Реферат: Струйная гидроабразивная обработка поверхностей

--PAGE_BREAK--5. ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТЬ ПРОЦЕССА СТРУЙНОЙ ГИДРОАБРАЗИВНОЙ ОБРАБОТКИ

Одним из основных показателей, характеризующих эффективность любого способа обработки, является его производительность. При струйной ГАО производительность определяется временем, необходимым для удаления припуска заданной величины с обрабатываемой поверхности, или временем, в течение которого достигается требуемое состояние поверхностного слоя. Для количественной оценки производительности струйной ГАО служит величина массового съема материала в единицу времени.

Известно, что на производительность струйной ГАО основное влияние оказывают такие параметры, как время обработки, размер абразивных частиц, концентрация абразивных частиц в суспензии, давление эжектирующего воздуха, угол атаки частиц, длина струи, марка абразивного материала.

Абразивные частицы при столкновении с обрабатываемой поверхностью внедряются в нес и проходят некоторое расстояние, вызывая разрушение материала. В соответствующей литературе при объяснении износа поверхностей абразивными частицами в зависимости от физико-механических свойств абразивного и обрабатываемого материалов, формы абразивных частиц, отношения глубины их внедрения к радиусу скругления вершин зерен, усилия разрушении и т. п. выделяются три вида износа материала :

1) упругое внедрение: в этом случае h/r<0,01 (где h— глубина внедрения мм, r— радиус скругления вершин зерен мм) и разрушение материала происходит в результате фрикционно-контактной усталости, близкой но природе к обычной усталости материалов;

2) полидеформационное разрушение (пластический контакт): h
/
r
= =0,01...0,5;

3) микрорезание (хрупкое и вязкое разрушение): этот вид разрушения наблюдается при больших углах резания и отношениях h/r>0,5. Так как абразивные частицы имеют неправильную форму и в момент удара могут быть как угодно ориентированы в пространстве, деформационные процессы, происходящие в зоне контакта, не будут постоянными даже при постоянстве таких параметров, как угол атаки, скорость и масса абразивных частиц.

Обычно макрорельеф абразивной частицы представляет собой совокупность выступов (вершин) и впадин, причем радиус скругления вершин и угол при вершинах зависят от размеров частицы. Исследования отпечатков, оставленных на поверхности частицами, показали, что при малых скоростях движения частиц деформирование материала производится в основном вершинами зерен. С увеличением скорости движения размеры лунок определяются характерным размером (диаметром) частицы.

Движение частицы по поверхности сопровождается изменением условного переднего угла от 90<img width=«10» height=«11» src=«ref-1_1469305908-77.coolpic» v:shapes="_x0000_i1033"> (начало внедрения) до 0<img width=«10» height=«11» src=«ref-1_1469305908-77.coolpic» v:shapes="_x0000_i1034"> (внедрение на глубину, равную радиусу), причем этот угол отрицателен. Так как деформирующая часть абразивной частицы является сферической поверхностью, то можно считать, что в момент удара условные передний и задний углы, а также угол резания не будут зависеть от угла наклона оси симметрии частицы относительно поверхности.

Внедрение абразивной частицы в обрабатываемую поверхность под острым углом сопровождается возникновением крутящего момента вокруг центра тяжести частицы. При этом энергия вращения частицы при ударе составляет менее 1 % энергии ее поступательного движении. Поэтому при расчетах энергии, потерянной частицей при ударе, ее вращением можно пренебречь.

При внедрении частицы происходит в общем случае упруго-пластическое деформирование обрабатываемой поверхности, причем общая глубина внедрения будет равна сумме упругой и пластической составляющих деформаций. На начальном этапе внедрения происходит упругое деформирование. Очаг пластической деформации зарождается при достижении максимальными напряжениями в центре площадки контакта (согласно теории Герца) критического значения. Расчеты показывают, что для большинства металлов и сплавов, применяемых в авиадвигателестроении, величина упругого внедрения на несколько порядков меньше радиуса скругления вершин абразивной частицы. Поэтому, пренебрегая упругой деформацией, можно считать, что обрабатываемая поверхность представляет собой пластическое полупространство. Для анализа взаимодействия абразивной частицы с поверхностью примем следующие допущения:

1 ) абразивная частица считается абсолютно жесткой; в момент удара частица не разрушается;

2) частица представляет собой шар с радиусом R;

3) масса обрабатываемой заготовки по сравнению с массой частицы бесконечно велика; волновыми процессами при ударе пренебрегаем;

4) учитываем только скольжение частицы но поверхности; вращением и возможным перекатыванием частицы при ударе пренебрегаем;

5) обрабатываемая поверхность представляет собой пластическое полупространство.

Косой удар жесткой абразивной частицы по пластическому полупространству описывается системой уравнений:

<img width=«437» height=«108» src=«ref-1_1469306062-4413.coolpic» v:shapes="_x0000_i1035">

где m1- масса частицы; h -
глубина внедрения мм;τ—время с; N — нормальное усилие Н; F касательное усилие Н.

