Репозиторій ЧДТУ
Репозиторій ЧДТУ зберігає і дозволяє легкий і відкритий доступ до всіх видів цифрового контенту, включаючи текст, зображення, анімовані зображення, MPEG і набори даних
Дізнатися більше
Будь ласка, використовуйте цей ідентифікатор, щоб цитувати або посилатися на цей матеріал:
https://er.chdtu.edu.ua/handle/ChSTU/9312| Назва: | «Вдосконалення технології гідроабразивного різання тонкостінних виробів з неметалевих композиційних матеріалів» |
| Автори: | Мацепа, Сергій Михайлович Золотоніг, Микола Петрович |
| Ключові слова: | Гідроабразивне різання |
| Дата публікації: | 2023 |
| Короткий огляд (реферат): | Тема кваліфікаційної роботи магістра: «Вдосконалення технології гідроабразивного різання тонкостінних виробів з неметалевих композиційних матеріалів». Виконавець: здобувач групи мЗНТ-71 Золотоніг Микола Петрович. Керівник: Мацепа Сергій Михайлович, старший викладач. Кваліфікаційна робота містить 102 сторінки формату А4, 40 рисунків, 2 таблиці, 42 літературних джерела. В кваліфікаційній роботі магістра за основу взято технологію струминного різання неметалевих композиційних матеріалів. Обробка здійснюється гідро струминною головкою, яка має обертовий момент за рахунок потоку рідини , що надходить від насосної станції. Модернізація установки для струминного гідро різання здійснюється на базі існуючої установки. В першому розділі розглянуто такі питання: - утворення поверхні розділу при струминному гідрорізанні; - вплив продуктів гідроруйнування на процеси гідроерозії деструктивного шару ; - створення імітаційної моделі формування деструктивного шару та візуалізації борозенки різа; - елементи, пристрої та системи для підвищення ефективності гідрорізання. Другий розділ має опис повного технологічного циклу обробки неметалевих композитів; - стадія підготовки до обробки; - основний технологічний цикл струминного гідрорізання неметалевих композиційних матеріалів; - розрахунок режимів гідроструминної обробки; - завершальні операції після обробки. В розділі охорони праці опрацьовано вимоги безпеки при роботі на верстаті для гідроабразивного різання. |
| URI (Уніфікований ідентифікатор ресурсу): | https://er.chdtu.edu.ua/handle/ChSTU/9312 |
| Розташовується у зібраннях: | 131 Прикладна механіка (Обробка металів за спецтехнологіями) |
Файли цього матеріалу:
| Файл | Опис | Розмір | Формат | |
|---|---|---|---|---|
| Золотоніг.pdf Restricted Access | 2.05 MB | Adobe PDF | Переглянути/Відкрити Запит копії |
Усі матеріали в архіві електронних ресурсів захищено авторським правом, усі права збережено.
Extracted text
Міністерство освіти і науки України
Черкаський державний технологічний університет
Факультет електронних технологій, автотранспорту та машинобудування
Кафедра технології та обладнання машинобудівних виробництв
До захисту допущено:
Завідувач кафедри ТОМВ
____________Георгій КАНАШЕВИЧ
«_____»_____________2023р.
Пояснювальна записка
до кваліфікаційної роботи магістра
на тему: «Вдосконалення технології гідроабразивного різання тонкостінних
виробів з неметалевих композиційних матеріалів»
Виконав: здобувач 2 курсу, групи мЗНТ-71
Спеціальності 131 – «Прикладна механіка»
Освітня програма – «Обробка металів за
спецтехнологіями»
Золотоніг Микола Петрович
Керівник: старший викладач Мацепа Сергій
Михайлович
Рецензент: інженер-технолог ТОВ «Юджин ЛТД»
м.Черкаси
Майстренко Вікторія Олександрівна
Черкаси 2023 р.
Черкаський державний технологічний університет
Факультет електронних технологій, автотранспорту та машинобудування
Кафедра технології та обладнання машинобудівних виробництв
Освітній рівень магістерський.
Спеціальність 131 «Прикладна механіка».
Освітня програма «Обробка металів за спецтехнологіями»
ЗАТВЕРДЖУЮ:
Завідувач кафедри ТОМВ
Георгій КАНАШЕВИЧ
« » ____________2023р.
ЗАВДАННЯ
на кваліфікаційну роботу магістра
_Золотоніг Микола Петрович_
(прізвище, ім’я, по батькові)
1. Тема роботи «Вдосконалення технології гідроабразивного різання
тонкостінних виробів з неметалевих композиційних матеріалів.».
Керівник роботи Мацепа Сергій Михайлович, ст. викладач
(прізвище, ім’я, по батькові, науковий ступінь, вчене звання)
Затверджена наказом Черкаського державного технологічного університету від
«10» жовтня 2023р. №271/04
2. Термін подання здобувачем роботи 05. 12. 2023 р.
3. Вихідні дані до роботи: Технологія гідроабразивного різання; властивості
неметалевих композиційних матеріалів; завдання з розділу Охорона праці
4. Зміст пояснювальної записки: Утворення поверхні розділу при струминному
різанні неметалевого; Вплив продуктів гідроруйнування на процеси гідроерозії
деструктивного шару; Відтворення імітаційної моделі формування
деструктивного шару та візуалізації борозенки різа для оптимізаційних
досліджень гідрорізання; Елементи, пристрої та системи для підвищення
ефективності гідрорізання; Охорона праці та безпека в надзвичайних ситуаціях.
5. Перелік графічного матеріал(з точним зазначенням обов’язкових
креслеників, плакатів, презентацій тощо Тема, мета; Виникнення напружень;
Схема утворення поверхні розділу в зоні гідрорізання; Розповсюдження тріщин
при гідроруйнуванні; Швидкість руйнування, Зміна мікронерівностей; Схема
імітаційного моделювання; Схема пристрою; Профілі поверхні;
Гідроструминна головка; ОП та ЦЗ; Висновки
6. Керівники з роботи із зазначенням розділів роботи, що їх стосується
Прізвище, ініціали та посада Підпис, дата
Розділ
консультанта завдання видав завдання прийняв
Розділ 1 Мацепа Сергій Михайлович
Розділ 2 Мацепа Сергій Михайлович
Розділ 3 Мацепа Сергій Михайлович
Розділ 4 Мацепа Сергій Михайлович
Розділ 5 Цікановський Володимир Леонідович
7. Дата видачі завдання 04.09.2023 р.
Календарний план
№ Назва етапів дипломного Строк
Примітка
з/п роботи виконання етапів роботи
1 Збір інформації для написання КРМ 04.09-01.10.2023
2 Написання І розділу КРМ 02.10.-15.10.2023
3 Написання ІІ розділу КРМ 16.10 – 24.10.2023
4 Написання ІІІ розділу КРМ 25.10 – 2.11.2023
5 Написання розділу з охорони праці 3.11 – 9.11.2023
6 Оформлення пояснювальної записки 10.11 – 30.11.2023
7 Оформлення графічної документації 30.11 – 04.12.2023
8 Захист роботи ___.12.2023р.
Здобувач ___________ Микола ЗОЛОТОНІГ
Підпис Власне ім’я, ПРІЗВИЩЕ
Керівник ___________ ___Сергій МАЦЕПА__
Підпис Власне ім’я, ПРІЗВИЩЕ
4
Анотація
Тема кваліфікаційної роботи магістра: «Вдосконалення технології
гідроабразивного різання тонкостінних виробів з неметалевих композиційних
матеріалів».
Виконавець: здобувач групи мЗНТ-71 Золотоніг Микола Петрович.
Керівник: Мацепа Сергій Михайлович, старший викладач.
Кваліфікаційна робота містить 102 сторінки формату А4, 40 рисунків, 2
таблиці, 42 літературних джерела.
В кваліфікаційній роботі магістра за основу взято технологію струминного
різання неметалевих композиційних матеріалів. Обробка здійснюється гідро
струминною головкою, яка має обертовий момент за рахунок потоку рідини ,
що надходить від насосної станції. Модернізація установки для струминного
гідро різання здійснюється на базі існуючої установки.
В першому розділі розглянуто такі питання:
- утворення поверхні розділу при струминному гідрорізанні;
- вплив продуктів гідроруйнування на процеси гідроерозії деструктивного
шару ;
- створення імітаційної моделі формування деструктивного шару та
візуалізації борозенки різа;
- елементи, пристрої та системи для підвищення ефективності
гідрорізання.
Другий розділ має опис повного технологічного циклу обробки
неметалевих композитів;
- стадія підготовки до обробки;
- основний технологічний цикл струминного гідрорізання
неметалевих композиційних матеріалів;
- розрахунок режимів гідроструминної обробки;
- завершальні операції після обробки.
В розділі охорони праці опрацьовано вимоги безпеки при роботі на верстаті
для гідроабразивного різання.
5
Abstract
The topic of the master's qualification work: "Improvement of the technology of
hydroabrasive cutting of thin-walled products from non-metallic composite
materials."
Performer: winner of the mZNT-71 group Mykola Petrovych Zolotonig.
Supervisor: Serhiy Mykhailovych Matsepa, senior teacher.
The qualification paper contains 102 pages of A4 format, 40 figures, 2 tables,
and 42 literary sources.
The master's qualification work is based on the technology of jet cutting of non-
metallic composite materials. Processing is carried out by a hydro-jet head, which has
a torque due to the flow of liquid coming from the pumping station. Modernization of
the installation for jet hydro cutting is carried out on the basis of the existing
installation.
The following questions are considered in the first chapter:
- formation of the interface during jet hydrocutting;
- the influence of hydrofracturing products on hydroerosion processes of the
destructive layer;
- creation of a simulation model of the formation of a destructive layer and
visualization of the cut groove;
- elements, devices and systems for increasing the efficiency of hydraulic
cutting.
The second section has a description of the complete technological cycle of
processing non-metallic composites;
- stage of preparation for processing;
- the main technological cycle of jet hydrocutting of non-metallic composite
materials;
- calculation of hydrojet processing modes;
- final operations after processing.
In the section on labor protection, the safety requirements for working on a
hydroabrasive cutting machine are elaborated.
6
ЗМІСТ
Вступ………………………………………………………………………………8
Розділ 1. Утворення поверхні розділу при струминному різанні
неметалевого
композиту……………………………………………………………………………...9
1.1. Аналіз і обгрунтування фізичної моделі та методології теоретико-
експериментальних досліджень гідро різання тонкостінних виробів з
неметалевих композитів……………………………………………………………...9
Розділ 2. Вплив продуктів гідроруйнування на процеси гідроерозії
деструктивного шару……………………………………………………………….25
2.1 Обумовленість утворення деструктивного шару положенням елементів
поверхні розділу при гідро різанні…………………………………………………36
2.2 Вплив динамічних збурень формоутворюючих рухів системи
переміщення струминної головки на мікро- та макрогеометричні
характеристики поверхні розділу…………………………………………………..40
Розділ 3. Відтворення імітаційної моделі формування деструктивного шару
та візуалізації борозенки різа для оптимізаційних досліджень гідрорізання…..47
3.1Формування лунки гідроруйнування в тонкому шарі……………………47
3.2 Візуалізація борозенки різу……………………………………………….54
3.3 Ідентифікація перетинів різу……………………………………………...59
Розділ 4. Елементи, пристрої та системи для підвищення ефективності
гідрорізання………………………………………………………………………………68
4.1 Мінімізація деструктивного шару за допомогою адаптивної системи
керування процесом гідрорізання………………………………………………………68
4.2 Принципи розробки обертових струминних головок для операцій
обмеженого гідрорізання………………………………………………………………..76
4.2.1 Гідроструминні головки для виконання поверхневої обробки та мийних
операцій………………………………………………………………………………..78
Розділ 5. Охорона праці та безпека надзвичайних ситуацій………………………83
7
5.1 Вимоги безпеки при роботі на верстаті для гідроабразивного різання………..83
5.2 Вимоги охорони праці перед початком роботи………………………………..85
5.3 Вимоги охорони праці під час роботи…………………………………………86
5.4 Вимоги охорони праці в аварійних ситуаціях…………………………………89
5.5 Пожежна безпека………………………………………………………………90
5.6 Правила охорони праці під час роботи з абразивним інструментом………….90
Висновки…………………………………………………………………………….93
Список використаної літератури…………………………………………………..97
8
Вступ
В роботі подаються принципи та основні положення фізичної моделі
формування поверхні розділу (борозди різу) та утворення деструктивного шару при
гідроруйнуванні неметалевих матеріалів, зокрема, композитів, що базуються на
використанні лінійної механіки руйнування та положеннях робіт В.В.Болотіна,
А.К.Бурова, Г.А.Ваніна, В.М.Верезуба, Ю.С.Гусєва, С.М.Зайцева, І.М.Коп'єва,
Є.М.Сахарової, О.С.Овчинського, І.В.Пєтка, О.С.Проволоцького,
В.Б.Струтинського та ін.
Методологія теоретико-експериментальних досліджень, дозволила показати,
що утворення деструктивного шару та формування борозенки різу в цілому є
наслідком нестаціонарних процесів струминної ерозії, обумовленої
зароджунням, зростанням та розгалуженням тріщин, утворених у зоні
периферійного струминного впливу на оброблюваний матеріал. Доведено зв'язок
тріщиноутворення з геометричними параметрами та напруженим станом зони
різання. Виявлено основні закономірності формування борозни різа.
9
Розділ 1. Утворення поверхні розділу при струминному різанні неметалевого
композиту
1.1.Аналіз і обгрунтування фізичної моделі та методології теоретико-
експериментальних досліджень гідрорізання тонкостінних виробів з неметалевих
композитів
Формоутворення в загальному машинобудуванні є процесом, який дозволяє
отримати задані макрогеометричні характеристики об'єкту шляхом пластичного
деформування або керованого руйнування певних обсягів оброблюваної заготовки з
відкриттям нових поверхонь розділу.
Формоутворення при різанні (лезовій обробці) дозволяє отримати необхідну
геометричну форму об'єкту внаслідок відокремлення частини матеріалу, яка може
бути частково або повністю зруйнована (деструктована) та перетворена у стружку.
Повне перетворення відокремленого матеріалу у стружку спостерігається
при виконанні: зовнішнього циліндричного та фасонного точіння, розточування
отворів, свердлуванні, торцевого фрезерування. Часткове перетворення
відбувається при відрізанні, фрезерному розкроюванні, тощо.
Гідрорізання як технологічний процес керованого руйнування належить до
групи методів обробки, що перетворюють відокремлений матеріал у стружку
(шлам) лише частково, забезпечуючи цим широкі технологічні можливості, високу
ефективність різання, низький коефіцієнт відходу матеріалу. Внаслідок того, що
процес гідрорізання може бути перенесеним на весь перетин заготовки або на його
частину (при виконанні операцій скрайбування), формоутворення при гідрорізанні
слід розглядати у двох аспектах: макрогеометричне формування заготовки в
цілому та формування борозенки різу в процесі взаємодії струменя з матеріалом.
Фізична основа процесу формування борозенки різу при гідрорізанні, внаслідок
якого утворюються нові поверхні розділу, полягає в руйнуванні певних обсягів
матеріалу, які знаходяться між основним тілом оброблюваної заготовки та її
відокремленою частиною. При цьому відомо [1], [2], що руйнування матеріалу є
наслідком процесів стиснення, розтягування, ерозії, розтріскування, зсуву,
розповсюдження хвиль, кавітаційного пошкодження та зносу, котрі протікають у
10
тілі та викликаються гідродинамічними локальними навантаженнями перепони -
поверхні оброблюваної заготовки при натіканні струменя.
Існуючі фізичні моделі процесу струминного руйнування твердого однорідного
ізотропного тіла [3], розглядаючи струминне різання у квазістаціонарній
постановці, базуються на положенні, що струмінь рідини, володіючи виборною
спроможністю проникати в систему мікротріщин і викликати в останніх значні
розтягуючі напруження, формує таку напружену зону, в якій у центрі гідровпливу
(рис. 1.1) матеріал стиснуто, а на межі дії струменя при r=rс напруження 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 викликатиме на межі
r=rс появу початкових мікротріщин. У подальшому утворені мікротріщини
починають активно розповсюджуватися вглиб тіла у напрямку,
перпендикулярному межовій площині z=0.
Вважається, що мікротріщини є наслідком процесів зсуву на межі пластичної та
пружної зон, де при струминному навантаженні діють значні розтяжні напруги.
Зароджуючись на початкових локальних дефектах оброблюваного тіла,
мікротріщини розвиваються, зливаються, створюючи макротріщину, яка веде до
відокремлення частки оброблюваного тіла.
Таким чином, головним недоліком існуючих фізичних моделей гідрорізання
твердого тіла є положення про локалізацію сітки мікротріщин у межах обсягу, який
безпосередньо сприймає струминне навантаження та на фронті навантаження на
малій ділянці при різанні з поступовим рухом струменя відносно оброблюваної
поверхні, котре грунтується на прийнятому припущенні щодо однорідності
матеріалу та існуванні в останньому мікроскопічних недосконалостей і внутрішніх
дефектів (значно менших за розмір струменя).
11
З цих позицій утворення поверхонь розділу та формоутворення в цілому є
процесом появи очікуваної поверхні як огинаючої ряду послідовних положень
перетинів струменя, який уявляють у вигляді безкінечного циліндра, що
перетинає паралелепіпед (оброблювану заготовку) певної товщини. Це значно
спрощує реальний процес формоутворення та не дозволяє оцінювати очікуваний
стан поверхні розділу за параметрами деструктивного шару - його товщини,
розвиненості, тощо.
