ПсковскийГосударственный Политехнический Институт
Реферат
На тему: «Гидроабразивнаяобработка. Обработка взрывом»
Псков 2010
Содержание
ГидроабразивнаяобработкаПреимущества технологии гидроабразивнойрезки
Недостаткиданной технологии
Чтоможно резать с применением гидроабразивной технологии?
Обработкадеталей взрывом
Энергоносители
Основныетехнологические параметры при гидровзрывном формообразовании
Технологическоеоборудование при гидровзрывном формообразовании
Производствоизделий деформацией взрывом
Вывод
Список литературы
Гидроабразивнаяобработка
В основетехнологии гидроабразивной резки лежит принцип эрозионного воздействия смесивысокоскоростной водяной струи, выступающей в качестве носителя, и твердыхабразивных частиц на обрабатываемый материал.
Физическая сутьмеханизма гидроабразивной резки состоит в отрыве и уносе из полости реза частицразрезаемого материала скоростным потоком твердофазных частиц. Устойчивостьистечения и эффективность воздействия двухфазной струи обеспечиваютсяоптимальным выбором целого ряда параметров резки, включая давление и расходподаваемой воды, а также расход и размер частиц абразивного материала
Практическиданный принцип реализуется следующим образом
В установкегидроабразивной резки вода под давлением порядка 4000 атмосфер, создаваемымнасосом высокого давления, подается в сопло с профилированным каналом, вкотором формируется высокоскоростная водная струя.
Затем воднаяструя попадает в смесительную камеру режущей головки, где она захватываетпоступающие туда абразивные частицы, в результате чего образуетсяводоабразивная смесь. Далее полученная смесь разгоняется в смесительной трубке(диаметром около 1 мм) до сверхзвуковой скорости (порядка 900-1200 м/с).
Этавысокоскоростная водоабразивная струя и используется в качестве универсальногорежущего инструмента. После резки материала остаточная энергия струи гаситсяспециальной водяной ловушкой.
Режущаяголовка устанавливается на устройстве позиционирования координатного стола иможет перемещаться при помощи электроприводов по трем координатам с рабочимиходами, обусловленными габаритами координатного стола.
Гидроабразивнаяобработка является не только альтернативой механической, лазерной,ультразвуковой и плазменной резке, но и в некоторых случаях (резкамногослойных, сотовых и композиционных материалов, керамики) единственновозможной.
Гидроабразивнаярезка особенно эффективна при резке многих труднообрабатываемых материалов:титановых сплавов, различных видов высокопрочных керамик и сталей, а такжекомпозитных материалов. При их гидроабразивной резке не создается разрывов вструктуре материала, который, таким образом, сохраняет свои первоначальныесвойства.
Гидроабразивнаяструя не изменяет физико-механические свойства материала и исключает деформацию,оплавление и пригорание материала.Преимуществатехнологии гидроабразивной резки:Универсальность
Возможностьиспользования одной и той же установки для резки широкого спектра материалов,без смены или переналадки режущего инструмента.
Диапазон толщинразрезаемых материалов от 0,1 до 300 мм.Низкая температура взоне реза 60-90ºС
Образующеесяв процессе резания тепло практически сразу уносится водой. В результате непроисходит заметного повышения температуры заготовки, что обеспечивает по сути«холодный» рез всех материалов. Это позволяет при использовании гидроабразивнойтехнологии: исключить оплавление и пригорание материала в прилегающей зоне;
· исключитьвыгорание легирующих элементов в легированных сталях и сплавах;
· исключитьпоявление разрывов в структуре материала и ухудшение первоначальных свойствматериала;
· исключитьтемпературную деформацию заготовки;
· исключитьнеобходимость дополнительной механической обработки поверхности реза заготовки,вследствие чего повысить производительность и уменьшить себестоимостьизготовления деталей. Высокая точность резки Резкапо контуру любой сложности
Пригидроабразивной обработке можно воспроизводить контуры любой сложности. Струяжидкости по своим техническим возможностям приближается к идеальному точечномуинструменту, что позволяет обрабатывать профиль любой сложности с заданнымрадиусом закругления, поскольку ширина реза составляет от 1 до 1,5 мм. Хорошее качествоповерхности реза
Условношероховатость получаемой на установках гидроабразивной резки поверхности резаможно разделить на три категории качества поверхности реза, которые примерноможно соотнести со следующими величинам шероховатости: отличное – Ra 5 — Rz 20;хорошее – Rz 60-120; удовлетворительное – Rz 260-320.
