Анотація до роботи:

Саленко О.Ф. Наукові основи високоефективного гідрорізання тонкостінних виробів з неметалевих композитів. – Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора технічних наук за спеціальністю 05.03.07. – Процеси фізико-технічної обробки. – Національний технічний університет України “Київський політехнічний інститут”. – Київ, 2001.

У дисертації вирішено важливу науково-технічну проблему керування процесами високоенергетичної струминної ерозії неметалевого композитного матеріалу шляхом оптимізації умов протікання нестаціонарних процесів тріщиноутворення, обумовлених орієнтацією елементів поверхні розділу, локалізованих у деструктованому шарі на поверхні борозенки різа відносно високошвидкісного струменя, завдяки чому досягнуто підвищення ефективності гідрорізання, поліпшено якість отриманих поверхонь розділу. Сформульовано основні положення механізму формування показників мікро- і макрогеометрії борозенки різа, згідно з якими топографія поверхні є наслідком зародження, розвитку і злиття мікротріщин, що рухаються у визначеному напрямку, залежно від інтенсивності струминного впливу, геометричних параметрів струменя, властивостей матеріалу. На основі аналізу фізичної моделі гідрорізання неметалевого композитного матеріалу запропоновано узагальнений алгоритм його моделювання. Створено технологічні основи забезпечення ефективного гідрорізання тонкостінних виробів з неметалевих композитів із заданими показниками якості. Запропоновано ряд технічних рішень виконання окремих елементів устаткування, створено адаптивну система гідрорізання, розроблено принципи її керування.

1. В результаті теоретико-експериментальних досліджень процесів гідрорізання тонкостінних виробів з неметалевих композитів створено наукові основи і вирішено актуальну науково-технічну проблему оптимізації умов протікання процесу струминної ерозії як наслідку тріщиноутворення на елементах поверхні розділу в зоні натікання швидкоплинного струменя, локалізованих у деструктивному шарі, що дало змогу значно підвищити ефективність даного методу при різанні струменем рідини, який витікає під тиском 150-220 МПа із додержанням заданих вимог з якості поверхні.

2. Використання підходів лінійної механіки руйнування дозволило сформулювати основні положення теорії гідрорізання неметалевого композитного матеріалу. Встановлено, що формування борозенки різи 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 кутами 3⁰-15⁰ відносно осі швидкоплинного струменя, їх наступного злиття з активним руйнуванням у зон безпосереднього контакту зі струменем, та кінцевого формування поверхні розділу периферійною частиною струменя і потоком евакуйованої рідини, насиченим продуктами руйнування. При цьому гаму оброблюваних композитів можна вважати крихкими, зі зменшенням крихкості при зниженні інтенсивності струминного впливу в зоні виходу струменя, що обумовлює кінцеве формування поверхні борозенки різи внаслідок пружно-пластичного деформування та багатоциклового руйнування елементів поверхневого шару.

Концентрація мікротріщин, їхнє зародження та напрямок розвитку залежить від ширини зони передруйнування, яка утворюється на межі стискуючих та розтяжних напружень та співпадає з зоною впливу оболонкою струменя, та швидкості перенесення гідровпливу уздовж оброблюваної поверхні. Розвиток, розгалуження та злиття тріщин обумовлюється струминним пульсуючим навантаженням поверхні різання, яке, в свою чергу, залежить від положення елементів утвореної поверхні розділу. Критерієм розгалуження мікротріщин є швидкість зростання струминного навантаження, яка обумовлюється швидкістю робочої подачі, положенням елементарних площинок гідроруйнування та розмірами і компактністю струменя. Ускладнений вихід відпрацьованої рідини призводить до зростання гідродинамічного навантаження бокових поверхонь борозенки різи та активного розвитку магістральних тріщин без їх розгалуження з виходом за межі дії струменя, що призводить до появи відколів на поверхні. Процес тріщиноутворення, наслідком якого є нестаціонарне гідроруйнування мікрообсягів оброблюваної заготовки, визначає товщину деструктивного шару та форму поверхні різання, і в кінцевому рахунку обумовлює ефективність гідрообробки і якість отриманих поверхонь розділу.

