Full Text

Гидроабразивная обработка предполагает локализованное воздействие на материал высокоскоростным потоком смеси воды и абразива - гидроабразивной струей. Воздействие на материал происходит за счет ударного воздействия абразивных частиц, которое вызывает эрозию и микромеханическое разрушение под действием быстроизменяющегося поля местных напряжений [1]. Преимущества метода гидроабразивной резки, по сравнению с традиционными, представлены в многочисленных публикациях [2-7]. Отмечается [8], что гидроабразивная резка способна стать альтернативой некоторых современных методов резания, таких как лазерная резка. Проблемой практики гидроабразивной обработки является обеспечение надлежащего качества поверхности реза. Закономерности, описывающие параметры шероховатости поверхности реза от технологических параметров, также представлены в отечественной и зарубежной научной периодике [9-12]. Авторы исследований рассматривают взаимосвязь параметров поверхности реза с характеристиками абразива, скоростью его подачи, а также с параметрами самого материала, подвергающегося резке. Отдельная категория публикаций посвящена математическим моделям [13, 14], позволяющим прогнозировать качество реза и назначать оптимальные режимы обработки материалов при помощи гидроабразивной резки. Закономерности, описывающие общую зонированность поверхности реза, являются важными для назначения финишных операций по обработке изделий, и потому такие исследования являются актуальными. В настоящее время получить информацию о состоянии поверхности возможно не только контактным методом, но и методом анализа изображений. Настоящее исследование преследует цель оценить возможности применения анализа изображений к задачам оценки параметров шероховатости поверхности реза, качества поверхности и цены изготовления при гидроабразивной резке. Известно, что поверхность реза при гидроабразивной резке имеет особенности строения [15, 16], которые заключаются в том, что рельеф шероховатости по мере продвижения струи вдоль и поперек реза имеет заметно выраженную разницу в величине шероховатости и в упорядоченности неровностей, формирующих рельеф. На рис. 1 представлена схема типичной поверхности реза при гидроабразивной резке, на которой обозначена зонированность поверхности на зоны с низкой шероховатостью и относительно равномерным распределением неровностей по поверхности реза (зоны на ходе струи и фронты обработки) и зону с выраженными дугообразными бороздами, расположенными на определенном расстоянии друг от друга. Для исследования зонированности реза был составлен алгоритм его проведения (рис. 2). а б Рис. 1. Схема поверхности реза при гидроабразивной резке: а - расположение гладкой и полосчатой поверхностей; б - расположение фронтов обработки Для определения шероховатости поверхности реза контактным способом использовался профилометр ОАО «Калибр» мод. 170623 в соответствии с ГОСТ 19300-86 «Средства измерений шероховатости поверхности профильным методом. Профилографы-профилометры контактные. Типы и основные параметры». Для проведения анализа изображений поверхности реза использовался программный продукт ImageJ и его приложения SurfCharJ и Shape_Descriptor1u (после соответствующего калибрования), для математической обработки результатов использовались Excel Рис. 2. Алгоритм исследования зонированности поверхности реза и STATISTICA. В качестве объектов исследования использовались образцы резов на Ст3, полученные гидроабразивной резкой при скоростях подачи абразива 256,24; 170,02; 106,66; 76,62; 59,28 м/с. На поверхности реза были выявлены три характерные горизонтальные зоны, условно обозначенные как гладкая (рис. 3, зона 1), переходная (см. рис. 3, зона 2) и текстурированная (см. рис. 3, зона 3). Каждая из горизонтальных зон была разделена на отдельные участки (см. рис. 3) для возможности выделения средних значений. Результаты контактных измерений шероховатости поверхности трех горизонтальных зон, полученных при разных скоростях реза, представлены в табл. 1 и на рис. 4. Измерение параметров шероховатости поверхности отдельных участков производилось методом анализа изображений. Результаты представлены в табл. 2. При сопоставлении данных о шероховатости поверхности, полученных при анализе изображений и контактным способом с использованием критерия Стьюдента, не выявлено статистически значимых различий. Площадные соотношения этих зон, а также доли площадей фронтов обработки относительно общей площади поверхности реза были определены методом анализа изображений и представлены в табл. 3. Рис. 3. Зонированность исследуемых поверхностей реза Таблица 1 Результаты измерений параметров шероховатости поверхности реза контактным методом Скорость перемещения струи вдоль реза, м/с Зона 1 Зона 2 Зона 3 Ra, мкм Rp, мкм Rv, мкм Ra, мкм Rp, мкм Rv, мкм Ra, мкм Rp, мкм Rv, мкм 256,24 4,16 17,3 21,1 7,06 19,9 32,2 30,21 134,0 96,9 170,02 4,23 15,2 27,0 4,89 18,2 21,4 13,50 34,1 43,6 106,66 3,94 13,4 16,2 5,07 18,9 20,9 7,82 23,5 27,3 76,62 3,35 10,2 16,5 4,53 18,8 23,4 6,38 22,7 22,9 59,28 3,12 12,7 16,0 4,50 19,3 22,2 4,27 13,7 17,5 Рис. 4. Внешний вид поверхности образцов и результаты контактных измерений параметров шероховатости поверхности при разных скоростях перемещения струи вдоль реза, м/с: а - 256,24; б - 170,02; в - 106,66; г - 76,62; д - 59,28 Таблица 2 Результаты измерений параметров шероховатости поверхности реза методом анализа изображений Скорость перемещения струи вдоль реза, м/с Зона 1 Зона 2 Зона 3 Ra, мкм Rp, мкм Rv, мкм Ra, мкм Rp, мкм Rv, мкм Ra, мкм Rp, мкм Rv, мкм 256,24 4,24 17,6 22,5 7,20 45,3 32,8 31,40 189,7 105,7 170,02 4,69 16,5 27,5 6,69 18,6 21,8 18,54 34,8 54,4 106,66 4,20 13,7 18,9 5,17 22,5 21,3 7,98 