Дробеструйная обработка — это процесс холодной обработки, используемый для создания слоя остаточного напряжения сжатия и изменения механических свойств металлов и композитов. Он заключается в ударе по поверхности дробью (круглыми металлическими, стеклянными или керамическими частицами) с силой, достаточной для создания пластической деформации . [1] [2]
В машиностроении дробеструйная обработка используется для усиления и снятия напряжения в таких компонентах, как стальные автомобильные коленчатые валы и шатуны . В архитектуре она обеспечивает приглушенную отделку металла. Дробеструйная обработка механически похожа на пескоструйную обработку , хотя ее цель не в удалении материала, а скорее в использовании механизма пластичности для достижения своей цели, при этом каждая частица функционирует как шаровой молоток .
Прокалывание поверхности пластически растягивает ее, вызывая изменения механических свойств поверхности. Его основное применение — предотвращение распространения микротрещин на поверхности. Подвергая материал сжимающему напряжению, дробеструйное прокалывание предотвращает распространение таких трещин. [3]
Дробеструйная обработка часто применяется при ремонте самолетов для снятия растягивающих напряжений, возникающих в процессе шлифования, и замены их полезными сжимающими напряжениями. В зависимости от геометрии детали, материала детали, материала дроби, качества дроби, интенсивности дроби и покрытия дробью дробеструйная обработка может увеличить усталостную долговечность до 1000%. [4] [2]
Пластическая деформация вызывает остаточное сжимающее напряжение в проковыванной поверхности, а также растягивающее напряжение внутри. Поверхностные сжимающие напряжения обеспечивают устойчивость к усталости металла и некоторым формам коррозии под напряжением . [1] Растягивающие напряжения глубоко в детали не так неприятны, как растягивающие напряжения на поверхности, поскольку трещины менее вероятно начнутся внутри.
Интенсивность является ключевым параметром процесса дробеструйной обработки. После некоторой разработки процесса потребовался аналог для измерения эффектов дробеструйной обработки. Джон Алмен заметил, что дробеструйная обработка заставляет сторону листового металла, которая подвергается воздействию, изгибаться и растягиваться. Он создал полосу Алмена для измерения сжимающих напряжений в полосе, созданных операцией дробеструйной обработки. Можно получить то, что называется «интенсивностью струи взрыва», измерив деформацию на полосе Алмена, которая находится в операции дробеструйной обработки. [1] Когда полоса достигает 10% деформации, полосу Алмена затем ударяют с той же интенсивностью в течение удвоенного количества времени. Если полоса деформируется еще на 10%, то можно получить интенсивность струи взрыва.
Еще одной операцией по измерению интенсивности процесса дробеструйной обработки является использование патрона Альмена , разработанного Р. Босшардом.
Покрытие , процент поверхности, вдавленной один или более раз, может изменяться из-за угла струи дроби относительно поверхности заготовки. Струя имеет форму конуса, поэтому дробь поступает под разными углами. Обработка поверхности серией перекрывающихся проходов улучшает покрытие, хотя вариации в «полосах» все еще будут присутствовать. Важно выравнивание оси струи дроби с осью полосы Альмена. Было показано, что непрерывная сжимающая напряженная поверхность заготовки получается при покрытии менее 50%, но падает по мере приближения к 100%. Оптимизация уровня покрытия для выполняемого процесса важна для получения желаемого эффекта поверхности. [5]
SAE International [ 6] включает несколько стандартов по дробеструйной обработке в аэрокосмической и других отраслях промышленности.
Популярные методы подачи дроби включают системы воздушной струи и центробежные дробеструйные колеса. В системах воздушной струи дробь вводится различными способами в поток воздуха высокого давления и ускоряется через сопло, направленное на деталь, подлежащую дроблению. Центробежное дробеструйное колесо состоит из высокоскоростного лопастного колеса. Дробь вводится в центр прядильного колеса и продвигается центробежной силой вращающимися лопастями к детали путем регулировки местоположения входа дроби, эффективно определяя время выпуска дроби. Другие методы включают ультразвуковую дробеструйную обработку, мокрую дробеструйную обработку и лазерную дробеструйную обработку (которая не использует дробь).