Принеобходимости возможно получения финишной поверхности с шероховатостью Ra1,5-2,5 мкм при соответствующем подборе технологических параметров установки искорости реза, что позволяет применять технологию гидроабразивной резки нетолько в заготовительном производстве, но и для чистовой резки деталей.Экономичность процесса
Технологиягидроабразивной резки наряду с достаточно высокой скоростью резки широкогодиапазона толщин различных материалов позволяет дополнительно повыситьпроизводительность за счет:
· сокращенияколичества либо полного исключения сопутствующих технологических операций(предварительное сверление отверстий, смена или переналадка режущегоинструмента, последующая механическая обработка детали);
· экономиивремени на механическое закрепление заготовки на координатном столе;
· уменьшениявремени холостого хода режущей головки, вследствие возможности резкитонколистовых материалов в многослойном пакете.
Кроме всеговышеперечисленного, использование гидроабразивной технологии позволяетзначительно уменьшить потери материала при резке, как за счет малой шириныреза, так и за счет сокращения припусков на дополнительную мехобработку.Экологическая чистота иполное отсутствие вредных газовыделений
Для осуществленияпроцесса гидроабразивной резки не требуется никаких газов, а низкая температурареза не вызывает выделения вредных газов из материалов, подвергающихся резке.
Используемыйв качестве абразивного материала гранатовый песок безвреден для здоровья операторов,поскольку не вызывает профессиональных заболеваний, и отходы его могут бытьиспользованы в как в строительных растворах, так и для других целей.Полная пожаро- ивзрывобезопасность
Поскольку пригидроабразивной резке нет накапливаемого тепла и отсутствуют какие-либо газы,технология является взрыво- и пожаробезопасной. Это позволяет осуществлять рездаже взрывчатых веществ, например, при утилизации боеприпасов.
Недостатки даннойтехнологии
· Недостаточновысокая скорость реза тонколистовой стали;
· Ограниченныйресурс отдельных комплектующих и режущей головки.
· Невозможностьповторного использования абразивного материала.
Чтоможно резать с применением гидроабразивной технологии?
При помощигидроабразивной струи резать можно практически любые материалы:
· черные металлы и сплавы;
· труднообрабатываемыелегированные стали и сплавы (в том числе: жаропрочные и нержавеющие);
· цветные металлы и сплавы (медь,никель, алюминий, магний, титан и их сплавы);
· композиционныематериалы;
· керамическиематериалы (керамогранит, плитка);
· природныеи искусственные камни (гранит, мрамор и т. д.);
· стекло и композиционноестекло (триплекс, бронестекло, армированное стекло, стеклотекстолити т. п.);
· пористыеи прозрачные материалы;
· сотовыеи сэндвич-конструкции;
· бетон и железобетон.
Резка мягкихматериалов, таких как полиуретан, поролон и другие пеноматериалы,пластмассы, кожаные изделия, картон, ткани и т. п.осуществляется только струей воды без добавления абразива. Применяется также ив пищевой сфере, для порезки и порционирования пищевых продуктов.
Обработкадеталей взрывом
Взрывная обработка– способ механической обработки металлов (сварки, штамповки, упрочнения),основанный на использовании энергии взрыва.
При сварке взрывомпроисходит соударение деталей и образуется кумулятивная струя металла,сваривающая детали. Штамповка заключается в мгновенном (мс, мкс) приложении клистовой заготовке механических напряжений, значительно превышающих пределупругости материала.
Формообразованиевзрывом получило достаточно широкое распространение в различных областяхмашиностроения как в нашей стране, так и за рубежом. Это один из первых,наиболее исследованных методов высокоскоростного деформирования материалов(впервые чеканка железа осуществлена в 1888г, а промышленное использованиеметода началось с 1950г.). Обладая высокой удельной и общей энергоемкостью иэффективностью взрывчатые вещества (ВВ) позволяют деформировать (и сваривать)детали больших габаритов из высокопрочных материалов с высокой точностью. Этимметодом изготавливаются детали различной конфигурации и размеров из плоских ифасонных листовых заготовок. Такой метод по сравнению с процессами листовойштамповки на прессах характеризуется следующими преимуществами: упрощеннойконструкцией оснастки, возможностью формовки крупногабаритных деталей из высокопрочныхсталей и сплавов.
