Финишная обработка деталей свободным абразивом

Финишная обработка свободным абразивом основана на удалении ма­териала с поверхности при воздействии на нее незакрепленных абразив­ных частиц.

Методы обработки незакрепленным абразивом можно разделить на несколько основных групп:

струйная абразивная обработка. Выполняется за счет ударного воз­действия абразивных частиц, переносимых высокоскоростной струей жидкости или газа (воздуха);

объемная абразивная обработка, т.е. обработка в среде хаотично пе­ремещающихся абразивных частиц. 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. Производится в потоке вязкой абразивной суспензии, прокачиваемой через внутренние полости дета­лей (экструзионное хонингование) или вспомогательную полость, в кото­рой размещаются обрабатываемые детали (экструзионное полирование).

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

Достоинством камерных установок является экологическая чистота, а недостатком - ограниченные размеры деталей. Типовая схема камерной установки приведена на рис. 5.43.

Рис. 5.43. 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 ручной обработки или смены детали в приспособлении имеются специальные рукава и перчатки. После завер­шения абразивной обработки может быть выполнена промывка деталей, осуществляемая промывочным струйным аппаратом. Для САО применя­ются следующие виды абразивов и частиц:

корунд (электрокорунд). Используется при подготовке поверхностей к нанесению покрытий, для очистки поверхностей от окалины после тер­мической обработки, 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. Служит для тех же целей, что и электрокорунд. Час­тицы SiC имеют более выраженные и острые грани. Целесообразен 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, а также для 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 размером 30 ... 400 мкм;

стеклянная дробь. Используется как для процессов очистки, так и по­верхностного упрочнения, а также матирования поверхностей в декора­тивных целях, снижения пористости.

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 используются:

для подготовки поверхностей пера лопаток компрессора и турбины к нанесению эрозионно стойких, 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;

подготовки пера заготовок лопаток компрессора под вальцевание.

Объемная абразивная обработка (ОАО) имеет ряд преимуществ, обу­словленных хаотичным характером взаимодействия частиц различной геометрической формы, содержащих абразивные зерна, с поверхностями детали, что обеспечивает равномерность обработки поверхностей и их высокое качество. ОАО включает следующие методы:

центробежную абразивную обработку;

дисковую абразивную обработку;

вибрационную абразивную обработку;

обработку в псевдокипящей среде.

Эти методы различаются способом обеспечения движения частиц ра­бочей среды.

При центробежной абразивной обработке частицы среды перемещаются под действием центробежных сил (рис. 5.44, 5.45). На вращающейся крестовине устанавливаются барабаны, заполняемые абразивной средой и обрабатываемыми деталями. При вращении крестовины одновременно с той же частотой вращаются и барабаны, но в противоположном направ­лении. Иногда используется реверсирование направления вращения. В последнее десятилетие этот метод получил широкое применение при удалении заусенцев и полировании широкой номенклатуры деталей. Управление процессом осуществляется регулированием частоты враще­ния, состава абразивной среды и степени заполнения барабанов абразив­ной средой и деталями.

Дисковая схема (рис. 5.45) основана на перемешивании абразивной среды вращающимся дис­ком относительно неподвижного корпуса. Во избежание поврежде­ния деталей поверхности стенок диска и корпуса покрывают поли­уретаном.

Одной из перспективных схем является вибрационная абразивная обработка. Детали в процессе вибраций вместе со средой перемещаются по спирали от загрузоч­ной до разгрузочной позиции. Детали запускаются на обработку по оче­реди, что устраняет контактирование друг с другом. Упрощается процесс извлечения деталей из рабочей среды. Некоторые установки имеют не­сколько спиральных каналов, что позволяет одновременно выполнять обработку в различных рабочих средах.

Рис. 5.44. Схема центробежной абразивной обработки

Рис. 5.45. Схема установки для дисковой абразивной обработки

Для операций удаления заусенцев используются керамические части­цы, содержащие зерна электрокорунда или другого абразива, а для по­верхностного упрочнения обычно - стальная дробь.

Алюминиевые сплавы упрочняют средой из пластиковых шариков.

Размеры частиц среды выбирают в зависимости от формы деталей и требований к шероховатости поверхности. Следует отметить, что низкая шероховатость поверхностей может быть получена обработкой крупны­ми частицами, содержащими мелкий абразив или шаржированными им. В настоящее время для ОАО широко используют искусственные частицы на основе пластиков, наполненных абразивами, которые обеспечивают высокую производительность и качество обработки.

