CC BY
49
УДК 669:620.197
ТЕХНОЛОГИЯ СТРУЙНОЙ ГИДРОАБРАЗИВНОЙ ОЧИСТКИ ОТ КОРРОЗИИ СТАЛЬНЫХ ЛИСТОВ, ПРЕДНАЗНАЧЕННЫХ ПОД ЛАЗЕРНУЮ РЕЗКУ
Докт. техн. наук, проф. КАЧАНОВ И. В., инж. ФИЛИПЧИКА. В., канд. техн. наук ШЕЙКО А. М.,
студенты РУБЧЕНЯ А. А., УШЕВ С. И.
Белорусский национальный технический университет
Отличительной особенностью современного промышленного производства Республики Беларусь являются отсутствие собственной сырьевой базы и существенная зависимость от импортных энергоносителей и материальных ресурсов, поставляемых по мировым ценам. При работе в таких условиях эффективность производства в основном может быть достигнута за счет всемерной экономии и использования энерго- и ресурсосберегающих технологий, обеспечивающих получение высококачественной, конкурентоспособной продукции. Примером такой технологии может служить лазерная резка (ЛР). Технология ЛР, обычно применяемая на промышленных производственных линиях, основана на том, что сфокусированный лазерный луч обеспечивает высокую концентрацию энергии и позволяет разрезать практически любые материалы независимо от их теп-лофизических свойств. Лазерная резка отличается отсутствием механического воздействия на обрабатываемый материал, при этом возникают минимальные деформации, как временные в процессе резки, так и остаточные после полного остывания. Вследствие этого ЛР даже легкодеформируемых и нежестких заготовок и деталей можно осуществлять с высокой степенью точности. Благодаря большой мощности лазерного излучения обеспечивается высокая производительность процесса в сочетании с высоким качеством поверхностей реза. Легкое и сравнительно простое управление лазерным излучением позволяет осуществлять ЛР по сложному контуру плоских и объемных деталей и заготовок с высокой степенью автоматизации процесса.
Эффективное использование ЛР при разделке стальных листов может быть достигнуто при соответствующей подготовке стальной по-
верхности. В частности, при использовании лазерного комплекса TRUMATIC L2530 поверхность стального листа должна после предварительной обработки иметь шероховатость Ra = 0,4-1,0 мкм и обладать при этом минимальным (по отношению к условиям поставки) уровнем упрочнения. При использовании в качестве характеристики упрочнения такого параметра, как микротвердость Иц, необходимо, чтобы ее величина по отношению к исходному значению Иц0 (Иц0 - микротвердость поверхности листового металла применительно к условиям поставки) не выходила за пределы соотношения И = (1,1-1,4)Иц0.
Основная часть. Для исследования процесса гидроабразивной очистки (ГАО) в НИИЛ «Водохозяйственные системы» (ВХС) был разработан стенд, представленный на рис. 1. Он включает в себя бак 1 объемом 200 л, три мембранных насоса 3 марки 7000 НА с номинальной мощностью 2,2 кВт и максимальным рабочим давлением до 40 МПа [1]. Параллельное соединение насосов дает возможность изменять подачу в диапазоне от 5,6 до 16,8 л/мин и получать давление на входе в сопло от 10 до 40 МПа. Стенд также содержит напорные линии 4 с регулируемыми дросселями 5, тройник 6 со штуцерным соединением, манометр 7 для измерения давления на входе в конфузор 8. Для того чтобы изменять расход жидкости и режимы обработки, используются конфузоры с диаметром выходного сечения = 1 • 10-3 м. С целью обеспечения детального исследования обработки металлическая пластина 9 может приводиться во вращение при помощи электродвигателя 11. Мерный бак 10 используется для измерения расхода объемным способом, а регулировочное устройство 13 - для изменения расстояния Ь от обрабатываемой пластины до конфузора.
