Исследование распределения давления рабочей среды по длине канала при абразивно-экструзионной обработке

Аннотация

Приведены результаты исследований распределения давления рабочей среды по длине канала. Выявлено, что при установившемся течении величина давления рабочей среды зависит от величины давления сдвига на входе в канал и градиента скорости потока среды.

Полный текст

Для теоретического описания процесса течения рабочей среды при абразивно-экструзионной обработке (АЭО) применяются два подхода. Согласно модели бингамовского пластика [1], сдвиговое течение рабочей среды при АЭО осуществляется за счет перепада давлений среды на входе и выходе обрабатываемого канала. Исходя из этой модели, в каналах большой длины перепад давлений приводит к появлению неравномерности обработки по длине. Это явление существенно ограничивает технологические возможности данного способа финишной обработки. При АЭО сдвиговое течение имеет доминирующее направление, оказывающее существенное влияние на характер перемещения абразивных зерен. При визуальных исследованиях потока рабочей среды [2] в каналах разных конфигураций установлено, что АЗ перемещаются по траекториям, совпадающими с линиями тока. Это наблюдение позволило сделать предположение о том, что при установившемся режиме течения наблюдается появление совокупностей абразивных зерен, перемещающихся по одной траектории, образованных линиями тока рабочей среды. Следовательно, наблюдаемую совокупность можно представить в виде цепочки, состоящей из последовательно соединенных одинаковых элементов -сегментов, каждый из которых деформируется независимо от остальных, а условие неразрывности цепочки обеспечивается соединением сегментов вязкоупругой среды в шариках, моделирующих абразивные частицы, окруженные сольватной оболочкой. Исходя из этого предположения, была разработана модель течения среды, построенная на преобразованной модели Каргина-Слонимского-Рауза (КСР) [3]. На основании теоретических разработок было выявлено, что при установившемся режиме сдвигового течения скорости движения всех шариков (dujdt) одинаковы, времена запаздывания системы достигают своих максимальных значений, упругие деформации приближаются к асимптотическому значению ue (да). Тогда и условия равновесия для всех сегментов цепочки подобны, т. е. не зависят от длины цепочки (обрабатываемого канала). Величина сжатия є сегментов цепочки на оси канала в данном случае перестает быть зависимой от длины канала - режима вязкоупругого течения. На центральной оси канала поток движется подобно сжатому упругому стрежню. Для подтверждения данной модели были проведены экспериментальные исследования влияния длины обрабатываемого канала на условия АЭО. Объектом исследования являлся установившийся поток рабочей среды. Для исследований создано опытное приспособление (рис. 1) и схема измерения параметров процесса (рис. 2). Корпус 1 и крышка 2 имеют пазы для взаимного расположения. Два переходника 3 обеспечивают соединение корпуса и крышки между собой, а также установку собранного приспособления в рабочие цилиндры опытно-промышленной установки УЭШ-100 М. В паз крышки 2 устанавливается прямоугольный образец 4. В собранном приспособлении имитируется прямоугольный канал 5, имеющий сечение 10*10 мм и длину 108 мм. Материал образца и имитатора -сталь 38ХГС. [Image] Рис. 1. Приспособление для исследования Результаты исследования Рвх, МПа Сечение 1 Сечение 2 Сечение 3 Сечение 4 Р, МПа Ra, мкм Ah, мкм Р, МПа Ra, мкм Ah, мкм Р, МПа Ra, мкм Ah, мкм Р, МПа Ra, мкм Ah, мкм 6,0 0,9 0,35 75 0,9 0,37 70 0,89 0,36 70 0,88 0,36 75 9,0 1,4 0,30 100 1,39 0,31 95 1,38 0,32 95 1,38 0,32 100 12,0 1,8 0,25 150 1,79 0,26 145 1,78 0,26 145 1,76 0,25 150 В сечениях 1 ...4 измерялись шероховатость Ra поверхности и величина изменения глубины реперной точки Ah после 20 циклов АЭО при различных величинах входного давления Рвх. На осциллограммах фиксировался характер и величина изменения