Полифункциональные возможности ультраструйной технологии обработки материалов и жидкостей

ТЕХНОЛОГИЯ МАШИНОСТРОЕНИЯ

УДК 621.9.048.7

А. А. БАРЗОВ, А. Л. ГАЛИНОВСКИЙ

ПОЛИФУНКЦИОНАЛЬНЫЕ ВОЗМОЖНОСТИ УЛЬТРАСТРУЙНОЙ ТЕХНОЛОГИИ ОБРАБОТКИ МАТЕРИАЛОВ И ЖИДКОСТЕЙ

В статье рассматриваются вопросы инверсии технологических понятий: режущий инструмент - обрабатываемый материал. Анализ функциональных возможностей ультра-струйных гидротехнологий показал, что в них присутствует своеобразный технологический дуализм, проявляющийся в двояком использовании высокоэнергетической жидкостной струи: в качестве режущего (формообразующего) инструмента и/или специфического обрабатываемого материала. Инверсия понятий; ультраструйные технологии; обработка материалов и жидкостей; энергетические превращения

Одним из эффективных способов обработки деталей из современных конструкционных материалов является интенсивно развивающаяся технология гидрорезания сверхзвуковой абразивно-жидкостной струей. Однако, как показали предварительные исследования, физико-

энергетическая основа данной технологии предопределяет существенно более широкую сферу ее практических приложений в ведущих отраслях промышленности и коммерческой деятельности.

Инновационно-значимую перспективу имеет ультраструйная технология как практически не изученный метод целенаправленного изменения потребительских свойств самой жидкости, подвергнутой комбинированному высокоэнергетическому воздействию в процессе ульт-раструйной обработки (УСО).

Под ультраструйной технологией будем понимать совокупность методов и средств создания и реализации таких параметров высокоэнергетической компактной струи жидкости, которые при ее взаимодействии с окружающей средой, например, при ударно-динамическом торможении о твердотельную мишень, способны привести к фиксируемым целенаправленным изменениям в обрабатываемом материале и/или в самой жидкости.

1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА

Используя технологическую инверсию понятий режущий инструмент-обрабатываемый материал, в МГТУ им. Н. Э. Баумана было пока-

Контактная информация: bauman@bmstu.ru

зано, что сверхскоростную струю жидкости можно рассматривать не только как режущий инструмент при гидрорезании материалов, но и как специфический обрабатываемый материал -гидротехнологическую среду, подвергаемую ультраструйной активации [1]. Кроме того, было установлено, что ультраструя жидкости является универсальным контрольно-диагностическим инструментом, позволяющим получить оперативную информацию о параметрах состояния поверхностного слоя деталей (заявка на выдачу патента № 2009197370, приоритет от 03.03.2009).

2. ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ

Физико-техническую основу УСО составляет сжатие обрабатываемой жидкости до сверхвысоких давлений (до 150-500 МПа), продавли-вание ее через специально спрофилированное сопло малого диаметра (0,1-0,2мм), удар и дальнейшее торможение сформированной сверхзвуковой (~800 м/с) компактной ультраструи жидкости о преграду (мишень) из эрози-онносостойкого материала - своеобразный инструмент. Это приводит к изменению свойств различных гидротехнологических сред (ГТС), т. е. к их активации. В качестве обрабатываемой ГТС, могут быть использованы любые жидкофазные среды: вода, растворы, эмульсии, пищевые жидкости и т. д. При этом технологическое обеспечение УСО во многом аналогично технической базе гидрорезания листовых материалов.

Если факторы воздействия на твердотельную мишень (заготовку) высокоскоростной или абразивно-жидкостной струи достаточно изуче-

ны, то исследования свойств самой жидкости при действии факторов УСО носят весьма фрагментарный характер. Это объясняется новизной постановки задачи по изучению свойств жидкостей после комплексного энергетически экстремального ультраструйного воздействия на них. Тем не менее результаты проведенных исследований и их анализ показывают, что при УСО жидкостей на них оказывают влияние следующие физико-энергетические факторы, способные привести к изменению исходных свойств - активации [1]:

1. Квазистатическое всестороннее сжатие в диапазоне рабочих давлений от 100 до 500 МПа, а в перспективе до 700-10000 МПа, способное инициировать сложную цепочку межмолеку-лярных и молекулярных взаимодействий, включая макроизменения свойств самой жидкости. Отличительная черта этого энергетически ква-зистационарного этапа УСО состоит в том, что при указанных давлениях жидкость вполне ощутимо проявляет аномальное для нее свойство сжимаемости, что необходимо учитывать при расчете скорости и температуры ультраструи, формируемой в специально спрофилированном сопле.

2. Истечение обрабатываемой ГТС через профилированное сопло малого диаметра. В результате этого имеет место резкое нестационарное ускорение жидкости, ее взаимодействие со стенками сопла. Данный процесс характеризуется весьма интенсивным сдвиговыми деформациями в жидкости, генерированием в пограничном слое акустического и электромагнитного излучения, разогревом жидкости вследствие процессов внешнего и внутреннего трения.

