Дробеструминна обробка - раціональний спосіб підвищити міцність металів - Журнал «Твердий сплав»
Тонка металева деталь надійно утримується на столі, що обертається, до початку дробоструминної обробки. Зображення надано Innovative Peening Systems
Середньовічні солдати саме так зміцнювали броню, інженери в Громадянську війну використовували це для стволів гармат, за допомогою цього способу залізничники зміцнювали осі локомотива, а Генрі Форд підвищував міцність деталей свого нового винаходу - конвеєра. Нещодавно виробники літаків почали робити це майже на кожному дюймі металевих деталей перед тим, як відправити літак у небо.
Що ж робили всі ці воїни, винахідники та виробники? Холодна обробка металевих деталей.
Зняти стрес
Холодна обробка є пластичною деформацією металу, процес, що відбувається при температурі нижче точки повторної кристалізації матеріалу (тобто при кімнатній температурі) для підвищення міцності і жорсткості при зниженні в'язкості. Дробеструминна обробка - поширений вид холодної обробки. Вона здійснюється шляхом впливу дробу на оброблювану деталь зі швидкістю вищою, ніж швидкість гоночного автомобіля, що перетинає фінішну межу. В результаті на поверхні деталі з'являються поглиблення, що перекривають один одного, які сприяють зняттю залишкової напруги при стисканні.
Багаторазова дія на поверхню металу підвищує втомну міцність, знижує ймовірність появи тріщин або корозії під напругою на таких деталях, як диски турбіни, пружини, шестерні, деталі двигуна, шасі та колеса повітряних суден.
Дейв Броєр (Dave Breuer), директор північноамериканського відділу продажів компанії Curtiss-Wright Corp. (Парамус,Нью-Джерсі), що спеціалізується на технологіях обробки поверхні, відзначає, що його клієнти використовують фірмові технології дробоструминної обробки практично скрізь - від валів вагою 3600 кг до крихітних шестерень, що запускають інструменти з електроприводом.
Бройєр додає, що ця технологія застосовується на такому великому діапазоні компонентів, що компанія змушена зберігати десятки різних засобів для обробки - від кульок розміром з піщинку до дробу, що підходить за розміром для стрільби з пневматичної рушниці. Крім звичайного сталевого дробу, є ще дріб керамічний, скляний, з нержавіючої сталі, вартістю від кількох сотень до тисячі або більше доларів за тонну. Багато з цих засобів для дробоструминної обробки можуть використовуватися повторно, хоча тендітний дріб зі скла та кераміки розбивається досить швидко під впливом сили удару.
Дріб повинен бути більш міцним і жорстким, ніж оброблюваний матеріал. Спроба обробити чавунну головку циліндра дробом з відпаленої сталі можна порівняти зі стріляниною зефіром по бетонній стіні. У цьому випадку ефективніший дріб із загартованої сталі. М'якіші матеріали, такі як алюміній, зазвичай обробляються дробом з нержавіючої сталі або кераміки, залежно від сфери застосування.
Піднімаючи кришку
Сам дріб відносно недорогий, чого не скажеш про обладнання для дробоструминної обробки. Ручна пневматична дробоструминна камера, що підходить для невеликої майстерні, може коштувати кілька тисяч доларів. Але таке легковагове обладнання призначене в основному для очищення поверхні та видалення окалини і не підійде за якістю обробки клієнтам з аерокосмічної або медичної промисловості. Той, хто має намір серйозно займатися дробоструминною обробкою,повинен бути готовим витратити до 100 000 доларів на одну установку або мільйони доларів на велику автоматичну систему.
Ден Дікі (Dan Dickey), власник компанії-постачальника обладнання Innovative Peening Systems (Норкрос, Джорджія), відзначає значний розвиток дробоструминної обробки за останні 20 років. «Раніше це нагадувало кидання навмання в деталь жмені кульок – зараз доступні технології дозволяють повністю контролювати рух. Ви вирішуєте, в яку точку деталі вам потрібно потрапити, програмуєте установку відповідним чином, і сопло спрямовує дріб точно у вказане місце. Ви можете робити це швидко та з відмінним результатом».
