CC BY
27
СЕМИНАР 14
ДОКЛАД НА . СИМПОЗИУМЕ . "НЕДЕЛЯ . ГОРНЯКА -
МОСКВА, МГГУ, 25.01.99 - 29.01,99
.....^ А.А. Булавкин, Н.М. Семёшин, '
М.Г. Шеметов, 2000
УДК 679.8:622
А.А. Булавкин, Н.М. Семёшин, М.Г. Шеметов
ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ КОМПЛЕКСЫ НА БАЗЕ ГИДРОАГРЕГАТЕ УСВД-3500 ДЛЯ КОНТУРНОЙ
С
овременные системы компьютерного проектирования позволяют значительно сократить затраты времени и средств на разработку новых изделий и интерьеров с использованием камня. Однако проблема массового изготовления продукции сколько-нибудь сложной формы остается наиболее узким местом. Поэтому актуальной является задача разработки технологий и соответствующего оборудования для промышленной резки камня по сложному контуру.
Гидрорезание - это способ резания материалов с использованием кинетической энергии струи жидкости и абразива, который разгоняется этой жидкостью [1]. Высокая скорость струи обеспечивается высоким статическим давлением рабочей жидкости (до 350 Мпа) перед водоразгоняющим соплом.
Технологии гидроабразивной резки начали интенсивно развиваться примерно с начала 80х годов. В настоящее время у нас в стране и за рубежом создается новое и совершенствуется традиционное гидрорезное оборудование. В частности, на предприятиях авиационной промышленности разработан гидроагрегат УСВД-3500, на базе которого создан и производится типоряд автоматизированных технологических комплексов для абразивно-жидкостной резки материалов, в том числе и камня.
Основные закономерности процесса резания материала высоконапорной струей
Разрушение материала осуществляется струей (или потоком), движущейся со скоростью, превышающей скорость звука в воздухе в 2 - 3 раза. Очевидно, что скорость разрушения материала соизмерима со скоростью перемещения резака по заготовке. Если посмотреть на срез, образованный абразивножидкостной струей, то можно увидеть, что верти-
кально направленная струя на материале от верхней его поверхности к нижней оставила непараллельные кромки.
Считаем, что качество изделия соответствует технологическим требованиям, если погрешность на нижней границе среза не превышает допуска на размер контура (см. рис. 1). Факторы, приведшие к образованию непрямолинейных, непараллельных кромок и соответствующих следов обработки на срезе, составляют геометрический аспект механизма разрушения материалов жидкостными и абразивно-жидкостными струями.
На рис. 2 изображено поперечное сечение струи и вид сверху (со стороны сопла) на разрезаемую заготовку.
Геометрическая схема обработки дана на рисунке в предположении, что струя представляет собой строго цилиндрический поток, имеющий в поперечном сечении круг диаметром, равным внутреннему диаметру канала сопла.
Из рис. 2 видно, что точки материала, удаленные от
центра сечения струи на разные расстояния, подвергаются воздействию рабочей жидкости разные промежутки времени. Обозначим этот промежуток времени Т х. Расстояние
любой точки от линии, соответствующей вектору направления движения резака, и, проходящей через ось сопла, выразим переменной X . Тогда длина участка материала (параллельного направлению движения и отстоящего на расстоянии X от центра сопла) подвергающегося непрерывному воздействию струи выразится следующим образом:
у = 27^/4 — X2 , где ёс — диаметр струи.
Время воздействия струи определим из выражения: Т х= 2д/^ /4 — X2 / $ , где $ — величина подачи относительного перемещения заготовки и резака с соплом.
Предположим, что мы имеем некоторую характеристику интенсивности разрушения материала Wp. Тогда количе-
Рис 4
ство разрушенного материала выразилось бы следующим образом: Q = Тх ■ Жр .
Итак, мы получаем линейную зависимость для профиля кромки разрезаемого материала струей круглого сечения. Угол наклона кромки определяется коэффициентом -
характеристикой Жр. Величину Жр можно определить экспериментально, измеряя при известной подаче, ширину А реза на выходе струи из материала. Из рис. 2 видно, что половина ширины реза на выходе струи и есть та критическая координата X , на которой разрушение материала
на всю его толщину произошло за время Ткр , где
Т=
кр.
известной
2д/о.25(^с2 — Ь2 ) / $ . Откуда при
толщине материала Wp = h / Ткр , где h — толщина обрабатываемого материала. Таким образом, для экспериментального определения Wp можно принять выражение:
Wr = h - S Ц d; — b
2 г. 2
с
Мы считаем, что найденный коэффициент производительности не обладает инвариантностью в отношении к скорости истечения жидкости, составу рабочей жидкости и способу резания.
Если же уточнить рассуждения в том смысле, что изменение скорости истечения струи в поперечном сечении описывается уравнением Гаусса: и/ит = Є р(Гх 1 Газ) . Где
и - скорость струи на расстоянии Гх от оси струи; Г05 -радиус струи, определяющий точку, скорость струи в которой составляет половину осевой скорости; ит - осевая
скорость струи в определенном его сечении за пределами переходного и начального участка; (р -коэффициент.
