CC BY
11СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА ИМИТАЦИОННОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО
ПРОЦЕССА ГИДРОАБРАЗИВНОЙ ОБРАБОТКИ
Иванов Виктор Викторович
ассистент, ФГБОУ ВПО «Саратовский государственный технический университет имени Гагарина
Ю.А.», г. Саратов Тебякина Диана Сергеевна
магистрант, ФГБОУ ВПО «Саратовский государственный технический университет имени Гагарина
Ю.А.», г. Саратов
STATE ISSUE SIMULATION PROCESS WATERJETMACHINING
Ivanov Viktor V., a.P., Saratov State Technical University named after Yuri Gagarin, Saratov Tebyakina Diana S., graduate student, Saratov State Technical University named after Yuri Gagarin, Saratov АННОТАЦИЯ
В данной статье рассмотрена, проблема, затрагивающая вопросы моделирования технологического процесса гидроабразивной обработки на основе подробного анализа теоретических моделей данного процесса. Выявлена и обоснована необходимость использования единого подхода к исследованию гидроабразивного резания. ABSTRACT
This article describes the problem affecting the issues of modeling the process of waterjet machining based on a detailed analysis of theoretical models of the process. Identified and justified the need for a unified approach to the study of waterjet cutting.
Ключевые слова: абразив, гидроабразивная резка, математическая модель. Keywords: abrasive, mathematical model, waterjet cutting.
Создание новых конструкционных материалов, разнообразие сортамента, усложнение форм изделий и ужесточение требований к качеству обработки ведут к появлению все более производительных и эффективных технологий, в частности технологий резания. К таким процессам раскроя материалов относится гидроабразивное резание, осуществляемое на процессе разрушения при воздействии сверхзвукового потока жидкости и абразива.
Гидроабразивная струя выполняет процесс резания при помощи ударного эффекта абразива об обрабатываемый материал, вследствие этого формируется последовательность данного процесса: срез, эрозия, эффект микромеханической обработки и разрушение под воздействием быстроизменяющегося поля местных напряжений.
Технология гидроабразивного резания идеальна для вырезки материалов, которые являются чувствительными к температуре. После резания струей не требуется дополнительная механическая обработка и не наблюдается упрочнения поверхности реза и прижогов.
Принципиальным технологическим преимуществом гидроабразивного резания является отсутствие теплового воздействия на поверхность детали, которое связано с важнейшей характеристикой любого процесса обработки материала - производительность. Производительность процесса, как правило, выражается скоростью подачи инструмента относительно детали, а также объемом удаленного материала в единицу времени.
А сбето/учебая обработка
абразивно-струйная обработка А зпектранно-лучевая обработка В гидроабразивная обработка
ультразвуковая обработка ф традиционная механическая обработка Рисунок 1. Производительность различных методов резания материалов
Анализ производительности резания материалов при различных методах обработки показал, что гидроабразивное резание обеспечивает скорость резания соиз-
меримую с наиболее производительными традиционными механическими методами обработки при меньших затратах энергии (рисунок. 1) [12].
Несмотря на большое количество работ по проблемам математического моделирования процесса гидроабразивного резания, в настоящее время отсутствуют общие подходы к ее исследованию. С учетом этого можно условно разделить всю совокупность физических процессов, происходящих в гидроабразивной струе, на отдельные модельные процессы, выполнить их анализ и моделирование, а результат общую модель струи получить, как суперпозицию моделей отдельных процессов. В рамках поставленной задачи явления, происходящие в гидроабразивной струе, могут быть, по нашему мнению, описаны и объяснены из анализа следующих теоретических моделей процесса гидроабразивного резания:
- двухмерные модели в направлении подачи;
- трехмерные модели в направлении подачи;
- модель энергетического баланса;
- моделирование формы режущего фронта;
- моделирование объема срезаемого слоя и глубины резания;
- модель процесса гидроабразивной обработки, основанная на закручивании струи рабочей жидкости.
Последовательно рассмотрим указанные модели. 1. M. Hashish предложил двумерную модель процесса гидроабразивного резания в направлении подачи, в которой установил последовательную очередность процесса резания в основу, которой положены три режущих каскада: входного, основного режущего и выходного. В процессе гидроабразивного резания струя врезается в материал, увеличивая постепенно глубину реза - входной каскад. Каскад основного резания формируется в процессе достижения максимальной глубины реза в области фронта разрушения. В дальнейшем струя отклоняется в обратную сторону от направления подачи, образуя на дне реза - треугольник, показанный на рисунке 2. Этот каскад получил название выходной.
Рисунок 2. Схема прохождения процесса гидрорезания
Первая ступень режущего цикла — это зона интенсивного износа h0 (рисунок 2) на этой ступени съем материала осуществляется единичными абразивными частицами при малых углах столкновения, что характерно для процесса микрорезания.
