НАЦІОНАЛЬНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ УКРАЇНИ“

КИЇВСЬКИЙ ПОЛІТЕХНІЧНИЙ ІНСТИТУТ”

САЛЕНКО Олександр Федорович

УДК 621. 91.005

НАУКОВІ ОСНОВИ ВИСОКОЕФЕКТИВНОГО ГІДРОРІЗАННЯ ТОНКОСТІННИХ ВИРОБІВ

З НЕМЕТАЛЕВИХ КОМПОЗИТІВ

Спеціальність 05.03.07 – Процеси фізико-

технічної обробки

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

доктора технічних наук

Київ – 2002

Дисертацією є рукопис

Робота виконана на кафедрах: конструювання верстатів та машин Національного технічного університету України “Київський політехнічний інститут”, Механіко-машинобудівний інститут; конструювання машин та технологічного обладнання Кременчуцького державного політехнічного інституту Міністерства освіти і науки України.

Науковий консультант: доктор технічних наук, професор

Струтинський Василь Борисович,

НТУУ “КПІ”, завідувач кафедрою

конструювання верстатів та машин

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор

Білоус Михайло В'ячеславович,

НТУУ “КПІ”, завідувач кафедрою

загальної фізики та фізики твердого тіла

доктор технічних наук, професор

заслужений винахідних України

Носуленко Віктор Іванович,

Кіровоградський державний технічний університет,

завідувач кафедри обробки металів тиском,

доктор технічних наук, професор,

лауреат Державної премії України

Ляшенко Борис Артемович,

Інститут проблем міцності НАН України

завідувач відділом № 17

Провідна установа: Національний технічний університет “

Харківський політехнічний інститут”

Міністерства освіти і науки України,

кафедра різання матеріалів і ріжучого інструмента

Захист відбудеться 15 квітня 2002 року о 14:00 годині на засіданні спеціалізованої Вченої ради Д26.002.15 в Національному технічному університеті України “Київський політехнічний інститут” за адресою: 03056, м.Київ, просп. Перемоги, 37, корп. № 19_, ауд. № _.

З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці НТУУ “КПІ”.

Автореферат розісланий 12 березня 2002 року.

Вчений секретар

спеціалізованої Вченої ради Л.Ф.Головко

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми

Сучасна тенденція розвитку машинобудування, авіаційної та хімічної промисловості характеризується значним зростанням обсягів використання нових конструкційних матеріалів – металевих та неметалевих композитів, які, на відміну від традиційних, володіють заданими фізико-механічними властивостями – легкістю, міцністю, спроможністю працювати в агресивних середовищах, тощо. Неметалеві композити, зокрема, склопластики та вуглепластики, є одними з перспективних матеріалів для створення легких тонкостінних виробів – плит, труб, щитів, панелей, профілів та ін.

Незважаючи на те, що заготовки з неметалевих матеріалів на стадії виробництва можуть бути наближеними до форми готового виробу, в більшості випадків існує необхідність у кінцевій обробці – видаленні формувальних площин, вирізці вікон, отворів, розтині групи заготовок. При цьому складна структура та відмінність властивостей компонентів композиту не дозволяє використовувати на кінцевих операціях традиційний ріжучий інструмент або фізико-технічні методи обробки. Різке збільшення обсягів використання неметалевих композитів при виробництві машин обумовило розвиток нового наукового напряму, що охоплює питання розробки методів обробки композитів та необхідного інструментального забезпечення.

Сутність гідроструминного різання як процесу фізико-технічної обробки полягає в руйнуванні швидкоплинним струменем певного обсягу оброблюваної заготовки, в результаті чого в ній виникає нова поверхня розділу. У більшості випадків технології гідрорізання, основою яких є ефект струминної ерозії, мають суттєві переваги перед фізико-технічними та механічними методами і набувають дедалі більшого розповсюдження як в Україні, так і за її кордонами. Зокрема, струминні технології відрізняються високою продуктивністю, відсутністю термічних перетворень у зоні різання, що запобігає піролізу матеріалів; практично не мають альтернатив при аварійно-відновлювальних роботах та у зонах з високою пожежо- та вибухонебезпечністю.

У той же час, проведений літературний та патентний аналіз, а також аналіз використання діючого гідроструминного обладнання довів, що мінімізація товщини деструктивного шару та досягнення високої якості отриманих при різанні композитів поверхонь розділу, вимагає використання високоточних профільованих сопел з діаметрами отвору 0,06-0,1 мм та створення тиску рідини понад 350 МПа. Обробка виконується при швидкості подачі, зниженій у 1,5-2,5 рази проти можливої, а для підвищення ефективності у швидкоплинний струмінь вводять розчинні полімери, дрібнодисперсний абразив, що значно здорожує обробку. Зважаючи на те, що на сьогодні обсяги різання, зокрема, при проведенні відновлювальних робіт в хімічному комплексі країни, невпинно зростають, розробка високоефективних технологій, головними принципами яких є зниження необхідного рівня тиску, підвищення продуктивності при забезпеченні високої якості отриманих поверхонь розділу, їхнє впровадження у виробництво набуває особливої актуальності та значимості.

Отже, аналітичні та експериментальні дослідження процесу гідрорізання композитів, спрямовані на виявлення закономірностей утворення поверхонь контуру різа з урахуванням фізико-механічних властивостей та структури матеріалу заготовки, схеми виконання обробки; створення на їх основні методологій та інженерних методик забезпечення високоефективного якісного гідрорізання; розробка принципів керування формоутворенням; розробка спеціальних пристроїв та елементів струминного обладнання дозволить покращити якість оброблених поверхонь при гідрорізанні з тиском до 250 МПа, знизити вартість обробки та сприятиме більш широкому впровадженню передових технологій у виробництво.

