Гидроабразивный способ обработки стали

Гидроабразивная обработка – один из видов воздействия на поверхность детали с целью ее упрочнения и придания других важных для эффективной и беспроблемной эксплуатации свойств.

Особенности данного вида упрочения

В процессе гидроабразивной обработки поверхности изделия рабочая жидкость, содержащая абразивные частички (зерна) подается под давлением к нужному месту воздействия.

Наиболее важными достоинствами этого вида обработки являются:

— Улучшение износоустойчивости.
— Повышение показателя усталостной прочности.
— Повышение чистоты поверхности.

Это именно те качества, которые существенны для упругих элементов.

Кроме того, при такой обработке наклеп получается равномерным, в обрабатываемом поверхностном слое создаются контролируемые остаточные напряжения, что способствует повышению эксплуатационных свойств пружин.

Особенности технологии процесса

Рабочая жидкость может подаваться к обрабатываемой поверхности двумя способам

— Самотеком или благодаря выполняемому сжатым воздухом всасывани
— Используя подачу насосом или под давлением, оказываемым сжатым воздухом.

Процесс работы машины, в которых происходит этот вид обработки, очень прост:

— Через дверцу производится загрузка деталей в оборудованную рабочую камеру.
— В смесительном баке создается нужный объем рабочей жидкости, которая под воздействием направленного потока сжатого воздуха подается к форсунке в рабочей камере и после воздействия на деталь возвращается в бак.
— Механизм форсунки для лучшего воздействия конструктивно выполнен таким образом, что он может перемещаться в вертикальной плоскости и вращаться – в горизонтальной. Так обеспечивается нужный угол воздействия струи на обрабатываемую поверхность.

Примерные показатели всасывающих машин: давление рабочей жидкости (избыточное) – до полутора атмосфер при давлении подаваемого сжатого воздуха – до 6 ати, скорость рабочей жидкости в момент выброса из форсунки – до 70 м/сек.

Мелкие витые цилиндрические пружины подаются в машину посредством устройств барабанного типа, а средние/крупные – на оправках, которым придается поступательное движение одновременно с вращательным.

Важные параметры процесса

Производительность этого вида обработки и ее качество зависят от свойств обрабатываемого материала (сорта стали, проведенной термообработки, полученной чистоты поверхности). Кроме того, эффективность абразивного воздействия зависит от определенных параметров, основными из которых являются:

— Вид применяемого абразива.
— Величина зерна абразивного материала.
— Скорость подачи рабочей жидкости.
— Угол падения жидкости на поверхность.
— Расстояние между форсункой и поверхностью.
— Предусмотренное время процесса.

Чем каждый из этих показателей важен, стоит рассмотреть немного подробнее.

Вид абразивного материала

В качестве абразива в этом технологическом процессе могут применяться как естественные, так и искусственные материалы.

— Естественные абразивы – наждак, корунд, кварц.
— Наиболее востребованные искусственные абразивы представлены оксидом алюминия, карбидом бора, карбидом кремния, крокусом (безводным оксидом железа), электрокорундом.

Каждый из упомянутых материалов имеет свои особенности и рекомендуется специалистами в том или ином случае для достижения оптимального результата.

Величина абразивных зерен

Этот показатель выбирается с учетом требований, которые предъявляются к чистоте обрабатываемой поверхности после завершения процесса. Увеличение зернистости способствует росту производительности абразивной обработки металла, одновременно приводя к ухудшению чистоты поверхности.

Технология производства может предусматривать последовательное использование нескольких рабочих жидкостей и зернами разной величины: от больших к малым. В этом случае в процессе воздействия будет вначале снят значительный слой металла, а затем поверхность будет доведена до требуемой чистоты более мелкими фракциями абразива.

Скорость рабочей жидкости

Давление воздуха – вот чем определяется скорость жидкости, воздействующей на обрабатываемый материал. Давление стандартно может изменяться от 4 ати до 6 ати, при этом значение скорости пропорционально повышается с 50 м/сек до 70 м/сек.

Угол наклона форсунки

Наклон форсунки предусмотрен для того, чтобы обработка проводилась с максимально возможным результатом.

Несмотря на то, что угол может изменяться как угодно благодаря перемещению механизма форсунки и его вращению, оптимальными по производительности считаются значения от 40 до 60 градусов между направлением рабочей струи и плоскостью поверхности. Если же требуется отдать предпочтение чистоте поверхности, добиться некоторого ее повышения можно, предусмотрев угол менее сорока градусов.