31,0 27,8 76,62 3,90 11,4 16,8 4,62 19,2 34,2 5,24 23,2 23,4 59,28 3,18 13,0 16,3 4,59 19,7 22,6 4,36 14,0 17,9 Таблица 3 Площадная оценка зонированности поверхности реза по данным анализа изображений Доля площади зоны в общей площади поверхности реза, % Скорость перемещения струи вдоль реза, м/с 256,24 170,02 106,66 76,62 59,28 Зона 1 24,0 37,5 51,0 64,5 78,0 Зона 2 32,5 28,9 24,9 21,6 18,0 Зона 3 44,5 33,6 22,8 11,9 1,1 Общая площадь фронтов обработки, % 12,2 18,6 19,53 16,9 10,2 а б в Рис. 5. Зависимости параметров поверхности реза при гидроабразивной резке от скорости перемещения струи вдоль реза по критерию Ra (по данным контактных измерений и анализа изображений): а - зона 1, б - зона 2, в - зона 3; - контактные измерения, - анализ изображения Зависимости, характеризующие параметры шероховатости поверхности реза от скорости перемещения струи вдоль реза, по данным контактных измерений и анализа изображений (рис. 5) демонстрируют тенденцию, при которой наиболее значительному влиянию подвергается состояние поверхности в полосчатой зоне (зона 3), причем характер зависимости экспоненциальный, тогда как для других зон она носит, скорее, линейный характер. Кроме того, обнаруживается, что при минимальном значении скорости перемещения струи вдоль реза не может быть выделена переходная зона по параметру Ra. При этом, рассматривая отношение значений максимальных впадин и выступов рельефа (Rp/Rv) как характеристику текстурности поверхности (рис. 6), отметим, что при максимальных скоростях переходная зона обладает наиболее выраженной текстурностью, чем плоская и полосчатая, зонированность поверхности при этом остается, несмотря на общее улучшение показателей шероховатости, т.е. текстурности поверхности, наиболее показательной при оценке зонированности поверхности реза. а б Рис. 6. Зависимость параметров поверхности реза при гидроабразивной резке от скорости перемещения струи вдоль реза по критерию текстурности Rp/Rv: а - по данным контактных измерений; б - по анализу изображений Площадная оценка (рис. 7) показывает, что, несмотря на очевидную линейную тенденцию к сокращению доли переходной и полосчатых зон, зонированность как таковая остается, при этом доля фронта обработки мало изменяется в зависимости от скорости перемещения струи вдоль реза. Рис. 7. Соотношение площадей различных зон поверхности реза при разных скоростях перемещения струи вдоль реза Зонированность поверхности реза методом анализа изображений может быть интерпретировано визуально, результаты представлены в виде трехмерных реконструкций (рис. 8). Методом анализа изображений получены численные характеристики морфологии неровностей поверхности реза. Установлены зависимости коэффициента сферичности неровностей, среднего показателя приведенного диаметра и количества неровностей на квадратный сантиметр поверхности от скорости перемещения струи вдоль реза в разных зонах поверхности реза (рис. 9). Анализ зависимостей позволяет установить особенности морфологии неровностей. В гладкой зоне сферичность неровностей последовательно повышается, а величина диаметра уменьшается. Однако эта тенденция не сохраняется в других зонах. В переходной зоне коэффициент сферичности в среднем остается без изменений, что объясняется наличием неровностей различной формы: присутствуют неровности как в виде борозд, так и в виде бугров, хотя в целом тенденция к уменьшению диаметра остается. В наиболее текстурной полосчатой зоне коэффициент сферичности остается без значительных колебаний, уменьшается диаметр, что объясняется утонением неровностей и уменьшением их длины, что, соответственно, отражается и на количестве неровностей на единицу площади поверхности. Таким образом, по результатам исследования зонированности поверхности реза при гидроабразивной резке установлено, что метод анализа изображений может использоваться в исследованиях зонированности поверхности и при оценке параметров его шероховатости. При этом для достижения максимальной точности измерений по изображению следует проводить соответствующую калибровку средства анализа изображений. В настоя- а б в г д Рис. 8. Трехмерная реконструкция поверхности реза при скорости перемещения струи вдоль реза, м/с: а - 256,24; б - 170,02; в - 106,66; г - 76,62; д - 59,28 а б в Рис. 9. Морфологические характеристики неровностей рельефа различных зон поверхности реза в зависимости от скорости подачи абразива: а - коэффициент сферичности; б - количество на единицу площади, ед/см2; в - приведенный диаметр, мм щем исследовании с помощью метода анализа изображений установлены особенности зонированности и площадного распределения характерных зон поверхности реза в звисимости от скорости перемещения струи вдоль реза. Преимуществами использования метода анализа изображений при оценке состояния поверхности реза являются возможность выявления особенностей неровностей, формирующих рельеф, в зависимости от данного параметра по показателям коэффициента сферичности, площади, а также количеству на единицу площади, а также возможность получения наглядной трехмерной визуализации. Трехмерная визуализация позволяет информировать заказчика работ о состоянии поверхности реза при различных условиях его получения, быстро сформировать представление о качестве результата и тем самым оптимизировать процедуру выбора скоростей обработки с соблюдением баланса экономических и технических запросов заказчика.

About the authors

A. M Ignatova

Perm National Research Polytechnic University

S. K Balabanov

Perm National Research Polytechnic University

M. N Ignatov

Perm National Research Polytechnic University

References

Statistics

Views

Abstract - 21

PDF (Russian) - 28

Refbacks

• There are currently no refbacks.