Исследование процесса формирования качества поверхности при обработке вагонов газодинамическим методом

МЕТАЛЛООБРАБОТКА

электрофизические и электрохимические методы обработки_и1_то

УДК 621.7.02

Исследование процесса формирования качества поверхности

при обработке вагонов газодинамическим методом

Д. Г. Евсеев, А. А. Кульков, А. Ю. Корытов

Эффективная и долговечная окраска вагонов при их производстве и ремонте требует подготовки окрашиваемых поверхностей, заключающейся в обеспечении их качества, придании нужной для окраски шероховатости и обезжиривании. В статье приведены обобщенные результаты исследований взаимодействия зерен свободного абразива и обрабатываемой поверхности при газодинамической обработке металлических поверхностей вагонов.

Ключевые слова: обработка свободным абразивом, шероховатость, качество поверхности, обезжиривание, пассажирский вагон.

Технологический процесс производства и ремонта вагонов включает обработку поверхности кузова перед окраской свободным абразивом для придания шероховатости и обеспечения качества поверхности, а также химическую обработку для обезжиривания поверхности и удаления с нее органических соединений. Такое совмещение приводит к выделению техногенных отходов в виде отработавших моечных жидкостей и обезжиривающих составов и в целом усложняет технологический процесс [2, 3].

Газодинамический метод позволяет избежать этих проблем. Он представляет собой обработку поверхности потоком разогретого газа, смешанного с ускоренными частицами свободного абразива. При этом поток абразива разрушает твердые загрязнения, придает поверхности шероховатость и требуемое качество, а термический поток обезжиривает ее, что позволяет исключить сложную и отходо-емкую операцию классического обезжиривания химическим путем и в целом оптимизировать технологический процесс.

Реализация газодинамического метода возможна благодаря использованию экспериментального газодинамического аппарата (ГДА). Его применение на вагоностроительных и вагоноремонтных предприятиях требует про-

работки и научного обоснования параметров воздействия потока свободного абразива на обрабатываемую поверхность.

На примере типовой конструкции газодинамического аппарата (рис. 1) можно рассмотреть основные принципы генерации газодинамического потока свободного абразива. Через штуцер 4 в камеру сгорания 1 впрыскивается топливо, а через штуцер 3 подается сжатый воздух. В камере сгорания создается горючая смесь, находящаяся под давлением и стремящаяся выйти через критическое сечение сопла 6. Перед этим смесь воспламеняется искрой 5 и образует факел термического потока 9, который ускоряется из-за сужения диаметра сопла перед критическим сечением 6. На выходе из критического сечения сопло снова расширяется, чтобы не создавать препятствий истечению ускоренного термического потока. После выхода из ускоряющего сопла в поток через эжектор 8 подается абразив. Таким образом, на выходе из аппарата создается горячий газодинамический поток свободного абразива [1].

Различают несколько параметров газодинамической обработки свободным абразивом.

Первый параметр — производительность обработки. Это фактическая масса удаляемого материала

МЕГА«БРДБрТКД

ЭЛЕКТРОФИЗИЧЕСКИЕ И ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ ОБРАБОТКИ

Абразив

10

Топливо

Рис. 1. Принципиальная схема установки для реализации газодинамического метода:

1 — камера сгорания; 2 — корпус камеры сгорания; 3 — штуцер подачи сжатого воздуха; 4 — штуцер подачи топлива; 5 — воспламенение; 6 — критическое сечение сопла; 7 — расширяющаяся часть ускоряющего сопла; 8 — эжектор подачи абразива; 9 — факел термического потока; 10 — факел газодинамического потока

9

2

1

8

3

4

в единицу времени. Производительность может быть выражена в прямой размерности [кг/с] или через привязку к площади обрабатываемой поверхности [м2/ч].

Второй параметр — качество поверхности, которое заключается в ее «сохранности» после воздействия свободного абразива. Оно может быть выражено толщиной деформированного абразивом слоя [мм].

Третий параметр — степень очистки. Степень очистки перед окраской регламентируется ГОСТ 9.402-80 и делится на две основные группы: полная и частичная. Степень может быть оценена как соотношение площадей очищенных и неочищенных зон, визуально или с использованием металлографического микроскопа.

Четвертый параметр — шероховатость. Это след от обработки свободным абразивом, выраженный через Яа, Ях или Ятах. Средняя высота микронеровности профиля перед окраской должна составлять четверть от толщины лакокрасочного покрытия.

Пятый параметр — температура местного нагрева обрабатываемой поверхности.

Шестой параметр — расход свободного абразива [кг/ч].

В статье приведены результаты исследования процесса газодинамической обработки свободным абразивом. В его основе лежит модель деформирования поверхности вследствие множества соударений с ней частиц абразива. Теоретическая модель столкновения частицы с поверхностью представлена на рис. 2.

До столкновения частица в свободном полете обладает кинетической энергией, которая при столкновении совершает работу по деформированию и разрушению поверхности. Параметры оставляемого следа в основном зависят от массы и скорости движения частицы на момент столкновения, а также от механических свойств материала частицы и металла.

