Характеристики и применение абразивов в обработке поверхности

В изделиях машиностроения имеется множество деталей, финишная обработка которых вследствие сложности геометрической формы является весьма трудоемкой. В подобных случаях используют методы обработки потоками абразивных частиц и специальными средами, содержащими абразивные частицы.

Методы обработки в абразивных средах можно разделить на несколько основных групп: — Струйная абразивная обработка (САО). Выполняется за счет ударного воздействия абразивных частиц, переносимых высокоскоростной струей жидкости или газа (воздуха). — Объемная абразивная обработка (ОАО), т. е. обработка в среде хаотично перемещающихся абразивных частиц. Она основана на взаимодействии абразивных частиц с поверхностями детали при их относительном перемещении. Движение абразивных частиц создается потоком воздуха или жидкости, наложением вибраций, центробежными силами и др. — Экструзионная абразивная обработка (ЭАО). Обработка производится в потоке вязкой абразивной суспензии, прокачиваемой через внутренние полости деталей (экструзионное хонингование) или вспомогательную полость, в которой размещены обрабатываемые детали (экструзионное полирование).

Струйная абразивная обработка

Для струйной абразивной обработки используется оборудование открытого и камерного типа, с различной степенью автоматизации рабочего процесса.

При открытой обработке требуется спецодежда и устройства защиты глаз и дыхательных путей оператора, за исключением автоматической обработки роботами-манипуляторами и устройствами для безпылевой обработки, где требования индивидуальной защиты сводятся к минимуму. Достоинством камерных установок является экологическая чистота, а недостатком ограниченные размеры деталей. Типовая схема камерной установки приведена на рис. 1.

Рис. 1. Схема камерной установки для струйной абразивной обработки

Абразивная суспензия подается в рабочий струйный аппарат насосом. Одновременно в него подается сжатый воздух. Образующаяся абразивная струя воздействует на поверхности обрабатываемых деталей. Перемещение детали относительно абразивной струи может выполняться вручную или с использованием специальных приспособлений, обеспечивающих равномерность обработки. Для выполнения ручной обработки или смены детали в приспособлении используются специальные рукава и перчатки. После завершения абразивной обработки может быть выполнена промывка деталей, осуществляемая промывочным струйным аппаратом. Для САО используются следующие виды абразивов и частиц: — Корунд (электрокорунд) используется при подготовке поверхностей к нанесению покрытий, очистке поверхностей от окалины после термической обработки, для финишной обработки с целью снижения шероховатости, очистки заготовок после литья от частиц формовочной смеси, удаления заусенцев, скругления острых кромок, удаления старых металлопокрытий. Обработку производят абразивными частицами размером 12…325 мкм при давлении воздуха 0,1…0,6 МПа. Широко используется при обработке сталей средней и высокой твердости. — Карбид кремния используется для тех же целей что и электрокорунд. Частицы SiC имеют более выраженные и острые грани. Его целесообразно использовать при обработке деталей из вязких сплавов и титановых сплавов. — Стальные угловатые частицы твердостью 40…60 HRC размером 10…325 мкм. Используются для очистки от нагара, снятия заусенцев, старой краски, подготовки поверхностей к нанесению покрытий. — Стальная дробь твердостью 20…60 HRC размерами 8…200 мкм. Применяется для упрочнения поверхностного слоя, удаления окалины, формирования остаточных напряжений сжатия, снижения пористости. — Угловатые частицы из закаленного стекла размерами 30…400 мкм. — Стеклянная дробь используется как для процессов очистки, так и поверхностного упрочнения, матирования поверхностей в декоративных целях, снижения пористости. — Пластиковые гранулы. — Фруктовые косточки. — Сухой лед.

Струйная обработка сухим льдом позволяет осуществлять очистку деталей от нагара и загрязнений без риска повреждения металлических поверхностей. Обработка производится частицами льда, подаваемыми в высокоскоростную струю воздуха. Такая обработка не требует последующей промывки деталей от частиц абразива, как это имеет место при струйно-абразивной обработке.

Очевидно, что производительность и состояние поверхностного слоя после обработки зависят от размеров (табл. 1) и типа абразивных частиц, их концентрации в суспензии, давления сжатого воздуха, расстояния от среза сопла до обрабатываемой поверхности, времени обработки единицы поверхности и некоторых других факторов, например, поверхностно-активных веществ, добавляемых в суспензию.
Таблица 1

С увеличением угла атаки до 45° шероховатость поверхности возрастает, а затем практически не изменяется.

