Дробеструйная обработка — это процесс холодной обработки , используемый для создания слоя сжимающих остаточных напряжений и изменения механических свойств металлов и композитов. Он предполагает удары по поверхности дробью (круглыми металлическими, стеклянными или керамическими частицами) с силой, достаточной для создания пластической деформации . [1] [2]
В механической обработке дробеструйная обработка используется для усиления и снятия напряжений в таких компонентах, как стальные автомобильные коленчатые валы и шатуны . В архитектуре он придает металлу приглушенный оттенок. Дробеструйная обработка механически похожа на пескоструйную очистку , хотя ее целью является не удаление материала, а скорее использование механизма пластичности для достижения своей цели, при этом каждая частица действует как молоток с шариковой головкой .
Прокалывание поверхности приводит к ее пластическому распространению, вызывая изменения механических свойств поверхности. Его основное применение – предотвращение распространения микротрещин на поверхности. Подвергая материал сжимающему напряжению, дробеструйная обработка предотвращает распространение таких трещин. [3]
Дробеструйная обработка часто применяется при ремонте самолетов, чтобы снять растягивающие напряжения, возникающие в процессе шлифования, и заменить 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 на обработанной поверхности, а также растягивающее напряжение внутри. Поверхностные сжимающие напряжения придают металлу устойчивость к усталости и некоторым формам коррозии под напряжением . [1] Растягивающие напряжения глубоко внутри детали не так опасны, как растягивающие напряжения на поверхности, поскольку вероятность появления трещин внутри детали меньше.
Интенсивность является ключевым параметром процесса дробеструйной обработки. После некоторого развития процесса потребовался аналог для измерения эффекта дробеструйной обработки. Джон Алмен заметил, что при дробеструйной обработке открытая сторона листового металла начинает сгибаться и растягиваться. Он создал полосу Альмена для измерения сжимающих напряжений в полосе, созданных в результате операции дробеструйной обработки. Можно получить то, что называется «интенсивностью струи струи», измеряя деформацию полосы Альмена, которая находится в процессе дробеструйной обработки. [1] Когда полоска достигает 10% деформации, по полоске Альмена ударяют с той же интенсивностью в два раза дольше. Если полоса деформируется еще на 10%, то получится интенсивность взрывной струи.
Еще одной операцией по измерению интенсивности процесса дробеструйной обработки является использование патрона Алмена , разработанного Р. Босшардом.
Покрытие , процент поверхности, обработанной один или несколько раз, может изменяться в зависимости от угла струи дроби относительно поверхности заготовки. Струя имеет конусообразную форму, поэтому выстрел попадает под разными углами. Обработка поверхности серией перекрывающихся проходов улучшает покрытие, хотя вариации «полос» все равно будут присутствовать. Важное значение имеет совмещение оси выстреловой струи с осью полосы Альмена. Было показано, что непрерывная сжимающая напряженная поверхность заготовки получается при покрытии менее 50%, но оно падает при приближении к 100%. Оптимизация уровня покрытия для выполняемого процесса важна для достижения желаемого поверхностного эффекта. [5]
SAE International [ 6] включает несколько стандартов дробеструйной обработки в аэрокосмической и других отраслях промышленности.
Популярные методы продвижения дробеструйной среды включают системы струи воздуха и центробежные дробеструйные колеса. В системах струйной обработки среда различными способами вводится на путь воздуха высокого давления и ускоряется через сопло, направленное на наносимую деталь. Центробежное дробеметное колесо состоит из высокоскоростного лопастного колеса. Выстреливаемый носитель вводится в центр вращающегося колеса и перемещается под действием центробежной силы вращающимися лопастями по направлению к детали путем регулирования места входа носителя, эффективно рассчитывая время высвобождения носителя. Другие методы включают ультразвуковую упрочнение, мокрую упрочнение и лазерную упрочнение (при котором не используются материалы).
