3238

УДК 621.9. 047

Е.В. Котуков, О.Н. Кириллов

ПЕРСПЕКТИВНЫЕ СПОСОБЫ РАЗДЕЛЕНИЯ ЗАГОТОВОК В СОВРЕМЕННОМ ПРОМЫШЛЕННОМ ПРОИЗВОДСТВЕ

Ключевые слова: разделение, заготовки, гидроабразивная обработка, абразив, комбинированная обработка, суспензия

В статье рассмотрены перспективные способы разделения заготовок, применяемые в современном машиностроении. Приведен анализ гидроабразивного разделения заготовок, рассмотрены возникающие при обработке недостатки. Показано что на существующем этапе развития машиностроения существует возможность повысить качество разделяемых заготовок за счет наложения электрического поля в зоне обработки

Постоянно растущие требования потребителей к показателям качества и производительности процессов разделения материалов [1, 2], использование новых материалов с особыми свойствами, большой сортамент и номенклатура разделяемых изделий, многократность использования операции резки на стадиях изготовления заготовок потребовали новых технологий разделения материалов, так как традиционное механическое разделение имеет ограничение возможности и отличается значительной энергоемкостью, относительно низкой скоростью резания, сложностью получения изделий сложной формы (ограничением являются геометрические размеры механического инструмента), осыпанием кромок хрупких материалов, нежелательным термическим воздействием на обрабатываемый материал

иобразованием пыли, вызывающей профессиональные заболевания. Для некоторых широко используемых металлов применение традиционных методов механического разделения материалов вызывает ухудшение эксплуатационных характеристик изделий. Это металлы, для которых не допустим чрезмерный нагрев в зоне обработки (титан

ит.д.), обладающие малой твердостью (алюминий, медь и т.д.), хрупкие материалы (полупроводники, эльбор и т.д.). Одним из методов, снижающих негативное воздействие на зону разделения, является гидроабразивная резка материала.

91

Анализ методов разделения материалов Наиболее перспективны в современном производстве универ-

сальные, быстропереналаживаемые, экономичные и экологически безопасные методы обработки. Наиболее применяемыми являются: гидроабразивное, лазерное, плазменное, газокислородное и проволочное электроэрозионное разделение. Все эти методы имеют различную природу и характеристики разделения. Рассмотрим эти методы подробнее и сравним их с проектируемым комбинированным методом.

Лазерная резка металлов основана на процессах нагрева, плавления, испарения, химических реакциях горения и удаления расплава из зоны резки. Сфокусированное лазерное излучение, обеспечивая высокую концентрацию энергии, позволяет разделять практически любые металлы и сплавы независимо от их теплофизических свойств за исключением светоотражающих и светопропускающих. При этом можно получить узкие резы с минимальной зоной термического влияния. При лазерной резке отсутствует механическое воздействие на обрабатываемый материал и возникают минимальные деформации, как временные в процессе резки, так и остаточные после полного остывания. Вследствие этого лазерную резку можно осуществлять с высокой степенью точности, в том числе легкодеформируемых и нежестких заготовок или деталей. Благодаря большой плотности мощности лазерного излучения обеспечивается высокая производительность процесса в сочетании с высоким качеством поверхностей реза.

Технология плазменной резки основана на использовании воз- душно-плазменной дуги постоянного тока прямого действия. Сущность процесса плазменной резки заключается в локальном расплавлении и выдувании расплавленного материала из полости реза.

Сущностью процесса электроэрозионного разделения проволочным электродом является воздействие на деталь искровых разрядов, образующихся вследствие протекания импульсного тока с частотой около 240 кГц между электродом-проволокой и деталью, находящихся в непосредственной близости друг от друга в среде жидкого диэлектрика. В результате этих разрядов из материала детали выбиваются микрочастицы, которые выносятся из межэлектродного зазора струей диэлектрика.