Зв'язок з науковими програмами, планами, темами

Дисертаційну роботу автора виконано відповідно до наукової тематики кафедри конструювання верстатів та машин НТУУ “Київський політехнічний інститут”, а також на підставі виконаних при безпосередній участі автора таких держбюджетних науково-технічних програм: державна програма № 2217-98, виконана в НТУУ “Київський політехнічний інститут”; програма Кременчуцького філіалу Харківського державного політехнічного інституту (м. Кременчук) №298ТМ-б, державна програма № 536Ф-96/б виконана у тому ж ВУЗі. При роботі над цими програмами автор працював на посадах провідного наукового співробітника та відповідального виконавця.

Мета і задачі досліджень

Мета дослідження – розробка та впровадження високоефективних технологій гідрорізання тонкостінних виробів з неметалевих композитів на основі концепції керування геометричними параметрами зони різання, обумовленими енергетикою струменя та динамічними характеристиками гідрорізного обладнання для забезпечення локалізації гідроруйнування у зоні струминного впливу та мінімізації товщини деструктивного шару при тисках, близьких до критичних; створення елементів та пристроїв для їх реалізації.

Об'єкт досліджень – процес гідрорізання матеріалів. Предмет досліджень – фізичний механізм, техніка та технологія гідрорізання тонкостінних виробів з неметалевих композитів, армованих переважно скляними та вуглецевими волокнами.

Методи досліджень

Для досягнення поставленої мети використовувалися теоретичні та експериментальні методи технології машинобудування, опору матеріалів, теорії пружності, гідромеханіки, гідродинаміки, теорії коливань. Формулювання основних наукових положень механіки гідроруй-нування композитного неметалевого матеріалу сформульовано на підставі положень теорій крихкого та в'язкого руйнувань твердого тіла, теорії гідромеханіки, теорії пружності, теорії авто-матичного регулювання; використані положення механіки композитів, що знайшли відображення в фундаментальних працях проф. Верезуба М.В., проф. Дрожжина В.І.; залучено положення теорії струминних течій та динамічного моделювання складних гідравлічних системи, сфор-мульованих проф. Струтинським В.Б. Доведення теоретичних тверджень виконане на основі експериментальних досліджень із залученням методів спектрального аналізу коливань, методу хемографії (положення якого сформульовано проф. Єлізаровим О.І.), мікроскопічного аналізу зони гідрорізання. Обробка статистичних даних виконувалася за допомогою засобів обчис-лювальної техніки. Результати досліджень перевірялися випробуваннями у діючому виробництві.

Задачі досліджень:

1) Створити базову фізико-математичну модель формоутворення при гідрорізанні композитного матеріалу, в основу якої покласти принципи та положення механіки струминного руйнування неметалевого композиту, визначивши вплив властивостей оброблюваного матеріалу та енергетики струминного навантаження на геометричні параметри зони різання і пов'язаний з останніми процес тріщиноутворення, локалізацією якого забезпечується досягнення поставленої мети.

2) Розробити методологію і виконати комплекс теоретико-експериментальних досліджень взаємозв'язку вхідних параметрів процесу з вихідними параметрами – показниками якості та продуктивності, на основі чого науково обгрунтувати принципи та підходи розв'язання проблеми ефективного якісного гідрорізання.

3) Дослідити умови локалізації струминної ерозії в плівках, нанесених на поверхню твердого тіла. Сформулювати умови ефективного видалення плівки та розробити інженерні методики розрахунку режимів ведення обробки.

4) Розробити концепцію оптимального керування геометричними параметрами зони струминного різання з метою забезпечення мінімізації товщини деструктивного шару, заданої геометрії борозенки різа.

5) Розробити принципи проектування технологій для реалізації високоефективних процесів струминного різання тонкостінних виробів з неметалевих композитів.

6) На основі сформульованих принципів створити нові способи гідроструминної обробки, елементи, пристрої і технологічне оснащення та впровадити їх у діюче виробництво.

Наукова новизна одержаних результатів

1. Запропоновано нову концепцію в теорії гідрорізання неметалевих матеріалів, яка полягає у тому, що керуючи орієнтацією елементів поверхні розділу відносно осі швидкоплинного струменя, забезпечують оптимальні умови протікання нестаціонарних процесів струминної ерозії композитного матеріалу як наслідку тріщиноутворення, що дозволяє мінімізувати деструктивний шар на фронті руйнування та підвищити ефективність виконання гідрорізання з тиском рідини до 250 МПа, а саме: домогтися заданої високої якості оброблюваної поверхні при одночасному зниженні вартості обробки в 1,3-1,5 разів.

2. Вперше розроблено і практично реалізовано методологію комплексного теоретико-експери-ментального дослідження, яка базується на врахуванні динаміки руйнування квазікрихкого неоднорідного тіла під впливом високочастотного гідродинамічного навантаження швидкоплинного потоку і дозволяє розв'язувати задачу забезпечення показників якості при гідрорізанні на основі аналізу формоутворення борозенки різа, що значно підвищує точність та вірогідність розрахунків.

3. На основі запропонованої методології створено базову фізико-математичну модель процесу та сформульовано основні принципи формоутворення, сутність яких, на відміну від існуючого підходу, полягає в уявленні оброблюваного матеріалу у вигляді адгезійних зчеп-лених шарів з відмінними фізико-механічними властивостями, а формоутворення визна-чається складним рухом елементів поверхні розділу, утворених внаслідок струминної ерозії, при зміні точки прикладання струминного навантаження, на базі якого створено алгоритм та програмний продукт відтворення борозенки різа при обробці виробів довільної форми.