3. Свободное, нестесненное движение жидкости на выходе из сопла. Этот этап ультра-струйного технологического воздействия характеризуется определенным понижением температуры струи из-за расширения сжатой жидкости, небольшими тормозными перегрузками из-за трения гидроструи о воздух (газ) незначительным газонасыщением жидкостей из-за малого промежутка времени свободного движения струи (~ 1 мс) и ее частичным диспергированием.

4. Удар и торможение высокоскоростной ультраструи о мишень. При этом происходят сверхинтенсивные механо-физические ударные явления неравновесно-динамического типа. В частности, возникают сверхмощные колебательные и волновые процессы акустической и электромагнитной природы в широком диапазоне частот. Имеют место вторичные эффекты спрееобразования. При этом реализуется пере-

ход исходной кинетической энергии ультраструи в другие виды энергии, в первую очередь тепловую, химическую и поверхностную, что также приводит к увеличению эффекта активации обработанной жидкости.

5. Свободное движение распыленной струи жидкости характеризуется изменением температуры из-за процессов остывания микрокапель, трения капель о воздух (газ) и частичного испарения жидкости. При этом происходит ее интенсивное газонасыщения в спрееобразном состоянии.

Необходимо также отметить, что помимо вышерассмотренных факторов на степень активации обрабатываемой ГТС оказывает влияние характер перепада давлений в сопле, дисперсность распыленной жидкости, темп (динамика) цикла разгон-торможение струи, уровень газо-насыщения жидкости, наличие в ней микрочастиц сопла и в особенности материала мишени, а также явление экзоэлектронной эмиссии в зоне ультраструйного взаимодействия. Схематично полифункциональные возможности УСТ как средства обработки материалов и жидкостей показаны на рис. 1.

3. МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЯ

Для прогнозирования результативности изучаемой операционной гидротехнологии, в частности, для активации ГТС путем их УСО, был предложен комплексный физико-технологический критерий оценки ее подобия одному из известных методов обработки.

В общем случае критерием, описывающим условия протекания большинства формообразующих операционных технологий механической и физико-технической обработки материалов, является соотношение вида

_ ^&омРом /14

Км = и ’ '1)

имр им

где Км - масс-энергетический критерий или параметр, характеризующий отношение масс и в скрытом (латентном) виде энергий основных элементов технологической системы инструмент-деталь, участвующих в процессе структуро- и формообразования при выполнении различных технологических операций, например, точения, шлифования и др.; иом и йим - соответственно удельные (<Ш / а?т) объемы обрабатываемого (ом) и инструментального (им) материалов, расходуемые и/или образующиеся при обработке (м3/с); ром и рим - соответственно плотности обрабатываемого и инструментального материала (кг/м3).

Ультраструя жидкости

1. Ультраструя жидкости;

2. Абразивно-жидкостная ультраструя

Рис. 1. Физическая картина ультраструйной обработки материалов и жидкостей

Струя Мишень

Г

ш

Струя

Обработанная

жидкость

Суспензия

Суспензирование

Газонасыщенная жидкость

Объемное

Листовых материалов Струя

Струя

ЕЯ

Очистка

Струя

Упрочнение

Струя г' 5

/^7^7777

Загрязнение

5

Рис. 2. Основные области реализации УСТ

Важно отметить, что при УСО энергетически латентная составляющая в (1) присутствует в виде удельного импульса струи (Усрж).

Действительно, применительно к УСО материалов Км имеет вид

К

где УС и - соответственно скорость струи и скорость подачи заготовки (м/с); к, Яс - соответственно толщина разрезаемой заготовки и радиус струи (мм); рм и рж - соответственно плотность обрабатываемого материала и рабочей жидкости без учета абразива (кг/м3).

Соотношение типа (2) может быть легко получено и для других известных способов физико-технической обработки материалов, например электроэрозионной, ультразвуковой и др. Их анализ с логарифмической точностью позволяет утверждать, что операции механической обработки характеризуются максимальным значением Км, а УСО материалов (резание) - минимальным (см. рис. 1). С этой точки зрения УСО материалов резанием является весьма несовершенным способом формообразования деталей по сравнению с другими методами обработки.

Таким образом, своеобразный масс-энергетический КПД ультраструйного резания весьма низок. Однако критериальное соотношение типа (1) позволяет методически полно охарактеризовать тот или иной вид УСО материалов и жидкостей. Если КУСО << 1, то мы имеем дело с классическим вариантом гидрорезания и/или струйной очисткой. В случае КУСО >>1, т. е. обрабатываемый материал практически не разрушается, то этот предельный случай УСО жидкостей, реализуемый при их ультраструйной активации.

Промежуточное значение КУСО соответствует достаточно интенсивному процессу разрушения материала мишени, т. е. образованию суспензии. Эта суспензия состоит из жидкофазной матрицы (ультраструйно обработанной ГТС) и ультрамелкодисперсных частиц твердой фазы - продуктов гидроэрозии мишени. Данное обстоятельство иллюстрирует еще одно перспективное применение УСО в качестве специфической гидротехнологии получения микро- и наносуспензий из различных материалов.