Наиболее широкоеприменение в производстве получил метод штамповки взрывом с использованием водыкак среды для передачи давления от заряда взрывчатого вещества к заготовке(гидровзрывное формообразование). Типичная схема представлена на рис. 3.1
Метод заключается втом, что штампуемую заготовку 1 укладывают на матрицу 2 и прижимают с помощьюприжимного кольца 3. На определенном расстоянии над заготовкой помещают зарядВВ 5. Матрицу с заготовкой и зарядом опускают в бассейн 5 с водой 6. Частьэнергии, высвобождаемой при взрыве заряда, передается через воду заготовке,которая деформируется, принимая форму поверхности 7 матрицы 2. Чтобы воздух подзаготовкой не препятствовал ее перемещению, происходящему с большой скоростью,полость матрицы под заготовкой вакуумируют с помощью специальной системы черезотверстие 8.
Существуют также другиесхемы передачи энергии от заряда к заготовке при штамповке взрывом: продуктывзрыва воздействуют непосредственно на заготовку; заготовку штампуют жидкостью,давление в которой создает поршень, возбуждаемый силой взрыва. Выбор схемызависит от размеров и сложности штампуемых изделий, материала, программывыпуска, производственных условий и ряда других факторов.
Штамповка деталей сиспользованием энергии взрыва имеет ряд существенных преимуществ: снижаетсястоимость инструмента, т.к. используется только матрица, а не комплект штампа(матрица и пуансон). Сама матрица изготавливается из более дешевого материала;не требуется больших капиталовложений на прессовое оборудование, хотя некоторыекапиталовложения необходимы для создания устройств и взрывных приспособлений;некоторые детали гораздо проще изготавливать путем взрывной обработки, вчастности несимметричные детали; возможно изготавливать сложные детали или дажеконструкции, как единое целое, а не из отдельных частей, соединяемых с помощьюсварки; обеспечивается хорошее качество поверхности, более высокие допуски;исключается в некоторых случаях промежуточная термообработка вследствие болееполного использования пластических свойств металла и создания болееблагоприятной схемы напряженно-деформированного состояния. Однако имеется и рядтрудностей: требуются более сложные меры по обеспечению техники безопасности,установка дистанционного управления, подготовка квалифицированного персонала.
Также в производствеиспользуется методы сварки и упрочнения взрывом.
При сварке взрывомпроисходит соединение деталей за счет совместной пластической деформации врезультате соударения, вызванного взрывом быстродвижущихся соединяемых частей.
Соединяемые детали,одна из которых неподвижна, располагают на некотором расстоянии (или подопределенным углом) друг от друга. На подвижную заготовку 3 кладут взрывчатоевещество 2 с детонатором 1. При срабатывании детонатора происходит процессразложения взрывчатого вещества, создавая давление, распространяющееся позадифронта детонации. В результате этого подвижная заготовка получает ускоренноедвижение, направленное в сторону неподвижной заготовки 4. Соударяясь заготовкиполучают взаимную пластическую деформацию, необходимую для прочного соединения.
Одним из перспективныхспособов деформационного упрочнения является воздействие на металлы и сплавыударных волн, реализующихся при взрыве бризантных взрывчатых веществ. Эффект упрочненияобусловлен тем, что в результате взрывного нагружения в металле повышаетсяплотность дефектов кристаллического строения, в основном дислокаций.
Энергоносители
К источникам энергиипри обработке металлов взрывом относятся различные виды взрывчатых веществ(ВВ). Взрывчатым веществом называется химическое соединение (смесь), котороепод действием теплоты, механического удара или давления за короткий промежутоквремени превращается в другое устойчивое вещество, полностью или большей частьюгазообразное. В основе процесса гидровзрывной обработки лежит физическоеявление, представляющее собой процесс быстрого химического превращениявещества, сопровождаемого переходом его потенциальной энергии в механическуюработу деформации. Работа, произведенная взрывом, обусловливается быстрымрасширением газов, независимо от того, существовали ли они раньше илиобразовались во время взрыва.
