Абразивно-струйная обработка крупногабаритных заготовок

Обработка внутренних цилиндрических поверхностей имеет ряд сложностей, связанных с ограниченным доступом в зону обработки, а также с обеспечением высокой производительности и экономичности. Детали, к которым предъявляются высокие требования по качеству поверхности, в первую очередь содержат поверхности, работающие в условиях трения скольжения или качения – детали двигателя автомобиля, подшипники и др. [1–7]. Примером крупногабаритных деталей выступают трубные заготовки различного целевого назначения. В частности, нефтяные и газовые трубопроводы требуют высокого качества поверхности под нанесение антикоррозионных покрытий или проведения диагностики внутренних дефектов.

В настоящее время окончательная обработка преимущественно производится с применением абразивных инструментов или сред. К методам обработки деталей свободным абразивом относят: вибрационную обработку, центробежно-ротационную обработку, струйно-абразивную обработку, турбоабразивную обработку, обработку свободным абразивом, уплотненным инерционными силами, магнитно-абразивное полирование и галтовку. Классифицировать методы обработки свободными абразивами в зависимости от технологических параметров можно по ряду признаков: типу абразивной среды, необходимости закрепления заготовок, главному движению, количеству одновременно обрабатываемых заготовок, характеру воздействия инструмента, направлению следов обработки [8].

Способ объемной центробежно-ротационной обработки [9–11] заключается в том, что гранулированная обрабатывающая среда и заготовки приводятся во вращение вокруг вертикальной оси таким образом, что приобретают форму тора, в котором частицы движутся по спиральным траекториям. Обрабатываемые заготовки загружаются в рабочую камеру «в навал» и перемещаются вместе с рабочей средой. Съем металла осуществляется за счет относительного перемещения и взаимодействия абразивных гранул и заготовок, смачиваемых жидкостью, непрерывно подаваемой в рабочую камеру.

Одним из перспективных является метод струйно-абразивной обработки, сущность которого заключается в использовании эффекта удара частиц обрабатывающего материала об обрабатываемую поверхность [12–15]. Физическая картина процесса аналогична изнашиванию материалов, находящихся под действием потока частиц. Кроме съема металла с поверхности наблюдается ее упрочнение и изменение микрогеометрии, а в тонких поверхностных слоях возникают остаточные напряжения сжатия. Другая разновидность метода – турбоабразивная обработка основана на использовании техники псевдоожижения сыпучих материалов и заключается в создании абра- зивного кипящего (псевдоожиженного) слоя, в который помещают обрабатываемую деталь, задавая в зависимости от ее формы различные виды движения.

Методы обработки свободными абразивами имеют общие особенности, основные из которых следующие:

• 1)    отсутствие жесткой кинематической связи инструмента и заготовки;

• 2)    низкотемпературный характер обработки;

• 3)    возможность обработки заготовок сложной формы;

• 4)    «безразмерный» характер обработки;

• 5)    повышение микротвердости поверхностного слоя после обработки.

Абразивно-струйная обработка не имеет альтернативы при обработке внутренних поверхностей или фасонных поверхностей с труднодоступными элементами. В этом случае данный метод абразивной обработки становится хорошей заменой шлифованию, хонингованию или суперфинишированию [16, 17].

На основании проведенного анализа поставлена задача – повышение производительности и экономичности абразивно-струйной обработки внутренних цилиндрических поверхностей крупногабаритных заготовок.

1.    Схема абразивно-струйной обработки

Практическое применение получили несколько схем абразивно-струйной обработки. Известен способ и реализующее его устройство для обработки деталей в псевдоожиженном слое абразива [18]. Данный способ предназначен для обработки деталей типа колец подшипников в закрытой рабочей камере с абразивной средой, в которую подается сжатый воздух через сопла в роликах с отверстиями. Способ не может быть напрямую использован для обработки внутренних поверхностей, так как реализуется только для обработки наружных поверхностей изделий. Другой разновидностью способа является камерная обработка свободным абразивом [19].

На практике используются способ и реализующая его установка для струйной обработки внутренней поверхности трубных заготовок [20]. Для этого создают накопительно-расходный узел, содержащий два отдельно расположенных бункера со встроенными внутри струйными аппаратами, и система трубопроводов рабочего тела, к которым последовательно прикрепляют обрабатываемые заготовки. В бункерах формируется абразивно-воздушная смесь, которая затем циркулирует внутри обрабатываемых изделий и отводится через систему трубопроводов. Недостатками данного способа являются невозможность его использования для обработки крупногабаритных изделий или магистральных трубопроводов, а также сложность конструктивной реализации.

Другой известный способ абразивно-струйной очистки поверхностей металлов [21] включает подачу сжатого воздуха под давлением, образование абразивно-воздушной смеси, подачу ее в сопло для ускорения и выброса на обрабатываемую поверхность. Отличительная особенность способа заключается в добавлении азота в воздушную смесь перед образованием абразивновоздушной смеси. Недостаток указанного способа при обработке внутренних поверхностей связан с невысокой производительностью за счет использования одного сопла для подачи сжатого воздуха и его ручного перемещения вдоль обрабатываемой поверхности. Также недостатком является высокая стоимость реализации способа, так как требуется камера закрытого типа с рециркуляцией воздуха и баллоны с газообразным азотом. Присутствие оператора в зоне обработки не в полной мере удовлетворяет требованиям экологической безопасности.

