Струйная гидроабразивная обработка поверхностей (стр. 1 из 9)
ОГЛАВЛЕНИЕ
Перечень условных обозначений
1. Сущность процесса струйной гидроабразивной обработки
2. Механизм процесса струйной гидроабразивной обработки
3. Область применения метода струйной гидроабразивной обработки
4. Срок службы суспензии и регенерация абразивного материала
5. Производительность процесса струйной гидроабразивной обработки6. Качество поверхностного слоя после струйной гидроабразивной обработки
7. Схемы и конструкции струйных аппаратов
7.1 классификация и требования к струйным аппаратам
7.2 конструкции струйных аппаратов
7.2.1 струйные аппараты, формирующие струи круглого сечения
7.2.2 струйные аппараты, формирующие плоские струи
8. Закон Бернулли
9. Выводы.
Список литературы
ПЕРЕЧЕНЬ УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ
ГАО- гидроабразивная обработка
ГТД- газотурбинный двигатель
1. СУЩНОСТЬ ПРОЦЕССА СТРУЙНОЙ ГИДРОАБРАЗИВНОЙ ОБРАБОТКИ
Обработка поверхностей заготовок точением, фрезерованием, протягиванием и шлифованием характеризуется тем, что режущие элементы металлического или абразивного инструмента в течение всего пронесен удаления металла соприкасаются с обрабатываемыми поверхностями. При этом образуется замкнутая технологическая система, включающая станок, приспособление, инструмент и заготовку, Обработка сопровождается нагревом и вибрацией всех составляющих этой системы и деформацией металла в зоне действия режущей кромки. Обработка лезвийным инструментом требует значительных затрат энергии для удаления припуска металла с обрабатываемой заготовки.
В авиадвигателестроении необходимость обработки сложных фасонных поверхностей привела к созданию новых методов обработки, характеризующихся отсутствием непосредственного механического контакта инструмента с заготовкой. В этих методах в роли инструмента выступает либо электрическое иоле (электрохимическая размерная обработка, электрополирование), либо направлений ударный поток различных материалов (пескоструйная, дробеструйная обработки, обработка шариками и т. д.) на заготовку.
Процессы, использующие эффект удара абразивных частиц об обрабатываемую поверхность заготовки, осуществляются следующими способами:
1) удар производится собственно абразивной частицей (пескоструйная обработка);
2) удар производится абразивно-жидкостной струей (струйная гидроабразивная обработка);
3) воздействие на обрабатываемую поверхность взвешенных абразивных частиц, распыляемых сжатым воздухом (турбоабразивная обработка) или магнитным полем (магнитоабразивная обработка).
Пескоструйная обработка поверхностей заготовок применяется давно и осуществляется либо с использованием пескоструйного аппарата с пневматическим приводом и специальными соплами, либо с помощью пескомета, бросающего песок вращающимися лопатками. Для пескоструйной обработки используется неочищенный песок любого состава и в редких случаях чистый кварцевый песок определенной зернистости. Значительная запыленность, сопровождающая работу пескоструйных аппаратов, ограничила применение данного метода и производстве авиационных двигателей.
Процесс струйной гидроабразивной обработки (ГАО) заключается в направлении струи суспензии, состоящей из воды и частиц абразивных материалов, на обрабатываемую поверхность заготовки. Эта струя подвергается воздействию потока сжатого воздуха, который увеличивает скорость истечения суспензии из сопла. В результате такой обработки образуются чистые матовые поверхности, без направленных рисок, характерных для лезвийной обработки материалом. Действие режущих кромок абразивных частиц на обрабатываемую поверхность непродолжительно и имеет ударный характер.
При высокой скорости струи суспензии этот способ имеет только то общее с пескоструйной обработкой, что в обоих случаях работа по удалению металла производится за счет кинетической энергии абразивной частицы.
Химически активные вещества, добавленные в суспензию, облегчают воздействие абразивных частиц на обрабатываемую поверхность, процесс ускоряется и количество удаляемого металла увеличивается.
Компактность струи суспензии определяет площадь сечения струи при встрече с обрабатываемой поверхностью и при прочих равных условиях является главным фактором, обеспечивающим наибольшее удельное давление струи суспензии на заготовку. Движение струи сопровождается бомбардировкой обрабатываемой поверхности абразивными частицами. Количество ударов абразивных частиц колеблется в зависимости от условий обработки от 2·106 до 25·106 в секунду.
В отличие от процессов резания, после которых на обработанной поверхности остаются риски и микротрещины, струйная гидроабразивная обработка не создаст направленной шероховатости, обеспечивает упрочнение обрабатываемой поверхности, вследствие чего повышается усталостная прочность обработанных деталей.
