Струйная гидроабразивная обработка поверхностей (стр. 2 из 9)

Тонкости процессов деформации и разрушения материала, протекающих при многократных ударах частиц по обрабатываемой поверхности, все еще. до конца не изучены. На основании отдельных исследований осколков, образовавшихся в результате эрозии пластичных материалов, было сделано предположение, что путем непосредственного срезания материала при ударе о него абразивной частицы перемещается лишь небольшое количество материала. Обширная пластическая деформация вызывается воздействиями пропахивающего типа (образование вала), при этом смещенный материал создаст топографию поверхности, с которой металл может быть удален последующими ударами частиц .

Наблюдается резкое количественное и качественное различие между процессами эрозии в присутствии жидкости и без нес. При удалении материала абразивной струей происходят следующие процессы: разрушение обрабатываемой поверхности в результате высоких контактных напряжений; срезание микростружки с поверхности; образование клиновидных трещин в поверхностном слое обрабатываемой поверхности; гидроудар; контактная усталость; выплавление материала вследствие высокой локальной температуры и т. д. Относительная роль каждого из этих явлений определяется физико-механическими свойствами материала обрабатываемой детали и абразивных частиц, скоростью и углом атаки абразивной струи.

Следует отметить, что до настоящего времени теории струйной гидроабразивной обработки, охватывающей все стороны процесса, еще не существует. Эта теория должна базироваться на основе аэрогидродинамики двухфазных и трехфазных сред, которая еще недостаточно изучена, а также на исследованиях многократных ударов остроконечной абразивной частицы о пластичный материал, к которому принадлежит большая часть металлов и сплавов, применяемых в авиадвигателестроении.

С точки зрения абразивного воздействия струйная ГАО имеет много общего с процессами эрозии материалов абразивными частицами.

Впервые рассмотрение процессов эрозии пластичных материалов было выполнено Финни, использовавшим в качестве модели механизм микромеханической обработки. Он показал, что объем металла, удаляемого массой абразивных частиц, которую несет поток воздуха, расширяющийся в сопле данной формы, равен

где m, v₀- масса абразивной частицы и ее скорость при ударе о поверхность м/с; к отношение вертикальной составляющей силы воздействия частицы на обрабатываемую поверхность к горизонтальной составляющей; d- глубина среза мм; σ₁— предел пластичности обрабатываемого материала МПа; f(а) — функция, характеризующая влияние угла падения частицы на величину съема металла.

При малых углах соударения частиц с поверхностью теория хорошо согласуется с экспериментальными данными; при этом отсутствует износ материала при углах соударения, близких к 90º.

Согласно другой модели процесса эрозии пластичных материалом, полученной на основе теории внедрения и уравнения энергетического баланса, предложенной Шелдоном и Канером

где к - коэффициент; d, ρ-диаметр(мм) и плотность частицы(кг/м³); v₀ -скорость удара частицы м/c; Н— твердость материала но Виккерсу.

Результаты расчетов, выполненные по этой формуле, отличаются от результатов, полученных но формуле Финни.

При струйной гидроабразивной обработке наличие жидкой фазы значительно изменяет характер протекания процесса взаимодействии абразивных частиц с поверхностью. Струйную ГАО можно рассматривать как эрозионно-коррозионный процесс, причем разрушающее действие жидкости объясняется проявлением эффекта Ребиндера . Отсутствие информации об основных параметрах ударного воздействия гидроабразивной струи на обрабатываемую поверхность, большинство из которых взаимосвязаны и их трудно контролировать и измерить, препятствует созданию математической модели струйной ГAО. С. П. Козыревым сделана попытка теоретически описать процесс удаления металла под действием гидроабразивной струи. Рассматривая работу абразивной частицы при ее динамическом вдавливании в поверхность под прямым углом и силы гидродинамического сопротивления, он получил формулу для определения весового съема металла

где к — постоянный коэффициент; а — коэффициент, учитывающий межзерновое пространство;γ₁ γ₂ — удельный вес абразивного материала и металла соответственно; V-объем струи воды, по которому ударяет образец;

— содержание абразивных частиц в воде в процентах к объему; N— число ударов частиц по образцу; v₁, k₁ -скорость абразивной частицы и коэффициент восстановления ее скорости; H_M -динамическая твердость металла но Моосу.