Для повышения производительности и экономичности абразивно-струйной обработки внутренних цилиндрических поверхностей крупногабаритных заготовок обоснована новая схема. Ее отличительная особенность заключается в том, что внутри обрабатываемой цилиндрической поверхности на части заготовки 1 создают герметичную рабочую зону посредством двух заслонок 2, внутрь которой помещают абразивный материал, а подачу сжатого воздуха осуществляют через сопла 3 (рис. 1). Образующаяся абразивно-воздушная смесь 4 постоянно циркулирует внутри рабочей зоны и производит обработку поверхности заготовки 1. Клапан для отвода воздуха из закрытой полости условно не показан. Таким образом обеспечиваются нормы экологической безопасности, так как оператор не находится непосредственно в зоне обработки.

Рис. 1. Принципиальная схема обработки: 1 – заготовка, 2 – заслонки, 3 – сопла, 4 – абразивно-воздушная смесь, 5 – стержень, 6 – штуцер, 7 – шланг, 8 – уплотнения

Для обеспечения постоянной циркуляции абразивно-воздушной смеси 4 сопла 3 располагают симметрично по центру рабочей зоны. Сжатый воздух в рабочую зону подают через одну из заслонок 2 под давлением через стержень 5, штуцер 6 и шланг 7. Величину давления сжатого воздуха выбирают в зависимости от диаметра обрабатываемой поверхности и т ребуемой производительности обработки из диапазона 3–10 ат. Циркуляция абразивно-возду ш ной смеси 4 внутри герметичной рабочей зоны, возможность изменения давления и применен и е нескольких сопел 3 для подачи сжатого воздуха под давлением способ с твуют повышению производительности обработки.

Важная особенность способа также заключается в том, что образование абразивно-воздушной смеси 4 осуществляют непосредственно в рабочей зоне обработки путем смешивания абразивного материала и сжатого воздуха, тем самым предохраняя от изнашивания элементы пескоструйной установки и обеспечивая экономичность обработки.

Обработку протяженных цилиндрических пове р хностей по всей длине, например, магистральных трубопроводов выполняют перемещением герметичной рабочей зоны вдоль обрабатываемой поверхности.

Герметичная рабочая зона образуется конструк т ивно двумя заслонка м и 2 круглой формы, например, жестко насаженными на полый стержень 5. Сжатый воздух подают под давлением от источника энергии через стержень 5 и одну из заслонок 2. Для обеспечения герметичности рабочей зоны заслонки круглой формы снабжают уплотн е ниями 8 по периферии.

Технический результат предложенного решения заключается в повышении производительности и экономичности обработки внутренних цили н дрических поверхностей крупногабаритных заготовок за счет создания герметичной рабочей зо н ы, в которой постоянно циркулирует абразивно-воздушная смесь.

2.    Экспериментальная проверка нового способа обработки

Предложенная схема абразивно-струйной обработки и реализующее ее устройство прошли экспериментальную проверку в производственны х условиях ОАО «Ор г энергогаз». Диаметр обрабатываемой трубы 200 мм. Исследования показали, что происходит не только уменьшение шероховатости поверхности, но и упрочнение поверхностных слоев. При этом ряд с к рытых дефектов в поверхностных слоях лучше обнаруживается ультразвуковым методом.

Основная проблема при реализации рассмотренной схемы обработки – обеспечение заданного объема снимаемого материала в единицу времени. Варьируемыми параметрами, помимо времени обработки, являются давление воздуха и характеристики абразивного материала. Для науч- но обоснованного выбора значений данных параметров необходимо создать физическую модель процесса абразивной обработки. Применяемый абразивный материал – электрокорунд зернистости 40 – обеспечил снятие необходимого припуска.

Для анализа физической картины абразивно-струйной обработки по новой схеме предлагается следующая феноменологическая модель. Абразивные зерна под действием струи сжатого воздуха ударяются об обрабатываемую поверхность, вследствие чего происходит съем металла. При этом возможны следующие варианты: а) частица внедряется под острым углом в материал; б) частица скользит вдоль поверхности и срезает микростружку; в) частица ударяется о другую частицу и передает ей часть энергии; г) частица, ударяя другую частицу, придает ей вращение вокруг центра масс.

Исследование приведенных вариантов взаимодействия абразивных частиц друг с другом и с обрабатываемой поверхностью позволяет сделать вывод, что эффективный съем металла происходит в вариантах б) и г). Реализовать эти варианты возможно за счет создания кругового вращения абразивно-воздушной смеси внутри обрабатываемой поверхности заготовки. Для этого следует решить аэродинамическую задачу, определив оптимальное расположение сопел, подающих воздух.

Выводы

• 1.    Обоснована новая схема абразивно-струйной обработки для внутренних поверхностей крупногабаритных заготовок, позволяющая повысить производительность и уменьшить расход абразива.

• 2.    Предложенная схема обработки и реализующее ее устройство отличаются от известных тем, что создается герметичная рабочая зона, в которой формируется и затем постоянно циркулирует абразивно-воздушная смесь.

• 3.    Получение необходимых значений съема припуска и шероховатости обработанной поверхности обеспечивается подбором давления воздуха, времени обработки и количеством и конструктивным расположением сопел в устройстве.

• 4.    Проведенные экспериментальные исследования подтвердили эффективность новой схемы абразивно-струйной обработки для очистки внутренних поверхностей труб газопровода.

• 5.    Разработанная схема абразивно-струйной обработки в дальнейшем может найти применение для фасонных поверхностей.

Работа выполнена при финансовой поддержке ФЦП (проект № 2014-14-576-0050-065), госза-дания Минобрнауки России (контракт № 9.896.2014/K) и гранта Президента РФ (МД-1377.2014.8).