САО позволяет: — очищать поверхности от окалины, ржавчины, старой краски, покрытий и т. д.; — снизить шероховатость поверхности и придать ей высокие декоративные свойства; — подготовить поверхность к нанесению защитных и лакокрасочных покрытий; — упрочнить поверхностный слой; — удалить заусенцы и скруглить острые кромки деталей.

Одним из важных достоинств САО является отсутствие существенного нагрева деталей при обработке.

В производстве ГТД процессы САО, в частности, используются: — для подготовки поверхностей пера лопаток компрессора и турбины к нанесению эрозионно-стойких и коррозионно-стойких и жаростойких покрытий; — удаления нагара, алитированного слоя и старых жаростойких покрытий при ремонте лопаток турбины; — полирования лопаток турбины, диффузора и крыльчатки турбостартера, полотна диска компрессора; — скругления радиусов в соединениях типа «Хирт»; — подготовки поверхности пера заготовок лопаток компрессора под вальцевание.

Объемная абразивная обработка

Объемная абразивная обработка в зависимости от характера применяемой рабочей среды представляет собой механический или химико-механический процесс удаления тонких слоев материала и сглаживания микронеровностей частицами рабочей среды, оказывающими ударное воздействие на обрабатываемые поверхности. При ОАО стремятся обеспечить условия, когда частицы контактируют с поверхностью под разными углами в различных направлениях. Желательно также, чтобы интенсивность воздействия и съем металла были равномерными по всем обрабатываемым поверхностям.

В качестве рабочих сред при ОАО используются частицы различной формы и размеров, материал и свойства которых выбираются в зависимости от цели обработки. Считается, что частицы конической формы наиболее благоприятны для обработки деталей с отверстиями, а треугольные — для сглаживания острых кромок. Для сложных деталей, содержащих различные конструктивные элементы, рекомендуется одновременное использование частиц различной формы. Тяжелые и крупные частицы обеспечивают большую производительность, чем легкие и мелкие. При использовании мелких частиц достигается более низкая шероховатость поверхностей. Следует отметить, что низкая шероховатость обрабатываемых поверхностей может быть достигнута и использованием крупных частиц, содержащих или шаржированных мелким абразивом.

Керамические частицы (рис. 2) рекомендуется использовать для операций полирования и удаления заусенцев. В наибольшей степени они подходят для обработки деталей из труднообрабатываемых и твердых материалов. Частицы изготавливают из окиси кремния SiO2 и других минералов (в качестве связки) и абразивов.

Рис. 2. Керамические и пластиковые частицы различной формы

Их формуют и спекают при высоких температурах, получая пористые структуры с высокой твердостью. Некоторые керамические частицы сложной формы (треугольник, звездочка, цилиндр, эллипс и др.) получают экструзией и отрезкой в требуемый размер. Плотность, твердость и структура керамических частиц выбираются в зависимости от конкретных условий обработки.

В настоящее время для ОАО широко используют искусственные частицы на основе пластиков, наполненных абразивами, обеспечивающие высокую производительность и качество обработки. Среды из пластиков отличаются широким разнообразием по применяемым материалам и формам частиц, типу, концентрации и размерам абразивных зерен. Эти среды обеспечивают меньший съем материала при более высоком качестве поверхностного слоя. Пластиковые среды рекомендуется использовать для подготовки поверхностей к нанесению покрытий, полирования и скругления острых кромок. Их в основном используют для обработки деталей из сравнительно мягких материалов и материалов средней твердости. При их применении получают гладкие матовые поверхности. Как и в случае с керамическими средами, в закладках обычно используют частицы различной формы. Синтетические среды обеспечивают высокую скорость удаления материала и обладают высоким сопротивлением износу.

Для поверхностного упрочнения используют стальную дробь (рис. 3). При упрочнении мягких материалов, например алюминиевых сплавов, нашли применение среды из пластиковых шариков.

Рис. 3. Стальные частицы, используемые для поверхностного упрочнения

Обработка может выполняться сухими средами или средами, содержащими воду или масло. Добавки жидкостей способствуют снижению температуры и вымыванию продуктов разрушения, кроме того, они могут обеспечить повышение производительности обработки за счет снижения или устранения засаливания частиц среды. При использовании воды в нее добавляют ингибиторы коррозии.