Контактное взаимодействие и относительное движение соударяющихся тел в значительной степени определяются характером их поверхностей. Интегральной оценкой затрат энергии, связанных с касательиым перемещением частицы, может быть коэффициент трения. Считая, что касательное усилие обусловлено только трением (F
=
f
(
N
)) и силы трения не влияют на распределения давления на площади контакта, систему (3.1) можно записать в виде
<img width=«157» height=«51» src=«ref-1_1469310475-2011.coolpic» v:shapes="_x0000_i1036">
В начальный момент времени
<img width=«256» height=«44» src=«ref-1_1469312486-3239.coolpic» v:shapes="_x0000_i1037">
Тогда
<img width=«238» height=«32» src=«ref-1_1469315725-2319.coolpic» v:shapes="_x0000_i1038">
откуда дли траектории движения частицы получим
<img width=«508» height=«28» src=«ref-1_1469318044-2932.coolpic» v:shapes="_x0000_i1039">
где Со- скорость частицы в начальный момент удара; а — угол атаки рад.

Для определения массового съема материала воспользуемся правилом: при установившемся гидроабразивном износе отношение среднего объема (массы) удаленного при ударе одиночной частицы материала к среднему объему (массе) пластически выдавленного материала (ΔVд) есть величина постоянная


<img width=«132» height=«60» src=«ref-1_1469320976-626.coolpic» v:shapes="_x0000_i1040">
Коэффициент к, характеризующий связь между деформацией и износом, не зависит от времени обработки, скорости абразивных частиц и их концентрации в суспензии, а определяется только пластическими свойствами обрабатываемого материала и условиями деформирования (размерами абразивных частиц). Соотношение (3.3) получено при исследовании гидроабразивного износа частицами, внедряющимися в поверхность под углом 90°. Характер деформационных повреждений поверхности при косом ударе абразивной частицы зависит от ее угла атаки, поэтому коэффициент к будет являться функцией a и R
. Выражение (3.3) запишем в виде
<img width=«228» height=«42» src=«ref-1_1469321602-915.coolpic» v:shapes="_x0000_i1041">
где Kα
,
R
функция угла атаки и радиуса частицы.

Средний объем пластически выдавленного материала можно определить, если предположить, что он равен объему лунки, образовавшейся на обрабатываемой поверхности в результате удара абразивной частицы. Для определения объема лунки рассмотрим взаимодействие абразивной частицы с поверхностью. В общем случае удар абразивной частицы может быть разделен на два этапа: этап внедрения и этап вытеснения. Этап внедрения начинается в момент касания частицы с поверхностью и заканчивается, когда нормальная составляющая скорости частицы становится рамной нулю (dh/dτ= 0).


<img width=«482» height=«338» src=«ref-1_1469322517-29106.coolpic» v:shapes="_x0000_i1042">
При струйной ГАО различных материалов характер зависимостей массового съема от технологических параметров не изменяется. Это позволяет значительно сократить объем экспериментальных исследований, используя для для определения массового съема металла зависимости, полученные для какого-либо конкретного материала. Для исследования группы титановых и жаропрочных сплавов может быть использована формула:

<img width=«69» height=«22» src=«ref-1_1469351623-228.coolpic» v:shapes="_x0000_i1043">

Где G-массовый съем для требуемого материала, мм, Km-коэффициент массового съема, зависящий от марки обрабатываемого материала Gt-массовый съем металла при обработке титановых сплавов, мм.

Зависимость массового съема металла от угла атаки носит переменный характер (см. рис. 3.14). С увеличением α от 15 до 45є съем металла возрастает, достигая максимума при а = 45", затем наблюдается снижение съема, а в диапазоне 75—90 є массовый съем изменяется не более, чем на 5...7 %. Такая зависимость сохраняется при работе с абразивными материалами разной зернистости. При увеличении угла атаки от 40 до 50° съем металла изменяется на 5...10% (при ра— 0,4 МПа). Уменьшение размеров абразивных частиц и давления воздуха на входе и активное сопло приводит к некоторому расширению зоны максимального съема (до 35-55°), что имеет существенное значение при обработке криволинейных поверхностей.


6. КАЧЕСТВО ПОВЕРХНОСТНОГО СЛОЯ ПОСЛЕ СТРУЙНОЙ ГИДРОАБРАЗИВНОЙ ОБРАБОТКИ

Состояние поверх костного слоя после механических и физико-механических методов обработки характеризуется в основном параметрами шероховатости, остаточными напряжениями и наклепом (глубиной и степенью упрочнения). Поверхностный слой после струйной ГАО характеризуется такими же параметрами ,

Шероховатость поверхности после струйной ГАО главным образом зависит от исходной шероховатости; скорости, угла атаки и размера абразивных частиц; времени обработки. При этом рассматриваются две стадии формирования микрорельефа. На первой происходит пластическое деформирование и разрушение наиболее выступающих неровностей с одновременной упругой деформацией поверхности, подвергнутой действию гидроабразивной струи. Затем на всем обрабатываемом участке происходит пластическая деформация и интенсивный съем основного металла с формированием однородной по всем направлениям микрогеометрии. Микрорельеф поверхности представляет собой совокупность следов (лунок), оставляемых на поверхности частицами абразива, причем расположение лунок носит случайный характер. Формирование микрорельефа происходит и течение вполне определенного времени, а затем процесс обработки стабилизируется и шероховатость поверхности не изменяется .