Керамические частицы рекомендуются для операций полирования и удаления заусенцев. В наибольшей степени они подходят в случае, когда детали выполнены из труднообрабатываемых и твердых материалов.

Для обработки используются керамические частицы различной фор­мы и размеров, изготовленные из окиси кремния SiO₂ и других минералов (в качестве связки) и абразивов. Их формуют и спекают при высоких температурах, получая пористые структуры с высокой твердо­стью. Большую часть керамических частиц 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.

Среды из пластиков отличаются широким разнообразием применяе­мых материалов и форм частиц, типов, концентраций и размеров 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. В основном они слу­жат для обработки деталей из сравнительно мягких материалов и мате­риалов средней твердости. В результате получают гладкие матовые по­верхности. Как и в случае с керамическими средами, в закладках обычно используют частицы различной формы. Считается, что конические 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.

Экструзионная абразивная обработка (ЭАО) производится в среде вязкоэластичного полимера с особыми реологическими свойствами, на­полненного абразивными частицами. При этом происходит удаление за­усенцев, скругление острых кромок и полирование ответственных по­верхностей деталей. Можно выделить следующие разновидности ЭАО:

экструзионное хонингование;

экструзионная обработка наружных поверхностей;

орбитальная экструзионная абразивная обработка.

Рис. 5.46. Схема экструзионного хонингования

Первоначально этот метод был разработан для удаления заусенцев в труднодоступных местах деталей (кромки отвер­стий, выходящих во внутрен­ние полости, и др.), однако уже через несколько лет он стал применяться в других целях, в частности:

для снижения шероховато­сти и удаления дефектного слоя с рабочих поверхностей лопа­ток компрессора и турбины после литья, фрезерования, электрохимической и электро­эрозионной обработки;

отделочной обработки от­верстий малого диаметра, па­зов, щелей, поверхностей внут­ренней полости охлаждаемых лопаток турбины;

скругления кромок у отверстий.

Обычно обработка деталей производится реверсируемым потоком аб­разива по схеме, приведенной на рис. 5.46. Два вертикально расположен­ных цилиндра обеспечивают перемещение абразивной смеси вверх и вниз через полость детали, причем наибольшему абразивному воздейст­вию подвергаются ее выступающие элементы.

В некоторых случаях целесообразно использовать обработку однона­правленным потоком абразива (рис. 5.47). Схема с однонаправленным потоком абразивной среды является более гибкой. Упрощаются действия по замене абразивной среды, снятию и установке детали, что увеличивает производительность и снижает трудоемкость процесса.

На качество ЭАО оказывают влияние следующие основные факторы и параметры:

давление экструзии;

скорость и характер перемещения рабочей среды относительно обра­батываемой поверхности;

тип и размеры абразивных частиц;

состав, консистенция и свойства рабочей среды;

механические свойства обрабатываемого материала;

конструктивные особенности и форма обрабатываемой детали и рабочей полости.

Эффективность процесса обусловлена также вязкостью абразивной среды. От последней зависит жесткость контакта абразивных частиц с обрабатываемой поверхностью.

Вязкость среды выбирается исходя из конкретных условий обработки. При экструзионном хонинговании отверстий малого диаметра использу­ют среды с малой вязкостью, а для деталей с большим проходным сече­нием - большой. В качестве абразивов наиболее часто выступают элект­рокорунд, карбид кремния, карбид бора и алмаз.

Рис. 5.47. Схема экструзионной абразивной обработки внутренней полости охлаждаемой лопатки турбины

При орбитальной ЭОА деталям задается орбитальное движение в потоке абразивной среды. Орбитальное полирование используется в качестве фи­нишной операции для разнообразных по форме и размеру деталей после литья, штамповки, механической, электроэрозионной и электрохимической обработки. Характер и величину съема можно регулировать с помощью специальных приспособлений, изменяющих величину проходного сечения.

ЭАО может использоваться в качестве финишной операции для ши­рокой номенклатуры деталей. Одновременно экономично и эффективно может обрабатываться несколько деталей или поверхностей, в том числе наружных и внутренних. Современные автоматизированные системы ЭАО позволяют обрабатывать несколько тысяч деталей за смену с высо­кой повторяемостью и предсказуемостью результата. Одними из последних разработок в этой области являются полирование пера лопаток для повышения аэродина­мических свойств, обработка проточной части моноколес компрессора и хонингование отверстий малого диаметра для снижения гидравлического сопротивления в форсунках и деталях командно-топливной аппаратуры.