4. Вперше сформульовано умови мінімізації товщини деструктивного шару як основного параметра якості обробки, функціонально пов'язаного з контрольованими показниками, на базі яких обгрунтовано концепцію керування процесом гідрорізання. Показано, що мінімізація деструктивного шару та локалізація струминної ерозії досягається забезпеченням докритичного кута нахилу елементів поверхні розділу в зоні різання у межах 30-150 за рахунок вибору відповідних технологічних режимів обробки, або за рахунок адаптивного керування технологічними режимами на струминному обладнанні.

5. Доведено, що керування процесом гідрорізання та формоутворення може здійснюватися на основі моніторингу зони різання шляхом контролю виходу потоку відпрацьованої рідини та ступеня її дисипації, в результаті якого виконується динамічне двозонне регулювання подачі та миттєвого значення тиску як керованих факторів технологічної системи.

6. Подано узагальнення виявлених закономірностей зміни показників якості при зміні параметрів зони різання та встановлено функціональні зв'язки, які покладено в основу створеної інженерної методики розрахунку режимів ведення обробки для забезпечення заданої якості обробки, та методики оцінки вартості обробки.

7. Уточнено механізм взаємодії швидкоплинного струменя з поверхневою плівкою, до якого залучено положення про важливість впливу на процес руйнування плівки пружних властивостей основи. При цьому ефективність обробки забезпечується створенням умов активного та сталого відшарування за рахунок швидкої зміни точки прикладання струминного навантаження з одночасним динамічним збудженням коливань тиску в гідросистемі з частотою 500-1500 Гц. Доведено, що інтенсивність локальної струминної ерозії обумовлюється насамперед, розмірами зони струминного навантаження (діаметром сопла) та у меншому ступені, тиском технологічної рідини.

8. Сформульовано основні принципи практичної реалізації заходів із забезпечення високоефективного якісного гідрорізання конструкційних неметалевих матеріалів з тиском рідини до 250 МПа, які поєднують розроблену автором методологію вибору режимів виконання гідрообробки та ряд конструктивних елементів та пристроїв гідрорізного устаткування. Запропонована гама елементів устаткування може використовуватися у будь-якому обладнанні в умовах діючого виробництва.

Практичне значення одержаних результатів

1. Виконаний комплекс теоретичних та експериментальних досліджень дозволив отримати практичні результати і впровадити у діюче виробництво технологію та елементи обладнання для високоефективного якісного гідрорізання заготовок з неметалевих композитних матеріалів товщиною до 10 мм (гідрорізання у заготівельному виробництві, при проведенні аварійно-відновлювальних робіт, при очищенні поверхонь та ін.), яка реалізується на базі мультиплікаторних систем з робочим тиском до 250 МПа та використовує модулі існуючого верстатного обладнання або ручний гідрообробний інструмент, що дозволяє знизити вартість обробки в середньому у 1,5 рази.

2. Прикладне значення мають технічні рішення та концепція керування процесом гідрорізання для мінімізації товщини деструктивного шару шляхом забезпечення оптимального миттєвого положення елементів поверхні розділу за рахунок раціонального вибору режимів ведення обробки та конструктивних елементів струминних пристроїв; розроблені та використані на практиці алгоритми управління процесом і пакети прикладних програм для розрахунку вартісних та якісних показників гідрорізання шляхом визначення параметрів деструктивного шару; впроваджено програму для візуалізації на основі 3-D моделювання поверхні борозенки різа, який утворюється при різанні неметалевих матеріалів, у тому числі, композитів, внаслідок чого знижено витрати часу на технологічну підготовку виробництва у 15-20 разів.

3. Розроблені конструкції, методи їх розрахунку, технологічні режими, алгоритми та пакети прикладних програм, інженерні методики оптимізації технологічних процесів, впроваджено на ряді підприємств країни. Зокрема, впроваджено: спеціальні пристрої для виконання якісного різання композитних матеріалів та гаму струминних інструментів, які дозволяють отримувати високу якість обробки при підвищенні продуктивності в середньому у 1,5 рази (завод “Калькулятор”); технологічну документацію на струминний комплекс по очищенню статорів збагачувальних машин, який за рахунок оптимізації руху струминної головки та динамічних пульсацій тиску покращує якість видалення забруднення, знижує час обробки на 30% та енерговитрати на 25% (Комсомольський ГЗК м. Комсомольськ Полтавської області); методику гідравлічного розрахунку сопел для формування ефективних потоків рідини, використання якої дозволило знизити енерговитрати в середньому на 10% (УкрНДІСпецсталь, м. Запоріжжя); методику та прикладну програму для визначення параметрів борозенки різи, яка дозволила скоротити час на технологічну підготовку в середньому в 4 рази (державне підприємство “Технологія” м. Світловодськ).

4. Ряд наукових розробок впроваджено у навчальний процес Інституту економіки та нових технологій (м. Кременчук), Кременчуцький державний політехнічний університет, Національний технічний університет України “Київський політехнічний інститут”. За отриманими в процесі роботи над дисертацією результатами поставлено лабораторні роботи для студентів спеціальностей “Технологія машинобудування”, “Металорізальні верстати та системи” та “Матеріалознавство та обробка металів”, видано посібник “Гідро- та гідроабразивна обробка: теорія, технологія та обладнання”.

