Обеспечение качества сложноконтурного раскроя деталей из стеклотекстолита гидроабразивной струей

УДК 621.9

ОБЕСПЕЧЕНИЕ КАЧЕСТВА СЛОЖНОКОНТУРНОГО РАСКРОЯ ДЕТАЛЕЙ ИЗ СТЕКЛОТЕКСТОЛИТА ГИДРОАБРАЗИВНОЙ

СТРУЕЙ

Ю.С. Степанов, Г.В. Барсуков, Т. А. Журавлева

На основе предложенной схемы расслоения стеклотекстолита под действием гидроабразивной струи и моделирования напряженно-деформированного состояния выявлена преобладающая роль касательных напряжений в образовании межслойных трещин и получены их математические модели, позволяющие определить условия зарождения трещин при прошивке по предельному значению касательных напряжений.

Ключевые слова: гидроабразивное резание, стеклотекстолит, напряженно-деформированное состояние, расслоение.

Процесс гидроабразивного разрушения материалов - сложный процесс, состоящий из целого ряда не достаточно изученных явлений. Причиной тому является сложность контроля и измерения основных параметров воздействия гидроабразивной струи на материал. Ученые и инженеры, занимающиеся изучением процессов разрушения материалов гидроабразивными струями, предлагают модели, описывающие различные процессы, происходящие при гидроабразивной обработке. Исследовательские работы по этому поводу посвящаются как процессу в целом, так и некоторым отдельным специфическим явлениям. Изучив работы по гидроабразивной обработке, можно сделать вывод: большинство ученых сходятся во мнении, что природой разрушения материалов является эрозия [1 - 4].

Стеклотекстолиты относятся к хрупким или недостаточно пластичным материалам. Они состоят из многочисленных слоев стекловолокни-стого наполнителя и связующего вещества. Такое строение обуславливает сложность описания механизма разрушения данных материалов, связанного с анизотропией и неоднородностью их структуры.

Эта группа материалов практически не обладает сопротивлением ударным нагрузкам, поэтому при взаимодействии высокоскоростной струи с абразивными частицами происходит «выкрашивание» материала, образование сколов и трещин, что характерно для явления хрупкой эрозии.

Трещины могут быть кольцевого и конического типов, радиальные, боковые и средние (рис. 1) [5]. Изучение природы и механизма разрушения хрупких материалов, а также причины возникновения тех или иных видов трещин были описаны в работах [6].

Хрупкому разрушению материала также способствуют дефекты (включения, поры или микротрещины), имеющиеся в стеклотекстолитах в исходном состоянии.

Разрушение материала будет сопровождаться не только деформациями и распространением волн напряжений, но и прониканием жидкости в межслойные зоны «наполнитель-связующее» вследствие поперечного растекания в момент касания с преградой.

V

Рис. 1. Схема взаимодействия частицы абразива и материала

при хрупкой эрозии с образование трещин различного вида

Стеклотекстолит представляет собой многослойную структуру с внутренними степенями свободы между слоями, поскольку связующее вещество, термореактивные и термопластичные полимеры, дает возможность смещения слоев, как в направлении проникания гидроабразивной струи, так и в плоскости материала.

Вследствие небольшой толщины стекловолокнистого слоя (0,1... 0,4 мм) деформации подвергается не только единичный слой материала, но и нижележащие слои, расположенные непосредственно под радиально расширяющимся пятном контакта от воздействия струи. Многослойная преграда при этом испытывает в данных слоях определенные напряжения.

При контактном взаимодействии струи с многослойной преградой происходит перемещение тонких слоев материала преграды в результате сжатия. Боковые поверхности углубления подвергаются растяжению, но до момента образования трещин происходит относительное смещение слоев материала в результате изгиба.

Слои материала внутри угла изгиба (со стороны струи жидкости) сжимаются и укорачиваются в продольном и растягиваются в поперечном направлении. Наружные слои (со стороны материала) растягиваются и удлиняются в продольном и сжимаются в поперечном направлении. Между удлиненными и укороченными слоями находится нейтральный слой.

Из-за более низкой прочности связующего вещества по сравнению со склеиваемыми материалами (стекловолокном) образование трещин и последующее расслоение материала происходит именно в связующем веществе.

Таким образом, на уровне нейтрального слоя происходит относительное смещение слоев стеклотекстолита и разрушение соединения.

После чего в материале происходит образование боковых трещин, а затем унос материала. На поверхность разрушения начинает воздействовать поперечно-растекающаяся жидкость, стремящаяся проникнуть вглубь материала в поперечном направлении к разрушению. Расслоение слоев стеклотекстолита также может произойти в результате взаимодействия с небольшими поверхностными трещинами, которые являются концентраторами напряжений. Поэтому небольшое разрушение склейки слоев в результате поперечного сдвига являются концентраторами локальных напряжений, которые способствуют их увеличению, не вызывая уноса материала.

Такие результаты наблюдались при воздействии гидроабразивной струи на образец из стеклотекстолита.