Наука 7
итехника, № 2, 2013
При включении насосов высокого давления из бака через фильтрующие элементы рабочая жидкость по напорным линиям подается к конфузору (рис. 1). Давление на входе в кон-фузор регистрируется манометром, при этом для гашения пульсаций в потоке рабочей жидкости установлены регулирующие дроссели. Из конфузора струя подается на очищаемую металлическую пластину, которая приводится во вращение электродвигателем. Расстояние Ь от конфузора до обрабатываемой пластины регулируется устройством. Очистка поверхностей происходит в баке, в котором установлены мерная шкала 14, сливной кран 15 и крышка 12.
11 12 7 5 4
13
2
Рис. 1. Схема экспериментального стенда
Одним из основных элементов в рассмотренной схеме экспериментального стенда является конфузор. Эффективность его работы оценивали по массовому съему металла в единицу времени. Эксперименты выполняли на плоских образцах из стали 08кп с размерами 4x50x50 мм. Массовый съем металла определяли взвешиванием до и после ГАО на аналитических весах ВЛЛ-200М с точностью до 10-4 г.
Результаты по изучению влияния угла конусности конфузора а на массовый съем материала Am приведены на рис. 2. Из графиков видно, что в исследованном диапазоне входных давлений рвх = (17-30) МПа с увеличением угла а от 0 до 50° массовый съем возрастает и достигает максимального значения при а = 50°. При дальнейшем возрастании угла а отмечается снижение зависимости Am = fa), что можно объяснить динамическими (скоростными) характеристиками струи, которые достигают своего максимального значения при а = = 40°-50°. Полученные результаты полностью
совпадают с данными теоретического анализа, в соответствии с которыми минимальные потери напора и, следовательно, максимальные скорости струи на выходе из конфузора имеют место при оптимальных углах конусности аопт = 40°-50° [2, 3].
25
s л
20
15
й < о о о
10
0 20 40 60 80
Угол конусности конфузора а, град.
Рис. 2. Зависимость массового съема материала Дт от угла конусности конфузора а: = 3 %; Кп = 10~5 %; Кк с = 2 %; остальное - вода; <1К = 1 • 10~3 м; Ь = 50 мм;
1 -рвх = 17 МПа; 2 - 22; 3 - 30 МПа
Следует отметить, что в этих и последующих экспериментах для обработки использовали рабочую жидкость, содержащую бентонитовую глину (Кб = 3 %), полиакриламид (Кп = 10-5 %), кальцинированную соду (Кк.с = 2 %), остальное -вода. Указанный состав характеризуется патентной новизной как в части компонентов, так и их концентрации в составе рабочей жидкости [4].
Как уже отмечалось ранее, шероховатость и микротвердость относятся к важным параметрам поверхности, которые необходимо обеспечивать для качественного проведения такой выхокотехнологичной операции, как ЛР. Для проведения исследований использовали образцы из сталей 08кп, рекомендованные техбюро завода ОАО «Агат - электромеханический завод» для очистки от продуктов коррозии. Шероховатость поверхности образца измеряли в соответствии с ГОСТ 2789-73 на профи-лометре-профилографе модели 252 типа А1. Погрешность измерений на профилометре составляла около 5 %.
Влияние расстояния Ь от конфузора до обрабатываемой поверхности на шероховатость поверхности Яа при изменении давления на входе в конфузор рвх от 17 до 30 МПа с исполь-
Наука итехника, № 2, 2013
5
1
зованием состава рабочей жидкости согласно [4] представлено на рис. 3. При этом исходная шероховатость поверхности составляла 14 мкм.
[3 f
и о
X
о &
э
0 25 50 75 100
Расстояние от торца конфузора до обрабатываемой поверхности L, мм
1
2 \
т-----■ •
* 3
125
Рис. 3. Зависимость шероховатости Ra от расстояния L:
Кц = 3 %; Кп = 10~5 %; Кк с = 2 %; остальное - вода; dK = 1 • 1(Г3 м; 1 -рвх = 17 МПа; 2 - 22; 3 - 30 МПа
Как следует из рис. 3, шероховатость обработанной поверхности Ra увеличивается от 0,2 до 5,5 мкм при изменении Ь от 20 до 110 мм. На рис. 3 видно, что при давлении на входе в конфузор рвх = 30 МПа и расстоянии Ь от 15 до 50 мм значения шероховатости Ra составляют (0,2-0,4) мкм, что является оптимальным диапазоном для поверхности, предназначенной под ЛР [5].