Особистий внесок здобувача в одержаних наукових результатах

Усі наукові результати одержані здобувачем самостійно. Здобувач здійснив наукове обгрунтування розробок у галузі машинобудування, що забезпечує вирішення важливої прикладної проблеми – підвищення ефективності гідрообробки неметалевих конструкційних матеріалів за рахунок комплексного підходу до забезпечення процесу формоутворення борозенки різа завдяки розробленим принципам керування параметрами струминної ерозії, наслідком чого є формування деструктивного шару, що виникає на утвореній поверхні розділу. Постановка задач і обговорення наукових результатів виконані разом з науковим консультантом і частково зі співавторами публікацій.

Апробація результатів дисертації

Основні результати досліджень оприлюднено на міжнародних науково-технічних конференціях: “Интерпартнер” (м. Алушта, 1998, 2000); МНТК “Проблемы создания новых машин и технологий” (м. Кременчук, 1996-2000); “Прогрессивные технологии и системы машиностроения” (м. Севастополь, 1998 – 2000); НТК Асоціації спеціалістів промислової гідравліки і пневматики (м. Київ, 1998, Кіровоград, 2000); міжнародному НТС “Високі технології в машинобудуванні” (Харків, 2000); ”Прогресивна техніка і технологія машинобудування, приладобудування і зварювального виробництва” (Київ, 1998).

Дисертація у повному обсязі доповідалася і отримала позитивну оцінку на науково-технічному семінарі кафедр обробки тиском та технології машинобудування Національної Металургійної академії України (м, Дніпропетровськ), 2001 р.; на розширеному засіданні кафедри конструювання верстатів і машин НТУУ “КПІ” (м. Київ), 2000 р.; кафедри конструювання машин та технологічного обладнання Кременчуцького державного політехнічного університету, 2001 р.

Публікації

Основні результати дисертації викладено в одній монографії, 23 статтях у провідних фахових виданнях, затверджених переліком ВАК України, 6 тезах доповідей на науково-технічних конференціях, 3 депонованих рукописах у ДНТБ України, 5 працях науково-технічних семінарів.

Структура і обсяг роботи

Структура: вступ, 7 розділів, загальні висновки, список використаних джерел, додатки. Обсяг: 429 стор. – 166 іл. – 17 табл. – Бібліогр.: 279 найм. – 6 додатків на 20 стор.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

Розділ 1. У розділі виконано детальний аналіз сучасного стану та тенденцій розвитку гідрообробки, прийомів інтенсифікації процесу.

Відомо, що обробка неметалевих матеріалів швидкоплинним струменем рідини є високопродуктивним, екологічно чистим методом, який полягає у керованому локальному високоенергетичному навантаженні оброблюваної заготовки рідиною, що витікає зі струменеформуючого каналу сопла малого діаметра під тиском понад 150-400 МПа, в результаті чого в матеріалі відбуваються пружнопластичні та незворотні високоеластичні деформації, котрі, сягаючи критичних значень, викликають активне руйнування матеріалу.

Продуктивність процесу гідрорізання, яка виражається обсягом диспергованого за одиницю часу матеріалу, залежить від його міцності, тиску технологічної рідини, діаметра струменя та його компактності. Встановлено, що різання відбувається у разі, коли створюваний гідросистемою тиск перевищує критичний рівень, пропорційний межі міцності оброблюваного матеріалу, однак якість утворюваних поверхонь розділу при цьому залишається низькою. Гідрорізання з тиском 350-400 МПа та вищим значно покращує якість обробки, суттєво підвищує її продуктивність, одночасно викликаючи подорожчання в 1,5-2 рази. Тож можна констатувати, що на сьогодні головною перепоною для впровадження струминних технологій у виробництво є необхідність придбання коштовного обладнання високого тиску (до 500 МПа), яке вимагає значних одноразових витрат та подальших затрат на його обслуговування.

Аналіз вартості обробки та її продуктивності, а також парку існуючого в нашій країні та за кордоном гідрорізного обладнання довів, що найбільш перспективним є використання гідрорізних систем, побудованих на дешевих мультиплікаторних пристроях, здатних створювати тиск до 250 МПа з витратою до 200 см3/с. У той же час гідрорізання композитів на вказаних режимах є неефективним і супроводжується низькою якістю отриманої поверхні розділу, розшаруванням та деструкцією прилеглої ділянки, відколами торця та ін.

Наведене дає підставу сформулювати важливу наукову проблему, яка полягає в розробці принципів керування струминним руйнуванням неметалевого композитного матеріалу в діапазоні тисків 150-250 МПа з метою його локалізації та мінімізації деструктивного шару на утвореній поверхні розділу, розв'язання якої дозволить значно підвищити ефективність даного метода, знизити собівартість та поліпшити якість обробки.

Вивченням питань струминного руйнування твердого тіла займалися дослідники провідних технічно розвинутих країн світу, а основні результати досліджень опубліковано в друкованих роботах Я.С.Антова, Ф.П.Боудена, М.Брайєна, В.І.Геронтьєва, Ю.А.Гольдена, В.С.Гуєнка, А.Н.Зеленіна, Ж.Ж.Камусі, Р. Кіношити, Ю.Г.Конящина, В.Г.Лабазіна, Ж.Лоуна, А.Л.Майстренка, Є.Н.Пєтухова, І.В.Пєтко, О.Є.Проволоцького, В.Б.Струтинського, А.А.Семерчана, А.М.Чапка, Р.А.Тихомірова, Ж.Є.Філда, Ф.М.Філлера, З.Н. Фінкельштейна, М. Хашиша та ін. Особливості механічного різання матеріалів, що мають шарувато-волокнисту структуру, висвітлені в роботах О.П.Бурмістенкова, М.В.Верезуба, І.Д.Говорова, В.І.Дрожжина, С.В.Егорова, А.С.Зенкіна, А.Кобаяші, В.Г.Любімова, О.С.Манівецького, М.Ф.Семка, Р.Г.Мірзоєва, А.В.Руднєва, Б.П.Штучного та ін.

