Гидроабразивная обработка поверхности металла

Гидроабразивная обработка – один из видов воздействия на поверхность детали с целью ее упрочнения и придания других важных для эффективной и беспроблемной эксплуатации свойств.

Особенности данного вида упрочения

В процессе гидроабразивной обработки поверхности изделия рабочая жидкость, содержащая абразивные частички (зерна) подается под давлением к нужному месту воздействия.

Наиболее важными достоинствами этого вида обработки являются:

• - Улучшение износоустойчивости.
• - Повышение показателя усталостной прочности.
• - Повышение чистоты поверхности.

Это именно те качества, которые существенны для упругих элементов.

Кроме того, при такой обработке наклеп получается равномерным, в обрабатываемом поверхностном слое создаются контролируемые остаточные напряжения, что способствует повышению эксплуатационных свойств пружин.

 

Особенности технологии процесса

Рабочая жидкость может подаваться к обрабатываемой поверхности двумя способам

• - Самотеком или благодаря выполняемому сжатым воздухом всасывани
• - Используя подачу насосом или под давлением, оказываемым сжатым воздухом.

Процесс работы машины, в которых происходит этот вид обработки, очень прост:

• - Через дверцу производится загрузка деталей в оборудованную рабочую камеру.
• - В смесительном баке создается нужный объем рабочей жидкости, которая под воздействием направленного потока сжатого воздуха подается к форсунке в рабочей камере и после воздействия на деталь возвращается в бак.
• - Механизм форсунки для лучшего воздействия конструктивно выполнен таким образом, что он может перемещаться в вертикальной плоскости и вращаться – в горизонтальной. Так обеспечивается нужный угол воздействия струи на обрабатываемую поверхность.

Примерные показатели всасывающих машин: давление рабочей жидкости (избыточное) – до полутора атмосфер при давлении подаваемого сжатого воздуха – до 6 ати, скорость рабочей жидкости в момент выброса из форсунки – до 70 м/сек.

Мелкие витые цилиндрические пружины подаются в машину посредством устройств барабанного типа, а средние/крупные – на оправках, которым придается поступательное движение одновременно с вращательным.

  

Важные параметры процесса

Производительность этого вида обработки и ее качество зависят от свойств обрабатываемого материала (сорта стали, проведенной термообработки, полученной чистоты поверхности). Кроме того, эффективность абразивного воздействия зависит от определенных параметров, основными из которых являются:

• - Вид применяемого абразива.
• - Величина зерна абразивного материала.
• - Скорость подачи рабочей жидкости.
• - Угол падения жидкости на поверхность.
• - Расстояние между форсункой и поверхностью.
• - Предусмотренное время процесса.

Чем каждый из этих показателей важен, стоит рассмотреть немного подробнее.

Вид абразивного материала

В качестве абразива в этом технологическом процессе могут применяться как естественные, так и искусственные материалы.

• - Естественные абразивы – наждак, корунд, кварц.
• - Наиболее востребованные искусственные абразивы представлены оксидом алюминия, карбидом бора, карбидом кремния, крокусом (безводным оксидом железа), электрокорундом.

Каждый из упомянутых материалов имеет свои особенности и рекомендуется специалистами в том или ином случае для достижения оптимального результата.

Величина абразивных зерен

Этот показатель выбирается с учетом требований, которые предъявляются к чистоте обрабатываемой поверхности после завершения процесса. Увеличение зернистости способствует росту производительности абразивной обработки металла, одновременно приводя к ухудшению чистоты поверхности.

Технология производства может предусматривать последовательное использование нескольких рабочих жидкостей и зернами разной величины: от больших к малым. В этом случае в процессе воздействия будет вначале снят значительный слой металла, а затем поверхность будет доведена до требуемой чистоты более мелкими фракциями абразива.

Скорость рабочей жидкости

Давление воздуха – вот чем определяется скорость жидкости, воздействующей на обрабатываемый материал. Давление стандартно может изменяться от 4 ати до 6 ати, при этом значение скорости пропорционально повышается с 50 м/сек до 70 м/сек.