Для определения скорости струи устр использовали известное выражение
40
v — ——
стр тid:'
где Q - расход (определяли опытным путем с погрешностью 2-3 %) рабочей жидкости в конфузоре, м3/с; - диаметр конфузора в его выходном сечении (рис. 2), м.
Зависимость шероховатости поверхности Ra от скорости струи устр приведена на рис. 4. Из анализа кривых рис. 4 следует, что шероховатость обработанной поверхности Иа уменьшается от 5,5 до 0,2 мкм при увеличении устр от 30 до 250 м/с. Уменьшение Иа объясняется тем, что с возрастанием скорости струи рабочей жидкости происходит повышение силового воздействия рабочей жидкости на обрабатываемую по-
■ Наука итехника, № 2, 2013
верхность. При увеличении скорости струи от 150 до 250 м/с шероховатость при Ь = 50 мм изменяется в диапазоне Иа = 0,2-0,4 мкм, что отвечает требованиям, которые предъявляются к поверхности, подготовленной под ЛР.
6
а 5
в о
с а g
g Pi тоа
в о
х
о р
е
э
100
150
200
250
300
Скорость струи Vclp, мм
Рис. 4. Зависимость шероховатости поверхности Ra от скорости струи тстр: К6 = 3 %; Кп = 10~5 %; Ккл = 2 %; остальное - вода; dK= 1 • 1(Г3 м; 1 - L= 150 мм;
2 - 100; 3 - 50 мм
Наряду с шероховатостью при проведении исследований изучали влияние струйной обработки поверхности на микротвердость Иц. Измерение микротвердости проводили на микротвердомере Micromet-2 с нагрузкой на инден-тор, равной 0,5 Н (ГОСТ 9450-76).
Зависимость влияния расстояния L от конфузора до обрабатываемой поверхности на микротвердость поверхности И при изменении давления на входе в конфузор представлена на рис. 5. Как следует из рис. 5, в диапазоне L = 20-50 мм при всех исследованных входных давлениях рвх = (17; 22; 30) МПа отмечается плавное снижение значения Нц. При этом максимальная величина Нц, равная 2350 МПа, отмечается при рвх = 30 МПа и не превышает допустимой величины отношения Иц/Иц0 (И/Нцо = 2350 : 1900 = 1,23), отвечающего требованиям ЛР.
Из данных на рис. 6, где приведена зависимость Н от скорости струи устр, видно, что в диапазоне скоростей устр = 150-250 м/с и для расстояния L = 20; 50 мм, характерно увеличение микротвердости практически по параболической зависимости. Значения Н в этом диапазоне скоростей возрастают на 7-12 %, изменяясь от 2050-2080 до 2200-2300 МПа. Для этих же
4
3
3
2
1
0
условий обработки величина отношения Нц/Нц0 не выходит за пределы допускаемых значений, достигаемых при скорости 280 м/с диапазона 1,25-1,20 (большее значение относится к обработке при Ь = 20 мм, а меньшее соответствует режиму ГАО при Ь = 50 мм), что в полной мере отвечает требованиям, предъявляемым к обрабатываемой поверхности в части ее упрочнения перед ЛР.
2400
2300
J3 2200
U [2 о ft
2100
2000
1900
Л
\ \ \ 3 / /
\ л \ 1 / / 2 / /
1 J'
— ш. *
0 30 60 90 120 Расстояние от торца конфузора до обрабатываемой поверхности L, мм
150
гает максимальных величин при значениях концентрации бентонита в составе рабочей жидкости Кб = 2-3 %. При этом превышение максимальной величины Н (Н = 2330 МПа) по отношению к исходной микротвердости Нц0 = = 1850 МПа составляет 25,9 %, что в полной мере отвечает требованиям ЛР на комплексе TRUMATIC L2530.