давления среды Р. Конструкция приспособления позволила обеспечить перестройку профиля потока в переходниках и исключить влияние перестройки на распределение давления по длине канала. [Image] Рис. 2. Схема измерения параметров Применялась рабочая среда следующего состава: наполнитель - нормальный электрокорунд 18А зернистостью 320 мкм, весовое содержание 50 %; плотность среды р = 1410,32 кг/м3, упругие свойства - модуль Юнга Е = 119600, величина коэффициента Пуассона д = 0,411. Каждое условие эксперимента повторялось 6 раз. Средние значения результатов экспериментов приведены в таблице. Величина давления Р определена по пиковому (максимальному) значению давления на осциллограмме. Состояние поверхностного слоя образцов после обработки (центральная часть образцов), выявила равномерность съема материала по всей длине канала (рис. 3). [Image] Рис. 3. Образцы после обработки Результаты исследования показали, что изменение давления по длине канала при установившемся течении несущественно. Основное влияние на численное значение давления в канале оказывает величина входного давления и коэффициент потерь потока среды при перестройке его профиля на входе в обрабатываемый канал. Изменение шероховатости и величины удаленного слоя материала при установившемся сдвиговом течении среды (рис. 4) слабо зависят от длины обрабатываемого канала. Результаты этих исследований подтверждают, что для расчетов параметров АЭО нужно применять модели течения среды, построенной на преобразованной модели КСР. Изменение давления по времени аналогично во всех четырех исследуемых сечениях и практически происходит одновременно по всей длине канала (рис. 5). Изменение величины давления среды связано с условиями течения среды в канале и режимами деформирования вязкоупругих цепочек. [Image] б Рис. 4. Изменение параметров поверхностного слоя при АЭО канала большой длины: а - шероховатость Ra; б - изменение глубины реперной точки Ah а [Image] Рис. 5. Изменение давления по длине канала большой длины По результатам исследований было проведено сравнение двух продольных профилей каналов образцов (рис. 6). Согласно теории бингамовского, пластика для случая двунаправленной АЭО в каналах большой длины продольный профиль должен иметь ярко выраженную конусность. Наибольший съем металла должен наблюдаться на входе в канал в зоне 1. Наименьший съем - в центральной части канала, т. е. зоне 3 (рис. 6, а). Профиль обработанной детали без применения направляющего устройства, которое формирует профиль потока на входе в канал, имеет две ярко выраженные зоны: входную зону 1 с максимальным значением удаленного металла и среднюю зону 2 (рис. 6, б). Профиль обработанной детали, закрепленной в устройстве, которое формирует профиль потока на входе в канал (рис. 1), имеет одну ярко выраженную среднюю зону 2 (рис. 6, в). Согласно классификации зон течения [4], для случая АЭО по схеме (см. рис. 2), входная зона формируется в рабочем цилиндре установки. Режим деформирования рабочей среды в этой зоне на условия обработки непосредственного влияния не оказывает. Входная зона 1 (рис. 6) формируется на входе в исследуемый канал и в его выходной зоне. В ней перестройка профиля потока максимальна. Далее по длине канала формируется зона установившегося течения. Условия обработки в ней можно отнести к условиям средней зоны, и расчет режимов АЭО вести по методике [3]. [Image] а б с Рис. 6. Продольный профиль обработанной поверхности образца: а - по теории бингамовского пластика; б - экспериментальный; в - экспериментальный с выравниванием профиля потока на входе Основное влияние на параметры абразивноэкструзионной обработки оказывает градиент скорости сдвига рабочей среды, а не перепад давлений на входе и выходе в обрабатываемом канале. Этот эффект объясняется высокими вязкоупругими свойствами абразивных рабочих сред. Установленные факты позволяют расширить технологические возможности способа АЭО по обработке каналов большой длины.