наложением электрического поля./ В.П. Смоленцев, Е.В. Гончаров//Вестник ВГТУ, 2011, том 7, №7 - С.74-77

2. Электрофизические и электрохимические методы обработки: В 2-х т. Т1/ Под ред. В.П. Смоленцева. -М.: Высш. шк., 1983. 247 с.

3. Павлов Э. Установки гидроабразивной резки производства савеловского машиностроительного завода // “Умное производство”, 2009, №1 - С. 44-50

4. Кузовкин А.В. Размерное формообразование сложнопрофильных деталей с применением твердого токопроводящего наполнителя / Смоленцев В.П. // Воронеж: Изд-во ВГТУ, 2000. - 176с.

5. Бурнашов М.А. Определение силы резания при раскрое настилов материала водоледяной струей высокого давления // Вестник Брянского государственного технического университета, 2008, - №4 - С. 17-20.

Воронежский государственный технический университет

CALCULATION OF TECHNOLOGICAL MODES OF HYDROABRASIVE DIVISION OF MATERIALS WITH IMPOSING AN ELECTRIC FIELD V.P. Smolentsev, E.V. Goncharov

The design procedure and definitions of modes of processing for removal of effect inclusion is considered. Experimental data on minimally necessary force for removal of abrasive inclusions are resulted at various depth of their penetration into a half-finished product and the size of abrasive grain. Dependences for definition of size of the minimal allowance on anode dissolution and definition of speed of submission cutting nozzle are presented

Key words: hydroabrasive division of the metals, the combined processing, anode dissolution, inclusio