р
ре в о п
2400
2300
2200
е
етв
о р
2100
2000
0 1 2 3 4 5 Концентрация бентонита Кб, %
Рис. 7. Зависимость микротвердости поверхности Нц от концентрации бентонита К5 в рабочей жидкости: Кп = 10~5 %; Кк с = 2 %; остальное - вода; <г/к = 1 - 10 3 м; рвх = 30 МПа; 1 -L = 20 мм; 2 - 50; 3 - 150 мм
Рис. 5. Зависимость микротвердости поверхности Нц от расстояния Ь между конфузором и обрабатываемой поверхностью: К„= 3 %; Кп = 10~5 %; Кк.с = 2 %;
остальное■
2400
-вода; rfK=l • 10 - м; 1 -2 - 22; 3 - 30 МПа
рвх = 17 МПа;
о
хно р
е в о п
2300
а2200
« tef 2100 р
о р
2000
1900
ш/
1
2 у4
3 у1
rji---
100
150
200
250
300
Скорость струи жидкости Устр, мм
Рис. 6. Зависимость микротвердости поверхности Нц от скорости струи тстр: Кц = 3 %; Кп = 10~5 %; Кк с = 2 %; остальное - вода; dK = 1 • 10~3 м; 1 -L = 20 мм;
2-50; 3-150 мм
Зависимость изменения микротвердости поверхности Нц при различных концентрациях бентонита Кб в составе рабочей жидкости представлена на рис. 7. Как следует из рис. 7, микротвердость обработанной поверхности дости-
Как видно из графиков, представленных на рис. 5-7, величина микротвердости Н зависит от изменения режимных параметров обработки: скорости струи устр, давления на входе в конфу-зор рвх, расстояния Ь до обрабатываемой поверхности, концентрации бентонита Кб в составе рабочей жидкости. При этом требуемое по условиям ЛР соответствие между Н и Нц0 (Н = = (1,2-1,4)Нц0) имеет место при Ь = 20-50 мм; уСтр = 150-250 м/с; Кб = 2-3 %; рвх = 25-30 МПа.
При струйной обработке образцов рабочей жидкостью, содержащей бентонитовую глину, кальцинированную соду, полиакриламид, был установлен факт формирования на поверхности пленочного покрытия (рис. 8 а, б). Исследование морфологии и химического состава пленочного покрытия на обработанных поверхностях проводили в НИИ порошковой металлургии (г. Минск).
Для исследования этого вопроса были взяты образцы размером 100x100 мм из стали 08кп, обработанные струей рабочей жидкости (Кб = = 3 %; Кп = 10-5 %; Ккс = 2 %; остальное - вода), при Ь = 50 мм; устр = 185 м/с; = 1 мм. Время сушки образцов при комнатной температуре (Т= 20 °С) после обработки составляло 20-24 ч.
Наука итехника, № 2, 2013
«МОП ' Элеитромное изображение
Рис. 8. Внешний вид покрытия, сформированного на поверхности образцов после ГАО: - чешуйки; а - х40; б - х5000
На рис. 8а, б представлены участки пленочных покрытий, сформированных на поверхности стальных образцов и исследованных на морфологию и химсостав. На обработанной поверхности образуется покрытие, состоящее из пластин (чешуек) (позиции 1-4), взаимосвязанных друг с другом и с обработанной поверхностью.
Для установления химических элементов, входящих в состав покрытия был произведен химический анализ в спектрах 1-5 (рис. 8а) без учета Fe (табл. 1) и с учетом Fe (табл. 2).
Таблица 1
Химический состав покрытия, сформированного на поверхности образца (сталь 08кп) после ГАО составом рабочей жидкости [4] без учета содержания Fe
Таблица 2
Химический состав покрытия, сформированного на поверхности образца (сталь 08кп) после ГАО составом рабочей жидкости [4] с учетом содержания Ге
Из анализа данных табл. 1, 2 видно, что в состав пленочного покрытия входят элементы, коН Наука итехника, № 2, 2013
торые составляют химическую основу компонентов рабочей жидкости (бентонитовая глина, кальцинированная сода, полиакриламид). Исследованиями было установлено, что средняя толщина сформированного покрытия составляет 5-8 мкм, а его адгезионная прочность с обработанной поверхностью - 20-30 МПа.
