Повышение эффективности гидроабразивного резания заготовок из толстолистовых металлов на основе дискретной подачи абразива тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.02.07, кандидат наук Денисов, Александр Сергеевич

• Денисов, Александр Сергеевич
• кандидат наук
• 2014

Оглавление диссертации кандидат наук Денисов, Александр Сергеевич

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1 СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА ОБРАБОТКИ ДЕТАЛЕЙ СВЕРХЗВУКОВОЙ СТРУЕЙ ВОДЫ С АБРАЗИВОМ

1.1 Введение в метод обработки деталей сверхзвуковой струей воды с абразивом

1.2 Состояние вопроса по гидроабразивному контурному раскрою заготовок и пути совершенствования этого процесса

1.3 Особенности гидроабразивного раскроя заготовок из толстолистовых металлов

1.4 Цель и задачи исследований

Выводы по первой главе

ГЛАВА 2 ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПАРАМЕТРОВ ПРОЦЕССА ГИДРОАБРАЗИВНОЙ ОБРАБОТКИ ЛИСТОВЫХ МЕТАЛЛОВ

2.1 Анализ процесса воздействия абразивной частицы на поверхность детали

2.2 Математические модели разрушения металлов сверхзвуковой гидроабразивной струей

2.2.1 Взаимодействие гидроабразивной струи с поверхностью заготовки в процессе ее вырезания

2.2.2 Модели гидроабразивного вырезания заготовок из толстолистовых металлических материалов

2.3 Внедрение абразивных частиц в микронеровности обработанной

поверхности заготовки

Выводы по второй главе

ГЛАВА 3 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ВЛИЯНИЯ ДИСКРЕТНОЙ ПОДАЧИ АБРАЗИВА НА ПРОЦЕСС ВЫРЕЗАНИЯ

ЗАГОТОВОК

3.1 Содержание экспериментальных исследований

3.2 Экспериментальная установка для проведения исследований влияния дискретной подачи абразива на получение заготовок из толстолистовых металлических материалов

3.3 Объекты экспериментальных исследований раскроя заготовок

3.4 Средства измерения основных параметров процесса гидрорезания

3.5 Методика исследования основных параметров процесса резания и качества обработанных поверхностей заготовок

3.5.1 Методика определения времени сквозного прокола (пирсинга) толстолистовых металлических материалов

3.5.2 Методика определения качества поверхности заготовок

3.5.3 Методика определения точности профиля заготовок

3.6 Планирование экспериментов при определении времени сквозного прокола (пирсинга) толстолистовых металлических материалов

3.6.1 Определение времени пирсинга при постоянной подаче абразива в струю при обработке толстолистовых заготовок

3.6.2 Определение времени пирсинга при дискретной подаче абразива в струю при обработке толстолистовых заготовок

3.7 Экспериментальные исследования влияния параметров подачи абразива в струю на время пирсинга толстолистовых металлов

3.7.1 Пирсинг металла при стационарном способе подачи песка

3.7.2 Пирсинг металла при дискретном способе подачи песка

3.8 Влияние параметров подачи абразива в струю на качество обработанных поверхностей заготовок

3.8.1 Влияние параметров подачи абразива в струю на ширину реза при раскрое заготовок из толстолистовых металлов

3.8.2 Влияние параметров подачи абразива в струю на точность профилей заготовок

3.8.3 Влияние параметров подачи абразива в струю на шероховатость и волнистость реза обработанных поверхностей заготовок

3.9 Влияния параметров подачи абразива в струю на скорость

разделительного раскроя заготовок из толстолистовых металлов

Выводы по третьей главе

ГЛАВА 4 РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ РЕКОМЕНДАЦИЙ ВЫБОРА РЕЖИМОВ РАСКРОЯ ЗАГОТОВОК ИЗ ТОЛСТОЛИСТОВЫХ МЕТАЛЛОВ

4.1 Технологические рекомендации по применению дискретной подачи абразива для гидроабразивной вырезки заготовок из толстолистовых металлов

4.2 Выбор рациональных режимов для раскроя заготовок из толстолистовой стали и алюминия

4.3 Оценка рабочего ресурса подвижных элементов системы дискретной подачи абразива

4.4 Экономическая целесообразность применения дискретной подачи абразива

4.4.1 Анализ себестоимости раскроя заготовок из толстолистовых металлических материалов

4.4.2 Расчет себестоимости раскроя типовых заготовок из толстолистового алюминия

Выводы по четвертой главе

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Повышение эффективности гидроабразивного резания заготовок из толстолистовых металлов на основе дискретной подачи абразива»

ВВЕДЕНИЕ

Отличительной чертой современного как отечественного, так и зарубежного машиностроения является расширение номенклатуры конструкционных металлических, неметаллических и композиционных материалов для заложения требуемых свойств детали или изделию. Это требует новых технологий их обработки, одной из которых является гидроабразивная резка. За последние три десятилетия гидроабразивный метод обработки материалов завоевал достаточно широкий рынок из-за присущих ему достоинств, к которым относятся:

• универсальность (возможность обрабатывать на одном оборудовании разные по структуре и свойствам материалы: металлы, керамику, стекло, камень, композитные материалы, резину, пластик и др.);

• отсутствие теплового нагрева обрабатываемого материала;

• способность воспроизводить контуры и профили любой сложности;

• широкая возможность автоматизации процесса обработки;

• технологичность и экологичность процесса, высокая степень безопасности для окружающей среды и человека.

Современное машиностроение характеризуется выпуском большой номенклатуры изделий небольшими партиями, что связано с повышением конкуренции на рынке товаров. Поэтому во многих случаях универсальность оборудования имеет ключевое значение при выборе технологии производства. Широкая номенклатура выпускаемых деталей требует больших временных и финансовых затрат на подготовку производства, а именно, в заготовительной его части. К примеру, применение штампа в качестве отрезного инструмента нецелесообразно в единичном и мелкосерийном производстве ввиду больших затрат на его изготовление, что впоследствии окажет большое влияние на стоимость операции.