Выбор среды включает сферическую литую стальную дробь, керамическую бусину, стеклянную бусину или кондиционированную (закругленную) рубленую проволоку . [7] Рубленая проволочная дробь предпочтительнее, поскольку она сохраняет свою округлость по мере ухудшения, в отличие от литой дроби, которая имеет тенденцию распадаться на острые куски, которые могут повредить заготовку. Рубленая проволочная дробь может служить в пять раз дольше, чем литая дробь. Поскольку для проковки требуется хорошо градуированная дробь постоянной твердости, диаметра и формы, желателен механизм для удаления фрагментов дроби в течение всего процесса. Доступно оборудование, которое включает сепараторы для очистки и восстановления дроби и питатели для автоматической подачи новой дроби для замены поврежденного материала. [8]
Системы дробеструйной обработки колес включают в себя модели вращения сателлитов, вращающиеся компоненты сквозной подачи и различные конструкции манипуляторов. Существуют подвесные монорельсовые системы, а также модели с обратным ремнем. Оборудование для удержания заготовок включает в себя вращающиеся индексные столы, загрузочные и разгрузочные роботы и зажимы, которые удерживают несколько заготовок. Для более крупных заготовок доступны манипуляторы для их перемещения с целью раскрытия особенностей для потока дробеструйной обработки. [8]
Дробь из рубленой проволоки — это металлическая дробь, используемая для дробеструйной обработки, [2] где мелкие частицы выстреливаются в заготовку струей сжатого воздуха. Это недорогой производственный процесс, так как основное сырье недорогое. Частицы в рубленном виде являются эффективным абразивом из-за острых кромок, образующихся в процессе резки; однако дробь в рубленном виде не является желаемым средством дробеструйной обработки, так как ее острые кромки не подходят для этого процесса.
Измельченная дробь изготавливается из высококачественной проволоки, в которой каждая частица разрезается на длину, примерно равную ее диаметру. При необходимости частицы кондиционируются (скругляются) для удаления острых углов, образующихся в процессе резки. В зависимости от области применения доступны различные диапазоны твердости, причем чем выше твердость среды, тем ниже ее прочность. [ требуется разъяснение ]
Другие области применения дроби с рубленой проволокой включают галтовку и вибрационную обработку .
Факторы, влияющие на плотность покрытия, включают: количество ударов (поток дроби), время воздействия, свойства дроби (размер, химия) и свойства заготовки. Покрытие контролируется визуальным осмотром для определения процента покрытия (0–100%). Покрытие свыше 100% определить невозможно. Количество отдельных ударов линейно пропорционально потоку дроби, площади воздействия и времени воздействия. Покрытие не линейно пропорционально из-за случайного характера процесса ( теория хаоса ). При достижении 100% покрытия места на поверхности подвергались воздействию несколько раз. При 150% покрытии 5 или более ударов происходят в 52% мест. При 200% покрытии 5 или более ударов происходят в 84% мест.
На покрытие влияет геометрия дроби, а также химия дроби и заготовки. Размер дроби определяет количество ударов на фунт, где дробь меньшего размера производит больше ударов на фунт, поэтому требует меньше времени экспозиции. Мягкая дробь, ударяющая по твердому материалу, потребует больше времени экспозиции для достижения приемлемого покрытия по сравнению с жесткой дробью, ударяющей по мягкому материалу (поскольку более жесткая дробь может проникать глубже, создавая тем самым больший отпечаток).
Покрытие и интенсивность (измеренные полосками Альмена) могут оказывать сильное влияние на усталостную долговечность. Это может повлиять на различные материалы, обычно подвергаемые дробеструйной обработке. Неполное или чрезмерное покрытие и интенсивность могут привести к снижению усталостной долговечности. Чрезмерная дробеструйная обработка вызовет чрезмерную холодную обработку поверхности заготовки, что также может вызвать усталостные трещины. [8] Требуется усердие при разработке параметров для покрытия и интенсивности, особенно при использовании материалов с разными свойствами (например, более мягкий металл к более твердому металлу). Испытание усталостной долговечности по ряду параметров приведет к «золотой середине», где наблюдается почти экспоненциальный рост до пиковой усталостной долговечности (x = интенсивность дробеструйной обработки или энергия потока среды, y = время до трещины или усталостная прочность) и быстрое снижение усталостной долговечности по мере добавления большей интенсивности или покрытия. «Золотая середина» будет напрямую коррелировать с переданной кинетической энергией и свойствами материала дробеструйной среды и заготовки.
