Розділ 2
МОДЕЛЮВАННЯ ПРОЦЕСУ СТРУМИННОГО ОБРОБЛЕННЯ ПЛОСКИХ ПОВЕРХОНЬ і технологічне
забезпечення якості оброблюваних поверхонь
2.1. Енергетична концепція процесу струминного оброблення
В основу математичної моделі процесу струминного оброблення покладемо
енергетичну концепцію, за якою енергія, надана робочому середовищу струминним
апаратом, перетворюється в роботу по зміні мікрорельєфу і напруженого стану
оброблюваних поверхонь, за винятком її втрат на різних етапах процесу
оброблення. Загальне рівняння балансу енергії для процесу струминного
оброблення запишемо у вигляді:
(2.1)
де Еk – сумарна кінетична енергія, яку має робоче середовище на виході із
сопла струминного апарата, Дж;
А – загальна робота по зміні мікрорельєфу і напруженого стану
оброблюваної поверхні, Дж;
Евтр – втрати енергії на різних етапах процесу, Дж.
Сумарну кінетичну енергію, яку має робоче середовище на виході із сопла
струминного апарата, можна записати у вигляді:
(2.2)
де Mi,j – розподіл мас робочого середовища на оброблюваній поверхні, кг;
Vi,j – розподіл швидкостей робочого середовища у поперечному перерізі
струменя розпилення, який співпадає з оброблюваною поверхнею,
м/с;
Еоп – втрата енергії в струмені на подолання сил опору повітря, Дж;
Етр.с. – втрата енергії на подолання сил тертя у струмені, Дж.
Загальна робота по зміні мікрорельєфу і напруженого стану оброблюваної поверхні
включає в себе роботу пружно-пластичного деформування оброблюваної поверхні і
роботу, яка затрачається на руйнування поверхневого шару:
(2.3)
де Апл.д. – робота, затрачена на пластичне деформування оброблюваної
поверхні, Дж;
Апр.д. – робота, затрачена на пружне деформування оброблюваної
поверхні, Дж;
Аруйн. – робота, затрачена на руйнування оброблюваної поверхні, Дж.
Під роботою руйнування оброблюваної поверхні будемо розуміти роботу, яка
затрачається на деформації зсуву і сколювання матеріалу і спричиняє його
видалення з поверхні в процесі струминного оброблення.
Енергія, яка перетворюється в роботу пружного деформування Апр.д.,
повертається незв’язаним твердим тілам при відскоці від оброблюваної поверхні,
що необхідно врахувати при визначенні втрат енергії. Співвідношення між
роботами Апл.д. і Аруйн. залежить від переважаючого механізму формування
мікрорельєфу і напруженого стану на оброблюваній поверхні і визначається кутом
атаки в струменя до оброблюваної поверхні (рис. 2.1).
Встановимо, як змінюється співвідношення між величинами цих робіт залежно від
кута атаки в.
Рис. 2.1 Схема робочого інструмента для процесу струминного оброблення:
1 – сопло; 2 – оброблювана поверхня поверхня; 3 – струмінь;
б – кут розкриття струменя; в – кут атаки струменя до оброблюваної поверхні; R
– радіус сліду струменя на оброблюваній поверхні; L – відстань від оброблюваної
поверхні до сопла струминного апарата
Кожне незв’язане тверде тіло у струмені має імпульс U, який розкладається на
складову N, перпендикулярну до оброблюваної поверхні, і складову P,
тангенціальну до оброблюваної поверхні, значення яких залежить від кута атаки
в. (рис. 2.2) [6]
Рис. 2.2 Розкладання імпульсу сили, який має незв’язане тверде тіло у струмені:
1 – незв’язане тверде тіло; 2 – оброблювана поверхня
Нормальна складова імпульсу N викликає руйнування ударним струменем. При куті
атаки в = 90є вона набуває максимального значення, в той час, як тангенціальна
складова рівна нулю. Уся кінетична енергія в цьому випадку перетворюється в
роботу деформації оброблюваної поверхні і незв’язаного твердого тіла.
Тангенціальна складова імпульсу Р викликає руйнування матеріалу поверхні
ковзаючим струменем. При куті атаки в = 0є вона набуває максима-льного
значення, в той час, як нормальна складова рівна нулю. Уся кінетична енергія в
цьому випадку повинна перетворюватися в роботу руйнування матеріалу
оброблюваної поверхні. Однак слід враховувати, що за результатами
експериментальних досліджень [6], ефект руйнування в цьому випадку є незначним.
Це можна пояснити тим, що в дійсності кінетична енергія затрачається на
підвищення швидкості ковзання твердих тіл по оброблюваній поверхні, а не на її
руйнування.
Найбільш повно кінетична енергія незв’язаних твердих тіл використовується при
куті атаки в = 45є, коли в момент удару незв’язане тверде тіло притискається до
поверхні максимальною нормальною силою N і одночасно переміщується під дією
максимальної дотичної сили Р [6]. В цьому випадку тангенціальна і дотична
складові імпульсу рівні. Кінетична енергія, яка витрачається на руйнування
оброблюваної поверхні, рівна кінетичній енергії, яка затрачається на її
поверхневе пластичне деформування. При куті атаки в = 45є спостерігається
мінімальне пилоутворення і досягаються хороші показники шорсткості оброблених
поверхонь. [24] Ці твердження є справедливими тільки для пластичних матеріалів,
до яких відносяться метали та їх сплави. [53]
Враховуючи вищесказане, запишемо формули, які дозволять математично описати,
яким чином перерозподіляється загальна робота по зміні мікрорельєфу і
напруженого стану оброблюваної поверхні між роботою, затраченою на руйнування і
роботою, затраченою на поверхневе пластичне деформування, залежно від кута
атаки в:
;
(2.4)
де kст – коефіцієнт стружкоутворення, значення якого залежить від кута
атаки в. [78]
Виходячи з припущення, що залежність роботи від кута атаки є лінійною (рис.
2.3) і граничних умов, перелічених вище, коефіцієнт kст рівний . З врахуванням
цього формула (2.4) запишеться у вигляді:
;
(2.5)
Рис. 2.3 Залежність р
- Київ+380960830922