Поряд з цим, використання положень лінійної механіки руйнування для випадку
лезової обробки твердого тіла дозволило пов'язати процес тріщиноутворення з
12
енергетичними показниками процесу різання та показниками якості утворених
поверхонь [4], [6], оцінивши вклад явища тріщиноутворення в процес формування
деструктивного шару. Насправді, деструктивний шар, утворений на відкритих
поверхнях розділу, локалізує у собі мікроскопічні помилки відтворення заданого
профілю обробки, шорсткість поверхні, мікро- та макротріщини, які зародилися та
розвилися в процесі обробки. Таким чином, мінімізація деструктивного шару є
основною умовою покращення якості утвореної поверхні розділу.
Внаслідок недосконалості реальних матеріалів, повний опір
розтріскуванню буде залежати від різних типів тріщиноутворення (виникнення
зсувних тріщин або тріщин відриву). 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, який безпосередньо буде визначатися миттєвим
положенням елементів поверхні розділу (рис. 1.2), що утворюватимуться при
виносі продуктів гідроруйнування з зони різання.
Насправді, натікання струменя на нерухому (ῳ=0), встановлену під кутом а
відносно осі струменя перепону, якою є елементарна площинка руйнування,
викликає реакцію [5]
( 2
)
R = 0
P1 + 0 sin = Q0 0 sin (1.1)
2
де p1 - тиск витікання рідини;
p - густина рідини;
v0 - швидкість витікання рідини з сопла;
Qo - витрата рідини.
Розподіляючись по поверхні контакту, реакція обумовлює напружений стан
поверхневого шару, активізуючи процес тріщиноутворення до критичного стану,
який супроводжується відривом мікрочасток.
Утворений розтічний потік викликає вторинне гідродинамічне навантаження
торцевих поверхонь борозенки різу та тріщин, які знову зародилися або стали
наслідком розгалуження іншої магістральної тріщини на цих поверхнях. Активний
13
розвиток останніх може супроводжуватися розшаруванням матеріалу (при σ"<[σ] та
значній глибині залягання тріщини) або поверхневим відколом (рис. 1.3).
Таким чином, процес тріщиноутворення в кінцевому рахунку обумовлює
орієнтацію елементів площини руйнування (поверхні розділу) та безпосередньо з
ним пов'язаний. Постійна зміна геометрії зони гідроруйнування, обумовлена
переорієнтацією, зникненням та появою нових елементів поверхні розділу, викликає
відповідні зміни напруженого стану зони різання, що дозволяє вважати процес
гідрорізання неметалевих матеріалів нестаціонарним.
Внаслідок того, що процес взаємодії струменя з оброблюваним матеріалом
швидкоплинний, важливого значення набуває оцінка швидкості росту тріщин.
Мінімізація деструктивного шару можлива тоді, коли швидкість перенесення
гідровпливу буде наближатися до швидкості розповсюдження тріщини в матеріалі, а
її напрям співпадатиме з напрямом переміщення струменя. В противному випадку
розвиток тріщин з наступним їх злиттям у прилеглій до гідровпливу зоні, дія
ефекту розклинювання рідиною, що потрапляє до тріщини, може призвести до
небажаного відокремлення часток матеріалу поза межами дії струменя, що
погіршить якість обробки та збільшить товщину деструктивного шару.
Рис. 1.2. Поверхня різу, утворена при струминному впливі в тонкій
пластині з капрону (dc=0,28мм)
14
Рис. 1.3. Виникнення поверхневих відколів при гідрорізанні
Порівняння швидкості росту тріщини v , яка визначається відповідно до [7] як
Е
= 0,3 , (1.2)
2т (1+ )
де Е- модуль пружності;
v- коефіцієнт Пуассона;
рт - густина оброблюваного матеріалу;
і може сягати 705 м/с, з квазістатичною швидкістю заглиблення струменя у
тіло оброблюваного матеріалу, яка визначається рядом факторів:
(p − k )r 2
= m c c
z , (1.3)
mkr2
σ m - межа міцності оброблюваного матеріалу;
rс - радіус струменя;
vc - швидкість витікання струменя з соплової насадки;
доводить, що швидкість розповсюдження фронту деструкції, яка є наслідком
тріщиноутворення, буде випереджати швидкість проникнення струменя у тіло
заготовки у 12-30 разів.
В роботі [9] автором показано, що існує певна критична швидкість росту
тріщини, після якої тріщина починає розгалужуватися. Причому збільшення
критичного навантаження викликає деяке зростання критичної швидкості
15
розповсюдження тріщини, однак одночасно скорочує шлях до початку її
розгалуження. Тут же зроблено висновок про існування критичної швидкості
розповсюдження тріщин в наповненому неметалевому матеріалі (армованому
композиті), яка не залежить від підведеної енергії. Це явище обумовлюється
поглинанням та накопиченням мікродефектів, яке буде відбуватися в напрямку
х=60°, де існують максимальні розтяжні напруги. Розгалуження та вторинне
розгалуження слід очікувати під кутом 20° відносно напрямку магістральної
тріщини. Важливим є той факт, що довжина тріщини до розгалуження залежить від
зовнішнього навантаження і зменшується при зростанні навантаження.
Дослідження особливостей лезового різання армованих неметалевих матеріалів,
зокрема, склопластиків, показує, що неоднорідна структура матеріалу призводить
до перерозподілу ділянок накопичення мікротріщин: при русі ріжучого клина уздовж
напрямку армування висока концентрація, взаємодія і злиття початкових тріщин веде
до утворення макротріщин, які можуть знаходитися на відстані від ріжучого клина
або торкатися його, розташовуючись відносно вектора головного руху під кутом 15°-
20°; при русі ріжучого клина під кутом 90° до напрямку армування вони
зосереджуються у полімерній матриці та на межі "волокно-матриця". Розгалуження в
цьому випадку йде під кутом 40°-60°. Структура поперечно армованого пластика
стримує розвиток магістральної тріщини та уводить її уздовж волокна. Саме на цій
ділянці мають місце дефекти, пов'язані з хімічною полімеризацією, залишками
реакцій, які послаблюють міцність композиту в цій зоні. Рух ріжучого інструмента
також викликає значне деформування волокон, що призводить до перерозподілу
навантажень у зоні різання. В цілому робота [8] зазначає, що обробка поперечно
армованого пластика призводить до значного розшарування волокон і матриці,
порушення структури поверхні та погіршення її якості.
Періодичне зародження, розвиток та злиття тріщин, яке призводить до
відокремлення частки матеріалу, обумовлює циклічність характеру процесу лезової
обробки, при якому сила різання спочатку підвищується до максимального
значення (при зародженні сітки тріщин), а потім стрімко знижується (поява
магістральної тріщини та відокремлення частки оброблюваного матеріалу).
16
Аналіз робіт [12], [14], [21], в яких подаються пропоновані фізичні моделі
гідрорізання неметалевих матеріалів, дозволяє зробити висновок, що гідрорізання є
процесом впливу сукупності певної кількості мікроскопічних ріжучих клинів, які в
цілому виконують роботу руйнування на зароджених та розвинутих тріщинах.
Уявлення струменя у вигляді коаксиально розташованого компактного ядра (рис.
1.4) з досить розвинутою зовнішньою оболонкою (периферійною частиною
струменя), в якій швидкість руху vn елементарного обсягу рідини dw значно менша
за швидкість vc в ядрі, а, відтоді, під дією якого менше гідродинамічне
навантаження поверхні становить [10]
p1 = 0,5 2
1 + 2
1 dQ ,
дозволяє виділити ряд зон на фронті гідровпливу. Перша зона - існування значних
розтяжних напружень в горизонтальній площині на поверхні заготовки; друга
зона - виникнення стискуючих напружень (вплив периферійною частиною);
третя зона - максимального струминного навантаження з виникненням значних
стискуючих напружень у вертикальній площині.
Приймаючи до уваги малий розмір швидкоплинного струменя та, відповідно,
малий розмір зовнішньої розвинутої оболонки струменя, порівняльний з розмірами
магістральних тріщин (для випадку струминного різання неметалевих матеріалів
діаметр струменя становить dc = 0.1 - 0.5 мм) та виходячи з умови, що у першій зоні
відбувається активний винос продуктів гідроруйнування, зоною зародження та
розвитку тріщин можна вважати малу фронтальну товщину F, котра є проміжком
між границями першої та третьої зон. В певних джерелах [20] вона носить назву зони
передруйнування. Таким чином, швидкість поступової подачі s, ширина фронтальної
товщини F, обумовлена розвиненістю периферійної частини струменя, будуть
визначати умови припинення зростання магістральної тріщини та її розгалуження:
чим менша ширина ділянки F та більша подача, тим менше часу тріщина буде
розвиватися у такому напруженому стані, який характеризується помірною
інтенсивністю підведення енергії, і відповідно, її розгалуження відбудеться
скоріше.
17
Рис. 1.4. Схема утворення поверхні розділу в зоні гідрорізання
Наступне потрапляння розгалуженої тріщини у першу 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 перепони (про що свідчать роботи [11], [19]), постає інтенсифікуючим
фактором тріщиноутворення та скорочує час розвитку мікротріщин до критичного
розміру. Цьому також сприяє збільшення крихкості матеріалу та зменшення його
межових характеристик міцності внаслідок прояву ефекту Ребіндера.
Утворення деструктивного шару є наслідком розвитку та розгалуження
тріщин під різними кутами відносно оброблюваної поверхні. Явищу сприяє також
неоднорідна структура оброблюваного матеріалу. Так, вивченням автором
поверхні гідрорізання композиту (склопластику) встановлено, що розвиток та
розповсюдження магістральних тріщин при критичних значеннях тиску рідини
(р=160...180 МПа) відбувається в наповнювачі під кутом 5°-18° відносно осі
струменя та далі, по досягненню шару армувальних волокон, переважно уздовж
волокон, рис. 1.5, (на відміну від процесу утворення тріщин при гідрорізанні
18
високомолекулярних полімерів, рис. 1.4), в результаті чого створюються умови
виникнення локальних відколів та розшарувань, активний розвиток яких
обумовлюється дією гідравлічного клина. Збільшення тиску викликає появу
перерізаючих тріщин і в армувальних волокнах, в наслідок чого довжина тріщини
уздовж волокна скорочується. Таким чином, руйнування матеріалу в центрі
прикладання гідровпливу є абстрагованим процесом 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.
19
З цих позицій стає зрозумілою поява значних відколів на оброблюваній
поверхні та різ із крупними диспергованими частками шламу при обробці матеріалу
20
струменем, що витікає під тиском, близьким до критичного - 120... 150 МПа:
утворені магістральні тріщини не встигають розгалужуватися, і сприймають дію
гідродинамічного клина, активно розкриваючись до появи критичних напружень у
верхівці.
Якщо така тріщина утворюється у приповерхневому шарі, її розкривання
може призвести до повного відокремлення частки матеріалу, в результаті чого на
поверхні виникне відкол. Потрапляючи у першу зону інтенсивного навантаження,
тріщини зливаються, не встигнувши розгалужитися, в результаті чого різ
супроводжується низькою якістю та крупними фракціями шламу.
Можна зробити висновок, що властивості струменя, у першу чергу, його
компактність та розміри, є параметрами, обумовлюючими початок та протікання
процесу тріщиноутворення, в результаті якого формується деструктивний
поверхневий шар та відбувається формоутворення борозенки різу. Розвиненість
периферії струменя знижує інтенсивність струминного навантаження на ділянці
передруйнування, що призводить до погіршення з якості обробки та збільшення
товщини деструктивного шару, який розповсюджується на прилеглу до зони
гідровпливу ділянку, і, навпаки, компактність струменя обумовлює інтенсивне
диспергування шламу та покращує якість утвореної поверхні.
Таким чином, особливості гідроруйнування та формування борозенки різу
обумовлюються послідовним процесом переміщення певного обсягу оброблюваного
матеріалу від зони А, 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 струминного навантаження, в якій активний виніс продуктів
руйнування є наслідком розгалуження, злиття мікротріщин з відривом мікрочасток
під дією високоінтенсивного гідродинамічного впливу.
Так як струминне навантаження окремих ділянок поверхні визначається
положенням елементарних площинок, які утворилися внаслідок злиття магістральних
тріщин з відокремленням фракцій шламу, схему утворення поверхні розділу
21
уявимо у вигляді замкнутої одноконтурної динамічної системи (рис. 1.5), зворотний
зв'язок в якій здійснюється через процес струминного навантаження.
Врахування зміни швидкості деформації окремими частинами струменя
елементів оброблюваної поверхні, яка обумовлює зону пластичної деформації,
доводить, що для тих елементів, яки опинилися на другій ділянці за центром
прикладання навантаження (рис. 1.4), крихкість буде значно меншою.
Рис. 1.6. Схема утворення поверхні розділу при гідрорізанні
Отже, в матеріалі, який знаходиться у цій зоні, більш вираженими будуть
властивості пластичності, і сприйняття струминного навантаження периферійною
частиною струменя призводитиме до пружно-пластичних деформацій, в результаті
яких остаточно формуватиметься поверхнева мікрогеометрія борозенки різу.
Порівняння мікрофотографій зон різання, які утворилися при різній швидкості зміни
гідродинамічного навантаження ѱ доводять, що цей параметр може характеризувати
процес зростання та розгалуження початкових тріщин: при ѱ >12 ГПа/с тріщини
активно розгалужуються без збільшення своєї довжини.
Розвиненість струменя обумовлюватиме пульсуючий, високочастотний характер
навантаження, що дає підставу очікувати прояв багатоциклового характеру
руйнування окремих мікровиступів поверхні розділу і у цій зоні.
Тож повне формування борозенки різу та утворення деструктивного
поверхневого шару відбувається у три етапи: початкове зародження та зростання
22
мікротріщин, активне руйнування з виносом продуктів гідрорізання, кінцеве
формування поверхні розділу периферійною частиною струменя та потоком
евакуйованої рідини.
Так як геометричні параметри деструктивного шару будуть
обумовлюватися напруженим станом зони різання, та визначатися товщиною, в
якій існують напруги, що перевищують межу міцності даного матеріалу або його
фракцій, то, виходячи з положення, що основою руйнування при струминному
навантаженні є зародження та розвиток мікротріщин з наступним їх злиттям, можна
зробити висновок, що вказані процеси будуть протікати лише у деструктивному
шарі, а сам шар володітиме змінними геометричними характеристиками -
товщиною та кутом нахилу відносно осі струменя на фронті гідрорізання. Таким
чином, нестаціонарні процеси, що протікають на елементарних площинках при
гідрорізанні за повний цикл її проходження уздовж швидкоплинного струменя та
обумовлені тріщиноутворенням, визначатимуть ефективність обробки та якість
отриманих поверхонь.
Вище викладене дозволяє сформулювати основні положення процесу утворення
деструктивного шару та формування борозенки різу з позицій механіки струминного
руйнування неметалевих композитних матеріалів.
1) Формування борозенки різу та утворення деструктивного поверхневого
шару є наслідком диспергації елементарних обсягів заготовки при її поступовому
переміщенні відносно швидкоплинного струменя, яке призводить до зародження,
зростання та розгалуження мікротріщин, орієнтованих під певними кутами відносно
осі швидкоплинного струменя, їх наступного злиття з активним руйнуванням у
центрі прикладання гідровпливу і виносом шламу, та кінцевого формування поверхні
розділу стічним потоком рідини, насиченим продуктами руйнування.
2) Оброблювані композити при гідрорізанні можна вважати крихкими, зі
зменшенням крихкості при зниженні інтенсивності струминного навантаження в
зоні виходу струменя, що обумовлює кінцеве формування поверхні борозенки різу як
наслідок пружно-пластичного деформування мікровиступів та багатоциклового
навантаження елементів поверхні.
3) Концентрація мікротріщин, їх зародження та напрямок розвитку залежить від
23
ширини зони передруйнування, утвореною на межі стискуючих та розтяжних
напружень та співпадаючою з зоною гідровпливу оболонкою струменя, та швидкості
перенесення гідровпливу уздовж оброблюваної поверхні.
4) Розвиток, розгалуження та злиття тріщин обумовлюється струминним
пульсуючим навантаженням поверхні різання, яке, в свою чергу, залежить від
положення елементів площин гідроруйнування (поверхні розділу). Критерієм
розгалуження мікротріщин постає швидкість зростання струминного
навантаження, яка обумовлюється швидкістю робочої подачі, положенням
елементів поверхні розділу та розмірами і компактністю струменя. Ускладнений
вихід відпрацьованої рідини призводить до зростання гідродинамічного
навантаження бокових поверхонь борозенки різу та активного розвитку
магістральних тріщин без їх розгалуження з виходом за межі прикладання
струминного навантаження.
5) Руйнування матеріалу в центрі прикладання гідровпливу 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
макрогеометричні харакеристики поверхні розділу.
6) Процес тріщиноутворення, наслідком якого є нестаціонарне
гідроруйнування мікрообсягів оброблюваної заготовки, визначає товщину
деструктивного шару та форму поверхні різання, і в кінцевому рахунку обумовлює
ефективність гідрорізання і якість отриманих поверхонь розділу.
Виходячи із принципів механіки струминного руйнування неметалевих
матеріалів, сформульовано методологію теоретико-експериментальних досліджень
процесу:
1) виявлення особливостей формоутворення поверхні розділу в зоні
струминного різання на основі аналізу тріщиноутворення як наслідку динамічного
високочастотного впливу струминного потоку, процесів у джерелі живлення та
процесів у приводах гідрорізного верстата;
2) встановлення зв'язку геометричних параметрів зони різання,
напруженого стану елементів утворюваної поверхні розділу з процесом формування
24
деструктивного шару, який безпосередньо визначає якість обробки в цілому;
3) оцінка можливостей керування процесом струминної ерозії з метою її
локалізації у заданому обсязі матеріалу за допомогою технологічних факторів, у
тому числі, шляхом їх зміни у часі на основі певного критерію процесу,
виявлення такого критерію.
