Розробка конструкції струменеформуючого пристрою гідрорізальної установки

Размещено на http://www.allbest.ru/

Розробка конструкції струменеформуючого пристрою гідрорізальної установки

ЗМІСТ

ВСТУП

РОЗДІЛ 1. ТЕХНІКО-ЕКОНОМІЧНЕ ОБГРУНТУВАННЯ

1.1 Аналіз існуючих механізмів для розкрою матеріалів

1.2 Аналіз існуючих конструкцій гідрорізального устаткування

1.3 Мета і завдання дипломного проекту

РОЗДІЛ 2. КОНСТРУКТОРСЬКА ЧАСТИНА

2.1 Розробка конструкції гідрорізального пристрою

2.2 Розробка гідравлічної схеми гідрорізальної установки

2.3 Математична модель руйнування матеріалу високошвидкісним гідроструменем

2.4 Математична модель високошвидкісного ріжучого гідроабразивного струменя

2.5 Розрахунок руйнування матеріалу високошвидкісним гідроструменем

2.6 Розрахунок високошвидкісного ріжучого гідроабарзивного струменя

РОЗДІЛ 3. ЕКСПЕРИМЕНТАЛЬНІ ДОСЛІДЖЕННЯ ПРОЦЕСУ ГІДРО- ТА ГІДРОАБРАЗИВНОГО РІЗАННЯ МАТЕРІАЛІВ ЛЕГКОЇ ПРОМИСЛОВОСТІ.

3.1 Дослідження залежності витраченої роботи та необхідної потужності гідроабразивного струменя від параметрів та характеристик гідрорізальної установки та матеріалу

3.2 Визначення ступеня впливу рідинної складової двофазного струменя при гідроабразивному розрізанні

РОЗДІЛ 4. ЕКОНОМІЧНА ЧАСТИНА

4.1 Стислий опис заходу, який впроваджується

4.2 Розрахунок економічної ефективності впровадження

РОЗДІЛ 5. ОХОРОНА ПРАЦІ ТА НАВКОЛИШНЬОГО СЕРЕДОВИЩА

5.1 Аналіз об'єкта проектування з точки зору безпеки праці та охорони навколишнього середовища

5.2 Заходи, спрямовані на приведення виявлених небезпечних та шкідливих виробничих факторів до нормативних вимог

5.3 Розрахункова частина

5.4 Пожежна безпека

ВИСНОВКИ

СПИСОК ВИКОРИСТАНИХ ДЖЕРЕЛ

ДОДАТКИ

ВСТУП

Створення і освоєння конкурентноздатної продукції, просування її на ринок тісно пов'язане з розробкою і впровадженням нових технологій. «Наука - технологія - виробництво - ринок» - формула сучасного етапу розвитку економіки. Мета нових технологій полягає в досягненні високої продуктивності праці і якості продукції. Це зростання бажано забезпечувати без збільшення чисельності працюючих - за рахунок впровадження устаткування, що реалізовує прогресивну технологію, зберігає сировину і енергію, полегшує комплексну автоматизацію технологічного процесу.

У легкій промисловості велика увага приділяється створенню нового високопродуктивного устаткування і розвитку прогресивних технологій.

У розкрійних процесах легкої промисловості різання, як правило, відбувається за рахунок механічної дії різального інструмента на матеріал. Проте в ряді випадків, особливо під час обробки поверхонь складної форми та у важкодоступних місцях, цей метод малоефективний, або взагалі неприйнятний. Окрім того, при використанні нових швейних матеріалів зі специфічними фізико-механічними властивостями традиційні методи розкрою малоефективні, тому що знижується продуктивність, підвищується собівартість, а в деяких випадках не забезпечується якість різання. Для різання матеріалів все частіше застосовують високоефективні методи безпосередньої дії енергії плазми, рідини, струму на матеріал, уникаючи при цьому використання механічних різаків [1 - 4]. Одним з таких методів є розрізання матеріалів високошвидкісним струменем рідини та струменем рідини, що містить абразив.

За останні роки в технічній літературі з'явились наукові роботи, в яких наведені результаті досліджень гідрорізального устаткування [5 - 8]. Таким чином, дослідження в області розробки та проектування струменеформуючих пристроїв для розкрою нових матеріалів зі специфічними фізико-механічними властивостями є актуальною науково-технічною задачею.

РОЗДІЛ 1. ТЕХНІКО-ЕКОНОМІЧНЕ ОБГРУНТУВАННЯ

1.1 Аналіз існуючих механізмів для розкрою матеріалів

Широкий асортимент матеріалів, які використовуються в легкій промисловості, визначив і наявність різноманітного устаткування розкрою, яке здійснює той або інший спосіб різання (рис. 1.1) [9].

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 1.1. Способи різання матеріалів легкої промисловості

Різання матеріалів легкої промисловості може бути виконане шляхом послідовної, паралельної або паралельно-послідовної обробки [10]. При цьому застосовуються різні ріжучі інструменти, які по своєму призначенню діляться на універсальні і спеціальні (рис. 1.2) [8].

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 1.2. Класифікація ріжучого інструмента

Існуючі способи розкрою матеріалів легкої промисловості багато авторів підрозділяють на дві великі групи: традиційні і нетрадиційні [11 - 13].

До першої групи відносять вже традиційні в легкій промисловості способи, такі як: вирубка деталей на пресах, розкрій на машинах з різними типами ножів (дисковими, стрічковими, такими, що осцилюють), розкрій в штампах і на гільйотинних машинах.

До нетрадиційних способів відносять розкрій: електричною іскрою, променем лазера, струменем рідини, ротаційний, мікроплазмовий і ультразвуковий.

Найбільш широке застосування отримала вирубка заготовок виробів легкої промисловості на різних пресах [14, 15]. Це пояснюється в першу чергу високою продуктивністю процесу, особливо при розкрої багатошарових настилів груповими різаками. У швейному, трикотажному і шкіряному виробництвах також широко використовуються ножові машини. Цей спосіб, в порівнянні з вирубкою, менш продуктивний, оскільки відбувається послідовна обробка деталі по контуру [12].

Розрізання штампуванням, яке знайшло майже виняткове застосування в легкій промисловості, має цілий ряд недоліків, зв'язаних, в першу чергу, з низькою зносостійкістю штампів що приводить до великої витрати дефіцитного металу та значних трудових затрат для їх відновлювання. При цьому необхідно мати велику номенклатуру штампів для кожного виду взуття, що значно зменшує мобільність виробництва та ускладнює швидке освоєння нових моделей.

Крім того, в зв'язку з труднощами раціональної розкладки штампування супроводжується значними відходами цінної сировини (особливо при малих розмірах деталі). У ряді випадків штампування неприйнятне через недостатню ширину окремих елементів деталі, оскільки при цьому не забезпечується потрібне зусилля притиску. Застосування штампування несумісне з програмним управлінням і економічно недоцільне в умовах дрібносерійного виробництва.