92

Процесс газокислородного разделения протекает следующим образом: разрезаемый материал предварительно нагревается подогревающим пламенем резака, которое образуется в результате сгорания горючего газа в смеси с кислородом. При достижении температуры воспламенения материала в кислороде, на резаке открывается вентиль чистого кислорода (99–99,8%) и начинается процесс резки. Чистый кислород из центрального канала мундштука, предназначенный для окисления разрезаемого материала и удаления оксидов, называют режущим в отличие от кислорода подогревающего пламени, поступающего в смеси с горючим газом из боковых каналов мундштука. Струя режущего кислорода вытесняет в разрез расплавленные оксиды, которые, в свою очередь, нагревают следующий слой материала, способствуя его интенсивному окислению. В результате разрезаемый лист подвергается окислению по всей толщине, а расплавленные оксиды удаляются из зоны резки под действием струи режущего кислорода.

Принцип гидроабразивного разделения Технология гидроабразивного разделения основана на принци-

пе эрозионного воздействия струи абразива в водной рабочей среде на разделяемый материал. Их высокоскоростные твердофазные частицы работают в качестве переносчиков энергии и, соударяясь об изделие, удаляют часть разделяемого материала. Скорость эрозии зависит от кинетической энергии воздействующих частиц [3, 7, 8], их массы, твердости, формы и угла удара, а также от механических свойств обрабатываемого материала.

Вода, нагнетаемая насосом и мультипликатором до давления 1000–8000 атмосфер, подается в режущую головку. Проходя через сопло обычно диаметром 0,05–0,5 мм, струя со сверхзвуковой скоростью поступает в смесительную головку, где смешивается с частицами абразива. Струя жидкости с абразивом выходит из смесительной головки с внутренним диаметром 0,5–1,5 мм и разделяет материал заготовки [7, 8]. Для гашения остаточной энергии струи после ее выхода из разделяемого материала используется слой воды толщиной, как правило, 600–1000 мм.

При гидроабразивном разделении разрушительная способность струи создается в гораздо большей степени за счет абразива [7], а

93

вода выполняет преимущественно функцию переноса. Максимальный габаритный размер абразивных частиц, как правило, назначают в пределах 10–30% от диаметра режущей струи, что позволяет обеспечить наиболее эффективное ее воздействие и стабильность истечения. Обычно размер абразивного зерна составляет 0,1–0,3 мм, а в ряде случаев – порядка 0,05–0,1 мм, если необходимо получение разделенной поверхности с низкой шероховатостью.

Рекомендованные размеры абразива при различных режимах разделения представлены в табл. 1.

В качестве абразива используются материалы с твердостью по Моосу от 6,5. Их выбор зависит от вида и твердости обрабатываемого изделия, а также следует учитывать, что более твердый абразив быстрее изнашивает узлы режущей головки.

Сопла обычно изготавливают из сапфира, рубина или алмаза. Смесительные трубки изготавливают из сверхпрочных сплавов. Основными технологическими параметрами процесса гидроабразивного разделения являются:

-скорость разделения;

-свойства и толщина разделяемого изделия;

-внутренние диаметры водяного сопла и смесительной трубки;

-вид, размер, скорость потока и концентрация в режущей смеси абразивных частиц;

-давление.

Скорость разделения [7] (скорость перемещения режущей головки вдоль контура разделения) существенно влияет на качество разделенной поверхности. При высокой скорости увеличивается смещение водно-абразивной струи от прямолинейности, а также заметно проявляется ослабевание струи по мере разрезания материала, что увеличивает конусность реза, шероховатость обрабатываемой поверхности и степень шаржирования.

Разделительная резка может выполняться на скорости, составляющей 80–100%, оптимальная - 30–65%, тонкая –20–30%, прецизионная – 10–12% от максимальной скорости разделения.

При уменьшении внутреннего диаметра смесительной трубки возрастают скорость и точность разделения, уменьшается ширина паза (как правило, ширина разделения на 10% больше внутреннего диаметра смесительной трубки).

94

Таблица 1 Рекомендованные размеры абразива при различных режимах

разделения

При этом снижается и срок службы трубки. В процессе эксплуатации смесительной трубки ее внутренний диаметр увеличивается примерно на 0,01–0,02 мм за каждые восемь часов работы.

Расход абразива зависит от диаметров смесительной трубки и водяного сопла, условий резки и т.д. Расход абразива в струе влияет на максимально возможную толщину обрабатываемого материала [8] (рис. 1). Ориентировочные оптимальные значения приведены в табл. 2.