Існуючу на сьогодні сукупність математичних описів процесу струминного руйнування твердого тіла можна поділити на такі групи: - емпіричні моделі, що пов'язують між собою основні режими ведення обробки, певні фізико-механічні властивості оброблюваного матеріалу, для якого такі моделі створено, з узагальненим показником продуктивності гідрорізання; - емпірико-теоретичниі моделі, що при визначенні показника продуктивності враховують технологічні фактори та властивості оброблюваного тіла; - теоретичні моделі, побудовані на основі аналізу енергетики взаємодії струменя з оброблюваним матеріалом. В аналізованих моделях механіка процесу розкрита недостатньо, а загальним підходом у створених описах є використання принципів та положень теорії опору матеріалів.

У той же час автори ряду робіт - В.В.Болотін, А.К.Буров, Г.А.Ванін, В.М.Верезуб, Ю.С.Гусєв, С.М.Зайцев, І.М.Коп'єв, Є.М.Сахарова, О.С.Овчинський, та ін., розглядаючи процеси лезового різання неметалевих композитних матеріалів, вважають, що вирішення проблеми отримання якісної поверхні розділу повинно базуватися на аналізі геометричних параметрів зони різання та положеннях лінійної механіки руйнування: створення нових поверхонь розділу є наслідком процесу тріщиноутворення в певному обсязі оброблюваного матеріалу. Про важливість аналізу геометрії зони руйнування свідчать також роботи О.Є.Проволоцького, І.В.Пєтка, В.Б.Струтинського, Р.А.Тихомірова.

В цілому, виконаний аналіз стану проблеми ефективного гідрорізання тонкостінних виробів з неметалевих композитів довів, що на сьогодні до питання забезпечення ефективності та якості гідрорізаня з тиском технологічної рідини, близьким до критичного, єдиного підходу не існує; розроблені дослідниками математичні описи у переважній більшості випадків приховують механіку процесу і не можуть бути покладені в основу створення принципів та концепцій забезпечення ефективності при обробці даного класу виробів.

На основі проведеного аналізу визначено основні задачі наукового дослідження.

Розділ 2. У розділі подаються основні положення фізичної моделі формування поверхні розділу (борозенки різа) та утворення деструктивного шару при гідрорізанні неметалевих матеріалів, зокрема, композитів, що базуються на використанні лінійної механіки руйнування та запропонованої автором методології теоретико-експериментальних досліджень, відмінною рисою якої є розв'язання задачі прогнозування показників якості на основі аналізу мікрогеометричних параметрів зони різання з обов'язковим урахуванням динамічної несталості струминного навантаження елементів поверхні розділу.

Фізична основа процесу гідрорізання, внаслідок якого утворюються нові поверхні розділу, полягає в струминній ерозії певного обсягу матеріалу, що знаходиться між основним тілом оброблюваної заготовки та її відокремленою частиною. При цьому руйнування матеріалу є наслідком процесів стиснення, розтягування, розтріскування, зсуву, розповсюдження хвиль, кавітаційного пошкодження та зносу, котрі протікають у тілі та викликаються гідродинамічними локальними навантаженнями перепони – елементів поверхні у зоні різання оброблюваної заготовки при натіканні струменя.

Існуючі фізичні моделі процесу струминного руйнування твердого однорідного ізотропного тіла, розглядаючи різання у квазістаціонарній постановці, базуються на положенні, що струмінь рідини, володіючи виборною спроможністю проникати в мережу мікротріщин і викликати в останніх значні розтяжні напруги, формує таку напружену зону, в якій у центрі гідровпливу матеріал стиснуто, а на межі дії струменя (радіусом rc), у так званій зоні передруйнування, при r=rc напруги різко змінюють свій знак на протилежний і стають розтяжними. Надання поступової подачі елементам технологічної системи призводить до перенесення гідровпливу на сусідню ділянку, а, відтоді, і до зміни на ній знаку напружень, в результаті чого ділянка сприйматиме знакозмінне навантаження, яке і викликає появу початкових мікротріщин. В подальшому утворені мікротріщини починають активно розповсюджуватися вглиб тіла у напрямку, перпендикулярному межовій площині z=0.

Вважається, що мікротріщини є наслід-ком процесів зсуву на межі пластичної та пружної зон, де при струминному навантаженні діють значні розтяжні напруження. Зароджуючись на початкових локальних дефектах оброблюваного тіла, мікротріщини розвиваються, зливаються, створюючи макротріщину, яка веде до відокремлення частки оброблюваного тіла (рис.1).

Поряд з цим, аналіз стружкоутворення при різанні матеріалу ріжучим клином доводить, що напружений стан у верхівці тріщини, утвореної під дією ріжучого клина уздовж гіпотетичної поверхні різання, забезпечує розповсюдження тріщини в напрямку вектора швидкості головного руху. Теорія Гріфітса для пружних тіл, до яких можна віднести і розглянутий клас матеріалів, характеризує стабільну міцність за всіма напрямками, що дозволяє очікувати відхилення тріщини від початкового напрямку при КІІ № 0 (зсуву) на певний кут c=-cс, співпадаючий з напрямком максимального значення сили збурення Р, що обумовлює розвиток тріщини. Якщо прийняти до уваги, що напрям тріщини завжди сприяє її розкриттю, то задача оцінки ймовірного напрямку розвитку тріщини при гідроструминному навантаженні зводиться до встановлення очікуваної епюри тиску на фронті руйнування – поверхні утвореної борозенки, яка визначатиметься миттєвим положенням та розмірами елементів такої поверхні, або, іншими словами, геометрією зони різання, обумовленою швидкістю струминної ерозії, швидкістю подачі, фізико-механічними властивостями, неоднорідністю матеріалу тощо.