До недоліків даних способів розкрою слід віднести велику частку ручної праці (маніпулювання різаками, подача матеріалу до ножа і т.п.) і складністю автоматизації процесу. Крім того, застосування при розкрої пресів вимагає значних витрат на розробку, виготовлення і переточування різаків.

В той же час спостерігається стійка тенденція до дослідження нових безконтактних способів розкрою. Загальною перевагою цих методів є те, що вони добре поєднуються з системами числового програмного управління.

Пристрої, що реалізовують лазерний спосіб розкрою не можна застосовувати для розкрою матеріалів, які під дією високих температур втрачають свої властивості і в результаті деструкції відбувається виділення токсичних речовин.

У багатьох публікаціях, присвячених застосуванню гідрорізального устаткування в різних галузях промисловості, є відомості про доцільність його використання для розрізання матеріалів легкої промисловості - гуми, шкіри, різних ущільнювачів і наповнювачів [8, 16, 17]. Останніми роками з'явилася велика кількість робіт, в яких наведені приклади застосування гідрорізання в легкій промисловості.

Перевага гідрорізальному устаткуванню, мабуть, була віддана ще і тому, що при лазерному розкрої край деталі обпалюються, викликаючи неприємний запах, який зберігається декілька днів. Крім того, краї світлої шкіри темніють [18], а при багатошаровому розкрої штучних матеріалів нерідко відбувається спікання [19].

Таким чином, можна зробити висновок, що традиційні способи розкрою матеріалів легкої промисловості є високоефективними в масовому виробництві, але при дрібносерійному виробництві з частою зміною асортименту виробів, що зумовлено конкуренцією за ринкових умов господарювання, перспективним є застосування нетрадиційних способів розкрою, зокрема, гідрорізання, що дозволяє повністю автоматизувати виробництво, довести частку ручної праці до мінімуму, добитися додаткової економії матеріалів, скоротити терміни впровадження нових моделей у виробництво.

1.2 Аналіз існуючих механізмів для розкрою матеріалів

Основним традиційним способом розкрою матеріалів у легкій промисловості є спосіб вирубування різаком на нерухомій опорі, який здійснюється на вирубочних пресах і прес-автоматах. Суть способу полягає у розкроюванні матеріалів на опорі спеціально виготовленим інструментом-різаком, що відповідає контуру деталі, що вирубується.

Різак 2 (рис. 1.3, а, б) встановлюється на матеріал 3, який підлягає розкрою, укладений на опорі 4 (стіл або плита преса). При вмиканні преса ударник 1, опускаючись, натискає на різак і виконується процес вирубування деталі одночасно по всьому контуру. Таке розкроювання є паралельним і високопродуктивним способом обробки.

Схеми розкрою можуть мати різні види залежно від характеру руху ударника і способи установки різака. Так, наприклад, різак 2 (рис. 1.3, а) встановлюється вручну на матеріал, а ударник 1 рухається тільки вниз (на удар) і вгору у вихідне положення, або ударник 1 (рис. 1.3, б) крім руху вниз (на удар) і вгору додатково рухається горизонтально для установки над різаком. Ця схема роботи гарантує безпеку роботи на пресі, оскільки ударник відведено з робочої зони і маніпуляції робітника для переміщення різака на матеріалі здійснюється поза ударником. Однак при цьому збільшується час холостих переміщень ударника, а це призводить до зниження продуктивності. Компенсація втрати продуктивності здійснюється за рахунок розкрою багатошарових настилів матеріалів.

При автоматизованому розкрої різак 2 (рис.1.3, в) прикріплений до ударника 1 і разом з ним переміщається над матеріалом 3, що лежить на опорі 4. Недоліком способу вирубування різаками є необхідність постійного виготовлення великої кількості різаків, а це в багатоасортиментному виробництві досить складно. Крім того, різаки необхідно постійно переточувати і відновлювати.

Із застосуванням у промисловості синтетичних матеріалів і способу зварювання цих матеріалів за допомогою струмів високої частоти почали застосовувати розкрій з одночасним зварюванням деталей по розрізаному краю. Інструментом, що виконує цей процес, є електрод, суміщений з різаком. Електрод 6 (рис. 1.3, г) вмонтовано у корпус різака 2. Між електродом і різаком встановлено пружини 5, що забезпечує переміщення різака відносно електрода за час вирубування. При опусканні ударника 1 спочатку з оброблюваним матеріалом 3, який лежить на опорі 4, взаємодіє електрод 6, виконуючи зварювання, а потім різак 2 входить в матеріал, виконуючи розрізання матеріалу по краю звареного шва. Електроди виготовляються з металів високої електропровідності (латуні і сплавів алюмінію). Для запобігання утворенню електричної дуги і пригоранню матеріалу кромки робочої поверхні електрода повинні бути заокруглені.

З метою здійснення розкрою безконтактним способом (без ріжучого інструменту) проводяться роботи із застосування для розкрою матеріалів енергії гідравлічного струменя і лазерних променів. Суть процесу розкрою енергією гідравлічного струменя полягає в тому, що рідина під великим тиском (до 100 МПа і більше) і з великою швидкістю подається через сопло 7 (рис. 1, д) розмір якого менший 1 мм в січенні) Струмінь, падаючи на матеріал 3, що лежить на столі 4, розрізає його і проходить через отвір в столі. Суть процесу розкрою променем лазера полягає у використанні енергії випромінювачів, якими служать кристали. Промінь від випромінювача падає на поворотне дзеркало 8, відбивається від нього і, фокусуючись лінзою, виготовленою з хлористого калію, падає на поверхню розкраюваного матеріалу 3 (рис. 1, е), який лежить на опорі 4.



Рис. 1.3. Принципові схеми сучасних способів розкрою взуттєвих матеріалів:

а, б - розкрій на вирубочному пресі; в - розкрій на вирубочному прес-автоматі; г - розкрій за допомогою струмів високої частоти; д - розкрій з застосуванням енергії гідравлічного струменя; е - розкрій променем лазера;

1 - ударник; 2 - різець; 3 - матеріал; 4 - опора; 5 - пружина; 6 - електрод; 7 - сопло; 8 - поворотне дзеркало.

Вирубні преси і прес-автомати забезпечують розкрій всіх видів матеріалів: натуральних шкір, листових і рулонних матеріалів (синтетичних шкір, штучних шкір, тканин, картону і т. ін.).

За конструкцією виконавчого механізму (ударного) преси поділяють на три типи: траверсні, кареточні і консольні. Кожен тип має свій конструктивний ряд, від простих пресів з ручним керуванням і ручною подачею розкраюваних матеріалів і різаків до прес-автоматів з програмним керуванням і автоматичною подачею розкраюваних матеріалів.

За призначенням вирубні преси поділяють на три групи: для розкрою деталей низу із жорстких шкір, для розкрою деталей верху з м'яких шкір і для розкрою різних взуттєвих деталей з рулонних і листових матеріалів.

