Тонкая металлическая деталь надежно удерживается на вращающемся столе до начала дробеструйной обработки. Изображение предоставлено Innovative Peening Systems

Тонкая металлическая деталь надежно удерживается на вращающемся столе до начала дробеструйной обработки. Изображение предоставлено Innovative Peening Systems

Средневековые солдаты именно так укрепляли броню, инженеры в Гражданскую войну использовали это для стволов пушек, с помощью этого способа железнодорожники укрепляли оси локомотива, а Генри Форд повышал прочность деталей своего нового изобретения – конвейера. Относительно недавно производители самолетов начали делать это почти на каждом дюйме металлических деталей перед тем, как отправить самолет в небо.

Что же делали все эти воины, изобретатели и производители? Холодную обработку металлических деталей.

Снять стресс

Холодная обработка представляет собой пластическую деформацию металла, процесс, происходящий при температуре ниже точки повторной кристаллизации материала (т.е. при комнатной температуре) для повышения прочности и жесткости при снижении вязкости. Дробеструйная обработка – распространенный вид холодной обработки. Она осуществляется путем воздействия дроби на обрабатываемую деталь со скоростью выше, чем скорость гоночного автомобиля, пересекающего финишную черту. В результате на поверхности детали появляются перекрывающие друг друга углубления, которые способствуют снятию остаточного напряжения при сжатии.

Многократное воздействие на поверхность металла повышает усталостную прочность, снижает вероятность появления трещин или коррозии под напряжением на таких деталях, как диски турбины, пружины, шестерни, детали двигателя, шасси и колеса воздушных судов.

Дейв Бройер (Dave Breuer), директор североамериканского отдела продаж компании Curtiss-Wright Corp. (Парамус, Нью-Джерси), специализирующейся на технологиях обработки поверхности, отмечает, что его клиенты используют фирменные технологии дробеструйной обработки практически везде – от валов весом 3600 кг до крохотных шестеренок, запускающих инструменты с электроприводом.

Бройер добавляет, что эта технология применяется на таком большом диапазоне компонентов, что компания вынуждена хранить десятки различных средств для обработки – от шариков размером с песчинку до дроби, подходящей по размеру для стрельбы из пневматического ружья. Кроме обычной стальной дроби, есть еще дробь керамическая, стеклянная, из нержавеющей стали, стоимостью от нескольких сотен до тысячи или более долларов за тонну. Многие из этих средств для дробеструйной обработки могут использоваться повторно, хотя хрупкая дробь из стекла и керамики разбивается достаточно быстро под воздействием силы удара.

Дробь должна быть более прочной и жесткой, чем обрабатываемый материал. Попытка обработать чугунную головку цилиндра дробью из отожженной стали сравнима со стрельбой зефиром по бетонной стене. В этом случае более эффективна дробь из закаленной стали. Более мягкие материалы, такие как алюминий, обычно обрабатываются дробью из нержавеющей стали или керамики, в зависимости от сферы применения.

Поднимая крышку

Сама дробь относительно недорога, чего не скажешь об оборудовании для дробеструйной обработки. Ручная пневматическая дробеструйная камера, подходящая для небольшой мастерской, может стоить несколько тысяч долларов. Но такое легковесное оборудование предназначено в основном для очистки поверхности и удаления окалины и совершенно не подойдет по качеству обработки клиентам из аэрокосмической или медицинской промышленности. Тот, кто намерен серьезно заниматься дробеструйной обработкой, должен быть готов потратить до 100 000 долларов на одну установку или миллионы долларов на большую автоматическую систему.

Дэн Дики (Dan Dickey), владелец компании-поставщика оборудования Innovative Peening Systems (Норкросс, Джорджия), отмечает значительное развитие дробеструйной обработки за последние 20 лет. «Раньше это напоминало бросание наугад в деталь пригоршни шариков – сейчас же доступные технологии позволяют полностью контролировать движение. Вы решаете, в какую точку детали вам нужно попасть, программируете установку соответствующим образом, и сопло направляет дробь точно в указанное место. Вы можете делать это быстро и с отличным результатом».

Переход от коврового бомбометания к снайперским выстрелам сделал дробеструйную обработку гораздо рентабельнее, чем раньше. ЧПУ и робототехника снижают потребление сжатого воздуха и электроэнергии во время работы, значительно повышая производительность. По словам Дики, дробеструйная обработка – сложный процесс, в котором требуется точное и эффективное действие. Это объясняется уникальностью каждой детали, имеющей собственные характеристики и форму, что значительно влияет на интенсивность обработки и изменение угла, под которым она ведется. Если дробь бьет под углом 180 градусов, например, она лишь слегка задевает поверхность, оставляя слабый отпечаток. Совсем другой результат при обработке под углом 90 градусов – это лучший угол для проникновения. Поэтому очень важно всегда следовать по контуру детали и держать сопло перпендикулярно, регулируя скорость при движении во внутренние углы и выходе из них. Это ключ к успешному результату дробеструйной обработки.