Натікання струменя на поверхню, орієнтовану під певним кутом відносно осі струменя, якою є елемент поверхні розділу, обумовлює напружений стан поверхневого шару борозенки, активізуючи процес тріщиноутворення та розгалудження мікротріщин, наслідком якого є відрив мікрочасток.

Стічний потік та оболонкова частина струменя, володіючи значною розвиненістю, викликає вторинне гідродинамічне циклічне навантаження торцевих поверхонь борозенки різи, в якій зароджені мікротріщини не досягли критичного розміру. Подальший розвиток останніх за певних умов супроводжуватиметься розшаруванням матеріалу (при s”<[s] на значній глибині залягання тріщини) або поверхневим відколом (рис. 2), якщо глибина заляганні тріщин незначна – до 0,1-0,3 мм. Таким чином, кінцеве формування показників якості відбувається внаслідок вторинного струминного впливу, важливою характеристикою якого є амплітудний та частотний спектр коливань.

Отже, процесу тріщиноутворення та динамічному стану зони різання властива взаємообумовленість: зміна геометрії зони за рахунок переорієнтації, зникнення та появи нових елементів поверхні розділу, викликає відповідні зміни напруженого стану зони різання, з яким безпосередньо пов'язане утворення тріщин та їхнє розгалуження, що дозволяє вважати процес гідрорізання неметалевих матеріалів нестаціонарним.

Наслідком процесу зародження, зростання та розгалуження тріщин є утворення деструктивного шару на поверхнях розділу. Тому задачу забезпечення якості і ефективності гідрорізання можна трактувати як задачу локілазації струминного руйнування у зоні впливу струменя та мінімізації товщини деструктивного шару, утвореного під поверхнею розділу, розв'язання якої полягає у створенні оптимальних умов протікання нестаціонарних процесів струминного руйнування, обумовленого геометрією зони різання.

Розглянемо схему утворення поверх-ні розділу при наданні струменю поступової подачі s (рис. 3). Уявимо струмінь у вигляді коаксиально розташованого компактного циліндричного ядра (dc) з розвинутою зовнішньою оболонкою (периферійною части-ною струменя діаметром D0, що залежить від відстані між зрізом сопла та оброблюваною поверхнею li), в якій швидкість руху vп елементарного обсягу рідини dw значно менша за швидкість vс в ядрі, а, відтоді, під дією якого менше гідродинамічне навантаження поверхні. Виділимо такі зони на фронті гідровпливу: 1 – зона існування розтяжних напружень; 2 – перехідна зона (вплив периферійною частиною); 3 – зона максимального струминного навантаження з виникненням значних стискуючих напружень.

Мікроскопічне дослідження зон різання відмінних за своїми властивостями матеріалів струменями рідини dc = 0,1–0,5 мм, з достатнім рівнем достовірності дозволяє вважати, що зоною зародження та розвитку тріщин можна вважати малу фронтальну товщину F, котра є проміжком між границями першої та третьої зон і співпадає з проекцією оболонкової частини струменя на площину його натікання. У той же час відомо, що високі швидкості зростання навантажень Y призводять до припинення збільшення довжини тріщини та початку її розгалуження.

Отже, швидкість поступової подачі s, ширина фронтальної товщини F, обумовлена розвиненістю периферійної частини струменя, визначатиме умови припинення зростання магістральної тріщини та початку її розгалуження: менша ширина ділянки F та більша швидкість подачі зменшує час розвитку тріщини у такому напруженому стані, який характеризується помірною інтенсивністю підведення енергії, і відповідно, її розгалуження відбудеться скоріше. Наступне потрапляння розгалуженої тріщини у 3 зону викликає активне руйнування матеріалу з утворенням дрібно диспергованого шламу. Частки шламу насичують струмінь та підвищують його різальну спроможність, виконуючи певну роботу гідроруйнування.

Розвиненість струминного потоку, яка проявляється у пульсуючому навантаженні елементів поверхні розділу, інтенсифікує тріщиноутворення та скорочує час розвитку мікротріщин до критичного розміру, змінюючи стан поверхневого шару, що не дозволяє нехтувати цим фактором. Цьому сприяє збільшення крихкості матеріалу та зменшення граничних характеристик його міцності внаслідок прояву ефекту Ребіндера.

Таким чином, на основі реалізованого комплексу теоретико-експериментальних досліджень встановлено, що формування борозенки різа та утворення деструктивного шару при гідрорізанні композитних матеріалів є наслідком розвитку, розгалуження і злиття тріщин у вертикальній та горизонтальній площинах під різними кутами відносно осі натікання струменя, які, в шарі наповнювача розвиваються переважно під кутами 30-150, а на поверхні адгезійного контакту армувального волокна з наповнювачем – уздовж цієї поверхні (рис. 4), в результаті чого створюються умови виникнення локальних відколів та розшарувань, розвиток яких обумовлюється дією гідравлічного клина, та відбувається утворенням дрібнодисперсного шламу. Вище викладене дозволяє зробити висновок, що руйнування матеріалу в центрі прикладання гідровпливу є абстрагованим процесом одночасної роботи великої кількості мікроскопічних ріжучих клинів, напрям руху яких співпадає з напрямком розвитку тріщини, внаслідок чого ділянка деструкції матеріалу поширюється за межі зони безпосереднього натікання струменя.