При формировании шероховатости возможны три случая:

1) в процессе обработки исходная шероховатость поверхности увеличивается;

2) формируется новый микрорельеф без изменения значения исходной шероховатости;

3) шероховатость поверхности в процессе обработки уменьшается. Возникновение того или иного случая, а также время, необходимое

для формирования нового микрорельефа, будут зависеть от высоты неровностей исходной поверхности, размеров лунок, оставляемых абразивными частицами, и количества частиц, контактирующих с обрабатываемой поверхностью. Таким образом, реальные технологические особенности процесса формирования микрорельефа позволяют дискретизировать его в виде последовательности единичных актов контактного взаимодействия на элементарном участке обрабатываемой поверхности. Такой подход дает возможность определять параметры шероховатости после струйной ГАО на основе имитационного моделирования процесса формирования микрорельефа обрабатываемой поверхности.

При моделировании необходимо учитывать микрорельеф исходной поверхности, параметры потока абразивных частиц, контактное взаимодействие частиц с поверхностью и микрорельеф поверхности после ее обработки. Основой математической модели является модель единичного акта контактною взаимодействия абразивной частицы с поверхностью. Рассмотрим этапы построения математической модели. Перед началом моделирования должны быть заданы параметры шероховатости исходной поверхности. В рамках предлагаемой модели исходное состояние микрорельефа поверхности характеризуется максимальной высотой неровностей профиля Rmaxи средним арифметическим отклонением профиля R„. Микрорельеф обрабатываемой поверхности представим в виде изотропной функции Z=
f
(х, у). Контактное взаимодействие абразивных частиц будем рассматривать на элементарном участке, размеры которого выбираются с учетом формы, размеров и точности изготовления обрабатываемой поверхности. В большинстве случаев элементарный участок может быть представлен в виде квадратной площадки с размером стороны, равным базовой длине при исследовании шероховатости. Пред положение об изотропности функции Zпозволяет существенно упростить моделирование процесса обработки за счет перехода от пространственного моделирования к моделированию на профиле. Определение формы поверхности и вычисление параметров шероховатости производятся по некоторому сечению, взятому в пределах элементарного участка, причем характеристики шероховатости не будут зависеть от выбора сечения. Пространственное распределение функции Z может быть получено по проекции профиля сечения.

Имитационное моделирование проводится с использованием ЭВМ. Это накладывает определенные ограничения на представление профили поверхности, связанные с дискретностью записи информации в память ЭВМ. Поэтому профиль обрабатываемой поверхности представляется в виде массива чисел M(i), i

принадлежит(l, N0), где M{i) высота профиля относительно средней линии; i — номер точки профиля; N0— число точек профиля.

Поток абразивных частиц и элементарный акт контактного взаимодействия частицы с поверхностью описываются в рамках допущений, принятых в подразд. 3.1. Количество абразивных частиц, взаимодействующих с обрабатываемой поверхностью на элементарном участке, зависит от массового расхода суспензии через струйный аппарат, концентратами абразивного материала в суспензии, времени обработки и отношения площади элементарного участка к площади, охватываемой гидроабразивной струей в единицу времени. Общее количество q абразивных частиц, контактирующих, с поверхностью на площади, охватываемой гидроабразивной струей, определяется формулой (3.15); тогда число единичных актов контактного взаимодействия на элементарном участке в единицу времени будет
<img width=«131» height=«52» src=«ref-1_1469351851-568.coolpic» v:shapes="_x0000_i1044">

где <img width=«29» height=«37» src=«ref-1_1469352419-209.coolpic» v:shapes="_x0000_i1045">, площадь элементарного участка; Fc— площадь, охватываемая гидроабразивной струей в единицу времени.

Контакт абразивной частицы с поверхностью происходит в случайной точке элементарного участка. Для упрощения модели будем считать, что единичный акт контактного взаимодействия происходит в случайной точке профиля M (i), причем в этой точке частица достигает максимальной глубины внедрения. Кроме того, при формировании нового профиля поверхности не будем учитывать перераспределение по профилю материала, вытесненного из лунки в момент удара.

Каждый еденичный акт контактного взаимодействия вызывает определенные изменения о обрабатываемой поверхности. Происходит деформация выступов профиля, удаление материала из лунки, в окрестности точки контакта формируется новый микрорельеф поверхности, изменяется положение средней линии профиля. на рис. 3.15 показана схема единичного контакта взаимодействия абразивной частицы с обрабатываемой поверхностью. В случайной точке jчастица достигает максимальной глубины внедрения. Высота профиля микрорельефа относительно средней линии в точках, где произошла деформация, определяется по следующей формуле:
<img width=«586» height=«255» src=«ref-1_1469352628-20526.coolpic» v:shapes="_x0000_i1046">
<img width=«510» height=«30» src=«ref-1_1469373154-4349.coolpic» v:shapes="_x0000_i1047">

где Мi-=j— исходная высота профиля в точке j; hmax— максимальная глубина внедрения, мм; δ— интервал дискретизации профиля; n= 1, Ј, Ј — число интервалов δ, укладывающихся в размеры радиуса частицы R.

Моделирование процесса обработки в виде последовательности единичных актов взаимодействия не точно отражает реальный процесс, при котором с поверхностью одновременно контактирует большое число абразивных частиц. Однако реальный процесс происходит в течение вполне определенного промежутка времени, и число взаимодействующих с поверхностью абразивных частиц известно. Поэтому при осуществлении моделирования по известному числу взаимодействий конечный результат с достаточной степенью точности соответствует реальному процессу. Для описания нового профиля поверхности, полученного в результате, моделирования, производится корректировка положения средней линии профиля но следующей формуле:
<img width=«216» height=«67» src=«ref-1_1469377503-1095.coolpic» v:shapes="_x0000_i1048">
где Δh— изменение положения средней линии, мм; M
’
j
— высота нового профиля относительно средней линии исходного профиля, мм.