Теоретические и практические исследования показали, что глубина и диаметр оставляемого частицей следа растут с увеличением скорости и массы частиц и составляют 20-30 % от диаметра частиц при расчетных скоростях 50 м/с, если абразив — кварцевый песок. При применении более твердого абразива, например стальной или чугунной дроби, глубина и диаметр составляют уже 50 % от диаметра частиц при тех же расчетных скоростях.

цей свободного абразива:

Р — мгновенная сила соударения, Н; г — радиус оставляемого следа, мм; у — глубина оставляемого следа, мм

№ 6 (90)/2015

электрофизические и электрохимические методы обработки

ЧЕТАППООЕ

Были исследованы наиболее часто используемые типы свободных абразивов: кварцевый песок, колотая и литая дробь из стали и чугуна и купершлак. Средние фракции исследуемых абразивов от 0,1 до 1 мм.

Крупные частицы более инертны и тяжелее разгоняются в потоке. Дробь средней фракции (1 мм) разгоняется не более чем до 30 м/с. Песчаная смесь разгоняется до 60-70 м/с и оставляет более качественный след на обработанной поверхности.

При обработке с максимальными режимами глубина дефектного слоя не превышает 0,2 мм при использовании песчаной смеси и 0,4 мм при использовании дроби. В целом песчаная смесь обеспечивает более мягкое воздействие на поверхность металла благодаря своим природным свойствам.

Шероховатость поверхности Яг формируется как след от соударений с частицами и находится в пределах 35-60 мкм.

Производительность обработки определяется средней расчетной скоростью частиц и их массой. Исследования показали, что даже при обеспечении оптимальных условий труда максимальная производительность обработки, которая может реализовываться человеком, не превышает 35 м2/ч. Процесс просто ограничивается скоростью человеческих рук, и даже при мощных режимах обработки вкладываемая энергия расходуется неэффективно. При автоматизированной подаче сопла производительность обработки достигает 75 м2/ч. [5]

Одновременное воздействие абразива и теплового потока способствует разогреву поверхности до температур, обеспечивающих обезжиривание поверхностей под окраску. Степень очистки, достигаемая газодинамическим методом, 1-я по ГОСТ 9.402-80, предполагающая полное разрушение загрязнений и удаление органических соединений с поверхности металла. При этом максимальная температура местного нагрева металла не превышает 200 °С. Рабочая же температура составляет 120-140 °С, что совершенно безопасно для кузовов вагонов при местном нагреве. Температура в 300 мм от зоны очистки 60-70 °С, а в 1 м от зоны очистки — 30-40 °С. Это возможно благодаря мощному теплоотводу массивной конструкции кузова. При обработке мелких деталей и узлов нагрев гораздо более интенсивный [1].

Расход свободного абразива при средних режимах составляет примерно 60 кг/ч, при этом часть абразива может быть использована повторно. Песчаная смесь за один цикл теряет примерно 30-40 % массы, которая превращается в пыль. Дробь и купершлак имеют больший ресурс и за один цикл теряют 7 и 15 % массы соответственно. С точки зрения качества песчаная смесь имеет лучшие показатели, так как более мягко воздействует на обрабатываемую поверхность, но, превращаясь в пыль, негативно влияет на здоровье человека, работающего рядом с зоной очистки. Дробь и купершлак сильнее деформируют обрабатываемую поверхность, но, раскалываясь при столкновении, не образуют пыли.

Сравнительный анализ методов обработки кузовов вагонов показал, что газодинамический метод позволяет оптимизировать технологический процесс и производительность, снизить материалоемкость и объем техногенных отходов, уменьшить производственные площади и номенклатуру используемого при производстве и ремонте технологического оборудования.

Технико-экономический анализ показал, что себестоимость обработки одного вагона с использованием газодинамического метода ниже, чем при использовании типовой технологии на 13-17 %. Основной эффект достигается за счет замены химического обезжиривания термическим [4].

Литература

1. Евсеев Д. Г., Кульков А. А. Дробеструйный газодинамический метод очистки поверхностей // Транспорт: наука, техника, управление: науч. информ. сб. С. 32.

2. Кульков А. А., Фомин В. А. Современные методы дробеструйной очистки вагонов / Науч.-практ. конф. «Неделя науки — 2006. Наука — транспорту». У-26.

3. Кульков А. А., Евсеев Д. Г. Проблемы коррозионного износа вагонов при эксплуатации подвижного состава и пути их решения с использованием термоабразивного газодинамического метода / Науч.-практ. конф. «Неделя науки — 2007». «Наука — транспорту», 1У-41.

4. Кульков А. А. «Экономическая эффективность применения термоабразивных систем для очистки и подготовки поверхностей деталей подвижного состава / Науч.-практ. конф. «Неделя науки — 2008. Наука — транспорту».1У-56.

5. Кульков А. А., Евсеев Д. Г. Автоматизация процесса термоабразивной газодинамической обработки / Науч.-практ. конф. «Неделя науки — 2008. Наука — транспорту». Х-19.