Струйные методы и устройства для отделочной обработки деталей свободным абразивом

В1СНИК ПРИАЗОВСЬКОГО ДЕРЖАВНОГО ТЕХН1ЧНОГО УН1ВЕРСИТЕТУ 2004 р. Вип. №14

УДК 621.92.001.5

Андилахай А. А.

СТРУЙНЫЕ МЕТОДЫ И УСТРОЙСТВА ДЛЯ ОТДЕЛОЧНОЙ ОБРАБОТКИ ДЕТАЛЕЙ СВОБОДНЫМ АБРАЗИВОМ

На основе изучения патентно-лицензионных материалов и научных публикаций установлена целесообразность дальнейшей разработки перспективного метода отделочной обработки деталей воздушными струями, затопленными абразивной суспензией.

Технология отделочной обработки деталей зернистым абразивом характеризуется широкими возможностями по сравнению с известными методами абразивной обработки, особенно привлекательной является возможность обработки деталей малой жесткости.

К деталям малой жесткости относят почти все детали приборостроения и оптико-механического производства, а также ряд тонкостенных легкодеформируемых деталей из других отраслей производства, обработка которых жестким инструментом приводит к потере требуемой точности геометрической формы. Вместе с тем, увеличение выпуска товаров народного потребления, получаемых прессованием или штамповкой, отнесенных к деталям сложной конфигурации, в значительной мере тормозится отсутствием высокопроизводительных методов получения требуемого качества поверхностей, подвергающихся в дальнейшем гальваническим и лакокрасочным покрытиям. Кроме того, скругление острых кромок и удаление заусенцев, образующихся на деталях после различных операций обработки резанием (например, после обработки на токарных автоматах), является не менее сложной и поэтому актуальной задачей для обеспечения высокой производительности механической обработки.

По данным НИИАШ [1] более 80 % трудоемкости финишных операций обработки лопаток и дисков паровых и газовых турбин выполняется вручную. Нормативы трудоемкости на скругление кромок на рабочих дисках турбин составляют в зависимости от размера деталей от 4 до 20 ч на один диск. Проблеме механизации операций удаления заусенцев и скругления кромок уделяется самое серьезное внимание в мировой практике. По данным проблемам созданы европейский и японский комитеты, в которые входит ряд машиностроительных фирм. По данным этих комитетов трудозатраты на удаление заусенцев составляют от 5 до 30 % производственных затрат. Обследование около 400 машиностроительных фирм США (данные журнала «Production») показало, что затраты на удаление заусенцев и скругление кромок составляют от 10 до 40 % общей трудоемкости.

Публикации последних лет указывают на неуклонно возрастающий интерес разработчиков новых технологий и оборудования к созданию методов отделочной обработки поверхностей деталей потоком свободного абразива.

Особое место среди них занимает струйная обработка зернистыми материалами (абразивными частицами).

Целью настоящей работы является сравнительная характеристика используемых на протяжении нескольких лет струйно-абразивных установок и методов отделочной обработки и вновь создаваемых, обеспечивающих обработку затопленными струями.

Обработка деталей потоком абразивных частиц может достигаться несколькими путями:

- обработкой абразивной суспензией [2, 3], пневмо-пескоструйной обработкой [6, 7] и пневмо-гидро-пескоструйной обработкой [8, 10]. Жидкостно-абразивные струйные установки можно классифицировать по величине рабочего давления, по способу подачи абразивного материала, а также по виду носителя абразивных частиц. По первому признаку различают установки двух типов: - использующие высокое давление - 10 МПа и - низкое - 0,5 - 0,6 МПа.

ПГТУ, канд. техн. наук, доц.

Установки высокого давления применяются для предварительной обработки относительно крупных деталей и характеризуются большими габаритными размерами, (рис. 1).

Установка снабжена двумя баками абразивной суспензии, благодаря чему обеспечивается практически непрерывная обработка деталей, располагаемых на столе под сопловым аппаратом. При включении установки сжатый воздух подается в сопловой аппарат и к распределителю 4. Через распределитель 4 сжатый воздух подается в один из баков (по схеме на рис. 1 в правый бак). Одновременно клапан 5 включают для забора суспензии из правого бака, клапан 2 закрывают для создания избыточного давления в правом баке, а клапан 8 открывают Рис.1 - Установка для струйно-абразивной обработки дета- для слива суспензии самоте-лей с поочередно действующими вытеснительными баками: ком в левый бак, благодаря 1 - сопловой аппарат; 2, 8 - сливные клапаны; 3 - электро- этому суспензия подается к двигатели для перемешивания суспензии; 4 - распределитель сопловому аппарату и уско-сжатого воздуха; 5 - клапан поочередного забора суспензии; ряется потоком сжатого воз-6 - воздухопровод; 7 - трубопровод для подачи суспензии. духа. По мнению авторов уст-

ройство обеспечивает высокую производительность обработки и экономичность

процесса. Однако нельзя не признать неизбежность потерь машинного времени на смену сопел, подвергающихся интенсивному износу прокачиваемой абразивной суспензией, а также расходов на изготовление сопел, являющихся быстроизнашиваемыми деталями.

