РОЗДІЛ 2
УТВОРЕННЯ ПОВЕРХНІ РОЗДІЛУ ПРИ СТРУМИННОМУ РІЗАННІ НЕМЕТАЛЕВОГО КОМПОЗИТУ
В розділі подаються принципи та основні положення фізичної моделі формування поверхні розділу (борозенки різа) та утворення деструктивного шару при гідроруйнуванні неметалевих матеріалів, зокрема, композитів, що базуються на використанні лінійної механіки руйнування та положеннях робіт В.В.Болотіна, А.К.Бурова, Г.А.Ваніна, В.М.Верезуба, Ю.С.Гусєва, С.М.Зайцева, І.М.Коп'єва, Є.М.Сахарової, О.С.Овчинського, І.В.Пєтка, О.С.Проволоцького, В.Б.Струтинського та ін.
Обгрунтовано методологію теоретико-експериментальних досліджень, використання якої дозволило показати, що утворення деструктивного шару та формування борозенки різи в цілому є наслідком нестаціонарних процесів струминної ерозії, обумовленої зародженням, зростанням та розгалуженням тріщин, утворених у зоні периферійного струминного впливу на оброблюваний матеріал. Доведено зв'язок тріщиноутворення з геометричними параметрами та напруженим станом зони різання. Виявлено основні закономірності формування борозенки різа.
2.1. Аналіз і обгрунтування фізичної моделі та методології
теоретико-експериментальних досліджень гідрорізання
тонкостінних виробів з неметалевих композитів
Формоутворення в загальному машинобудуванні є процесом, який дозволяє отримати задані макрогеометричні характеристики об'єкту шляхом пластичного деформування або керованого руйнування певних обсягів оброблюваної заготовки з відкриттям нових поверхонь розділу.
Формоутворення при різанні (лезовій обробці) дозволяє отримати необхідну геометричну форму об'єкту внаслідок відокремлення частини матеріалу, яка може бути частково або повністю зруйнована (деструктована) та перетворена у стружку.
Повне перетворення відокремленого матеріалу у стружку спостерігається при виконанні: зовнішнього циліндричного та фасонного точіння, розточування отворів, свердлуванні, торцевого фрезерування. Часткове перетворення відбувається при відрізанні, фрезерному розкроюванні, тощо.
Гідрорізання як технологічний процес керованого руйнування належить до групи методів обробки, що перетворюють відокремлений матеріал у стружку (шлам) лише частково, забезпечуючи цим широкі технологічні можливості, високу ефективність різання, низький коефіцієнт відходу матеріалу. Внаслідок того, що процес гідрорізання може бути перенесеним на весь перетин заготовки або на його частину (при виконанні операцій скрайбування), формоутворення при гідрорізанні слід розглядати у двох аспектах: макрогеометричне формування заготовки в цілому та формування борозенки різи в процесі взаємодії струменя з матеріалом.
Фізична основа процесу формування борозенки різи при гідрорізанні, внаслідок якого утворюються нові поверхні розділу, полягає в руйнуванні певних обсягів матеріалу, які знаходяться між основним тілом оброблюваної заготовки та її відокремленою частиною. При цьому відомо [47], [63], що руйнування матеріалу є наслідком процесів стиснення, розтягування, ерозії, розтріскування, зсуву, розповсюдження хвиль, кавітаційного пошкодження та зносу, котрі протікають у тілі та викликаються гідродинамічними локальними навантаженнями перепони - поверхні оброблюваної заготовки при натіканні струменя.
Існуючі фізичні моделі процесу струминного руйнування твердого однорідного ізотропного тіла [142], розглядаючи струминне різання у квазістаціонарній постановці, базуються на положенні, що струмінь рідини, володіючи виборною спроможністю проникати в систему мікротріщин і викликати в останніх значні розтягуючі напруження, формує таку напружену зону, в якій у центрі гідровпливу (рис. 2.1) матеріал стиснуто, а на межі дії струменя при r=rc напруги різко змінюють свій знак на протилежний і стають розтяжними. Надання поступової подачі елементам технологічної системи призводить до перенесення гідровпливу на сусідню ділянку, а, відтоді, і до зміни на ній знаку напружень, в результаті чого ділянка сприйматиме знакозмінне навантаження, яке і викликатиме на межі r=rc появу початкових мікротріщин. У подальшому утворені мікротріщини починають активно розповсюджуватися вглиб тіла у напрямку, перпендикулярному межовій площині z=0.
Вважається, що мікротріщини є наслідком процесів зсуву на межі пластичної та пружної зон, де при струминному навантаженні діють значні розтяжні напруги. Зароджуючись на початкових локальних дефектах оброблюваного тіла, мікротріщини розвиваються, зливаються, створюючи макротріщину, яка веде до відокремлення частки оброблюваного тіла.
Таким чином, головним недоліком існуючих фізичних моделей гідрорізання твердого тіла є положення про локалізацію сітки мікротріщин у межах обсягу, який безпосередньо сприймає струминне навантаження та на фронті навантаження на малій ділянці при різанні з поступовим рухом струменя відносно оброблюваної поверхні, котре грунтується на прийнятому припущенні щодо однорідності матеріалу та існуванні в останньому мікроскопічних недосконалостей і внутрішніх дефектів (значно менших за розмір струменя).
dc
pb, vc
r =dc/2 t=0.1 c
X
R ?xz
?x
B
C
Z ?z
t=0.2c
Рис. 2.1. Виникнення тріщин на
межі стискуючих і
розтяжних напружень
та розвиток лунки
гідрорізаня
0.2 мм t=0.3 c
З цих позицій утворення поверхонь розділу та формоутворення в цілому є процесом появи очікуваної поверхні як огинаючої ряду послідовних положень перетинів струменя, який уявляють у вигляді безкінечного циліндра, що перетинає паралелепіпед (оброблювану заготовку) певної товщини. Це значно спрощує реальний процес формоутворення та не дозволяє оцінювати очікуваний стан поверхні розділу за парам