При достижении некоторого угла столкновения режим резания переходит во вторую ступень hD - износ. На этой ступени гидроабразивная струя проникает в материал, удаляя его под воздействием различных видов эрозии, которая связана с многоходовой бомбардировкой частицами, повышением твердости поверхности из-за пластической деформации и формированием трещин. Данная зона характеризуется образованием на поверхности реза штрихов обработки и волнистости. При достижении критической глубины резания процесс разрушения прекращается, а абразивные частицы движутся на дне под углом ф е90°.
Теоретических объяснений явлению существования двух ступеней резания материала Hashish не дает.
2. Guo рекомендовал трехмерную модель процесса гидроабразивной резки, основываясь на процессах
разрушения в направлении подачи и перпендикулярно к подаче [2]. Микрорезание единичными абразивными частицами сформировывает микроструктуру поверхности резания, что свойственно верхней зоны поверхности резания. При конкретных требованиях такое качество шероховатости поверхности может быть достигнуто в глубинной зоне резания. Не вполне сформированное реактивное колебание струи формирует трехмерное перемещение фронта обработки во время процесса резания, что ведет к образованию штрихов на поверхности.
3. Ramulu и Arola отметили в процессе гидроабразивной резки следующие зоны: зона чистового резания и зона чернового резания и предложили гипотезу о постоянстве кинетической энергии гидроабразивной струи зависящей от длины обрабатываемого материала при переходе из «гладкой зоны» в «черновую зону» (hsc ^ hRc) [4].
Энергия, израсходованная гидроабразивной струей на резку:
EDiss ~ EA
E
EX
(1)
где
E
A -
кинетическая энергия гидроабразивного потока,
E
EX .
кинетическая энергия на выходе из материала.
EA = {™A + mw УР
2v
где
m,
расход абразива; V
m
W
расходы на потребле-
h{x) = a(x — b)2 + С
IX
а, Ь и с
где ' - постоянные величины, полученные по-
сле измерений.
С = к „ и Ь = Х_,
(3)
(2)
Для
С
h
a =
b7
X max
ние жидкости; p - средняя скорость абразивного зерна;
dp - диаметр гидроабразивного сопла; ^ - подача.
4. При описании формы фронта реза h(x), Zeng предложил параболическое уравнение (рисунок 3) [5]. Geskin и Chao при описании режущего фронта руководствуются полиномом второго порядка. Это предоставляет возможность определения зависимости максимальной высоты штрихов при обработке от глубины реза [1]:
, (4)
х к
Оценку параметров тах и тх можно производить для любой поверхности процесса резания. Высота кривой находится в соответствии с глубиной реза. Значение максимальной глубины реза достигается в том случае,
, . йк/ йх
если параболическая функция, ' , равна нулю.
Рисунок 3. Моделирование фронта реза
5. Разработанная Hashish модель эрозии по определения объема удаляемого слоя материала при малых углах атаки абразива по режущему фронту [3] в основу, которой положена теория микрорезания Finnie:
dV„, = -
п
Rf • dmA
Рв
V, v.
in
sm
sin^
(5)
Rf Р
где f - параметр шероховатости; -
m ^ V
зива; A - расход абразива; P
стицы;
<P -
плотность абра-скорость абразивной ча-угол падения гидроабразивной струи; vc -
характеристическая скорость абразивной частицы; предел твердости.
f
3ofRf
Рр
(6)
При определении глубины резания Hashish предложил:
hd =
1
nd. о V
jet f
C,
2С2 mA V — Vhr )2 dje
V
V — V
' P ' thr
(7)
где
V,
thr -
предельная подача.
O
f
V
Значения величин 1 и ' Лг в данных уравнениях предварительно вычисляют.
6. В процессе обработки гидродинамические параметры гидроабразивной струи снижаются, а именно уменьшается ее скорость, увеличивается распыл струи, все служит причиной к увеличению площади контактирования струи с обрабатываемой поверхностью и уменьшению удельного давления резания, интенсивному возрастанию энергоемкости процесса и снижению технологических параметров обработки в процессе гидроабразивной резки.
2.5
Вследствие чего, эти причины являются предпосылками к снижению показателей качества обрабатываемых материалов, что во многих случаях имеет первостепенное значение.
Одним из методов решения проблемы повышения гидродинамических параметров гидроабразивной струи является установление рациональных параметров обработки для организации наиболее эффективного технологического процесса гидроабразивной обработки. Предпосылкой к данной рабочей гипотезе явились результаты исследований [6 - 11], которые отмечают увеличение режущей способности и повышение производительности гидроабразивной резки, вследствие закручивания струи рабочей жидкости путем нарезания в смесительной трубке спиралеобразной канавки.
Несмотря на большое количество источников литературы, их количество ограничено и не содержит полного обоснования выбора рациональных параметров гидроабразивной обработки. Во многих источниках указывается лишь возможность применения закручивания гидроабразивной струи без указания характеристик процесса обработки. Поэтому вопрос определения и исследования обоснования выбора рациональных параметров гидроабразивной обработки, оказывающих влияние на повышение производительности и качества процесса гидроабразивной резки, является в настоящее время актуальным в области машиностроения.
