Псковський Державний Політехнічний Інститут
Реферат
На тему: «Гідроабразивне обробка. Обробка вибухом »
Псков 2010
Зміст
Гідроабразивне обробка
Переваги технології гідроабразивного різання
Недоліки даної технології
Що можна різати із застосуванням гідроабразивного технології?
Обробка деталей вибухом
Енергоносії
Основні технологічні параметри при гідровзривном формоутворенні
Технологічне обладнання за гідровзривном формоутворенні
Виробництво виробів деформацією вибухом
Висновок
Список літератури
Гідроабразивне обробка
В основі технології гідроабразивного різання лежить принцип ерозійного впливу суміші високошвидкісний водяного струменя, що виступає в якості носія, і твердих абразивних частинок на оброблюваний матеріал.
Фізична суть механізму гідроабразивного різання полягає у відриві і віднесенні з порожнини різу частинок розрізається матеріалу швидкісним потоком твердофазних частинок. Стійкість витікання й ефективність впливу двофазної струменя забезпечуються оптимальним вибором цілого ряду параметрів різання, включаючи тиск і витрата води, що подається, а також витрата і розмір часток абразивного матеріалу
Практично цей принцип реалізується в такий спосіб
В установці гідроабразивного різання вода під тиском близько 4000 атмосфер, створюваним насосом високого тиску, подається в сопло з профільованим каналом, в якому формується високошвидкісна водна струмінь.
Потім водна струмінь потрапляє в камеру змішувача ріжучої головки, де вона захоплює поступають туди абразивні частинки, в результаті чого утворюється водоабразівная суміш. Далі отримана суміш розганяється в змішувальної трубці (діаметром близько 1 мм) до надзвуковій швидкості (порядка 900-1200 м / с).
Ця високошвидкісна водоабразівная струмінь і використовується в якості універсального ріжучого інструменту. Після різання матеріалу залишкова енергія струменя гаситься спеціальної водяної пасткою.
Ріжуча головка встановлюється на пристрої позиціонування координатного столу і може переміщатися за допомогою електроприводів за трьома координатами з робочими ходами, зумовленими габаритами координатного столу.
Гідроабразивне обробка є не тільки альтернативою механічної, лазерної, ультразвукової та плазмової різанні, але і в деяких випадках (різка багатошарових, стільникових і композиційних матеріалів, кераміки) єдино можливою.
Гідроабразивне різання особливо ефективна при різанні багатьох важкооброблюваних матеріалів: титанових сплавів, різних видів високоміцних керамік і сталей, а також композитних матеріалів. При їх гідроабразивного різання не створюється розривів у структурі матеріалу, який, таким чином, зберігає свої первинні властивості.
Гідроабразивне струмінь не змінює фізико-механічні властивості матеріалу і виключає деформацію, оплавлення і пригорання матеріалу.
Переваги технології гідроабразивного різання:
Універсальність
Можливість використання однієї і тієї ж установки для різання широкого спектру матеріалів, без зміни або переналагодження ріжучого інструменту.
Діапазон товщин розрізають матеріалів від 0,1 до 300 мм.
Низька температура в зоні різу 60-90 º С
Утворюється в процесі різання тепло практично відразу несеться водою. У результаті не відбувається помітного підвищення температури заготівлі, що забезпечує по суті «холодний» рез всіх матеріалів. Це дозволяє при використанні гідроабразивного технології: виключити оплавлення і пригорання матеріалу в прилеглій зоні;
виключити вигоряння легуючих елементів у легованих сталях і сплавах;
виключити появу розривів у структурі матеріалу і погіршення первинних властивостей матеріалу;
виключити температурну деформацію заготівки;
виключити необхідність додаткової механічної обробки поверхні різу заготівлі, внаслідок чого підвищити продуктивність і зменшити собівартість виготовлення деталей.
Висока точність різання Різання по контуру будь-якої складності
При гідроабразивного обробці можна відтворювати контури будь-якої складності. Струмінь рідини за своїми технічними можливостями наближається до ідеального точкового інструменту, що дозволяє обробляти профіль будь-якої складності з заданим радіусом закруглення, оскільки ширина реза складає від 1 до 1,5 мм.