Дробеструйная обработка используется на деталях зубчатых передач , кулачках и кулачковых валах , пружинах сцепления , спиральных пружинах , шатунах , коленчатых валах, зубчатых колесах, листовых и подвесных пружинах, бурах и лопатках турбин . [2] Она также используется в литейном производстве для удаления песка, обдирки, удаления окалины и поверхностной отделки отливок, таких как блоки двигателей и головки цилиндров . Ее удаляющее окалину действие может использоваться при производстве стальных изделий, таких как полосы, пластины, листы, проволока и прутки. [1] [8]
Дробеструйная обработка является важнейшим процессом в производстве пружин. Типы пружин включают листовые пружины, пружины растяжения и пружины сжатия. Наиболее широкое применение — пружины клапанов двигателей (пружины сжатия) из-за высокой циклической усталости. В применении пружин клапанов OEM механическая конструкция в сочетании с некоторой дробеструйной обработкой обеспечивает долговечность. Автопроизводители переходят на более высокопроизводительные конструкции пружин клапанов с более высокой нагрузкой по мере развития двигателей. В применении высокопроизводительных пружин клапанов на вторичном рынке необходимость в контролируемой и многоэтапной дробеструйной обработке является требованием для выдерживания экстремальных поверхностных напряжений, которые иногда превышают технические характеристики материала. Усталостная долговечность пружины экстремальных характеристик (NHRA, IHRA) может составлять всего два прохода на гоночной трассе для дрэг-рейсинга длиной 1/4 мили, прежде чем произойдет релаксация или отказ.
Дробеструйная обработка может использоваться для косметического эффекта. Шероховатость поверхности, возникающая из-за перекрывающихся ямок, заставляет свет рассеиваться при отражении . Поскольку дробеструйная обработка обычно создает более крупные поверхностные элементы, чем пескоструйная обработка, конечный эффект более выражен.
Дробеструйная и абразивоструйная обработка могут наносить материалы на металлические поверхности. Когда дробь или частицы песка продуваются через порошок или жидкость, содержащие желаемое поверхностное покрытие, ударные пластины или покрытия покрывают поверхность заготовки. Этот процесс использовался для внедрения керамических покрытий, хотя покрытие является случайным, а не когерентным. 3M разработала процесс, при котором металлическая поверхность подвергалась струйной обработке частицами с ядром из оксида алюминия и внешним слоем из кремния. Результатом было сплавление кремния с поверхностью. Процесс, известный как ударное покрытие, был разработан NASA. Тонкие порошки металлов или неметаллов наносятся на металлические поверхности с использованием стеклянной дроби в качестве абразивной среды. Процесс эволюционировал до нанесения на поверхности твердых смазочных материалов, таких как дисульфид молибдена. Биосовместимая керамика была нанесена таким образом на биомедицинские имплантаты. Ударное покрытие подвергает материал покрытия высокому нагреву при столкновениях с дробью, и покрытие также должно быть доступно в виде порошка, что ограничивает диапазон материалов, которые можно использовать. Чтобы преодолеть проблему тепла, процесс, называемый температурно-умеренным-столкновительным опосредованным покрытием (TM-CMC), позволил использовать полимеры и антибиотические материалы в качестве прокалываемых покрытий. Покрытие представлено в виде аэрозоля, направленного на поверхность одновременно с потоком дробленых частиц. Процесс TM-CMC все еще находится в стадии НИОКР. [9]
Профиль остаточного напряжения сжатия под поверхностью измеряется с использованием таких методов, как рентгеновская дифракция и испытания профиля твердости. Ось X — это глубина в мм или дюймах, а ось Y — остаточное напряжение в ksi или МПа. На максимальный профиль остаточного напряжения могут влиять факторы дробеструйной обработки, включая: геометрию детали, материал детали, материал дроби, качество дроби, интенсивность дроби и покрытие дробью. Например, дробеструйная обработка закаленной стальной детали с помощью процесса, а затем использование того же процесса для другой незакаленной детали может привести к чрезмерной дробеструйной обработке, что приведет к резкому снижению поверхностных остаточных напряжений, но не повлияет на подповерхностные напряжения. Это имеет решающее значение, поскольку максимальные напряжения обычно находятся на поверхности материала. Смягчение этих более низких поверхностных напряжений может быть достигнуто с помощью многоэтапной постобработки с различными диаметрами дроби и другими видами обработки поверхности, которые удаляют слой с низким остаточным напряжением.
Остаточное напряжение сжатия в металлическом сплаве создается путем передачи кинетической энергии (КЭ) от движущейся массы (дробь или шаровой бойок) на поверхность материала, способного пластически деформироваться. Профиль остаточного напряжения также зависит от плотности покрытия. Механика столкновений включает свойства твердости дроби, ее формы и структуры, а также свойства заготовки. Факторами для разработки процесса и контроля передачи КЭ при дробеструйной обработке являются: скорость дроби (скорость круга или давление воздуха/конструкция сопла), масса дроби, химия дроби, угол удара и свойства заготовки. Пример: если вам нужны очень высокие остаточные напряжения, вы, вероятно, захотите использовать дробь с резаной проволокой большого диаметра, высокоинтенсивный процесс, прямую струю на заготовку и очень твердый материал заготовки.
Что такое дробеструйная обработка?