Расстояние от форсунки до обрабатываемого участка

Выбирая это расстояние, принимают во внимание такие параметры, как толщина слоя, который должен быть удален, и площадь обрабатываемой поверхности.

Чтобы получить высокую производительность на небольшом участке, расстояние между орудием обработки и металлом должно быть небольшим. Оптимальными показателями, наиболее широко распространенными в технологии гидроабразивной обработки, считается 50–150 мм. Нижний предел этого промежутка значений предполагает грубую обработку, а верхний – чистовую.

Продолжительность

Этот показатель имеет широкие рамки, поскольку зависит от многих требуемых характеристик, в частности чистоты поверхности, качества материала, поступающего в обработку, предусмотренного технологического режима.

Минимальное время, затрачиваемое на обработку одного квадратного дециметра поверхности, составляет примерно одну минуту, максимальное – в том случае, если деталь характеризуется сложной формой, – до десяти минут.

Достоинства ГАО в производстве пружин

Изготовление упругих элементов довольно часто включает в себя этот вид воздействия, поскольку он отличается:

— Высоким упрочняющим действием.
— Удобством применения, в том числе к деталям, которые имеют сложный профиль.

Исследования, проведенные для выявления достоинств гидроабразивной обработки, показывают хорошие результаты. Например:

Проволока диаметром 2 мм подвергалась ГАО (абразив – порошок оксида алюминия, размер зерна – 125 и 177 мк) в течение 2 минут. Результат – увеличилась и долговечность (примерно на порядок), и предел выносливости (до 50%). Испытания проводились при таком внешнем воздействии, как вращение с изгибом.

Влияние данного воздействия на характеристики упругих деталей

Хорошими показателями использования гидроабразивного обработки можно считать также и такие:

— Выносливость пружин и пределы усталости повышаются, при этом основные размеры не претерпевают особых изменений и после завершения процесса не выходят за пределы допусков от первоначальных значений.
— Релаксация упроченных пружин в сравнении с теми, которые не подвергались данному виду обработки, характеризуется немного большей интенсивностью.
— Существенно улучшается чистота поверхности. Результат зависит от используемого для производства пружины материала, исходной структуры, выбранной степени зернистости абразивных включений, установленной величины давления воздушного потока.

Испытания проводились на серии пружин, упрочение к которым применялось и в свободном, и в напряженном состоянии.

Сравнение эффективности различных методов упрочения упругих деталей

Способов повышения прочности пружин (проще говоря – упрочения) существует несколько, наиболее известными из которых являются дробеструйный наклеп, гидроабразивная и пескоструйная обработка.

Дробеметный наклеп характеризуется высокой эффективностью упрочняющего воздействия и может применяться для сложных по профилю и геометрии пружин. Производится такая обработка дробью из стали или чугуна на специальных дробеметных машинах. Отличительная особенность – высокая однородность потока дроби.

Пескоструйная аналогична по действию гидроабразивной, однако существенным недостатком ее является необходимость решать проблему пылеулавливания.

Как показала практика и многочисленные исследования, наиболее эффективно проводится обработка поверхности пружин в том случае, если используется комбинация дробеметного наклепа и ГАО. При этом гидроабразивное воздействие должно применяться в качестве завершающей операции.

В зависимости от варьирования обоих видов обработки для изделий в напряженном и свободном состоянии можно добиться различных эксплуатационных характеристик, что позволяет выбрать оптимальный вариант с учетом требований к упругому элементу и условиям его применения.

Источник

Гидроабразивная обработка

1. Физические особенности гидроабразивной обработки

Гидроабразивная обработка представляет собой процесс ударного воздействия на обрабатываемую поверхность высокоскоростной гидроабразивной струи. Удар частицы о поверхность приводит к возникновению кратера. Вытесненный из кратера материал течет в направлении движения частицы с образованием вала. Движение вала сопровождается возникновением внутренних напряжений, которые приводят к растрескиванию вытесняемого материала. При соударении частицы с поверхностью под прямым углом вал располагается вокруг кратера равномерно. При меньших углах атаки вал образуется по бокам кратера и по направлению движения частицы. Характер деформаций и форма вала зависят от формы частиц, угла ее соударения, а также от свойств материала частицы и обрабатываемой заготовки.

При ударе о поверхность остроугольной частицы наблюдается процесс микрорезания материала. Микрорезание производится только вершинами абразивных зерен. При ударе остроугольные частицы отделяют материал от поверхности заготовки. Процесс микрорезания становится возможным при напряжениях по линии скалывания, превышающих сопротивление материала срезу.

Износ материала заготовки одиночной частицей абразива определяется процессами стирания и резания. Стирание наблюдается при больших отрицательных передних углах резания. При положительных передних углах преобладает процесс резания.