Перехід від килимового бомбометання до снайперських пострілів зробив дробоструминну обробку набагато рентабельніше, ніж раніше. ЧПУ та робототехніка знижують споживання стисненого повітря та електроенергії під час роботи, значно підвищуючи продуктивність. За словами Дікі, дробоструминна обробка – складний процес, в якому потрібна точна та ефективна дія. Це пояснюється унікальністю кожної деталі, що має власні характеристики та форму, що значно впливає на інтенсивність обробки та зміну кута, під яким вона ведеться. Якщо дріб б'є під кутом 180 градусів, наприклад, він лише злегка зачіпає поверхню, залишаючи слабкий відбиток. Зовсім інший результат під час обробки під кутом 90 градусів – це найкращий кут для проникнення. Тому дуже важливо завжди слідувати за контуром деталі і тримати сопло перпендикулярно, регулюючи швидкість при русі у внутрішні кути і виході з них. Це ключ до успішного результату дробоструминної обробки.
Оператор здійснює налаштування в режимі навчання на дробоструминній установці з ЧПУ. Зображення надано Innovative PeeningSystems
Дікі зазначає, що значна частка його обладнання автоматизована і зазвичай має одне сопло, яке переміщується по чотирьох осях, та двокоординатну систему управління. Незважаючи на наявність шести осей, програмування має на увазі трохи більше, ніж рух деталі та сопла в потрібному напрямку в навчальному режимі і потім повторення ЧПУ цього шаблону. Успішна обробка означає вмілий контроль потоку дробу і тиску повітря.
Не всім системам дробоструминної обробки потрібне повітря для активації. Канзаська фірма-виробник дробоструминного обладнання Viking Blast & Wash Systems випускає турбінні установки, де дріб запускається за допомогою обертового колеса. Про свою продукцію розповідає менеджер з продажу та клієнтського обслуговування компанії Мартін Фройнд (Martin Freund): «На нашому обладнанні є робоче колесо, встановлене в турбіні та електродвигуном, що приводиться в дію. Дроб випускається з точки поруч із центром колеса, поширюється вздовж окремих лопаток і прямує у бік оброблюваної деталі. Наприклад, колесо діаметром 381 м, що здійснює близько 3450 оборотів за хвилину, запускає дріб зі швидкістю 87 м за секунду. Щоб прискорити або уповільнити швидкість обертання колеса, можна також використовувати пристрій керування, що дозволяє змінювати схему та швидкість обробки.
Круговий рух
Якщо порівняти турбінні та пневматичні системи, у кожного варіанта знайдуться за та проти. Одна з переваг пневмосистеми перед механічним конкурентом – швидкість, яка в деяких випадках вдвічі перевищує швидкість встановлення з колесом: 183 м/сек не є чимось незвичайним. Тому пневмосистеми можуть впливати на метал набагато сильніше, створюючи глибші вм'ятини та інтенсивніше.обробляючи поверхню. Вони також мають більш спрямований вплив, тому пневмосистеми краще справляються з обробкою кутів та глухих отворів, а також складних поверхонь. При цьому пневматичні дробоструминні машини вимагають величезних обсягів стисненого повітря для роботи, для чого часто потрібні спеціальні компресори. При цьому деякі галузеві фахівці зазначають, що високі швидкості подачі дробу – не головне, і пневмосистеми більше підходять для високоінтенсивних сфер застосування.
Крила повітряного судна є фасонними деталями, для виробництва яких потрібен складний процес з використанням дробоструминної обробки. Зображення надано Wheelabrator Group
Для обробки великих ділянок із застосуванням величезної кількості дробу із високою швидкістю подачі найкращий варіант – турбінна установка. У деяких з них швидкість подачі досягає 454 кг дробу за хвилину порівняно з приблизно 14 кг дробу для пневмоустановки. Тому це найкращий вибір для масштабних робіт, наприклад обробки конструкційних, суднобудівних сталей, деталей землерийної техніки, ливарного виробництва, де проводиться обробка партій відлитих заготовок.
Рон Райт (Ron Wright), менеджер з автоматичних дробоструминних установок у регіоні Північна Америка компанії Wheelabrator Group Inc. (Лагранж, Джорджія), наголошує на перевагах турбінної технології: «Швидкість – основний фактор для багатьох компонентів. Уявіть розмах крила літака, яке колись було величезним аркушем алюмінію. Використовуючи турбінну установку, ви зможете покрити зону в кілька дюймів шириною зі швидкістю 0,9-1,2 метра в хвилину в залежності від кількості дробу, що використовується. При перехресному використанні кількох турбін можна обробити ціле крилокомерційного судна менш як за годину».