Основной признак взрыва– резкий скачок давления в среде, окружающей заряд. Газообразные продуктывзрыва, образуемые благодаря большой скорости химической реакции, занимают вначальный момент незначительный объем, быстро увеличивающийся впоследствии, врезультате чего в зоне взрыва резко повышается давление. Переход взрывчатоговещества из твердого в газообразное состояние происходит за стотысячное илидаже миллионные доли секунды. Огромная скорость протекания процессаобуславливает высокую концентрацию энергии, которая не образуется в условияхпротекания обычных химических реакций. О скорости протекания процесса взрываможно судить по данным об изменении линейной скорости распространения еговзрывной волны. Для современных взрывчатых веществ она изменяется в пределах2000 — 9000 м/с. Большие давления при взрыве не могли бы возникнуть, если быхимическая реакция не сопровождалась образованием большого количествагазообразных продуктов. В зависимости от условий возбуждения химическойреакции, характера ВВ и некоторых других факторов скорости перемещения взрывнойволны различны и существенно влияют на условия деформирования.
Взрывная энергияпередается на заготовку через промежуточную среду. От вида и плотности этойсреды в большой степени зависит использование этой энергии. Промежуточная среданебольшой плотности поглощает часть энергии на сжатие и тем самым значительноуменьшает КПД процесса и повреждает поверхность заготовки. Характерраспространения пластических волн зависит в основном от вида промежуточнойсреды: является ли она сыпучей или упругой.
При использовании водыв виде промежуточной среды пластическая деформация более равномернораспространяется по всей заготовке и зависит от выбора заряда и егорасположения в рабочей среде. При взрыве в водном слое, окружающем заряд,образуется мощная ударная волна, которая удаляется от центра взрыва сосверхзвуковой скоростью. Газовые пузыри от продуктов взрыва продолжаютрасширятся радиально, постепенно снижая скорость. Их давление постепенноуменьшается и в определенный момент становится меньше давления окружающейсреды. С этого момента начинается обратный процесс сжатия газовых пузырей,который продолжается и после повторного выравнивания давления под влиянием силинерции водной массы. Распространение ударной волны идет быстрее чем, ростгазового пузыря. В связи с этим волна первой достигает поверхности заготовки, иначинается процесс деформации. При этом часть энергии поглощается, а частьотражается. Поглощенная энергия переходит в упругую и пластическую деформацию.
Одновременно с началомдеформирования заготовки под действием отраженной волны за заготовкой возникаетразряжение.
В результате этогонепосредственно над заготовкой образуется область кавитации, которая состоит изсмеси частиц воды и газа. Кавитация характеризуется тем, что внутрикавитационной зоны скорость каждой частицы остается постоянной. Скоростьдеформирования листовой заготовки больше скорости этих частиц. После отдачиэнергии вода в этой зоне остается в спокойном состоянии.
При использовании вкачестве промежуточной среды песка или резины в центральных частях их объемавозникает повышенное трение, которое препятствует распространению деформирующихволн, а на периферии детали действие ударного импульса уменьшается. Врезультате этого создаются условия для сосредоточения усилия в центральнойчасти заготовки. Поэтому при больших зарядах заготовка разрушается вблизи кромкиматрицы.
Преимущество воды вкачестве промежуточной среды состоит в том, что она обеспечивает высокий КПДпроцесса, повышенные скорости деформирования и высокие давления (в 100 развыше, чем при использовании воздушной среды).
Наибольшеераспространение при взрывном формообразовании получили бризантные взрывчатыевещества, имеющие следующие преимущества:
большую мощность,высокую скорость ударной волны, надежность и удобство при работе, хорошоизученную кинематику взрыва.