В результате анализа, выше приведенных, теоретических моделей процесса гидроабразивного резания можно сделать вывод, что имеющиеся модели касаются отдельных аспектов функционирования конкретной технологической системы. Такие модели включают в себя прогноз поведения отдельных элементов процесса резания. Таким образом, встает задача поиска оптимального методологического подхода к исследованию процесса гидроабразивного резания посредством математического моделирования с целью повышения производительности обработки материала, а именно создание имитационной модели процесса гидроабразивного резания.
Имитационная модель позволит рассчитывать характеристики струи и организовывать наиболее эффективный технологический процесс гидроабразивной обработки. Такая модель должна представлять собой информационную систему, включающую в себя ввод параметров обработки, их корректировку, имитацию процесса резания, выходные результаты после процесса обработки.
Список литературы 1. Chao, J., Geskin E. S. Experimental study of the striation formation and spectral analysis of the abrasive waterjet generated surfaces // In: Hashish M (ed) Proc. 7th Amer. Water Jet Conf. Vol. 1, Water Jet Techn. Ass., St. Louis, 1993. P. 27 - 41.
2. Guo N. S. SchneidprozeP und Schnittqualitat beim Wasserabrasivstrahl-schneiden // VDI-Fortschritt-Berichte, Reihe 2. 1994. Nr. 328.
3. Hashish M. An improved model for erosion by solid particle impact // In: Field J E, Dear J P (eds) Proc. 7th Int. Conf. Erosion by Liquid and Solid Impact, Cavendish Lab., Cambridge, 1987. P. 66.1 - 66.9.
4. Raju S. P. Predicting hydro-abrasive erosive wear during abrasive waterjet cutting - part 2: an experimental study and model verification // PED. Vol. 68-1. 1994. P. 381 - 396.
5. Zeng J., Heines R., Kim T. J. Characterization of energy dissipation, phenomena in abrasive waterjet cutting // In: Labus T J (ed) Proc. 6th Amer. Water Jet Conf, Water Jet Techn. Ass., St. Louis, 1991. P. 163 - 177.
6. Иванов В. В., Мирошкин А. Г., Шпилев В.В. Вопросы моделирования двухфазной турбулентной струи // Технологическое обеспечение качества машин и приборов: сб. ст. VI Междунар. науч.-практ. конф., ноябрь 2011 г. Пенза: ПДЗ, 2011. С. 31 - 33.
7. Иванов В. В., Шпилев В. В., Решетников М. К., Бе-реда Н. Н. Метод увеличения режущей способности гидроабразивной струи // Современные проблемы и пути их решения в науке, транспорте, производстве и образовании 2011: сб. науч. тр. SWorld по материалам Междунар. науч.-практ. конф. Вып. 4. Т. 6. Одесса: Черноморье, 2011. С. 18 - 23.
8. Иванов В. В., Шпилев В. В., Решетников М. К., Бе-реда Н. Н. Экспериментальные исследования гидроабразивной обработки // Современные проблемы и пути их решения в науке, транспорте, производстве и образовании 2011: сб. науч. тр. SWorld по материалам Междунар. науч.-практ. конф. Вып. 4. Т. 6. Одесса: Черноморье, 2011. С. 18 - 23.
9. Иванов В. В., Иванов С. В., Шпилев В. В., Мирошкин
A. Г. Теоретические предпосылки исследования процесса гидроабразивной резки на оси двухфазной турбулентной струи // Теоретические и прикладные проблемы науки и образования в 21 веке: сб. науч. тр. по материалам Междунар. заочн. науч.-практ. конф. Тамбов, 2012. С. 62 - 64.
10. Иванов В. В., Иванов С. В. Моделирование внедрения абразивной частицы в материал как поиск оптимального методологического подхода к разработке имитационной модели процесса гидроабразивной резки // Вестник развития науки и образования. 2014. №3. С. 90 - 95.
11. Пат. № 2466008 Российская Федерация. Способ формирования струи жидкости для резания материалов и устройство для его реализации / Шпилев
B.В., Решетников М.К., Капульник С.И., Береда Н.Н., Кутин А.С. Опубл. 10.11.2012. Бюл. №31.
12. Проволоцкий А.Е. Струйно-абразивная обработка деталей машин. Киев: Техника, 1989. 279 с.
ОСНОВНЫЕ ФАКТОРЫ, ВЛИЯЮЩИЕ НА ТРУДОЕМКОСТЬ РАЗРАБОТКИ УПРАВЛЯЮЩИХ ПРОГРАММ В СОВРЕМЕННЫХ CAM-СИСТЕМАХ
Казанцев Максим Сергеевич
магистр техники и технологий, Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет
информационных технологий, механики и оптики, г. Санкт-Петербург