Для объемной абразивной обработки наиболее широко применяются следующие методы: — центробежная абразивная обработка; — дисковая абразивная обработка; — вибрационная абразивная обработка; — ротационная и планетарно-ротационная обработка — турбоабразивная обработка (в псевдокипящей среде). Эти методы отличаются способом обеспечения движения частиц рабочей среды.

Особенности и сфера применения ОАО приведены в табл. 2.
Таблица 2

При центробежной абразивной обработке перемещение частиц среды достигается действием центробежных сил. Принцип работы барабанной центрифуги показан на рис. 4. На вращающейся крестовине устанавливаются барабаны, заполняемые абразивной средой и обрабатываемыми деталями. При вращении крестовины одновременно с той же частотой, но в противоположном направлении вращаются барабаны. Иногда используется реверсирование направления вращения. В последнее десятилетие этот метод получил широкое применение для удаления заусенцев и полирования широкой номенклатуры деталей. Управление процессом осуществляется регулированием частоты вращения, изменением состава абразивной среды и степенью заполнения барабанов абразивной средой и деталями. Соотношение объемов среды и деталей выбирается исходя из соображений уменьшения вероятности контактирования соседних деталей при обработке, что может привести к их царапанию. При малых значениях этого соотношения, например 1:1, вероятность контактов деталей выше, кроме того, ухудшаются условия перемещения частиц среды, особенно крупных. Оптимальной величиной соотношения объемов среды и деталей является 3:1…4:1.

Рис. 4. Схема центробежной абразивной обработки и установка для центробежной абразивной обработки

Работа дисковой центрифуги (рис. 5) основана на перемешивании абразивной среды вращающимся диском относительно неподвижного корпуса. Во избежание царапания деталей поверхности стенок диска и корпуса покрывают полиуретаном. При вращении диска абразивная среда закручивается. Возникает так называемый эффект торнадо, увеличивающий проникающую способность абразивной среды, что обеспечивает возможность обработки труднодоступных участков поверхностей деталей.

Рис. 5. Схема установки для дисковой абразивной обработки (а), установка дискового типа компании Otec (б) и эффект торнадо (в)

Одной из перспективных схем является вибрационная абразивная обработка (рис. 6). В процессе обработки рабочая камера совершает гармонические (или близкие к ним) колебания, а ее точки движутся по траекториям в виде окружности или эллипса. Частота колебаний составляет 15…50 Гц при амплитудах 0,5…9 мм.

Рис. 6. Установка для виброабразивной обработки

Вибрация рабочей камеры по круговой или эллиптической траектории при соответствующей форме днища рабочей камеры вызывает циркуляционное движение рабочей среды и колебания отдельных ее частиц. Детали в процессе вибраций вместе со средой перемещаются по спирали от загрузочной до разгрузочной позиции. Детали запускают на обработку по очереди, что устраняет их контактирование друг с другом. Некоторые установки для виброабразивной обработки имеют несколько спиральных каналов, что позволяет одновременно выполнять обработку в различных рабочих средах. Под действием вибраций возникают переменные ускорения частиц, которые оказывают динамическое воздействие на поверхность в виде множества микроударов. Действие вибрации, передаваемое рабочей среде и обрабатываемым деталям, в наибольшей мере проявляется у стенок рабочей камеры и гасится по мере удаления от них.

Планетарный ротационный метод. Детали, размещенные на шпинделях, вращаются в рабочей среде, находящейся во вращающейся кювете (рис. 7, 8). Его главным достоинством является возможность обработки сравнительно крупных деталей.

Рис. 7. Схема установки для планетарно-ротационной гидроабразивной обработки: 1 — обрабатываемая деталь; 2 — гидроцилиндр; 3 — шток; 4 — шпиндельный узел; 5 — подача воды с химическими компонентами; 6 — абразивная среда; 7 — кювета; 8 — пульт управления; 9 — привод вращения кюветы

Рис. 8. Установки для планетарно-ротационной обработки

На рис. 9 показаны детали, полированные этим методом.

Рис. 9. Детали ГТД, полированные планетарно-ротационной обработкой

Турбоабразивная обработка (ТАО) изобретена в России. Обработка производится сухими рабочими средами. Используются частицы среды одного размера или веса. Размеры и вид частиц выбираются в зависимости от требуемой шероховатости поверхности. Базовая схема ТАО приведена на рис. 10. ТАО основана на использовании псевдоожиженной рабочей среды, в которой вращается обрабатываемое изделие. Псевдоожижение — операция, при которой твердые частицы приходят в состояние, подобное жидкому, вследствие контакта с газом или жидкостью. При ТАО псевдоожижение производится воздушным потоком в специальной камере. Размер абразивных частиц обычно составляет 300…600 мкм.

Рис. 10. Базовая схема ТАО, установка TF-522 для турбоабразивной обработки и диск турбины после ТАО: 1 — обрабатываемая деталь; 2 — поток воздуха; 3 — абразивная среда

Критическое значение скорости воздушного потока υвп кр, необходимое для взвешивания частиц сферической формы, может быть оценено по следующей формуле: υвп кр = (Reкр vв ) / d , где Reкр — критическое значение критерия Рейнольдса, необходимое для суспензирования среды; vв — кинематическая вязкость воздуха; d — средний размер частиц.

Критическое значение критерия Рейнольдса рассчитывается по формуле: Reкр = Ar / ( 1400 + 5,22 Ar) ,

где Ar — критерий Архимеда Аr = ( (g d3 / vв ) / ( (ρaч ρв ) / ρв) ; здесь g — ускорение свободного падения; ρaч, ρв — плотность абразивных частиц и воздуха соответственно.

Поток воздуха увеличивает объем, занимаемый абразивными частицами, которые начинают импульсивно двигаться главным образом в вертикальном направлении. Приподнятые потоком воздуха частицы вращаются и, как следствие, перемещаются в направлении, перпендикулярном потоку воздуха, под действием так называемых трансверсионных сил Магнуса Fm:

Fm = «пи»ρв d3ωV,

где ω — угловая скорость абразивной частицы; V = Vв / ε ; ε — величина объема между абразивными частицами, которая является одной из основных характеристик псевдоожиженной среды. ε = 1 – «тау», где «тау» — объемная концентрация твердых частиц в псевдоожиженной среде.

Для псевдоожиженной среды 0,35 < «тау» < 0,6; 0,4 < ε < 0,7.

Трансверсионные силы и столкновение частиц являются источником их хаотического движения в псевдоожиженной среде. Взвешенные абразивные частицы проникают к труднодоступным участкам деталей, что улучшает процесс финишной обработки. Скорость вращения детали в псевдоожиженной среде составляет 20…30 м/мин. Число ударов абразивных частиц, приходящихся на 1 квадратный миллиметр поверхности в секунду, достигает 200…500. ТАО имеет одну из наиболее высоких скоростей удаления материала среди применяемого для финишной обработки оборудования. При обработке сталей и титановых сплавов она составляет 2…5 мкм/мин. В зависимости от материала, размеров детали, технологических режимов и зернистости абразивной среды время обработки составляет 3…20 мин.

Шероховатость поверхности после турбоабразивной обработки зависит от зернистости (табл. 3) и вида абразива. При обработке никелевых и титановых сплавов она снижается на 30…50%
Таблица 3

Эта технология имеет несколько значительных преимуществ по сравнению с другими способами абразивной финишной обработки. Основными из них являются: — низкие затраты энергии; — малое время обработки; — простота и минимальные требования к процессу; — сочетание высокой скорости удаления материала с улучшением физико-механических свойств поверхностного слоя (формирование остаточных напряжений сжатия, низкая шероховатость).

ТАО используют для финишной обработки таких деталей, как диски турбины и компрессора, турбинные и компрессорные лопатки, зубчатые колеса, моноколеса и крыльчатки.

Применение абразивов

Абразивы чрезвычайно быстра нашли широкое применение в различных отраслях промышленности, главным образом в машиностроении. Потребление их особенно возросло в связи с переходом на массовое производство стандартных сменных деталей, требующих большой точности. Основными потребителями являются авто-, авиа-, станко- и паровозостроение, строительстве.

Процессы «доводки» и «притирки», широко распространенные в современной технике, осуществляются путем использования тончайших абразивных порошков, которые сглаживают все неровности с обрабатываемой поверхности. Немалую роль играют абразивы при заточке различных инструментов.

Исключительно важное значение имеет обработка оптических стекол, зеркал и прочих видов стекла. Деревообрабатывающая и кожевенная промышленности широко применяют абразивную шкурку для сглаживания неровностей и придания дереву и коже гладкой поверхности. Бумажная промышленность использует абразивы в производстве древесной массы; орудием, расщепляющим древесину, служит здесь дефибрерный камень. Жернова, истирающие хлебные зерна в муку, также представляют собой один из видов абразивных изделий.