Елементи обладнання і оснащення для гідроабразивного різання

ЛЕКЦІЯ №4

ІНТЕНСИФІКАЦІЯ ЛИСТОВОГО ШТАМПУВАННЯ ЗАСТОСУВАННЯМ ГІДРОРІЗАННЯ.

За останні роки широкого застосування в металообробці, зокрема в листовому штампуванні, знайшло різання матеріалів високошвидкісним струменем рідини, переважно води.

Як відомо курсу гідравліки, при ламінарній течії вздовж лінії току виконується закон Д. Бернулі: сума статичного , гідродинамічного і гравітаційного (потенціального) тиску постійна.

p+ ρv²/2+ρh=const.

де ρ – щільність рідини, h – відстань від площини, з якої починається

відлік гравітаційного тиску до даної площини. Вибравши два горизонтальні перерізи на відстані h і початок трубки току в точці О (Рис.4.1) одержимо для визначення константи вираз:

const.=p₀+v²₀/2. Тоді для точки В цієї ж трубки току

матимемо: p+ ρv²/2+ρh=ρ v²₀/2+p₀ . (4.1)

Якщо v₀ <<v, а p<<p₀тозначеннями v₀ і pпорівняно з v іp₀можна знехтувати. З цього випливає, що весь гідростатичний тиск pв точці О перетвориться в гідродинамічний тиск ρv²/2 в точці B. Звідси маємо

V≈ 1.4√p/ρ (4.2)

РИС. 4.1. СХЕМА ДЛЯ ПОЯСНЕННЯ ПЕРЕТВОРЕННЯ ГІДРОСТАТИЧНОГО ТИСКУ В ГІДРОДИНАМІЧНІЙ ДЛЯ ФІКСОВАНОЇ ТРУБКИ ТОКУ.

При ламінарному характері течії така закономірність характерна для всього потоку вцілому.

В гідрорізальних головках тиск рідини перед соплом знаходиться в межах 400-800 мПа, що викликає помітне стискання рідини і в ній накопичується значна потенціальна енергія. Після виходу із сопла рідина миттєво розширяється, викликаючи додаткове прискорення струменя .Тому фактична швидкість струменя на зрізі сопла дещо вища розрахованої за формулою 4.2. За експериментальними даними залежність швидкості струменя на виході із сопла від тиску на вході в сопло можна визначити за формулою

V≈ (44-45)*√pм/сек

На рис. 4.2 показані конструкційні схеми головок для гідро різання.

РИС.4.2 КОНСТРУКЦІЙНІ СХЕМИ ГІДРОРІЗАЛЬНИХ ГОЛОВОК.

Швидкість струменя на вході в сопло зростає із-за звуження струменя, що забезпечується раціональними геометричними параметрами арматури і вхідної камери. Якщо діаметр камери D_к становить близько 5 мм, а діаметр отвору в соплі близько 0.1 мм, то з умови безперервності V₀ (D_к )²= V(d_c)² слідує:

V=2500V₀

Навіть при незнаній швидкості V₀ на вході на виході з сопла швидкість струменя сягає надзвукових значень.

При ударі в матеріал гідродинамічний тиск створює контактні напруження, які теоретично можуть досягати 800- 1000 мПа, що більше межі міцності всіх відомих конструкційних матеріалів.

Швидкість струменя рідини після виходу із сопла швидко падає, він розширяється, на боковій поверхні появляються мікровихори із-за тертя рідини з повітрям, що приводить до зниження щільності в ньому енергії і значної втрати ріжучої здатності. Щоб збільшити ріжучу здатність струменя в нього подають дрібнозернистий абразив, зерна якого інжектуються струменем (Рис.4.3). В змішувальній камері та трубці абразив утворює однорідну суспензію, середня щільність якої знано більша щільності рідини, а швидкість струменя наближається до швидкості

РИС.4.3 ЗМІШУВАННЯ ІНЖЕКТОВАНИХ АБРАЗИВНИХ ЗЕРЕН В КАМЕРІ ТА ТРУБЦІ

рідини. Тим самим збільшується гідродинамічний тиск струменя. Окрім того при ударі в матеріал, що розрізується, зерна абразиву гострими гранями створюють локальні контактні напруження і відколюють від нього частинки, створюючи розріз. Гідроабразивним струменем можна розрізати всі відомі конструкційні матеріали, включаючи композиційні, без обмежень.