Применение ножовочных полотен, ножниц и ленточных пил ограничивается получением прямолинейных или несложных резов на заготовительных операциях, то есть фигурный раскрой производить с помощью этого метода невозможно. Од-

нако, если говорить о раскрое, например, стального листа толщиной 5-10 мм на фигуры несложной формы гильотинными ножницами, необходимо отметить, что в таком случае преимущество над гидроабразивным раскроем аналогичных заготовок огромно с точки зрения энергетических затрат.

Преимущества лазерного раскроя над гидроабразивным неоспоримы для толщины металла до 20 мм, свыше этой толщины лазер «проигрывает» гидроструйной обработке, причем чем толще обрабатываемый материал, тем существеннее выигрыш способа гидроабразивного реза. Кроме того, лазерный раскрой не применим для резания металлов с высокой степенью отражения, а также для резания материалов, чувствительных к температурным воздействиям, что приводит к деформациям, изменению размеров, форм и поверхностей деталей. Поверхности реза лазерного раскроя присущи прижоги, поверхностное упрочнение, которые требуют дополнительной обработки; нарезание внутренней резьбы после лазерной вырезки трудоемко или вообще невозможно, так как твердость метчика и поверхности реза соизмеримы, что приводит к поломке инструмента.

Зачастую заводы-изготовители применяют гидроабразивную резку в начальной стадии производства для получения, к примеру, круглых заготовок для дальнейшей токарной обработки, минуя тем самым закупку прутков. На этом же листовом материале можно получить заготовку и для фрезерного станка, и для сверлильного и др. Такой способ не всегда является эффективным, однако упрощает производство, сокращая складские помещения заготовительного производства и сортамент закупаемого сырья.

Кроме того, обратившись к статистике, можно констатировать, что приблизительно 60% изготавливаемых на тяжелом механообрабатывающем производстве деталей (изготовление крупногабаритных и металлоемких изделий в морском и речном транспорте, изготовление энергетических блоков, которые включают в себя генераторы, турбины, атомные реакторы и т.д.) приходится на плоские профильные детали сложной формы толщиной до 150 мм. Чаще всего справиться с задачей фигурного раскроя металлов толщиной свыше 80 мм с требуемыми пока-

зателями производительности и параметрами качества без последующей обработки может только гидроабразивная струя.

При всех сложностях и проблемах гидроабразивной резки универсальность этого метода позволила ей довольно широко внедриться в производство. Несмотря на попытки использовать гидроабразивную обработку в качестве поверхностной (точение, фрезерование, гравировка и др.), в отечественных производственных системах станки этой группы чаще всего применяются для раскроя листового материала.

Рисунок 1 Сравнительная диаграмма

Безусловно, гидроабразивная обработка материалов не является абсолютным лидером на рынке обработки листовых материалов, но свою нишу заняла весьма прочно. На рисунке 1 представлена сравнительная диаграмма гидроабразивной резки с альтернативными ей методами обработки материалов. Анализируя диаграмму, отметим, что гидроабразивная резка занимает промежуточное место между эрозионным, плазменным и кислородным методами обработки. В отличие от кислородной гидроструйная резка обладает большей точностью. Лазерная резка применима только на толщинах до 20 мм, гидрорезка же применима для обработки толщин до 300 мм, причем не только для резки металлов. В отличие от электроэрозионной обработки, гидроабразивную резку можно начинать в любой точке листового материала без вспомогательных операций. Скорость электроэрози-

онной обработки на порядок ниже гидроструйной, однако качество поверхности в этих условиях у первой лучше.

Выбор метода раскроя зависит от ряда факторов, к которым относятся: возможность резания предложенным способом, производительность, качество полученных поверхностей деталей, точность обработки, необходимость последующей обработки и др.

Настоящая диссертационная работа посвящена исследованию гидроабразивной резки заготовок из толстолистового металлического проката с целью повышения эффективности раскроя. Это повлечет за собой дальнейшее развитие возможностей этого процесса и расширение области применения. Важнейшим элементом резки с применением абразива является система его подачи, влияющая на качество и производительность раскроя деталей. В диссертации рассматриваются вопросы разработки и исследования способа дозирования абразива с использованием дискретной подачи.

Цель работы состоит в повышении эффективности гидроабразивного вырезания заготовок из толстолистовых металлов на основе дискретной подачи абразива в сверхзвуковую струю воды. Так как раскрой деталей из толстолистовых металлов чаще всего носит заготовительный характер и шероховатость получаемых поверхностей является второстепенным показателем, то за основные критерии эффективности процесса раскроя принимается производительность и себестоимость.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

- теоретически изучить и провести анализ предлагаемых моделей процесса вырезки заготовок из хрупких и пластичных толстолистовых металлов гидроабразивной струей;

- подготовить экспериментальный стенд по исследованию дискретной подачи абразива в сверхзвуковую струю воды, провести и обработать результаты исследований;

- установить функциональные зависимости между параметрами дискретной подачи абразива и временем сквозного прокола, шириной реза, скоростью раскроя заготовок из толстолистовых металлов;

разработать рекомендации по повышению производительности гидроабразивного раскроя заготовок из толстолистовых металлов за счет применения дискретной подачи абразива.

Научная новизна работы состоит в:

- выявлении связей между частотой подачи абразива в гидрострую и параметрами гидроабразивного резания заготовок из толстолистовых металлов (скорость подачи сопловой головки, время сквозного прокола металла, шероховатость и волнистость обработанных поверхностей);

- математических моделях, связывающих частоту дискретной подачи абразива в струю воды и скорость вырезания заготовок из тол сто листовых металлов;

- математических моделях, связывающих частоту подачи абразивного песка в сверхзвуковую струю рабочей жидкости и параметры кромки реза (шаг волны пропила, высота волнистости);

- установлении влияния частоты дискретной подачи абразива в сверхзвуковую струю воды на время сквозного прокола толстолистовых металлических материалов;

- схеме фигурного раскроя заготовок гидроабразивной струей с применением дискретной подачи песка в сверхзвуковую струю воды, обеспечивающей более эффективное их вырезание из толстых листовых металлических материалов.