Высота нового профиля относительно его средней линии определяется по следующей формуле:
<img width=«456» height=«29» src=«ref-1_1469378598-3440.coolpic» v:shapes="_x0000_i1049">
Предлагаемая математическая модель формирования микрорельефа поверхностного слоя является универсальной и позволяет осуществлять имитационное моделирование для различных характеристик шероховатости исходной поверхности в широком диапазоне изменения технологических параметров струйной ГАО. На рис. 3.16 приведена схема алгоритма моделирования формирования микрорельефа поверхности при струйной ГАО.

Исходными данными для проведения процесса моделирования являются: характеристики обрабатываемого материала плотность ρа, предел текучести σт; характеристики исходной шероховатости поверхности — R
а
,
R
мах, базовая длина характеристики абразивного материала — плотность частиц ρаб, насыпная плотность ρаб, Н, средний радиус частик R
; характеристики гидроабразивной струи — плотность жидкой фазы ρж, концентрация абразивных частиц в суспензии К, массовый расход суспензии mc; скорость абразивных частиц Са;угол атаки а; площадь, охватываемая гидроабразивной струей за одну секунду 1'с, число отрезков дискретизации базовой длины профиля л; время обработки Т.
<img width=«471» height=«342» src=«ref-1_1469382038-35926.coolpic» v:shapes="_x0000_i1050">
Моделирование начинается с создания исходного профиля обрабатываемой поверхности, дли чего формируется массив M
(
i
) случайных чисел, равномерно распределенных в интервале от -5RmaxдоRmax. Среднее арифметическое отклонение формируемого массива должно быть равно исходному значению R
max
Далее по формулам (3.15), (3.25). (3.26) определяют максимальную глубину внедрения абразивной частицы и число единичных актов взаимодействия на элементарном участке обрабатываемой поверхности.

Цикл моделирования начинается с выработки случайной точки па профиле, в которой происходит контакт абразивной частицы с поверхностью. По формуле (3.47) определяется высота профиля микрорельефа относительно его исходной средней линии в точках, где произошла деформация. После каждого цикла моделирования по формулам (3.48). (3.49) производится корректировка положении средней линии, определение высоты нового профиля и проверка на окончание процесса моделирования назавершающем этапе моделирования определяют параметры шероховатости поверхности, сформированной в результате моделирования. Разработанная математическая модель позволяет определять пять параметров шероховатости: Ra, Rmax, Rz, Sm, S. Для осуществления процесса моделирования был разработан программный комплекс для ЭВМ.
<img width=«415» height=«167» src=«ref-1_1469417964-18675.coolpic» v:shapes="_x0000_i1051">
На рис. 3.17,… 3.19 приведены зависимости шероховатости обработанной поверхности от скорости, размеров и угла атаки абразивных частиц, полученные в результате моделирования обработки титанового сплава ВТ9. С увеличением Ca
и R
шероховатость поверхности возрастает по линейной зависимости. Максимальное значение шероховатости соответствует углу атаки а =90°. Результаты моделирования формирования микрорельефа поверхностного слоя при струйной ГАО хорошо согласуются с экспериментальными данными

Для подтверждения теоретических зависимостей были проведены экспериментальные исследования формировании микрорельефа поверхностного слоя при струйной ГАО. которые осуществлялись в два этапа. На первом этапе определялась шероховатость поверхности, соответствующая зернистости абразивного материала при данных условиях обработки. Для получения эмпирических зависимостей шероховатости поверхности от параметров обработки исследовании проводились на тех же образцах, которые использовались при определении производительности струйной ГАО и были обработаны в соответствии с методикой центрального композиционного ротатабельного планирования второго порядка. В качестве параметра оптимизации в данном случае было выбрано среднее арифметическое отклонение профиля от средней линии. Исходная шероховатость поверхности образцов Ramaxравная 0,15… 0,2 мкм, была заведомо меньше шероховатости, которую можно было получить при любых сочетаниях параметров обработки, т. с. не оказывала влияния на формирование микрорельефа поверхности.