Оценку влияния качества сформированной поверхности на эффективность процесса ЛР проводили на комплексе ТИиМАТТС L2530. Для процесса ЛР металлов на этом комплексе основным эксплуатационным параметром является максимальная скорость лазерной резки Улр, определяющая производительность и качественные показатели процесса исходя из условия отсутствия грата на вырезанных деталях [5-7].
Для проведения испытаний в ОАО «Агат -электромеханический завод» были выбраны образцы из стали 08кп с линейными размерами 100x100 мм и толщиной от 1 до 20 мм, покрытые продуктами коррозии. При этом:
1-й образец очищали по технологии ГАО от коррозии до шероховатости поверхности Иа = 0,25-0,50 мкм и Нц = 2330 МПа составом, предложенным в [4], с давлением на входе в конфузор рвх = 30 МПа; йк = 1 мм; Ь = 50 мм; устр = 250 м/с; после очистки время сушки образца с целью формирования на его поверхности бетонитовой защитной пленки составило 20 ч;
2-й образец вырезали из листового металла (в состоянии поставки со следами коррозии), с исходной микротвердостью Нц0 = = 1850-1900 МПа;
3-й образец прошел очистку от коррозии по заводской технологии (дробеструйная обработка) до шероховатости поверхности Иа = = 0,4-2,0 мкм.
Указанные образцы подвергали лазерной резке на комплексе ТИиМЛТЮ L2530 (рис. 9). По результатам проведенных испытаний было установлено, что для образцов толщиной = = 2 мм отмечалось увеличение максимальной скорости ЛР с 0,4 м/мин (резка образца № 2) до 4,8 м/мин (резка образца № 1). При равной скорости резки (4,8 м/мин) на 1-м образце грат отсутствовал, из чего следует, что технологическая операция по зачистке грата нецелесообразна, а, например, на 2-м образце, длина грата составляла 2 мм.
При сопоставлении 1-го и 3-го образцов по такому параметру, как скорость ЛР, видно, что применение ГАО обеспечивает повышение скорости ЛР в среднем на 10-20 %. Отмеченное
Спектр С Na Mg Al Si K Ca O
1 17,44 0 1,80 3,11 11,57 0,86 1,03 64,19
2 20,04 0,60 1,20 2,11 7,92 0,62 1,50 66,01
3 18,82 0,70 1,30 2,63 9,06 0,72 1,95 64,82
4 15,48 0,62 1,87 3,98 13,60 1,01 1,08 62,36
5 17,02 0 1,69 2,60 11,78 1,17 2,37 63,37
Среднее 17,76 0,38 1,57 2,88 10,79 0,88 1,59 64,15
Спектр С Na Mg O Al Si K Ca Fe
1 10,67 0,10 1,48 13,87 2,29 7,55 0,41 0,48 63,25
2 11,48 0,60 0,86 10,62 1,32 4,40 0,25 0,57 70,51
3 8,57 0,30 0,81 9,37 1,40 4,24 0,24 0,61 74,77
4 7,54 0,52 1,39 16,56 2,57 7,70 0,42 0,43 63,40
5 4,62 0,40 0,69 7,13 0,91 3,54 0,23 0,45 82,44
Среднее 8,57 0,38 1,05 11,51 1,70 5,49 0,31 0,51 70,88
увеличение скорости ЛР на 1-м образце можно объяснить малой величиной упрочнения поверхностного слоя, достигающей значений Нц = = 2200-2250 МПа при давлении рвх = 30 МПа и расстоянии Ь = 50 мм (рис. 5). Кроме этого, повышению скорости ЛР способствует наличие на поверхности требуемой шероховатости Иа = 0,2-0,4 мкм, покрытой защитной светопо-глотительной бентонитовой пленкой, исключающей отражение лазерного луча от поверхности разрезаемого материала.