Удаление материала при воздействии на обрабатываемую поверхность струи абразивных частиц происходит в результате взаимодействия нескольких одновременно протекающих процессов: соударение частиц между собой внутри набегающего потока; дробление отдельных частиц; экранирование обрабатываемой поверхности, отскакивающими от нее частицами; повреждение поверхностного слоя материала вследствие многократных ударов абразивными частицами.

Движение струи сопровождается бомбардировкой обрабатываемой поверхности абразивными частицами. Количество ударов абразивных частиц колеблется в зависимости от условий обработки от 2*10 6 до 25*10 6 в секунду.

2. Струйно-абразивная обработка поверхностей

Сущность данного способа заключается в воздействии высокоскоростной (30…70 м/с) суспензии на поверхность обрабатываемой заготовки.

Основными компонентами суспензии для гидроабразивной обработки являются рабочая жидкость (в основном вода) и абразивный материал. Особенность струйной гидроабразивной обработки состоит в сочетании процессов съема материала, смазки и охлаждении обрабатываемой поверхности.

Рабочая жидкость выполняет следующие функции: обеспечивает транспортировку абразивных частиц от расходной емкости до обрабатываемой поверхности; непрерывно очищает обрабатываемую поверхность, удаляя отработанные абразивные частицы и частички снятого материала; предотвращает образования пыли; является носителем поверхностно-активных веществ, создающих адсорбирующие слои полярных молекул и уменьшающих межатомные связи в поверхностном слое обрабатываемого материала и снижает, таким образом, твердость и сопротивляемость материала разрушению; регулирует тепловой режим в зоне обработки. Рабочая жидкость должна не только обеспечивать интенсивность обработки поверхности, но и предотвращать прилипание частиц снятого материала к обрабатываемой поверхности, а так же проявлять антикоррозионные свойства.

Состав рабочей жидкости подбирают в зависимости от исходного состояния обрабатываемой поверхности и требуемого качества обработки. Как правило, основным компонентом абразивной суспензии является вода. Недостатком воды является коррозия деталей после обработки. Для уменьшения коррозии в суспензию добавляют поверхностно активные вещества на основе сульфосоединений, которые оказывают пассивирующее действие на поверхность, повышают коррозионную стойкость заготовок.

Объемное содержание абразивных частиц в суспензии подбирается опытным путем. Рекомендуется объемная концентрация абразивных частиц в суспензии 20…30 %.

Абразивные частицы в процессе ударного взаимодействия с обрабатываемой поверхностью изнашиваются, их рабочие грани округляются, что приводит к снижению абразивной способности. При непрерывной обработке в зависимости от вида абразивного материала срок действия суспензии составляет 40…70 часов.

На рисунке 1 приведена схема струйно-абразивной установки. Насос 6 подает суспензию из бака 5 по трубопроводу 4 к струйному аппарату 3, который направляет струю суспензии на заготовку 2. Обработка происходит в герметичной камере 1, откуда суспензия стекает в бак 5. Для размешивания смеси в баке предусмотрено устройство 7 с отдельным приводом.

Установки для струйно-абразивной обработки работают как при низком (0,5…0,8 МПа), так и при высоком (4…10 МПа) давлениях. Высокое давление используются для интенсификации обработки грубых поверхностей заготовок. Увеличение давления сжатого воздуха приводит к повышению производительности. Так, увеличение давления от 3 до 6 МПа повышает скорость съема металла более, чем в 3 раза.

Скорость движения подачи на предварительных операциях составляет 0,5…2 м/мин, на окончательных операциях 0,15…0,20 м/мин. Скорость съема металла изменяется в пределах 10-30 мкм.

Шероховатость обработанной поверхности составляет Ra=1,7…0,7 мкм.

Рисунок 1 — Схема струйно-абразивной обработки

Производительность и качество струйной обработки поверхностей зависит от энергетических возможностей гидроабразивной струи, формируемой струйным аппаратом. Основными требованиями, предъявляемыми к струйным аппаратам, являются: обеспечение максимальной скорости струи при минимальном расходе энергоносителя и максимальном расходе гидроабразивной суспензии; обеспечение равномерного распределения абразивных частиц по сечению струи. Первое требование определяет производительность, а второе — качество обработки.