Розв'язання поставлених задач вбачається на основі аналізу динамічного
стану поверхні, в якій існують початкові мікродефекти у вигляді центрів зародження
тріщин, та яка сприймає струминний гідродинамічний пульсуючий вплив протягом
певного часу. Оцінка зміни стану деструктивного шару вимагає залучення лінійної
механіки руйнування деформованого тіла. Для створення адекватного
математичного опису процесу гідрорізання планується використання ряду
експериментальних методів, зокрема, методу хемографії для візуалізації
поверхневих і приповерхневих дефектів, оцінки напруженого стану поверхні, тощо,
методу динамічних досліджень струминного потоку, рентгенографічних методів,
мікроскопічних досліджень стану матеріалу після струминного впливу.
25
РОЗДІЛ 2. Вплив продуктів гідроруйнування на процеси гідроерозії
деструктивного шару
Виконані попередні дослідження довели, що чисте гідроруйнування матеріалу
має місце лише за умови високої пластичності оброблюваного матеріалу у
початковий момент часу, коли мікрочастки тіла ще не можуть у достатньому обсязі
насинити струмінь і їхня евакуація відбувається стікаючим потоком. Для інших
умов, особливо коли мова йде про композитні матеріали з неоднорідною
структурою, механізм гідроабразивного зносу нижніх шарів композиту, на нашу
думку, слід обов'язково враховувати.
Тож вважаємо, що швидкоплинний струмінь, виконавши певну роботу
руйнування, насичується мікростружкою і у подальшому постає
гідроабразивним струменем. Якщо відомий тиск технологічної рідини рь, під яким
струмінь витікає з соплової насадки, а також масова частка абразиву М по
зруйнованому обсягу оброблюваного тіла, швидкість гідроабразивного струменя, з
урахуванням того, що
2р
и = ь
на основі роботи [13] можна визначити за формулою:
2рь ь
и = , (2.1)
ь 2рь + М
де ʄь - площа струменя, що дорівнює площі отвору сопла;
р - густина рідини.
Наштовхуючись на шар армувальних волокон, струмінь активно впливає на
нього з деякою силою, викликаючи руйнування як від гідродинамічної складової
(у разі, коли виникаючі напруги перевищують межу міцності), так і від дії окремих
часток абразиву. Руйнування від гідродинамічного впливу може бути визначене
за формулою [15], з врахуванням припущення про квазістатичну швидкість
заглиблення площадки руйнування у тіло оброблюваної заготовки
26
h − H
h p − 0,25p u
e 0 1 −Tm r
2
c c
r
к = , (2.2)
T 2
mr (h − H u )
rc pc p c 1−
де H u = . При цьому активне бомбардування поверхні частками
pc p G
1+
mcm
гідроруйнування призводить до зміни її межі міцності.
Визначити обсяг зняття матеріалу від абразивного впливу можна з таких
міркувань. Приймаємо схему нормального співударення часток руйнування
оброблюваного тіла з пружним півпростором, який межує з площиною
гідроруйнування, що дає змогу визначити максимальне заглиблення частки
наступною залежністю:
2 / 5
hmax = R5 2 2 2
r (1− ) 0 sin / 4E , (2.3)
R - радіус абразивної частки;
рr - густина матеріалу частки;
µ - коефіцієнт Пуасона оброблюваної поверхні;
v0 - швидкість абразивних часток;
а - кут атаки;
Е - модуль пружності оброблюваного матеріалу.
При визначенні швидкості абразивної частки врахуємо, що її рух та удар по
поверхні відбувається в ущільненому рідинному середовищі. Тож, як відзначає
робота [16], сила опору проникненню часток у заглиблення мікрорельєфу
поверхні становитиме:
2
P = u 2
Rmax , (2.4)
2
p - густина утвореної суспензії, що визначається за спеціальною методикою
[16];
и - швидкість потоку за формулою (2.1);
Rтах - максимальне значення шорсткості поверхні у зоні руйнування;
β- кут між твірною абразивної частки та площиною заглиблення.
27
т и m
Записавши співвідношення 0 − P = a 0 , маємо формулу для визначення v0:
t t
Pt
0 = u − ,
ma
2p 2p t b b b b
= 1−
3R (2.5)
0 max 2
b 2Pb + M a b 2Pb + M m
a (2 )
де t - час імпульсного впливу (визначається з осцилограм, знятих при
вивченні процесу натікання гідроабразивного струменя на поверхню);
та - середня маса відокремленої частки наповнювача.
Прийнявши припущення, що заглиблена у поверхню елементарна частка
видалить обсяг своєї заглибленої частини, можна записати формулу для визначення
елементарного видаленого обсягу:
1
w = h2
max (3R − hmax ) ,
3
або з урахуванням (2.3):
1 3
w = R3 5 (1− 2 ) 2 sin2 6 / 5
r 0 / 4E −1 (2.6)
3 2 2 2 / 5
5r (1− ) 0 sin2 / 4E
А отримавши частоту надходження часток до оброблюваної поверхні з
залежності
M
= 2k , (2.7)
ma
М- масова витрата (винос) відокремлених часток;
та - маса елементарної відокремленої частки, що пов'язана з обсягом
руйнування;
K f
f= - співвідношення перетину потоку та площі, на яку впливають частки
F
шламу;
маємо змогу записати формулу для визначення часу руйнування всього
обсягу матеріалу, що знаходиться у зоні безпосереднього впливу гідроструменя
обсягом
28
d 2
c
W = hc ,
4
де hc - товщина шару:
d 2
c
h
W c
t 4
c = = . (2.8)
w 1
R3 5 (1− 2 ) 2 sin2 6 / 5 3
r 0 / 4E −1
3 5 (1− 2 ) 2 sin2 2 / 5
r 0 / 4E
Швидкість заглиблення деякої площадки руйнування визначиться так:
4
3 ( 2 ) 2 2 6 / 5 3
R 5r 1− 0 sin / 4E −1
2 / 5
h 4w 3
5 2 2 2
c r (1− ) 0 sin / 4E
a = = = . (2.9)
tc d 2 2
c dc
Загальна швидкість заглиблення площадки руйнування при одночасній дії
гідродинамічного та абразивного впливу може бути визначена як сума
відповідних швидкостей:
h − H
h pe − 0,25p u 2
01 −Tm rc c
r
= k + a = +
Tmr 2 (h − H u )
4
3 6 / 5 3
R 5 2 2 2
r (1− )v0 sin / 4E −1
3
5r (
2 / 5
1− 2 )v2 sin2 / 4E
0
+ , (2.10)
d 2
c
Підстанляючи у формулу (2.10) значення (2.5), матимемо:
h − H
h u 2
pe − 0,25p01 −Tm rc c
r
= k + a = +
T 2
mr (h − H u )
6 / 5
2
3
4
3 ( 2 ) 2pb fb 2pb fb t
R 5r 1− 1− R 2
max sin / 4E
3 2
fb 2pb + M a fb 2pb + M
ma (2 )
+
d 2
c
3
−1 (2.11)
2 / 5
2
2p f 2p f 3 t
5 (1− 2 ) b b b b
1− R sin2 a / 4E
r 2 max
fb 2pb + M a f
b 2pb + M ma (2 )
29
Незважаючи на свою складність, формула (2.11) пов'язує між собою не
тільки параметри витікання струменя з соплової насадки, а й властивості шару
оброблюваного матеріалу, що дає змогу встановлювати ступінь впливу різних
механізмів руйнування на продуктивність ведення обробки. Окрім того,
отриману модель можна вважати узагальненим описом абразивно-рідинного
руйнування анізотропного матеріалу.
Результати обчислень за формулою (2.11) подано на рис.2.1.
Вплив насиченого продуктами гідроерозії струменя та елементарне
волокно, горизонтально розташоване у матриці [26], можна визначити,
виходячи з наступного.
Вважаємо, що волокно жорстко закріплено між боковими стінками матриці, що
утворилися в результаті попереднього руйнування, відстань між ікими дорівнює
l=kdс (2.12)
де к - коефіцієнт нерівномірності різу.
Наштовхуючись на перепону (волокно), струмінь активно бомбардує останню
частками зруйнованої матриці та одночасно впливає на неї з деякою силою, котра
обумовлена турбулізацією потоку на волокні. Сила гідродинамічного впливу
може бути представлена наступним чином:
P = p nds+ ds = Pp + P , (2.13)
S S
п - одиничний вектор;
р - тиск технологічної рідини;
Рр - результуюча сила тиску;
Р - результуюча сила поверхневого тертя.
В даній системі координат сила гідродинамічного опору буде суміщатися з
віссю OZ тa визначатися за формулою:
Pz = p cos(n, z)ds + S cos( , z)ds , (2.14)
S S
або у безрозмірному вигляді:
30
а)
б)
Рис. 2.1. Швидкість руйнування шару наповнювача за рахунок гідродинамічного та
абразивного механізмів протікання процесу (vk – гдродинамічна складова; va –
гідроабразивна складова) а) склопластик; б) вуглепластик
pu2 pu2
Pz = s0 2 Eu cos(n, z)ds + c f cos( , z)ds = cxs0 (2.15)
2 2
S S
p 2 − S
Eu = ; c f =
s ; S =
pu2 pu2 S0
У наведених формулах:
S - площа поверхні тіла;
S0 - площа міделевого перетину;
Сх - коефіцієнт лобового опору.
Без урахування тертя по бокових стінках орієнтовно Сх можна визначити
31
за залежністю:
24 u D
Cx = + 4.5; Re = 0 ,
Re v
де и0 - швидкість потоку;
d - діаметр елементарного волокна;
v- кінематична в'язкість рідини.
З іншого боку, в роботі [24] зазначено, що на оброблюваний матеріал
впливатиме сила зіткнення частинок з поверхнею, що носить гармонійний
характер:
Pi = P0 cost, (2.16)
де ω - частота надходження імпульсів від зіткнення.
У цьому випадку одинична сила від дії частинки обчислюється так:
mv
P 0
0 = , (2.17)
t
де т - маса мікрочасток;
t - час взаємодії мікрочастки з волокном.
Однак, для визначення сили зіткнення частинок з поверхнею волокна, яку
можна вважати циліндричною, необхідно враховувати, що лобовий опір
виникає тільки у межах визначеної точки А (рис. 2.2.), а для всіх інших точок,
розташованих від А на деякій відстані / (зображених на рис.2.2 під кутом а), сила
нормального удару (за умови прийняття припущення щодо розгляду взаємодії
поверхні та частинки абразиву як абсолютно пружних тіл) буде меншою від сили
Р:
Pі = (P0 cosωt)cosa,. (2.18)
При цьому а приймає рівноімовірні значення у межах [-90°; 90°]. З
урахуванням сили опору проникненню абразивної частки у заглиблення отримуємо
загальну залежність для визначення ударної сили впливу швидкоплинного
струменя:
32
Рис. 2.2. Схема взаємодії часток шламу з елементарним волокном
2
mu
Pi =
0
cos(t) −2
0 H −1 cos , (2.19)
t 2
де ω - частота надходження імпульсів, що визначається співвідношенням (2.7).
Таким чином, можна навести формулу, що визначає сумісний
гідродинамічний та ударний вплив на елементарне, горизонтально розташоване
волокно:
pu2
P = s0 2Eu cos(n, z)ds + c f cos( , z)dz +
i 2 S S
2
mu0
+ cos(t) −2
0 H −1 cos
t 2 i
а з урахуванням формули (2.1)
2
2p
P = b fb p
i s0 2 Eu cos(n, z)ds + c f cos( , z)ds +
fb 2pb + M 2 S S
2pb fb
m 2
2
fb 2pb + M 2p f
+ cos(t) −H
b b
−1 cos i (2.20)
t 2
fb 2pb + M
Цей вплив викликає вигин волокна, яке можна представити у вигляді затиснутої
балки, до якої прикладена розподілена сила. Остання викличе появу в перетині
33
розтяжних та стискуючих напружень. Максимальний згинаючий момент М та
максимальна сила Q можуть бути визначені за відомими формулами:
ql 2 Pl ql 2z
M max = − = − Q = 1−
12 12 2 l
Руйнування волокна буде протікати, скоріше за все, за двома механізмами:
з одного боку, на волокно визначеного перетину діє розподілена сила, що
викликає напруги а, з іншого відбувається активне руйнування поверхневого шару
частками абразиву. Слід також припустити можливість руйнування волокна за
рахунок втомленого роззміцнення. Так, на рис. 2.16. показано зміну сили Р
протягом певного часу. У разі значного тиску та невисокої витрати абразивних
зерен, кожне з яких має відносно високу масу маємо, що зміна сил впливу сягає
15-20%, а кількість циклів до повного руйнування за умови перевищення межі
міцності армувального волокна тиску рідини можна визначити, виходячи з
такого.
Припустимо, що повне руйнування шару волокон товщиною D буде
відбуватися протягом часу
W
t = 0 / w
cp , (2.21)
де W0 - обсяг шару волокон, що знаходиться під впливом струменя рідини;
w - обсяг видалення елементарною часткою.
Виражаючи обсяг видалення шару часткою абразиву через площу сегмента
частки, маємо:
F Dl
tcp = = (2.22)
f R 2 h h
2arccos1− − sin arccos1−
2
R R
дe D - середній діаметр волокон, що дорівнює товщині шару;
l - відстань між стінками борозенки руйнування.
Підставляючи значення h, отримуємо вираз:
34
F
tcp = =
f
(2.23)
Dl
=
R2
( ( ( ) 2 2 2 / 5 2 / 5
2arccos1− 5r 1− v0 sin / 4E )− sin arccos(1R5 2 2
r (1− )v0 sin2 / 4E ))
2
а) б)
в)
Рис.2.3. Зміна сили впливу гідроабразивного потоку на джгут армувальних
волокон: а) при зміні тиску рідини; б) при зміні масової витрати; в) зміна
навантаження протягом певного часу
Одночасно з плином часу змінюється момент опору волокна, що визначає
виникаючі напруги за формулою:
M
= max
W
Якщо умовно прийняти, що в початковий момент часу величина моменту
35
опору W (для циліндричного перетину) може бути визначена за формулою:
R3
W =
4
тому у подальшому доцільно використовувати формулу для обчислення моменту
опору для циліндричного перетину без сегмента з кутом розкривання
а=2arccos (1− 5 (1− 2 2 2 2 / 5
r )v0 sin / 4E ) [16]:
(2R)3
Wi =
( 2 / 5
16sin2arccos1− 5 (1− 2
r )v 2
0 sin2 / 4E )
(2.24)
sin8arccos(1− 5r (1− 2 ) 2 2 / 5
v0 sin2 / 4E )
− .
4
Загальний час руйнування композиту, що складається з двох шарів наповнювача
та шару армувальних волокон становитиме:
hb h
t = + n + tb (2.25)
v v
де значення vƩ розраховується по формулі (2.11), а час tb - з урахуванням
формул (2.20) - (2.24).
Подані залежності дають змогу встановити зміну швидкості руйнування
елементарного шару композита (що включає наповнювач та армувальні волокна) з
плином часу (рис. 2.4). Розрахунок виконано для таких умов: товщина композиту
h=4.0 мм, тиск рідини p=230 МПа, діаметр сопла dc = 0A2 мм, матеріал -
склопластик СВА.
Рис. 2.4. Зміна швидкості занурення струменю у тіло оброблюваного
матеріалу з плином часу: 1 – квазістатична швидкість руху; 2 – швидкість,
36
обчислена за запропонованою формулою
Швидкість руху площинки гідроруйнування в перетині оброблюваного матеріалу
нелінійна, з початковим зростанням та наступним зниженням, що можна пояснити
тим, що у початковий момент часу продукти гідроерозії, підхоплені рухомим
потоком рідини, активно впливають на шар волокон, бомбардуючи їхню поверхню та
знижуючи опір руйнуванню, внаслідок чого швидкість зростає. Однак з іншого боку,
кінетична енергія струменя при його зануренні в оброблюване тіло падає, її частина
витрачається на тертя по бокових стінках пазу, що неодмінно знижує еквівалентний
тиск струменя, а, відтоді, і інтенсивність струминного навантаження, внаслідок
чого активність диспергації матеріалу зменшується, і швидкість занурення
струменя падає.
Для порівняння на координатне поле нанесено також розрахункову величину
квазістатичної швидкості руйнування композиту.
Дослідження також довели, що за рахунок абразивного впливу на армувальні
волокна швидкість руху площинки гідрорізання збільшується в середньому на 5-
15%, причому більший вплив спостерігається при використанні сопел більшого
діаметра та роботі з підвищеним тиском.
2.1. Обумовленість утворення деструктивного шару положенням елементів
поверхні розділу при гідрорізанні
Попереднім розділом було показано, що процес тріщиноутворення,
обумовлений зародженням, зростанням та утворенням магістральної тріщини, а
також розгалуження та вторинного розгалуження тріщин обумовлюється рядом
факторів, зокрема, інтенсивністю струминного навантаження та швидкістю його
перенесення по оброблюваній поверхні протягом певного часу.
Відміна швидкоплинного струменя рідини від твердого індентора, що полягає у
властивості струменя володіти виборною спроможністю впливати на поверхні не
тільки у напрямку безпосереднього натікання, а й у напрямку утворення порожнин,
в яких може виникнути гідродинамічний клин, викликає необхідність оцінки
можливого напрямку розповсюдження тріщин, їх злиття та розгалуження, як факторів,
обумовлюючих навантаження певним чином орієнтованих площинок руйнування.
37
Якщо на площинці руйнування внаслідок виникнення критичних напружень
відбувається відокремлення частки матеріалу, така площинка перетворюється в
елемент поверхні розділу.
Нехай перетин матеріалу являє собою середовище, в якому рівномірно
розташовані внутрішні дефекти. Розглянемо напружений стан поверхневого шару на
ділянці передруйнування (ділянка А), рис. 2.5. На відрізку АО він знаходиться під
дією розтяжних напружень, відрізок ОВ є невизначеним (на нього впливає
периферія струменя), відрізок ВС знаходиться під дією значних стискуючих
напружень. Таким чином, на дільниці АО має місце поздовжнє розтягування, ОВ -
розтягування зі стисненням, ВС - поперечне стиснення.