Практическая значимость работы заключается в:

- предложенной оригинальной конструкции дискретной подачи абразива в сверхзвуковую струю, обеспечивающей повышение эффективности вырезания заготовок из толстолистовых металлических материалов;

- методике выбора рациональных режимов дискретной подачи абразива гидроабразивной резки заготовок из толстолистовых металлических материалов;

- практических рекомендациях по выбору режимов дискретной подачи абразива гидроабразивной вырезки заготовок из толстолистовых металлов;

- предложенной схеме подачи абразива в струю на уровне патента (Патент №125920 «Установка для гидроабразивной резки»).

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались в 2011 году на V Всероссийской конференции молодых ученых и специалистов «Будущее машиностроения России», в 2012 году на VIII Международной научно-практической конференции «Техника и технология: новые перспективы развития», обсуждались на выставке научно-технического творчества молодежи НТТМ 2011, заседаниях кафедры «Системы приводов» ФГБОУ ВПО МГТУ «СТАНКИН».

Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 9 печатных работ, в том числе 4 работы - в журналах, входящих в перечень ВАК, 2 - в трудах международных конференций и патент на полезную модель.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 4 глав, общих выводов, списка литературы. Диссертационная работа изложена на 132 страницах машинописного текста, в том числе содержит 17 таблиц, 64 рисунка, 95 наименований литературы.

ГЛАВА 1 СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА ОБРАБОТКИ ДЕТАЛЕЙ СВЕРХЗВУКОВОЙ СТРУЕЙ ВОДЫ С АБРАЗИВОМ

1.1 Введение в метод обработки деталей сверхзвуковой струей воды

с абразивом

В 50-х годах XX века впервые была описана возможность использования струи жидкости под высоким давлением в качестве инструмента для обработки различных материалов. Применение гидроабразивной обработки изначально ограничивалось лишь очисткой деталей от ржавчины и окалины. По мере развития оборудования и технологии в целом область применения абразивной обработки расширялась весьма динамично.

Данные о возможности применения струи сверхвысокого давления в качестве режущего инструмента появились в СССР в 1960 году [1], однако первый патент был получен фирмой McCartney Manufacturing's [2], которая применила метод раскроя струей на заводе Alton Box Board Со (США).

Сущность метода заключается в подаче разогнанной до сверхзвуковой скорости струи воды на обрабатываемый материал, который разрушается вследствие взаимодействия с обладающим высокой разрушающей способностью инструментом. Для интенсификации процесса в некоторых случаях в струю добавляют абразивный материал. В качестве абразивного материала могут выступать корунд, карбид кремния, синтетические алмазы, минерал граната и другие абразивы. Следует отметить, что в настоящее время большое распространение имеет именно минерал граната (альмандин). Попадая на обрабатываемую поверхность, он вызывает эрозионное разрушение поверхностного слоя, а в зависимости от технологических параметров (скорости истечения воды, подачи гидроабразивной головки относительно заготовки, количества абразивных частиц в струе, расстояния от среза сопла до материала) процесс обработки может различаться: от снятия тонкого слоя окалины до сквозного прорезания материала.

Несмотря на широкое применение гидроабразивной струи не только в современном машиностроении, но и в медицине, пищевой, текстильной, космической и авиастроительной промышленности, этот метод обработки материалов внедряется во все новые и новые области. Этим инструментом производят не только фигурный раскрой материалов, но и гибку и пошаговое выгибание поверхностей (рисунок 1.1) [3].

Весьма интересным видится применение гидроструи в качестве гравирования поверхностей (рисунок 1.2), а также для очистки от окалины, коррозии и загрязнений.

Рисунок 1.1 Оболочки усеченного конуса и ступенчатого конуса, полученные

струей воды

Рисунок 1.2 Узоры, полученные матированием поверхности стекла гидроабразивной струей

Помимо «классического» применения гидроструи, а именно, фигурного раскроя различного рода материалов, в последнее десятилетие наблюдается научный и практический интерес к использованию гидроабразивной механообработки -

точению и фрезерованию [4-7]. Существуют работы, направленные на изучение гидроабразивного точения и фрезерования, описаны методы планирования экспериментов при данной обработке, получены зависимости глубины фрезерования от параметров обработки. Иранскими учеными М. Zohoor, I. Zohourkari была предложена модель гидроабразивного точения [6], которая с достаточной достоверностью описывает окончательную геометрию заготовок после обработки. В работе [6] представлен механизм удаления материала при гидроабразивном точении, причем эмпирическими константами уточнена модель эрозии материалов М. Hashish, которую он предложил в своей работе [8].

Процесс взаимодействия сверхзвуковой струи воды с абразивом и материала изучен пока еще недостаточно, нет всеобъемлющей модели разрушения, да и сама природа разрушения материала довольно сложная и требует дополнительных исследований. Существуют предположения и математические модели разрушения обрабатываемого материала гидроабразивной струей, но они не всегда соответствуют экспериментальным данным.

Гидроструйная резка материалов является сложным малоизученным процессом, не имеющим до настоящего времени стройной теоретической основы, поэтому точность и шероховатость обработанных поверхностей деталей является чаще всего «искусством» оператора, а получение необходимых результатов резания достигается методом проб и ошибок.

1.2 Состояние вопроса по гидроабразивному контурному раскрою заготовок и пути совершенствования этого процесса

Развитие гидроструйной резки направлено не только на расширение функциональных возможностей метода, но и на повышение точности, производительности и эффективности процесса в целом. Существует ряд основных направле-

ний, в котором ведутся работы по совершенствованию процесса гидроабразивной обработки материалов.

Огромный вклад в исследование процесса гидроабразивного разрушения материалов внесли отечественные и зарубежные ученые: P.A. Тихомиров, И.И. Шапиро, Ю.С. Степанов, Г.В. Барсуков, B.C. Гуенко, Г.В. Барсуков, В.А. Шманев, A.A. Барзов, С.П. Козырев, И.В. Петко, E.H. Петухов, М. Hashish, I.Finnie ,R. Kovacevic, R. Mohan, I.Hideo, N. Bale,A. Popan, M. Ramulu, S.N. Guo, G.L. Chahine, J. Chao, P. Berce, G. Fowler, L.C. Zhang и др.