Наряду со взрывчатымивеществами применяются и взрывчатые смеси:
газообразные, жидкие итвердые. Проведенные исследования целесообразности использования того или иноготипа энергоносителя доказывают несомненные преимущества взрывчатых веществперед другими энергоносителями. Взрывчатые вещества являются доступными идешевыми продуктами производства. Они наиболее подходящие и незаменимы ввиду ихнеограниченной мощности при формообразовании больших толстостенных деталей.Форма заряда должна быть такой, чтобы обеспечить наиболее благоприятнуюнагрузку на заготовку. Она определяется характером диаграммы нагрузки,действующей на заготовку и определяющей течение металла в процессеформообразования. В настоящее время определенные преимущества имеетсосредоточенный заряд, который обеспечивает равномерную нагрузку на всейповерхности заготовки и наибольшую точность формообразования. С целью повышениябезопасности формообразования имеет смысл применять пылеобразные ВВ.
Основныетехнологические параметры при гидровзрывном формообразовании
Режим и условиягидровзрывного формообразования определяют следующие основные параметры: видВВ, его масса, плотность, форма, расположение заряда над заготовкой, уровеньжидкости над заготовкой, сила прижима заготовки и характер ее действия, диаметррабочего бассейна, толщина заготовки. Важным параметром процесса служит массаВВ. От ее правильного определения зависит как технико-экономическаяэффективность, так и технологические возможности процесса. Для точногоопределения необходимого количества ВВ нужно учитывать все явления, связанные срасширением продуктов горения, распространения ударной волны в водной среде,дифракцией и отражением ударной волны, действием инерционных сил.
Проведенныеисследования по определению влияния заряда на характер распределения деформациипоказывают, что цилиндрический заряд диаметром 0,1 диаметра заготовки являетсяоптимальным для получения качественных деталей. Плоский заряд уменьшаетвозможность образования складок на боковых поверхностях тонкостенных деталей.Использование вместо сосредоточенного заряда детонирующего шнура позволяетуменьшить количество используемого взрывчатого вещества и максимальноприблизить заряд к заготовке.
Производственныеисследования показали, что идеальная форма заряда должна соответствовать формедетали. Это позволяет расположить энергоноситель в максимальной близости кзаготовке, и при использовании подобных зарядов возникает плоская волна,имеющая большую мощность.
При деформированиисосредоточенным зарядом высота его расположения над заготовкой в большей мерезависит от относительной толщины деталей. Чем больше эта толщина, тем меньшерасстояние заряда до заготовки. (0,1-0,3 диаметра заготовки).
Высота расположениязаряда подбирается и в зависимости от условий получения максимального изгибазаготовки при минимальной его массе. Кроме того, необходимо обеспечитьравномерное формоизменение заготовки, а скорость деформации должна быть меньшекритической, связанной с природой металла. Например, для легированных сталейвысота расположения заряда должна быть больше, чем для углеродистых сталей.Существует тенденция связывать высоту подвески заряда с проходным сечениемматрицы. Некоторые исследователи утверждают, что высота подвески заряда впроходном сечении должна быть в пределах 0,5-1,0 размера проходного отверстияматрицы, ибо увеличение высоты ведет к увеличению массы заряда, а от последнегозависят прочность и габариты технологического оборудования. При определениинеобходимого уровня воды над заготовкой исходят из рабочего давления. Надзаготовкой должен быть такой слой воды, чтобы отраженная волна достиглазаготовку за больший промежуток времени, чем ударная волна.
Предотвращениеобразования складок на детали – одна из важных и наиболее трудных проблем привнедрении гидровзрывного формообразования в промышленность. Для избежанияскладок в настоящее время рекомендуется применять обычные методы прижимазаготовок с помощью винтов, скоб, клиньев и т.п.
Технологическоеоборудование при гидровзрывном формообразовании
Основную роль пригидровзрывном формообразовании играет технологическое оборудование, включающеестационарные сооружения для гидровзрывного формообразования, инструментальнуюоснастку, вспомогательное оборудование и защитные средства. Стационарныесооружения подразделяются на стационарные бассейны разового использования,бассейны-матрицы, бронекамеры и др. Стационарные бассейны нашли наиболееширокое применение и используются при изготовлении большой номенклатурыизделий. Основное стационарное оборудование для гидровзрывного формообразованиязаготовок должно обеспечить сохранение деформирующей жидкости в очагедеформации; максимальную сейсмозащиту окружающих его промышленных зданий,вспомогательного технологического оборудования и бытовых сооружений;максимальную безопасность обслуживающего персонала; удобство работы,производительность труда; использование средств механизации и автоматизации.Стационарные бассейны выпускают различной геометрической формы: прямоугольные,цилиндрические, в форме усеченного конуса, в форме усеченной пирамиды. Бассейныв соответствии с применяемым материалом подразделяют на металлические,железобетонные, кирпичные и др.