Робота [18] доводить, що розповсюдження тріщин та утворення магістральної
тріщини обумовлюється не тільки густиною початкових дефектів у тілі
оброблюваного матеріалу, а і тим навантаженням, наслідком якого і є
тріщиноутворення.
Рис.2.5. Схема розповсюдження тріщини при струминному навантаженні
Так як напруження в аналізованій зоні мають різні знаки, можна очікувати
появу двох тріщи - горизонтальної від поперечного навантаження обсягів матеріалу
та вертикальної від повздовжнього розтягування поверхні у зоні передруйнування. На
38
розглянутій схемі для зони АВ це напрям 0-1, для зони ВС - 2-3. Зародження
тріщини з боку фронту гідрорізання відбуватиметься на глибині Ну [22], а зі
сторони поверхні оболонки - у зоні максимального градієнту напружень, тому
ймовірним шляхом можна вважати шлях 0-5 а іншої 4-5-6-7, в результаті чого
матимемо частину шламу 1-4-0-С.
Тож зменшення швидкості перенесення гідровпливу призводить до того, що
тріщини зароджуватимуться на значно меншій відстані Rі з меншою глибиною
втиснення елементу поверхні, а значить, і шлам буде мати менший розмір. Навпаки,
збільшення зони впливу периферією струменя перерозподілить поверхневе
навантаження і створить умови для більш стрімкого зростання горизонтальної
тріщини внаслідок дії розклинюючого ефекту рідини. З цієї точки зору неважко
пояснити збільшення фракцій шламу та більший розвиток деструктивного шару при
роботі з сополовими насадками з неякісним профілем, значним шаром витісненої
рідини, а також при використанні насадок з більшим отвором струменеформуючого
каналу (рис.2.20).
Натікання струменя на шар волокон викликає появу межових горизонтальних
тріщин, з яких взаємодіяти з вертикальними будуть лише ті, що лежать зі сторони
струминного навантаження.
Оцінимо зміну струминного навантаження зародженої магістральної тріщини,
що утворилася на боковій поверхні борозенки різу.
Тиск на перпендикулярно орієнтовану перепону при безперервному натіканні
потоку рідини можна встановити, прийнявши точку натікання струменя за центр
потенціального джерела та скориставшись відомою формулою [69]:
2 Q
p p = 0.5pur + pQur , причому ur =
2Rh
Однак, швидка зміна кута положення елементу поверхні розділу,
наприклад, внаслідок надходження струменя до місця розташування армувального
волокна, призведе до розвитку в струмені ударної хвилі, в результаті чого через час t
почнеться розривання оболонки струменя, (на основі роботи [23]):
39
2rK
t = cv
m (2.26)
C 2
де 2r = dс ;
C - швидкість звуку в рідині;
v - швидкість витікання струменя.
При цьому швидкість розтічного потоку становитиме
K p
u p =1.673 Cv (2.27)
K3
що обумовить імпульсне гідродинамічне навантаження торця борозенки різа з
урахуванням часу зміни положення елемента поверхні розділу
p = 3K 1.5 v t
p p C1.5 0 (2.28)
K3 t
Кр - коефіцієнт, що враховує властивості рідини та швидкість співудару
струменя з оброблюваною поверхнею;
К3 - коефіцієнт, що враховує стиснення рідини;
t0 - фаза удару;
t - час повороту площинки до перпендикулярному стану.
Чим суттєвіше відрізняються за міцністю фракції квазікрихкого композита,
тим більший ефект будуть мати гідродинамічні ударні явища у зоні
гідроруйнування, і тим більшою буде ширина деструктивного шару.
Очевидно, певну роль у виникненні гідравлічних ударних явищ відіграє і
розмір фракцій: ті фракції, що значно менші за діаметр струменя, викликають його
дисипацію, а частка, яка здатна перекрити увесь перетин струменя - викличе
значний удар розтічною хвилею.
Таким чином, відхилення положення елементарної площинки поверхні розділу,
спорідненої з тріщиною, від гіпотетичного, обумовлює не тільки різке зростання
швидкості розповсюдження тріщини, а і напружений стан у локальному обсязі.
Прийнявши до уваги, що бокова частина борозенки різа практично не сприймає
високоенергетичний вплив ядра струменя, при якому утворені тріщини
розпочинають активно розгалужуватися, можна зробити висновок, що товщина
40
деструктивного шару обумовиться не тільки зміною напрямку розвитку тріщини на
межі розділу "волокно-матриця", але й тріщинами, утвореними у шарі
наповнювача на поверхні оболонки.
Таким чином, маємо: деструктивний шар є результатом процесу активного
тріщиноутворення, в результаті якого у шлам перетворено частку деструктивного
обсягу матеріалу, що охоплює гіпотетичний обсяг між поверхнею розділу та
поверхнею, яка проходить на межі максимального розповсюдження тріщин у тіло
матеріалу, причому товщина шару безпосередньо визначається положенням
елементів поверхні розділу, які обумовлюють гідродинамічне навантаження
поверхонь та глибину розповсюдження тріщин.
Руйнування матеріалу за зоною безпосереднього натікання струменя
відбудеться у разі, коли
3
p = 3K 1.5C1.5 v d K b
p p c c
K C 2
3 ( − 2s) m
де [σm] - межа міцності наповнювача.
2.2. Вплив динамічних збурень формоутворюючих рухів системи переміщення
струминної головки на мікро- та макрогеометричні характеристики поверхні
розділу
Для виконання операцій гідроструминного різання тонкостінних виробів з
різноманітних матеріалів, у тому числі, композитних, при маркуванні та фігурній
обробці листових заготовок, гідроструминній головці або оброблюваній заготовці
необхідно надавати переміщення подачі, в загальному випадку довільної форми, яке
може здійснюватися за допомогою двох перпендикулярно розташованих приводів
подач, що працюють у прямокутній системі координат, орієнтованій
перпендикулярно до осі стікаючого струменя.
За умови відсутності дії інших механізмів формування мікро- та
макрогеометричних параметрів поверхні, можна вважати, що геометрична точність
відтворення заданого контуру, а також висота мікронерівностей на оброблюваній
поверхні, будуть залежати в першу чергу від точності сумісного відпрацювання
переміщень приводами подач обладнання. Особливо актуально питання
41
прогнозування макро- та мікрогеометрії постає при обробці матеріалів, що мають
незначну межу міцності (швидкість гідроруйнування таких матеріалів досить
істотна), а також при використанні додаткових пристроїв інтенсифікації обробки,
наприклад, вібраторів струминної головки, пристроїв залежної швидкості подачі.
Переміщення подач можуть здійснювати найрізноманітніші
електромеханічні та електрогідравлічні системи. У деяких випадках можливе
використання приводів для інтенсифікації обробки шляхом накладення вібрацій
на зону обробки.
При цьому виникаючі помилки відтворення оброблюваного контуру найбільш
доцільно визначати на основі результатів обчислень на математичній моделі, що
адекватно описує реальну динамічну систему приводів подач. Такий підхід дає
змогу не тільки прогнозувати очікувану точність та якість обробки, але й
виконувати оптимізацію динамічної системи, її корегування залежно від
конструктивних та технологічних параметрів та висунутих технологічних вимог.
Розглянемо утворення поверхневого шару на бічних поверхнях контуру різу,
котрий характеризуватиметься певною шорсткістю. Нехай необхідно виконати
різання листового матеріалу по прямій, що проходе під кутом а до системи
координат приводів XOY, рис. 2.6. Вважаємо, що під дією швидкоплинного
струменя матеріал руйнується абсолютно рівномірно, пропорційно питомому тиску,
прикладеному до елементарної площадки поверхні, і в результаті такого
руйнування утворюється абсолютно правильний симетричний паз [25].
Відхилення траєкторії реального переміщення центру струменя від заданого
викликатиметься динамічними помилками відпрацювання приводів, внаслідок чого
можна очікувати появу певних мікровиступів та мікрозаглиблень на поверхні (рис.
2.7).
Перейдемо до нової системи координат X0OY0, вісь Х0 якої співпадатиме з
напрямом траєкторії руху центра струменя. При цьому значення динамічних
помилок обходу контуру в новій системі координат визначаться як
x0 = y sin ;
y0 = y cos ;
42
Так як за умови вісь Х0 повинна співпадати з напрямом руху струменя, то
мікрогеометрію бічних поверхонь контуру різу визначатимуть відхилення у0.
Однак швидкоплинний струмінь рідини має визначений діаметр, відмінний від
геометричної точки, і тому профіль поверхневого шару буде являти собою
еквідистантну огинаючу реального контуру, що проходе по верхівках периферії
струменя.
Рис. 2.6. Утворення відхилень контуру від динамічних помилок
відпрацювання заданих переміщень приводами подач
Рис.2.7. Схема утворення поверхневого виступу
Аналіз динаміки роботи приводів подач доводить, що нелінійні помилки
відпрацювання переміщень мають квазігармонійний характер. Це дозволяє
схематично представити задачу визначення максимальної висоти мікронерівностей
як послідовну зміну положень центру струменя у новій системі координат X0OY0,
який прямолінійно рухається між найбільш віддаленими точками реального
43
контуру (рис. 2.7).
Така постановка задачі дозволяє визначати висоту мікронерівностей виходячи з
амплітуди динамічних відхилень приводу (у), їх частоти ( ) та швидкості руху
центру струменя уздовж заданої траєкторії (v).
Розглянемо схему утворення мікронерівностей, рис. 2.6. Максимальна висота
мікровиступу Rz буде дорівнювати сумі величин d/2 та h. Остання визначиться по
геометричним співвідношенням, виходячи з величин L та Р, та приймаючи рівність
кутів на відповідних паралелях. Маємо, що величина відрізка L буде дорівнюватиме
L=R/cos β. Кут β неважко визначити з тригонометричних співвідношень для
прямокутного трикутника О1BО2, приймаючи, що величина 02B=v/2 - поздовжній
півперіод динамічної помилки, а величина О1В - подвійна амплітуда відхилень -
О1B~2 ycosос a. Маємо:
v / 2 v
tan( ) = ; = arctan . (2.30)
2y cos 4y cos
Тоді маємо змогу визначити величину Р:
v v R
P = − L = − . (2-31)
2 2 cos
Звідси висота h за умови R=d/2, де R - радіус струменя, буде становити
v R
−
2 cos v R 4y cos
h = = −
tan 2 cos
v
А загальна висота мікровиступів Rz визначатиметься по такій залежності:
v R 4y cos
Rz = R + − (2.32)
2 v v
cosarctan
4y cos
Введемо позначення:
2 ycosa = A- параметр амплітуди динамічних відхилень;
v/2 = tx- поздовжній півперіод динамічної помилки.
Тоді формула матиме вигляд:
44
R
Rz = R + A1−
(2.33)
t x cos(arctan(t x / A ))
Значення А та tx можна отримати як на основі математичного моделювання
поведінки приводів подач, так і за результатами осцилографування руху
робочого органу.
Криві зміни шорсткості бокових поверхонь контуру різу залежно від
параметрів динамічної системи приводів подано на рис. 2.8.
Так, на рис. 2.8 ,а подано криві, що відображають залежність остаточної
висоти мікронерівностей бічних поверхонь контуру різу від швидкості подачі
для діаметрів сопел: 1 - 0.1мм; 2 - 0.2 мм; 3 - 0.3 мм. Дані отримані за таких
умов: амплітуда коливань контрольованої координати при переміщенні - 0.05
мм, частота коливань - 30 Гц, кут нахилу контуру до осі х основної системи
координат - 0.25.
На рис. 2.8 ,б подано залежність зміни шорсткості поверхні від частоти
динамічних відхилень приводу подач. Швидкість руху приводу - 10 мм/с. Інші
умови ті ж самі. Маємо, що збільшення частоти динамічних відхилень
практично повністю вирівнює істотні відхилення (а, відтоді, і шорсткість
поверхні), особливо при збільшеному діаметрі сопла. Якщо ж представити
графік залежності Rz від tx (рис. 2.9), то стає очевидним те, що саме ці
параметри, виражені через tx, і обумовлюватимуть остаточну шорсткість поверхні.
Зростання ж параметру А, котрий відображає амплітуду коливань, приводить до
майже лінійного зростання висоти мікронерівностей.
45
а)
б)
Рис.2.9. Зміна висоти мікровиступів на поверхні контуру різу в функції
параметру tx
46
Таким чином, забезпечення мінімальної шорсткості поверхні можливе за умови
tx—> min, A—> min, dтах. Тож маємо, що більш якісну поверхню можна отримати при
мінімальних динамічних помилках приводу, а при неможливості уникнути останні -
при максимальній подачі і відносно невеликих кутах нахилу траєкторії руху центру
струменя до осей координат, які співпадають з осями роботи приводів подач.
Порівняння швидкісних характеристик динамічних відхилень при
відпрацюванні заданого контуру зі швидкістю заглиблення площадки руйнування
у оброблюваний матеріал доводить, що ці швидкості мають однаковий порядок
значимості й повинні враховуватися при оцінці якості утвореної поверхні розділу.
47
Розділ 3. Відтворення імітаційної моделі формування деструктивного
шару та візуалізащї борозенки різа для оптимізаційних досліджень
гідрорізання
3.1. Формування лунки гідроруйнування в тонкому шарі
Розрахункові залежності, що описують механізми руйнування неметалевого
композитного матеріалу та формування деструктивного шару, отримані нами у
попередніх розділах роботи, дозволяють оцінити пошукові параметри ефективності
гідрорізання, зокрема, очікуваної товщини деструктивного шару, рівня
шорсткості поверхні, макрогеометричних помилок відтворення заданого контуру,
тощо. Однак відмінність та неоднорідність фізико-механічних властивостей
реальних матеріалів у заданому обсязі гідрообробки, ймовірні порушення структури
призводять виникнення помилок при розрахунках. З іншого боку, має місце
взаємний вплив окремих технологічних факторів та параметрів процесу струминного
руйнування (наприклад, тріщиноутворення та перерозподіл гідродинамічного
навантаження між фракціями композита), врахувати який за допомогою
детермінованих розрахункових залежностей досить складно.
Для підвищення точності розрахунків та отримання достовірної інформації
про очікуваний стан поверхні розділу та її мікро- і макрогеометричну форму в
роботі використано методи імітаційного моделювання.
Розглядатимемо задачу формоутворення при гідрорізанні як деякий процес
формування борозенки різу в оброблюваному матеріалі, на поверхні якої внаслідок
протікання мікромеханізмів гідроруйнування та порушення фізико-механічних
властивостей оброблюваного матеріалу створився дефектний деструктивний
шар.
Нехай натікання струменя діаметром d на плоский оброблюваний матеріал з
деякою поздовжньою подачею s викликає появу в матеріалі борозенки різа
глибиною h, (рис. 3.1). Розглядатимемо оброблювану заготовку як твердий
півпростір, фізико-механічні властивості якого у кожній точці в загальному
випадку відмінні і можуть бути визначені на основі експериментальних
досліджень. Нанесемо на поверхню заготовки ортогональну сітку з кроком х у та
48
присвоїмо кожному вузлу маркер А. У кожній точці вузла А відтворимо
перпендикулярну вісь. Визначимо фізико-механічні властивості оброблюваного
матеріалу у вузлах та вглиб з кроком z (внаслідок того, що композити мають
регулярну структуру, очікувана зміна властивостей по вертикалі, наприклад,
межі міцності Тm, відбуватиметься за певним законом).
Рис.3.1. Схема прив’язки вузлів визначення фізико-механічних
властивостей оброблюваної заготовки
Виділимо тонкий перетин х, що знаходиться між двома площинами (рис.3.2),
які проходять через вузли Aіj та A+1j. Вважаємо, що фізико-механічні властивості
окремих фракцій матеріалу в межах виділеного тонкого шару є незмінними і
встановлюються як середнє арифметичне властивостей, визначених у точка Аіj- та
Аіj+ij, і так само можуть визначатися у сусідніх тонких шарах Aі-1j - Aіj та Aі+1j - Aі+2j.
Таке припущення дозволяє звести задачу об'ємного формування борозенки різу до
площинної задачі розвитку профілю борозенки різу в певному перетині. При
цьому, оброблюваний композит можна уявити як ортотропний матеріал, в якому
спостерігається послідовна зміна фракцій з детермінованими властивостями.
Вважаючи, що композит, в основному, являє собою двофазний матеріал
(армувальна матриця та наповнювач), кожна з фаз у якому взаємодіє з іншою уздовж
межі контакту, розглядаємо існування перехідної ділянки, що утворюється на
адгезійному зчепленні фаз та володіє власними фізико-механічними
властивостями.
49
Такий підхід забезпечує визначення властивостей матеріалу у вузлах zіj як:
ij = 0ij + ij
де оіj встановлюється на основі детермінованої послідовності переходу від
одної складової композиту до іншої, а oіj враховує ймовірну відмінність
властивостей у фіксованих вузлах, розташованих на одному рівні Zіj, причому
Tm = k m .
Напружений стан мікрообсягів перетину, що розглядається, у зоні
гідроруйнування буде обумовлюватися струминним навантаженням та граничними
ефектами від двох суміжних перетинів. Таким чином, послідовний перехід між
перетинами дозволяє уявити очікувану борозенку різу як ряд профілів лунки
гідроруйнування, отриманих при наданні струминній головці руху поступової
подачі.
Для встановлення профілю видаленого з перетину з елемента поверхні
оброблюваної заготовки при струминному впливі скористуємося положенням
про існування кількох механізмів мікроруйнування композитів при локальному
навантаженні [27], [29]:
- руйнування окремих волокон (рис.3.3), що розта-шовані безпосередньо у зоні
навантаження при q f fb ;
- відшарування зруйнованих волокон при q f fb та q1 fb f ;
- розвиток тріщини у волокні при q f fb та q2 fb fm
50
Рис. 3.2. Розрахункова схема тонкого перетину
Тут і далі позначено: of - напруга у волокні; ofa - локальна межа міцності
волокна; of та Ofa - мінімальні напруги у волокні, при яких його руйнування
викликало б відшарування або розвиток тріщини у матриці; q, qi, q2 - коефіцієнти
врахування дії продуктів гідроерозії.