Все процессы механической обработки металла сопровождаются развитием значительных усилий и выделением в зоне резания больших количеств тепла, вызывающих пластическую деформацию поверхностного слоя. При струйной гидроабразивной обработке температура обрабатываемых деталей не изменяется. Микронагрев вызываемый отделением стружки абразивной частицей, устраняется потоком суспензии, сопровождающим эту абразивную частицу.
Струйную гидроабразивную обработку целесообразно применять для обработки сложных поверхностей: помимо значительного снижения времени обработки этот способ позволяет осуществить механизацию процесса отделочных операций и улучшить условия труда.
2. МЕХАНИЗМ ПРОЦЕССА СТРУЙНОЙ ГИДРОАБРАЗИВНОЙ ОБРАБОТКИ
Струйная гидроабразивная обработка представляет собой процесс ударного воздействия на обрабатываемую поверхность высокоскоростной гидроабразивной струи. Характер взаимодействия абразивных частиц, находящихся в струе, с поверхностью определяет выходные параметры процесса производительность и качество обработки. В плане абразивного воздействия струйную гидроабразивную обработку можно рассматривать как процесс эрозии потоком абразивных частиц обрабатываемой поверхности. Для установления физической картины явлений, происходящих при изнашивании пластичного материала потоком абразивных частиц, необходимо первоначально рассмотреть износ, вызываемый ударом одиночной частицы.
Удар частицы о поверхность приводит к возникновению кратера. Исследование кратеров, образующихся при ударах частицы под разными углами атаки, показало, что вытесненный из кратера материал течет в направлении падения частицы с образованием вала до тех нор, пока он не растрескивается из-за значительных быстродействующих накопленных деформаций. При ударах под углом 90° вал располагается вокруг кратера равномерно, при меньших углах атаки вал образуется по бокам кратера и по направлению движения частицы. Характер деформаций и образование вала зависят от формы частицы, ее ориентации при контакте с поверхностью, скорости частицы, угла ее падения, а также от свойств материалов частицы и поверхности. Было обнаружено существование критической скорости частицы, выше которой материал обрабатываемой поверхности вытесняется в вал кратера, а также наличие вокруг кратера, образовавшегося при ударе, зоны высокой плотности дислокаций (обычно толщиной а несколько микрометров).
При ударе о поверхность угловатой частицы наблюдается процесс микрорезания материала. Микрорезание производится только вершинами абразивных частиц (зерен) и из-за скоротечности и направленности ударного воздействия оно носит очень специфический характер. Результаты такого воздействия зависят от так называемого угла скоса частицы и угла ее падения. При ударах угловатые частицы либо вытесняют больше материала в вал кратера, где он становится уязвимым для дальнейшей эрозии, либо отделяют материал от поверхности (в зависимости от угла скоса частицы при контакте). Удаление материала наблюдается в пределах углов скоса от 0 до 17°. Такие условия удара редки и возможны лишь в одном из шести случаев.
Изнашивание материала одиночной частицей характеризуется деформациями пропахивания и резания. Пропахивание наблюдается при больших отрицательных передних углах резания. При положительных передних углах имеет место процесс резания. При рассмотрении эрозии, вызванной одиночными частицами, необходимо учитывать возможность появления термически локализованной деформации (адиабатический сдвиг) как результата локального нагрева. Так, например, титан оказался чувствительным к локальным термическим эффектам, обусловленным выделением энергии частицы. В результате от пропаханного металла в районе кратера на поверхности образцов из титана откалываются чаще мелкие осколки, чем в случае стальных образцов.
Механизм эрозии пластичных материалов абразивными частицами малых размеров (rр<100 мкм) имеет специфические особенности. При ударе частиц наблюдаются высокие скорости относительной деформации е, причем е~rр^(-1) Поэтому, например, для частиц размером 5 мкм и при скоростях 100 м/с величина eдостигает значений порядка 107 с-1. Реакция материала при таких скоростях частиц мало известна. Таким образом, при ударе одиночной частицы о поверхность происходят следующие процессы: образование кратера, образование вала в направлении движения частицы, микрорезание под разными углами скоса, термическое разупрочнение материала, высокие скорости относительной деформации.
Удаление материала при воздействии на обрабатываемую поверхность потока абразивных частиц происходит в результате взаимодействия нескольких одновременно протекающих процессов, обусловленных отдельным или совместным влиянием компонентов потока этих частиц. При рассмотрении эрозии материала струей абразивных частиц необходимо учитывать: соударения частиц между собой внутри набегающего потока; дробление отдельных частиц; экранирование обрабатываемой поверхности отскакивающими от нее частицами; широкий диапазон углов падения частиц в определенный момент времени; влияние обрабатываемой поверхности на траекторию движения абразивных частиц; подповерхностное повреждение материала вследствие многократных ударов абразивными частицами; адсорбционный эффект понижения прочности обрабатываемого материала на границе раздела обрабатываемой поверхности и потока и т. д.