ОБРАБОТКА СЛОЖНО-ПРОФИЛЬНЫХ ЛИСТОВЫХ ДЕТАЛЕЙ ИЗ АЛЮМИНИЕВЫХ СПЛАВОВ ПУТЕМ ОПТИМИЗАЦИИ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ РЕЖИМОВ

​PROCESSING OF COMPLEX SHEET PARTS FROM ALUMINUM ALLOYS BY OPTIMIZATION OF TECHNOLOGICAL MODES

Yuriy Maximov

doctor of technical sciences, professor of the department of TIOM, Moscow Polytech University,

Russia, Moscow

Valery Avdeev

candidate of science, associate professor of the department of TIOM, Moscow Polytech University,

Russia, Moscow

Kirill Doroshenko

postgraduate student of the department of TIOM, Moscow Polytech University,

Russia, Moscow

АННОТАЦИЯ

Гидроабразивная резка - процесс сложно прогнозируемый и малоизученный, результат которого зависит от множества технологических параметров, например: скорость подачи сопла, давление насоса установки, расход и зернистость абразива, расстояние от сопла до обрабатываемой поверхности, физико-механические характеристики обрабатываемого материала. В данной работе рассматривается проблема подбора оптимальных режимов для метода гидроабразивной резки (ГАР), при которых будет обеспечиваться заданное качество поверхностного слоя детали при наименьших затратах. Определены численные характеристики коэффициентов обрабатываемости материалов для дальнейшего определения скорости резания, что в свою очередь дало возможность увеличить качество и точность реза при обработке алюминия. Получены количественные зависимости влияния режимов обработки и физико-механических свойств обрабатываемого материала на шероховатость поверхности реза.

ABSTRACT

Waterjet cutting is a difficult-to-predict and little-studied process, the result of which depends on many technological parameters, for example: nozzle feed rate, unit pump pressure, abrasive consumption and grain size, distance from the nozzle to the surface to be treated, physical and mechanical characteristics of the material being processed. This article discusses the problem of selecting the optimal modes for the waterjet cutting method (HJC), which will ensure the specified quality of the surface layer of the part at the lowest cost. The numerical characteristics of the coefficients of machinability of materials were determined for further determination of the cutting speed, which in turn made it possible to increase the quality and accuracy of the cut in the processing of aluminum. Quantitative dependences of the influence of processing modes and physical and mechanical properties of the processed material on the roughness of the cut surface are obtained.

Ключевые слова: гидроабразивная резка, абразив, коэффициент обрабатываемости, шероховатость поверхности, режимы резания, обработка сложнопрофильных деталей, обработка алюминия.

Keywords: waterjet cutting, abrasive, machinability coefficient, surface roughness, cutting conditions, processing of complex profile parts, aluminum processing.

Введение

За последнее время сложность современной машиностроительной продукции увеличилась в несколько раз. Из всего числа типоразмеров деталей, которые подвергаются механической обработке наибольшая часть приходится на листовые, фигурные, профильные и другие детали сложной формы - такие детали составляют значительную часть всей номенклатуры [1-2]. Заготовки для механической обработки получают в основном на заготовительном оборудовании, таком как: лазерное, гидроабразивное, электроэрозионное и др. Одним из преимуществ метода ГАР является высокая шероховатость обрабатываемой поверхности, возможность получения заготовки со сложным геометрическим контуром [3].

Подбор оптимальных параметров обработки – один из основных способов повышения гидродинамических параметров струи при ГАР, что позволяет организовать технологический процесс наиболее эффективно.  Данную проблему уже описывали ученые в своих исследованиях [4-6], которые отмечают увеличение режущей силы и увеличение эффективности ГАР, вследствие закручивания струи рабочей жидкости методом нарезания в смесительной трубке спиральной канавки. В большинстве источников описывается лишь возможность использования данного метода без указания характеристик процесса обработки. В связи с этим вопрос исследования и подбора оптимальных параметров для ГАР является актуальным.

Также стоит отметить что в большинстве случаев рекомендации по выбору режимов ГАР определены только для резки по прямой линии, а при обработке сложного контура детали, зачастую, только с применением метода пробных проходов, можно определить, где и насколько необходимо изменить рекомендуемую скорость резания для достижения требуемого качества и производительности реза [8]. В этой связи актуальным направлением в области машиностроительного производства является поиск путей повышения эффективности резки материалов гидроабразивной струей, заключающейся в повышении производительности с сохранением заданных параметров качества путем оптимизации режимов резки.