Швидкість занурення піщинки гідроруйнування в оброблюваний матеріал
визначали за співвідношенням:
51
Рис. 3.3. Схема розрахунку характеристик елементів перетину при імітаційному
моделюванні
52
(pi −T ,
mK )r 2
c v
v = i (3.1)
ij
T ,
mKr 2
pb v, - відповідно миттєве значення тиску та швидкості витікання струменя
з сопла;
Тт' - міцність компонента оброблюваного матеріалу;
К- коефіцієнт перерозподілу напружень.
Таким чином, руйнування окремих волокон виникає у випадку перевищення
виникаючих напружень Of локальної межі міцності оf. Однак ці ж напруги можуть
викликати відшарування волокна від матриці або розвиток когезійної тріщини.
Довжину виключання волокна при відшаруванні встановлено рівнянням [29]:
fb − f
l0 = lc (3.2)
13 bEk
де b' - глибина тріщини;
lс - критична довжина;
Е - модуль пружності;
rТ- дотичні напруги;
kr=0.3...1.5
Напруження від дії швидкоплинного струменя визначали з урахуванням
положення елемента поверхні розділу та швидкості зміни його орієнтування: для
квазістатичного положення площинки гідрорізання
2 2
m = p p ( ) = p(1+ sin ) (0.5ur +Qur ) (3.3)
та
= 3K 1.5C1.5 v t0
d p (3.4)
K3 t
при зміні кута нахилу елемента поверхні розділу відносно осі швидкоплинного
струменя.
Введення коефіцієнтів q, q1, q2 дозволяє оцінити вплив продуктів
гідроерозії як активізатору внутрішніх концентраторів напружень та ефекту
Ребіндера як для армувальних волокон, так і для матриці композита.
53
Локальні процеси струминного руйнування викликають перерозподіл
напружень в мікрообсягах композиту, яке враховується відповідними
коефіцієнтами перенавантаження: К, Kv Km. Одночасно з цим, руйнування
окремих волокон супроводжується перерозподілом напружень на сусідні
волокна та частковим сприйняттям матрицею.
У відповідності до роботи [28] коефіцієнти перенавантаження можна
визначити так:
1
K =
1/(r )
y
де ȹ(rу) - функція, яка враховує амплітуду додаткових навантажень в
армувальних волокнах в системі координат.
Тоді, з урахуванням дії гідродинамічних ефектів, коефіцієнт Кт
перерозподілу напружень у матриці визначимо рівнянням
0.105
Km = c p (3.5)
b
1+ 3.16
Em
коефіцієнт перерозподілу напружень у сусідніх волокнах
b ,
K = K 1− m (r )
y (3.6)
b
а коефіцієнт перерозподілу напружень від відшаруванння волокна від
матриці
l
K = K 0
v +1 (3.7)
lc
Функцію ȹ(rу) визначили у вигляді ȹ(rу) = r ч
у , причому
( )2 ( )2rij = xi − x j + yi − y j (3.8)
Критерієм макроруйнування з виносом шламу із зони різання вважатимемо
одночасний прояв механізму перерізання волокон тріщинами у всіх сусідніх до
розглянутого Vijk вузлах: Vijk+1, Vij+lh Vy.Ib Vijk.i. Якщо умова на кінець дії струминного
навантаження виконується, вузол залучається до контуру профілю лунки
заглиблення. Випадок існування трьох вузлів розглядається як можливий рух
магістральної тріщини, для якої виконується обчислення навантаження від дії
54
гідравлічного клина. При цьому перерозподіл навантаження виконується як і у
попередньому випадку.
3.2. Візуалізація борозенки різу
Розглянемо задачу формоутворення при гідрорізанні у динамічній постановці.
Для отримання борозенки різання струминній головці надамо переміщення уздовж
поверхні зі швидкістю подачі h. Перенесення гідровпливу призведе до
утворення деякої канавки, що буде характеризуватися певною шириною та
глибиною ht. Припускаємо, що для однорідного матеріалу зміна зазначених
параметрів буде обумовлюватися часом, протягом якого струмінь буде
знаходитися довкола визначеної точки.
Нехай струменеформуюче сопло має отвір, близький до кола. Тоді можна
вважати, що такий самий перетин матиме і швидкоплинний струмінь. За вище
доведеної умови поверхня оброблюваного матеріалу під дією гідроструменя
руйнуватиметься на деякій ділянці dnp.
Виникаюча при цьому лунка зростає з плином часу. Швидкість зростання
лунки залежатиме від фізико-механічних властивостей матеріалу, тиску струменя,
діаметра струменеформуючого каналу, тощо. Для спрощення обчислень при
моделюванні вважаємо, що профіль лунки може бути описаний сімейством
кривих полінома, коефіцієнти кожного з членів якого, окрім вільного, є функціями
часу.
Виділимо перетин Aj-Aj, (рис. 3.4), на якому позначимо точку,-. Ця точка
відповідає тому місцю, де крива полінома перетинає площину Aj-Aj (уздовж
центральної осі профілю). З плином часу точка А, починає переміщуватися вниз із
зростаючою швидкістю, котру можна оцінити як
Z − Z
v Ri Ri+1
1 = (3.9)
t
Це дає змогу побудувати криву руху точки Rt у функції часу (криву
зображено в нижній частині рис. 3.4), а далі - визначити місцезнаходження кожної
точки, подібної до тієї, що розглядається, з плином часу за її відстанню від осі
струменя.
55
З фізичної точки зору така необхідність обумовлена тим, що кожна зона
струменя по-різному впливатиме на матеріал, а, відтак, і швидкість руйнування
останнього в різних перетинах буде різною.
Надамо системі координат X2OZ2 рух подачі зі швидкістю v яка у загальному
випадку може бути довільною. Знаючи крок відстані Ак перетинів Aj-Aj одне від
одного, неважко визначити час, який буде відображати переміщення системи
X2OZ2 відносно XiOZj з переходом перетину Aj-Aj до Aj+i-Aj+i і так далі:
k
t = (3.10)
vn
Отримане значення часу дозволяє перевизначити положення точок (на рис. 3.4
вони зображені як Ri+n(t+At), однак відстань Ri+n(t+At) - Ri+n(t) необхідно додати до
плинної точки перетину Aj+i-Aj+i).
Рис.3.4. Моделювання поверхні, утвореної з поздовжньою подачею
Таке перевизначення координат здійснюється для всіх точок. Тож маємо
змогу визначити огинаючу отриманих точок, що буде являти собою профіль
утвореної поверхні у міделевому перетині.
Поданий алгоритм має неточність, яка полягає у тому, що не враховується
56
плавна зміна швидкості заглиблення двох сусідніх точок, які розташовані на
перетинах Aj-Aj та Aj+i-Aj+i. Однак при значній кількості перетинів, розташованих
на невеликій відстані одне від одного цією неточністю можна нехтувати -
суттєвого впливу на профілеутворення вона не має.
Якщо оброблюваний матеріал має досить високу міцність, утворення борозенки
різу за тих самих умов буде обов'язково супроводжуватися зміною не тільки
глибини борозенки, а і її ширини. Можна очікувати, що рух гіпотетичної точки А,
розташованої на периферії плями контакту гідровпливу (рис. 3.5) буде
нерівномірним, а сама точка займатиме ряд послідовних станів за визначену
дискрету At протягом певного часу (рис. 3.6). Вважаємо, що для апроксимації
профілю лунки використовується закон вигляду z=axb.
Рис. 3.5. Схема утворення лунки різу при збільшенні її ширини
При цьому параметр b буде визначати кривизну контуру, а параметр а є
57
масштабним коефіцієнтом. Виконуючи апроксимацію за 5 - 7 точками та переходячи
до нової системи координат X'OZ' маємо сімейство кривих, котрі визначаються
власними коефіцієнтами а і Ь та за відстанню між системами координат X'OZ' та
XOZ однозначно визначають контур огинаючої поверхні.
Так, здійснюється перехід від задавання контуру по фіксованих точках (рис.
3.7,а) до задавання симетричного контуру з плинним перетином (рис. 3.7,б).
а б
Рис.3.6. Зміна швидкості переміщення точки А (а) та плинного значення
діаметра (б) утвореної лунки різу
а б
Рис.3.7. Опис контуру по фіксованих точках (а) та по точках з плинним
перетином (б)
З урахуванням вище викладеного алгоритм перевизначення перетинів контуру
різу визначатиметься так. Нехай відома швидкість зростання лунки різу за
відповідними значеннями коефіцієнтів а і Ь, а також параметр h (рис. 3.8).
58
Для фіксованого моменту часу формули кривих для будь-яких перетинів
(1,2 ...) можна визначити, використовуючи підходи аналітичної геометрії, за умови,
що в результаті гідровпливу утворено круговий параболоїд. Це дає змогу записати
формули сімейства парабол для вказаних перетинів:
Z=xa/2dt (3.11)
Зміна часу гідровпливу на дискрету At призводить до зростання заглиблення,
причому величину Ah для кожного конкретного перетину неважко встановити з
профілограми реальної поверхні.
Рис.3.8. До визначення профілю лунки різу
Відслідковування швидкості заглиблення гіпотетичних точок d, e, f, g,
розташованих на периферії, дозволяє визначити для кожної з них швидкість
заглиблення, і пов'язати цю швидкість з відстанню від осі струменя.
Якщо струменю надати робочу подачу, то перенесення зони гідровпливу
може бути визначене як переобчислення положення точок d', е, f, g' встановлене на
підставі визначення нової глибини лунки шляхом додавання величини h до
плинного значення глибини точок, визначення нової загальної глибини контуру у
певному перетині та підбору коефіцієнтів кривої а і Ь, що відповідають такій
59
глибині. Загальна послідовність розрахунку:
1. Визначення параметрів лунки заглиблення на фіксований момент часу,
переобчислення координат вершин та профілів перетинів у всіх встановлених
площинах (1,2,3 ...).
2. Уточнення швидкостей зростання заглиблення на основі
експериментальних даних.
3. Надання робочої подачі. Встановлення кроку переміщення центру
струменя та визначення його координати з перевизначенням нової системи
координат.
4. Розрахунок величини заглиблення струменя для нових площин (рівняння
(3.1) та (3.3), (3.4), підбір коефіцієнтів а і b для центрального (що проходить
через вісь струменя) перетину. Встановлення рівнянь перетинів на основі залежності
(3.11) по відомій формулі центрального перетину.
3.3. Ідентифікація перетинів різу
Для ідентифікації кривих, за допомогою яких можна відтворити профіль
борозенки різу та його зміну протягом часу струминного впливу, проведено ряд
ідентифікаційних досліджень.
На робочий стіл 1, розташований перпендикулярно напряму витікання струменя
з сопла 2 (рис. 3.9) встановлювали досліджувану заготовку 3, яка являла собою
оргскло з полірованою бічною поверхнею товщиною 15 мм. Перед склом
розташовували високоміцну відбійну пластинку 4 з виконаним в своїй центральній
частині отвором А, встановлену на осі 5. Обертове переміщення пластинки
здійснювалося за допомогою електромагніту 6 типу МО-100Б, що має час
спрацювання 0.11 с на довжині робочого ходу 6.5 мм (робочий хід відповідає
отвору в відбійній пластинці 4).
60
Рис.3.9. Схема пристрою для виконання експерименту
Зворотній рух пластинки забезпечується пружиною, встановленою на
коромислі привода.
Отвір А у пластинці 4 розташований так, що при вмиканні електромагніту
6 струмінь натікає на пластинку 4 і не потрапляє до оброблюваної поверхні, а
при вимкненні магніту під дією пружини пластинка змінює своє положення,
відкриваючи при русі на визначений час доступ струменя до оброблюваної поверхні,
після чого знову перекриває натікання струменя.
Таким чином, відбувається струминна експозиція заготовки з визначеним
проміжком часу t. Експерименти проводили з оптично прозорими
матеріалами, піддаючи певні ділянки поверхні струминому впливу з часом t,
2 t, 3 t, i t. Після цього проводили зняття профілограми отриманої лунки на
профілографі-профілометрі мод. 201.
Використання прозорого матеріалу дозволило контролювати отриманий
профіль не тільки за допомогою профілометра-профілографа, а і візуально на
інструментальному мікроскопі (рис. 3.10).
61
Рис. 3.10. Зміна лунки руйнування з плином часу
Ідентифікацію виконували при роботі з тиском рідини 160 МПа, рідина (технічна
вода) витікала з соплової насадки коноїдального профілю діаметром 0.28 MM та
перпендикулярно натікала на оброблювану поверхню, розташовану на відстані 12
мм від зрізу сопла.
Попередній аналіз отриманих профілограм, рис. 3.11, доводить, що профіль
лунки руйнування практично симетричний, для його опису регресійною кривою
достатньо визначити координати 5...7 точок.
Рис.3.11. Профілі поверхні при струминному
руйнуванні матеріалу (час змінюється з
дискретою 0,25 с, діаметр струменя
d=0,28мм)
Виконані ідентифікаційні дослідження довели, що при струминному впливі
лунка гідроруйнування однорідного матеріалу являє собою практично симетричний
62
параболоїд з дефектами на бокових та донних частинах профілю, обумовленими
внутрішніми дефектами та нестаціонарними гідродинамічними процесами;
розвиток лунки гідроруйнування з плином часу можна описати регресійними
кривими другого порядку (параболами), коефіцієнти яких є також квадратичними
функціями часу.
Так, наприклад, розвиток лунки руйнування в оптично прозорому матеріалі -
оргсклі - при визначених режимах витікання рідини являє собою таку функцію:
f(х)=(-0.118-0.63t+16.58t2)+(4.033-46.54t-281.94t2)х+(-11.17+126.6t+818,89t2)x2
Ідентифікація процесу розвитку лунки руйнування дозволила відтворити
ряд поверхонь борозенки різу, приклади яких подано нижче.
Відтворення поверхні гідрорізання при навантаженні струменем (d=0.18 мм, що
витікає під тиском р=220 МПа, оброблюваної заготовки з органічного скла з oт = 80
МПа здійснювалося при завданні 3 функцій зміни швидкості подачі:
• постійна швидкість подачі, v=const=1.5 мм/с;
• гармонійна v=0. lsin(15t)+l;
• гармонійна із затуханням коливань у=(2е~siп(16t)+lп(0.8t))/2+0.5.
Повністю змодельовані поверхні, що утворилися за поданими вхідними впливами
(швидкостями подач), приведені на рис. 3.12. З моделі видно, що навіть незначна
зміна швидкості подачі може призвести до суттєвих перепадів рівнів заглиблення
лунки (на рис. 3.12,а - це початкова ділянка, що утворилася внаслідок незначної
витримки струменя перед завданням повздовжньої подачі; рис. 3.12,6 ілюструє той
випадок, коли переміщення здійснюється з визначеною швидкістю, що має деяку
амплітуду коливань).
63
Z1
Z2
Моделювання процесів в мультиплікаторній системі дало змогу визначити
миттєве значення тиску, під яким рідина витікає з отвору струменеформуючої
соплової насадки, а відтак, визначити плинну глибину лунки (рис. 3.13), утвореної
при наданні струменю поступової подачі. На рис. 3.14. подано змодельований
профіль поверхні при пульсаціях тиску в мультиплікаторній системі.
Рис.3.13. Пульсації тиску в
мультиплікаторній системі
64
Рис.3.14. Профіль змодельованої поверхні, отриманий при пульсаціях
тиску в системі
Вочевидь, збільшення середньої контурної швидкості при одночасній роботі
двох приводів подач обумовлює появу значних коливань переміщень, особливо при
кутах, близьких до 0 та до n/2 (рис. 3.15).
65
Рис. 3.15. Графіки помилок відпрацювання заданогопереміщення на
визначеному проміжку часу для різних кутів обходу контура. а) для шидкості
vk=5мм/с; б) для шидкості vk=5мм/с;
Окрім того, встановлено, що підвищення швидкості обходу контуру викликає
збільшення часу перехідних процесів, амплітуди коливань швидкості вихідної
ланки кожного з приводів та загальної помилки відпрацювання переміщень.
Однак, якщо у першому випадку кут обходу контуру істотно впливає на утворення
помилки відпрацювання, то при збільшенні швидкості значної різниці у помилках
для різних кутів не спостерігається. Поверхню борозенки різу, отримана при
синусоїдальній зміні напрямку руху струменя, подано на рис. 3.16.
66
Рис. 3.16. Борозенки різу, отримані із врахуванням динамічних помилок
приводів подач (а) та пульсації тиску (б)
Скрайбування високоміцних композитів зі значними швидкостями подач
вимагає залучення алгоритму визначення зміни ширини борозенки різу від
струминного навантаження поверхні з плином часу.
Перехід до моделювання композитного матеріалу вимагає врахування
можливого розшарування матеріалу, яке може бути значним при нескрізному
перерізанні (роботі із завищеною подачею).