3. Запропоновано новий комплексний підхід у теорії гідрорізання неметалевих матеріалів, який полягає у тому, що керування положенням елементів поверхні розділу, локалізованих в деструктивному шарі оброблюваного матеріалу, можна забезпечити оптимальні умови протікання нестаціонарних процесів струминної ерозії, що дозволяє значно підвищити ефективність виконання гідрообробки, а саме: домогтися заданої високої якості оброблюваної поверхні при одночасному зниженні її собівартості. Встановлено, що різка зміна орієнтації елементів поверхні розділу при поступовому русі струменя та наближення кута розташування до критичного значення, характерного для кожного конкретного матеріалу, як функції тиску технологічної рідини, може викликати розшарування композиту. Зокрема, для склопластиків критичний кут нахилу площинки руйнування при тиску р=160 МПа відносно осі струменя становить 8⁰-10⁰, вуглепластиків – 5⁰-13⁰, для текстоліту - 5⁰, гетинаксу – 10⁰. Забезпечити оптимальну орієнтацію елементів поверхні розділу можна як технологічними засобами, так і за допомогою спеціальних пристроїв струминних головок та верстатних систем.

4. Запропонований основний принцип моделювання процесу гідрорізання неметалевого композитного матеріалу довільної структури, який, на відміну від існуючого підходу, розглядає оброблюваний матеріал як сукупність адгезійно зчеплених шарів з відмінними фізико-механічними властивостями, а сам процес різання - як складний рух елементів поверхні розділу при зміні точки прикладання струминного впливу. При цьому переміщення струменя уздовж контуру обробки моделюється послідовною зміною напруженого стану елементарної товщини перетину, в якому виникають, розвиваються та розгалужуються тріщини з наступною диспергацією оброблюваного тіла. Напружений стан характеризується струминним навантаженням і граничними умовами на сусідніх елементарних перетинах. Показано, що існуючі моделі гідрорізання є частковими випадками розробленої концепції.

5. Теоретично обгрунтовано та експериментально доведено, що деструктивний шар змінюється не тільки у зоні безпосереднього натікання швидкоплинного струменя, а і у зоні виходу відпрацьованої рідини на довжині l=10...20d_c. Такі зміни обумовлюються проявом механізму багатоциклового руйнування мікровиступів на донці та на бокових поверхнях борозенки різа. Уява струменя рідини у вигляді запропонованого автором швидкоплинного двофазного потоку дозволяє оцінити інтенсивність циклічного навантаження поверхневого шару внаслідок виникнення на мікровиступах резонансних явищ, які інтенсифікують тріщиноутворення. Частота пульсуючого навантаження центральною частиною струменя становить 6 – 9 кГц, периферією – 0.5 – 2 кГц. Амплітуда коливань динамічного навантаження змінюється у межах 0.15 – 1.2 Н.

6. Встановлено, що значну роль при гідрорізанні композитів відіграють процеси абразивного зносу поверхні різання, у тому числі, армувальних волокон, від дії часток шламу. Так, при зануренні струменя в тіло оброблюваного матеріалу частки шламу з поверхневої ділянки отримують кінетичний імпульс від потоку рідини і бомбардують нижні шари, викликаючи зміну їхніх фізико-механічних властивостей та наступне руйнування внаслідок дії різкого зростання розтяжних напружень від гідродинамічного навантаження струменем. Ефект спостерігається при тисках рідини 150-180 МПа та вищих на глибині понад 0.7-1 мм. Запропоновано формулу для оцінки прояву механізму абразивно-гідродинамічного руйнування. Встановлено, що даний механізм слід враховувати для композитних матеріалів з регулярною структурою, товщина верхнього шару наповнювача в яких перевищує 0.5-1.0 мм.