Можна зробити висновок, що властивості струменя, у першу чергу, його компактність (D0/dc) та розміри (dc), обумовлюють швидкість зростання гідродинамічного навантаження Y, початок та інтенсивність процесу тріщиноутворення, в результаті якого утворюється деструктивний шар та відбувається формування борозенки різа. Розвиненість периферії струменя знижує інтенсивність зміни напружень на ділянці передруйнування F, і призводить до безперешкодного зростання тріщин за межі струминного впливу, що погіршує якість обробки, збільшує товщину деструктивного шару, який розповсюджується на прилеглу до зони різання ділянку. Використання компактного струменя малого діаметра обумовлює інтенсивне диспергування шламу та покращує якість утвореної поверхні. Отже, параметром тріщиноутворення у зоні передруйнування можна вважати Y.

Таким чином, формування борозенки різа та деструктивного шару обумовлюються послідовним процесом переміщення певного обсягу оброблюваного матеріалу від зони F, в якій технологічні фактори (струминний тиск, швидкість витікання рідини, компактність струменя), фізико-механічні властивості та структура оброблюваного матеріалу, прояв ефекту високочастотного навантаження та ефекту Ребіндера, а також параметри струминного устаткування обумовлюють зародження мікротріщин, їх концентрацію та ймовірні напрямки розповсюдження, до зони максимального навантаження, в якій активна дисипація тіла є наслідком розгалуження і злиття мікротріщин з наступним виносом продуктів руйнування із зони різання. Надання руху подачі зі швидкістю s та існування певної швидкості vp заглиблення струменя в оброблюваний матеріал (рис. 1) призводить до того, що на фронті зони різання елементи поверхні розділу орієнтуються під кутами a (рис. 3), зростання яких викликає збільшення гідродинамічного навантаження бокової поверхні зони різання та відповідне збільшення товщини деструктивного шару. Виходячи з аналізу мікрогеометрії зони різання, максимальне значення кута , причому зменшення величини заглиблення hі струменя у тіло при збільшенні подачі s призводить до погіршення якості поверхні розділу.

Гідрорізання композита як ортотропного матеріалу з максимальною продуктивністю (максимально допустимій подачі за умови повного розрізання перетину заготовки) дозволяє визначити початковий кут нахилу елементарних площинок руйнування у функції зміни швидкості заглиблення струменя на більш міцному шарі: , причому . У формулах: rс – радіус струменя, h - товщина стінки виробу, vz, v0 - швидкість проникнення струменя у компоненти (шари) матеріалу, p - тиск технологічної рідини, Т=Tm - міцність наповнювача, vc - швидкість витікання струменя, а Т=Т'm – міцність армувальних включень (для v0, vz відповідно). Для повного розрізання армованого матеріалу швидкість подачі струменя spk відносно оброблюваної поверхні необхідно зменшити до рівня

(1)

s – подача, розрахована для випадку різання однорідного матеріалу з межею міцності, що дорівнює межі міцності композиції в цілому; х – параметр структури.

Внаслідок сприйняття зоною передруйнування F пульсуючого гідродинамічного впливу, обумовленого розвиненістю оболонки струменя, густина початкових тріщин визнається площиною прикладання струминного навантаження, а їх розвиток обумовиться напруженим станом, який виникає у поверхневому шарі матеріалу при циклічному навантаженні поверхні.

Згідно з положеннями лінійної теорії руйнування, вивільнення енергії пружних деформацій залежить від коефіцієнта інтенсивності напружень k, який визначається співвідношенням

причому

(2)

l,b – геометричні параметри тріщини; д – розкриття тріщини r - густина рідини; а – половина довжини тріщини; Е – модуль пружності; n - коефіцієнт Пуассону, v - циклічна частота пульсуючого навантаження, h0 – ширина тріщини при максимальному розкритті.

Прийнявши за основу положення про критичну швидкість руху тріщини, після якої вона починає розгалужуватися, та пов'язавши цей ефект з інтенсивністю навантаження, за критерій початку розгалуження тріщини встановлено різницю (G-R).

Залежно від кількості циклів навантаження та напруженого стану поверхні, що обумовлюється швидкістю робочої подачі, геометричними параметрами струменя та його енергетикою, довжину тріщини до розгалуження при потраплянні у зону максимального струминного впливу визначено співвідношенням:

n,rm – константа матеріалу та його густина, а0 – початкова довжина тріщини; ?р – перепад тиску; Ср – параметр дисипації струменя, причому , - мікронапруження в основі тріщини, де .

Пошукову товщину деструктивного шару визначено на основі встановлення довжини магістральної тріщини, яка, змінивши напрям свого розвитку при досягненні армувального волокна, розвивалася протягом часу дії циклічного струминного навантаження:

(3)

D0, Da – діаметр струменя та діаметр активної частини струменя на відстані l відповідно.

Зміна кута нахилу елемента поверхні розділу від a1 до a2®p/2 при досягненні армувального волокна протягом часу t викликає появу гідроударного явища, внаслідок чого тиск зростає до рівня

, (4)

С – швидкість звуку в рідині, v – швидкість натікання струменя, Кр - коефіцієнт, що враховує властивості рідини та швидкість співудару струменя з оброблюваною поверхнею, t0 – фаза удару.

Диспергований шлам, рухаючись з потоком, виконує зносно-абразивного руйнування та створює локальні зміни напруженого стану на поверхнях зони різання, зокрема, на армувальних волокнах. Внаслідок цього міцність останніх зменшується, що призводить до зростання швидкості заглиблення струменя в оброблюване тіло проти розрахованою за відомими співвідношеннями. Тоді для vz, v0 можна записати:

.