Основні технічні дані, що характеризують конструкцію вирубних пресів: сила удару (зусилля вирубки), проліт преса (або виліт ударника для пресів консольного типу) і вид приводу (механічний чи гідравлічний).

Преси траверсного типу мають переваги у порівнянні з іншими конструкціями, оскільки забезпечують можливість розкрою одночасно по всьому прольоту преса і по всій ширині матеріалу багато детальними і груповими різаками. Це забезпечує умови автоматизації процесу розкрою і сприяє підвищенню продуктивності.

Впровадження техніки у виробництво на початковому етапі забезпечило його машинами з механічним приводом (рис. 1.4).

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 1.4. Принципові схеми пресів з механічним приводом:

а - траверсний; б - кареточний.

Із застосуванням гідравлічного приводу стало можливим повернутися до конструкцій пресів траверсного типу (рис. 1.5) через основну їх перевагу - можливість розкрою відразу по всьоу прольоту преса.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 1.5. Принципові схеми пресів з гідравлічним приводом траверсного типу: а - для розкрою деталей низу взуття з жорстких шкір

б - з висувною траверсою для розкрою з листових і рулонних матеріалів.

Преси консольного типу застосовують для розкрою дрібних шкір верху. Для полегшення роботи на них ударник отримує автоматичний поворот (рис. 1.6).

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис.1.6. Принципові схеми пресів з гідроприводом консольного типу:

а - консольний; б - консольний з автоматичним поворотом.

Робочим органом гідрорізального устаткування є струменеформуючий пристрій (рис. 1.7), параметри якого визначають ефективність процесу розрізання.

Рис. 1.7. Пристрій для формування:

а - гідроструменя; б - гідроабразивного струменя;

1- електромагнітний запірний клапан; 2 - канал для підводу рідини; 3 - гідроструменевий пристрій; 4 - дозатор абразиву; 5 - канал для підводу абразиву; 6 - гідроабразивний струменевий пристрій.

Основним елементом конструкцій пристроїв є сопло, до якого підводиться рідина високого тиску. Струменеформуючі сопла відрізняються як за матеріалом з якого вони виготовлені, так і за формою струменеформуючого каналу. В установках для гідрорізання можуть використовуватись сопла з наступними профілями каналу: конічний, коноїдальний, експоненційний, гіперболічний, катеноїдалий та профіль Вишинського. Профіль та розміри вихідного отвору сопла обираються в залежності від необхідного виду обробки. Існуючі конструкції струменеформуючих пристроїв відрізняються формою, матеріалом корпусу, способом установки в ньому струменеформуючого сопла, підвода рідини високого тиску і герметизації з'єднань.

Ріжучі властивості струменя можна істотно підвищити за рахунок введення в зону різання абразивних частинок. При цьому значно зростає швидкість обробки, зменшується необхідний тиск робочої рідини, що, у свою чергу, дозволяє спростити конструкцію гідрорізальної установки, знижує знос деталей і підвищує тривалість безвідмовної роботи устаткування. В одному з перших пристроїв гідроабразивної обробки [20] абразив, що знаходиться в зв'язаному виді, наприклад у виді шліфувальної шкурки, укладався на поверхню матеріалу. Струмінь рідини, що витікав крізь сопло, прошивав шар абразивного порошку і підкладку, захоплюючи частки абразиву. Але оскільки абразивні частки не встигали до взаємодії з матеріалом придбати потрібну швидкість, а отже, не володіли необхідною кінетичною енергією, даний процес мав малу продуктивність. Відомі також і інші технічні рішення [21], у яких абразив подавався до зони витоку високошвидкісного гідроструменя в складі суспензії. В цій порожнині корпусу і при виході з нього частина суспензії захоплюється струменем рідини. Даній конструкції притаманні такі недоліки, як порівняно великий діаметр факела розпилу, малий відсоток абразивних частинок у струмені, швидкий знос вихідної частини насадка. Розвиток і удосконалювання даного технологічного процесу обробки привело до того, що струменеформуючі гідроабразивні пристрої стали забезпечуватися прискорюючими насадками, у яких проходить захоплення і розгін абразивних часток гідроструменем. Крім того, абразив став підводитись до змішувальної камери як у складі суспензії, так і у вигляді абразивно-повітряної суміші.

Струменеформуючий пристрій для розрізання матеріалів високошвидкісним струменем рідини представлена на рис. 1.8. Сопловий насадок розрахований на установку сопел, для виготовлення яких застосовувалися заготовки з синтетичних надтвердих матеріалів: СВА-15-БУ [22] і СКМ-2 [23], що мають циліндрову форму і розміри, необхідні для струменеформуючих сопел. Зовнішній діаметр сопла, виготовленого із заготовок СВА-15-БУ, складає 3,5 мм, а СКМ-2 5,5 мм.

Рис. 1.8. Струменеформуючий пристрій для розрізання матеріалів високошвидкісним струменем рідини

Сопловий насадок містить штуцер 1 з каналом, що підводить, 2, корпус 3, закріплений на штуцері 1 за допомогою різьбового з'єднання. На торці штуцера 1 є проточка, в якій з натягом встановлено мідне кільце ущільнювача 4. У корпусі 3 врівень із зовнішньою торцевою поверхнею встановлений утримувач 5 з посадочним місцем 6 і двома концентричними виступами 7 і 8, причому виступ 8, що знаходиться ближче до центру, має циліндрову внутрішню поверхню, що є продовженням посадочного місця 6. Зв'язані поверхні корпусу 3 і утримувача 5 виконані конусними з кутом конусності . При куті конусності спостерігалося заклинювання утримувача в корпусі, а при куті конусності відбувається нераціональне збільшення розмірів насадки. У посадочне місце 6 встановлюється вкладиш 9 з синтетичного надтвердого матеріалу, що має струменеформуючий отвір 10 складної криволінійної форми для формування струменя. Вкладиш 9 заздалегідь вставляється в трубку 11 з еластичного матеріалу, наприклад, поліхлорвінілу. Довжина трубки 11 однакова з довжиною вкладиша 9. Внутрішній діаметр трубки 11 вибирається рівним зовнішньому діаметру вкладиша 9, а посадочне місце 6 і канал 2 виготовляються з внутрішнім діаметром, рівним зовнішньому діаметру трубки 11. Обробка поверхонь з'єднання вкладиша 9 і внутрішнього торця посадочного місця 6 повинна бути високоякісною, щоб забезпечити їх щільне прилягання.

Струменеформуючий пристрій працює таким чином. Утримувач 5 з вкладишем 7 в трубці 6 встановлюється в корпусі 3, який за допомогою нарізного з'єднання підтискає утримувач до торця штуцера 1, при цьому виступи утримувача 5 врізаються в кільце ущільнювача 4, забезпечуючи герметичність з'єднання. Конфігурація виступу 8 забезпечує плавність течії робочої рідини від каналу 2 безпосередньо до вкладиша 7. При подачі робочої рідини в канал 2 за рахунок тиску рідини у напрямі руху потоку, забезпечується герметичність між вкладишем 7 і утримувачем 5. Проходячи через отвір вкладиша 7, високошвидкісний струмінь рідини потрапляє на оброблюваний матеріал. Конструкція насадка дозволяє розташовувати матеріал на відстані від матеріалу рівному 4 - 15 мм, що відповідає компактній частині високошвидкісного ріжучого струменя.