Выбор носителя включает сферическую литой стальную дробь, керамическую бусину, стеклянную бусину или кондиционированную (закругленную) нарезанную проволоку . [7] Разрезанная проволочная дробь предпочтительнее, поскольку она сохраняет свою округлость при разрушении, в отличие от литой дроби, которая имеет тенденцию распадаться на острые куски, которые могут повредить заготовку. Разрезанная проволочная дробь может служить в пять раз дольше, чем литая. Поскольку для проковки требуется хорошо отсортированная дробь одинаковой твердости, диаметра и формы, желателен механизм для удаления фрагментов дроби на протяжении всего процесса. Доступно оборудование, включающее сепараторы для очистки и восстановления дроби и питатели для автоматической подачи новой дроби для замены поврежденного материала. [8]
Колесные дробеструйные системы включают в себя модели с сателлитным вращением, 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, роботы для загрузки и разгрузки, а также приспособления, удерживающие несколько заготовок. Для более крупных заготовок доступны манипуляторы, позволяющие перемещать их и подвергать детали воздействию потока дробеструйной обработки. [8]
Разрезанная проволочная дробь — это металлическая дробь, используемая для дробеструйной обработки [2] , при которой мелкие частицы обстреливаются заготовкой струей сжатого воздуха. Это недорогой производственный процесс, поскольку основное сырье недорогое. Частицы после резки являются эффективным абразивом благодаря острым краям, образующимся в процессе резки; однако разрезанная дробь не является желательной средой для дробеструйной обработки, поскольку ее острые края не подходят для этого процесса.
Разрезанная дробь изготавливается из высококачественной проволоки, в которой каждая частица разрезается на длину, примерно равную ее диаметру. При необходимости частицы кондиционируются (округляются) для удаления острых углов, образующихся в процессе резки. В зависимости от применения доступны различные диапазоны твердости: чем выше твердость носителя, тем ниже его долговечность. [ нужны разъяснения ]
Другие области применения дробеструйной резки включают галтовку и вибрационную отделку .
Факторы, влияющие на плотность покрытия, включают: количество ударов (поток дроби), время воздействия, свойства дроби (размер, химический состав) и свойства заготовки. Покрытие контролируют визуальным осмотром для определения процентного покрытия (0-100%). Покрытие выше 100% определить невозможно. Количество отдельных ударов линейно пропорционально потоку выстрелов, площади воздействия и времени воздействия. Охват не является линейно пропорциональным из-за случайного характера процесса ( теория хаоса ). При достижении 100% покрытия места на поверхности подвергаются воздействию несколько раз. При 150% охвате 5 и более воздействий происходят в 52% локаций. При 200% охвате 5 и более ударов происходят в 84% локаций.
На покрытие влияют геометрия дроби, а также химический состав дроби и заготовки. Размер выстрела определяет количество ударов на фунт, при этом меньший выстрел производит больше ударов на фунт, поэтому требуется меньше времени воздействия. Мягкий выстрел, поражающий твердый материал, потребует больше времени экспозиции для достижения приемлемого покрытия по сравнению с сильным выстрелом, воздействующим на мягкий материал (поскольку более сильный выстрел может проникнуть глубже, создавая тем самым большее впечатление).
Покрытие и интенсивность (измеряемая полосками Алмена) могут оказать глубокое влияние на усталость. Это может повлиять на различные материалы, обычно подвергаемые дробеструйной обработке. Неполное или чрезмерное покрытие и интенсивность могут привести к снижению усталостного ресурса. Чрезмерная наклейка приведет к чрезмерной холодной обработке поверхности заготовки, что также может вызвать усталостные трещины. [8] При разработке параметров покрытия и интенсивности требуется тщательность, особенно при использовании материалов с разными свойствами (т. е. от более мягкого металла к более твердому). Испытание усталостной долговечности по ряду параметров приведет к получению «золотой точки», где наблюдается почти экспоненциальный рост максимальной усталостной долговечности (x = интенсивность упрочнения или энергия потока среды, y = время до растрескивания или усталостная прочность) и усталостная долговечность быстро снижается по мере увеличения интенсивности или покрытия. «Точка наилучшего восприятия» будет напрямую коррелировать с передаваемой кинетической энергией и свойствами материала дроби и заготовки.
Дробеструйная обработка используется на деталях шестерен , кулачках и распределительных валах , пружинах сцепления , винтовых пружинах , шатунах, коленчатых валах , зубчатых колесах, листовых рессорах и рессорах подвески , перфораторах и лопатках турбин. [2] Он также используется на литейных заводах для удаления песка, декорирования, удаления окалины и отделки поверхности отливок, таких как блоки двигателей и головки цилиндров . Его действие по удалению окалины можно использовать при производстве стальной продукции, такой как полосы, пластины, листы, проволока и прутки. [1] [8]
Дробеструйная обработка — важный процесс при изготовлении весен. Типы пружин включают листовые рессоры, пружины растяжения и пружины сжатия. Наиболее широкое применение получили пружины клапанов двигателя (пружины сжатия) из-за высокой циклической усталости. В OEM-клапанных пружинах механическая конструкция в сочетании с дробеструйной обработкой обеспечивает долговечность. По мере развития двигателей автопроизводители переходят на более высокопроизводительные конструкции клапанных пружин с более высокими нагрузками. На вторичном рынке высокопроизводительных клапанных пружин необходимость контролируемой и многоэтапной дробеструйной обработки является требованием, позволяющим выдерживать экстремальные поверхностные напряжения, которые иногда превышают характеристики материала. Усталостный срок службы пружины экстремальных характеристик (NHRA, IHRA) может составлять всего два прохода по трассе дрэг-рейсинга длиной 1/4 мили, прежде чем произойдет расслабление или выход из строя.