Хороша якість поверхні реза
Умовно шорсткість одержуваної на установках гідроабразивного різання поверхні різу можна розділити на три категорії якості поверхні різу, які приблизно можна співвіднести з наступними величинам шорсткості: відмінне - Ra 5 - Rz 20; хороше - Rz 60-120; задовільний - Rz 260-320.
При необхідності можливе отримання фінішної поверхні з шорсткістю Ra 1,5-2,5 мкм при відповідному підборі технологічних параметрів установки та швидкості різання, що дозволяє застосовувати технологію гідроабразивного різання не тільки в заготівельному виробництві, але і для чистової різання деталей.
Економічність процесу
Технологія гідроабразивного різання поряд з досить високою швидкістю різання широкого діапазону товщин різних матеріалів дозволяє додатково підвищити продуктивність за рахунок:
скорочення кількості або повного виключення супутніх технологічних операцій (попереднє свердління отворів, зміна або переналагодження ріжучого інструменту, подальша механічна обробка деталі);
економії часу на механічне закріплення заготовки на координатному столі;
зменшення часу холостого ходу ріжучої головки, внаслідок можливості різання тонколистових матеріалів в багатошаровому пакеті.
Крім усього перерахованого вище, використання гідроабразивного технології дозволяє значно зменшити втрати матеріалу при різанні, як за рахунок малої ширини різу, так і за рахунок скорочення припусків на додаткову мехобработки.
Екологічна чистота і повна відсутність шкідливих газовиділень
Для здійснення процесу гідроабразивного різання не потрібно ніяких газів, а низька температура зрізу не викликає виділення шкідливих газів з матеріалів, що піддаються резке.
Використовуваний як абразивного матеріалу гранатовий пісок нешкідливий для здоров'я операторів, оскільки не викликає професійних захворювань, і відходи його можуть бути використані в як в будівельних розчинах, так і для інших цілей.
Повна пожежо-і вибухобезпечність
Оскільки при гідроабразивного різання немає накопичується тепла і відсутні які-небудь гази, технологія є вибухо-і пожежобезпечною. Це дозволяє здійснювати рез навіть вибухових речовин, наприклад, при утилізації боєприпасів.
Недоліки даної технології
Недостатньо висока швидкість різу тонколистової сталі;
Обмежений ресурс окремих комплектуючих і ріжучої головки.
Неможливість повторного використання абразивного матеріалу.
Що можна різати із застосуванням гідроабразивного технології?
За допомогою гідроабразивного струменя різати можна практично будь-які матеріали:
чорні метали і сплави;
труднообрабативаємиє леговані сталі і сплави (у тому числі: жароміцні і нержавіючі);
кольорові метали і сплави (мідь, нікель, алюміній, магній, титан і його сплави);
композиційні матеріали;
керамічні матеріали (керамограніт, плитка);
природні та штучні камені (граніт, мармур і т. д.);
скло і композиційне скло (триплекс, бронескло, армоване скло, склотекстоліт і т. п.);
пористі і прозорі матеріали;
бездротових мереж, сендвіч-конструкції;
бетон і залізобетон.
Різка м'яких матеріалів, таких як поліуретан, поролон та інші пеноматеріалов, пластмаси, шкіряні вироби, картон, тканини і т. п. здійснюється тільки струменем води без додавання абразиву. Застосовується також і в харчовій сфері, для порізки та порціонування харчових продуктів.
Обробка деталей вибухом
Вибухова обробка - спосіб механічної обробки металів (зварювання, штампування, зміцнення), заснований на використанні енергії вибуху.
При зварюванні вибухом відбувається зіткнення деталей і утворюється кумулятивний струмінь металу, зварюються деталі. Штампування полягає в миттєвому (мс, мкс) додатку до листової заготівлі механічних напружень, значно перевищують межу пружності матеріалу.
Формоутворення вибухом отримало досить широке поширення в різних галузях машинобудування як в нашій країні, так і за кордоном. Це один з перших, найбільш досліджених методів високошвидкісного деформування матеріалів (вперше карбування заліза здійснена в 1888р, а промислове використання методу почалося з 1950р.). Володіючи високою питомою і загальної енергоємністю та ефективністю вибухові речовини (ВР) дозволяють деформувати (і зварювати) деталі великих габаритів із високоміцних матеріалів з високою точністю. Цим методом виготовляються деталі різної конфігурації і розмірів з плоских і фасонних листових заготовок. Такий метод порівняно з процесами листового штампування на пресах характеризується наступними перевагами: спрощеною конструкцією оснащення, можливістю формування великогабаритних деталей з високоміцних сталей і сплавів.
