Струйная гидроабразивная обработка поверхностей

       При струнной ГАО абразивные частицы в суспензии должны быть одинаковыми, чтобы устранять следы предшествующей обра­ботки поверхности и создавать новую однородную микрогеометрию поверхности. Только при особых вилах струйной ГАО суспензию со­ставляют из абразивных частиц разной зернистости. Если раздроблен­ные частицы абразивного материала длительное время не удалять из суспензии, то эффективность струйной ГАО снизится.

       Устройства для сортировки отработавшего абразивного материала применяют лишь в крупных установках для струйной ГАО или в цехах, где работает несколько установок и где применяются дорогие сор­та абразивных материалов.

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 (начало внедрения) до 0 (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:

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

В начальный момент времени

тогда

откуда дли траектории движения частицы получим

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

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

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).

       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:

       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 45º съем металла возрастает, достигая максимума при а = 45", затем наблю­дается снижение съема, а в диапазоне 75—90 º 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 Rmax и 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 Z позволяет 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

где , 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 j частица достигает макси­мальной глубины внедрения. Высота профиля микрорельефа относи- -тельно средней линии в точках, где произошла деформация, опреде­ляется по следующей формуле:

где Мi-=j — исходная высота профиля в точке j; hmax — максимальная глубина внедрения, мм; δ— интервал дискретизации профиля; n = 1, £, £ — 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:

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:

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 — Rа, Rмах, 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.

       Моделирование начинается с создания исходного профиля обраба­тываемой поверхности, дли чего формируется массив M(i) случайных чисел, равномерно распределенных в интервале от -5Rmax доRmax. Среднее арифметическое отклонение формируемого массива должно быть равно исходному значению Rmax 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 на завершающем 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.

       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 Ra max равная 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: Ra исх=0,15...0,2 мкм, Ra исх= 0,3...0.4 мкм; Ra исх = 0,5...0,6 мкм; Ra исх =0.7...0,8 мкм; Ra исх = 0,9.1,0 мкм; Ra исх= I.I...1.25 мкм; Ra исх= 1,4.-l.6 мкм;  1.8...2,0 мкм; Ra исх= 2,2...2,5 мкм; Ra исх =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... 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.

Страницы: 1, 2, 3