Запропоновані підходи знайшли відображення у розробленому автором
пакеті прикладних програм (додаток ), який складається з певної кількості
функціональних блоків:
1) блоку вводу початкової інформації;
2) блоку обчислення реальної траєкторії руху центра струменя, миттєвої
контурної швидкості та прискорень;
3) блоку обчислення динамічного тиску струменя, його геометрії у
функції профілю каналу струменеформуючого сопла, відстані між
оброблюваною поверхнею та площиною різання, миттєвої епюри тиску за
перетином струменя;
4) блок обчислення положення елементів поверхні розділу у функції
миттєвих швидкості подачі та тиску рідини, встановлення навантаження
поверхні різання, визначення напрямку розповсюдження тріщин та їхнього
розгалуження;
5) блок обчислення параметрів деструктивного шару та визначення
67
профілю поверхні розділу;
6) блок візуалізації поверхні розділу з використанням підходів 3-D
моделювання;
7) блок додаткових функції (статистичної обробки результатів
розрахунку)
Поряд з відтвореною борозенкою різа або відкритим за допомогою
струменя торцем стінки виробу, користувач отримує розраховані параметри
деструктивного шару - його товщину, шорсткість, розшарування, вміст рідини
внаслідок її потрапляння у мікротріщини та внутрішні дефекти, а також
параметри хвилястості контуру та динамічної помилки. Використання
генератора випадкових чисел для встановлення значень окремих параметрів
математичної моделі та проведення серії розрахунків з наступним
статистичним опрацюванням отриманих результатів дозволяє значно
підвищити точність розрахунку, хоча дещо підвищує час роботи програми.
68
РОЗДІЛ 4. Елементи, пристрої та системи для підвищення ефективності
гідрорізання
В розділі розроблено основні принципи практичного використання концепції
адаптивного керування геометричними параметрами зони різання в композитному
матеріалі. Встановлено, що створити оптимальні умови для протікання
нестаціонарних процесів струминної ерозії оброблюваного тіла можна,
використавши двоконтурну слідкуючу систему, котра забезпечує зміну швидкості
подачі заготовки уздовж лінії різа та тиску технологічної рідини залежно від напряму
стікання відпрацьованого потоку, кут виходу та дисипація якого залежить від
положення елементів поверхні розділу. При цьому один з контурів є опорним та
забезпечує потрібне положення керуванням швидкості подачі заготовки шляхом
її зменшення від максимально можливої до необхідного рівня, а інший контур
виконує залежне корегування тиску в системі у разі, коли впливу першого контуру не
достатньо і необхідного з точки зору оптимальних умов протікання
нестаціонарних процесів струминного руйнування положення елементів поверхні
розділу не досягнуто.
Подаються також конструкції струминних головок для виконання операцій
локального гідрорізання, методики розрахунку їх елементів та загальні
рекомендації щодо використання в умовах діючого виробництва.
4.1.Мінімізація деструктивного шару за допомогою адаптивної системи
керування процесом гідрорізання
Задачу активної мінімізації товщини деструктивного шару при гідрорізанні
оболонкових виробів з неметалевих композитів розв'язано шляхом створення
адаптивної системи, в якій відбувається плинне керування параметрами, що
визначають орієнтацію елементарних площинок поверхні розділу за перетином
оброблюваного тіла - швидкістю подачі v та тиском технологічної рідини p. При
цьому відмінною рисою такої системи є одночасне взаємопов'язане керування
параметрами, що здійснюється в режимі відпрацювання on-line. Принципову схему
слідкуючої системи поданонарис. 4.1.
69
Рис.4.1. Принципова схема слідкуючої системи управління гідрорізанням
Слідкуюча система має два замкнутих контури: контур керування швидкістю
робочої подачі Кі з автономним задатчиком початкової швидкості; контур
керування миттєвим рівнем тиску технологічної рідини Кг з силовим елементом з
пропорційним керуванням. Насправді, базуючись на основних теоретичних
положеннях, викладених у 2 розділі, маємо такий зв'язок кута нахилу
площинки гідроруйнування з відповідними керованими параметрами:
sT r 2
2r
= arctan = arctan m (4.1)
h (p −Tm )r
2
c vc
А швидкість зміни кута нахилу площинки руйнування відповідно
70
становитиме:
d 1 − s v(t)
= (4.2)
dt 2 ( ( ))2 s v t dt
1+
v(t)
Таким чином, контур Кі забезпечує стабілізацію кута нахилу площинки
гідроруйнування у певних межах за рахунок швидкості подачі s, а контур К2 - за
рахунок керованої зміни тиску рідини р. Вхідною координатою даної
слідкуючої системи є кут нахилу площинки, що визначається умовами
гідрорізання, а також властивостями оброблюваного матеріалу, зокрема, Тт.
Контур Кі складається з приводного керованого двигуна М, механічної
ланки, що передає рух робочому столу 1, на якому закріплено оброблювану
заготовку 2. Зворотний зв'язок ЗЗі по положенню площинки гідроруйнування
забезпечується за допомогою датчика положення евакуйованого потоку рідини
індуктивного типу, сигнал з якого надходить на підсумовуючий елемент Еі.
Контур Кг включає блок живлення високого тиску Рі з постійною
нерегульованою витратою та постійним тиском р-const, а також додаткове
джерело Рк з пропорційним керуванням, яке забезпечується зворотним зв'язком
ЗЗ2 від того ж датчика положення. Керуючий вплив від датчика подається на
додаткове джерело живлення Рк через підсумовуючий елемент Е2.
Цільова функція керування набуває вигляду: а —> акр—> тіп,
визначеному на основі експериментальних досліджень процесу гідро різання
еталонних зразків різних матеріалів. До уваги прийнято, що кут нахилу площинки
гідроруйнування прямо пропорційний межі міцності оброблюваного матеріалу,
швидкості подачі та зворотно пропорційний тиску технологічної рідини (рис. 4.2.):
k
k T
1 m ; k 3
2s (4.3)
p
71
Перехід до керованих параметрів системи дозволяє отримати залежності sk
- f(a) pt - f(cc), постульовані функції яких зображено на рис. 4.1. у відповідних
вузлах підсумовуючих елементів Еі та Ек.
Для отримання функцій керування двома параметрами слідкуючої системи -
тиском технологічної рідини р та швидкістю подачі 5 виконано функціональний
синтез нелінійної автоматичної системи керування процесом гідрорізання
ортотропного неметалевого матеріалу.
Розрахункові схеми відповідних контурів слідкуючої системи подано на рис.
4.3, 4.4 , а відповідні структурні схеми - на рис. 4.5 - 4.7.
Привод подач модельовано у вигляді трьохмасової системи, з
зосередженими масами та пружними зв'язками поміж ними. В системі існують
нелінійності сил тертя, характеристик механічного задавача переміщень.
Рис.4.3. Розрахункова схема приводу подач
72
Рис.4.4. Розрахункова схема джерела живлення високого тиску
Вхідний вплив представлено у вигляді моменту M(t) на вхідному валу
електродвигуна. Систему високого тиску модельовано у вигляді
гідропідсилювача з пропорційним керуванням та електромагнітним задавачем
початкового положення золотника чотирьохкромкового гідророзподільника з
пружинним повертанням у початковий стан. Додаткове джерело живлення -
мультиплікаторна камера односторонньої дії, що під'єднана паралельно магістралі
високого тиску безпосередньо у місці встановлення струминної головки з
сопловою насадкою.
Зворотний зв'язок у розглянутих контурах забезпечується пропорційною
або диференційною інерційною ланками з пошуковою характеристикою (на рис. та
рис. це ланки відповідно). Уявлення процесу гідроруйнування у вигляді аперіодичної
ланки дозволяє для математичного опису збурюючого впливу використовувати
детерміновані функції кількох типів.
Загалом на розрахункових та структурних схемах прийнято такі позначення:
M(U) - вхідний вплив, заданий відповідним рушійним моментом;
J1 , J2 - моменти інерції відповідних зосереджених мас у приводі подачі;
с12, с23, b12, b23 - коефіцієнти пружності та в'язкого тертя зв'язків між
зосередженими масами;
73
тс - маса робочого столу з оброблюваною заготовкою;
кт - коефіцієнт передачі "гвинт-гайка";
Рс - сила корисного опору;
S3, Хз - швидкість руху оброблюваної заготовки та її вихідна координата;
і3 - керуючий струм, що протікає в обмотках елементу РЕП;
J4 - момент інерції електромеханічного задавача - якоря елементу РЕП;
с45 b45- коефіцієнт пружності та в'язкого тертя в елементах електромеханічного
задавача;
m5 - маса плунжера гідророзподільника;
L, L2, Ri, R2 - коефіцієнти інерційних втрат та гідравлічного опору в
магістралях нагнітання і зливу відповідно;
т, ту - маси рухомих частин силового гідроприводу та плунжеру високого
тиску відповідно;
с67 Ь67 - коефіцієнт пружності та в'язкого тертя у з'єднанні штока силового
привода з плунжером високого тиску;
Ркор ~ навантаження на плунжері;
kgi,kg2 - коефіцієнти стискуваності рідини в порожнинах гідроциліндру;
Co - жорсткість плунжерної пружини гідророзподільника;
F- активна площа силового гідроциліндра;
кр, &„ ks, ka - коефіцієнти пропорційності (ступеня зміни) положення
лімітуючого елемента поверхні розділу - площинки гідрорізання - залежно від
тиску технологічної рідини р, швидкості її витікання vc, швидкості подачі s та
міцності Тт шару оброблюваної заготовки;
Т, Т2, ТІ - постійні часу процесу гідрорізання та ланок зворотних зв'язків (1
та 3 відповідно);
кззр, k33s- коефіцієнти підсилення ланок зворотних зв'язків.
Моделювання поведінки слідкуючої системи виконано у середовищі "Matlab 5.3
у кілька етапів (розрахункові схеми та результати моделювання подано у юдатку ):
- активізація зворотного зв'язка за швидкістю подачі (точка 1 рис. 4.7);
- активізація зворотного зв'язка за тиском технологічної рідини в гідросистемі
74
(точка 3);
- одночасна активізація обох зворотніх зв'язків (точка 1 та 3);
- одночасна активізація обох зворотніх зв'язків із залученням диференційної
ланки.
75
76
При моделюванні прийнято такі припущення:
• система багатомасова, з пружно-демпфованими зв'язками між
зосередженими масами;
• в направляючих елементах існують нелінійні сили тертя, що залежать від
швидкості переміщення споріднених поверхонь, а для силового приводу - також і від
тиску у системі;
• задаючий електромагнітний елемент має інерційність;
• золотниковий гідророзподільник має нелінійну статичну характеристику,
зони нечутливості та зони насичення;
• в гідросистемі низького тиску існують пульсації тиску, що обумовлені
роботою гідростанції;
• гідравлічні магістралі мають активний та реактивний опір, що викликає
втрати тиску по довжині, на місцевих дільницях;
• камера високого тиску мультиплікатора має паразитний обсяг, сопловий
насадок встановлено безпосередньо на одній зі стінок камери, без магістральних
трубопроводів;
• в гідросистемі мають місце перетікання рідини;
• соплову насадку ідеалізовано;
• зворотній клапан повністю припиняє надходження рідини в момент
наповнення камери мультиплікатора.
Амплітуда коливань швидкості переміщення поршня силового приводу має
більш істотний вплив на тиск у робочій камері мультиплікатора: з підвищенням
амплітуди практично лінійно збільшується середній тиск, амплітуда пульсацій тиску
та його максимальне значення.
4.2. Принципи розробки обертових струминних головок для операцій
обмеженого гідрорізання
4.2.1. Вимоги до конструкцій струминних головок
Всебічний та детальний аналіз процесів, що відбуваються при поверхневій
обробці заготовки швидкоплинним струменем рідини, дозволив встановити найбільш
раціональні схеми виконання такої обробки.
77
Встановлено, що інструмент для високоефективної реалізації струменевих
технологій поверхневої обробки, повинен мати такі особливості:
1. У переважній більшості випадків струменеві головки повинні будуватися за
роторним принципом, реалізуючи тим самим одночасну обробку двома або більшою
кількістю струменів, що натікають на поверхню під мінімальними кутами
нахилу;
2. Для забезпечення обертового руху у головках може бути передбачений
спеціальний пристрій (типу турбіни) або деяке розходження кутів витікання
струменів у площині центральної осі (обертання у цьому випадку досягається за
рахунок реактивного ефекту);
3. Головки для обробки внутрішніх поверхонь також повинні мати обертові
елементи, однак на робочій консолі може розміщуватися навіть одна соплова
насадка;
4. Обробка великогабаритних виробів може здійснюватися багатосопловими
головками зі значною витратою робочої рідини. Для полегшення обертання
рухомі елементи головки слід встановлювати на спеціальні підшипники;
5. Операції різання листових шарувато-волокнистих матеріалів доцільно
проводити головками з елементами механічного підтискування оброблюваної
поверхні до базової площини;
6. Ущільнення стиків найбльш доцільно виконувати лабіринтами та
притертими шайбами. Втрати енергії струменя у цьому випадку мінімальні;
7. Зважаючи на високу точність обробки елементів струменевих головок, а,
відтоді, і їх дороговизну, створювати струменеві інструменти за блочно-модульним
принципом, найбільш доцільним також і з точки зору експлуатації головок.
8. Всі елементи головок повинні бути надійно захищеними від корозії, мати
високу стійкість до кавітаційного та фрикційного зносу. З цією метою для основних
елементів слід використовувати такі матеріали: ЭИ-893-ВД, ХН65ВМТЮ-ВД, 38
ХЮ, 38ХМЮА, 38ХНЗМФА ХВГ, ШХ9, ШХ15, Х12Н22ТЭМПР, Х18Н9Т, 2X13,
2ХН12СЧТЮ, сталі 40Х та 65Г з покриттям СДП-1, СДП-2, СДП-4, СДП-5. Чистота
обробки поверхонь, що контактують з рідиною, повинна бути не гіршою за Ra 0.32;
78
точність виконання споріднених поверхонь та окремих елементів
струменеформуючого каналу повинна відповідати 5-6 квалітету;
9. Соплові насадки слід виготовляти з твердих сплавів або полікристалічної
алмазної суміші, керуючися вартістю та середньою стійкостю за певних умов.
Найбільш доцільно виконувати обробку центрального отвору на скануючому лазері,
котрий забезпечує високу якість внутрішньої поверхні та її мікротвердість.
10. У разі використання абразивно-рідинного струменя змішувальну камеру
необхідно розміщувати поза зрізом сопла на відстані 8-12 мм з конструктивними
параметрами, поданими в роботі [8];
11. Всі сполові насадки повинні мати єдиний посадковий розмір, а самі
посадкові місця та місця кріпленні інструменту до рідинопідводної трубки бути
нормалізованими.
Таким чином, подані рекомендації можуть значно здешевити та уніфікувати
створювані інструменти, забезпечити їх високу експлуатаційну надійність та
мінімальні плинні витрати.
4.2.2. Гідроструминні головки для виконання поверхневої обробки та
мийних операції
Проведені дослідження та патентно-інформаційний пошук доводять, що при
створенні інструментів для виконання поверхневої обробки та мийних операцій
зовнішніх та внутрішніх поверхонь найбільш доцільно використовувати модульний
принцип [51], відповідно до якого на оброблюваних заготовках виділяють осовні
модулі поверхонь, котрі мають загальні класифікаційні ознаки та обробка яких
може бути здійснена ідентичним інструментом. Це спрощує та типізує подальшу
розробку необхідної номенклатури інструменту - струменевих головок, дозволяє
уникнути багатоваріантності та невизначенності при призначенні режимів ведення
обробки та загалом підвищує її ефективність. Значно знижується також і
собівартість виконання обробки.
Здійснивши попередній аналіз поверхонь виробів на досліджуваних
промислових підприємствах (AT «Полтавський алмазний завод», Збагачувальна
фабрика ЗАТ «Комсомольський гірничо-збагачувальний комбінат», ряду підприємств
79
м. Києва), складено типізуючі таблиці (табл. 4.1. та табл. 4.2) сукупності зовнішніх
та внутрішніх поверхонь, де подано основні геометричні та мікрогеометричні
характеристики елементарних поверхневих модулів із зазначенням можливих шляхів
доступу до поверхонь за умови найбільш ефективного виконання обробки. Вказані
елементарні модулі можуть поєднуватися поміж собою, утворюючи групи, доступні
для обробки без переорієнтування заготовки або зміни струменевої головки.
Останнє особливо важливо при значних розмірах та масі заготовки.
При цьому виходили з умови, що високоефективне виконання поверхневої
обробки або миття можливе лише за умови доступу струменя до оброблюваної
поверхні під кутами, не більшими за 45°.
Особливості внутрішньої обробки обумовлюватимуться можливістю вільного
доступу до оброблюваних поверхонь, що вимагає максимального зменшення
розмірів струменевих інструментів, консольного встановлення соплових насадок,
80
використання допоміжних пристроїв обертання та орієнтування головки при
обробці.
Усі головки мають роторну схему побудови, що забезпечує їм можливість
виконання обробки при обертовому русі осі струменя. Обертовий рух соплові насадки
головок отримують від потоку рідини, що надходить від насосної станції. Таким
81
чином, технологічна рідина, що безпосередньо використовується для гідровпливу,
одночасно постає і джерелом енергії для обертання соплових насадок.
Представлені конструкції передбачені для виконання обробки як площинних
поверхонь, так і отворів різного діаметра, у тому числі й малого. Одну з конструкцій
можна використовувати, наприклад, для видалення забруднень з внутрішньої
поверхні закритих резервуарів.
Конструкцію головки для виконання очищення закритих порожнин подано на
рис. 4.9
Однак відмінною рисою конструкції є те, що ротор 7 виконаний симетричним
та має чотири струменеформуючих канали, що дозволяє отримувати одночасно
чотири струмені, а обертання довкола осей ротора 7 та ротора 4 створює умови для
напівсферичного руху кожної пари струменів.