Установки низкого давления используются для обработки деталей средних и относительно малых размеров. Как правило, установки содержат сопловой аппарат и стол для размещения обрабатываемых деталей [3] (рис. 2). Питание осуществляется сжатым воздухом промышленной пневмосети.

На базе этой конструкции автором создана гамма установок, в число которых вошли модификации с самоочисткой суспензии (показана на рис. 2), с механизированной загрузкой и съемом обрабатываемых деталей, а также установки, используемые для обработки прессформ.

В зависимости от способа подачи абразива струйные установки, работающие под давлением до 0,6 МПа, могут быть разделены на две группы: установки, в которых суспензия подается под давлением из емкости через сопла на обрабатываемые детали [5, 6], а также установки, в которых подача абразива из бака к соплу осуществляется за счет эжекции [9, 10]. Известны две разновидности энергоносителей, применяемых при струйно-абразивной обработке - газообразные (как правило - сжатый воздух) и жидкие (как правило - вода). При обработке деталей с помощью сжатого воздуха на пескоструйных аппаратах достигается достаточное качество поверхности, однако обильное пылевыделение послужило причиной запрета на применение этого способа без специальных мер защиты.

Фирмой «Lockheed-

California» была опробована обработка металлических изделий порошком из твердой углекислоты - «сухого льда», обладающего достаточной твердостью.

При этом достигалась не только очистка поверхностей металличес-ких изделий, но и создание на поверхности алюминия требуемой шероховатости, обеспечивающей в дальнейшем прочное сцепление с наносимым слоем защитного покрытия. Основным достоинством метода является исключение загрязнения окружающей среды и необходимости эвакуации отработанного песка или дроби. Однако метод не нашел широкого применения в связи с тем, что для получения «сухого льда» необходима температура минус 18° С и давление 2 - 3 МПа. Широкое применение в промышленности как в Украине, так и за рубежом находят установки для жидкостно-абразивной обработки, работающие на сжатом воздухе.

Они выполняются в виде шкафов, часто оснащаются вспомогательными устройствами для загрузки и выгрузки обрабатываемых деталей, транспортерами, приспособлениями для мойки и сушки.

На основании многолетней эксплуатации жидкостно-абразивных установок некоторые авторы пришли к выводу о целесообразности обработки мелких деталей сложной формы струйными аппаратами с ручным управлением [4]. Подобные установки выпускаются фирмами «Abrasive Developments» и «Filghments» [12]. Струйная обработка деталей, помещенных на поворотный стол, обеспечивается подвижным сопловым аппаратом, управляемым оператором вручную. Жидкостно-абразивные установки, как правило, снабжены баком для сбора и подготовки абразивной суспензии, которая транспортируется по трубопроводам к сопловому аппарату. В работах [5, 10] предложены оригинальные конструкции сопловых аппаратов, обеспечивающих равномерную подачу абразивной суспензии на обрабатываемые детали.

В общем виде струйная обработка обладает рядом достоинств, к которым можно отнести следующие:

- низкий уровень шума (10 - 20 дБ);

- универсальность (возможностью обработки различных деталей сложной конфигурации, а также деталей из различных материалов без переналадки);

- легкость плавной регулировки интенсивности процесса;

- низкие эксплуатационные расходы;

- возможность совмещения удаления заусенцев с удалением окалины, окисной пленки, старых покрытий и загрязнения;

- возможность многократного использования абразива;

Рис. 2 - Установка для струйно-абразивной обработки деталей: 1 - сопловой аппарат; 2 - устройство перемещения и фиксации струйного аппарата; 3 - бак с абразивной суспензией; 4 - механизм вывода обрабатываемой детали из зоны обработки; 5 - механизм вращения обрабатываемой детали; 6 - приспособление для закрепления обрабатываемой детали.

- возможность простого разделения деталей и абразивного материала;

- возможность обработки деталей в труднодоступных местах.

Наряду с этим все струйные установки характеризуются весьма существенным недостатком: вследствие подачи абразивной суспензии через сопла, являющиеся наиболее ответственными элементами устройств, последние подвергаются интенсивному абразивному разрушению. Так, при обработке суспензией из кварцевого песка при давлении 0,5 МПа износ сопла диаметром 4 мм из стали У10А за три часа работы составил 1 мм. По данным Е. И. Пазюка [11] стойкость сопел из стали У10А не превышает 8-10 часов. Стойкость сопел из белого чугуна по данным В. С. Посохина [13] составила 4-6 часов. Аналогичные результаты получены зарубежными исследователями [12]. Так, при обработке порошком карбида кремния зеленого (63 С) стойкость сопел, изготовленных из твердого сплава на основе карбида вольфрама, составляет 5-10 часов, из керамики - 3 - 5 часов, чугуна - 2 - 3 часа.

Попытки применить сопла из резины, капрона, полиуритана не дали положительного результата [11].

Экспериментальная отработка конструктивных параметров за счет профилирования продольного сечения сопел позволила повысить их стойкость в 2 - 2,5 раза. Однако при малой исходной стойкости это увеличение составляет всего 10-15 часов.