Оператор осуществляет настройку в режиме обучения на дробеструйной установке с ЧПУ. Изображение предоставлено Innovative Peening Systems

Оператор осуществляет настройку в режиме обучения на дробеструйной установке с ЧПУ. Изображение предоставлено Innovative Peening Systems

Дики отмечает, что значительная доля его оборудования автоматизирована и обычно имеет одно сопло, перемещаемое по четырем осям, и двухкоординатную систему управления. Несмотря на наличие шести осей, программирование подразумевает несколько большее, чем движение детали и сопла в нужном направлении в обучающем режиме и затем повторение ЧПУ этого шаблона. Успешная обработка означает также умелый контроль потока дроби и давления воздуха.

Не всем системам дробеструйной обработки требуется воздух для активации. Канзасская фирма-производитель дробеструйного оборудования Viking Blast & Wash Systems выпускает турбинные установки, где дробь запускается при помощи вращающегося колеса. О своей продукции рассказывает менеджер по продажам и клиентскому обслуживанию компании Мартин Фройнд (Martin Freund): «На нашем оборудовании имеется рабочее колесо, установленное в турбине и приводимое в действие электродвигателем. Дробь выпускается из точки рядом с центром колеса, распространяется вдоль отдельных лопаток и направляется в сторону обрабатываемой детали. Например, колесо диаметром 381 м, совершающее около 3450 оборотов в минуту, запускает дробь со скоростью 87 м в секунду. Чтобы ускорить или замедлить скорость вращения колеса, можно также использовать устройство управления, позволяющее изменять схему и скорость обработки.

Круговое движение

Если сравнить турбинные и пневматические системы, у каждого варианта найдутся за и против. Одно из преимуществ пневмосистемы перед механическим конкурентом – скорость, которая в некоторых случаях в два раза превышает скорость установки с колесом: 183 м/сек не является чем-то необычным. Поэтому пневмосистемы могут воздействовать на металл гораздо сильнее, создавая более глубокие вмятины и интенсивнее обрабатывая поверхность. Они также оказывают более направленное воздействие, поэтому пневмосистемы лучше справляются с обработкой углов и глухих отверстий, а также сложных поверхностей. При этом пневматические дробеструйные машины требуют огромных объемов сжатого воздуха для работы, для чего часто нужны специальные компрессоры. При этом некоторые отраслевые специалисты отмечают, что высокие скорости подачи дроби – не главное, и пневмосистемы больше подходят для высокоинтенсивных сфер применения.

рис Крылья воздушного судна представляют собой фасонные детали, для производства которых требуется сложный процесс с использованием дробеструйной обработки. Изображение предоставлено Wheelabrator Group

Крылья воздушного судна представляют собой фасонные детали, для производства которых требуется сложный процесс с использованием дробеструйной обработки. Изображение предоставлено Wheelabrator Group

Для обработки больших участков с применением огромного количества дроби с высокой скоростью подачи лучший вариант – турбинная установка. У некоторых из них скорость подачи достигает 454 кг дроби в минуту в сравнении с примерно 14 кг дроби для пневмоустановки. Поэтому это лучший выбор для масштабных работ, например, обработки конструкционных, судостроительных сталей, деталей землеройной техники, литейного производства, где производится обработка партий отлитых заготовок.

Рон Райт (Ron Wright), менеджер по автоматическим дробеструйным установкам в регионе Северная Америка компании Wheelabrator Group Inc. (Лагранж, Джорджия), подчеркивает преимущества турбинной технологии: «Скорость – основной фактор для многих компонентов. Представьте размах крыла самолета, которое когда-то было огромным листом алюминия. Используя турбинную установку, вы сможете покрыть зону в несколько дюймов шириной со скоростью 0,9-1,2 метра в минуту в зависимости от количества применяемой дроби. При перекрестном использовании нескольких турбин вы сможете обработать целое крыло коммерческого судна менее чем за час».

Дробеструйная обработка часто используется для снятия остаточного напряжения авиационных компонентов и турбин. Изображение предоставлено Wheelabrator Group

Дробеструйная обработка часто используется для снятия остаточного напряжения авиационных компонентов и турбин. Изображение предоставлено Wheelabrator Group

Дробеструйная обработка превосходит по своим качествам зачистку поверхности и гораздо ближе по своему характеру к кузнечному делу. При приложении сжимающего усилия к одной стороне листа металла он начинает закручиваться в сторону источника нагрузки, образуя изогнутые формы, необходимые в авиации.