Рис.4.9. Гідроструминна головка для обробки внутрішніх порожнин
82
Внаслідок того, що практично всі струменеві головки для виконання мийних
операцій є роторними або з обертовими елементами, актуальності набуває питання
забезпечення високої надійності та сталості обертання рухомих елементів таких
головок
Для розрахунку параметрів гідроопори було розглянуто течію рідини через
порожнини опори з прийняттям таких припущнь:
• При використанні малов'язких рідин, що надходять до порожнин опори
під високим тиском, та високих відносних швидкостях ковзання, режим течії у
щілинах розвинутий турбулентний. Як свідчить робота [29], така гіпотеза
підтверджується експериментальними даними при проливанні кільцевих щілин,
для яких fmin . При цьому можна вважати, що турбулентний режим у щілинах
Р
r
виникає при Re = 1000.
v
• Кількість порожнин у опорі дорівнює безкінечності. На підставі
проведених досліджень можна вважати, що, починаючи з деякої кількості порожнин
подальше підвищення їх кількості практично не впливає на вантажоспроможність
опори. Це дає можливість розповсюджувати результати розрахунку підшипників з
безкінечною кількістю порожнин на підшипники з кінцевою, достатньо великою
кількістю.
• Коефіцієнти опору щілинних зазорів не залежать від частоти обертання
спорідненого елемента.
83
Розділ 5. Охорона праці та безпека надзвичайних ситуацій
5.1. Вимоги безпеки при роботі на верстаті для гідроабразивного
різання
1.1. До роботи на верстаті для гідроабразивного різання допускаються особи
не молодше 18 років, які мають відповідну професійну підготовку, які не мають
медичних протипоказань до виконання даного виду робіт, що пройшли вступний та
первинний на робочому місці інструктажі з охорони праці, навчання безпечним
прийомам і методам виконання робіт, правилами надання першої допомоги при
нещасних випадках на виробництві, стажування на робочому місці і перевірку знань
вимог охорони праці, а також навчання правилам електробезпеки і перевірки у знань
правил електробезпеки в обсязі посадових обов'язків; навчання правилам пожежної
безпеки та перевірку знань правил пожежної безпеки в обсязі посадових обов'язків.
1.2. При роботі на верстаті для гідроабразивного різання високим тиском
працівник повинен мати відповідну групу з електробезпеки.
1.3. Обробка повинна здійснюватися відповідно до технічної документації
організації-розробника технологічного процесу.
1.4. Не рідше одного разу на 3 місяці працівник, допущений до роботи на
верстаті для гідроабразивного різання, повинен проходити повторний інструктаж за
програмою первинного інструктажу на робочому місці; не рідше 1 разу на 12
місяців - чергову перевірку знань вимог охорони праці; періодичний медичний
огляд - відповідно до чинного законодавства РФ.
1.5. Особи, які не пройшли перевірку знань, до самостійної роботи не
допускаються.
1.6. В процесі роботи на верстаті для гідроабразивного різання високим
тиском на працівників можлива дія наступних небезпечних і шкідливих виробничих
факторів:
підвищений вміст пилу в повітрі робочої зони;
підвищена загазованість парами шкідливих хімічних речовин;
підвищена вологість повітря;
підвищений рівень шуму і вібрації;
84
небезпечний рівень напруги в електричному ланцюзі, замикання якого може
відбутися через тіло людини;
підвищений рівень статичної електрики;
вогнестійкість;
рухомі механізми і машини.
1.7. При роботі на верстаті для гідроабразивного різання високим тиском
працівник забезпечується спецодягом, спецвзуттям та іншими засобами
індивідуального захисту (ЗІЗ) відповідно до діючих Нормами безплатної видачі.
1.8. Видані спеціальний одяг, спеціальне взуття та інші засоби
індивідуального захисту повинні відповідати характеру і умовам роботи,
забезпечувати безпеку праці, мати сертифікат відповідності.
1.9. Засоби індивідуального захисту, на які немає технічної документації, до
застосування не допускаються.
1.10. Особистий одяг і спецодяг необхідно зберігати окремо в шафах і
вбиральні. Відносити спецодяг за межі підприємства забороняється.
1.11. Присутність сторонніх осіб в робочому просторі обладнання під час його
налагодження або роботи не допускається.
1.12. При роботі на верстаті для гідроабразивного різання високим тиском
працівник повідомляє свого безпосереднього керівника про будь-якій ситуації, яка
загрожує життю і здоров'ю людей, про кожний нещасний випадок, що стався на
робочому місці, про погіршення стану свого здоров'я, у тому числі про прояв ознак
гострого захворювання.
1.13. При роботі на верстаті для гідроабразивного різання високим тиском
працівник повинен:
дотримуватися Правил внутрішнього трудового розпорядку і встановлений
режим праці та відпочинку;
виконувати роботу, що входить в його обов'язки або доручену
адміністрацією, за умови, що він навчений правилам безпечного виконання цієї
роботи;
застосовувати безпечні прийоми виконання робіт;
85
знати організаційно-розпорядчі, нормативні, методичні документи з питань
експлуатації обладнання, апаратури, приладів і пристроїв;
знати схеми, технічні характеристики, конструктивні особливості, режими
експлуатації обладнання, апаратури.
1.14. Курити і приймати їжу дозволяється тільки в спеціально відведених для
цієї мети місцях. Перед їжею необхідно ретельно вимити руки з милом.
1.15. Забороняється вживати спиртні напої і перебувати на території
підприємства в нетверезому стані або під впливом наркотичних та інших речовин.
1.16. Працівник повинен вміти надавати першу допомогу потерпілому при
нещасному випадку на виробництві, знати місця розташування аптечки для надання
першої допомоги при нещасних випадках і правила її використання.
1.17. При виявленні порушень вимог охорони праці та пожежної безпеки
повідомити про це свого безпосереднього керівника.
1.18. Для пиття слід вживати воду з кулерів, обладнаних фонтанчиків або
питних бачків.
1.19. При переході місць проїзду автотранспорту необхідно:
дотримуватися правил дорожнього руху для пішоходів;
побачивши рухомий назустріч транспорт, встати в безпечне місце і дати
дорогу;
бути уважним до сигналів, що подаються водіями транспортних засобів,
і виконувати їх.
5.2. Вимоги охорони праці перед початком роботи
2.1. Одягти спецодяг і спецвзуття. Спецодяг повинен бути застебнутий.
Волосся прибрати під головний убір. Забороняється тримати в кишенях одягу гострі,
предмети, що б'ються.
2.2. Отримати завдання від керівника на виконання робіт на верстаті для
гідроабразивного різання високим тиском.
2.3. Перевірити стан освітленості робочого місця. При необхідності
відрегулювати місцеве освітлення установки так, щоб робоча зона була достатньо
86
освітлена, і світло не потрапляв прямо в очі. Забороняється користуватися місцевим
освітленням з напругою понад 36 В.
2.4. Перевірити справність заземлення, наявність і справність протипожежного
інвентарю, наявність засобів індивідуального захисту, роботу вентиляційних
установок, електроустаткування.
2.5. Перевірити кріплення шлангів і з'єднань.
2.6. Підготувати робоче місце для безпечної роботи:
перевірити стійкість виробничого столу, стелажа, міцність кріплення
обладнання до фундаментів і підставок;
надійно встановити (закріпити) пересувне (переносне) обладнання та
інвентар на робочому столі, підставці;
зручно і стійко розмістити інструмент, пристосування;
відсутність сторонніх предметів всередині і навколо обладнання.
2.7. Переконатися в готовності установки до запуску: бічні панелі і задня
панель установки повинні бути закріплені на корпусі, пускова апаратура установки -
в справності.
2.8. Переконатися в справності вентиляційної системи.
2.9. Перевірити наявність, справність пристроїв подачі охолоджуючих масел і
мастильно-охолоджуючих рідин (МОР).
2.10. Перевірити справність установки на холостому ходу.
2.11. У разі несправності установки та обладнання негайно повідомити про це
відповідальній особі і до усунення несправності до роботи не приступати.
Працювати на несправних і на які не мають необхідних захисних огороджень
установках забороняється.
2.12. Дерев'яні грати, що знаходиться під ногами, повинна бути завжди
справна.
2.13. Не зберігати легкозаймисті речовини (спиртовмісні, бензин) поблизу
обладнання.
5.3 Вимоги охорони праці під час роботи
3.1. Працювати тільки в справному спецодязі і спецвзутті і застосовувати
87
індивідуальні засоби захисту.
3.2. Працювати при наявності та справності огороджень, блокувальних і інших
пристроїв, що забезпечують безпеку праці, при достатньому освітленні.
3.4. Роботу робити при справній припливно-витяжної вентиляції.
3.5. Чи не перебувати поблизу від піднятих краном вантажів.
3.6. Зона різання або утворився в результаті отвір повинні бути надійно і
наочно обгороджені.
3.7. Забороняється входити в зону різання в процесі виконання робіт.
3.8. Стежити за тим, щоб рукоятки були сухими, чистими, без масла і жиру.
3.9. Перед включенням установки прибрати з нього регулювальні або гайкові
ключі.
3.10. Проводити заміну елементів, наладку, прибирання установки тільки
після повної її зупинки і зняття напруги з установкою плаката на рубильнику
(автоматі) «Не включати. Працюють люди ».
3.11. Забороняється різати матеріали, які в результаті процесу різання можуть
утворювати токсичну, шкідливу або вибухонебезпечний пил або пари.
3.12. Правильно встановлювати і надійно закріплювати розрізається
(обробляється) матеріал.
3.13. Відкриті струмопровідні частини ручних плазмотронів повинні бути або
електрично ізольовані від струмоведучих частин, або заземлені, або покриті
електричним ізоляційним матеріалом.
3.14. Пристрої для автоматичного і напівавтоматичного обробки повинні мати
блокування, що виключає шунтування нормально розімкнутих контактів в ланцюзі
живлення котушки пускача або контактора при відсутності зварювальної дуги.
3.15. При щоденному обслуговуванні необхідно перевіряти:
справність підвідних проводів;
справність контактних затискачів і роз'ємів на панелі з зажимами;
заземлення джерела живлення;
заземлення розрізається вироби або столу для різання.
3.16. При періодичному обслуговуванні (один раз на місяць) необхідно
88
перевіряти:
захисні огородження (тимчасові або стаціонарні);
безпечне розташування струмоведучих частин;
ізоляцію струмоведучих частин (робоча, додаткова, посилена, подвійна);
ізоляцію робочого місця;
мала напруга;
захисне відключення;
заземлення корпусів установок, труб, в яких прокладені проводи;
справність дверних блокувань;
заземлення стелажа і розрізається листа;
попереджувальну сигналізацію, блокування, знаки безпеки.
3.17. Перед початком роботи на робоче місце необхідно укласти ізолюючі
коврики або підставки.
3.18. Не торкатись до знаходяться в русі механізмам і обертових частин
обладнання, а також знаходяться під напругою струмоведучих частин обладнання.
3.19. Утримувати в порядку і чистоті робоче місце.
3.20. Сторонні предмети і інструмент розташовувати на відстані від рухомих
механізмів.
3.21. Працювати в засобах індивідуального захисту.
3.22. Не залишати працююче обладнання без нагляду.
3.23. Забороняється під час роботи обладнання виробляти його ремонт і
налагодження.
3.24. Дотримуватися правил переміщення в приміщенні і на території
організації, користуватися тільки встановленими проходами.
3.25. Забороняється палити, вживати їжу на робочому місці.
3.26. У разі виявлення несправності, відключити устаткування і довести до
відома керівника.
3.27. Чи не захаращувати робоче місце, проходи і проїзди до нього, проходи
між устаткуванням, стелажами, проходи до пультів управління, рубильники, шляхи
евакуації та інші проходи порожньої тарою, інвентарем та ін.
89
3.28. Бути уважним, обережним і не відволікатися на сторонні розмови, не
відволікати інших.
3.29. У процесі роботи необхідно правильно застосовувати спецодяг,
спецвзуття та інші засоби індивідуального захисту.
3.30. Протягом усього робочого дня тримати в порядку і чистоті робоче місце,
не допускати захаращення підходів до робочого місця, користуватися тільки
встановленими проходами.
3.31. Дотримуватись встановлених режимом робочого часу, регламентовані
перерви в роботі.
3.32. Чітко виконувати у встановлені терміни накази і розпорядження
керівництва підприємства, посадових осіб, відповідальних за здійснення
виробничого контролю, а також приписи представників органів державного
нагляду
5.4. Вимоги охорони праці в аварійних ситуаціях
4.1. При виникненні поломки устаткування, загрозливою аварією на робочому
місці: припинити його експлуатацію; доповісти про вжиті заходи безпосередньому
керівникові і діяти відповідно до отриманих вказівок.
4.2. В аварійній обстановці: оповістити про небезпеку оточуючих людей,
доповісти безпосередньому керівнику про те, що трапилося і діяти відповідно до
плану ліквідації аварій.
4.3. При загорянні електроустаткування для його гасіння слід застосовувати
тільки вуглекислотні або порошкові вогнегасники, які не направляючи в сторону
людей струмінь вуглекислоти і порошку.
4.4. При виникненні пожежі необхідно:
припинити роботу;
відключити обладнання;
викликати пожежну команду по телефону 101, повідомити керівника робіт і
приступити до гасіння пожежі наявними засобами.
4.5. У разі виявлення будь-якої несправності, що порушує нормальний режим
роботи, її необхідно зупинити. Про всі помічені недоліки безпосереднього керівника
90
довести до відома.
4.6. При нещасному випадку необхідно звільнити потерпілого від
травмуючого фактора, дотримуючись власну безпеку, надати йому першу
допомогу, при необхідності викликати бригаду швидкої допомоги по телефону
103, повідомити про подію керівництву і по можливості зберегти без змін
обстановку на робочому місці, якщо це не призведе до аварії і / або
травмування інших людей.
5.5. Пожежна безпека
5.1. Вимкнути використовуване обладнання.
5.2. Привести в порядок робоче місце, прибрати відходи.
5.3. Інструмент, пристосування привести в порядок і прибрати у відведене для
них місце.
5.4. Зняти спецодяг, оглянути привести в порядок і прибрати в спеціально
відведене місце.
5.5. Помити руки, обличчя з милом, при можливості прийняти душ.
Забороняється мити руки гасом, бензином, маслом.
5.6. Повідомити керівника робіт про всі несправності і недоліки, помічені
під час роботи, а також про вжиті заходи.
5.6. Правила охорони праці під час роботи з абразивним інструментом
Згідно зі статтею 6 Закону України «Про охорону праці» умови праці на
робочому місці, безпека технологічних процесів, машин, механізмів, устаткування
та інших засобів виробництва, стан засобів колективного та індивідуального
захисту, що використовуються працівником, а також санітарно-побутові умови
повинні відповідати вимогам законодавства.
2.2. Для створення відповідних умов праці в цехах, в яких проводиться
обробка заготовок абразивним інструментом, необхідно передбачати:
ефективну аерацію будинків;
установку вентиляційних й аспіраційних пристроїв, повітряне й повітряно-
водяне душування робочих зон і робочих місць;
91
кондиціонування повітря;
захист від джерел тепловипромінювання, електричних, електромагнітних і
магнітних полів, ультразвуку, шуму;
широке використання засобів колективного та індивідуального захисту;
нормальне освітлення;
систематичне та ретельне прибирання приміщень.
2.3. З урахуванням специфіки роботи, чисельності працівників, умов праці
роботодавець розробляє і затверджує положення про службу охорони праці
відповідно до Типового положення про службу охорони праці, затвердженого
наказом Державного комітету України з нагляду за охороною праці від 15 листопада
2004 року № 255, зареєстрованого в Міністерстві юстиції України 1 грудня 2004
року за № 1526/10125 (далі - НПАОП 0.00-4.21-04).
2.4. Інструкції з охорони праці повинні відповідати вимогам Положення про
розробку інструкцій з охорони праці, затвердженого наказом Комітету по нагляду за
охороною праці Міністерства праці та соціальної політики України від 29 січня 1998
року № 9, зареєстрованого в Міністерстві юстиції України 7 квітня 1998 року за №
226/2666 (далі - НПАОП 0.00-4.15-98), Порядку опрацювання і затвердження
власником нормативних актів про охорону праці, що діють на підприємстві,
затвердженого наказом Державного комітету України по нагляду за охороною праці
від 21 грудня 1993 року № 132, зареєстрованого в Міністерстві юстиції України 7
лютого 1994 року за № 20/229 (далі - НПАОП 0.00-6.03-93).
2.5. Забороняється застосування праці жінок на роботах, зазначених
у Переліку важких робіт та робіт із шкідливими і небезпечними умовами праці, на
яких забороняється застосування праці жінок, затвердженому наказом Міністерства
охорони здоров'я України від 29 грудня 1993 року № 256, зареєстрованому в
Міністерстві юстиції України 30 березня 1994 року за № 51/260.
2.6. Особи, молодші 18 років, не допускаються до роботи на посадах,
зазначених у Переліку важких робіт і робіт із шкідливими і небезпечними умовами
праці, на яких забороняється застосування праці неповнолітніх, затвердженому
92
наказом Міністерства охорони здоров’я України від 31 березня 1994 року № 46,
зареєстрованому в Міністерстві юстиції України 28 липня 1994 року за № 176/385.
2.7. При обробці токсичних металів для захисту шкірного покриву рук від
впливу мастильно-охолоджувальних рідин (далі - МОР) і пилу повинні
застосовуватися дерматологічні засоби (профілактичні пасти, мазі тощо) відповідно
до вимог ГОСТ 12.4.068-79 «ССБТ. Средства индивидуальной защиты
дерматологические. Классификация и общие требования» та засоби індивідуального
захисту працівників відповідно до НПАОП 27.0-3.01-08.
2.8. При абразивній обробці працівники повинні забезпечуватися
респіраторами, захисними окулярами за ГОСТ 12.4.013-85 «ССБТ. Очки защитные.
Общие технические условия» або захисними щитками відповідно до вимог ГОСТ
12.4.023-84 «ССБТ. Щитки защитные лицевые. Общие технические требования и
методы контроля» та іншими засобами індивідуального захисту відповідно
до НПАОП 27.0-3.01-08.
2.9. Захисні пристосування, які застосовуються в процесі обробки, повинні
відповідати вимогам ГОСТ 12.2.009-80 «ССБТ. Станки металлообрабатывающие.
Общие требования безопасности» (далі - ГОСТ 12.2.009-80).