При роботі пристрою на вкладиш 7 діє тільки сила тиску рідини, інші механічні навантаження відсутні. Для демонтажу вкладиша 7 з утримувача 5 не потрібно докладати значних зусиль, а кут конусності з'єднання корпусу 3 і утримувача 5 забезпечує легкість заміни вкладиша. Все це запобігає передчасному зносу вкладиша і забезпечує швидкість його заміни.

Трубка 6 виконує в основному роль елементу, що центрує вкладиш 7, і дозволяє використовувати вкладиші з необробленою зовнішньою циліндричною поверхнею, зокрема з пошкодженнями контактної поверхні і неперпендикулярністю бічної поверхні вкладиша до його основи до 300, що зменшує необхідну точність вартість виготовлення вкладиша.

Розроблена конструкція струменеформуючої головки дозволяє формувати високошвидкісний ріжучий струмінь рідини в діапазоні тиску робочої рідини в системі 50 - 300 МПа, встановлювати сопла з різними значеннями струменеформуючих каналів, а також змінювати відстань до оброблюваної поверхні в інтервалі 1 - 15 мм. Це забезпечує розрізання широкого асортименту листових і рулонних матеріалів легкої промисловості з прогнозованою продуктивністю процесу.

1.3 Мета і завдання дипломного проекту

Висока продуктивність і переваги способу різання за допомогою гідроабразивного струменя, а також модульність техніки і можливість різної комплектації під конкретне призначення створює передумови для її широкого впровадження в розкрійне виробництво.

Метою дипломного проекту є розробка конструкції гідрорізального пристрою струменеформуючої установки для розкрою матеріалів легкої промисловості.

Для досягнення поставленої задачі:

1. Розроблено конструкцію установки;

2. Розроблено гідравлічну схему установки;

3. Розраховано параметри процесу різання;

4. Експериментальне дослідження гідро абразивного різання матеріалів.

РОЗДІЛ 2. КОНСТРУКТОРСЬКА ЧАСТИНА

2.1 Розробка конструкції гідрорізального пристрою

Результати досліджень дозволяють визначити ступінь впливу конструктивних параметрів гідрорізального устаткування на продуктивність процесу різання, що лежить в основі розробки конструкції струменеформуючої гідроабразивної головки. Розроблено і виготовлено головку для формування ріжучого гідроабразивного струменя.

Гідроабразивний струменеформуючий пристрій (рис. 2.1) складається з штуцера 1 з внутрішнім каналом для підводу рідини високого тиску , корпусу 2, закріпленого на штуцері 1 за допомогою нарізного з'єднання. Торець штуцера 1 виконаний у вигляді внутрішнього конуса. У верхній частині корпусу 2 на внутрішню торцеву поверхню встановлений утримувач 3. Поверхні штуцера 1 і утримувача 3 виконані конусами з кутом конусності . Нижня частина корпусу 3 має камеру змішувача 9 з каналом підведення абразиву 5. Стінки камери змішувача мають кут конусу рівний 45о, що відповідає оптимальним умовам введення абразиву в прискорюючий насадок 8, який встановлюється в нижній частині корпусу 6 за допомогою еластичного кільця і підтискаючої гайки 7 з центральним отвором. Центрування утримувача 3 і відповідно сопла 4 здійснюється точним виготовленням посадочного місця з отвором під виступ утримувача 3. Прискорюючий насадок 9 встановлюється по бічній поверхні центрального отвору, на посадочне місце, що виконано у вигляді каналу нижньої частини корпусу 6, завдяки чому досягається співвісність із струменеформуючим соплом 4.

Дана конструкція гідроабразивної струменеформуючої головки дозволяє створювати високошвидкісний ріжучий струмінь рідини, що містить абразив. Застосування утримувача 3 забезпечує можливість використання сопел з синтетичних надтвердих матеріалів СВА-15-БУ [22] і СКМ-2 [23], що мають циліндричну форму і розміри зовнішнього діаметру 3,5 мм, і 5,5 мм відповідно і що формують струмінь рідини при тиску 50--300 МПа. Канал 5, виконаний в нижній частині корпусу 2, дозволяє подавати в змішувальну камеру абразивний матеріал (кварцовий пісок) з розмірами частинок 0,25--0,5 мм з величиною витрат у відповідності з вибраною програмою в діапазоні 0,5--4,5 г/с. Виготовлення змішувальної камери з визначеним в дослідженнях кутом конусності 45о попереджує закупорку каналу, що підводить абразив. Підвід абразивних частинок в змішувальну камеру здійснюється на конусну стінку, забезпечуючи при цьому обертально-поступальний рух і локальну закрутку абразиву на вході в канал прискорюючого насадка. Використання прискорюючих насадків, виготовлених з карбіду вольфраму, однакового зовнішнього діаметру і застосування універсального способу їх кріплення, дозволяє встановлювати прискорюючі насадки з довжинами 15--100 мм. Розроблена конструкція гідроабразивної струменеформуючої головки дозволяє створювати високошвидкісний ріжучий струмінь рідини, що містить абразив і проводити процес різання листових і рулонних матеріалів із специфічними фізико-механічними властивостями.



Рис 2.1. Конструкція гідроабразивної струменеформуючої головки

2.2 Розробка гідравлічної схеми гідрорізальної установки

Гідравлічна схема установки приведена на рис.2.2.



Рис. 2.2 Гідравлічна схема гідрорізальної установки

Установка складається з системи низького 2 і високого 6 тиску, струменеформуючого пристрою 10, столу 11 для закріплення і подачі матеріалу, а також системи управління. Підвищення тиску в установці здійснюється за допомогою гідромультиплікатору двосторонньої дії (рис.1б, додаток А), що складається із співвісно розташованих циліндрів малого діаметру 5 (камери високого тиску) і циліндра великого діаметру 7 (камера низького тиску). Коефіцієнт мультиплікації (відношення тиску на виході з мультиплікатора до тиску на вході в нього) при діаметрі поршня 125 мм і діаметрі плунжера 22 мм дорівнює 32.

Масляна система низького тиску 2 за допомогою насоса 1 і золотникових розподільників забезпечує зворотно-поступальний рух поршня 3 і сумісно з плунжерами 4 в циліндрах низького 7 і високого 5 тиску.