Одним из первых и наиболее очевидных методов совершенствования гидроабразивной обработки является повышение рабочего давления насосов при резании. Давление перед соплом гидроабразивной головки влияет на расход, следовательно, и на скорость истечения струи воды. Увеличение скорости истечения приводит к повышению кинетической энергии струи и её режущих способностей.

Повышение рабочего давления в системах гидроабразивного резания происходило таким образом: вначале применялось давление в 200 МПа, с развитием насосных агрегатов оно поднялось до 400 МПа. В 2006 году фирма Flow представила насос с рабочим давлением 600 МПа, который переместил технологию гидроабразивной резки на новую ступень развития. А в 2012 году американская фирма КМТ заявила, что модернизировала свой насос, получив при этом уровень рабочего давления в 720 МПа, однако на рынке такой насос до настоящего времени не появился.

Однако не всегда повышение рабочего давления обуславливает усовершенствование процесса резания. Связано это с повышенным износом основных расходных материалов, к которым относятся: уплотнения высокого давления, клапаны, сопло, фокусирующая трубка и др. Время обработки материала при повышенных давлениях сокращается, что ведет к повышению производительности и снижению затрат на единицу обработанного материала. Но при этом затраты на обслуживание оборудования возрастают, то есть в итоге экономического эффекта от повышения рабочего давления может и не быть. Поэтому существует оптимальное

значение рабочего давления, которое обеспечивает минимальное значение суммарных затрат на гидроструйную обработку.

Заявление ведущими фирмами, выпускающими оборудование для гидроструйной обработки (Flow, KMT, BHDT,Omax, Bystronic, Uhde и др.), о предложении насосов с повышенным рабочим давлением свыше 500-600 МПа можно объяснить лишь рекламным или маркетинговым ходом.

Произведенную насосом энергию движущейся жидкости необходимо использовать как инструмент для обработки. Для этого применяется гидроабразивная головка, в которой непосредственно и «создается» инструмент для резки. Совершенствование этого узла - это еще одно из направлений в дальнейшем развитии метода обработки. В связи с этим много работ посвящено определению оптимального профиля струеформирующего сопла гидроабразивной головки для создания сверхзвуковой струи с минимальными потерями. Весьма перспективным видится повышение ресурса основных узлов гидроабразивной головки: сопла и фокусирующей трубки, которые являются расходными материалами при обработке и интенсивно изнашиваются в процессе формирования инструмента за счет постоянного контакта с водой и абразивными частицами.

Третьим весьма важным направлением развития процесса гидроабразивной резки является совершенствование программно-математического обеспечения, адаптированного к специфике процесса. Существует ряд специфичных особенностей, которые не присущи традиционным методам обработки материалов. Во-первых, это нежесткость инструмента, что приводит к запаздыванию струи при выходе из материала, которое зависит главным образом от физических и геометрических параметров материала, а также скорости подачи струи относительно него. Во-вторых, это изменение режущих свойств струи вдоль ее оси, которое связано с тем, что кинетическая энергия струи затрачивается на процесс разрушения материала, на вымывание продуктов износа, на нагрев и отвод тепла, кроме того, присутствует и процесс расширения струи. В-третьих, это изменение режущих свойств инструмента в результате износа сопла и фокусирующей трубки. Причем режущие свойства могут ухудшаться как за длительное время, так и мгновенно.

Таким образом, создание всеобъемлющего программно-математического аппарата, позволяющего с достаточной адекватностью задавать режимы резания, прогнозировать результат обработки, и есть третье направление по усовершенствованию обработки.

Еще одним методом совершенствования гидроабразивной резки является принудительное изменение свойств и параметров струи, влияющих на силовое воздействие на обрабатываемый материал: увеличение начального участка струи, изменение характера воздействия струи на материал и др.

Бурнашов М.А в своей работе [9] предложил повышать эффективность разрезания листовых неметаллических материалов водоледяными струями высокого давления. Повышение эффективности достигается за счет добавления в сверхзвуковую струю воды жидкого азота. В результате чего происходит заморозка отдельных частичек воды и образование мельчайших льдинок. В работе экспериментальным образом показано, что применение водоледяной струи как режущего инструмента позволяет снизить рабочее давление струи в 2,6 раза, а энергоемкость разрезания листовых неметаллических материалов - на 50%, что обеспечивает рост ресурса гидрорежущего оборудования.

Известным является тот факт, что сверхзвуковая струя жидкости имеет свойство распадаться с увеличением расстояния от сопла. Это происходит по причине возникновения сил, которые действуют в результате разницы скоростей струи воды с окружающей средой, находящейся в состоянии покоя. В результате действия этих сил происходит насыщение поверхности струи воздухом (аэрация), после чего воздух попадает и на ядро струи. Вследствие этих взаимодействий с увеличением расстояния от среза сопла струя представляет собой смесь отдельных частиц воды и воздуха. Участок струи жидкости, в пределах которого сохраняется сплошной нераспавшийся поток с постоянными давлением, скоростью и плотностью, называется начальным. Очевидно, что наиболее эффективно процесс разрушения материалов происходит при взаимодействии именно на этом участке струи. Таким образом, возможность эффективно резать материалы гидроабразивной струей ограничивается длиной начального участка (при давлении 600 МПа

она достигает 250-300 мм). В своих исследованиях Кузьмин P.A. [10] показывает, что длину начального участка струи можно увеличить посредством добавления в рабочую среду водорастворимых полимеров, в качестве которых использовал карбоксиметилцеллюлозу, глицерин, поливиниловый спирт, полиоксиэтиленгли-коль, полиакриламид, полиоксиэтилен. Автор показывает, что полимерные добавки существенно стабилизируют струю, при этом уменьшается угол конусности внешних границ струи, увеличивается длина начального участка в 1,4-1,7 раза по сравнению со струей чистой воды. В качестве одного из доказательств Кузьмин P.A. показывает, что сила воздействия на материал струи с 0,01% по массе раствора полиоксиэтилена увеличивается в 1,6-1,7 раза по сравнению со струей чистой воды, и это происходит вследствие увеличения минутного расхода жидкости через сопло в 1,16-1,28 раза и скорости истечения рабочей жидкости в 1,16-1,17 раза [10].