В этом случае кромка резаного материала в поперечном сечении уже будет не прямой (пунктиром показана на рис. 3), и уравнение этой прямой примет вид:
f (x) = %ld2/4 — x2 /S-Wp
- є
-p(rx /Г0.5)
Для того чтобы рассчитать производительность процесса обратимся снова к рис. 3. Очевидно, что количество разрушенного материала равно
Q = йс • h • $ — 2 • $ - ^ f (X)йХ . Преобразуя это выра-
о
жение в соответствии с формулой распределения скоростей по сечению струи, получим:
Q = de -h- S — 4|,/dr/4
\ — x2 -Wp - є ~
( r~x / ro.5)2
dx .
Где Wp - инвариантная по отношению к технологическим
параметрам константа разрушения материала. Назовем ее интенсивностью разрушения. В этом выражении единственный параметр Wp не определен аналитически. Но это
тема особых исследований, и с достаточной степенью точности параметр может быть определен экспериментально как объем отверстия в материале, деленный на время, необходимое для того, чтобы пробить это отверстие. То есть, считая форму отверстия усеченным конусом, получаем:
Wv = 4/3-ж-h• (а2 + аЬ + Ь2)/т . Где Ь — ]
радиус
отверстия на входе струи в материал; a — радиус отверстия на выходе струи; h — толщина материала; Тпр — время пробоя.
Типовые схемы технологических комплексов
В настоящее время авторы статьи со своими коллективами ведут разработки и опытное изготовление образцов принципиально новой гидрорезной техники. Эти разработки призваны повысить эффективность резания, снизить вес и размеры гидроагрегатов при сохранении ими эксплуатационных качеств. Ведутся так же разработки технологического оборудования, позволяющего расширить классы обрабатываемых деталей и материалов. Разрабатываются различные схемы управления процессом. Особое место среди разработок занимают машины для работы во взрыво- и пожароопасных ситуациях. Эти машины выполняются в мобильном варианте с высокой степенью автономности.
Разработанный ряд машин имеет следующие техникоэкономические характеристики:
Мощность привода гидроагрегата, кВт от 18 до 70 Рабочее давление жидкости, Мпа до 350
Расход рабочей жидкости, л/мин до 10
Расход абразивных материалов, кг/мин до 0.5
Скорость резания по контуру max, м/мин до 40
Точность позиционирования резака, мм 0.02
Повторяемость, мм 0.02
Состав стандартной поставки такого комплекса представлен ниже на рис. 4.
Слева изображен технологический координатный стол, справа гидроагрегат, в центре управляющий компьютер. Стол автоматизирован с помощью встроенной микропроцессорной системы. Она отвечает за привода, за синхронизацию перемещения двигателей, осуществляет интерполяцию перемещений по заданным координатам, отслеживает конечные положения и аварийные ситуации, управляет источниками питания и поддерживает связь с компьютером верхнего уровня. Компьютер управляет подсистемами гидроагрегата и водяного тракта [2], синхронизирует управление комплекса в целом, и, главное, по исходным данным (чертежу) о геометрии требуемого раскроя листа готовит управляющую программу и осуществляет управление в соответствии с ней.
Особенности подготовки управляющих программ
Для создания управляющих программ обработки изделий с фигурным контуром требуются не только исходные геометрические чертежи, но и знание технологических и иных аспектов обработки материалов высоконапорными жидкостными и абразивно-жидкостными струями. В целом разработка управляющего программного обеспечения (ПО) и ПО подготовки управляющих программ имеет много общего с аналогичными разработками для лазерных технологических комплексов для резки [3,4]. Поэтому, из исторических соображений, разработанное для гидрорезной техники ПО названо ТигЬоСАМ.
Система ТигЬоСАМ предназначена для подготовки управляющих программ оптимального раскроя листового материала. В качестве исходных данных ТигЬоСАМ может использовать чертежи подготовленные, например, в АШюСАБе и CoгeDRAW. Кроме того, в систему включены модули настройки на нюансы технологии и на систему команд используемой системы управления комплексом. Система автоматически распознает в файле чертежа отверстия, внешнюю кромку, совмещенные резы, и, по установленным технологическим параметрам, после позиционирования точек входа в материал генерирует траектории движения инструмента при обработке. Встроенный редактор трассы позволяет провести оптимизацию холостых переходов инструмента.
В ТигЬоСАМ включено несколько модулей автоматического размещения деталей на листе, реализующих различные алгоритмы. В частности, возможна оптимизация размещения разнотипных деталей в соответствии со сменным заданием на листах заданных размеров, возможна зонная оптимизация. Редактор интерактивной укладки имеет оперативный доступ к базе знаний. Что касается базы знаний, то ее наличие делает ТигЬоСАМ мощным инструментом. Она может настраиваться пользователем под его потребности. В частности, ведется неявное для оператора накопление информации об используемых материалах и их толщинах, режимах резания, скоростях обработки и, в дальнейшем, выдаются подсказки по скоростям.