Угол наклона форсунки

Наклон форсунки предусмотрен для того, чтобы обработка проводилась с максимально возможным результатом.

Несмотря на то, что угол может изменяться как угодно благодаря перемещению механизма форсунки и его вращению, оптимальными по производительности считаются значения от 40 до 60 градусов между направлением рабочей струи и плоскостью поверхности. Если же требуется отдать предпочтение чистоте поверхности, добиться некоторого ее повышения можно, предусмотрев угол менее сорока градусов.

Расстояние от форсунки до обрабатываемого участка

Выбирая это расстояние, принимают во внимание такие параметры, как толщина слоя, который должен быть удален, и площадь обрабатываемой поверхности.

Чтобы получить высокую производительность на небольшом участке, расстояние между орудием обработки и металлом должно быть небольшим. Оптимальными показателями, наиболее широко распространенными в технологии гидроабразивной обработки, считается 50–150 мм. Нижний предел этого промежутка значений предполагает грубую обработку, а верхний – чистовую.

Продолжительность

Этот показатель имеет широкие рамки, поскольку зависит от многих требуемых характеристик, в частности чистоты поверхности, качества материала, поступающего в обработку, предусмотренного технологического режима.

Минимальное время, затрачиваемое на обработку одного квадратного дециметра поверхности, составляет примерно одну минуту, максимальное – в том случае, если деталь характеризуется сложной формой, – до десяти минут.

  

Достоинства ГАО в производстве пружин

Изготовление упругих элементов довольно часто включает в себя этот вид воздействия, поскольку он отличается:

• - Высоким упрочняющим действием.
• - Удобством применения, в том числе к деталям, которые имеют сложный профиль.

Исследования, проведенные для выявления достоинств гидроабразивной обработки, показывают хорошие результаты. Например:

Проволока диаметром 2 мм подвергалась ГАО (абразив – порошок оксида алюминия, размер зерна – 125 и 177 мк) в течение 2 минут. Результат – увеличилась и долговечность (примерно на порядок), и предел выносливости (до 50%). Испытания проводились при таком внешнем воздействии, как вращение с изгибом.

Влияние данного воздействия на характеристики упругих деталей

Хорошими показателями использования гидроабразивного обработки можно считать также и такие:

• - Выносливость пружин и пределы усталости повышаются, при этом основные размеры не претерпевают особых изменений и после завершения процесса не выходят за пределы допусков от первоначальных значений.
• - Релаксация упроченных пружин в сравнении с теми, которые не подвергались данному виду обработки, характеризуется немного большей интенсивностью.
• - Существенно улучшается чистота поверхности. Результат зависит от используемого для производства пружины материала, исходной структуры, выбранной степени зернистости абразивных включений, установленной величины давления воздушного потока.

Испытания проводились на серии пружин, упрочение к которым применялось и в свободном, и в напряженном состоянии.

  

Сравнение эффективности различных методов упрочения упругих деталей

Способов повышения прочности пружин (проще говоря – упрочения) существует несколько, наиболее известными из которых являются дробеструйный наклеп, гидроабразивная и пескоструйная обработка.

Дробеметный наклеп характеризуется высокой эффективностью упрочняющего воздействия и может применяться для сложных по профилю и геометрии пружин. Производится такая обработка дробью из стали или чугуна на специальных дробеметных машинах. Отличительная особенность – высокая однородность потока дроби.

Пескоструйная аналогична по действию гидроабразивной, однако существенным недостатком ее является необходимость решать проблему пылеулавливания.

Как показала практика и многочисленные исследования, наиболее эффективно проводится обработка поверхности пружин в том случае, если используется комбинация дробеметного наклепа и ГАО. При этом гидроабразивное воздействие должно применяться в качестве завершающей операции.

В зависимости от варьирования обоих видов обработки для изделий в напряженном и свободном состоянии можно добиться различных эксплуатационных характеристик, что позволяет выбрать оптимальный вариант с учетом требований к упругому элементу и условиям его применения.