С увеличением давления рабочей среды возрастает скорость, качество и возможная максимальная толщина разделяемого материала (рис. 2), но это приводит к более быстрому износу прокладок в насосе. Зависимость скорости прямолинейной разделительной (черновой) резки от толщины материала представлена в табл. 3.

95

Таблица 2 Оптимальный расход абразивного материала при некоторых

соотношениях диаметров смесительной трубки и сопла

Рис. 1. Зависимость максимальной толщины разделяемого материала от расхода абразива при разделении нержавеющей стали при давлении рабочей среды 270 МПа, скорости подачи сопла вдоль контура разделения 25 мм/мин

96

Рис. 2. Зависимость максимальной толщины разделяемого материала от давления рабочей среды при разделении нержавеющей стали скорости подачи сопла вдоль контура разделения 25 мм/мин и расходе абразива 480 г/мин

Таблица 3 Зависимость скорости прямолинейной разделительной

(черновой) резки (мм/мин) от толщины материала при давлении насоса P = 4100 бар

Микрорельеф поверхности разделения при гидроабразивном разделении (рис. 3) сформирован шероховатостью, образованной срезом части материала режущими кромками абразива (рис. 1.3, б) и

97

волнистостью, образованной внедрением абразивных зерен в материал из-за нестабильности течения струи (рис. 1.3, в).

разделения: 1 – разделяемый материал; 2 – абразив

Гидроабразивное разделение обладает следующими отличительными преимуществами:

-отсутствует термическое влияние на разрезаемый материал, так как генерируемое в процессе резки тепло практически мгновенно уносится водой;

-имеется возможность разрезать пакеты, состоящие из нескольких слоев различных материалов;

-можно обрабатывать материалы с волнистой поверхностью и сложных контуров;

-небольшая ширина реза;

-имеется возможность начать резание материала в любой точ-

ке;

-высокая скорость резания;

-высокая универсальность использования для любых материалов, различной толщины;

-высокая точность резки;

-полное отсутствие повреждения краев близко расположенных отверстий (толщина перемычки между отверстиями может быть 0,5 мм. и меньше);

-низкое тангенциальное усилие резания на деталь;

-высокая экономичность резания благодаря удалению малого объема материала и использования дешевых расходных материалов;

98

-отсутствие выделения пыли, дыма, токсичных паров;

-взрыво-пожаробезопасность процесса;

-очень быстрое и простое перепрограммирование.

К недостаткам гидроабразивного разделения относятся:

-образование микротрещин на поверхности разделения твердых материалов;

-шаржирование разделяемой поверхности;

-недостаточно высокая скорость разделения тонколистовой

стали;

-ограниченный ресурс отдельных комплектующих насоса высокого давления, мультипликатора и режущей головки;

-в некоторых случаях одноразовое использование абразивного материала;

-образование дефектов на кромках разделенной поверхности;

-повышенный шум из-за истечения струи со сверхзвуковой скоростью.

При гидроабразивном разделении большое значение имеет масса абразивных зерен, находящихся в объеме суспензии. Этот показатель зависит не только от физико-механических свойств абразивного материала, но и от размеров абразивных зерен (зернистости). Также на процесс разделения значительно влияет форма абразивных зерен и состояние их режущих кромок. Зёрна игольчатые, пластинчатые быстро разрушаются, так как имеют недостаточную прочность. Зерна неправильной формы, обычно являющиеся соединениями двух

иболее зерен, также имеют малую прочность и быстро разрушаются при работе, что приводит к однократному их использованию и малой производительности гидроабразивного разделения.

Кроме абразива на процесс гидроабразивного разделения влияет рабочая жидкость, которая выполняет следующие функции:

-транспортирует абразивные частицы до обрабатываемой поверхности;

-очищает обрабатываемую поверхность, удаляя продукты обработки;

-устраняет пылеобразование;

-является поверхностно-активным веществом;

-уносит избытки выделяемой в процессе обработки теплоты. Рабочая жидкость должна отвечать следующим требованиям:

99