В якості робочої рідини використовується чиста вода, яка з ємкості 15 насосом 14 подається в камери високого тиску 5. При русі поршня 3 і плунжерів 4 в камерах 5 поперемінно відбувається стиснення рідини, що їх заповнює. По трубопроводам 9 рідина під високим тиском поступає в гідроакумулятор 8, де відбувається згладжування пульсацій рідини у момент реверсу поршнів і забезпечується витікання безперервного струменя під дією постійного тиску. Витікання рідини відбувається через струменеформуюче сопло, яке встановлюється в струменеформуючому пристрої 10 (рис. 2 додаток А). В якості сопла використовуються волоки з високоміцного синтетичного алмазу, установка яких в робочу головку 10 здійснюється по а.с. № 1409420 СРСР, МКИ2 В 23 31/00/13. Сформований струмінь має велику швидкість і здійснює різання матеріалу, закріпленого на робочому столі 11. Відпрацьована рідина потрапляє в струменегасник 12, з якого через очисний фільтр подається в ємність 15.

Установка доповнюється дозатором абразивного матеріалу тарельчастого типу, що дозволяє плавно і з необхідною точністю регулювати подачу абразивної фази до струменеформуючої головки. Гідроабразивний струменеформуючий пристрій [24] дозволяє проводити установку прискорюючих насадків з різними довжинами.

На установці забезпечується плавне регулювання тиску робочої рідини від 50 до 250 МПа; установка струменеформуючих сопел діаметрами від 0,10 до 0,16 мм; зміна відстані між зрізом сопла і поверхнею матеріалу, що розрізається, від 1 до 100 мм забезпечується підйомом і опусканням робочого столу; зміна кута між поверхнею матеріалу і напрямом дії струменя рідини в межах від 700 до 1100 забезпечується поворотом столу подач щодо горизонтальної осі. Зміна швидкості подачі матеріалу в межах від 0,005 до 0,03 м/с здійснюється за допомогою варіатора ВЦ 1А1 (ГОСТ 10819-75) з безступінчатим регулюванням. Використання в конструкції столу подачі спеціального варіатора з безступінчатим регулюванням і керованого електродвигуна постійного струму дозволяє забезпечити переміщення досліджуваного матеріалу щодо двофазного потоку з швидкістю в діапазоні 0--1500 мм/хв.

Тиск робочої рідини перед соплом вимірюється манометром високого тиску типа СВ 1909 з межами вимірювання від 0 до 600 МПа з точністю вимірювання ±1%.

Діаметри вихідного отвору сопла і каналу прискорюючого насадка виміряні на мікроскопі МБС з точністю вимірювання - 0,001 мм.

Відстань від зрізу сопла до поверхні оброблюваного матеріалу виміряна штангенрейсмасом з точністю 0,05 мм.

Товщина оброблюваного матеріалу виміряна штангенциркулем ЩЦ-1 з точністю 0,01 мм.

Середня швидкість витікання рідини визначається її витратою за фіксований час.

Швидкість подачі матеріалу визначена за шкалою безступінчатого варіатора з точністю до 0,1 м/с і контрольована за допомогою масштабної лінійки і секундоміра.

Зміна кута нахилу між поверхнею оброблюваного матеріалу і ріжучим струменем перевірено за допомогою транспортира, встановленого на поворотному столі подач.

2.3 Математична модель руйнування матеріалу високошвидкісним гідро струменем

Для спрощення фізичної моделі умовно розділимо процес руйнування матеріалу на дві основні стадії. Перша характеризується деформацією поверхні і ущільненням матеріалу без втрат маси, друга відрізняється утворенням і злиттям тріщин, максимальною швидкістю виносу матеріалу.

Для першої стадії введемо наступні припущення:

- рідина струменю є ідеальною, тобто позбавлена в'язкості;

- ширина різа дорівнює діаметру вихідного отвору сопла;

- струмінь створює на поверхні контакту рівномірний тиск, відповідний тиску гідравлічного удару;

- енергія струменя витрачається на роботу деформації матеріалу;

- величина вертикального переміщення площини різання під дією струменя дорівнює глибині проникнення в матеріал плоского кругового штампа однакового з нею радіусу при тому ж тиску.

Розглядаючи початкову стадію взаємодії рідини з матеріалом, можна отримати величину гідравлічного удару Ру у вигляді [25]:

(2.1)

де ср, ср -- відповідно густина рідини і швидкість звуку в ній; см, см -- відповідно густина матеріалу і швидкість звуку в ньому; vс -- швидкість струменя рідини безпосередньо перед поверхнею матеріалу.

З виразу (2.1) для сили нормальної дії струменя

(2.2)

де Rс -- радіус вихідного отвору сопла.

Визначимо глибину проникнення струменя в матеріал на першій стадії різання hпр. У першому наближенні рішення цієї задачі можна звести до визначення вертикального переміщення поверхні матеріалу для пружного напівпростору hпр. Воно складе [103]:

(2.3)

де -- коефіцієнт Пуассона; Е -- модуль пружності Юнга.

Якщо рахувати процеси впровадження жорсткого індентора і струменя рідини в напівпростір, що деформується, аналогічними, то для визначення часу деформації матеріалу на першій стадії руйнування t1 можна скористатися формулою [27]:

(2.4)

Прийнявши на цій стадії швидкість проникнення струменя v в матеріал постійною, отримаємо:

(2.5)

Друга стадія процесу характеризується утворенням тріщин в зоні пластичної деформації і подальшим виносом матеріалу за рахунок їх розвитку і злиття. При цьому оброблювана поверхня зазнає наступні зміни: пластичні деформації, деформації зрушення і сколювання.



Рис. 2.3. Схема розширення струменя в повітрі

Для побудови математичної моделі руйнування матеріалу на другій стадії різання введемо наступні припущення:

- ріжучий струмінь рідини складається з початкової і основної областей (рис.2.3);

- динамічний тиск струменя в межах початкової області рівний динамічному тиску струменя на виході з сопла [28];

- руйнування відбувається в тому випадку, якщо середній динамічний тиск в поперечному перетині струменя перевищує твердість матеріалу;

- для величини динамічного тиску струменя рс основної області справедливе рівняння:

(2.6)

де р1 -- динамічний тиск струменя на виході з сопла; Дp1 -- втрати тиску на першій стадії руйнування; Lп -- довжина початкової ділянки струменя; Lосн -- відстань від сопла до площі контакту струменю з матеріалом.

Припустивши, що на першій стадії різання енергія струменя витрачається тільки на деформацію матеріалу, для умов ідеальної пружності запишемо:

(2.7)

При радіусі струменя R, радіусі сопла Rс і радіальному розподілу динамічного тиску р справедлива рівність:

(2.8)

(2.9)

де Z -- радіальна відстань від осі струменя до точки закінчення дії еквівалентної гідродинамічної сили.

Підставивши в рівняння (2.9) величину рс з рівняння (2.6), з урахуванням рівності (2.7) отримаємо:

(2.10)

Для ефективної частини струменя радіусом Rе радіальна відстань Zе з умови повного прорізання:

(2.11)

де ур - границя міцності матеріалу при розтягу.