12
о ft о
0 "
1 К Л
Щ ft
1
3
\ 2
0 4 8 12 16 20 Толщина материала Б, мм
Рис. 9. Зависимость максимальной скорости резания от толщины материала: 1, 2, 3 - номера испытуемых образцов
Для оценки эффективности процесса ГАО совместно с ОАО «Агат - электромеханический завод» на основании производственных испытаний был выполнен расчет экономической эффективности изготовления детали ЦИКС.745422.057 -кронштейн. Экономический эффект от использования результатов исследований составил 222772,7 руб. за одну смену лазерной резки серии деталей ЦИКС.745422.057 - кронштейн в ОАО «Агат - электромеханический завод» в ценах на 15 июля 2011 г.
В Ы В О Д Ы
1. В ходе проведенных исследований экспериментально подтверждена оптимальная величина угла конусности конфузора для обработки поверхностей под лазерную резку при помощи гидроабразивной очистки, позволяющая минимизировать потери на трение, которая составила 40°-50°.
2. Определены важные параметры процесса гидроабразивной очистки (Ь = 20-50 мм, устр = = 150-250 м/с; Кб = 2-3 %; рвх = 25-30 МПа),
позволяющие получить необходимые шероховатость, микротвердость поверхности под лазерную резку (Ra = 0,2-0,5 мкм и H = = (1,2-1,4)Нц0) и пленочное покрытие, исключающее отражение лазерного луча от обработанной поверхности.
3. Проведенные производственные испытания показали перспективность использования способа гидроабразивной очистки для очистки поверхности стальных листов от продуктов коррозии и последующего их использования под лазерную резку, в результате чего скорость лазерной резки увеличивается на 10-20 %. Применение гидроабразивной очистки в условиях ОАО «Агат - электромеханический завод» обеспечивает годовой экономический эффект (при внедрении на лазерном комплексе TRUMATIC L2530 (ФРГ)) около 53,5 млн руб.
Л И Т Е Р А Т У Р А
1. Экспериментальный стенд для струйной обработки металлических поверхностей / И. В. Качанов [и др.] // Агропанорама. - 2005. - № 1. - С. 22-23.
2. Устройство для формирования многокомпонентной кавитирующей струи жидкости: пат. 7969 Респ. Беларусь, МКИ В 08В 3/02, МКИ В 08В 3/04, В 63В 59/08 / И. В. Качанов, В. В. Веременюк, А. В. Филипчик, С. И. Ушев, А. А. Рубченя; заявитель Белорус. нац. техн. ун-т. - № u 20110544; заявл. 04.07.2011; опубл. 28.02.2012 // Официальн. бюл. // Нац. центр интеллектуал. собственности. - 2011. - № 1. - С. 214.
3. Качанов, И. В. Теоретические и экспериментальные исследования по определению струйного давления рабочей жидкости на обрабатываемую плоскую поверхность / И. В. Качанов, А. В. Филипчик // Наука и техника. - 2012. - № 1. - С. 79-85.
4. Способ создания кавитирующей струи жидкости: пат. 13312 Респ. Беларусь, МКИ В 08В 3/04, В 63В 59/00 / И. В. Качанов, В. Н. Яглов, В. К. Недбальский, А. В. Филипчик; заявитель Белорус. нац. техн. ун-т. - № а 20081284; заявл. 14.10.2008; опубл. 30. 06. 2010 // Официальн. бюл. / Нац. центр интеллектуал. собственности. - 2010.
5. Памфилов, Е. А. Формирование качества поверхностей при лазерной обработке / Е. А. Памфилов, В. Д. Северин // Вестник машиностроения. - 1982. - № 4. - С. 46-48.
6. Паспорт 12. Bimberg, D. und vier Mitautoren: Materialbearbeitung mit Lasern (Kontakt & Studium, Band 343), Expert Verlag, Ehningen bei Böblingen, 1991. - 384 p.
7. Качанов, И. В. Применение струйной обработки под давлением более 15 МПа для подготовки стальных поверхностей под лазерную резку / И. В. Качанов, А. В. Фи-липчик // Современные проблемы гидропневмосистем машин: материалы Междунар. науч.-практ. конф., посвящ. 60-летию создания автотракторного факультета БНТУ, Минск, 24-28 октября 2011 г. - Минск, 2011. - С. 28-34.
Поступила 17.01.2013
Наука итехника, № 2, 2013
8
6
4
2