Найбільш широке застосування у виробництві отримав метод штампування вибухом з використанням води як середовища для передачі тиску від заряду вибухової речовини до заготівлі (гідровзривное формоутворення). Типова схема представлена на рис. 3.1
Метод полягає в тому, що штампувало заготівлю 1 укладають на матрицю 2 і притискають за допомогою притискного кільця 3. На певній відстані над заготівлею поміщають заряд ВР 5. Матрицю з заготівлею і зарядом опускають в басейн 5 з водою 6. Частина енергії, що вивільняється при вибуху заряду, передається через воду заготівлі, яка деформується, приймаючи форму поверхні 7 матриці 2. Щоб повітря під заготівлею не перешкоджав її переміщення, що відбувається з великою швидкістю, порожнину матриці під заготівлею вакуумують за допомогою спеціальної системи через отвір 8.
Існують також інші схеми передачі енергії від заряду до заготівлі при штампуванні вибухом: продукти вибуху впливають безпосередньо на заготівлю; заготівлю штампують рідиною, тиск у якій створює поршень, що порушується силою вибуху. Вибір схеми залежить від розмірів і складності штампованих виробів, матеріалу, програми випуску, виробничих умов і ряду інших чинників.
Штампування деталей з використанням енергії вибуху має ряд істотних переваг: знижується вартість інструменту, тому що використовується тільки матриця, а не комплект штампа (матриця і пуансон). Сама матриця виготовляється з більш дешевого матеріалу, не потрібно великих капіталовкладень на пресове обладнання, хоча деякі капіталовкладення необхідні для створення пристроїв і вибухових пристроїв; деякі деталі набагато простіше виготовляти шляхом вибухової обробки, зокрема несиметричні деталі; можливо виготовляти складні деталі і навіть конструкції, як єдине ціле, а не з окремих частин, що з'єднуються за допомогою зварювання; забезпечується гарна якість поверхні, більш високі допуски; виключається в деяких випадках проміжна термообробка внаслідок більш повного використання пластичних властивостей металу і створення більш сприятливого схеми напружено-деформованого стану. Проте є і ряд труднощів: потрібні більш складні заходи із забезпечення техніки безпеки, установка дистанційного управління, підготовка кваліфікованого персоналу.
Також у виробництві використовується методи зварювання та зміцнення вибухом.
При зварюванні вибухом відбувається з'єднання деталей за рахунок спільної пластичної деформації в результаті зіткнення, викликаного вибухом бистродвіжущихся з'єднуються частин.
З'єднуються деталі, одна з яких нерухома, розташовують на деякій відстані (або під певним кутом) один від одного. На рухому заготівлю 3 кладуть вибухова речовина 2 з детонатором 1. При спрацьовуванні детонатора відбувається процес розкладання вибухової речовини, створюючи тиск, що розповсюджується позаду фронту детонації. У результаті цього рухлива заготівля отримує прискорений рух, спрямований у бік нерухомої заготовки 4. Соударяясь заготовки отримують взаємну пластичну деформацію, необхідну для міцного з'єднання.
Одним з перспективних способів деформаційного зміцнення є вплив на метали і сплави ударних хвиль, що реалізуються під час вибуху бризантних вибухових речовин. Ефект зміцнення обумовлений тим, що в результаті вибухового навантаження в металі підвищується щільність дефектів кристалічної будови, в основному дислокацій.
Енергоносії
До джерел енергії при обробці металів вибухом відносяться різні види вибухових речовин (ВР). Вибуховою речовиною називається хімічна сполука (суміш), яке під дією теплоти, механічного удару або тиску за короткий проміжок часу перетворюється в інше стійке речовина, повністю чи здебільшого газоподібне. В основі процесу гідровзривной обробки лежить фізичне явище, що представляє собою процес швидкого хімічного перетворення речовини, супроводжуваного переходом його потенційної енергії в механічну роботу деформації. Робота, проведена вибухом, обумовлюється швидким розширенням газів, незалежно від того, чи існували вони раніше чи утворилися під час вибуху.