Подчеркнем еще раз методологическое отличие УСО жидкостей от традиционной УСО материалов резанием, согласно предлагаемому критериальному подходу. В (1) в числителе должен находиться параметр, масс-

энергетически характеризующим количество обработанной жидкости, а в знаменателе - величина удельной гидроэрозии материала мишени (инструмента). Тогда в результате технологической инверсии понятий обрабатываемый материал-инструмент (рис. 1) для УСО жидкостей Км будет иметь вид

К

У Р

мг м

где Ум - удельное значение интенсивности процесса гидроэрозии материала мишени при УСО жидкостей (мм3/с); рм - плотность материала мишени.

В этом смысле, согласно сравнению зависимостей (2) и (3), исследуемая УСО жидкостей подобна традиционной механической обработке, в частности, лезвийному резанию. Проведенную критериальную оценку можно расширить и детализировать, например путем рассмотрения КМо для труднообрабатываемых резанием материалов и аналогичных им гидроэрозионностойких материалов мишени (инструмента) - керамик, алмазоподобных композиций и т. д.

Энергетически латентная составляющая в

(3) присутствует в виде удельного импульса струи (Усрж). Она может быть легко конкретизирована путем анализа чисто энергетических критериев, связывающих различные виды энергий: кинетическую энергию, энергию вновь образованных поверхностей, общую работу (энергию) формообразования и т. д. Однако с методической точки зрения анализ таких критериев даст аналогичные результаты. Поэтому для более детального анализа энергетического подобия необходимо учитывать физическое содержание процессов структуро- и формообразования, в частности, механизмы трансформации энергии путем генерации колебательных и волновых процессов, в первую очередь, волн упругой деформации, т. е. акустического излучения и/или акустической эмиссии. Справедливость данного положения была также полностью подтверждена результатами исследования физико-технологического подобия операций методом экспертного оценивания, в частности, с использованием метода взвешенной суммы [2].

4. ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ

Анализ особенностей информационнодиагностического обеспечения исследований на примере типовых способов формообразования показал достаточно близкое соответствие меж-

ду динамическими характеристиками ультра-струйного и ультразвукового воздействия на обрабатываемый материал. Это позволит использовать имеющуюся методическую базу исследований для анализа и информационнодиагностического обеспечения УСО, в том числе и методом акустической эмиссии [3].

Кроме того, учитывая, что при УСО жидкостей ударно-динамическим способом происходят параллельно-последовательные и различные по интенсивности превращения энергии, представляется необходимым осуществить полномасштабный анализ энергетики доминирующих физических процессов данных операционных гидротехнологий, провести интегральные и дифференциальные оценки слагаемых энергетического баланса в зоне ультра-струйного взаимодействия. С общих позиций фазово-энергетические превращения в жидкостях рассматривались в работе [4], а феноменологические особенности энергетических превращений при ультраструйной активации жидкостей проанализированы в [5]. В качестве иллюстрации полифункциональных возможностей УСТ на рис. 2. представлена структурная схема, отражающая существующие и перспективные направления развития данной гидротехнологии.

ВЫВОДЫ

Отметим, что перспективная область применения УСТ, помимо обработки и очистки материалов, связана с развитием гидротехнологий активации, модификации и реновации различных жидкостей, а также с созданием аппарата ультраструйной диагностики и контроля качества изделий на всех этапах их жизненного цикла изделий. В этом заключаются полифунк-циональные возможности операционных ульт-раструйных гидротехнологий, определяющие их инновационный потенциал.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Барзов, А. А.Ультраструйная технология активации жидкостей / А. А. Барзов, А. Л. Галинов-ский, В. С. Пузаков, К. Е. Сидельников. М.: Машиностроение-1, 2006. 93 с.

2. Хвастунов, Р. М. Экспертные оценки в ква-лиметрии машиностроения / Р. М. Хвастунов, О. И. Ягелло, В. М. Корнеева, М. П. Поликарпов. М.: АНО «Технонефтегаз», 2002. 142 с.

3. Барзов, А. А. Эмиссионная технологическая диагностика / А. А. Барзов. М.: Машиностроение, 2005. 384 с.

4. Акуличев, В. А. Периодические фазовые превращения в жидкостях / В. А. Акуличев, В. Н. Алексеев, В. А. Буланов. М.: Наука, 1986. 280 с.

5. Барзов, А. А. Физико-технологические возможности ультраструйной обработки материалов и жидкостей. Физическая гидродинамика / А. А. Бар-зов, В. С. Пузаков, С. К. Сальников, Н. Н. Сысоев. Препринт. 2004. № 6. Физический факультет. МГУ им. М. В. Ломоносова, 25 с.

ОБ АВТОРАХ

Барзов Александр Александрович, проф. Д-р техн. наук по технологии машиностроения (МГТУ им. Н. Э. Баумана, 1991). Иссл. в обл. ультра-струйн. гидротехнологий обработки и диагностики материалов.

Галиновский Андрей Леонидович, канд. техн. наук по технологиям и оборудованию мех. и физ.-техн. обработки материалов (МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2001). Иссл. в обл. жидкостн. и абразивножидкостного резания.