7. Теоретично обгрунтовано та експериментально доведено, що динамічні збурення та помилки відпрацювання заданих переміщень приводами подач верстатної системи можуть викликати суттєве погіршення поверхні різи та збільшити товщину деструктивного шару, яка обумовлює підвищений у 2-4 рази рівень шорсткості та місцеві розшарування торця на 15-18%. Встановлено, що збільшення швидкості руху струминної головки при відпрацюванні довільної траєкторії призводить до пропорційного збільшення рівня шорсткості поверхні. Нехтувати динамічними збуреннями в приводах подач можна тільки у разі обробки матеріалів товщиною понад 4 мм.

8. На основі системного підходу та запропонованої автором фізичної моделі гідрорізання композиту отримала принципово нове розв’язання задача формоутворення поверхні контуру різи при обробці швидкоплинним струменем. Показано, що розвиток борозенки різи можна описати певною сукупністю кривих другого та третього порядку, коефіцієнти яких розраховуються на основі аналізу процесів струминної ерозії за миттєвим положенням елементів поверхні розділу в деструктивному шарі. Останній, в свою чергу, обумовлює кінцеві показники якості обробки. Даний підхід дозволив розробити на основі 3-D моделювання алгоритм візуалізації поверхні різання (борозенки), котра утворюється при натіканні швидкоплинного струменя на оброблюваний матеріал. Моделі мають високу адекватність – на рівні 3-8% у порівнянні з натурними зразками; дозволяють виконувати оптимізацію режимів та схем ведення обробки конкретного матеріалу.

9. Вивчено також процеси локальної струминної ерозії, на основі яких сформульовано принципи ефективного гідровидалення поверхневих плівок. Встановлено, що руйнування квазікрихких плівок відбувається не тільки у зоні натікання струменя, а і у прилеглій зоні на відстані до 0.5…1.2d_c. Високоеластичні плівки, в основному, руйнуються тільки у зоні впливу струменя, однак збільшення зони за рахунок відшарування плівки можна досягти, створюючи пульсації тиску струменя з частотою 3..10 Гц. Шар консистентної речовини, який знаходиться на поверхні твердого тіла, сприймає гідродинамічне витіснення від дії розтічного потоку рідини, а фронтальна частина шару видаляється за також рахунок течії рідини по поверхні. Встановлено, що зміна радіусу є уповільненою функцією часу t прикладання струминного навантаження. При цьому за рівних інших умов вплив тиску рідини р на зростання радіусу R видалення шару речовини менший за вплив діаметра отвору струменеформуючого сопла d. Вилучення шару речовини відбувається динамічно і ефективно для товщини шару h < 3 – 4 мм. Товщина твердих плівок, що задовільно видаляються з поверхні, не повинна перевищувати 2 – 3 мм.

10. Встановлено, що, втративши свою кінетичну енергію, потік рідини (при зануренні на глибину 10...25d_c) здатний виконувати пружно-пластичне деформування окремих елементів основи, обумовлюючи зміну її шорсткості. Показано, що остаточна шорсткість поверхні буде обумовлюватися фізико-механічними властивостями матеріалу, тиском рідини та діаметром струменя, причому зазначені параметри складають чітку детерміновану залежність. Також встановлено, що початкова мікрогеометрія поверхні та мікрогеометрія, утворена при виносі продуктів руйнування, змінюється протягом певного часу у бік зменшеня параметру Rz – виникає ефект вигладжування борозенки різи. За певних умов обробки, наприклад, при витіканні струменя із сопла діаметром 0.15 мм під тиском 180 МПа величина остаточної шорсткості може зменшитися у 2.5 – 3 рази у порівнянні з імпульсним впливом за тих же умов.

11. Розроблено методологію комплексних теоретико-експериментальних досліджень, які базуються на використанні принципово нового методу реєстрації зміни харакетристик поверхневого шару – хемографії, що дозволило довести основні теоретичні положення дисертації та встановити взаємозв’язок вхідних параметрів процесу з вихідними параметрами – показниками якості та продуктивності; на цій основі науково обгрунтувано принципи та підходи до проблеми забезпечення високоякісного ефективного гідрорізання.