Результаты расчетов, выполненных по этой формуле, достаточно хорошо совпадают с экспериментальными данными. Однако эта формула не учитывает влияния па массовый съем металла таких параметров, как размеры абразивных частиц, углы атаки частиц, давление воздуха, длина струи и другие.

А.Е. Проволоцкий предположил, что характер разрушения поверхности гидроабразивной струей напоминает схему резания внедряющимся клином, а процесс удаления может быть описан согласно следующим дифференциальным уравнением:

Откуда

где х — текущий линейный съем металла за время t мм; Q — общий линейный припуск мм; к — коэффициент разрушения металла; β— коэффициент убывания абразивной способности определенного объема суспензии.

Последнее уравнение, хотя и согласуется с экспериментальными данными, также не учитывает большинства параметров струйной гидроабразивной обработки.

Рассмотренный выше механизм удаления пластичного материала под воздействием потока абразивных частиц позволяет качественно оценить процесс струйной гидроабразивной обработки деталей и теоретически исследовать его.

3. ОБЛАСТЬ ПРИМЕНЕНИЯ МЕТОДА СТРУЙНОЙ ГИДРОАБРАЗИВНОЙ ОБРАБОТКИ

При производстве современных авиационных ГТД наиболее сложными в изготовлении, дорогостоящими и трудоемкими являются лопатки компрессора и турбины. Объясняется это тем, что они изготавливаются из труднообрабатываемых материалов, имеют сложную конструктивную форму, малую жесткость, повышенные требования к точности изготовления, шероховатости и физико-химическому состоянию поверхностного слоя. Лопатки, как правило, определяют ресурс и надежность работы двигателя. В технологических процессах изготовления и ремонта лопаток ГТД для обеспечения заданных показателей состояния поверхностного слоя профиля пера применяют отделочные операции, которые обычно сводятся к слесарно-полировальным операциям. Сложный профиль пера лопаток затрудняет применение традиционных высокопроизводительных методов обработки, и большинство операций но доводке профиля выполняется вручную, что приводит к большой трудоемкости обработки и не обеспечивает стабильности получения заданных параметров поверхностного слоя.

Проблема снижения трудоемкости и повышения качества изготовления и ремонта лопаток ГТД является весьма актуальной и может быть решена путем применения высокопроизводительных методов обработки, основанных на воздействии на поверхность свободных абразивных частиц. Одним из таких методов является струйная гидроабразивная обработка. Повышенный интерес к струйной ГАО объясняется широкими технологическими возможностями этого метода при обработке поверхностей сложного контура, а также его достоинствами, среди которых можно выделить: возможность обработки любого материала независимо от его физико-химических свойств; простоту регулирования степени воздействия на обрабатываемую поверхность; стабильность процесса обработки; высокое качество поверхностного слоя после обработки (отсутствие прижогов, подповерхностных трещин и т. п.); возможность механизации и автоматизации; относительно малую стоимость оборудования и т. д. Анализ технологических процессов изготовления и ремонта лопаток ГТД показывает, что применение струйной гидроабразивной обработки позволяет решить многие проблемы, связанные с обработкой профиля пера и трактовых поверхностей.

Ремонт лопаток газотурбинных двигателей является сложным и трудоемким процессом, представляющим собой последовательность технологических операций, направленных на восстановление утраченных в процессе эксплуатации первоначальных прочностных свойств лопаток. Ремонту могут подвергаться и лопатки, не работавшие на двигателе, если в процессе их изготовления обнаружены устранимые дефекты. Допустимые нормы износа (дефектов) лопаток, подлежащих ремонту, устанавливаются конструкторской документацией на ремонт.