На втором этапе было исследовано влияние исходной шероховатости на состояние поверхности после струйной ГАО. При этом был реализован случай, когда обработка происходит с уменьшением исходной шероховатости. Эксперименты были проведены на образцах из ВТ9, ЭИ961, ЖС6Ф, которые в зависимости от исходной шероховатости были разделены на следующие группы: Raисх=0,15...0,2 мкм, Raисх= 0,3...0.4 мкм; Raисх = 0,5...0,6 мкм    продолжение
--PAGE_BREAK--; Raисх =0.7...0,8 мкм; Raисх = 0,9.1,0 мкм; Raисх= I.I...1.25 мкм; Raисх= 1,4.-l.6мкм; 1.8...2,0 мкм; Raисх= 2,2...2,5 мкм; Raисх =2,7...3,0 мкм. Заданные значения шероховатости поверхности образцов были получены шлифованием с последующей ручной доводкой (если это было необходимо) на чугунных плитах абразивами различной зернистости. В процессе исследований были проведены серии однофакторных экспериментов с целью получения зависимостей шероховатости поверхности от времени обработки при различной исходной шероховатости, а также для определения минимального времени, необходимого для достижения шероховатости, соответствующей данной зернистости абразивного материала. Параметры обработки принимались следующими: абразивный материал электрокорунд 24А зернистости М20; М40; М6З; 8; 10; К=20%; pn*= = 0,1...0,5 МПа; L=50… <metricconverter productid=«150 мм» w:st=«on»>150 мм; α= 15...900; T=0...300 с. Интенсивность формирования микрорельефа поверхности при струйной ГАО зависит от количества абразивных частиц, воздействующих на единицу обрабатываемой площади в единицу времени. При прочих равных условиях увеличение площади будет приводить к увеличению времени, необходимого для достижения заданного значения шероховатости. Поэтому для сопоставимости результатов во всех экспериментах площадь обрабатываемой поверхности была постоянной (3000 мм2)при любых сочетаниях варьированных параметров обработки.

В результате экспериментальных исследований получены эмпирические формулы для расчета шероховатостей поверхности, которые имеют следующий вид:
<img border=«0» width=«553» height=«91» src=«ref-1_1469436639-9521.coolpic» v:shapes="_x0000_i1052">

:

Исследования показали, что зависимость шероховатости обработанной поверхности от размеров абразивных частиц является линейной (рис. 3.20). С увеличением зернистости абразивного материала высота микронеровностей резко возрастает, так как увеличиваются размеры лунок, оставляемых на обрабатываемой поверхности абразивными частицами. Подтверждением этому служат профилограммы поверхностей, обработанных абразивными материалами различной зернистости (рис. 3.21). Для каждого размера абразивных частиц существует максимально достижимое (при данных условиях обработки) значение шероховатости поверхности. Значения шероховатости поверхности, которые могут быть получены в результате обработки абразивными мате риалами различной зернистости, приведены в табл. 3.2.

На рис.3.22 представлены графики зависимости шероховатости от давления воздуха на входе в активное сопло. С увеличением р* от 0,1 до 0,5 МПа значения Rас увеличиваются примерно на 30...60 % независимо от зернистости абразива, причем в этом диапазоне давлений зависимости Rа от р* носят линейный характер. С увеличением расстояния от среза смесительного сопла до обрабатываемой поверхности в интервале 50...150 мм шероховатость уменьшается примерно на 40...45 % (рис. 3.23), что объясняется снижением скорости движения абразивных частиц. Зависимость шероховатости поверхности от угла атаки а носит ступенчатый характер. С увеличением а от 15 до 45° шероховатость поверхности увеличивается, а затем не изменяется (рис. 3.24). С увеличением о от 15 до 45° глубина внедрения hmax увеличивается более чем в 3,5 раза. В интервале а = 45...90° изменение hmax не превышает 30%, при этом размеры площадки контакта абразивной частицы с поверхностью увеличиваются всего на 15 %. Поэтому при изменении aот 45 до 90° шероховатость поверхности практически не изменяется. Проведенные эксперименты доказали, что нет существенных различий в значениях шероховатости, полученных при обработке образцов из материалов ВТ9, ВТ20, ЖС6Ф, Э437Б, Э961 (разброс значений шероховатости не более 5%),

<img border=«0» width=«510» height=«226» src=«ref-1_1469446160-26124.coolpic» v:shapes="_x0000_i1053">

<img border=«0» width=«217» height=«150» src=«ref-1_1469472284-7572.coolpic» v:shapes="_x0000_i1054">

<img border=«0» width=«358» height=«113» src=«ref-1_1469479856-8333.coolpic» v:shapes="_x0000_i1055">

<img border=«0» width=«422» height=«650» src=«ref-1_1469488189-75065.coolpic» v:shapes="_x0000_i1056">
что по-видимому, объясняется близкими значениями глубин внедрения абразивных частиц.

На рис. 3.20, 3-22...3.24 штриховыми линиями показаны графики, подученные в результате математического моделирования процесса формирования микрорельефа обрабатываемой поверхности. Теоретические и экспериментальные зависимости хорошо согласуются между собой, разброс значений не превышает 17...22 %, что является вполне удовлетворительным для такого сложного процесса обработки.

При струйной ГАО формирование микрорельефа происходит за счет удаления материала с обрабатываемой поверхности. Чем интенсивнее съем материала, тем меньше время, необходимое для достижения значения шероховатости, соответствующего данным условиям обработки. В общем случае время, необходимое для получения заданной шероховатости поверхности, зависит от параметров обработки, исходной шероховатости {Rа
maх) и площади обрабатываемой поверхности.

Эксперименты показали, что если в процессе струйной ГАО шероховатость поверхности увеличивается, то, независимо от значения Raисх формирование нового микрорельефа происходит в течение первых 50… 70 с, а затем шероховатость не изменяется (рис, 3.25). Полученное в данном случае значение шероховатости соответствует зернистости абразивного материала. Если в процессе обработки исходная шероховатость поверхности уменьшается, то время, которое необходимо для получения шероховатости, соответствующей зернистости абразивного материала при данных условиях обработки, будет зависеть от соотношении между Raисхи Raаб.С увеличением исходной шероховатости необходимое время обработки увеличивается (рис. 3.26). Экспериментальные исследования показали, что получение значений шероховатости, равных Raаб возможно, если Raисх не превышает Raаб более чем в 3,5...4 раза. В противном случае уменьшение шероховатости происходит до некоторого значения после чего микрорельеф обрабатываемой поверхности копируется.

