Гидроабразивная очистка отливок от пригара и мелких заливов

В настоящее время гидроабразивная очистка находит все более широкое применение для очистки поверхностей отливок, для зачистки швов после сварки и пайки, для очистки от коррозии и окалины, а также для подготовки поверхностей под гальванопокрытия, окраску и т. д.

Гидроабразивная смесь, приготовленная в специальных установках, затем с помощью различных аппаратов в виде струи подается на обрабатываемую поверхность. При этом либо обрабатываемая поверхность, либо аппарат перемещаются друг относительно друга. В качестве энергоносителя в аппарат подается сжатый воздух, который, увлекая абразивную жидкость, с большой скоростью выбрасывает ее на обрабатываемую поверхность. При ударах и скольжении абразивных зерен по обрабатываемой поверхности от последней отделяются инородные частицы и металл. Количество ударов по поверхности может достигать от 2 х 10⁶ до 25 x 10⁶ в секунду, что означает высокую степень обрабатываемости поверхности.

Если размеры неровностей обрабатываемой поверхности больше зерен абразива, то действию последних подвергаются не только выступы, но и впадины. Поэтому при обработке грубых поверхностей мелким абразивом вершины и впадины только скругляются, но не снимаются. Для получения повышенной чистоты поверхности необходимо, чтобы зерно перекрывало вершины смежных выступов.

Интенсивность обработки поверхности зависит от ее твердости, вязкости и структуры. Обработка поверхности заключается в изгибе и срезе выступов или в истирании поверхности. Истирание происходит тем больше, чем сильнее зерно абразива прижато к поверхности нормальной составляющей и чем быстрее оно сможет переместиться под действием составляющей, направленной параллельно поверхности. При угле наклона струи 90° вся работа удара уходит на деформацию поверхностного слоя и самого абразивного зерна. При уменьшении угла наклона струи скорость движения абразивного зерна вдоль поверхности увеличивается, но эффективность обработки при этом уменьшается вследствие уменьшения нормальной составляющей. Наилучшие результаты получаются при угле наклона струи 30–60°.

Опыты показывают, что для обработки поверхности чугунных отливок лучшие результаты дает песок фракции 1,5–2 мм, для стальных отливок – 0,5–0,8 мм, для алюминиевых и магниевых сплавов необходим металлический песок фракции 0,3 мм. Наличие острых граней у песчинок и способность их сохранять эту форму после раскалывания при обработке поверхности позволяет значительно увеличить их очищающее действие. Этот фактор определяет преимущество обработки песком по сравнению со сферической дробью.

Абразивная жидкость состоит из твердого абразивного материала, находящегося в жидкой среде во взвешенном состоянии. Действие абразивной жидкости на обрабатываемую поверхность зависит от свойств абразивного материала, концентрации последнего в жидкой среде и от степени химической активности жидкой среды. Жидкая среда служит для транспортировки абразивного материала от емкости-смесителя до обрабатываемой поверхности, а также для устранения пылеобразования и уменьшения истирания зерен абразива. Специальные растворы с добавлением поверхностно-активных веществ, проникая в микротрещины обрабатываемой поверхности, способствуют увеличению съема металла. Содержание поверхностно-активных веществ в растворе не должно превышать 1 %. Дальнейшее увеличение содержания поверхностно-активных веществ в растворе ухудшает чистоту обрабатываемой поверхности.

Поверхностно-активные вещества содержат сульфатный щелок, мылонафт и др. В качестве жидкой среды применяется вода и раз-личные водные антикоррозийные растворы, предохраняющие детали установки и обрабатываемую деталь от окисления. Хороший результат дает 1-процентный водный раствор кальцинированной соды (Na₂CО₃).

Чем выше твердость абразивных зерен, тем медленнее происходит износ острых граней зерен и тем дольше сохраняются их режущие свойства. Наибольшей прочностью и способностью снимать металл обладают зерна, имеющие форму многогранника, приближающегося к форме куба.