С целью увеличения режущей способности струи Шпилевым В.В [11] предложено закручивать струю за счет нарезания спиралевидной канавки в фокусирующей трубке гидроабразивной головки. Автор показывает, что «сверлильный» эффект приводит к повышению режущей способности струи, а также за счет работы центростремительной силы происходит концентрация абразивных частиц на ее оси. Кроме того, автор приводит результаты экспериментов, которые иллюстрируют уменьшение конусности закрученной струи по сравнению со стационарной.

Одним из методов повышения производительности процесса гидроабразивной резки материалов является использование пакетной резки. Суть метода заключается в раскрое листового материала, собранного определенным образом. Применяется такой метод лишь для раскроя листового материала, который складывают пакетом, то есть листы кладут один на другой. Таким образом, при прохождении одного контура можно получить количество деталей равное количеству листов в пакете. Подробно этим методом занимался Михеев A.B. в своей диссертационной работе [12]. Экспериментальным образом подтверждено повышение производи-

тельности в 1,5 раза. Кроме того, автором предложены технологические рекомендации выбора режимов резания и конструктивные параметры пакета материалов.

Другим способом повышения эффективности гидроабразивной резки материалов является применение многопроходной резки. Подобный способ рассматривается в работах [5,13]. Заключается предлагаемый метод в том, чтобы прорезать материал не за один проход, а за несколько, но со скоростью, превышающей ту, которая необходима для сквозного резания. Например, можно резать сталь толщиной 16 мм со скоростью подачи 1мм/с за 1 проход, а можно прорезать эту сталь за 2 прохода со скоростью подачи 2 мм/с или за 3 прохода со скоростью подачи Змм/с и т.д. В этом случае время воздействия на материал одинаково, однако качество получаемой поверхности разнится. Для каждого материала и каждой толщины есть оптимум, который определяется экспериментальным путем.

Использование в качестве инструмента гидродинамических струй также является одним из способов повышения эффективности обработки. Этой тематике посвящено много работ [14-16], анализ которых свидетельствует о повышении эффективности обработки при некоторых параметрах в 3 раза. Однако получение таких струй связано с повышенным износом узлов и деталей, участвующих в их формировании, что сказывается на стоимости и производительности обработки.

В качестве абразива при гидроструйной резке чаще всего применяют минерал граната альмандин, который состоит из 8Ю2 (36%), Ре203 (33%), А120з (23%), остальное - примеси. В некоторых источниках [17-18] встречается информация по возможности восстановления использованного абразива. Для этой цели используют различные системы рециркуляции, например, циклоны (рисунок 1.3). С помощью таких систем можно рециркулировать (вернуть в производственный процесс) до 50% абразивного песка.

Предполагается, что часть абразивных частиц в струе не участвует в процессе резания, следовательно, она не разрушается и годна для последующего использования. Наличие таких систем подтверждает, что не весь песок в процессе резки разрушается, следовательно, используется неэффективно. Очевидно, что с применением систем рециркуляции сокращаются расходы на абразив.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Денисов, Александр Сергеевич, 2014 год

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Билик, Ш. М. Абразивно-жидкостная обработка металлов / Ш. М. Билик. - М. : ГНТИМЛ, 1960.- 198 с.

2. Liquid cutting of hard materials : U.S. Patent No. 2 985050 MKU 83-58 / SchwachaB. C. - 1961.

3. Hideo, I. Flexible and incremental bulging of sheet metal using high-speed water jet /1. Hideo // JSME International Journal. - Series C. - Vol.44. - № 2. - 2001.

4. Bale, N. Software solution for abrasive water jet milling process/ N. Bale, A. Popan, P. Berce, A. Luca //Technical University of Cluj-Napoca. - Faculty of Mechanical Engineering. - 2001.

5. Mark, J. Machining with Abrasives / J. M. Jackson, J. P. Davim, M. P. Hitchiner, T. Tawakoli, A. Rasifard, L. C. Zhang, J. Liu, C. Xu, H. Huang, L. Zhou, L. Yin, Y. M. Ali, J. Wang // Purdue university MET, Center for advanced manufacturing college of technology West Lafayette USA. - 2011.

6. Mehdi, Z. Modeling of Abrasive Waterjet Turning / Z. Mehdi, Z. Iman // Australian Journal of Basic and Applied Sciences. -2011. -№ 5(8). -P. 70 - 79.

7. Fowler, G. Abrasive water-jet controlled depth milling of titanium alloys / G. Fowler // Thesis submitted to the university of nottingham forthe degree of doctor of philosophy. - 2003.

8. Hashish, M. Turning with abrasive waterjets —a first investigation / M. Hashish // ASME Journal of Engineering for Industry. - 1987. - № 109(4). - P. 281 - 290.

9. Бурнашов, M. А. Повышение эффективности разрезания листовых неметаллических материалов водоледяными струями высокого давления : автореф. дис. ... докт. техн. наук : 05.02.07 / Бурнашов Михаил Анатольевич. - Орел, 2010. -37 с.

10. Кузьмин, Р. А. Разработка и исследование процесса гидрорезания материалов струями жидкости с добавками водорастворимых полимеров : дис. ... канд. техн. наук : 05.03.01 / Кузьмин Роман Алексеевич. - Владимир, 2003. - 174 с.

11. Шпилев, В. В. Повышение эффективности процесса гидроабразивной резки листовых деталей путем оптимизации режимов обработки и параметров струи рабочей жидкости : автореф. дис. ... канд. техн. наук : 05.02.08 / Шпилев Василий Владимирович. - Саратов, 2012. - 20 с.

12. Михеев, А. В. Повышение производительности пакетной резки материалов гидроабразивной струей : дис. ... канд. техн. наук : 05.02.08 / Михеев Александр Васильевич. - Орел, 2009. - 172 с.