1. Теоретическая часть

Гидроабразивная резка - процесс, результатом которого является снятие слоя микростружки с помощью частица абразива и воды, которая в свою очередь ускоряет абразив. Вода в данном процессе выполняет несколько функций. Первая это перемещение абразивных частиц в зону обработки. Вторая функция - вымывание микростружки и частиц абразива из зоны резания. Также вода охлаждает поверхность в зоне обработки [9].

Эффективность ГАР зависит от режущей способности струи, которая в свою очередь напрямую зависит от таких параметров как кинетическая энергия абразива – чем выше скорость потока – тем режущая способность лучше. Отсюда можно сделать вывод, что чем выше давление струи, выше концентрация абразива в фокусирующем сопле и выше их скорость тем более качественный рез будет производиться.

Давление режущей струи – это основная характеристика процесса ГАР. От развиваемого давления струи напрямую зависит обрабатываемость различных материалов. Чем выше давление, тем лучше происходит процесс резки. Максимальное давление струи ограничивается характеристиками насоса высокого давления, и в большинстве случаев этот параметр невозможно увеличивать. Исходя из основ гидродинамики, от величины давления зависит скорость потока жидкости. Чем выше развиваемое давление насоса, тем выше скорость потока смеси в смесительной трубке, а значит и выше кинетическая энергия струи. Также стоит отметить, что при чрезмерном увеличении давления увеличивается износ оборудования, а также ускоряется износ фокусирующей трубки. При увеличении ее диаметра – ухудшается процесс резки.

Во время резки струя теряет свою кинетическую энергию проходя слой материала – поэтому наблюдается неравномерность реза на всей глубине реза, и как следствие ухудшение шероховатости обрабатываемой поверхности (рисунок 1). Шероховатость поверхности образуется вследствие прохождения сектора режущей струи. Каждая частица при контакте с материалом создает пластические и упругие деформации, оставляя после себя царапину, ширина и глубина которой зависит от формы и размера этой частицы, угла внедрения частицы в материал, скорости и траектории движения. Шероховатость поверхности будет складываться из совокупности этих царапин, взаимно пересекающих друг друга. Очевидно, что число полезных соударений будет зависть от количества, концентрации абразивных частиц в режущей струе. Чем больше частиц будет проходить в единицу времени через данный участок поверхности, тем большее число соударений будет происходить, а значит, будет образовываться меньшая шероховатость поверхности. При увеличении подачи режущего сопла, уменьшается число взаимодействий в единицу времени, так как формообразующий сектор быстрее перемещается относительно материала. При увеличении давления, возрастает скорость струи, а значит опять же, получается меньшее значение шероховатости. А при увеличении размера абразивных частиц в смеси шероховатость обработанной поверхности будет возрастать, так как большие зерна оставляют более глубокие следы - царапины, величина которых напрямую зависит от формы и размера абразива. В более твердый материал частицам сложнее внедряться, чем в мягкий. Этим обуславливается образование худшей шероховатости при резании твердых материалов. Однако более твердый и прочный материал способствует более быстрой потере энергии режущей струи. Соударяясь с материалом, частицы, не вызывая полезного взаимодействия отражаются от материала, создавая блокаду для вновь поступающих частиц. Это явление называется «эффектом отражения». Поэтому на твердых материалах с ростом подачи сопла режущей головки величина зоны волнистого реза возрастает более стремительно, чем при резании мягкого материала.

Рисунок 1. Процесс гидроабразивной резки

При резке внутренних радиусов может происходить повреждение контура. Струя перескакивает в уже имеющийся контур. Для уменьшения этого эффекта рекомендуется снизить скорость в конце реза, чтобы струя выровнялась параллельно кромке. Также на месте входа-выхода режущей струи образуется заусенец или недорез. На месте пересечения внешних граней детали наблюдается образование недореза – заусенца (рисунок 2), а на пересечении внутренних граней детали наблюдается образование зарезов-лунок (рисунок 3), которые образуются при затягивании струи в толщу материала.

Рисунок 2. Неравномерность шероховатости поверхности реза, образование заусенца

Рисунок 3. Образование лунок на пересечении внутренних граней детали

Анализируя работы [9-12], по выявлению зависимости (1) формирования профиля шероховатости поверхности реза при гидроабразивной резке, можно сделать вывод о том, что при расчетах не учитывается такой параметр как физическое свойство материала, который играет немаловажную роль при определения оптимальной скорости резания при требуемом значении шероховатости поверхности [13-14].