Одна и та же шероховатость поверхности может быть получена при различных сочетаниях технологических параметров. Например, обработка абразивным материалом зернистости М40 при pв*=0,4 МПа, а=45° дает значение Ra=0,68...0,7 мкм, такая же шероховатость получается при зернистости М50, рв*=0,25 МПа, а=45° и М63, рв*=0,2 МПа, а=32°. Время обработки для каждого из трех случаев различно (рис. 3.27). Мини-


<img border=«0» width=«469» height=«184» src=«ref-1_1469563254-21031.coolpic» v:shapes="_x0000_i1057">

<img border=«0» width=«497» height=«164» src=«ref-1_1469584285-19841.coolpic» v:shapes="_x0000_i1058">
мальное время получается при технологических параметрах, обеспечивающих максимальный съем металла — М40, рв*=0,4 МПа, а=45°.

С достаточной степенью точности зависимость шероховатости обрабатываемой поверхности от времени струйной ГАО при различных значениях исходной шероховатости может быть описана следующей эмпирической формулой:
<img border=«0» width=«521» height=«58» src=«ref-1_1469604126-4657.coolpic» v:shapes="_x0000_i1059">
Где <img border=«0» width=«106» height=«57» src=«ref-1_1469608783-1825.coolpic» v:shapes="_x0000_i1060"> линейный съем материала с обрабатываемой поверхности, G— массовый съем материала, г/с: F— площадь обрабатываемой поверхности, мм2; рм — плотность обрабатываемого материала, г/см3; Т — время обработки, с.

Полученные экспериментально зависимости (3.50), (3.51), (3.52) шероховатости поверхности от основных технологических параметров обработки позволяют прогнозировать результаты струйной ГАО, а также решать задачу выбора технологических параметров, обеспечивающих максимальную производительность обработки при заданной шероховатости.

Напряженное состояние поверхностного слоя при струйной ГАО прежде всего зависит от размеров (массы), скорости (определяется давлением воздуха на входе в активное сопло) и угла атаки абразивных частиц Для выяснения степени влияния каждого из этих параметров на остаточные напряжения и наклеп были проведены эксперименты на образцах из ВТ9, ЭИ961 и ЖС6Ф при следующих технологических параметрах струйной ГАО: абразивный материал — электрокорунд 24А зернистости 10, М63. М40, М20; К=20 %; po*=0,1...0.4 МПа; а=15...90"; L=100 мм: T=4 мин. Исследования остаточных напряжений проводились на образцах с размерами 3,8X10X100 мм, для определения наклепа использовались образцы с размерами 3.8Х 10X30 мм. Для снятия начальных макро-напряжений и наклепа все образцы подвергались вакуумному отжигу. Поcледовательность выполнения работ при подготовке и проведении струнной ГАО была такой же, как и при исследовании производительности обработки.

Остаточные напряжения определялись путем измерения деформации образца при непрерывном травлении с последующим расчетом по фор муле И. П. Давиденкова ,

Глубина и степень наклепа после струйной ГАО определялись путем измерении микротвердости поверхности косых срезов образцов на приборе ПМТ-3 при нагрузках 0,245...0,98 Н. Косые срезы были получены притиркой образцов абразивными пастами на специальном приспособлении, угол среза равен 1°.

При струйной ГАО абразивные частицы взаимодействуют с обрабатываемой поверхностью в среде жидкости, которая, обтекая абразивные частицы, проникает непосредственно в зону контакта. Температурные структурные изменения материала в поверхностном слое при таких условиях происходить не могут. Поэтому возникновение остаточных напряжений обусловлено деформационными процессами, происходящими при многократных ударных воздействиях абразивных частиц на обрабатываемую поверхность. Характер деформирования поверхности абразивными частицами зависит прежде всего от их скорости, массы (размеров) и угла атаки.

В результате экспериментальных исследований было установлено, что при любых сочетаниях варьируемых технологических параметров в поверхностном слое формируются остаточные напряжении сжатия без подслойного максимума. Общая глубина распространения остаточных напряжений не превышает 50...60 мкм. На рис. 3.28 приведены эпюры остаточных напряжений, полученные при обработке образцов абразивными материалами различной зернистости. С увеличением размеров абразивных частиц величина и глубина залегании напряжений увеличиваются. Максимум напряжений находится на поверхности, причем наблюдается резкое снижение этих напряжений в слое толщиной 5… 15 мкм. Характер распространения остаточных напряжений при обработке различных материалов не изменяется. В то же время уровень напряжении у титанового сплава ВТО несколько ниже, чем у сплавов ЖС6Ф и ЭИ961.

С увеличением давления воздуха на входе в активное сопло величина и глубина залегания остаточных напряжений увеличиваются (рис. 3.29) независимо от обрабатываемого материала и зернистости абразивного материала.