13. Hashish, M. Aspects of abrasive-waterjet performance optimization / M. Hashish // Proc/8th Int. Symp. On Jet Cutting Technology. - BHRA . - 1986.

14. Мерзляков, В. Г. Установление рациональных параметров, разработка и создание инструментов для гидроабразивного резания твердых материалов / В. Г. Мерзляков, В. Е. Бафталовский // Горное оборудование и электромеханика. -2008г. - №4.

15.Жабин, А. Б. Методика расчета основных параметров и показателей процесса резания горных пород гидроимпульсным инструментом/ А. Б. Жабин, А. В. Поляков, M. М. Щеголевский // Горное оборудование и электромеханика. -2008.-№ 4.-С. 21 -26.

16. Жабин, А. Б. Разрушение горных пород импульсными высокоскоростными струями воды / А. Б. Жабин, К. А. Головин, А. В. Поляков // Горное оборудование и электромеханика. - 2006. - № 4. - С. 43 - 46.

17.Официальный сайт фирмы «WardJet» [электронный ресурс]: офиц. сайт // компаниж^агсЦеЪ) . - Режим доступа : http://www.wardjet.com/wardpro.html (дата обращения 15.10.2012).

18.Официальный сайт фирмы «Jet Edge» [электронный ресурс]: офиц. сайт // KOMnaHM«Jet Edge» . - Режим доступа : http://www.jetedge.com/index.cfm (дата обращения 15.10.2012).

19.Григорьев, С. Н. Эффективность процессов обработки : Учебное пособие / С. Н. Григорьев. - М. : Янус-К, 2006. - 284 с.

20. Адлер, Ю. П. Методы менеджмента качества / Ю. П. Адлер, В. JI. Шпер // Технология корпоративного управления. - 2003.

21. Bowden, F. P. The brittle fracture of solids by liquid impact, by solid impact, and by shock / F. P. Bowden, J. E. Field // Proc R Soc A Math Phys Eng Sci. - 1964.

22. Sheldon, G. L. The mechanism of material removal in the erosive cutting of brittle materials/ G. L. Sheldon, I. Finnie // ASME Journal of Engineering for Industry. -1966.-P. 393-400.

23.Wiederhorn, S. M. Strength degradation of glass resulting from impact with/ S. M. Wiederhorn, B. R. Lawn // J Am Ceram Soc. - 1977. - P. 451 - 458.

24. Evans, A. G. Impact damage in brittle materials in the elastic / A. G. Evans, M. E. Gulden, M. Rosenblatt // Proc R Soc London. - 1977. - P. 343.

25. Mohan, R. On-line monitoring of the depth of AWJ penetration using acoustie emission technique / R. Mohan, A. W. Momber, R. Kovacevic // In: Allen N G (ed) Jet Cutting Technol. - Mech. Publ. Ltd., London. - 1994. - P. 649 - 664.

26. Franc , J. P. Impact Load Measurements in an Erosive Cavitating Flow / J. P. Franc, M. Riondet, A. Karimi, G. L. Chahine // Journal of Fluids Engineering. - 2011. -Vol. 33.

27. Chahine, G. L. The use of self resonating cavitating water jets for rock cutting/ G. L. Chahine, K. M. Kalumuck, G. S. Frederick // 8th American waterjet conference. - 1995. - Vol. 2. - P. 765 - 778.

28. Kalumuck, K. M. Development of high erosivity cavitating and for well scale removal / K. M. Kalumuck, G. L. Chahine, G. S. Frederick, P. D. Aley // 10th American waterjet conference. - 1999. - P.769 - 784.

29. Johnson, V. E. Cavitating and structured jets for mechanical bits to increase drilling rate part 2 : experimental results / V. E. Johnson Jr., G. L. Chahine, W. T. Linden-muth, A. F. Conn, G. S. Frederick, G. J. Giacchino // Journal of energy resources technology. - 1984. - P. 289 - 294.

30. Genoux, Ph. F. Simulation of the pressure field due to a submerged oscillating jet impacting on a solid wall / Ph. F. Genoux, G. L. Chahine // Journal of Fluids Engineering. - 1984. - P. 491 - 495.

31.Chahine, G. L. Passively interrupted impulsive water jets / G. L. Chahine, A. F. Conn, V. E. Johnson, G. S. Frederick // 6th International conference on erosion by liquid and solid impact. - 1983.

32. Chahine, G. L. Cleaning and cutting with self-resonating pulsed water jets / G. L. Chahine, A. Conn, V. E. Johnson, G. S. Frederick // 2nd U. S. Water jet conference rolla. - 1983. - P. 167-176.

33. Козырев, С. П. Гидроабразивный износ металлов при кавитации / С. П. Козырев. - М. : Машиностроение, 1971. - 240 с.

34. Roth, P. Determination of abrasive particle velocity using laser-induced fluorescence and particle tracking methods in abrasive water jets / P. Roth, H. Looser, K. C. Heiniger, S. Btihler // American waterjet conference. - 2005.

35. Wang, J. Particle velocity models for ultra high pressure abrasive water jets / J. Wang // Mater Process Technol. - 2009. P. 209.

36. Афонин, В. С. Метод измерения расхода сыпучего материала и его экспериментальная проверка / B.C. Афонин, О. И. Хомутов // Ползуновский вестник. -2011,- №3/1.-С. 94-97.

37. Guo, N. S. Schneidprozess und Schnitt qualitat beim wasser abrasive strahl schneiden / S. N. Guo// VDI-Fortschritt-Berichte. - 1994. - № 328.

38. Finnie, I. The mechanism of erosion of ductile metals / I. Finnie // Proc 3rd U.S. Nst. congr. appl. mech., ASME-NY. - 1958. - P. 527 - 532.

39. Hashish, M. An improved model for erosion by solid particle impact / M. Hashish // In: Field J E, Dear J P (eds). Proc. 7 th Int.conf. erosion by liquid and solid impact. - 1987.-P. 66.1 -66.9.