Аналіз поданої залежності з ідентифікованими на основі експериментальних досліджень параметрами доводить, що швидкість заглиблення струменя не є постійною, і при гідрорізанні з тисками понад 180 МПа сягає свого максимуму після 150-200 мкс від початку впливу, з поступовим зниженням у 1,8-2,5 рази при обробці матеріалів товщиною до 5 мм.

Таким чином, в результаті проведення на основі запропонованої методології теоретико-експериментальних досліджень, сформульовано основні положення механіки струминного руйнування тонкостінних виробів з неметалевих композитів:

1. Формування борозенки різа та утворення деструктивного поверхневого шару є наслідком струминної ерозії заготовки при її поступовому переміщенні відносно швидкоплинного струменя, внаслідок зародження, зростання та розгалуження мікротріщин, орієнтованих в наповнювачі під кутами 30-50 відносно осі швидкоплинного струменя та уздовж поверхні адгезії на армувальних волокнах, їх наступного злиття з активним руйнуванням у центрі зони різання, та кінцевого формування поверхні розділу периферійною частиною струменя і потоком евакуйованої рідини, насиченим продуктами руйнування.

2. При гідрорізанні оброблювані композити проявляють крихкі властивості, зі зменшенням крихкості при зниженні інтенсивності прикладання струминного навантаження в зоні виходу струменя, в результаті чого кінцеве формування поверхні борозенки різи вбачається як наслідок багатоциклового руйнування поверхневих мікровиступів.

3. Концентрація мікротріщин, їхнє зародження та розвиток залежить від параметру vs, та спостерігається в малій області межі стискуючих та розтяжних напружень, співпадаючою з зоною гідровпливу оболонкою струменя шириною (D0-dc).

4. Руйнування матеріалу в зоні різання можна уявити як сукупність одночасної роботи великої кількості мікроскопічних ріжучих клинів, напрям руху яких співпадає з напрямком розвитку тріщини, що розширює зону гідровпливу за межі зони безпосереднього натікання струменя та погіршує мікро- та макроякість поверхні розділу. Збільшенню товщини деструктивного шару сприяє більший кут нахилу елементів поверхні розділу, а також його різка зміна.

5. Процес тріщиноутворення, наслідком якого є нестаціонарна струминна ерозія оброблюваної заготовки, визначає товщину деструктивного шару та форму поверхні різання, і в кінцевому рахунку обумовлює ефективність гідрообробки і якість отриманих поверхонь розділу в цілому.

З точки зору теорії автоматичного регулювання процес утворення поверхні розділу уявляється у вигляді замкнутої динамічної системи, зворотний зв'язок в якій здійснюється через гідродинамічне навантаження елементів поверхні розділу, обумовлене геометрією зони різання, а вхідний вплив визначається окремими технологічними факторами. Це дозволило запропонувати нову концепцію у теорії гідрорізання, яка полягає у тому, що керуванням геометричними параметрами зони різання створюються оптимальні умови протікання нестаціонарних процесів гідроруйнування при тисках 150-250 МПа, внаслідок чого мінімізується товщина деструктивного шару.

Розділ 3. В розділі подано результати дослідження обмеженого гідрорізання – видалення поверхневих плівок – квазікрихких, високоеластичних, а також консистентних сполук, нанесених на поверхню твердого тіла. Доведено, що на розміри зони видалення плівки з основи при натіканні струменя впливають пружні властивості основи. Аналіз умов виникнення та розвитку мікротріщин у твердому тілі при навантаженні швидкоплинним струменем дозволив знайти принципово новий підхід до розв'язання важливої практичної задачі – локального гідрорізання, або струминного очищення поверхні довільних заготовок.

Різновид захисних поверхневих плівок, які відновлюють при проведенні різних робіт ремонтного характеру, змусив останні поділити на три групи: тверді квазікрихкі, у тому числі, армовані покриття; високоміцні еластичні; низькоміцні покриття на клейовому прошарку. Відмінність фізико-механічних властивостей плівок обумовлює принципові відміни механізму руйнування плівки.

Встановлено, що струминне руйнування квазікрихкої плівки, яка адгезійно зчеплена з пружною основою, протікає внаслідок високошвидкісних деформацій у зоні натікання струменя із розвитком магістральних тріщин з наступною диспергацією речовини плівки, та у прилеглій зоні внаслідок виникнення значних розтяжних напружень на поверхні плівки від пружного деформування основи у локальному обсязі, результатом яких є поява поверхневих тріщин, що розвиваються до досягнення межі “плівка-основа”. Напруження у плівці в початковий момент часу встановлено на основі деформації плівки, визначеної з урахуванням пружного втиснення основи: ; ; де Hym, Hy - пружне втиснення основи у центрі гідровпливу та на периферії; G – модуль зсуву плівки; h – товщина плівки; р – гідродинамічний тиск на поверхню основи; R – радіус зони виникнення поверхневих тріщин:

(6)

Поява кільцевих та півкільцевих тріщин має певне значення: розвиток тріщини до поверхні адгезії обумовлює виникнення дотичних напружень. Отже, руйнування плівки у прилеглій до центру струминного впливу зоні відбувається ступінчато, а виниклі в плівці тріщини обмежують зону порушення адгезійного зчеплення на відстань до (0,5-1,2) dc.

Встановлено, що розвиток тріщини по поверхні адгезії відбувається з максимальною швидкістю , а сама зона адгезії постає неідеально крихким тілом, для якого коефіцієнт інтенсивності напружень визначається з відомої моделі тріщини з кінцевою зоною Леонова-Панасюка:. Остання формула дає змогу експериментально визначити для будь-якої плівки значення параметрів у0 та д.

Вище викладене показує, що підвищення ефективності обмеженого