Підставивши в отриманий вираз значення R з формули (2.8), запишемо:

(2.12)

Якщо виразити еквівалентну гідродинамічну силу F через радіальний розподіл динамічного тиску струменя р, отримаємо:

(2.13)

З іншого боку, силу F можна виразити через середній динамічний тиск ре, що створюється ефективною частиною струменя:

(2.14)

З рівнянь (2.13) і (2.14) для ре запишемо:

(2.15)

Проінтегрувавши вираз (2.15) з урахуванням залежностей (2.9), (2.10) і (2.12), отримаємо:

(2.16)

Для спрощення подальших обчислень, введемо наступні безрозмірні параметри:

(2.17)

(2.18)

Визначимо втрати тиску Дpf струменя на тертя об бічні стінки вирізу. Скориставшись рівняннями гідравліки для потоку рідини в циліндровій трубі, з урахуванням контакту за площею напівциліндра отримаємо:

(2.19)

де лf -- коефіцієнт гідравлічного опору; h -- товщина оброблюваного матеріалу.

Для уявлення процесу руйнування матеріалу під дією струменя рідини, приймемо умовно, що об'єм з області різання зменшується поступово по вертикальній рухомій контактній поверхні S. Тому що швидкість проникнення струменя в матеріал значно більше швидкості подачі, то площу контакту взаємодії струменя з матеріалом можна умовно вважати нерухомою в горизонтальній площині практично для всіх випадків струменевого різання. Тоді горизонтальну швидкість подачі зразка можна апроксимувати послідовністю ступенів (розміри яких відповідають діаметру сопла) за період часу, що необхідний для повного прорізання матеріалу. Представимо умовно ріжучий струмінь рідини як сукупність елементарних струменів масою dm, кожна з яких руйнує матеріал на глибину dh (рис. 2.4).

Рис. 2.4. Схема взаємодії струменя рідини з матеріалом

При цьому залишкова кінетична енергія струменя визначається критичною швидкістю vc. Використовуючи рівняння Бернуллі для тиску на площадку контакту, визначимо швидкість vc , при якій припиняється процес руйнування матеріалу:

(2.20)

Прирівнявши втрати кінетичної енергії струменя і роботу гідродинамічних сил по подоланню опору матеріалу на ділянці dh, отримаємо:

(2.21)

де Fc -- сила, визначувана контактним тиском:

(2.22)

За час dt через вихідний отвір сопла пройде маса рідини:

(2.23)

Після інтегрування і підстановки значення сили Fc з рівняння (2.22) і dm з (2.23) вираз (2.21) прийме вигляд:

чи (2.24)

Тоді час dt для прорізання матеріалу товщиною dh буде дорівнювати:

(2.25)

Тоді з рівняння (2.25) повний час проникнення струменя в матеріал на другій стадії руйнування буде:

(2.26)

З урахуванням залежності (2.19) отриманий вираз прийме кінцевий вигляд:

(2.27)

Загальний час t повного прорізання матеріалу товщиною h складається з t1 (2.4) і t2 (2.27) і дорівнює:

(2.28)

Тому що за цей час матеріал переміститься в горизонтальному напрямі на відстань 2Rc, то, з урахуванням виразів (2.17) і (2.18) швидкість подачі буде дорівнювати:

(2.29)

Отримана залежність (2.23) величини подачі матеріалу при його повному прорізанні дає можливість для матеріалів з різними ур отримати раціональні значення радіусу сопла Rc та тиску в системі р і тим самим визначити раціональну продуктивність процесу.

2.4 Математична модель високошвидкісного ріжучого гідроабразивного струменя

У установках для гідроабразивного розрізання, як і в гідрорізальних установках, використовується енергія високошвидкісного струменя рідини.

Проте якщо порівняти механізм руйнування цими способами, то можна побачити, що фізична суть їх різна. При гідрорізанні кінетичну енергію струменя визначає швидкість рідини, яка є функцією тиску рідини перед струменеформуючим соплом , де v-- швидкість рідини, pp -- тиск рідини.

Знаючи швидкість і секундну витрату маси рідини, можна визначити кінетичну енергію струменя.

При гідроабразивній обробці відбувається складна взаємодія двох середовищ, в результаті якої енергія струменя йде на розгін абразиву [5]. При формуванні різального гідроабразивного струменя відбувається складна взаємодія двох середовищ, в результаті якої енергія струменя йде на розгін абразиву. Струменеформуючий пристрій працює таким чином (рис. 2.5). Рідина високого тиску 1 подається до струменеформуючого сопла 2 і витікає з надзвуковою швидкістю. Проходячи через змішувальну камеру 3, струмінь рідини захоплює частинки абразиву 4 і разом з ними поступає в канал прискорюючого насадка 6, де відбувається розгін абразивних частинок і формування гідроабразивного струменя, який, потрапляючи на оброблюваний матеріал, розрізає його.



Рис 2.5. Схема утворення абразивно-рідинного струменя:

1 - робоча рідина високого тиску; 2 - струменеформуюче сопло; 3 - змішувальна камера; 4 - абразивні частинки; 5 - елемент потоку абразивних частинок масою ; 6 - канал прискорюючого насадка для підводу абразиву; 7 - елемент гідроабразивного струменя масою dma; 8 - елемент струменя рідини масою dmp.

Процес гідроабразивного різання доволі складний, тому при його моделюванні приймемо ряд умов і допущень [6]:

— струмінь води має циліндричну форму (принаймні до зустрічі з потоком абразивних частинок), а радіус поперечного перетину струменя rр дорівнює радіусу вихідного отвору сопла rc;

— всі точки поперечного перетину струменя мають однакову швидкість, рівну середній швидкості потоку vp, що визначається за формулою

,

де Qp -- об'ємна витрата рідини; fc -- площа вихідного отвору сопла. Оскільки rp=rc, то fp=fc=rc2;

— втрати енергії гідроабразивного струменя на тертя об повітря і об стінки каналу прискорюючого насадка не враховуємо.

Для побудови математичної моделі процесу виділимо в потоці абразиву елемент масою dma, який при потраплянні в змішувальну камеру захоплюється елементом струменя масою dmp, утворюючи при цьому елемент абразивно-рідинного струменя масою (dma+dmp), рухомий із швидкістю v.

Тоді, згідно закону збереження кількості руху:

(2.30)

Звідси швидкість даного елементу абразивно-рідинного струменя:

(2.31)

Оскільки швидкість потоку абразивних частинок набагато менше швидкості струменя рідини, то приймаємо va=0. Тоді:

(2.32)

Маса виділеного елементу струменя рідини:

(2.33)

де с -- густина рідини; dф -- проміжок часу, протягом якого поперечний перетин струменя переміщається на відстань dl.

Швидкість витоку рідинного струменя vp з сопла можна визначити за формулою:

(2.34)

де рр -- тиск робочої рідини (води) на вході в сопло.