40. Bitter, J. G. A. A study of erosion phenomena / J. G. A. Bitter // part I wear 6. -1963. - P. 169 - 190, 649 - 664.

41. Шманев, В. А. Струйная гидроабразивная обработка деталей ГТД / В. А. Шманев, А. П. Шулепов, А. В. Мещеряков. - М. : Машиностроение, 1995. -350 с.

42.Kunaporn, S. Ultra high pressure waterjet peening / S. Kunaporn, M. Ramulu // Part I: Surfase texture WJTA american waterjet conference. - 2001.

43. Kunaporn, S. Mathematical modeling of waterjet peening / S. Kunaporn, M. Ra-mulu, M. Hashish // WJTA American Waterjet Conference. - 2003.

44.Fowler, G. Abrasive water-jet controlled depth milling of titanium alloys / G. Fowler // thesis submitted to the university of nottingham forthe degree of doctor of hilosophy. - 2003.

45.Hocheng, H. Material removal analysis in abrasive waterjet cutting of ceramic plates / H. Hocheng, K. R. Chang // Departament of power mechanical engineering, national Tsing university, Hsinchu, Taiwan. - 1993.

46. Гжиров, P. И. Краткий справочник конструктора : Справочник / Р. И. Гжиров. - JI. : Машиностроение : Ленингр. отд-ние, 1983. - 464 с.

47. Спиридонов, А. А. Планирование экспериментов при исследовании технологических процессов / А. А. Спиридонов. - М. : Машиностроение, 1981. - 184 с.

48. Зедгинидзе, И. Г. Планирование эксперимента для исследования многокомпонентных систем / И. Г. Зедгинидзе. - М. : Наука, 1976. - 390 с.

49. Адлер, Ю. П. Введение в планирование эксперимента / Ю. П. Адлер. - М. : Металлургия, 1968. - 155 с.

50. Адлер Ю. П. Планирование эксперимента при поиске оптимальных условий / Ю. П. Адлер, Е. В. Маркова, Ю. В. Грановский. - М. : Наука, 1976. - 277 с.

51.Шумилин, Б. А. Резание водой: от искусства к технологии / Б. А. Шумилин // Изобретатель и рационализатор. - 1996. - № 12. - С. 12 - 13.

52. Шапиро, И. И. Установка для контурного разрезания неметаллических материалов с помощью высоконапорной струи воды / И. И. Шапиро // Станки и инструмент. - 1992. - № 9. - С. 20 - 22.

53. Полежаев, Ю. В. Процесс установления эрозионного разрушения преграды при многократном соударении с частицами / Ю. В. Полежаев // Инженерно-физический журнал. - 1979. - № 3. - С. 389.

54. Гуенко, В. С. Интенсификация процесса гидрорезания конструкционных материалов / В. С. Гуенко, Ю. А. Пономарев, А. С. Зенкин // Технология и автоматизация машиностроения. - 1981. - № 28. - С. 19-23.

55. Петко, И. В. Моделирование процесса разрушения материала непрерывной высокоскоростной струей жидкости / И. В. Петко, И. Д. Чернявский // Технология легкой промышленности. - 1991. - № 2. - С. 123 - 128.

56. Тихомиров, Р. А. Схемы микроразрушения материалов в зоне резания при их гидрообработке / Р. А. Тихомиров, Е. Н. Петухов, Д. В. Кравченко // Производственные технологии: матер. Междунар. науч.-техн. конф. ВлГУ. - 2000. -С. 68.

57. Потапов, В. А. Струйная обработка: состояние и перспективы развития в Европе и мире / В. А. Потапов // Машиностроитель. - 1996. - № 1. - С. 36 - 41.

58. Подураев, В. Н. Обработка резанием с вибрациями / В. Н. Подураев. - М. : Машиностроение, 1970. - 350 с.

59. Степанов, Ю. С. Современные технологические процессы механического и гидроструйного раскроя технологических тканей : Библиотека технолога / Ю. С. Степанов, Г. В. Барсуков - М. : Машиностроение, 2004. - 240 с.

60. Тихомиров, Р. А. Гидрорезание судостроительных материалов / Р. А. Тихомиров, В. Ф. Бабнин, Е. Н. Петухов, И. Д. Стариков, В. А. Ковалев. - JT. : Судостроение, 1987. - 164 с.

61. Степанов, Ю. С. Прогрессивные технологии гидроструйного резания материалов / Ю. С. Степанов, М. А. Бурнашов, К. А. Головин. - Тула : Изд-во ТулГУ, 2009.-318 с.

62. Галиновский, A. J1. Экспресс-выбор рациональных режимов гидроабразивной обработки материалов с использованием акустической эмиссии / A. JI. Галиновский, А. С. Проваторов, М. В. Хафизов // Известия высших учебных заведений. - 2013.-№3.-С. 56-61.

63. Подураев, В. Н. Технология физико-химических методов обработки / В. Н. Подураев. - М. : Машиностроение, 1985. - 264 с.

64. Иванов, Г. М. Оборудование для водоструйного резания / Г. М. Иванов, В. К. Свешников, Б. И. Черпаков // СТИН. 2000. - № 4. - С. 28 - 32.

65. Заякин, С. А. Резать водой / С. А. Заякин // Оборудование. - 2003. - №8. - С. 34-36.

66. Абрамович, Г. H. Теория турбулентных струй / Г. Н. Абрамович. - М. : Наука, 1984.-716 с.

67. Подураев, В. Н. Автоматически регулируемые и комбинированные процессы резания / В. Н. Подураев. - М. : Машиностроение, 1985. - 304 с.

68. Дейч, M. Е. Газодинамика двухфазных сред / M. Е. Дейч, Г. А. Филиппов. -М. : Энергия, 1968.-412 с.

69. Тихомиров, Р. А. Анализ способов интенсификации технологического процесса обработки полимерных материалов высоконапорными струями жидкости / Р. А. Тихомиров, Е. Н. Петухов, Ю.В. Ковалев // Современные проблемы технологии машиностроения. - 1986.-С. 114.