Основна ознака вибуху - різкий стрибок тиску в середовищі, що оточує заряд. Газоподібні продукти вибуху, утворені завдяки великій швидкості хімічної реакції, займають в початковий момент незначний обсяг, швидко збільшується згодом, в результаті чого в зоні вибуху різко підвищується тиск. Перехід вибухової речовини з твердого в газоподібний стан відбувається за стотисячний або навіть мільйонні частки секунди. Величезна швидкість протікання процесу обумовлює високу концентрацію енергії, яка не утворюється в умовах протікання звичайних хімічних реакцій. Про швидкість протікання процесу вибуху можна судити за даними про зміну лінійної швидкості поширення його вибухової хвилі. Для сучасних вибухових речовин вона змінюється в межах 2000 - 9000 м / с. Великі тиску під час вибуху не могли б виникнути, якби хімічна реакція не супроводжувалася утворенням великої кількості газоподібних продуктів. Залежно від умов порушення хімічної реакції, характеру ВВ і деяких інших факторів швидкості переміщення вибухової хвилі різні і суттєво впливають на умови деформування.
Вибухова енергія передається на заготівлю через проміжне середовище. Від виду і щільності цього середовища у великій мірі залежить використання цієї енергії. Проміжна середу невеликий щільності поглинає частину енергії на стиск і тим самим значно зменшує ККД процесу і пошкоджує поверхню заготовки. Характер поширення пластичних хвиль залежить в основному від виду проміжного середовища: чи є вона сипучої або пружною.
При використанні води у вигляді проміжного середовища пластична деформація більш рівномірно поширюється по всій заготівлі і залежить від вибору заряду і його розташування в робочому середовищі. Під час вибуху у водному шарі, що оточує заряд, утворюється потужна ударна хвиля, яка віддаляється від центра вибуху з надзвуковою швидкістю. Газові бульбашки від продуктів вибуху продовжують розширяться радіально, поступово знижуючи швидкість. Їх тиск поступово зменшується і в певний момент стає менше тиску навколишнього середовища. З цього моменту починається зворотний процес стиснення газових бульбашок, який триває і після повторного вирівнювання тиску під впливом сил інерції водної маси. Поширення ударної хвилі йде швидше ніж, зростання газового міхура. У зв'язку з цим хвиля першої досягає поверхні заготовки, і починається процес деформації. При цьому частина енергії поглинається, а частина відбивається. Поглинена енергія переходить в пружну і пластичну деформацію.
Одночасно з початком деформування заготовки під дією відбитої хвилі за заготівлею виникає розрядка.
У результаті цього безпосередньо над заготівлею утворюється область кавітації, яка складається із суміші часток води і газу. Кавітація характеризується тим, що всередині кавітаційної зони швидкість кожної частинки залишається постійною. Швидкість деформування листової заготовки більше швидкості цих частинок. Після віддачі енергії вода в цій зоні залишається в спокійному стані.
При використанні в якості проміжного середовища піску або гуми в центральних частинах їх обсягу виникає підвищене тертя, що перешкоджає поширенню деформуючих хвиль, а на периферії деталі дію ударного імпульсу зменшується. У результаті цього створюються умови для зосередження зусиль в центральній частині заготовки. Тому при великих зарядах заготівля руйнується поблизу крайки матриці.
Перевага води в якості проміжного середовища полягає в тому, що вона забезпечує високий ККД процесу, підвищені швидкості деформування і високі тиску (у 100 разів вище, ніж при використанні повітряного середовища).
Найбільше поширення при вибуховому формоутворенні отримали бризантні вибухові речовини, що мають наступні переваги:
велику потужність, високу швидкість ударної хвилі, надійність та зручність при роботі, добре вивчену кінематику вибуху.