Масу виділеного елементу потоку абразивних частинок dma неважко визначити, якщо відома масова витрата абразиву Ма:

(2.35)

Тоді, підставивши вирази (2.31), (2.34) і (2.35) в (2.32), отримаємо:

(2.36)

Знаючи швидкість абразивно-рідинного струменя v, неважко обчислити її енергію. Так, кінетична енергія елементу (dma + dmp):

(2.37)

Використовуючи рівняння (2.33) і (2.35), отримуємо:

(2.38)

Даний елемент струменя впливає на оброблюваний матеріал протягом часу dф: за цей проміжок часу буде зруйнована маса матеріалу dmм. Якщо а -- робота, що витрачається на руйнування одиниці маси, то A=admм -- робота, яку необхідно витратити на руйнування маси dmм. Вважаємо, що вся кінетична енергія dK витрачається на руйнування матеріалу, тобто dK=dA.

(2.39)

Тоді протягом часу dф оброблюваний матеріал переміститься на відстань dl=vndф, де vn -- швидкість подачі. Позначивши через fріз площу перетину різу і через см густина матеріалу, знайдемо

(2.40)

Після підстановки формули (2.40) в (2.39) отримаємо:

(2.41)

Звідси робота, що витрачається на руйнування одиниці маси оброблюваного матеріалу:

(2.42)

Визначимо тепер мінімальний тиск води, який буде достатнім для повного прорізання листового матеріалу товщиною h. В цьому випадку перетин різу буде близьким до трикутного з максимальною шириною у верхній частині і мінімальною (прагнучою до нуля) -- у нижній поверхні листа.

Якщо потрібно виконати різ довжиною l:

(2.43)

де ф - тривалість різання. Тоді витрачена робота:

(2.44)

Розділивши вираз (2.44) на ф, отримаємо необхідну потужність гідроабразивного струменя:

(2.45)

Оскільки різання ведеться при мінімальній відстані вихідного отвору каналу від поверхні оброблюваного матеріалу, то можна прийняти, що ширина різа bріз дорівнює діаметру каналу dк прискорюючого насадка. Тоді вираз (2.45) можна переписати у вигляді:

(2.46)

Враховуючи рівняння (2.41), запишемо:

(2.47)

Після підстановки формули (2.34) маємо:

(2.48)

або, якщо підставити вираз (2.36):

(2.49)

Як випливає з наведеного, потужність гідроабразивного струменя прямо пропорційна швидкості руху рідинної і твердої фаз струменя. Проте для побудови математичної моделі формування ріжучого гідроабразивного струменя і обґрунтування ухвалення деяких допущень, необхідно визначити ступінь впливу на процес руйнування кожної з складових.

2.5 Розрахунок руйнування матеріалу високошвидкісним гідро струменем

Вихідні дані:

швидкість руху в рідині (воді) 1483 м/с;

густина скловолокна 7904 кг/м3;

швидкість струменя рідини перед поверхнею матеріалу547,7 м/с;

радіус вихідного отвору сопла 0,07*10-3 м;

коефіцієнт Пуассона (для скловолокна) 0,15;

модуль Юнга(для скловолокна) 2,1*1010 Н/м2;

довжина початкової ділянки струменя55*10-3 м;

відстань від сопла до площини контакту з матеріалом 3*10-3 м;

тиск рідини перед струменеформуючим соплом 150*106 Па;

границя міцності матеріалу (скловолокна) при розтягу 3*108 Н/м2;

масова гутина рідини (води) 1000 кг/м3;

коефіцієнт гідравлічного опору скловолокна 0,1;

товщина оброблюваного матеріалу 0,44*10-3 м.

Розрахунок:

Швидкість звуку в скловолокні:

де Е - модуль Юнга, а - густина скловолокна;

Величина гідравлічного удару:

де ср, ср -- відповідно гутина рідини і швидкість звуку в ній; см, см -- відповідно густина матеріалу і швидкість звуку в ньому; v0 -- швидкість струменя рідини безпосередньо перед поверхнею матеріалу;

Сила нормальної дії струменя:

де Rc -- радіус вихідного отвору сопла;

Глибина проникнення струменя в матеріал на першій стадії різання:

де -- коефіцієнт Пуассона; Е -- модуль пружності Юнга;

Час деформації матеріалу на першій стадії руйнування:

Швидкість проникнення струменя в матеріал на першій стадії руйнування:

Втрати тиску на першій стадії руйнування:

Динамічний тиск струменя на виході з сопла:

Динамічний тиск струменя основної області:

Радіус струменя:

Радіальна відстань від осі струменя до точки закінчення дії еквівалентної гідродинамічної сили:

Радіус ефективної частини струменя (радільна відстань):

де ур - границя міцності матеріалу при розтягу;

Середній динамічний тиск:

Еквівалентна гідродинамічна сила:

Безрозмірні параметри для спрощення подальших обчислень:

Втрати тиску струменя на тертя об бічні стінки вирізу:

де лf -- коефіцієнт гідравлічного опору; h -- товщина оброблюваного матеріалу;

Швидкість при якій зупиняється процес руйнування матеріалу:

Сила, що визначається контактним тиском:

Повний час проникнення струменя в матеріал на другій стадії:

Загальний час повного прорізання матеріалу:



Швидкість подачі:

2.6 Розрахунок високошвидкісного ріжучого гідроабарзивного струменя

Вихідні дані:

витрата абразиву 0,0065 кг/с;

діаметр прискорюючого каналу 0,0015 м;

довжина ділянки різання 0,3 м;

швидкість подачі матеріалу 0,0047м/с.

Розрахунок

Швидкість витоку рідинного струменя з сопла:

де рр -- тиск робочої рідини (води) на вході в сопло;

Площа вихідного отвору сопла:



Швидкість абразивно-рідинного струменя:

де Ма - витрата абразиву;

Площа струменя розрізу:

де -- діаметр прискорюю чого каналу;

Робота, витрачена на руйнування одиниці маси оброблюваного матеріалу:

де - швидкість подачі матеріалу;

Ширина розрізу:

Маса зруйнованого матеріалу:

Витрачена робота:

Необхідна потужність гідроабразивного струменя:

Повна програма розрахунку приводиться в додатку Б.

РОЗДІЛ 3. ЕКСПЕРИМЕНТАЛЬНІ ДОСЛІДЖЕННЯ ПРОЦЕСУ ГІДРО- ТА ГІДРОАБРАЗИВНОГО РІЗАННЯ МАТЕРІАЛІВ ЛЕГКОЇ ПРОМИСЛОВОСТІ

3.1 Дослідження залежності витраченої роботи та необхідної потужності гідроабразивного струменя від параметрів та характеристик гідрорізальної установки та матеріалу

На основі математичної моделі високошвидкісного ріжучого гідроабразивного струменя за допомогою програми MathCAD побудовані залежності необхідної роботи та витраченої потужності від радіуса струменеформуючого сопла Rс, відстані від сопла до площини контакту з матеріалом L0, тиску рідини перед струменеформуючим соплом р, товщини оброблюваного матеріалу h, діаметру прискорюю чого каналу dk та швидкості подачі матеріалу vn.