В настоящее время наибольшее применение находят аппараты с принудительной насосной подачей суспензии в камеру смешения и последующим ее разгоном сжатым воздухом. Такие аппараты стабильно работают в широком диапазоне изменения давления воздуха и расхода суспензии, обеспечивают достаточно высокую производительность и качество обработки. Эффективность работы струйного аппарата определяется его геометрическими параметрами, основными из которых являются: размеры и соотношение площадей активного и смесительного сопел; расстояние между активным и смесительным соплами; длина сопел; угол сходимости смесительного сопла; размеры камеры смешения и др.

Разгон гидроабразивной суспензии осуществляется в смесительном сопле струйного аппарата. Длина сопла выбирается таким образом, чтобы обеспечить минимальные потери энергии при разгоне суспензии; равномерное поле скоростей на выходе из сопла и заданный угол распыла струи. Практически во всех конструкциях струйных аппаратов предусмотрено регулирование расстояния между выходным торцом активного сопла и входным торцом смесительного сопла.

Внутренняя поверхность смесительного сопла при работе струйного аппарата подвергается интенсивному абразивному воздействию. Поэтому материалы, из которых изготавливаются сопла, должны иметь повышенную износостойкость. Для изготовления сопел струйных аппаратов широко используются твердые сплавы и металлокерамика.

На рисунке 2 представлена конструкция струйного аппарата, позволяющая регулировать его геометрические параметры.

Рисунок 2 — Регулируемый струйный аппарат: 1- смесительное сопло; 2, 8, 10, 11- гайки; 3,4- корпусы; 5-активное сопло; 6-трубка; 9,12-штуцеры

На корпус 4, представляющий собой втулку с наружной резьбой, навертывается передний 3 и задний 7 корпусы. На переднем корпусе 3 гайкой 2 крепится смесительное сопло 1. В задний корпус 7 ввернута трубка 6, на конец которой навертывается активное сопло 5. Трубка в корпусе крепится гайкой 10. На нижнем конце трубки с помощью накидной гайки 11 крепится штуцер 12, по которому к струйному аппарату подводится сжатый воздух. К корпусу 7 накидной гайкой 8 присоединяется штуцер 9 для подвода суспензии.

Плоская гидроабразивная струя в отличие от осесимметричной обладает более широкими технологическими возможностями, особенно при обработке сложнопрофильных поверхностей. Применение струйных аппаратов, формирующих плоские гидроабразивные струи, позволяет значительно упростить схему обработки, обеспечить равномерный съем материала при стабильном получении заданных показателей поверхностного слоя обрабатываемой детали.

На рисунке 3 представлен многосопловый струйный аппарат, который формирует струю с равномерным по ширине профилем скорости за счет перекрытий, расположенных в ряд с определенным шагом струй круглого сечения.

Рисунок 3 — Многосопловый струйный аппарат: 1, 9 — штуцера; 2 — корпус; 3, 5 — соответственно смесительное и активное сопла; 4 — керамические вставки; 6 — распределительная камера; 7 — запорные устройства; 8 — крышка; 10 — гидроабразивные струи

Струйный аппарат состоит из корпуса 2 со штуцером 1, через который подается суспензия. В корпусе установлены секции активных 3 и смесительных 5 сопел. Секция активных сопел 5 имеет распределительную камеру 6, закрытую крышкой 8. На крышке установлены запорные устройства 7 активных сопел 5.

Струйный аппарат работает следующим образом. Воздух через штуцер 9 подается в распределительную камеру 6 и поступает в активные сопла 5, где разгоняется до звуковой скорости. Одновременно суспензия через штуцер 1 поступает к смесительным соплам 3, где происходит смешивание с потоком воздуха. Гидроабразивные струи 10, выходящие из смесительных сопел, имеют угол распыла β и пересекаются в плоскости Х-Х, за которой образуется сплошной гидроабразивный поток. В результате наложения и взаимодействия отдельных гидроабразивных струй происходит выравнивание полей скоростей внутри сплошного потока. На некотором расстоянии L от смесительных сопел, которое зависит от угла распыла струи, выходного диаметра смесительных сопел и расстояния между их осями, скорости внутри потока выравниваются настолько, что обеспечивается равномерный съем материала с обрабатываемой поверхности.

Для обработки поверхностей различных размеров без изменения положения струйного аппарата активные сопла имеют запорные устройства 7. Перекрывая доступ воздуха к части активных сопел, можно регулировать размеры зоны обработки, что расширяет технологические возможности струйного аппарата.