Поряд з вибуховими речовинами застосовуються і вибухові суміші:
газоподібні, рідкі та тверді. Проведені дослідження доцільності використання того чи іншого типу енергоносія доводять безсумнівні переваги вибухових речовин перед іншими енергоносіями. Вибухові речовини є доступними і дешевими продуктами виробництва. Вони найбільш підходящі і незамінні зважаючи на їх необмеженої потужності при формоутворенні великих товстостінних деталей. Форма заряду повинна бути такою, щоб забезпечити найбільш сприятливу навантаження на заготовку. Вона визначається характером діаграми навантаження, що діє на заготівлю та визначальною протягом металу в процесі формоутворення. В даний час певні переваги має зосереджений заряд, який забезпечує рівномірне навантаження на всій поверхні заготовки і найбільшу точність формоутворення. З метою підвищення безпеки формоутворення має сенс застосовувати пилоподібні ВВ.
Основні технологічні параметри при гідровзривном формоутворенні
Режим і умови гідровзривного формоутворення визначають наступні основні параметри: вид ВВ, його маса, щільність, форма, розташування заряду над заготівлею, рівень рідини над заготівлею, сила притиску заготівлі і характер її дії, діаметр робочого басейну, товщина заготовки. Важливим параметром процесу служить маса ВР. Від її правильного визначення залежить як техніко-економічна ефективність, так і технологічні можливості процесу. Для точного визначення необхідної кількості ВВ потрібно враховувати всі явища, пов'язані з розширенням продуктів горіння, поширення ударної хвилі у водному середовищі, дифракцією і відображенням ударної хвилі, дією інерційних сил.
Проведені дослідження з визначення впливу заряду на характер розподілу деформації показують, що циліндричний заряд діаметром 0,1 діаметра заготовки є оптимальним для отримання якісних деталей. Плоский заряд зменшує можливість утворення складок на бічних поверхнях тонкостінних деталей. Використання замість зосередженого заряду детонуючого шнура дозволяє зменшити кількість використовуваного вибухової речовини і максимально наблизити заряд до заготівлі.
Виробничі дослідження показали, що ідеальна форма заряду повинна відповідати формі деталі. Це дозволяє розташувати енергоносій у максимальній близькості до заготівлі, і при використанні подібних зарядів виникає плоска хвиля, що має велику потужність.
При деформуванні зосередженим зарядом висота його розташування над заготівкою в більшій мірі залежить від відносної товщини деталей. Чим більше ця товщина, тим менше відстань заряду до заготовки. (0,1-0,3 діаметру заготовки).
Висота розташування заряду підбирається і залежно від умов отримання максимального вигину заготовки при мінімальній його масі. Крім того, необхідно забезпечити рівномірний формозмінення заготовки, а швидкість деформації повинна бути менше критичної, пов'язаної з природою металу. Наприклад, для легованих сталей висота розташування заряду повинна бути більше, ніж для вуглецевих сталей. Існує тенденція пов'язувати висоту підвіски заряду з прохідним перетином матриці. Деякі дослідники стверджують, що висота підвіски заряду в прохідному перерізі повинна бути в межах 0,5-1,0 розміру прохідного отвору матриці, тому що збільшення висоти веде до збільшення маси заряду, а від останнього залежать міцність і габарити технологічного обладнання. При визначенні необхідного рівня води над заготівлею виходять з робочого тиску. Над заготівлею повинен бути такий шар води, щоб відбита хвиля досягла заготовку за більший проміжок часу, ніж ударна хвиля.
Попередження утворення складок на деталі - одна з важливих і найбільш важких проблем при впровадженні гідровзривного формоутворення в промисловість. Для уникнення складок в даний час рекомендується застосовувати звичайні методи притиску заготовок за допомогою гвинтів, скоб, клинів і т.п.
Технологічне обладнання за гідровзривном формоутворенні
Основну роль при гідровзривном формоутворенні грає технологічне устаткування, що включає стаціонарні споруди для гідровзривного формоутворення, інструментальну оснащення, допоміжне обладнання та захисні засоби. Стаціонарні споруди поділяються на стаціонарні басейни разового використання, басейни-матриці, бронекамери та ін Стаціонарні басейни знайшли найбільш широке застосування і використовуються при виготовленні великої номенклатури виробів. Основне стаціонарне обладнання для гідровзривного формоутворення заготовок має забезпечити збереження деформуючою рідини в осередку деформації; максимальну сейсмозахисту оточуючих його промислових будівель, допоміжного технологічного обладнання та побутових споруд; максимальну безпеку обслуговуючого персоналу; зручність роботи, продуктивність праці, використання засобів механізації та автоматизації. Стаціонарні басейни випускають різної геометричної форми: прямокутні, циліндричні, у формі усіченого конуса, у формі усіченої піраміди. Басейни відповідно до вживаним матеріалом поділяють на металеві, залізобетонні, цегляні та ін
Залежно від способу монтажу вони бувають: вкопаними в землю з фундаментом або без нього, змонтованими на поверхні також з фундаментом або без нього.
