ФОРСУНКА ДЛЯ АЭРОГИДРОДИНАМИЧЕСКОЙ (АГД) ОБРАБОТКИ

Изобретение относится к механической обработке материалов, а именно к струйной гидроабразивной обработке и, в частности, к ее разновидности - струйной аэрогидродинамической обработке, и может быть использовано для более качественной и интенсивной очистки поверхностей от различных естественных и искусственных загрязнений.
Известны конструкции форсунок в основе которых используется сопло Лаваля, обеспечивающее получение на выходе форсунки потока, движущегося со сверхзвуковой скоростью. Этот принцип используется в подавляющем большинстве применяемых форсунок. [1]. Сопло Лаваля состоит из трех участков: участок сужения, где поток газов имеет дозвуковую скорость, критическое сечение, где скорость газового потока равна скорости звука и участок расширения, где скорость потока превосходит скорость звука. Таким образом, проходящий через сопло Лаваля поток ускоряется до сверхзвуковых скоростей, обеспечивая при этом существенное увеличение его кинетической энергии, что в значительной мере определяет эффективность использования потока. Однако, использование при аэрогидродинамической обработке этих форсунок обеспечивает постоянный угол соударения вытекающего из форсунки потока с обрабатываемой поверхностью (который определяется углом расположения оси форсунки к обрабатываемой поверхности) снижая при этом эффективность обработки. В результате - для очистки поверхности, имеющей неровности, необходимо поворачивать форсунку под разными углами. Это снижает производительность обработки поверхностей и в значительной мере затрудняет автоматизацию процесса.
Повышение качества очистки может быть достигнуто за счет использования двух форсунок, расположенных под углом 45-135 градусов друг к другу, и гидроабразивную обработку осуществляют одновременно с двух сторон пульсирующими гидроабразивными струями, при этом пульсацию гидроабразивной струи из каждой форсунки осуществляют попеременно [2]. Однако этот вариант обработки также имеет недостаточную производительность из-за попеременного действия двух форсунок. Кроме того, неровности поверхности хорошо очищаются лишь с двух сторон, на которые направлены сопла, тогда как для лучшей очистки всей поверхности неровности необходимо дополнительно поворачивать систему форсунок, направляя поток суспензии на неровности с различных сторон. Это также приводит к снижению производительности процесса очистки.
Наиболее близким к предлагаемому является использование в конструкции форсунки сопла с изменяемым вектором тяги [3]. В этом случае появляется возможность менять угол выхода потока из форсунки. Рабочий поток, проходя через сопло Лаваля, ускоряется в нем и затем на выходе из сопла происходит изменение направления выходящего потока в одном направлении. Однако применение в конструкции форсунок для аэрогидродинамической обработки принципа изменения вектора тяги, наряду с появлением возможности автоматизации процесса обработки, одновременно снижает производительность, так как, чтобы обработать неровность, угол выхода потока из форсунки должен повернуться относительно ее оси на 360 градусов (иначе различные части неровностей будут обрабатываться с различной интенсивностью, что приведет к нестабильному качеству обработанной поверхности). Кроме того, использование принципа изменения вектора тяги требует создания сложной и надежной системы управления поворотом выходящей из сопла струи. Эта конструкция также не позволяет получить на выходе закрученный поток, как это предусматривает патент РФ №2413602.
Указанные недостатки существующих конструкций форсунок для аэрогидродинамической обработки могут быть устранены за счет создания конструкции, обеспечивающей получение на выходе из форсунки не прямого потока, направленного вдоль оси форсунки или под углом к ней, а потока, закрученного по спирали к оси форсунки. Такая конструкция форсунки позволит реализовать перспективный способ обработки по патенту РФ №2413602. Так как на выходе струи создается закрученный поток, то при прямолинейном перемещении форсунки вдоль обрабатываемой поверхности последняя подвергается воздействию рабочего потока с разных сторон, обеспечивая высококачественную обработку без дополнительного перемещения форсунки.
Кроме того, в этом случае воздушный поток, вследствие большей длины пути по спирали, приобретает большую скорость, что увеличивает эффективность процесса. Одновременно, спиральная направленность рабочего потока (суспензии) обеспечивает не неуправляемое выбивание из обрабатываемой поверхности частиц (как это имеет место при прямых ударах суспензией), а их скрайбирование (микрорезание), вследствие чего появляется возможность удаления только загрязненных поверхностных слоев практически без повреждения материала основы. Изменяя угол закручивания рабочего потока, можно управлять качеством и производительностью обработки.