ТигЬоСАМ позволяет управлять следующими параметрами: подача, скорость, эквидистанта, радиус вреза, время вреза и скорость вреза, масштаб детали. При необходимости может осуществляться резка незамкнутых контуров.
Заключение
Применение абразивно-жидкостной струи, с учетом вышеуказанных характеристик гидрорезных машин, позволяет существенно расширить круг обрабатываемых материалов. Способ гидроабразивной резки материалов оказался ключом к решению многих технологических проблем при сложном фигурном раскрое плит из природного камня. Это, в значительной степени, освобождает фантазию художников-дизайнеров и архитекторов.
Камень — сложный для обработки материал, требует от обработчика больших знаний, опыта, предельной аккуратности и внимания. Однако даже наличие всех перечисленных качеств не избавляет процесс от издержек, связанных с природной структурой камня, его строения. А это, в свою очередь, ведет к повышению расхода материала и, соответственно, к повышению стоимости изделия. Гидрорезное оборудование позволяет с высокой точностью воспроизводить задуманное художником. Наличие координатного технологического стола и соответствующего программного обеспечения позволяют создавать композиции из различных материалов, и сложные элементы контуров одних из них будут с высокой степенью точности совмещаться с такими же сложными по форме другими контурами. Причем сделать это можно как с монтажным зазором (или как его еще называют "швом"), так и без него. Ценность подобной автоматизации заключается еще и в том, что информация об изделии (об его профиле) в виде управляющей программы (и исходного чертежа) может храниться сколь угодно долго. В случае разрушения изделия, оно может быть восстановлено. Кроме того, это позволяет тиражировать изделие. И быстро переходить к выпуску, как новых изделий путем модификации существующего каталога, так и изделий уже производившихся, но новых требуемых размеров.
На оборудовании для абразивно-жидкостной резки возможно применение программного обеспечения для оптимального (в смысле минимизации отходов) раскроя листа, что позволяет в некоторых случаях значительно сократить количество отходов.
И, наконец, отметим несколько новых аспектов, ставших возможными с применением гидрорезного оборудования:
Во-первых. Стало возможным получение очень тонких (до 0.3мм) элементов конструкций из камня. Связано это с тем, что усилия резания при обработке камня абразивножидкостными струями очень малы. Это же обстоятельство позволяет значительно упростить базирование заготовки на технологическом столе.
Во-вторых. Процесс резания жидкостными и абразивно-жидкостными струями протекает практически без нагрева (температура в зоне резания не превышает 70оС), что имеет большое значения для камня, как материала с низкой теплопроводностью.
В-третьих. Абразивно-жидкостная струя — это универсальный инструмент. Незаменимо применение гидроабразивной технологии для резки пожаро- и взрывоопасных материалов; материалов, выделяющих при применении термических, в частности лазерных, технологий ядовитые компоненты; материалов, имеющих неоднородную структуру, и разрушающихся, пусть частично, при нагревании. Это и
стекло, и цветные металлы, и черные металлы большой толщины, и композитные материалы, и материалы из сложных органических соединений.
В-четвертых. Абразивно-жидкостная струя — это значительно более экономичный, в сравнении с традиционным режущим инструментом, элемент технологического процесса. Например, при обработке полимерных композиционных материалов, типа углепластиков, концевая фреза из твердого сплава имеет ресурс немногим более трех часов, а водяное сопло для обработки этого же материала работает 1000 часов и более.
В-пятых. Процесс протекает без выделения пыли, так как ширина реза составляет от 0.6 до 1.2 мм, и продукты разрушения выносятся из зоны обработки отработавшим потоком жидкости. Отходы при этом минимальны.
И, наконец. Высоконапорной абразивно-жидкостной струей можно производить не только сквозную резку материалов, но и выборку ограниченных определенным контуром массивов камня. Другими словами — абразивножидкостная струя может быть инструментом скульптора.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Булавкин А.А.., патент РФ №1363636, способ резки высоконапорной струёй жидкости.
2. Булавкин А.А., патент РФ №1819209, стол устройства для резки материалов струёй жидкости.
3. Semieshin N.M. “Software CNC-program generation for laser material processing” in V International conference “Industrial lasers & laser applications ILLA'95”, 24-26 June 1995, Shatura, Russia.
4. Ильичёва С.А., Майоров В.С., Семёшин НМ. “База знаний в лазерных технологиях”, Автоматизация проектирования, 1998г., №2(8), с. 16-20.
Ґ
77
Булавкин Александр Андреевич — ст. научный сотрудник, Национальный институт авиационных технологий.
Семёшин Николай Митрофанович — генеральный директор АО «ТехноСофт», г. Шатура, Московская обл.
Шеметов Михаил Григорьевич — кандидат технических наук, нач. лаборатории Национальный институт авиационных технологий.
г