При гидроабразивной обработке находят применение естественные абразивные материалы: корунд, наждак, кварц и др. Из искусственных абразивных материалов применяются карбид бора и кремния, электрокорунд, железный крокус. Карбид бора и кремния, электрокорунд являются дефицитными и дорогостоящими материалами. Поэтому в большинстве установок применяют кварцевый песок. Эффективность действия кварцевого песка, при прочих равных условиях, в четыре раза меньше электрокорунда, но и его стоимость значительно меньше. Удельный вес карбида кремния и электрокорунда 3,1–3,9 г/см³, а кварцевого песка 1,4–1,6 г/см³. Для классификации абразивных зерен применяются сита, последовательно расположенные на специальных рассевных аппаратах, от самых крупных по размерам ячеек до самых мелких. В процессе работы необходима периодическая замена измельченного и затупившегося абразива.

Из металлических песков наибольшее распространение получил чугунный песок. Однако при обработке деталей из нержавеющих жаропрочных сталей и сплавов, мельчайшие частички чугунного песка вкрапливаются в поверхность, и детали начинают быстро коррозировать. Поверхность таких деталей после очистки при хранении в обычных комнатных условиях покрываются налетом, а при нанесении на нее влаги сразу же возникает обильная поверхностная коррозия, что не наблюдается при обработке кварцевым песком.

При обработке деталей из магниевых сплавов чугунным песком на поверхности детали наблюдается резко выраженная коррозия. Аналогичная картина наблюдается и на отливках из алюминия и его сплавов. Кроме того, к недостаткам чугунного песка следует отнести то обстоятельство, что, попадая в щели и карманы, он застревает, и впоследствии, попадая при работе во внутренние полости машины, вызывает аварии.

В большинстве случаев для отливок из цветных сплавов применяют кварцевый или алюминиевый песок, а для стальных отливок – стальной. Металлический песок применяется с размерами зерен от 0,4 до 2,7 мм.

1. Режимы и основные параметры гидроабразивной очистки

Основными параметрами гидроабразивной обработки поверхности отливок является количество абразива в гидроабразивной жидкости, количество жидкости, расход сжатого воздуха, давление воздуха, диаметр сопла, длина струи от сопла до отливки и производительность по съему металла с поверхности в единицу времени.

Обычно применяют количество абразива в жидкости в соотношении от 1 : 2 до 1 : 6 (по объему). Содержание абразива ограничивается невозможностью транспортировки к соплу суспензии с высокой концентрацией твердого; уменьшение же количества твердого в суспензии резко снижает производительность.

Количество или расход абразивной жидкости зависит от диаметра сопла и напора, под каким жидкость подается к соплу. Оптимальная скорость струи обеспечивается подбором диаметра сопла и давления воздуха. Как правило, диаметр сопла для подачи суспензии и диаметр выходного сопла принимают равными, так как при этом обеспечивается более надежная и эффективная работа установки.

Диаметры сопел подбираются опытным путем в каждом отдельном случае в зависимости от расхода суспензии и расхода воздуха. Рабочие сопла имеют диаметры от 4 до 15 мм (иногда до 20 мм). С увеличением длины струи при прочих равных условиях съем металла уменьшается. Длина струи должна устанавливаться с учетом вида обработки, давления в воздушной сети и необходимой площади обработки. При обработке поверхности отливок длина струи обычно принимается в пределах 70–80 мм, но не более 10 диаметров выходного сопла.

Сравнение производительности очистки при использовании металлических и кварцевых песков дано в табл. 10.

Таблица 10 Сравнение производительности очистных работ

Очистка производилась в пескоструйной камере типа Г-93А, сопла металломинералокерамические с диаметром отверстия 16 мм, давление воздуха – (0,35–0,4) МПа. Размер фракции песка 0,4–0,2.

Производительность при обработке различных отливок чугунным песком примерно равна производительности очистки кварцевым песком, а при очистке стальным песком несколько выше.

2. Установки для гидроабразивной очистки

Установки для гидроабразивной очистки поверхности отливок можно разделить по способу подачи абразивной жидкости или пульпы на следующие виды:

– установки, работающие по принципу подачи пульпы в сопло путем эжектирования;

– установки, работающие no принципу подачи пульпы в сопло путем выдавливания из сосуда сжатым воздухом под давлением (0,1–0,2) МПа без применения или с применением дополнительного эжектирования сжатым воздухом под давлением (0,5–0,6) МПа.

– установки, работающие на принципе подачи пульпы к соплу (или в промежуточный бак) центробежным или поршневым насосом под давлением (0,15–0,2) МПа (далее пульпа эжектируется воздухом или без эжектирования поступает в сопло);

– установки, работающие на влажном песке.