ЕЛЕМЕНТИ ОБЛАДНАННЯ І ОСНАЩЕННЯ ДЛЯ ГІДРОАБРАЗИВНОГО РІЗАННЯ

Основними елементами установки для гідрорізання являються:

насос низького тиску (20-32мПа);

двосторонній мультиплікатор;

гідроакумулятор;

золотниковий розподілювач;

бункер для абразиву;

ріжуча головка;

фільтрів.

Всі елементи з’єднанані кевларовим шлангом. Гідросхема установки показана на Рис. 4.4.

РИС. 4.4 ГІДРОСХЕМА УСАНОВКИ ДЛЯ РІЗАННЯ МАТЕРІАЛІВ СТРУМЕНЕМ РІДИНИ.

Установка працює наступним чином. При положенні золотника, показаному на рисунку від насоса через фільтр подається в праву порожнину циліндра низького тиску мультиплікатора. Поршень змішується вліво, рідина з ліоі порожнини циліндра низького тиску витісняється в зливний бак , а лівий шток мультиплікатора діаметром dп стискує рідину у порожнині з поточним об’ємом vp, яка відкриває верхній лівий клапан, направляючи рідину під високим тиском в гідроакумулятор та ріжучу головку; правий верхній клапан високим тиском рідини утримується закритим. Одночасно праві порожнини циліндра низького тиску та мультиплікатора заповнюються рідною від насоса для чого рідиною низького тиску відкривається правий нижній клапан штокової порожнини. При перемиканні золотника вліво всі операції повторюються з правою половиною мультиплікатора.

Основними елементами гідрорізальної головки є сопло і змішувальна трубка.

Сопла (дюзи), як правило, виготовляють із кристалів сапфіра, рубіна або алмазу. Початковий діаметр отвору сопла за звичай dc=(0.05 – 0.08)мм і в процесі роботи збільшується до 0.5 мм. Стійкість рубінових сопел знаходиться в межах 100 – 200 годин, сапфірові служать приблизно вдвічі довше, а алмазні до 1000 – 2000 годин. Змішувальна трубка з внутрішнім діаметром dтр.=(0.5 – 1.5)мм виготовляється із високоміцних сплавів. Стійкість трубок до 150 – 200 годин. Ріжуча здатність струменя значно збільшується інжекцією абразивних зерен. Вважається, що розмір зерен не повинен перевищувати величини (dт – dc)/2, або знаходитись в межах

(10-30) % діаметра струменя. Залежно від розрізуваного матеріалу та бажаної шорсткості поверхні зрізу їх розмір вибирається від (0.15—0.25)мм до

(0.075 – 0.1)мм. В якості абразиву використовуються різні тверді матеріали з твердістю за Моосом більше 6.5 одиниць, найбільш поширені з яких приведені в таблиці.

.

.

Вибір абразиву залежить від роду і твердості розрізуваного матеріалу. Слід приймати до уваги, що чим вища твердість тим більше зношуються деталі різальної головки, в першу чергу, змішувальної трубки.

Основними технологічними параметрами процесу гідро абразивного різання являються:

— швидкість різання;

— вид, властивості і товщина матеріалу, що ріжеться:

— внутрішні діаметри сопла і змішувальної трубки:

— тиск:

— тип, розмір і концентрація абразивних часток в струмені.

Швидкість різання (швидкість переміщення різальної головки вздовж поверхні листа суттєво вливають тільки на якість поверхні зрізу при значній товщині листа S≥(6 – 10)мм. При високій швидкості має місце відхилення водно-абразивного струменя від прямолінійності, проявляється помітне послаблення його ріжучої здатності і, як наслідок,

збільшення конусності і шорсткості зрізу (Рис . 4.5)

РИС. 4.5 ВІДХИЛЕННЯ СТРУМЕНЯ ВІД ПРЯМОЛІНІЙНОСТІ