2.1 Применение струйно-абразивной обработки поверхностей

Практика показала, что многие ручные слесарно-зачистные, слесарно-полировальные операции могут быть успешно заменены высокоэффективной механизированной или автоматизированной струйной гидроабразивной обработкой. Этот метод обработки обладает высокими технологическими возможностями. Он может использоваться для различных видов обработки, например, для скругления острых кромок; полировки и шлифовки сложных поверхностей; удаление заусенцев и зачистки сварных швов; снятия со всей поверхности или локально дефектного слоя; подготовки поверхности под покрытие; снятия небольшого припуска; повышения качества поверхности; удаления оксидных пленок, нагара, различных повреждений с поверхностей изделий.

Особенностью струйно-абразивной обработки является активное использование воды, которая выполняет функции транспортирования абразивных частиц, демпфирования ударов частиц о поверхность изделия смазки и промывки. Применение воды позволяет избежать образования пыли при использовании очень мелких абразивных порошков. Для операции обезжиривания не требуется использование растворителей и других опасных веществ.

Технология струйно-абразивной обработки обеспечивает высокоэффективную очистку отливок из цветных сплавов, полученных литьем под давлением; удаление загрязнений с поверхностей.

Струйно-абразивный процесс достигает весомых преимуществ при обработке прессованных профилей, турбинных лопаток, сварных швов, матриц экструдерных прессов и многих других сложных деталей, для которых традиционная технология пескоструйной обработки не эффективна или не экологична.

Струйно-абразивная обработка обеспечивает матовую поверхность, идеальную для последующей полировки; облегчает последующее проведение дефектоскопии поверхности; устраняет повреждения краев изделия и эрозию основного слоя, минимизирует износ форм и увеличивает их долговечность.

Струйно-абразивная обработка также обеспечивает и другие значительные преимущества. Регулируя соотношение абразивных компонентов в суспензии можно выбирать различные режимы обработки от тонкого безразмерного хонингования до грубого шлифования и обдирки.

3. Гидроабразивная резка

3.1 Технологические основы гидроабразивной резки

По данным Международной ассоциации инженеров-технологов в мировой практике на мелкосерийное производство, единичное и среднесерийное производство приходиться 70-80 % общего объема выпуска изделий в машиностроении.

Сложность продукции машиностроительного производства за последние три десятилетия в среднем выросли в шесть раз. Из общего числа типоразмеров деталей производства наибольшая доля (более 2/3 общей номенклатуры изделий) приходится на плоские детали сложной конфигурации. Плоские детали сложного контура имеют значительное распространение (более 50 % номенклатуры), а их обработка составляет 20-30 % от общей стоимости механообработки. При месячной программе, измеряемой десятками и сотнями штук сложноконтурных плоских деталей, использование традиционных методов обработки становится экологически нецелесообразно. Выход из создавшегося положения заключается в использовании деталей из толстолистового проката, а для его обработки – резку гидроабразивной струей.

Процесс гидроабразивной резки иллюстрирует рисунок 4. От насоса сверхвысокого давления вода поступает в подводящий водовод 1 и фокусируется в отверстии сопла 2. Одновременно через подвод 3 в смесительную трубку 4 поступает абразивный порошок. Происходит смешивание струи воды, порошка и воздуха. Гидроабразивная струя направляется на поверхность обрабатываемого материала. В зоне резания образуется щель или сквозной паз. На выходе из паза разрушающая сила струи гасится водой, содержащейся в ванне 8.

Рисунок 4 — Схемы режущей головки (б) и траектории движения частиц в смесительной трубке (а): 1 — подводящий водовод; 2 — сопло; 3 — подвод абразива; 4 -смесительная трубка; 5 — кожух; 6 — режущая струя; 7 — разрезаемый материал; 8 — гасящий слой воды; 9 — смесительная камера

В сопло 2 вода поступает под давлением 300…600 МПа и фокусируется отверстием сопла до размера Ø 0,01…0,025 мм. Скорость истечения струи воды на выходе из сопла превышает в 3…4 раза скорость звука. Такая струя воды становится режущим инструментом. С добавлением частиц она способна разрезать практически все материалы. Сфокусированная водяная струя с абразивом постепенно и с постоянной скоростью вводится в заготовку и прорезает в ней узкую щель. Скорость струи по толщине реза вследствие трения о поверхность

реза замедляется – на входе в заготовку скорость максимальная, на выходе минимальна. Съем материала по толщине также разный. В результате образуется изогнутая фронтальная поверхность реза. Угол между неискаженной водяной струей и поверхностью резания постепенно увеличивается (рис. 5 а)

Рисунок 5 — Форма струи в направлении движения головки (а) и формы паза на входе (б) и на выходе (в) реза

Форма стенок реза по толщине также неодинакова: на входе стенки реза расположены вертикально; на выходе наклонно (рис. 5 б, в).