В тех случаях, когда сила воздействия со стороны струи была невысока (давление истечения 70 МПа) изгиб слоев под зоной контакта не сопровождается поперечным смещением слоев и мы не наблюдали расслоений [7 - 9].

При увеличении силы воздействия струи происходит расслоение. Причем не на поверхности, а на глубине 3...5 мм, что подтверждает наше предположение о наличии нейтрального слоя, на уровне которого происходит разрыв соединения [10].

Таким образом, можно выделить следующие стадии разрушения поверхности стеклотекстолита от действия гидроабразивной струи (рис. 2):

1. Начальная стадия взаимодействия - изгиб верхних слоев стеклотекстолита, сжатие в направлении движения струи. Слои материала внутри угла изгиба сжимаются, а снаружи растягиваются и удлиняются в продольном направлении. Между удлиненными и укороченными слоями образуется нейтральный слой. Слои материала при проникании гидроабразивной струи стремятся не только оторваться друг от друга, но и сдвинуться одна относительно другой (рис. 2, а).

2. Стадия проникания струи в поверхность стеклотекстолита - по границе пятна контакта происходит образование трещин, а затем унос материала (рис. 2, б).

3. Стадия поперечного растекания струи - жидкость растекается в зоне разрушения, на уровне поперечного смещения слоев происходит расслоение (рис. 2, в).

Исходя из такой физической картины разрушения, можно обеспечить получение сквозного отверстия в стеклотекстолите за счет управления давлением истечения струи.

В соответствии с этим, при назначении режимов прошивки стекло-текстолитов с учетом возможного расслоения, на первый план выступает уровень касательных напряжений, который должен быть меньше предельных значений для применяемого материала.

а

б

Рис. 2. Стадии разрушения поверхности стеклотекстолита от действия гидроабразивной струи: а - начальная стадия взаимодействия; б - проникание струи в поверхность материала с образованием трещин; в - стадия поперечного растекания струи

Авторами выполнен анализ напряженно-деформированного состояния стеклотекстолита при проникании гидроабразивной струи под действием сосредоточенной силы. Решение задачи оценки напряженного состояния стеклотекстолита под действием гидроабразивной струи проведено для простейшей точечной нагрузки.

В качестве решения уравнений теории упругости исходили из общего решения в форме П.Ф. Папковича:

и = В

т

4

grad (ЯВ + В0):

где и - вектор перемещения; т - число Пуассона; Я - радиус-вектор, задающий положение любой точки упругой среды; В - потенциальный вектор; В0 - потенциальный скаляр.

в

Решение уравнения (1) для случая действия сосредоточенной силы в неограниченной упругой среде получено А.И. Лурье, сводящееся к определению перемещений и напряжений на поверхности сферы радиусом Я в окрестности точки О (рис. 3).

Рис. 3. Схема к оценке напряженного состояния стеклопластика под действием гидроабразивной струи

Расчет напряженно-деформированного состояния образца основывался на методе суперпозиции решений для трех случаев нагружения полубесконечной среды:

1) сила действует перпендикулярно плоскости Оху в точке О;

2) сила действует в плоскости Оху в точке О вдоль оси х;

3) сила действует в плоскости Оху в точке О вдоль оси у.

Для первого случая решение сводилось к уравнению расширения линии центров, которое может быть записано в виде

и = Agrad 1п

где и - постоянный скаляр; е - единичный вектор действия силы (в данном случае орт оси 2); Я - модуль вектора Я.

Для второго и третьего случая решение находилось в виде линейной комбинации (в алгебраическом и интегро-дифференциальном смыслах) некоторых гармонических функций ф1, ф2, у1 и у2 удовлетворяющих (1):

и = ЦфъФ2,У2) ,

где Цф1, ф2, У1, У2)-линейный оператор.

Для краткости записи обозначим т = , 0 =-1—о , $: ™ 2

Я3' Я(Я + 2)2

т

1 (2Я + 2) е 1 . 1 1

Л = ^-ч,  = ^-, Х =-, С =-, е = —.

Я(Я + 2) Я3( Я + 2 )2 Я + 2 4кО Я

Общее решение в перемещениях примет вид

( (1 2 / 2 ^ их =£ £х — + х т + х 0) + (худ-ху$0) + Б2(худ-х$л),

Я

и

и-

= С(Зх(хут - ху^е)+Зу (е+у2т+4, - у2е)))+ ^ (хут - у^л), (4) = фх (хут - ху^л)+Зу (гуе + ^)ул)+ ^ (2Фе +

где х, у и г - текущие координаты; Бх, Бу и Б2 - проекции силы резания на оси системы координат; О - модуль сдвига; т - число Пуассона.

Получены выражения для расчета касательных напряжений:

оху =—

4р

о у2 = — (зх (- 3 у2 хт - 3ху2|т)+ Бу (яф^е + угШ - х 2Ш)))+ 2р

)))

+

^

о

2х = — (зх (- 3гх 2т - 322хт - ^(х2га + х3 4р

их)))+

.((1+е)хт-

2

бху т

Бу 6 ху2т + ((1 + 1

На рис. 4 представлены результаты численного расчета напряжений по поверхности стеклотекстолита при проникании гидроабразивной струи.