Установки для гидроабразивной очистки отливок и других изделий по конструкции можно разделить на три вида: 1) аппараты; 2) камеры и столы; 3) конвейерные камеры и барабаны.

Работа установок, основанных на принципе эжектирования, заключается в том, что в бункер, находящийся в нижней части камеры, заливается вода и в определенной пропорции засыпается абразив. Емкость бункера зависит от размеров камеры и вида обрабатываемого изделия. Снизу в бункер подводится сжатый воздух под давлением (0,2–0,3) МПа, служащий для поддержания абразивной жидкости во взвешенном состоянии. Качество перемешивания (барботирования) зависит от формы и конструкции перемешивающего устройства. Часто перемешивание осуществляется механическими мешалками.

При подаче сжатого воздуха в струйный эжекционный аппарат в камере смешения создается разряжение до 6,65∙10^–5 МПа. Благодаря разряжению абразивная смесь засасывается из бункера и по гибкому шлангу поступает в струйный аппарат. В смесительной камере струйного аппарата происходит смешение абразивной жидкости со сжатым воздухом, сообщающим жидкости кинетическую энергию. Увлекаемая воздухом абразивная жидкость вылетает из выходного сопла струйного аппарата со скоростью 50–70 м/сек. Отработанная жидкость стекает обратно в бункер. Цикл повторяется непрерывно. Смесь в бункере по мере загрязнения меняется (не реже двух раз в неделю) на новую. Отработанная смесь для предотвращения засорения канализации при замене перекачивается в абразивоуловитель и шламоотстойник, а очищенная вода спускается в канализацию.

Простейшие камеры относятся к открытому типу, они предназначены для обработки крупных отливок. Рабочий производит обработку поверхности, находясь внутри камеры. Обработка отливок производится на поворотном столе. Эжекционный аппарат находится в руках у рабочего. Рабочий работает в скафандре. Камера представляет собой металлическую коробку с открытым верхом и бункером под металлическими решетками пола камеры.

Камеры полузакрытого типа отличаются от открытых тем, что рабочий, находясь вне камеры, ведет обработку поверхности отливок в проеме. Камера закрыта со всех сторон, кроме проема. Отливки размещаются на решетчатом поворотном столе.

На рис. 21 показана механизированная гидроабразивная камера закрытого типа.

Рис. 21. Механизированная гидроабразивная камера закрытого типа

Обрабатываемая отливка помещается на подъемно-поворотный стол 7, смонтированный на подвижной тележке Стол вместе с тележкой при помощи пневмоцилиндра 1 закатывается в камеру 6. На тележке имеется сиденье 12 для рабочего. Рабочий от камеры отделен специальными экранами 4 и 11, один из которых 11 укреплен на тележке 13 перед рабочим, а другой 4 подвешен на перед ней стенке камеры и может передвигаться в направляющих вверх или вниз под действием грузов 3. Для направления перемещения грузов 3 служит ролик 9. На подвижном экране 11 имеются лазы 2 с диафрагмой для рук и смотровое окно 10. Сбоку от сиденья рабочего имеется кран 5 для управления подачей воздуха к цилиндру передвижения тележки. Корпус камеры изготовлен из листовой стали толщиной 2—3 мм. Формирование абразивной струи осуществляется струйным аппаратом 8. Для уменьшения габаритов камеры бункер 14 размещен ниже уровня пола.

На рис. 22 показан гидроабразивный барабан. Детали засыпаются в корпус барабана 10, изготовленного из перфорированной листовой стали. Барабан своими ободами опирается и вращается на роликах 8, которые приводятся во вращение от электродвигателя 1 через редуктор 2. В торцах барабана 10 имеются отверстия, в которые вставляются эжекционные струйные аппараты 14, прикрепленные на кронштейнах 3 к корпусу 7.

Рис. 22. Гидроабразивный барабан

Из струйных аппаратов абразивная жидкость под углом направляется на отливки, находящиеся во вращающемся барабане.

Барабан закрыт герметическим кожухом, имеющим дверцы 4, открывающиеся с обеих сторон. Перемешивание рабочей жидкости осуществляется барбатером 12.