Стаціонарні споруди - басейни мають деякими недоліками: некероване переміщення басейну, змонтованого на піщаній подушці або цементному підставі;
підвищена взривосейсміческая навантаження на грунт і навколишні споруди та обладнання;
можливість утворення тріщин, особливо в басейнах з цегли або бетону; викривлення стін в результаті поганої центрування заряду;
викид робочої рідини; занурення басейну в землю, якщо він змонтований безпосередньо на землі.
Ці недоліки можуть бути зменшені, а в деяких випадках і повністю виключені при розташуванні стаціонарного обладнання на амортизаторах у вигляді гвинтових або конічних пружин.
Виробництво виробів деформацією вибухом
Використання енергії вибуху значно розширює можливості обробки металів тиском. За допомогою енергії вибуху можна створювати тиск від тисяч до мільйонів атмосфер. Високі тиску визначають особливі умови деформації металу, зміна властивостей (підвищення міцності, щільності, твердості), дозволяють деформувати матеріали, що не піддаються обробці тиском при звичайних швидкостях і умовах деформації, і здійснювати зварювання різнорідних металів з великою різницею температур плавлення. Зміною при деформації вибухом маси і конфігурації заряду, відстані від заряду до заготівлі та інших параметрів процесу можна одержувати вироби з заданими механічними властивостями. Застосування енергії вибуху при штампуванні дозволяє не тільки відмовитися у ряді випадків від створення великогабаритного й дорогого устаткування, але і забезпечити отримання виробів з новими якостями більш точними розмірами, значно скоротити технологічний цикл отримання готового продукту і в багатьох випадках виключити ручні оздоблювальні операції. Особливе місце займає застосування енергії вибуху для з'єднання (зварювання) різнорідних металів і отримання композиційних матеріалів. Майже всі традиційні способи зварювання пов'язані з місцевим нагріванням металу до пластичного стану, а в деяких випадках - до розплавлення.
Можливості зварювання металів вибухом для отримання двох - і багатошарових матеріалів не обмежені. Практично можливо зварювати різнорідні метали будь-яких розмірів. Міцність зварних з'єднань при зварюванні вибухом, як правило, перевищує міцність зварюються металів. Енергія вибуху використовується також в одному з перспективних напрямів - порошкової металургії для пресування (ущільнення) некомпактних металевих і неметалічних матеріалів.
Висновок
Практика показала, що багато ручні слюсарно-зачисні операції та слюсарно-полірувальні операції можуть бути успішно замінені високоефективної механізоване або автоматизованої струменевого гідроабразивного обробкою. Цей метод обробки володіє високими технологічними можливостями, він може використовуватися для різних видів обробки, наприклад, для: скруглення гострих крайок і зв'язаних радіусів; полірування і шліфування складних поверхонь; видалення задирок і зачистки зварних швів; зняття з усієї поверхні або локально дефектного шару; підготовки поверхні під покриття; зняття невеликого припуску з метою зниження шорсткості поверхні; видалення оксидних плівок, нагару, різних пошкоджень з поверхонь деталей. При цьому забезпечується висока продуктивність і гарна якість поверхневого шару.
Однак цей метод обробки ще не отримав широкого розповсюдження. Це пояснюється, в першу чергу, тим, що інженерно-технічні працівники підприємств недостатньо обізнані про технологічні можливості струменевого гідроабразивного обробки, вони не мають у своєму розпорядженні необхідними матеріалами щодо вибору параметрів і режимів обробки, що застосовуються абразивах і складах суспензії, конструкцій струминних апаратів, наявного технологічного обладнання та т.п.
З огляду на це, потрібно прагнути показати можливості струменевого гідроабразивного обробки, привести необхідні дані з розробки технологічних процесів з використанням даного методу обробки, описати конструкції і методики розрахунку струминних апаратів.
Список літератури
1) www.twirpx.com
2) www.neuch.ru