СПОСОБ ГИДРОАБРАЗИВНОЙ ОЧИСТКИ ПОВЕРХНОСТЕЙ ПУТЕМ УДАЛЕНИЯ ТОНКИХ ПОВЕРХНОСТНЫХ СЛОЕВ
METHOD OF SURFACE HYDROABRASIVE CLEANING BY REMOVING THIN SURFACE LAYERS

Изобретение относится к механической обработке материалов, а именно к струйной гидроабразивной обработке, и может быть использовано, например, при очистке поверхностей различных изделий и сооружений от естественных и искусственных загрязнений, краски, и др. без повреждения основы изделия, а также при ремонте и реставрации памятников, в том числе памятников архитектуры, где требуется удаление тонких поверхностных слоев.
Известен способ гидроабразивной обработки, предусматривающий образование гидроабразивной аэрозоли из абразивных частиц, жидкости и воздуха и подачу этой аэрозоли на обрабатываемую поверхность [1]. В этом способе аэрозоль образуют из жидкости путем подачи в нее сжатого воздуха, а затем в эту аэрозоль добавляют абразивные частицы. Полученную таким образом гидроабразивную аэрозоль подают на обрабатываемую поверхность для очистки последней.
При таком способе гидроабразивной обработки не достигается высокая степень распыления абразивных частиц и, следовательно, требуемая степень очистки поверхностей. Кроме того, в процессе смешивания абразивных частиц с аэрозолью состав образующейся суспензии нестабилен, вследствие чего и качество обработанной поверхности также нестабильно.
Наиболее близким к предлагаемому является способ, при котором на поток гидроабразивной суспензии воздействуют струей сжатого газа с образованием аэрозольных частиц при скорости потока сжатого газа более 200 м/с и соотношениях массовых расходов гидроабразивной суспензии и газа не более 1:2 [2]. Однако применение этого способа обеспечивает получение достаточно грубых обработанных поверхностей, так как при направлении гидродинамического потока по нормали к обрабатываемой поверхности съем материала происходит, в основном, за счет использования кинетической энергии разогнанных до больших скоростей продуктов суспензии и неуправляемого выбивания из поверхности частиц объекта обработки. При направлении гидроабразивного потока к обрабатываемой поверхности под углом менее 90 градусов, вследствие изменения энергии удара продуктов суспензии по длине контакта факела с обрабатываемой поверхностью, происходит неравномерное удаление материала с поверхности, что снижает качество обработки или требует многократного перемещения факела по одной поверхности. В результате снижается производительность обработки и увеличивается слой удаляемого материала. Эти недостатки процесса делают его практически неприменимым для реставрации памятников, в том числе памятников архитектуры, где требуется удаление весьма тонких дефектных слоев.
Указанные недостатки существующих способов гидроабразивной обработки могут быть устранены за счет создания на выходе из форсунки не прямого потока, направленного вдоль оси форсунки, а потока, закрученного по спирали к оси форсунки.
В этом случае воздушный поток, вследствие большей длины пути по спирали, приобретает большую скорость, что увеличивает эффективность процесса. Кроме того, спиральная направленность 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. Для этой цели могут быть использованы более мягкие по сравнению с обычно применяемыми в суспензии абразивы, что также обеспечивает более щадящую обработку без снижения производительности.
С целью проверки возможности повышения производительности и качества гидроабразивной обработки за счет создания спиральных потоков суспензии были изготовлены форсунки, внутренняя поверхность которых имела 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 по патенту [2], и смесь поступала в форсунку, имеющую 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 наблюдолось изменения как производительности обработки, так и шероховатости обработки. 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 1
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
Испытания показали существенное повышение эффективности гидроабразивной обработки при спиральном закручивании подаваемой в зону обработки струи в пределах 5…30 градусов.
Получение спирального потока может быть осуществлено не только за счет спиральных канавок на внутренней поверхности форсунки, но и любым другим путем, обеспечивающим закручивание струи суспензии, например, путем размещения в форсунке спиральных ребер, которые также могут закручивать поток суспензии. Таким образом, могут использоваться различные варианты закручивания струи суспензии.
Дополнительный эффект может быть достигнут за счет создания сходящегося или расходящегося в осевом направлении спирального потока суспензии, то есть, регулируя угол 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 суспензии опробована при помещении на сопло с углом закручивания суспензии 30 градусов специальных насадок, длиной 10 мм, внутренняя поверхность которых имела коническую форму с углом конуса 60 (для создания сходящегося потока) и 120 (для создания расходящегося потока) градусов. 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
Повышение производительности обработки с одновременным снижением шероховатости обработанной поверхности при управлении формой струи суспензии открывает новые возможности в очистке поверхностей памятников, архитектурных сооружений и других изделий, где не допускается неравномерное снятие дефектных слоев и съем материала должен быть минимальным. При этом в связи с более эффективным удалением дефектных слоев для обеспечения минимального равномерного и одновременно регулируемого съема материала могут использоваться более мягкие по сравнению с широко используемыми продукты, входящие в суспензию, обеспечивая при этом еще более щадящую обработку.
Источники информации
1. Способ гидроабразивной очистки (А.с. СССР №1237403).
2. Способ гидроабразивной обработки поверхностей. Патент РФ №2250816, МПК В24С 1/00.