В зависимости отспособа монтажа они бывают: вкопанными в землю с фундаментом или без него,смонтированными на поверхности также с фундаментом или без него.
Стационарные сооружения– бассейны обладают некоторыми недостатками: неуправляемое перемещениебассейна, смонтированного на песчаной подушке или цементном основании;
повышеннаявзрывосейсмическая нагрузка на почву и окружающие сооружения и оборудование;
возможность образованиятрещин, особенно в бассейнах из кирпича или бетона; искривление стен врезультате плохой центровки заряда;
выброс рабочейжидкости; погружение бассейна в землю, если он смонтирован непосредственно наземле.
Эти недостатки могут бытьуменьшены, а в некоторых случаях и полностью исключены при расположениистационарного оборудования на амортизаторах в виде винтовых или коническихпружин.
Производствоизделий деформацией взрывом
Использование энергиивзрыва значительно расширяет возможности обработки металлов давлением.Посредством энергии взрыва можно создавать давление от тысяч до миллионоватмосфер. Высокие давления определяют особые условия деформации металла,изменение свойств ( повышение прочности, плотности, твердости), позволяютдеформировать материалы, не поддающиеся обработке давлением при обычныхскоростях и условиях деформации, и осуществлять сварку разнородных металлов сбольшой разницей температур плавления. Изменением при деформации взрывом массыи конфигурации заряда, расстояния от заряда до заготовки и других параметровпроцесса можно получать изделия с заданными механическими свойствами.Применение энергии взрыва при штамповке позволяет не только отказаться в рядеслучаев от создания крупногабаритного и дорогостоящего оборудования, но иобеспечить получение изделий с новыми качествами более точными размерами,значительно сократить технологический цикл получения готового продукта и вомногих случаях исключить ручные отделочные операции. Особое место занимаетприменение энергии взрыва для соединения (сварки) разнородных металлов иполучения композиционных материалов. Почти все традиционные способы сваркисвязаны с местным нагревом металла до пластического состояния, а в некоторыхслучаях – до расплавления.
Возможности сваркиметаллов взрывом для получения двух — и многослойных материалов не ограничены.Практически возможно сваривать разнородные металлы любых размеров. Прочностьсварных соединений при сварке взрывом, как правило, превышает прочностьсвариваемых металлов. Энергия взрыва используется также в одном изперспективных направлений – порошковой металлургии для прессования (уплотнения)некомпактных металлических и неметаллических материалов.
Вывод
Практика показала, что многие ручные слесарно-зачистные операции ислесарно-полировальные операции могут быть успешно заменены высокоэффективноймеханизированное или автоматизированной струйной гидроабразивной обработкой.Этот метод обработки обладает высокими технологическими возможностями, он можетиспользоваться для различных видов обработки, например, для: скругления острыхкромок и сопряженных радиусов; полировки и шлифовки сложных поверхностей;удаления заусенцев и зачистки сварных швов; снятия со всей поверхности илилокально дефектного слоя; подготовки поверхности под покрытие; снятиянебольшого припуска с целью снижения шероховатости поверхности; удаленияоксидных пленок, нагара, различных повреждений с поверхностей деталей. При этомобеспечивается высокая производительность и хорошее качество поверхностного слоя.
Однако этот метод обработки еще не получил широкогораспространения. Это объясняется, в первую очередь, тем, чтоинженерно-технические работники предприятий недостаточно осведомлены отехнологических возможностях струйной гидроабразивной обработки, они нерасполагают необходимыми материалами по выбору параметров и режимов обработки,применяемых абразивах и составах суспензии, конструкций струйных аппаратов,имеющегося технологического оборудования и т.п.
Учитывая это, нужно стремиться показать возможности струйнойгидроабразивной обработки, привести необходимые данные по разработкетехнологических процессов с использованием данного метода обработки, описатьконструкции и методики расчета струйных аппаратов.
Список литературы
1)www.twirpx.com
2)www.neuch.ru