Рис. 4. Влияние давления прошивки материала на напряжения в зоне проникания гидроабразивной струи в стеклотекстолит: а - аху; б - агу;

в - ахг;г - ах; д - ау; е - аг

240

Таким образом, теоретически установлено влияние силы воздействия гидроабразивной струи на напряженно-деформированное состояние стеклотекстолита, что позволяет делать сравнительный анализ уровня созданных напряжений с критическими значениями, прогнозировать возможность расслоения в процессе обработки и обеспечить качество сложнокон-турного раскроя деталей из стеклотекстолитов.

Список литературы

1. Барсуков Г.В., Степанов Ю.С., Михеев А.В. Разрушение преграды сверхзвуковым потоком свободных абразивных частиц. М.: Издательский дом «Спектр», 2010. 152 с.

2. Степанов Ю.С., Барсуков Г.В., Михеев А.В. Математическое моделирование процессов сверхзвукового удара и проникания тел в металлические преграды. Орел: «Издательский дом «Орлик», 2012. 160 с.

3. Степанов Ю.С., Барсуков Г.В. Формирование качества поверхностного слоя деталей при резании сверхзвуковой струей жидкости // СТИН. 2003. № 10. С. 15 -17.

4. Степанов Ю.С., Барсуков Г.В., Михеев А.В. Влияние параметров течения сверхзвуковой гидроабразивной струи на геометрическую форму поверхности разрушения преграды // Фундаментальные и прикладные проблемы техники и технологии. 2012. № 2 -5. С. 53 - 63.

5. Денисов А. С. Повышение эффективности гидроабразивного резания заготовок из толстолистовых металлов на основе дискретной подачи абразива: дис. ... канд. техн. наук. М.: МГТУ «Станкин», 2014. 132 с.

6. Mark J. Machining with Abrasives / J.M. Jackson, J.P. Davim, M.P. Hitchiner, T.Tawakoli, A.Rasifard, L.C. Zhang, J.Liu, C.Xu, H.Huang, L.Zhou, L.Yin, Y.M.Ali, J.Wang// Purdue university MET, Center for advanced manufacturing college of technology West Lafayette USA. 2011.

7. Барсуков Г.В., Журавлева Т. А. Исследование влияния технологических режимов гидроабразивного резания на расслоение поверхности деталей из стеклотекстолита // Фундаментальные и прикладные проблемы техники и технологии, 2013. №4(300). С. 47-56.

8. Разработка технологических рекомендаций по гидроабразивному резанию стеклотекстолита / Т.А. Журавлева, Г.В. Барсуков, О.А. Короткий, В.Б. Сидоров // Радиопромышленность, 2014. №4. С. 153-165.

9. Барсуков Г.В., Журавлева Т.А. Разработка специальных технологических приемов, обеспечивающих исключение влияния расслоений на качество деталей из стеклотекстолита при гидроабразивной резке // Фундаментальные и прикладные проблемы техники и технологии, 2014. №3(305). С. 76-85.

10. Барсуков Г.В., Журавлева Т.А., Михеев А.В. Повышение качества гидроабразивного резания деталей из стеклотекстолита на основе предварительного диагностирования состояния обрабатываемого материала // Фундаментальные и прикладные проблемы техники и техноло-гии.2014. №5 (307). С. 65-71.

Степанов Юрий Сергеевич, д-р техн. наук., проф., Заслуженный деятель науки РФ, директор НОЦ «Орелнано», yury057@yandex.ru, Россия, Орел, Орловский государственный университет им. И.С. Тургенева,

Барсуков Геннадий Валерьевич, д-р техн. наук., проф., зав. кафедрой, awi@list.ru, Россия, Орел, Орловский государственный университет им. И.С. Тургенева,

Журавлева Татьяна Александровна, асп., awj@list.ru, Россия, Орел, Орловский государственный университет им. И.С. Тургенева

QUALITY ASSURANCE CONTOUR CUTTING PARTS FIBERGLASS WATERJET JET Y.S. Stepanov, G. V. Barsukov, T.A. Zhuravleva

Based on the proposed scheme bundles of fiberglass under the action of the waterjet stream and modeling of stress-strain state revealed the predominant role of the shear stresses in the formation of cracks and interlayer obtained their mathematical models to determine the conditions for the birth-cracks during the firmware on the limit value of shear stresses.

Key words: waterjet cutting, glass fiber, the stress-strain state of the bundle.

Stepanov Yuri Sergeyevich, doctor of technical science, professor, Honored Worker of Science, Director of the SEC «Orelnano», yury057@yandex.ru, Russia, Orel, Turgenev Orel State University,

Barsukov Gennadiy Valerevich, doctor of technical science, professor, НоС «Engineering and technological support of machine-building production», awj@list.ru, Russia, Orel, Turgenev Orel State University,

Zhuravleva Tatiana Alexandrovna, postgraduate, awj@list.ru, Russia, Orel, Turgenev Orel State University