Коренное изменение схемы струйной обработки [14], (см. рис. 3) позволило исключить существенный недостаток, связанный с низкой стойкостью струйных аппаратов, открыло перспективу эффективного использования струйной обработки для отделки и зачистки деталей малой жесткости.

Сущность предложенного метода обработки, реализуемого устройством [14] заключается в том, что в рабочую камеру 6, содержащую свободно помещенные обрабатываемые детали и абразивную суспензию, подают сжатый воздух в виде струй, расположенных таким образом, чтобы достигались обработка и перемешивание деталей, а также обеспечивалась сохранность внутренних поверхностей рабочей камеры. Особенностью процесса обработки является то, что вовлечение абразивных зерен из суспензии в струи сжатого воздуха и сообщение им запаса кинетической энергии, достаточной для выполнения работы микрорезания, осуществляется за пределами соплового устройства 1. Установка для абразивной обработки деталей затопленными струями, (см. рис. 3) работает следующим образом. В сопловое устройство 1 подают сжатый воздух малого давления

Рис. 3 - Установка для абразивной обработки деталей затопленными струями: 1 - сопловое устройство; 2 -устройство отделения деталей от абразивного материала и воды; 3 - бак отстойник с абразивом и водой; 4 -абразивный материал; 5 - устройство отбора абразивного порошка; 6 - рабочая камера.

(0,05 - 0,1 МПа), после чего в рабочую камеру заливают воду. Поворотом рукоятки, расположенной над баком-отстойником набирают абразивный порошок, в быстросъемную мерную емкость 5 и засыпают в рабочую камеру 6. После загрузки в рабочую камеру 6 обрабатываемых деталей включают подачу сжатого воздуха, благодаря чему струи обеспечивают одновременно обработку деталей и перемешивание во взвешенном состоянии. Поскольку оптимальные конструктивные параметры рабочей камеры, количество, конфигурация, взаимное расположение и размеры сопел для подачи сжатого воздуха, а также количество, зернистость, вид абразивного материала, количество и вид жидкости, количество одновременно обрабатываемых деталей и их единичная масса не установлены метод обработки затопленными струями обладает определенными резервами производительности.

Выводы

Таким образом, решение задач механизации финишных операций обработки деталей малой жесткости затопленными струями позволит: во-первых, значительно уменьшить затраты на содержание оборудования за счет обеспечения сохранности сопел; во-вторых, повысить производительность обработки за счет экономии времени на замену сопел; в-третьих, обеспечить сохранность геометрической формы обрабатываемых деталей за счет снижения запаса кинетической энергии, сообщаемой абразивным зернам, бомбардирующим обрабатываемые поверхности. Для решения этих задач необходимо выявить оптимальные значения и сочетания технологических и конструктивных параметров процесса и оборудования, что и является предметом дальнейших исследований.

Перечень ссылок

1. Кремень 3. И., Турбоабразивная обработка деталей сложного профиля. / 3. И. Кремень, М. Л. Миссарский, В. 3. Гузэлъ. - М.: НИИмаш. 1987. - 53 с.

2. Белецкий Д. Г. Основные параметры безэжекционной гидроабразивной обработки. /Д. Г. Белецкий, В. Н. Жемчугов//Вестник машиностроения. 1967,- №5,- С. 53 - 56.

3. Проволоцкий А. Е. Струйно-абразивная обработка деталей машин. /А. Е. Проволоцкий -К: Техника, 1989. - 177 с.

4. Заявка 3827887 ФРГ, МКИ5 В 24 С 9/00. Платформа для пескоструйной обработки.

5. А. с. 1450990 СССР МКИ4 В 24 С 57/04. Струйный аппарат для абразивной обработки.

6. А. с. 1530426 СССР МКИ4 В 24 С 3/16. Установка для абразивно-струйной обработки.

7. А. с. 1662713 СССР МКИ5 В 08 В 3/02. Устройство для струйной очистки деталей.

8. А. с. 1662819 СССР МКИ5 В24 С 1/00. Способ защиты поверхностей в струино-абразивном эжекционном аппарате.

9. Заявка 2207625, МКИ4 В 24 С 1/04. Устройство для абразивно-струйной отделки поверхности (Великобритания).

10. Пат. 271076 ГДР, МКИ4 В 24 С 5/04. Сопло для абразивно-пневматической обдувки.

11. Пазюк Е. И. Современные установки и технология гидроабразивной обработки. Л.: Лен-издат, 1953. - 175 с.

12. Mai Е. Центробежные установки для абразивно-струйной очистки. / Е. Mai, H-JMüqqe // Metalloberflache. -1989. -43, №4. - С. 172 -173. - Нем.

13. Посохин B.C. Конструкции установок для гидроабразивной обработки. М.: ЦБТИ Мос-горсовнархоза, 1958,- 120 с.

14. А. с. 1664525 СССР МКИ4 В 24 С 3/22. Устройство для гидроабразивной обработки.

Статья поступила 25.03.2004