Microsoft Word - Ca\\263o\\234\\346 06 II 2006.doc

XLV Sympozjon „Modelowanie w mechanice”
225
Tomasz WALA, Jan KOSMOL, Katedra Budowy Maszyn, Politechnika Śląska
PROGNOZOWANIE GŁĘBOKOŚCI EROZJI MATERIAŁÓW
KOMPOZYTOWYCH PODCZAS CIĘCIA STRUMIENIEM WODNOŚCIERNYM
METODĄ ELEMENTÓW SKOŃCZONYCH
Metody niekonwencjonalne kształtowania materiałów są wprawdzie rzadziej stosowane
niż metody konwencjonalne, ale w wielu przypadkach są niezastąpione. Dotyczy to
materiałów, które z uwagi na twardość i niejednorodność struktury nie można kształtować
metodą klasycznego skrawania. Poszukiwanie metod, które pozwalałyby na wstępny dobór
parametrów obróbki jednocześnie śledząc efekty obróbki, bez przeprowadzania
długotrwałych badań eksperymentalnych są dziś jednym z priorytetowych badań
inżynierskich. Rozwój metod numerycznych pozwala na symulację złożonych zjawisk
o charakterze nieliniowym i dynamicznym. Do dnia dzisiejszego uzyskano wiele
obiecujących modeli MES obróbki skrawaniem, mało jednak jest modeli, które
proponowałyby ich zastosowanie dla metod niekonwencjonalnych. Niniejszy artykuł
przedstawia pomysł modelowania metodą elementów skończonych obróbki wodnościernej
kompozytów wielowarstwowych tj. laminatów.
Artykuł przedstawia model w konwencji metody elementów skończonych
umożliwiającego symulację penetracji pojedynczych cząstek ścierniwa podczas obróbki
kompozytów wielowarstwowych.
Dla celów dyskusji uzyskanych wyników badań modelowych przeprowadzono badania
eksperymentalne prób cięcia próbek strumieniem wodnościernym. Parametry stosowane
w trakcie badań eksperymentalnych tj. maksymalna prędkość posuwu, minimalny strumień
wodnościerny posłużyły do wyznaczenia głębokości pojedynczych cząstek dla zadanego
ciśnienia strumienia wody. Wyniki uzyskane w trakcie badań eksperymentalnych, czyli
zmierzone głębokości penetracji dla pojedynczych cząstek ścierniwa porównano z wynikami
analizy przeprowadzonej metodą elementów skończonych.
Całkowita głębokość erozji materiału opisana została za pomocą opracowanego modelu
matematycznego. Model matematyczny uwzględniał wartość głębokości penetracji
pojedynczej cząstki wyznaczonej metodą elementów skończonych hmes, pomnożonej przez
liczbę n tj. liczbę wszystkich cząstek biorących udział w procesie erozji podczas obróbki.
Liczba ta zależała od strumienia ściernego i czasu jego oddziaływania na powierzchnię
przedmiotu obrabianego, który zależy od prędkości posuwu.
Do modelu matematycznego wprowadzono współczynnik e, który wyznaczony jest jako
iloraz głębokości penetracji wszystkich cząstek ściernych obliczonej metodą elementów
skończonych i głębokości rzeczywistej uzyskanej w badaniach eksperymentalnych.
Współczynnik ten wyznacza się przeprowadzając tylko kilka prób cięcia i pomiarów
głębokości, a następnie oblicza się jego średnią wartość dla zadanych prędkości posuwów.
Każda kolejna próba cięcia i pomiar głębokości pozwala wyznaczyć dokładniejszą wartość
współczynnika e. Tak wyznaczony współczynnik e pozwala na predykcję głębokości
penetracji strumienia dla kolejnych prędkości posuwów.
XLV Sympozjon „Modelowanie w mechanice”
226
Tomasz WALA, Jan KOSMOL
Department Machine of Technology, Silesian University of Technology
THE DEPTH EROSION COMPOSITE MATERIALS PROGNOSIS DURING THE
ABRASIVE WATERJET MACHINING USING THE FINITE ELEMENTS METHOD
Nonconventional shaping material methods are more rarely used than conventional
methods, but in the most causes are irreplaceable. Its concerned hard materials with
inhomogeneous structure, which can not shaping by classical cutting methods. The methods
are searched, which allow to preliminary choice of machining parameters and simultaneously
observing effects of machining without carried out long-lasting experimental research. It is
the priority tasks for engineering research. The development of numeric methods allow to
complex phenomena simulation with nonlinear and dynamic character. Up to day some
promising cutting process models using the FE method are performed. However not much
model is existed, which using the FE method for nonconventional cutting of material. That
article shows the idea of abrasive waterjet machining (AWJM) of multilayers composites
modeling using the FE method.
The article shows the single abrasive particle penetration inside workpiece simulation
during the AWJM of polymeric composites using the FE method.
The experimental research of specimens cutting tests using the abrasive waterjet machining
are carried out for discussion obtained results during the FE analysis. During the experimental
research the following the parameters i.e. maximal feed rate, minimal abrasive flow rate are
used. It allowed to determine the thickness penetration of single abrasive, which are depended
on a pressure of waterjet. The obtained results during the experimental research i.e. the
measured depth penetration of single abrasive particles with the results the FE analysis are
compared.
The total depth erosion of workpiece is described with the aid a mathematical model. The
mathematical model take into account the depth penetration of single abrasive particle
calculated by the FE method multiplied the number n i.e. number the whole abrasive particles
participating in the erosion process during the cutting. That number depends on abrasive flow
rate and feed rate.
The mathematical model concerns the coefficient e, which is determined as quotient the
account the depth penetration of the whole abrasive particles calculated by the FE method and
the real depth penetration determined on the basis of experimental research.
The coefficient determine by conducting some cutting tests and measuring depths and
calculated the average its value for specified feed rates. The next cutting tests and measuring
depths allows to obtain more accurately value of coefficient. The obtained value of coefficient
e allow to the depth penetration prognosis of abrasive waterjet for next feed rates.