<img border=«0» width=«481» height=«305» src=«ref-1_1469610608-32109.coolpic» v:shapes="_x0000_i1061">

<img border=«0» width=«457» height=«277» src=«ref-1_1469642717-24417.coolpic» v:shapes="_x0000_i1062">
На рис 3.30 приведены эпюры остаточных напряжений при обработке на различных углах атаки. Максимальный уровень напряжений имеет место при а=90и; Это объясняется тем, что па углах, близких к 90є, практически вся энергия абразивных частиц расходуется на удар с поверхность. С уменьшением а нормальная составляющая скорости движения уменьшается, что приводит к снижению величины и глубины за легация напряжений, причем наиболее сильное снижение происходит к диапазоне изменения угла атаки от 90є до 60...70° (примерно в 1,7. .2,0 раза).

Определение глубины и степени наклепа проводилось на образцах, прошедших обработку при тех же технологических параметрах, что и образцы для исследования остаточных напряжений. Результаты измерения
<img border=«0» width=«509» height=«273» src=«ref-1_1469667134-27036.coolpic» v:shapes="_x0000_i1063">
<img border=«0» width=«393» height=«176» src=«ref-1_1469694170-17194.coolpic» v:shapes="_x0000_i1064">
микротвердости на поверхности косых срезов показали, что при обработке абразивными материалами зернистости М63 и менее микротвердость но глубине поверхностного слоя практически не изменяется (рис. 3.31). При использовании абразивных материалов зернистости 10 увеличивается микротвердость на 4...6 % только при рв*=0,4 МПа и а=90", причем глубина упрочненного слоя не превышает 5...7 мкм.

Наличие значительных остаточных напряжений сжатия при малой степени деформационного упрочнения обуславливает повышенную стойкость поверхностного слоя деталей кобразованию микротрещин в условиях повышенных температур и знакопеременных нагрузок.


7. СХЕМЫ
ИКОНСТРУКЦИИ СТРУЙНЫХ АППАРАТОВ

7.1 КЛАССИФИКАЦИЯ ИТРЕБОВАНИЯ К СТРУЙНЫМ АППАРАТАМ

<img border=«0» width=«517» height=«293» src=«ref-1_1469711364-50836.coolpic» v:shapes="_x0000_i1065">
Производительность и качество струйной ГАО зависят от энергетических возможностей гидроабразивной струи, формируемой струйным аппаратом. Основными требованиями, предъявляемыми к струйным аппаратам, являются: обеспечение максимальной скорости струи при минимальном расходе энергоносителя и максимальном расходе гидроабразивной суспензии; обеспечение равномерного распределения абразивных частиц по сечению струи. Первое требование определяет производительность, а второе — качество обработки.

Число возможных схем, а также разработанных конструкций струйных аппаратов достаточно велико. Па рис, 4.1 приведена классификация струйных аппаратов, разработанная в результате анализа опубликованных работ. В настоящее время при струйной ГАО наибольшее применение находят аппараты с принудительной насосной подачей суспензии в камеру смешения и последующим ее разгоном сжатым воздухом. Такие аппараты стабильно работают в широком диапазоне изменения давления воздуха и расхода суспензии, обеспечивая достаточно высокую производительность и качество обработки. Совершенствование струйных аппаратов ведется по нескольким направлениям: увеличение скорости гидроабразивной струи; формирование струй различной формы; уменьшение износа сопел. Эффективность работы струйного аппарата определяется его геометрическими параметрами, основными из которых являются: размеры иотношение площадей активною и смесительного сопел; расстояние между активным и смесительным соплами; длина сопел; угол сходимости смесительного сопла; размеры камеры смешения ит. д.

Скорость истечения гидроабразивной струи зависит от размеров и от. ношения площадей проходных сечений сопел По данным Ш. М. Билика максимальная производительность обработки наблюдается при диаметра, активного и смесительного сопел, равных <metricconverter productid=«8 мм» w:st=«on»>8 мм для абразивных материи лов зернистости 12...60 и <metricconverter productid=«10 мм» w:st=«on»>10 мм для М40 и меньше.

Разгон гидроабразивной суспензии осуществляется в смесительном сопле струйного аппарата. Длина сопла должна выбираться таким образом, чтобы обеспечить минимальные потери энергии при разгоне, равномерное поле скоростей па выходе из сопла и заданный угол распыла струи. В литературе рекомендуется выбирать длину смесительного сопла из соотношения lс=(6...10)dcгде dc— диаметр сопла, мм. В cмесительных соплах струйных аппаратов для струйной ГАО происходит движение трехфазной смеси, поэтому это соотношение, полученное для одно- и двухфазных потоков, требует экспериментальной проверки. Практически во всех конструкциях струйных аппаратов предусмотрено регулирование расстояния между выходным торцем активною сопла и входным торцем смесительного сопла, что объясняется отсутствием надежных рекомендаций по выбору этого параметра.

Производительность икачество струйной ГАОмогут быть повышены за счет применения струйных аппаратов, формирующих плоскую гидроабразивную струю. Щелевые смесительные сопла, применяемые в этих аппаратах, обеспечивают но сравнению с круглыми более равномерный съем материала и наиболее эффективны при обработке сложнопрофильных поверхностей.

Внутренняя поверхность смесительного сопла при работе струйного аппарата подвергается интенсивному абразивному воздействию. Поэтому материалы, из которых изготавливаются сопла, должны иметь повышенную износостойкость. В настоящее время для изготовления сопел струйных аппаратов широко используются твердые сплавы и металлокерамика. Стойкость таких сопел составляет около 100 часов. В несколько раз большую стойкость имеют сопла из карбида вольфрама и карбида бора, однако их стоимость весьма высока. Уменьшить стоимость сопел можно за счет применения для ихизготовления обычных конструкционных материалов с последующим нанесением на внутреннюю поверхность защитного износостойкого покрытия.