2.10. Загальні вимоги електробезпеки устаткування повинні відповідати
вимогам ГОСТ 12.1.018-93 «ССБТ. Пожаровзрывобезопасность статического
электричества. Общие требования». Обладнання та комунікації повинні бути
заземлені від статичної електрики згідно з ДСТУ 7237:2011 «ССБП.
Електробезпека. Загальні вимоги та номенклатура видів захисту».
93
ВИСНОВКИ
В результаті проведення комплексу теоретико-експериментальних досліджень
процесу гідрорізання тонкостінних виробів з неметалевих композитних
матеріалів обгрунтовано фізичну модель процесу та методологію теоретико-
експериментальних досліджень, основу якої складає положення про залежність
вихідних показників якості та продуктивності обробки від геометричних
параметрів зони різання та напруженого стану поверхні цієї зони на фронті
струминного руйнування. Задачу підвищення ефективності гідрорізання зведено
до задачі створення оптимальних умов протікання нестаціонарних процесів
струминної ерозії в зоні різання, розв'язання якої грунтується на аналізі взаємодії
з струминного динамічного потоку з елементами поверхні розділу. При цьому
сформульовано основні положення механіки струминного руйнування
композитного матеріалу
1. Встановлено, що формування борозенки різу та утворення
деструктивного поверхневого шару товщиною (2-5)dc на поверхні розділу є
наслідком гідроруйнування елементарних обсягів заготовки при її поступовому
переміщенні відносно швидкоплинного струменя, яке призводить до зародження,
зростання та розгалуження мікротріщин, орієнтованих під певними кутами
відносно осі швидкоплинного струменя (3°-15° в перетині наповнювача та
уздовж волокон на площині адгезії), їх наступного злиття з активним руйнуванням
у центрі прикладання гідровпливу і виносом шламу, та кінцевого формування
поверхні розділу периферійною частиною струменя і потоком евакуйованої
рідини, насиченим продуктами руйнування, абразивна дія яких зменшує міцність
волокон. Гаму оброблюваних композитів можна вважати крихкими, зі зменшенням
крихкості при зниженні інтенсивності прикладання струминного навантаження в
зоні виходу струменя, що обумовлює кінцеве формування поверхні борозенки різу
за рахунок механізму багатоциклового руйнування елементів деструктивного шару.
2. Модель швидкоплинного струменя, що витікає з соплової насадки малого
діаметра під тиском понад 100 МПа, як інструмента, виконуючого певну роботу
руйнування, є континуально-дискретною моделлю, вихідними
94
характеристиками якої є параметри статичного та динамічного навантаження
поверхні з детермінованими амплітудо-частотними характеристиками.
3. Певна робота руйнування при тисках понад 150 МПа здійснюється за
рахунок абразивного зносу поверхні частками шламу розмірами до 0, 1 мм,
внаслідок чого міцність армувальних волокон знижується 1,5-3,5 разів, а
швидкість проникнення струменя в оброблюваний матеріал протягом перших
200 мкс зростає в 1,8-2,5 разів з наступним поступовим зниженням до
розрахункового рівня.
4. Сприймання деструктивним шаром динамічного впливу струминного
потоку призводить до багатоциклового (7V=103-105) руйнування окремих
мікровиступів, внаслідок чого шорсткість поверхні зменшується, а товщина
деструктивного шару зростає.
5. Гідроруйнування квазікрихких поверхневих плівок відбувається
внаслідок процесу тріщиноутворення, який виникає в зоні безпосереднього
впливу швидкоплинного струменя та розповсюджується за межі цієї зони на
відстань до (1,5-3,0)d/с. Тріщиноутворення обумовлюється струминним
навантаженням, пружними властивостями основи і пов'язане з тиском
технологічної рідини та отвором струменеформуючого соплового каналу,
причому останній обумовлює інтенсивність зародження та концентрацію
мікротріщин в прилеглій до області безпосереднього натікання зоні.
6. Доведено можливість використання хемографії як метода візуалізації
деструктивного шару та мережі поверхневих мікротріщин при вивченні
процесів струминного руйнування та відзначено основні переваги даного
метода: простота виконання, можливість оцінки рівня залишкових напружень,
візуалізація різних поверхневих дефектів, обумовленим станом досліджуваних
неметалевих матеріалів. Встановлено взаємозв'язок стану досліджуваної
поверхні з інтенсивністю виникаючих фотомолекулярних потоків, що фіксує
бромне срібло.
7. Оцінено залишкові напруження в поверхневому шарі виробів, які піддали
струминній обробці (наприклад, при видаленні поверхневої плівки). Встановлено, що
95
зона утворення залишкових напружень менша за площу, безпосередньо охоплену
струминним впливом, а її діаметр становить приблизно 0.5-0.8d/c. Остаточні
напруження, утворені в поверхневому шарі, є стискуючими, і сягають
максимального значення у центрі прикладання струминного навантаження з
поступовим зменшенням при віддаленні від центра. Величина залишкових напружень
пропорційна швидкості витікання струменя з соплового насадка vc. Існуюча
поверхнева шорсткість обумовлює відхилення зони існування остаточних напружень
від правильного кола: збільшення параметру шорсткості зменшує площу зони
виникнення остаточних напружень, причому остання більше відрізняється від
правильного кола.
8. В результаті виконаних досліджень сформульовано основні принципи
імітаційного моделювання деструктивного шару та візуалізації борозенки різа при
струминному різанні тонкостінних виробів з неметалевих композитних матеріалів.
Встановлено, що моделювання процесів гідроструминного руйнування мікрообсягів
неметалевого композита дозволяє виконати оцінку стану поверхневого шару у місці
натікання струменя в будь-який період часу, а опис огинаючої поверхні у точках
повного руйнування - отримати поверхню розділу. Це дає змогу не тільки визначити
параметри поверхневого шару - товщину деструктивного шару DF, ступінь
розшарування RT, параметр шорсткості Rz, хвилястість поверхні, тощо, а і
отримати 3-D картину очікуваного профілю борозенки різа або торця заготовки.
9. Для підвищення точності відтворення контуру борозенки різу
використано підхід розрахунку процесів у тонкому зрізі перетину, та наступного
його перенесення уздовж напряму руху струменя. При цьому очікуваний стан
поверхневого шару встановлювали на основі аналізу процесу тріщиноутворення при
уявному переміщенні такого перетину від ділянки передруйнування до повного
виходу струменя за межі перетину.
10.Встановлено, що відтворення поверхні розділу при прорізанні матеріалу
тонким струменем (до 0.25 мм) не вимагає врахування динамічних змін ширини
тонкого зрізу, у той час коли відтворення поверхонь, отриманих при різанні
струменем понад 0.3 мм, а також при виконанні операцій неповного прорізання
96
(виборки пазів, тощо) створює необхідність врахування цього параметру.
11. Запропоновані алгоритми та підходи імітаційного моделюванні покладено
в основу створеного автором пакету прикладних програм для оптимізаційних
досліджень процесу гідрорізання.
12. Амплітуда коливань швидкості переміщення поршня силового приводу
має більш істотний вплив на тиск у робочій камері мультиплікатора: з підвищенням
амплітуди практично лінійно збільшується середній тиск, амплітуда пульсацій тиску
та його максимальне значення.
97
СПИСОК ВИКОРИСТАНОЇ ЛІТЕРАТУРИ
1. Суберляк О. В., Баштанник П. І. Технологія переробки полімерних
та композиційних матеріалів : підручник для студентів ВНЗ. Львів : Растр-
7, 2015. 456 с.
2. Мікульонок І. О. Технологічні основи перероблення полімерів,
пластмас і гумових сумішей : навч. посіб. Київ : КПІ ім. Ігоря Сікорського,
2020. 292 с.
3. Колосов О. Є. Технології композиційних матеріалів [Електронний
ресурс] : навч. посіб. Київ : КПІ ім. Ігоря Сікорського, 2018. 255 с.
4. Колосов О. Є. Технології композиційних матеріалів. Лабораторний
практикум [Електронний ресурс] : навч. посіб. Київ : КПІ ім. Ігоря
Сікорського, 2018. 67 с.
5. Сівецький В. І., Колосов О. Є., Сокольський О. Л., Івіцький І. І.
Технології і устаткування для формування виробів з традиційних та
інтелектуальних полімерних композиційних матеріалів [Електронний
ресурс] : навч. посіб. Київ : КПІ ім. Ігоря Сікорського, 2022. 324 с.
6. Красінський В. В. Обладнання заводів з перероблення полімерів і
композитів : конспект лекцій. Львів : Видавництво Національного
університету «Львівська політехніка», 2020. 101 с.
7. Спорягін Є. О., Варлан К. Є. Теоретичні основи та технологія
виробництва полімерних композиційних матеріалів : навч. посіб. Дніпро :
Вид-во ДНУ, 2012. 190 с.
8. Хоу Чживень. Технологічне забезпечення високої стійкості
інструменту при механічній обробці полімерних композитів : дис. ... д-ра
філософії : 131. Харків : НТУ «ХПІ», 2021. 214 с.
98
9. Ключников Ю. В., Сердітов О. Т., Дубнюк В. Л. Авіаційні матеріали
та їх технології. Конспект лекцій [Електронний ресурс] : навч. посіб. Київ :
КПІ ім. Ігоря Сікорського, 2022. 115 с.
10. Ключников Ю. В., Сердітов О. Т., Дубнюк В. Л. Авіаційні
матеріали та їх технології. Практикум [Електронний ресурс] : навч. посіб.
Київ : КПІ ім. Ігоря Сікорського, 2022. 118 с.
11. Добрянський С. С., Малафєєв Ю. М., Пуховський Є. С.
Проектування і виробництво заготовок [Електронний ресурс] : підручник.
Київ : НТУУ «КПІ», 2014. 353 с.
12. Шидловський М. С., Бондаренко О. М., Власенко О. М.
Конструкційні полімери та композиційні матеріали [Електронний ресурс] :
навч. посіб. Київ : КПІ ім. Ігоря Сікорського, 2025. 198 с.
13. Катрюк Д. С. Розроблення технологій одержання та властивості
модифікованих композитів на основі поліестер-полівінілхлоридних
зв’язних та дисперсних наповнювачів : дис. ... канд. техн. наук : 05.17.06.
Львів : Нац. ун-т «Львівська політехніка», 2018. 24 с. (автореф.).
14. Кечур Д. І. Основи технологій одержання полілактидних
композитів і виробів з них 3Д друком : дис. ... д-ра філософії : 161. Львів :
Нац. ун-т «Львівська політехніка», 2025. 225 с.
15. Xue X., Salenko O., Havrushkevych A., Habuzian H. A Review of
Abrasive Water Jet Cutting Technology for Composite Materials // Mechanics
and Advanced Technologies. 2025. Vol. 9, no. 3(106). P. 372–385. DOI:
10.20535/2521-1943.2025.9.3(106).315941.
16. Hashish M. Abrasive Waterjet Machining // Materials. 2024. Vol. 17,
no. 13. Art. 3273. DOI: 10.3390/ma17133273.
99
17. Momber A. W., Kovacevic R. Principles of Abrasive Water Jet
Machining. London : Springer, 1998. 394 p.
18. Sheikh-Ahmad J. Y. Machining of Polymer Composites. New York :
Springer, 2009. 321 p.
19. Teti R. Machining of Composite Materials // CIRP Annals. 2002. Vol.
51, no. 2. P. 611–634. DOI: 10.1016/S0007-8506(07)61703-X.
20. Li X., Ruan X., Zou J., Long X., Chen Z. Experiment on Carbon Fiber-
Reinforced Plastic Cutting by Abrasive Waterjet with Specific Emphasis on
Surface Morphology and Damage Evolution // The International Journal of
Advanced Manufacturing Technology. 2019. Vol. 105. P. 3161–3174.
21. Zhang Y., Liu D., Zhang W. et al. Damage Study of Fiber-Reinforced
Composites Drilled by Abrasive Waterjet – Challenges and Opportunities // The
International Journal of Advanced Manufacturing Technology. 2021. Vol. 117.
P. 2347–2365.
22. El-Hofy M., Helmy M. O., Escobar-Palafox G. et al. Abrasive Water
Jet Machining of Multidirectional CFRP Laminates // Procedia CIRP. 2018.
Vol. 68. P. 535–540.
23. Shanmugam D. K., Nguyen T., Wang J. A Study of Delamination on
Graphite/Epoxy Composites in Abrasive Waterjet Machining // Composites Part
A: Applied Science and Manufacturing. 2008. Vol. 39, no. 6. P. 923–929. DOI:
10.1016/j.compositesa.2008.04.001.
24. Shanmugam D. K., Masood S. H. An Investigation on Kerf
Characteristics in Abrasive Waterjet Cutting of Layered Composites // Journal
of Materials Processing Technology. 2009. Vol. 209, no. 8. P. 3887–3893.
25. Dhanawade A., Kumar S. Experimental Study of Abrasive Waterjet
100
Machining of Carbon Fiber Reinforced Plastic // Journal of Composites. 2015.
Art. 971596. DOI: 10.1155/2015/971596.
26. Li M., Lin X., Yang X., Wu H., Meng X. Study on Kerf Characteristics
and Surface Integrity Based on Physical Energy Model During Abrasive
Waterjet Cutting of Thick CFRP Laminates // The International Journal of
Advanced Manufacturing Technology. 2021. Vol. 113, no. 1–2. P. 73–85. DOI:
10.1007/s00170-021-06590-w.
27. Sambruno A., Alberdi A., Suárez A. et al. Kerf Taper Defect
Minimization Based on Abrasive Waterjet Machining of Low-Thickness
Thermoplastic Carbon Fiber Composites (C/TPU) // Materials. 2019. Vol. 12,
no. 24. Art. 4192. DOI: 10.3390/ma12244192.
28. Schwartzentruber J., Papini M., Spelt J. Characterizing and Modelling
Delamination of Carbon-Fiber/Epoxy Laminates During Abrasive Waterjet
Cutting // Composite Structures. 2018. Vol. 202. P. 8–17.
29. Mayuet P. F., Girot F., Lamikiz A. et al. SOM/SEM Based
Characterization of Internal Delaminations of CFRP Samples Machined by
AWJM // Procedia Engineering. 2015. Vol. 132. P. 693–700. DOI:
10.1016/j.proeng.2015.12.549.
30. Alberdi A., Suárez A., Artaza T. et al. Composite Cutting with
Abrasive Water Jet // Procedia Engineering. 2013. Vol. 63. P. 421–429.
31. Wang J. A Machinability Study of Polymer Matrix Composites Using
Abrasive Waterjet Cutting Technology // Journal of Materials Processing
Technology. 1999. Vol. 94, no. 1. P. 30–35.
32. Wang J., Guo D. M. A Predictive Depth of Penetration Model for
Abrasive Waterjet Cutting of Polymer Matrix Composites // Journal of Materials
Processing Technology. 2002. Vol. 121, no. 2–3. P. 390–394. DOI:
101
10.1016/S0924-0136(01)01246-8.
33. Kalla D. K., Dhanasekaran P. S., Zhang B., Asmatulu R. Abrasive
Waterjet Machining of Fiber Reinforced Composites: A Review // AIP
Conference Proceedings. 2012. Vol. 1431. P. 535–540. DOI:
10.1063/1.4707606.
34. Vigneshwaran S., Uthayakumar M., Arumugaprabu V. Abrasive Water
Jet Machining of Fiber-Reinforced Composite Materials // Journal of Reinforced
Plastics and Composites. 2018. Vol. 37, no. 4. P. 230–237. DOI:
10.1177/0731684417740771.
35. de la Rosa S., Mayuet-Ares P. F., Girot F. et al. The Abrasive Water Jet
Cutting Process of Carbon-Fiber-Reinforced Thermoplastic Composites // J.
Compos. Sci. 2024. Vol. 8, no. 10. Art. 437.
36. Rasu K., Davim J. P., Marimuthu R., Murugesan V. Investigation of
Kerf Taper Angle and Surface Roughness in Abrasive Water Jet Machined
Glass Fiber-Reinforced Polyester Composites // Advanced Engineering Letters.
2025. Vol. 4, no. 4. P. 175–186. DOI: 10.46793/adeletters.2025.4.4.1.
37. Manoj K. R., Suresh Babu A., Pramod R. Kerf Analysis and
Delamination Study on Fiber Reinforced Polymer Composite Using Abrasive
Water Jet Machining // Materials Today: Proceedings. 2021. Vol. 46. P. 4567–
4573.
38. Youssef H. A., El-Hofy H. A., Abdelaziz A. M., El-Hofy M. H.
Accuracy and Surface Quality of Abrasive Waterjet Machined CFRP
Composites // Journal of Composite Materials. 2022. Vol. 56, no. 10. P. 1491–
1504.
39. Zhang Y., Liu D., Zhang W. et al. A Novel Quantitative Analysis
Approach for Hole Surface Damage of Ceramic Matrix Composites Machined
102
by Abrasive Waterjet // Journal of Manufacturing Processes. 2023. Vol. 108. P.
217–226. DOI: 10.1016/j.jmapro.2023.11.012.
40. ДСТУ 8302:2015. Бібліографічне посилання. Загальні положення
та правила складання. Київ : ДП «УкрНДНЦ», 2016.
41. ДСТУ 3008:2015. Інформація та документація. Звіти у сфері науки
і техніки. Структура та правила оформлення. Київ : ДП «УкрНДНЦ», 2016.
42. Методичні рекомендації до підготовки, написання та захисту
кваліфікаційної роботи для здобувачів освітнього рівня «магістр» за
спеціальністю 131 «Прикладна механіка», освітні програми «Технології
машинобудування» та «Обробка металів за спецтехнологіями» усіх
форм навчання [Електронне видання] / уклад. Г. В. Канашевич, О. О.
Коваленко, Є. В. Хижняк. Черкаси : ЧДТУ, 2023.