Частицы абразива в процессе перемещений взаимодействуют (соударяются) с поверхностью смесительной трубки и вызывают увеличение диаметра вследствие интенсивного износа. В результате на выходе трубки уменьшается давление струи и ее скорость.

Обычно сопла изготавливают из сапфира, рубина или твердого сплава. Срок службы сапфировых и рубиновых сопел составляет 60…100 ч, твердосплавных сопел 80…150 ч. Смесительные трубки изготавливают из сверхпрочных материалов, и их срок службы составляет 100…200 часов.

Основными технологическими параметрами процесса гидроабразивной резки являются скорость перемещения режущей головки, скорость и давление гидроабразивной струи, толщина обрабатываемого материала; концентрация и размеры абразивных частиц; свойства разрезаемого материала. При завышенной скорости перемещения режущей головки происходит отклонение от прямолинейности водно-абразивной струи; заметно проявляется ослабевание струи и, как следствие, возникновение конусности реза.

При выборе параметров режима резания задаются следующие исходные данные:

материал обрабатываемого изделия;
толщина реза;
состав и количество (расход) абразивного материала;
диаметры водяного и рабочего сопел;
давление воды на входе в рабочую головку;
требуемые показатели качества поверхностного слоя.

Назначаемой величиной является подача головки, которую часто называют скоростью резания. В таблице 5.1 приведены рекомендуемые скорости резания некоторых материалов.

Таблица 5.1 – Рекомендуемые значения параметров режима резания различных материалов

Условия обработки	Максимальная скорость резки, м/мин
	Давление 414 Мпа					Давление 276 МПа
Соотношение диаметров водяного и выходного сопел, мм	0,254/0,762	0,355/1,016		0,457/1,50		0,254/0,762		0,33/,016
Расход воды (л/мин)	2,27	4,36		7,27		1,91		3,23
Расход абразива, кг/мин	0,4	0,63		1,13		0,27		0,45
Мощность, кВт	25	50		80		11		25
Толщина, мм	*Алюминий*
6,25	1,36	1,93		2,56		0,68		1,01
12,5	0,64	0,91		1,21		0,32		0,48
25	0,29	0,41		0,54		0,14		0,21
*Графит*
6,25	3,69		5,24		6,95		1,86		2,73
*Термореактивный пластик*
12,5	1,75		2,48		3,29		0,83		1,29
25	0,78		1,10		1,46		0,39		0,57
*Никелевый сплав*
6,25	0,46		0,65		0,86		0,23		0,34
12,5	0,22		0,31		0,41		0,11		0,16
25	0,01		0,14		0,18		0,05		0,07
*Стекло*
6,25	2,61		3,70		4,91		1,32		1,93
12,5	1,24		1,76		2,33		0,62		0,91
25	0,55		0,78		1,03		0,28		0,41
*Сталь среднеуглеродистая*
6,25	0,54		0,77		1,02		0,27		0,40
12,5	0,26		0,36		0,48		0,13		0,19
25	0,11		0,16		0,21		0,06		0,08
*Сталь нержавеющая*
6,25	0,50		0,71		0,95		0,25		0,37
12,5	0,24		0,34		0,45		0,12		0,18
25	0,10		0,14		0,20		0,05		0,08
*Титановый сплав (6Al4V)*
6,25	0,66		0,93		1,23		0,33		0,49
12,5	0,31		0,44		0,58		0,16		0,23
25	0,14		0,20		0,26		0,07		0,10

По мере увеличения давления в струе с одной стороны происходит увеличение глубины резания, с другой стороны ускоряется износ элементов режущей головки.

Для каждого вида и толщины обрабатываемого материала подбираются оптимальные значения давления и концентрации абразива и размера частиц.

Максимальное рабочее давление обычно составляет 300…320, 380, 415 или 600 МПа.

Оптимальная концентрация абразива зависит от вида материала, а также степени износа сопла.

При малой концентрации абразива эффективность гидроабразивной резки будет невысокой, а повышенная концентрация вызывает скопление абразива, которое вызывает затруднение его удаления из зоны резания. При этом понижается эффективность обработки.

Размер абразивных частиц составляет 10-30 % диаметра режущей струи для обеспечения ее эффективного воздействия и стабильного истечения. Обычно размер частиц составляет 150..250 мкм, и в ряде случаев 75..100 мкм, если допустимо получение поверхности реза с низкой шероховатостью.

3.2 Технологическое оборудование для гидроабразивной резки

Технологическое оборудование выполнено по модульному принципу. Модули соединяются между собой гибкими связями. Это позволяет легко осуществлять монтаж и демонтаж отдельных модулей на подвижные платформы, в том числе и на автомобильные, осуществлять транспортировку к объектам обработки. Мобильность установок способствует увеличению их загрузки.