                                                    (1)

где – коэффициент, учитывающий угол падения струи;

R – радиус частиц, м;

- коэффициент, учитывающий влияние шероховатости поверхности детали на площадь фактического контакта;

 – динамическое давление смеси, Па;

 – плотность рабочей смеси жидкости и частиц кг/м³;

 – коэффициент потерь, учитывающий расстояние от сопла до поверхности обрабатываемой детали;

 - коэффициент, оценивающий несущую способность контактной поверхности;

  - число взаимодействий в единицу времени.

В этой формуле λ — это число взаимодействий в единицу времени. Очевидно, что λ это функция от подачи, количества абразива в режущей струе и глубины проникновения в металл. Чем меньше подача сопла режущей головки, тем большее количество частиц абразива участвует в формировании шероховатости поверхности реза. Режущая струя находится более длительное время с поверхностью реза. При увеличении количества абразива в режущей струе растет и количество полезных соударений с материалом заготовки, а значит, улучшается шероховатость поверхности. От глубины резания шероховатости h зависит какое количество зерен и с какой энергией они будут взаимодействовать с обрабатываемым материалом. Чем больше глубина резания, тем меньшей энергией обладают частицы, и более грубой получается шероховатость поверхности.

Попробуем определить зависимость скорости ГАР и параметра обрабатываемости поверхности. Скорость гидроабразивной резки определяется по формуле (2):

                                                                                       (2)

где:     предел прочности материала;

параметр шероховатости поверхности заготовки;

 плотность абразивного песка;

- коэффициент обрабатываемости материалов.

Для определения коэффициента обрабатываемости материалов воспользуемся выявленной зависимостью (3) [15]:

                                                                              (3)

где :  P_W - давление воды, Па;

h - толщина материала, мм;

d - диаметр алмазного сопла, мм;

D - диаметр фокусирующей трубки, мм;

- количество абразива, кг/мин;

T - время прострела, с;

fa  = 0,92 (для песка гранатового Mesh80).

Формула определения коэффициента обрабатываемости включает в себя технологические параметры и длительность сквозного прокола обрабатываемого материала.

Для расчета коэффициента обрабатываемости различных материалов предлагается выделить следующие группы: нержавеющие стали, конструкционные стали, титановые сплавы, алюминиевые сплавы.

Результаты расчетов по формуле (3) представлены на рисунке 4.

Рисунок 4. Коэффициенты обрабатываемости различных материалов

Подставив в формулу (2) формулу (3) можно получить зависимость скорости при ГАР от коэффициента обрабатываемости различных материалов, для требуемого значения шероховатости поверхности (4):

                                                                     (4)

На рисунке 5 представлен график зависимости скорости гидроабразивной резки для требуемого значения шероховатости поверхности (Ra=6.3мкм) и указанных групп материалов, полученных по формуле 2.

Рисунок 5. Расчетная зависимость скорости резания для различных материалов

2. Экспериментальная часть

На основании проведенных теоретических исследований и в связи со сложностью теоретического описания всех процессов, происходящих во время гидроабразивного резания, были проведены серии экспериментов, целью которых являлось определение влияния основных технологических параметров на формирования поверхности реза. Результаты представлены на рисунке 2 и 3.

Экспериментальные исследования процесса гидроабразивной резки проводились на установке гидроабразивной резки. Установка позволяет обрабатывать практически любые виды материалов, как металлы, так и неметаллы. Данная установка позволяет разрезать стальные заготовки толщиной до 250мм.

Для проверки результатов исследования рассмотрим резку заготовки из материала АМг6М толщиной 50 мм, с величиной подачи S = 41,1 мм/мин и S = 30,2 мм/мин соответственно. Условия для проведения эксперимента представлены в Таблице 1.

Таблица 1.

Качество реза паза из материала на режимах, представленных поставщиком оборудования, можно наблюдать на рисунке 6.

а) верхний слой заготовки            б) нижний слой заготовки

Рисунок 6. Качество реза паза

         Результат резки заготовки при использовании теоретических исследований представлены на рисунке 7.

а) верхний слой заготовки            б) нижний слой заготовки

Рисунок 7. Качество реза паза при использовании методики определения коэффициента обрабатываемости материала

При проведении эксперимента было выяснено, что в процессе резки образуется дефект – неравномерность распределения шероховатости вдоль поверхности реза. Образуются две зоны, зона гладкого и волнистого реза. В зоне гладкого реза шероховатость поверхности представляет собой равномерный однородный рисунок. Шероховатость зоны грубого реза, представляет собой неравномерную поверхность.     