Отработанная рабочая жидкость через отверстия в барабане стекает в бункер 11 и всасывающей трубой 9 вновь подается через сопло на поверхность отливок. Отверстия в барабане камеры и корпусе для установки струйных аппаратов защищены от выброса абразивной жидкости предохранительными кожухами В верхней части барабана имеется отверстие 5 для подвода вытяжной вентиляции. Сепаратор 6 служит для улавливания частиц песка.

По окончании обработки по специальным направляющим под барабан вкатывается короб 15, имеющий перфорированное дно, в который высыпаются из барабана отливки. После этого короб выдвигается, отливки убираются, а в барабан засыпается новая партия отливок. Скорость вращения барабана 1–3 об/мин.

Подача абразивной жидкости производится разными способами. На рис. 23 изображена схема установки для обработки поверхности отливок влажным песком. Установка состоит из верхнего 6 и нижнего 5 корпусов, образующих бункер, соплового диска 4, камеры гашения 2, трубопроводов 1, 3 и 7 для подачи сжатого воздуха и резинового шланга 9 с рабочим соплом.

Рис. 23. Схема установки для обработки поверхности отливок влажным песком

Влажный песок загружается в бункер через верхнее загрузочное отверстие, после чего бункер плотно закрывается крышкой 8.

Под действием подаваемого по воздухопроводу сжатого воздуха и собственного веса влажный песок, находящийся в бункере, опускается на неподвижный сопловый диск 4, где новой струей воздуха, поступающей по воздухопроводу 3, отбрасывается к стенкам камеры гашения 2 и осыпается в нижний патрубок 10.

Сжатым воздухом, поступающим по воздухопроводу 1, влажный песок, находящийся в патрубке, увлекается в резиновый шланг 9, подающий песок к рабочему соплу установки, которое направляет его на очищаемую поверхность. Для устранения зависания песка в бункере применяются вибраторы.

На рис. 24 изображена схема установки работающей по принципу раздельной подачи смеси воздуха с песком и воды к соплу.

Рис. 24. Схема установки, работающей по принципу раздельной подачи смеси воздуха с песком и воды к соплу.

Установка состоит из двухкамерного пескоструйного аппарата I непрерывного действия, аккумулятора воды II, находящегося под давлением сжатого воздуха, и сопла III. Давление сжатого воздуха в пескоструйном аппарате и воды в аккумуляторе составляет 5–6 атм. и контролируется манометрами 5 и 14.

Песок загружается в двухкамерный пескоструйный аппарат, конструкция которого позволяет производить наполнение его без прекращения работы.

При закрытом вентиле 6 и открытом вентиле 4 давление в верхней камере снижается до атмосферного. После засыпки песка через верхний загрузочный корпус вентиль 4 закрывается, а вентиль 6 открывается. После выравнивания давлений в верхней и нижней камерах открывается нижний загрузочный конус, и песок поступает в нижнюю камеру. При расходовании песка из верхней части бункера и в случае необходимости его наполнения без остановки процесса открывают вентиль 7, через который подается сжатый воздух. Под давлением воздуха происходит закрытие загрузочного конуса и выжимание песка из нижней камеры. Из нижней камеры песок через краны 3 и 9 поступает в смесители 2 и 11, где он подхватывается воздухом, поступающим через вентили 8 и 10, и подается в сопла, размещенные в распределительных камерах, а затем по резиновым шлангам смесь песка и воздуха поступает в центральную часть сопел III. Воду подают в аккумулятор II через вентиль 16. Для этого закрывают вентиль 13 и открывают вентиль 15 для выпуска воздуха. После того, как вода налита, закрывают вентили 15 и 16 и открывают вентиль 13, через который подается сжатый воздух. Вода под давлением сжатого воздуха подается через вентили 12 и 20 по резиновым шлангам с внутренним диаметром 16–19 мм и через вентили 1 и 19 к рабочим соплам.

Вода поступает в сопло по кольцевой щели. Песок проходит по центральному соплу. Смешение струй происходит при выходе из сопла.

Перекрывая кран 3 и открывая или закрывая вентиль 1, можно смывать очищенный участок водой или обдувать его воздухом.

Для предохранения от коррозии в резервуар с водой через воронку 17 вводят эмульсол, предварительно открыв вентиль 18.