Дробеструйную обработку можно использовать для косметического эффекта. Шероховатость поверхности, возникающая из-за перекрывающихся ямок, приводит к рассеиванию света при отражении . Поскольку при упрочнении поверхности обычно образуются более крупные детали, чем при пескоструйной очистке, результирующий эффект более выражен.
Дробеструйная обработка и абразивоструйная очистка позволяют наносить материалы на металлические поверхности. Когда частицы дроби или песка проходят через порошок или жидкость, содержащую желаемое поверхностное покрытие, ударные пластины покрывают поверхность заготовки. Этот процесс использовался для внедрения керамических покрытий, хотя покрытие является скорее случайным, чем последовательным. Компания 3M разработала процесс, при котором металлическая поверхность подвергалась пескоструйной очистке с использованием частиц с сердцевиной из оксида алюминия и внешним слоем из кремнезема. В результате кремнезем расплавился на поверхности. Процесс, известный как нанесение покрытия, был разработан НАСА. Мелкодисперсные порошки металлов или неметаллов наносятся на металлические поверхности с использованием стеклянной дроби в качестве абразивной среды. Этот процесс развился до нанесения на поверхности твердых смазочных материалов, таких как дисульфид молибдена. Таким образом, биосовместимая керамика применяется в биомедицинских имплантатах. Нанесение покрытия подвергает материал покрытия сильному нагреву при столкновении с дробью, и покрытие также должно быть доступно в виде порошка, что ограничивает диапазон материалов, которые можно использовать. Чтобы решить проблему нагрева, процесс, называемый покрытием, опосредованным температурным умеренным столкновением (TM-CMC), позволил использовать полимеры и антибиотические материалы в качестве упрочненных покрытий. Покрытие представляет собой аэрозоль, направленный на поверхность одновременно с потоком дробящихся частиц. Процесс TM-CMC все еще находится на стадии исследований и разработок. [9]
Профиль подповерхностных сжимающих остаточных напряжений измеряется с использованием таких методов, как дифракция рентгеновских лучей и тестирование профиля твердости. По оси X отложена глубина в мм или дюймах, а по оси Y — остаточное напряжение в тысячах фунтов на квадратный дюйм или МПа. На профиль максимального остаточного напряжения могут влиять факторы дробеструйной обработки, в том числе: геометрия детали, материал детали, материал дроби, качество дроби, интенсивность дроби и покрытие дроби. Например, дробеструйная обработка закаленной стальной детали с использованием определенного процесса, а затем использование того же процесса для другой незакаленной детали может привести к переупрочнению; вызывая резкое снижение поверхностных остаточных напряжений, но не влияя на подповерхностные напряжения. Это очень важно, поскольку максимальные напряжения обычно возникают на поверхности материала. Смягчения этих более низких поверхностных напряжений можно добиться с помощью многоэтапной последующей обработки с использованием дробей разного диаметра и других обработок поверхности, которые удаляют слой с низким остаточным напряжением.
Остаточное сжимающее напряжение в металлическом сплаве создается за счет передачи кинетической энергии (КЭ) от движущейся массы (частицы дроби или шарикового наконечника) на поверхность материала, способного пластически деформироваться. Профиль остаточного напряжения также зависит от плотности покрытия. Механика столкновений включает в себя свойства твердости, формы и структуры дроби; а также свойства заготовки. Факторами разработки процесса и контроля передачи KE для дробеструйной обработки являются: скорость дроби (скорость колеса или давление воздуха/конструкция сопла), масса дроби, химический состав дроби, угол удара и свойства заготовки. Пример: если вам нужны очень высокие остаточные напряжения, вы, вероятно, захотите использовать отрезную проволоку большого диаметра, высокоинтенсивный процесс, прямую струйную очистку заготовки и очень твердый материал заготовки.