12. Створено технологічні основи забезпечення ефективного гідрорізання неметалевих композитів. Встановлено, що параметри рівня шорсткості утвореної поверхні розділу RZ та розшарування кромки торця RT прямо пропорційні товщині деструктивного шару DF, причому мінімізація останнього забезпечується таким вибором тиску технологічної рідини та швидкості робочої подачі, щоб відхилення лімітуючого елемента поверхні розділу не перевищувало критичних кутів, значення яких знаходиться в межах 3…15⁰ і обумовлюється тиском технологічної рідини та міцністю композита.

13. Розроблено адаптивну систему керування положенням лімітуючого елемента поверхні розділу, яка здійснює динамічне двозонне регулювання подачі та миттєвого значення тиску за контрольованим виходом потоку відпрацьованої рідини та ступенем її дисипації. Використання оригінальної мультиплікаторної системи з пропорційним керуванням дозволяє створювати пульсації тиску в межах 180-260 МПа з частотою до 10 Гц при номінальному тиску 160 МПа, що достатньо для ефективного гідрорізання матеріалів, армованих скловолокнами та вуглецевими волокнами.

14. Для підвищення ефективності гідрорізання тонкостінних виробів з неметалевих композитів, покращення якості виконання обробки, з метою використання даного методу в діючому виробництві розв’язані такі практичні задачі: запропоновано конструкцію адаптивної системи гідрорізного верстата, що дозволяє виконувати якісну різу неметалевних матеріалів з тиском технологічної рідини до 180 МПа, забезпечуючи при цьому шорстіксть бокових поверхонь до Rz 20, товщину деструктивного шару до 0.15 мм та відсутність розшарувань уздовж лінії різи; розроблено програмний продукт (ППП) моделювання процесів гідрорізання та наступної візуалізації борозенки різи, який дозволяє з мінімальними витратами встановлювати найбільш прийнятні технологічні режими; створено концепцію роботизованого комплексу для обробки великогабаритних виробів, який у порівнянні з існуючими видами обладнання має збільшену в 1.8 рази продуктивність.

Публікації автора:

1. Саленко О.Ф., Струтинський В.Б. Техніка та технологія гідроструменевої обробки: Монографія. – Київ: ІЗМН ВІПОЛ, 1998. – 252 с.

2. Саленко О.Ф. Пєтко І.В., Третьяков О.В. Гідро- та гідроабразивна обробка: Теорія, технологія та обладнання. – Київ: ІЗМН, 1999. – 484 с.

3. Саленко О.Ф., Приходько В.І. Адаптивна система для регулювання процесу гідрорізання. // Резание и инструмент в технологических системах, № 60. – Харьков, НТУ “ХПИ”, 2001. – с. 205-212.

4. Саленко О.Ф. Собівартість гідроструменевого різання та її зв’язок з якістю оброблених поверхонь. // Проблемы создания новых машин и технологий: Научные труды КГПУ. - Вып. 11. – Кременчуг, КГПУ, 2001. – с. 450-454.

5. Саленко О.Ф., Струтинський В.Б. Динамічна постановка задачі при оцінці ефективності гідрорізання неметалевих матеріалів. // Проблемы создания новых машин и технологий: Научные труды КГПУ. - Вып. 10. – Кременчуг, КГПУ, 2001. – с. 405-409.

6. Саленко О.Ф., Бондаренко М.Й., Петко І.В., Приходько В.І. Гідроструменеве очищення поверхні твердого тіла. // Вісних Житомирського інженерно-технологічного інституту: Технічні науки. – Житомир, ЖТІ, 2001. – с.79-91.

7. Саленко О.Ф., Троцько О.В. Видалення твердих поверхневих шарів при гідроструменевому впливі // Проблемы создания новых машин и технологий: Научные труды КГПУ. - Вып. 9. – Кременчуг, КГПУ, 2000. – с. 428-430.