Технология изготовления сопел струйного аппарата должна обеспечивать минимальную шероховатость внутренней поверхности и правильную геометрическую форму проходных сечений. При сборке струйного аппарата должна быть обеспечена соосность активного и смесительного сопел, что позволяет уменьшить потери энергии при разгоне суспензии и повысить стойкость сопел за счет исключения одностороннего износа.
7.2 КОНСТРУКЦИИ СТРУЙНЫХ АППАРАТОВ

7.2.1 Струйные аппараты, формирующие струи круглого сечения

В настоящее время разработано и используется на производстве достаточно большое количество струнных аппаратов, формирующих гидроабразивную струю круглого сечения. Ниже рассмотрены наиболее часто применяемые конструкции.

На рис. 4.25 представлена конструкция струйного аппарата, позволяющая изменять его геометрические параметры. На корпус 4, представляющий собой втулку с наружной резьбой, навертываются передний ,3и задний 7 корпусы. На переднем корпусе 3гайкой 2крепится смесительное сопло 1. В задний корпус 7 ввернута трубка 6, на конец которой навертывается активное сопло 5. Трубка в корпусе 7 крепится гайкой 10. На нижнем конце трубки с помощью накидной ганки 11 крепится штуцер 12. По этому штуцеру к струйному аппарату подводится сжатый воздух. К корпусу 7 накидной гайкой 8 присоединяется штуцер 9для подвода суспензии.

Сменные активные сопла 5 имеют диаметры выходных сечений 4...14 мм, длину в пределах 52…64 мм, что позволяет регулировать расстояние между активным и смесительным соплами. Смена активного и смесительного сопел и расстояния между ними осуществляется с малой затратой времени.
<img border=«0» width=«475» height=«263» src=«ref-1_1469762200-25867.coolpic» v:shapes="_x0000_i1066">
Для обработки фасонных и плоских поверхностей применяют струйный аппарат, конструкция которого представлена на рис. 4.26. Аппарат состоит из корпуса 5, в который вставлен ствол 4со сменным активным соплом 2. В корпус с передней стороны ввернут стакан 3со сменным смесительным соплом / С другой стороны корпуса через штуцер вв аппарат подается суспензия, а через штуцер 7 — сжатый воздух. Сжатый воздух, проходя между конусами активного и смесительного сопел, эжектирует суспензию и выбрасывает ее на обрабатываемую поверхность.

Схема струйного аппарата для обработки отверстий показана на рис. 4.27. Он состоит из корпуса 1, направляющего наконечника 5, активного сопла 2и втулки 3. Разрезная шайба 4фиксирует положение втулки 3, через отверстии в которой в смесительную камеру поступает суспензия. Последняя увлекается сжатым воздухом и направляется через выходные отверстия в корпусе на обрабатываемую поверхность. Направление струи осуществляется профилем канала наконечника. При эксплуатации таких струйных аппаратов быстро изнашиваются и требуют частой замены наконечники 5 и корпусы 1.

<img border=«0» width=«494» height=«281» src=«ref-1_1469788067-27175.coolpic» v:shapes="_x0000_i1067">
<img border=«0» width=«427» height=«210» src=«ref-1_1469815242-25734.coolpic» v:shapes="_x0000_i1068">


Одним из существенных недостатков в работе струйного аппарата является абразивный износ рабочей части смесительного сопла. Для уменьшения этого недостатка используется струйный аппарат, конструкция которого представлена на рис. 4.28. Аппарат состоит из корпуса 1, втулки 2для подачи суспензии, срез выходного отверстия которой расположен на 1/3 длины рабочей части смесительного сопла 5, и штуцера 3для подвода сжатого воздуха. Во втулке 2выполнены отверстия 4, которые равномерно расположены под острым углом к оси втулки по направлению движения абразивных частиц в непосредственной близости от среза выходного отверстии втулки.

При работе сжатый воздух через штуцер 3подается в кольцевую щель между втулкой 2и корпусом 1 в рабочую часть смесительного сопла 5. При обтекании втулки 2в кольцевом потоке создается разрежение, которое способствует всасыванию абразивных частиц вместе С воздухом через отверстия 4в рабочую часть сопла 5. Благодаря тому, что скорость в центре потока выше, чем на периферии.
<img border=«0» width=«372» height=«202» src=«ref-1_1469840976-13003.coolpic» v:shapes="_x0000_i1069">

<img border=«0» width=«406» height=«184» src=«ref-1_1469853979-13779.coolpic» v:shapes="_x0000_i1070">

абразивные частицы стремятся в центр потока, поэтому он проходит рабочую часть сопла 5, не касаясь его стенок. В результате этого абразивный износ смесительного сопла 5 значительно уменьшается.

На рис. 4.29 представлена конструкция струйного аппарата с соплом из минералокерамических колец. В корпусе 3установлено активное сопло 2, в которое через штуцер 6и муфту 5 подводится сжатый воздух. Подвод суспензии к аппарату осуществляется через штуцер 4    продолжение
--PAGE_BREAK--