З отриманих графіків видно, що зростання радіуса вихідного отвору сопла Rс (рис. 3.1., а, б) та тиску р (рис. 3.2., а, б) приводить до збільшення необхідної роботи А та витраченої потужності N (параболічна залежність).

Зростання швидкості подачі матеріалу приводить до зменшення необхідної роботи А (рис. 3.3., а).

Інші параметри суттєво не впливають на вихідні характеристики (необхідну роботу А та витрачену потужність N).

Повна програма розрахунку приводиться в додатку В.



а

б

Рис. 3.1. Залежності вихідних параметрів від радіуса вихідного отвору сопла:

а - необхідної роботи; б - витраченої потужності.



а

б

Рис. 3.2. Залежності вихідних параметрів від тиску рідини перед стуменефоррмуючим соплом: а - необхідної роботи; б - витраченої потужності.



а

б

Рис. 3.3. Залежності вихідних параметрів від швидкості подачі матеріалу:

а - необхідної роботи; б - витраченої потужності.

3.2 Визначення ступеня впливу рідинної складової двофазного струменя при гідроабразивному розрізанні

Для визначення впливу рідинної складової потоку при гідроабразивному способі розрізання, а також області застосування гідро- та гідроабразивного розрізання для матеріалів легкої промисловості, проводились дослідження енергетичних параметрів струменів [24].

Енергетичні параметри визначали за допомогою пристрою (рис. 3.4), що дозволяє вимірювати силу дії енергопотоку на перешкоду.

Рис. 3.4. Схема експериментального стенду для визначення енергетичних параметрів струменів:

1 - контактна площадка; 2 - важіль; 3 - пружній елемент; 4 - тензодатчики; 5 - тензопідсилювач; 6 - реєструючий пристрій.

Пристрій складається з контактної площадки 1, жорстко закріпленої на важелі 2, що передає зусилля дії струменя на пружний елемент кільцевого типу 3 з наклеєними на нього тензодатчиками 4. Тензодатчики з'єднувалися по напівмостовій схемі з тензопідсилювачем 5, звідки тензосигнал поступав на реєструючий записуючий прилад 6. Для отримання достовірних результатів контактна площадка виготовлялась з твердосплавного матеріалу, пружний елемент з тензодатчиками був захищений від дії вологи за допомогою поліетиленової плівки.

В процесі проведення експерименту задавався контрольний тиск робочої рідини. При цьому записуючий прилад реєстрував силу дії гідроструменя на важіль. При підводі абразивних частинок в змішувальну камеру струменеформуючого пристрою, на діаграмі фіксувалося значення сили дії гідроабразивного струменя. Таким чином, при незмінних початкових параметрах вимірювалися величини сил дії на матеріал гідро- та гідроабразивного струменів.

Експерименти проводили при наступних довжинах прискорюючих насадок: 15, 30, 40, 60, 80, 100 мм. Тиск робочої рідини в системі складав 80 МПа, діаметр струменеформуючого сопла -- 0,14 мм, діаметр каналу прискорюючого насадка - 1,3 мм, відстань між зрізом насадка і контактної площини (матеріалом) - 3 мм. В якості абразиву використовувався SiO2 з розміром частинок 0,25 - 0,5 мм, що транспортувався до камери змішування стислим повітрям при тиску, рівному 0,4 МПа. Швидкість подачі матеріалу (склотекстоліт товщиною 5 мм) щодо струменя складала 4,7 мм/с. Кількість зруйнованого матеріалу вимірювалася зважуванням на аналітичних вагах з точністю до 0,0001 г.

За наслідками вимірювань з урахуванням площі контакту побудована залежність тиску гідро- (1) і гідроабразивного (2) струменя на перешкоду від довжини прискорюючого насадка (рис. 3.5).

Рис. 3.5. Залежність тиску струменя на перешкоду від довжини прискорюючого каналу: 1 - гідрострумінь; 2 - гідроабразивний струмінь.

Вважається, що руйнування матеріалу залежить в основному від його взаємодії з абразивною частинкою. Для визначення впливу кожної з складових двофазного потоку на розрізання матеріалів проводилося вимірювання видаленої маси матеріалу високошвидкісним струменем рідини 1 і гідроструменем 2, що містить абразив (рис. 3.6).

Рис. 3.6. Залежність маси видаленого матеріалу від довжини прискорюючого каналу: 1 - гідрострумінь; 2 - гідроабразивний струмінь.

Дані експериментів показали, що сила дії струменя рідини на перешкоду була незмінно вища, ніж сила дії гідроабразивного потоку. Кількість зруйнованого матеріалу високошвидкісним струменем рідини для різних довжин прискорюючих насадків практично не змінювалась. Величина маси видаленого матеріалу гідроабразивним способом змінювалася в більшому діапазоні і мала тенденцію до зменшення при використанні насадків з довжинами 60 - 100 мм.

Аналіз результатів проведених експериментів дозволяє судити про вплив кожної з складових гідроабразивного потоку на процес руйнування. Так, при довжині прискорюючого насадка 15 мм тиск високошвидкісного струменя рідини на перешкоду (матеріал) в 5,9 разів перевищував величину тиску при дії гідроабразивного струменя. Зменшуючи тиск на матеріал гідроструменя до значення, рівного дії гідроабразивного, струмінь рідини не залишав на склотекстоліті слідів руйнування. Отримані результати дозволили зробити допущення, що впливом рідинної складової гідроабразивного потоку на процес розрізання матеріалів можна нехтувати, вважаючи, що енергія гідроструменя необхідна для розгону абразивних частинок та винесення продуктів руйнування із зони різання.

Розглядаючи процес формування гідроабразивного струменя, можна припустити, що її енергія, ріжучі властивості і, зрештою, продуктивність різання повинні в значній мірі залежати від витрати і тиску (швидкості витоку) робочої рідини, витрати і розмірів частинок абразиву, діаметру і довжини каналу прискорюючого насадка. Проте залишаються невідомими поки що характер і ступінь впливу на процес кожного з перерахованих чинників. Невідомі також оптимальні значення цих чинників, що забезпечують максимальну продуктивність.

Параметри гідроабразивного струменя досліджувались на гідроабразивному струменеформуючому пристрої (рис. 3.7) [24], який працює таким чином. Рідина високого тиску подається через штуцер 1 і витікає з надзвуковою швидкістю з сопла 2, встановленого у вкладиші 6. Проходячи через змішувальну камеру 5 корпуса 7, струмінь рідини захоплює частинки абразиву, що подаються в камеру через штуцер 3 за допомогою стислого повітря, і поступають в канал прискорюючого насадка 4, де відбувається розгін абразивних частинок і формування абразивно-рідинного струменя.



1 - штуцер; 2 - струменеформуюче сопло; 3 - штуцер для підведення абразиву; 4 - прискорюючий насадок; 5 - змішувальна камера; 6 - вкладиш; 7 - корпус.

...