Модулями являются: координатный стол 1; режущая головка 2; система подачи абразива 3; бак-отстойник 4; станция высокого давления 5; высоконапорная разводка 6; система водоподготовки 7; воздушный компрессор 8; система управления 9 (рис. 6). Дополнительно в состав установки могут входить устройства для предотвращения столкновений режущей головки с заготовкой, механическая система предварительного просверливания, ловушка струи воды, гасящая ее энергию и служащая для сбора отработанного абразива. Таким образом, установки обладают разной степенью универсальности и автоматизации. Они могут быть выполнены в виде роботизированных комплексов.

Рисунок 6 — Схема установки гидроабразивной резки: 1- координатный стол; 2 — режущая головка; 3 — система подачи абразива; 4 — бак-отстойник; 5 — станция высокого давления; 6 — высоконапорная установка; 7 — система водоподготовки; 8 — воздушный компрессор; 9 — система управления

Координатный стол предназначен для размещения обрабатываемого изделия и позиционирования режущей головки. Стол включает портал 1 (рис. 7), перемещающийся по осям Х, Y, Z. Вдоль портала по оси Y движется поперечная тележка 3, обеспечивающая подъем и опускание по оси Z вертикальной каретки 4. Режущая головка 5 имеет возможность вращения вокруг двух взаимно перпендикулярных осей.

Перемещение по каждой из осей осуществляется отдельным приводом. Положение головки определяется преобразователями координат или магнитной линейной системой.

Перемещение по осям ограничивается с помощью концевых датчиков. Опорные датчики гарантируют повторяемость перемещений на требуемую позицию даже при сбоях в системе электропитания.

Программное управление обеспечивает динамический наклон головки, что позволяет избежать конусности обрабатываемых поверхностей.

Под рабочей поверхностью стола находится уловитель остаточной энергии (ловушка струи). Как дополнительный вариант возможна установка оборудования для автоматической регулировки уровня воды, барботирования и откачки пульпы (шлама и использованных абразивных материалов) во внешний отстойный резервуар.

Рисунок 7 — Схема стола портального типа (а) и направления вращения режущей головки: 1 — продольные направляющие; 2 — портал; 3, 4 — соответственно поперечная и высотная каретки; 5 — режущая головка

Режущая головка осуществляет окончательное формирование высоконапорной тонкой струи как режущего инструмента со своими геометрическими и энергетическими параметрами. Конструктивные особенности струйной головки: взаиморасположение деталей, характер их соединения, контакт формируемой струи определяют качество и надежность головки. Существует множество конструкций струйных головок. Наиболее совершенными из них считаются конструкции со свободным вводом абразива в рабочую зону с минимальным нарушением их гидродинамических характеристик (рис. 8).

Основными геометрическими параметрами проточной части гидроабразивной головки являются: dₒ — выходной диаметр струеформирующего сопла; dв — диаметр отверстия водовода; d — диаметр отверстия коллиматора; D — диаметр камеры смешивания; L1 — длина камеры смешения; — длина коллиматора.

Рисунок 8 — Схема конструкции гидроабразивной головки: 1- струеформирующее устройство; 2 — успокоитель; 3 — подводящий водовод; 4 — сопло; 5 — камера смешивания; 6 — переходник; 7 — коллиматор; 8 — корпус коллиматора; 9 — корпус головки

Существующие теоретические модели формирования абразивной струи базируются на представлении, что формирование гидроабразивной струи происходит только в коллиматоре головки. При этом с помощью уравнений гидродинамики описывается разгон смеси воздуха и абразивных частиц, как течение двух параллельных осесимметричных потоков воздушной струи и смеси воздуха с абразивными частицами. В соответствии с математической моделью формирования гидроабразивной струи параметры режущей головки подразделяются на три группы.

К первой группе относятся динамические и структурные характеристики струи высокого давления, влияющие на эффективность формирования гидроабразивной струи: диаметр сопла d0 и давление воды перед насадкой.

Вторая группа включает геометрические параметры проточной части гидроабразивного инструмента: диаметр D и длина L камеры смешивания и геометрические параметры коллиматора: диаметр d и длина L2 .

К третьей группе относятся параметры системы дозирования подачи абразива в камеру смешивания в условиях гравитационной подачи абразива в камеру смешивания или путем самовсасывания за счет разряжения.