«Если вы внимательно посмотрите на крыло пассажирского самолета, то увидите, что это фасонный компонент. Этого удается добиться благодаря сложному процессу, сочетающему насыщенную дробеструйную обработку и дробеструйное формование. Насыщенная обработка – это тот же самый метод, который используется для корпуса, шасси, колес и деталей двигателя воздушного судна. Это слегка напоминает создание формы с помощью молота», – объясняет Райт.

При дробеструйной обработке маленькие металлические шарики на большой скорости ударяются о поверхность металлической детали, создавая вмятины. Это создает напряжение сжатия и усиливает металлургические свойства. Изображение предоставлено Wheelabrator Group

При дробеструйной обработке маленькие металлические шарики на большой скорости ударяются о поверхность металлической детали, создавая вмятины. Это создает напряжение сжатия и усиливает металлургические свойства. Изображение предоставлено Wheelabrator Group

При расходе дроби до 500 т в час или более у некоторых может возникнуть вопрос о затратах на использование турбинной дробеструйной установки. Райт отмечает, что об этом не стоит волноваться. «Мы используем повторно 100% материала. Он постоянно очищается, перерабатывается и классифицируется. Вся пыль удаляется автоматически. Замены требует совсем незначительное количество материала».

Глубокое проникновение

Если традиционная дробеструйная обработка не удовлетворяет требованиям, производители обращаются к лазерной технологии.

Д-р Дэвид Сокол (David Sokol), директор по исследованиям компании LSP Technologies Inc. (Дублин, Огайо), рассказывает, что лазерная технология использует высокоэнергетический пульсирующий лазерный пучок для создания ударной волны сжатия, которая обеспечивает пластическую деформацию металлической поверхности. При этом возникает остаточное сжимающее усилие, проникающее на глубину до 5 мм в зависимости от материала и условий обработки.

Лазерная дробеструйная обработка используется в областях, где воздействие дробью невозможно или глубина механически создаваемых углублений недостаточна для достижения нужных результатов. Изображение предоставлено Curtiss-Wright

Лазерная дробеструйная обработка используется в областях, где воздействие дробью невозможно или глубина механически создаваемых углублений недостаточна для достижения нужных результатов. Изображение предоставлено Curtiss-Wright

Как и механическая обработка, лазерное воздействие повышает усталостный ресурс и прочность деталей. Разница в глубине. По словам Сокола, проникновение при дробеструйной обработке ограничено менее чем 0,6 мм, а лазер проникает на глубину, в 10 раз большую. Поэтому он может применяться в тех местах детали, где обычная обработка дробью не снимает в достаточной степени остаточное напряжение. И поскольку лазерная обработка не зависит от шариков, она отличается большей точностью и повторяемостью и может применяться на особых участках детали без использования маски. В процессе используется неодимовое стекло, иттрий-алюминиевый гранат или фторид иттрия-лития, испускающий импульсы длиной 10-30 наносекунд с уровнем энергии до 50 Дж. При этом генерируется давление до 1 млн. фунтов на кв. дюйм – в точке диаметром не более карандаша. «LSP Technologies Inc. работают над тем, чтобы снизить стоимость лазерной обработки, используя лазер с накачкой светодиодами, который работает с частотой импульсов до 60 Гц», – рассказывает Сокол.

Хотя лазер действует сильнее и быстрее, чем какой угодно стальной шарик, он не нагревает металл. По этой причине обработанные лазером детали становятся более прочными без холодной обработки, которая ассоциируется с дробеструйным воздействием. При этом детали могут работать в высокотемпературных средах без ухудшения свойств.

Дэйв Бройер отмечает, что лазерная обработка лучше предотвращает усталость при истирании и повреждении посторонними объектами. «Подумайте о лопатках реактивного двигателя. Они подвержены повреждению от летящих камней и другого мусора. В таких критических сферах применения требуется компрессионный слой, более глубокий, чем возможные повреждения».

По словам Бройера, 90% проблем, вызванных усталостью, могут быть решены с помощью дробеструйной обработки, которая используется уже почти 50 лет и является одновременно хорошо контролируемым и относительно недорогим процессом. Но для 10% деталей просто необходима лазерная обработка. «Вы обращаетесь к лазеру, когда дробеструйная обработка не работает. Это дорого, возможно, раз в 10 по сравнению с дробеструйной обработкой, поэтому лазерная обработка не используется для какой-нибудь шестеренки в коробке передач, которую можно обработать за несколько долларов. Но для критически важных вращающихся деталей, например, реактивных двигателей или энергетических турбин, когда сломанная лопатка может действительно создать серьезную проблему, имеет смысл потратить дополнительные средства».

Источник материала: перевод статьи 
Shot peening offers cost-effective way to make stronger metal products,
Cutting Tool Engineering (CTE)

Автор: Кип Хэнсон (Kip Hanson),
пишущий редактор



Понравилась статья? Поделитесь: