21.7. Нетрадиционные методы обработки
Нетрадиционные методы обработки основаны на удалении припуска путем использования энергии воды или водоабразивной смеси воздействующей на поверхность при высоких давлениях или формировании изделий путем наращивания их поверхностей до размеров, предусмотренных конструктором в чертежах.
Под водоструйной обработкой понимают резание струей воды или водоабразивной смесью, истекающей под давлением 400–600 МПа из сопла диаметром 0,1–0,2 мм со скоростью до 1000 м/с.
Наибольшее распространение в промышленности получила водоабразивная обработка, которая осуществляется смесью мелкодисперсных абразивных зерен и воды (рис. 21.8). Кинетическая энергия водяной струи передается частицам абразива, которые срезают микростружки с обрабатываемой обработки. При этом практически полностью отсутствует тепловое и силовое воздействие на заготовку, получается недеформируемая поверхность резания без заусенцев и искажений структуры металла.
Рис. 21.8. Принципиальная схема и устройство установки для водоабразивной обработки поверхностей: 1 – система подачи воды (давление 400 МРа и выше); 2 – система подачи абразивного порошка (SiC, Al2O3); 3 – водоабразивная смесь; 4 – обрабатываемая поверхность заготовки, 5 – расстояние от сопла установки до обрабатываемой поверхности; 6 – выходное сопло установки; 7 – направление перемещения сопла относительно обрабатываемой поверхности; 8 – камера смешивания абразивного порошка с жидкостью
На водоструйных установках можно разрезать листовой материал, вырезая точные прямые углы, пробивать небольшие отверстия, прорезать узкие пазы и выполнять близко расположенные профили (в том числе в неэлектропроводящих материалах). Процесс обработки можно начинать в любой точке поверхности изделия. Сравнительно небольшая ширина резания (0,1–0,3 мм при резании водой и 1–1,5 мм при резании водоабразивной струей) обеспечивает экономию материала и снижение энергозатрат. Процессы отличаются гибкостью, экологической безопасностью и чаще используют при выполнении индивидуальных заказов, требующих быстрой переналадки оборудования.
Водоабразивная обработка достаточно широко используется при разрезке листового материала, обработке для улучшения качества поверхностного слоя, прорезании пазов различного профиля и назначения. Водоабразивное резание производят смесью воды и мелкодисперсного абразивного порошка, истекающей под давлением 400 МПа из сопла диаметром 0,1–0,2 мм со скоростью до 1000 м/с.
В стандартных водоабразивных установках (см. рис. 21.8) система, создающая давление жидкости (обычно воды) 1, включает гидропомпу низкого давления и усилитель, поддерживающий давление воды в пределах 250–400 МПа. Вода под давлением pJ прокачивается через трубку из твердого сплава высокой износостойкости, имеющей диаметр порядка 1 мм, и соединяется с системой смешивания 8. Благодаря инжекции на входе в трубку абразивного порошка, который «подсасывается» из специального бункера 2, происходит его смешивание с жидкостью. Смесь под давлением порядка 350–450 МПа и скоростью до 900–1200 м/с подается на обрабатываемую поверхность 4 заготовки. Кинетическая энергия водяной струи передается частицами абразива, которые срезают микростружки с обрабатываемой поверхности. При этом практически полностью отсутствует тепловое и силовое воздействие на поверхность заготовки, получается недеформируемая поверхность резания без заусенцев и искажений структуры металла, что позволяет формировать высококачественные геометрические и физико-механические параметры приповерхностных слоев обработанной детали.
Наиболее важными параметрами водоабразивной обработки, оказывающими сильное влияние на производительность и качество обработки, являются: расстояние от выходного сопла установки до обрабатываемой поверхности dn, скорость перемещения сопла Vf, угол расположения сопла установки относительно обрабатываемой поверхности αJ, давление жидкости, подаваемой в инжекторную камеру pJ .
Для водоабразивных процессов обработки чрезвычайно важным являются конструкция смешивающей головки. Наиболее оптимальными по конструктивным параметрам является смешивающие головки, базирующиеся на системе впрыска.
На водоструйных установках можно разрезать листовой материал, вырезая точные прямые углы, пробивать небольшие отверстия, прорезать узкие пазы и выполнять близко расположенные профили (в том числе в неэлектропроводящих материалах). Процесс обработки можно начинать в любой точке поверхности изделия. Сравнительно небольшая ширина реза (0,1–0,3 мм при резании водой и 1–1,5 мм при резании водоабразивной струей) обеспечивает экономию материала и снижение энергозатрат на обработку. Процессы отличаются гибкостью, экологической безопасностью и чаще используют при выполнении индивидуальных заказов, требующих быстрой переналадки оборудования.
Сравнительная оценка различных методов резания листовых материалов (по данным фирмы Flow) приведена в таблице 21.3.
Таблица 21.3
Сравнительная оценка различных процессов обработки
|
Критерий оценки |
Оценка (по пятибалльной системе) процессов обработки | |||
|
Водоабразивная |
Лазерная |
Плазменная |
Кислородная | |
|
Ширина обработки |
5 |
2 |
4 |
5 |
|
Качество обработки |
5 |
2 |
2 |
2 |
|
Скорость обработки |
4 |
5 |
2 |
4 |
|
Точность обработки |
5 |
5 |
4 |
3 |
|
Возможность доводки поверхности |
5 |
4 |
4 |
2 |
|
Образование шлама |
4 |
2 |
2 |
4 |
|
Общее время обработки |
4 |
4 |
3 |
2 |
|
Технологическая гибкость |
5 |
4 |
2 |
3 |
|
Универсальность |
5 |
3 |
4 |
2 |
Основным параметром процесса является его производительность или скорость обработки. Для большинства водоструйных установок скорость обработки v = 0,001–12 м/мин при точности обработки ±0,1 мм. В таблице 21.4 приведены данные фирмы Flow по скорости водоабразивной обработки различных материалов в зависимости от толщины заготовки.
Таблица 21.4
Скорость водоабразивной обработки различных материалов
|
Обрабатываемый материал |
Скорость обработки, м/мин при толщине заготовки, мм | |||
|
5 |
10 |
20 |
50 | |
|
Алюминий |
2,38 |
1,04 |
0,47 |
0,16 |
|
Титан |
1,09 |
0,49 |
0,22 |
0,08 |
|
Коррозионно-стойкая сталь |
0,62 |
0,28 |
0,12 |
0,04 |
|
Стекло |
6,45 |
2,91 |
1,30 |
0,46 |
|
Гранит |
3,55 |
1,60 |
0,72 |
0,25 |
|
Мрамор |
4,59 |
2,06 |
0,93 |
0,32 |
Водоструйное резание является экономически целесообразней ряда других способов разрезки листовых заготовок из различных материалов. Например, по данным фирмы Bystronic, при обработке алюминиевых листов толщиной более 10 мм и стальных листов более 15 мм водоструйное резание по экономическим показателям существенно превосходит соответствующие показатели лазерной разрезки. Стоимость 1 м водоструйной обработки материала толщиной 10 мм соответственно составляет: для коррозионно-стойкой стали 61,72 рубля, для стекла 5,9 рублей и для гранита 11,18 рублей.