8. Саленко О.Ф., Подзорова Т.В., Смірнова А.Л., Приходько В.І. Дослідження динамічки швидкоплинного струменя // Проблемы создания новых машин и технологий: Научные труды КГПУ. - Вып. 9. – Кременчуг, КГПУ, 2000. – с. 431-437.

9. Саленко О.Ф., Пєтко І.В., Бондаренко М.Й. Експериментальні дослідження гідроструменевого очищення поверхні твердого тіла // Вісник технологічного університету Поділля: Частина 1: Технічні науки. – Хмельницький, 2000. – с.32-34.

10. Саленко О.Ф. Експериментальні дослідження механізму формування параметрів мікрогеометрії поверхневого шару при гідроструменевій обробці // Прогрессивные технологии и системы машиностроения: Сборник научных трудов. – Донецк, ДонГТУ, 2000. Вып. 13. – с. 152-155.

11. Саленко О.Ф., Приходько В.І., Пєтко І.В. Гідроструменеве очищення поверхні твердого тіла. // Високі технології в машинобудуванні: Збірник наукових праць ХДПУ. – Харків, 2000, №1. – с. 218-222.

12. Саленко А.Ф. Автоматизированный комплекс гидроструйной очистки крупногабаритных изделий. – Вестник машинотсроения, №1, 1999. – с.33-35.

13. Саленко О.Ф. Формування мікрорельєфу бокових поверхонь контуру різи при гідроструменевій обробці // Прогрессивные технологии и системы машиностроениея: Сборник научных трудов. – Донецк, ДонГТУ, 1999. Вып. 8. – с. 181-184.

14. Саленко О.Ф. Особливості формоутворення при гідроструменевій обробці //Вестник НТУУ «КПИ»: Машиностроение. – т.2, №36. – 1999. – с.291 – 298.

15. Саленко О.Ф., Колєснік М.П. Опори рідинного тертя для роторних гідроструменевих головок. // Прогрессивные технологии и системы машиностроениея: Сборник научных трудов. – Донецк, ДонГТУ, 1998. Вып. 6. т.3. – с. 55-59.

16. Саленко О.Ф., Приходько В.І. Видалення багатошарових покрить гідроструменевою обробкою // Прогресивна техніка і технологія машинобудування, приладобудування і зварювального виробництва: Збірник наукових праць. – Київ, НТУУ “КПІ” , 1998. - т.3., с. 364-369.

17. Саленко О.Ф., Гавриш А.П. Забезпечення параметрів якості при гідроструменевій обробці. – Вісті академії інженерних наук України. – Дніпропетровськ, 1998. – с. 66 – 79.

18. Саленко О.Ф. Смірнова А.Л. Математичне моделювання поверхні при гідроструменевій обробці. // Проблемы создания новых машин и технологий: Научные труды КГПУ. - Вып. 2. – Кременчуг, КГПИ, 1998. – с. 221-226.

19. Саленко А.Ф. Формирование микрорельефа поверхности реза при гидроструйной обработке // Проблемы создания новых машин и технологий: Научные труды КГПУ. - Вып. 1. – Кременчуг, КГПИ, 1998. – с. 203-206.

20. Саленко А.Ф. Смирнова А.Л. К вопросу моделирования работы приводов подач в станках для гидроструйной резки материалов // Проблемы создания новых машин и технологий: Научные труды КГПУ. - Вып. 1. – Кременчуг, КГПИ, 1998. – с. 212-216.

21. Саленко А.Ф. Особенности резания армированных материалов высоконапорной струей жидкости // Резание и инструмент в технологических системах. № 51. – Харьков, ХПИ, 1997. – с. 211-213.

22. Саленко А.Ф. и др. Гидроструйная резка конструкционных материалов и пути ее интенсификации. – Высокие технологии в машиностроении. – Харьков, ХГПУ, 1997. – с. 220-222.

23. Саленко А.Ф. Оценка влияния гидродинамической подушки при разрезке материалов высокоскоростной струей // Проблемы создания новых машин и технологий: Научные труды КГПИ. Ч.2. – Кременчуг, КГПИ, 1997. – с. 99-102.