Значения шероховатости поверхности измерялись на профилометре. Результаты измерений шероховатости поверхности и геометрических параметров представлены в таблице 2.

Таблица 2.

Результаты эксперимента показывают, что у вершины реза шероховатость поверхности лучше, на ней отсутствуют глубокие царапины. С увеличением глубины шероховатость поверхности ухудшается, поток частиц дестабилизируется, рассеяние частиц увеличивается. При уменьшении подачи увеличивается количество взаимодействий частиц с материалом, поэтому шероховатость поверхности улучшается.

Выводы

Выявлена аналитическая зависимость скорости гидроабразивной резки от коэффициента обрабатываемости материала при требуемом шероховатости поверхности. На основе теоретических исследований были проведены серии экспериментов, целью которых являлось проверка адекватности выявленной зависимости.

Получены аналитические зависимости для выбора оптимальных режимов резания, на основе анализа коэффициента обрабатываемости различных групп материалов при расходе абразива Q = 300г/мин и требуемой шероховатости поверхности Ra=6,3мкм.

Список литературы:

1. Степанов Ю.С., Бурнашов М.А., Головин К.А. Прогрессивные технологии гидроструйного резания материалов. − Тула: Изд-во ТулГУ, 2009. − 318 с. 
2. Тихомиров Р.А., Петухов Е.Н. Использование сверхзвуковой струи жидкости в качестве режущего инструмента // Проблемы теории проектирования и производства инструмента: тез. докл. совещания − Тула: ТулГУ, 1995. − С. 10.
3. Тарасов В.А., Галиновский А.Л., Елфимов В.М. Машиностроение.  Москва, 2011. − № 4. − С. 46.
4. Иванов В.В., Мирошкин А.Г., Шпилев В.В. Вопросы моделирования двухфазной турбулентной струи // Технологическое обеспечение качества машин и приборов: сб. ст. VI Междунар. науч.-практ. конф., ноябрь 2011 г. − Пенза: ПДЗ, 2011. − С. 31-33.
5. Шпилев В.В., Решетников М.К., Капульник С.И., Береда Н.Н., Кутин А.С. Пат. № 2466008 Российская Федерация. Способ формирования струи жидкости для резания материалов и устройство для его реализации / Опубл. 10.11.2012. Бюл. № 31
6. Иванов В.В., Иванов С.В. Моделирование внедрения абразивной частицы в материал как поиск оптимального методологического подхода к разработке имитационной модели процесса гидроабразивной резки // Вестник развития науки и образования. − 2014. − №3. − С. 90-95.
7. Барсуков Г.В., Журавлева Т.А., Короткий О.А. Разработка программного обеспечения для технологии гидроабразивной резки материалов абразивной смесью // Вопросы радиоэлектроники. − 2016. − № 2. − С. 48-52.
8. Барсуков Г.В. Исследование погрешности формы при резании листовых материалов гидроабразивной струей // Фундаментальные и прикладные проблемы технологии машиностроения − «Технология-2003» : сб. тр. Междунар. науч.-техн. конф. − 2003. − С. 449-455.
9. Верченко А.В. Повышение эффективности технологических процессов гидроабразивной резки деталей: дис. … канд. тех. наук. – Ростов-на-Дону, 2016. – 169 с.
10. Тихонов A.A. Методика расчета удаления металла при гидроабразивной обработке // Процессы абразивной обработки, абразивные инструменты и материала: материалы 12-й междунар. науч.-техн. конф. «Шлифабразив-2009». − Волжский, 2009.
11. Королев А.В. Исследование процессов образования поверхностей инструмента и детали при абразивной обработке. − Саратов: Изд-во Саратов.ун-та,1975. – 191 с.
12. Непомнящий Е.А. Кремень З.И. Массарский М.Л. О закономерностях образования микрорельефа поверхностей при обработке потоком абразивных частиц // Машиностроение.  − 1984. − № 2. − С. 117-121.
13. Королев А.В. Новоселов Ю.К. Теоретико-вероятностные основы абразивной обработки. − Саратов: Изд-во Саратов.ун-та,1989. – 320 с.
14. Тамаркин М.А., Шевцов С.Н., Клименко А.А. Моделирование процесса единичного взаимодействия гранулы свободного абразива и обрабатываемой детали // Автоматизация и современные технологии. – 2005. − №5.
15. Zeng J. Пат. № 6, 120, 351. США. Автоматические методы измерения обрабатываемости, механической обработки и устройства для них. Опубликовано 31.08.1998