Дробеструминна обробка часто використовується для зняття залишкової напруги авіаційних компонентів та турбін. Зображення надано Wheelabrator Group
Дробеструменева обробка перевершує за своїми якостями зачистку поверхні і набагато ближче за своїм характером до ковальської справи. При додатку стискаючого зусилля до одного боку листа металу він починає закручуватися у бік джерела навантаження, утворюючи вигнуті форми, необхідні авіації.
«Якщо ви уважно подивіться на крило пасажирського літака, то побачите, що це фасонний компонент. Цього вдається досягти завдяки складному процесу, що поєднує насичену дробоструминну обробку і дробоструминне формування. Насичена обробка – це той самий метод, який використовується для корпусу, шасі, коліс та деталей двигуна повітряного судна. Це трохи нагадує створення форми за допомогою молота», – пояснює Райт.
При дробоструминної обробки маленькі металеві кульки на великій швидкості ударяються об поверхню металевої деталі, створюючи вм'ятини. Це створює напругу стискування та посилює металургійні властивості. Зображення надано Wheelabrator Group
При витраті дробу до 500 т на годину або більше, у деяких може виникнути питання про витрати на використання турбінної дробоструминної установки. Райт зазначає, що про це не варто турбуватися. Ми використовуємо повторно 100% матеріалу. Він постійно очищається, переробляється та класифікується. Весь пил видаляється автоматично. Заміни потребує зовсім незначної кількості матеріалу».
Глибоке проникнення
Якщо традиційна дробоструминна обробка не відповідає вимогам, виробники звертаються до лазерної технології.
Д-р Девід Сокол (David Sokol), директор з досліджень компанії LSP Technologies Inc. (Дублін, Огайо), розповідає, що лазерна технологія використовує високоенергетичний пульсуючий лазерний пучок для створення ударної хвилі стиснення, що забезпечує пластичну деформацію металевої поверхні. При цьому виникає залишкове зусилля, що стискає, проникає на глибину до 5 мм в залежності від матеріалу і умов обробки.
Лазерна дробоструминна обробка використовується в областях, де вплив дробом неможливий або глибина механічно створюваних поглиблень недостатня для досягнення потрібних результатів. Зображення надано Curtiss-Wright
Як і механічна обробка, лазерний вплив підвищує втомний ресурс та міцність деталей. Різниця у глибині. За словами Сокола, проникнення при дробоструминній обробці обмежено менш ніж 0,6 мм, а лазер проникає на глибину, вдесятеро більшу. Тому він може застосовуватися в тих місцях деталі, де звичайна обробка дробом не знімає достатньою мірою залишкову напругу. І оскільки лазерна обробка не залежить від кульок, вона відрізняється більшою точністю та повторюваністю і може застосовуватися на спеціальних ділянках деталі без використання маски. У процесі використовується неодимове скло, ітрій-алюмінієвий гранат або фторид ітрію-літію, що випромінює імпульси довжиною 10-30 наносекунд з рівнем енергії до 50 Дж. При цьому генерується тиск до 1 млн. фунтів на кв. дюйм – у точці діаметром трохи більше олівця. “LSP Technologies Inc. працюють над тим, щоб знизити вартість лазерної обробки, використовуючи лазер із накачуванням світлодіодами, який працює із частотою імпульсів до 60 Гц», – розповідає Сокіл.
Хоча лазер діє сильніше і швидше, ніж будь-хтосталева кулька, вона не нагріває метал. З цієї причини оброблені лазером деталі стають міцнішими без холодної обробки, що асоціюється з дробоструминним впливом. При цьому деталі можуть працювати у високотемпературних середовищах без погіршення властивостей.
За словами Бройєра, 90% проблем, викликаних втомою, можуть бути вирішені за допомогою дробоструминної обробки, яка використовується вже майже 50 років і є водночас добре контрольованим та відносно недорогим процесом. Але для 10% деталей просто потрібна лазерна обробка. «Ви звертаєтеся до лазера, коли дробоструминна обробка не працює. Це дорого, можливо, разів у 10 у порівнянні з дробоструминною обробкою, тому лазерна обробка не використовується для якоїсь шестерні в коробці передач, яку можна обробити за кілька доларів. Але для критично важливих деталей, що обертаються, наприклад, реактивних двигунів або енергетичних турбін, коли зламана лопатка може дійсно створити серйозну проблему, має сенс витратити додаткові кошти».