С целью проверки возможности повышения производительности и качества аэрогидродинамической обработки за счет создания спиральных потоков суспензии были изготовлены форсунки, внутренняя поверхность которых имела на участке расширения спиральные канавки, обеспечивающие закручивание потока суспензии под разными углами по отношению к оси. Угол расположения канавок составлял 3, 5, 10, 20, 30 и 40 градусов к оси форсунки. Обрабатывались плитки из керамогранита, закрашенные акриловой краской. В процессе обработки форсунка располагалась под прямым углом к обрабатываемой поверхности. Для оценки эффективности предлагаемого способа измерялось время обработки одной плитки керамогранита и с помощью профилографа производства завода “Калибр” измерялась шероховатость обработанной поверхности.
Воздушный поток от компрессора производительностью 3,5 куб. метра в минуту при давлении 2,8 атмосферы смешивался с суспензией и смесь поступала в форсунку, имеющую на участке расширения спиральные канавки, расположенные под указанными выше углами. Для сравнения применялась также обычно используемая при гидроабразивной обработке форсунка, не имеющая канавок и не создающая закручивания суспензии (в таблице 1 угол закручивания потока суспензии - 0 градусов). Результаты проведенных испытаний представлены в таблице 1. Как видно из материалов таблицы, закручивание потока суспензии под углом к оси от 5 до 30 градусов сокращает время, необходимое для снятия дефектного слоя и одновременно уменьшает шероховатость обработанной поверхности. При угле канавок к оси форсунки 3 градуса практически не наблюдалось изменения как производительности обработки, так и шероховатости обработанной поверхности. При закручивании струи под углом 40 градусов наблюдалось возрастание давления в подающей воздух системе до 3,4 атмосфер, что приводило к возрастанию шероховатости обработанной поверхности.
Таблица
Угол закручивания потока суспензии, град.
Время обработки одной плитки керамогранита, мин.
Шероховатость обработанной поверхности, Ra, мкм
0
2,7
3,1
3
2,5
2,9
5
1,8
2,2
10
1,6
2,1
20
1,5
1,9
30
1,3
1,9
40
1,8
2,7
Таким образом, испытания показали существенное повышение эффективности гидроабразивной обработки при спиральном закручивании подаваемой в зону обработки струи в пределах 5…30 градусов.
Наряду со спиральными канавками, форсунка может иметь специальные спиральные направляющие, обеспечивающие создание закрученного потока аэрозоли на выходе.
Дополнительный эффект может быть достигнут за счет оснащения форсунки на выходе специальной конической или горообразной насадкой со спиральными канавками на внутренней конической поверхности, которая обеспечивает создание сходящегося или расходящегося в осевом направлении спирального потока суспензии, то есть регулируя угол расположения спирали в осевом направлении появляется возможность управления процессом обработки (осуществлять более интенсивное удаление загрязнений-при сходящемся потоке или производить более щадящую обработку-при расходящемся потоке).
Проверка возможности управления эффективностью обработки за счет создания сходящегося или расходящегося в осевом направлении спирального потока аэрозоли опробована при помещении на сопло с углом закручивания суспензии 30 градусов специальных насадок, длиной 10 мм, внутренняя поверхность которых имела коническую форму: одна-сужающая с углом конуса 60 (для создания сходящегося потока), другая-расширяющая с углом конуса 120 (для создания расходящегося потока) градусов. На внутренней конической поверхности насадок также имелись спиральные канавки, расположенные под углом 30 градусов к оси, причем угол спирали совпадал с углом спирали на форсунке. Очищаемая плитка располагалась на расстоянии 75 мм от торца насадки. Результаты испытаний представлены в таблице 2.
Таблица 2
Угол конуса насадки, град.
Время обработки одной плитки керамогранита, мин.
Шероховатость обработанной поверхности, Ra, мкм
60
1,1
2,7
120
1,8
1,6
без насадки
1,3
1,9
Как видно из данных таблицы 2, результаты испытаний подтвердили возможность управления производительностью и качеством обработанной поверхности за счет изменяя угол схождения или расхождения рабочего потока.
Источники информации
1. М.В.Радченко, Д.А.Нагорный «Расчет сопла Лаваля при разработке аппаратуры для сверхзвуковой наплавки» Ползуновский вестник №3, 2008 г.
2. Способ гидроабразивной обработки. Патент РФ №2323078
3. Сопло с отклоняемым вектором тяги. Патент РФ №2168047