Повышением эффективности существующих режущих головок является их модернизация путем охлаждения режущей струи распылением жидкого азота в камере смешивания (криогенная резка). В результате происходит охлаждение высоконапорной струи жидкости с испаряющимся азотом, образование в ней частиц льда, выполняющих роль абразивных зерен, и возникновение на поверхности сопла ледяной корки, защищающей сопло от интенсивного износа. Гидроабразивная головка с охлаждением представлена на рисунке 9.

Головка функционирует следующим образом.

По трубопроводу 4 через форсунку расположенную в патрубке 3, внутрь камеры 5 подается вода и распыляется жидкий азот. Происходит интенсивное охлаждение корпуса режущей головки 1 и циркулирующей воды. Эффективность охлаждения повышается за счет оребрения 14.

Одновременно по трубопроводу 7 через форсунку, расположенную в патрубке 6, внутрь камеры смешивания 9 также поступает распыленный жидкий азот. В результате происходит непосредственное охлаждение высоконапорной струи жидкости испаряющимся азотом и образование в нем частиц льда, а также происходит кристаллизация водяной пыли, образующейся в камере 9. Выход газа из камер предварительного и окончательного охлаждения осуществляется через патрубки 11,13.

Криогенная резка позволяет разрезать сверхтолстые и прочные материалы, недоступные другим видам резки. Криогенная резка является конкурентам для других высокотехнологичных видов резки: лазерной, плазменной, гидроабразивной.

Достоинствами криогенной резки являются возможность резки всех видов материалов, высокая скорость реза, практически отсутствие ограничений на толщину разрезаемого материала, высокое качество реза толстого материала, относительная безопасность процесса.

Рисунок 12 — Гидроабразивная головка с охлаждением: 1– корпус режущей головки; 2, 8 — корпуса устройств соответственно предварительного и окончательного охлаждения; 3, 6 — входные патрубки; 4, 7 — входные трубопроводы; 5 — камера предварительного охлаждения; 9 — смесительная камера; 10 — струя высокого давления; 11, 13 — выходные патрубки; 12 — сопло; 14 — оребрение

Станция высокого давления включает насосы прямого действия или мультипликаторного. Насосы прямого действия основаны на создании давления жидкости кривошипно-шатунными механизмами, приводимыми в действие электрическими двигателям. Насосы прямого действия могут надежно и стабильно работать на уровне давления до 400 МПа. Практика использования установок для гидроабразивной резки показала, что процесс резки устойчиво и стабильно осуществляется в диапазоне давления 270…340 МПа. Кроме того, насосы прямого действия обладают высоким КПД — до 95 %.

Насосы мультипликаторного действия способны создавать давление 400…600 МПа.

Давление в таких насосах поднимается ступенчато. На первой ступени первичное давление создается гидравлическим насосом. При этом используется гидравлическая жидкость, которая последовательно

поступает в левый и правый цилиндры мультипликатора. Площади цилиндров мультипликатора могут быть в 20 раз больше площади плунжеров мультипликатора. В результате давления воды, выталкиваемой плунжерами из каждого цилиндра в 20 раз выше первичного давления в гидравлическом насосе. Вода высокого давления последовательно из каждого цилиндра поступает в аттенюатор (аккумулятор), который сглаживает пульсации давления и обеспечивает ее непрерывный поток в режущую головку.

Разводка высокого давления используется для подачи воды от насоса высокого давления к режущей головке системой неподвижных и подвижных труб. Для обеспечения плотности соединений при движении портала и рабочей головки используются специальные шарниры, высокого давления или спиральные специальные конструкции.

Достоинства и недостатки гидроабразивной резки

Область применения гидроабразивной резки весьма обширна: высококачественные стали, цветные металлы, стекло, натуральный камень, керамика, материалы для авиационной и космической промышленности, пластмассы, комбинированные материалы и т. д. Гидроабразивной резкой можно разделять практически все материалы. При этом не возникает механических деформаций, поскольку воздействия струи составляет 1…100 Н, а температура в зоне реза не превышает 60…90 °С. Поэтому в материале отсутствуют термические напряжения. Исключается оплавление или пригорание кромок. Возможно обработка термочувствительных материалов. Обеспечивается экологическая чистота процесса, полное отсутствие вредных газовых выделений.

Гидроабразивная струя способна разрезать материалы, толщиной до 300 мм по сложному контору с высокой точностью. Возможна резка со скосом кромок. При резке возможны минимальные зазоры между деталями, что позволяет минимизировать расход обрабатываемого материала. Режущая головка обеспечивает перемещение абразивной струи в любом направлении. Поэтому возможно получение двухмерных плоских и трехмерных объемных изделий.

Источник