70. Wang, J. Abrasive water jet machining of engineering materials / J. Wang // Trans Tech Publications, Uetikon Zuerich. - 2003.

71. Д. Уайтхауз, Метрология поверхностей. Принципы, промышленные методы и приборы: Научное издание / Д. Уайтхауз. - пер. с англ. А. Я. Григорьева и Д. В. Ткачука; под ред. Н. К. Мышкина. - [Науч. изд.]. - Долгопрудный : Издательский дом «Интеллект», 2009. - 472 с. Измерения в промышленности. Справочник. Изд в 3-х книгах. Пер. с нем./Под ред. Профоса П. - М. : Мета-лургия,1990.

72.Тихонов, А. А. Повышение эффективности процесса гидроабразивной обработки : дис. ... канд. техн. наук : 05.02.08 / Тихонов Андрей Александрович. -Ростов-на-Дону, 2011. - 153 с.

73. Барсуков, Г. В. Повышение эффективности гидроабразивного резания на основе дискретного регулирования состояний технологической системы : дис. ... д-ра техн. наук: 05.03.01 / Барсуков Геннадий Валерьевич. - Орел, 2006. -411 с.

74. Поляков, А. В. Разработка метода расчета эффективности процесса резания горных пород струями воды сверхвысокого давления и обоснование параметров устройства для их получения применительно к проходческим комбайнам : дис. ... канд. техн. наук: 05.05.06 / Поляков Алексей Вячеславович. - Тула, 2006.- 184 с.

75. Шубняков, А. А. Обоснование рациональных параметров гидроабразивного агрегата для резание горных пород и других твердых материалов : дис. канд. ... техн. наук : 05.05.06 / Шубняков Алексей Андреевич. - Москва, 2006. -178 с.

76. Яблуновский, Я. Ю. Повышение эффективности гидроабразивной обработки на основе учета энергии двухфазной режущей струи : автореферат дис. ... канд. техн. наук : 05.02.07 / Яблуновский Ян Юрьевич. - Рыбинск, 2012. - 16 с.

77. Ерухимович, Ю. Э. Математическое моделирование и совершенствование метода расчета эффективности процесса резания горных пород гидроабразивным инструментом: дис. ... канд. техн. наук : 05.05.06 / Ерухимович Юрий Эмануилович. - Тула, 1999. - 180 с.

78. Ищенко, И. Н. Повышение производительности установки гидроструйной обработки за счет создания нестационарных струй : дис. ... канд. техн. наук: 05.02.02 / Ищенко Иван Николаевич. - Москва, 2012.- 130 с.

79. Зайченко, И. 3. Применение высоконапорных струй жидкости для резания материалов / И. 3. Зайченко // Станки и инструмент. - 1988. - №4. - С. 25 - 27.

80. Яблуновский, Я. Ю. Повышение эффективности гидроабразивной обработки на основе моделирования процессов микроразрушения материалов / Я. Ю. Яблуновский // Технология, оборудование и автоматизация машиностроительного производства. - СПб. : Инструмент и технологии, 2008. - С. 213 -216.

81. Белоусов, В. С. Насосные агрегаты сверхвысокого давления для гидроструйной резки. Теория и расчет /B.C. Белоусов. - Новосибирск : Изд-во НГТУ, 2006. - 67 с.

82. Kolb, M. Water jet cutting, material processing with a high pressure water jet / M. Kolb// Verlag moderne Industrie, Bystronic. - 2006. - P. 71.

83. Hashish, M. Application of abrasive-waterjets to metal cutting / M. Hashish // Proceedings of the nontraditional machining conference. - 1985.

84. Jordan, R. Waterjets on the cutting EDGE of machining / R. Jordan // Proceedings of the nontraditional machining conference. - 1985.

85. Hashish, M. Visualization of the abrasive-waterjet cutting process / M. Hashish // Experimental mechanic. - 1987.

86. Hashish, M. Modelling study of abrasive jet metal cutting, / M. Hashish // Phase I report to national science foundation under grant MEA-8I-14500, Flow Res. Rep. No. 229. - 1982.

87. Hashish, M. A modelling study of metal cutting with abrasive-waterjets / M. Hashish // J. Eng. Mat. Tech., ASME Trans., 106 (I), 88-100. - 1984.

88. Finnie, I. The mechanism of erosion of ductile metals /1. Finnie // Proc. 3rd Nat. Cong, of Appl. Mech.- 1958.

89. Hashish, M. A modeling study of metal cutting with abrasive waterjets / M. Hashish // Transaction of the ASME: Journal of engineering materials and technology. -Vol. 106.-№ 1.- 1984.-P. 88- 100.

90. Hashish, M. On the modelling of abrasive-waterjet cutting / M. Hashish // Proc. 7th Int. Jet Cutting Symp. - 1984. P. -249 - 265.

91. Анурьев, В. И. Справочник конструктора-машиностроителя / В. И. Анурьев. -В 3-х т. - 8-е изд., перераб. и доп. Под ред. И. Н. Жестовой. - М. : Машиностроение, 2001. - 912 с.

92. Денисов, А. С. Способы подачи абразива при роботизированной гидроабразивной абразивной резке / А. С. Денисов, М. А. Казанский, И. И. Сазанов // Технология машиностроения. - 2012. - №2. - С. 23 - 25.

93. Денисов, А. С. Разработка пятикоординатной установки для гидроабразивной резки с ЧПУ / А. Г. Андреев, А. С. Денисов, М. А. Казанский, И. И. Сазанов // Оборонный комплекс - научно-техническому прогрессу России. - 2012. - № 4. -С. 81-84.

94. Денисов, А. С. Сравнение способов подачи абразива при гидроабразивном резании / А. С. Денисов, М. А. Казанский, И. И. Сазанов // Вестник МГТУ «СТАНКИН». - 2013. - № 1(24).-С. 29-33.

95. Денисов, А. С. Применение дискретной подачи абразива для повышения эффективности гидроабразивного резания толстостенных листовых материалов / А. С. Денисов // Естественные и технические науки. - 2013г. - № 5(67). -С.192- 193.