24. Саленко А.Ф., Смирнова А.Л. Исследование влияния функции входного воздействия на частоту пульсаций давления жидкости в мультипликаторе // Проблемы создания новых машин и технологий: Научные труды КГПИ. Ч.2. – Кременчуг, КГПИ, 1997. – с. 102-108.

25. Патент України на винахід № 18903, авт. Саленко О.Ф., Струтинський В.Б. Федорець В.О. та ін. – Бюл. № 6 від 1997 р.

26. Саленко О.Ф., Струтинський В.Б., Загорянський Г.М. Гідроструменева обробка шарувато-волокнистих матеріалів: проблеми та перспективи - Наукові нотатки: Збірник наукових праць. - Луцьк, 1996.

27. Саленко О.Ф., Подзорова Т.В., Гергель А.П. К вопросу изготовления сопловых насадков для гидроструйной резки листовых материалов. // Проблемы создания новых машин и технологий: Научные труды КГПИ. Ч.2. – Кременчуг, КГПИ, 1997. – с. 113-117.

28. Саленко О.Ф. Високоефективне гідрорізання неметалевих ортотропних оболонок. – Высокие технологии: Развитие и кадровое обеспечение. – Харьков, НТУ “КПИ”, 2001. – с. 189-192.

29. Саленко А.Ф. Драгобецкий В.В. Постановка задачи определения параметров слоистой заготовки при взаимодействии со струей жидкости // МОК, №39. - Одесса, 2000.

30. Саленко О.Ф. Особливості формоутворення при гідроструменевій обробці // Гидромеханика в инженерной практике: Тезисы докладов МНТК. – Сумы, 1999. – с. 55.

31. Саленко О.Ф. Забезпечення параметрів якості при гідроструменевій обробці // Гидромеханика в инженерной практике: Тезисы докладов МНТК. – Киев, 1998. – с. 50-52.

32. Саленко О.Ф., Колєснік М.П. Зменшення енергетичних витрат в гідростатичних опорах // Гидромеханика в инженерной практике: Тезисы докладов МНТК. – Киев, 1998. – с. 30-31.

33. Саленко А.Ф., Загорянский Г.Н. Проникновение высокоскоростной струи в твердое полупространство. – Прогрессивные технологии машиностроенеия и современность: Сборник трудов МНТК. – Донецк, ДонГТУ, 1997. - с. 213.

34. Саленко О.Ф., Струтинський В.Б., Загорянський Г.М. Інтенсифікація гідроструменевої обробки шарувато-волокнистих матеріалів. – Збірка тез доповідей 3-го міжнародного симпозіуму українських інженерів-механіків. – Львів, 1997. с.126.

35. Саленко А.Ф., Струтинский В.Б. Особенности проектирования инструментов для гидроструйной обработки. – Современные проблемы машиностроения и технический прогресс: Тезисы докладов МНТК. – Донецк, ДонГТУ, 1996. – с.202.

36. Саленко А.Ф., Загорянский В.Г. Расчет усилия, необходимого для упрочнения сварного шва. – Научные труды НТК «Проблемы создания новых машин и технологий». – Кременчуг, 1996. – с. 131-134.

37. Саленко А.Ф., Подзорова Т.В., Гергель А.В., Загорянский В.Г. К вопросу математического описания мультипликатора, оснащенного приводом с пропорциональным управлением. / КГПИ. - Кременчуг, 1997. – 28 с. / Гос. деп. ГНТБ Украины, №144-УК97.

38. Саленко А.Ф., Струтинский В.Б., Федорец В.А., Колесник Н.П. Высокоскоростные опоры жидкостного трения: разработка и исследование. / КГПИ. - Кременчуг, 1997. – 24 с. / Гос. деп. ГНТБ Украины, №349-УК97.

39. Саленко А.Ф. К вопросу разрушения слоисто-волокнистых пластмасс струей жидкости высокого давления / КГПИ. - Кременчуг, 1996. – 35 с. / Гос. деп. ГНТБ №1050-УК96.