Специальное предложение

Современные технологии удаления заусенцев в отверстиях малых диаметров при изготовлении деталей гидравлического оборудования


23 Мая 2013

При изготовлении деталей соединительной и дросселирующей трубопроводной арматуры гидравлических систем существует проблема удаления заусенцев, остающихся во внутренних полостях деталей после прорезания отверстий малых диаметров. Данная статья посвящена поиску путей решения этой проблемы.

1. Состояние вопроса

Снятие заусенцев механической обработкой требует применения специального режущего, абразивного, щеточного или ручного инструмента, что часто экономически невыгодно или технически невозможно из-за технологических трудностей доступа к зоне обработки, особенно в случае пересекающихся отверстий.
Однако, решение этой проблемы необходимо, т.к. чистота внутренних поверхностей деталей арматуры (штуцеров, дросселей и др.) во многом определяет функциональные свойства систем гидравлики и надежность работы комбайнов в целом. Номенклатура этих деталей достаточно широка и объемы их производства составляют сотни тысяч штук в год. Конструктивно они имеют отверстия различной степени сложности (осевые ступенчатые, пересекающиеся, сквозные, глухие). Чем меньше диаметр и сложнее геометрическая форма отверстий, тем труднее удалять заусенцы традиционными способами механической обработки.
В связи с этим представляют интерес различные альтернативные, относительно новые и достаточно эффективные электрофизикохимические методы обработки отверстий малых диаметров, значительно расширяющие возможности современного производства. Однако из-за недостатка информации о преимуществах новых технологий эти методы в настоящее время не имеют широкого применения на российских предприятиях.
Цель данного обзора - поиск и систематизация такой информации для последующего анализа и принятия наиболее эффективного решения.

2. Современные технологии удаления заусенцев

2.1. Ультразвуковая обработка

Очистка металлических изделий в ультразвуковом поле основана на действии упругих механических колебаний в жидкой среде. При распространении таких колебаний в жидкости возникают поочередно процессы сжатия и разрежения. В момент разрежения происходят локальные (в микрообъемах) разрывы жидкости с образованием пузырьков (полостей), которые заполняются парами жидкости и растворенным в ней воздухом. В момент сжатия пузырьки сплющиваются, что сопровождается сильными гидравлическими ударами, способствующими очистке поверхности деталей и удалению заусенцев.
Лабораторией акустических процессов и аппаратов Бийского технологического института разработана оригинальная технология ультразвукового удаления заусенцев в жидкой среде с добавлением абразивных зерен, размер которых соизмерим с радиусом действия ударной волны (1...100 мкм).
Оборудование для реализации этой технологии состоит из компактного ультразвукового генератора, излучателя волн и рабочей ванны (фитомиксера).
Обработку деталей проводят в ванне, заполненной водно-глицериновой смесью со взвешенными мелкими абразивными частицами. При ультразвуковом воздействии в жидкой среде возникают акустические течения, в которых зерна абразива и обрабатываемые детали, из-за различия плотности материалов и размеров, получают разные скорости перемещения. При взаимном проскальзывании зерен и деталей процесс снятия заусенцев интенсифицируется. В качестве абразива рекомендуется применять электрокорунд, карбиды кремния и бора с размером частиц 3-20 мкм. Наиболее универсальна суспензия, содержащая воду, глицерин и абразив в соотношении 1:1:1. Одновременно в ванну можно загружать детали в 2-3 слоя. Время цикла обработки, в зависимости от массы деталей, может составлять от 1 до 90 мин. Рекомендуется также дополнительно использовать химически активные добавки, интенсифицирующие процесс. Так, двухпроцентный водный раствор медного купороса снижает время обработки на 90%. После обработки рекомендуется промыть детали в проточной воде.
Фирмой «Мицар» (г. Омск) разработаны и продаются ультразвуковые ванны, характеристики которых представлены в таблице 1.
Следует обратить внимание на установку CV-DIZ (рис.1), предназначенную для очистки деталей топливной аппаратуры дизельных двигателей.
Отмечается, что она особенно эффективна для очистки калиброванных отверстий малого (менее 0,1 мм) диаметра, а также глухих отверстий. Имеет более широкий диапазон регулирования частоты ультразвуковых колебаний, комплектуется четырьмя преобразователями.
Тамбовским государственным техническим университетом разработана ультразвуковая установка, адаптированная для обработки пересекающихся каналов малого диаметра. Авторы (Червяков В.Н., Воробьев Ю.В. и др.) отмечают низкий к.п.д. существующих УЗ-установок вследствие хаотического распределения деталей в ванне и уменьшения интенсивности распространения звуковых волн с увеличением расстояния от источника излучения. Это делает неэффективным их применение для удаления заусенцев в пересекающихся каналах, особенно малого диаметра. В этих случаях необходимы условия, при которых ось отверстия совпадает с направлением распространения волн, т.е. с осью излучателя. Вероятность таких совпадений при обработке в ваннах ничтожно мала, что обусловливает необходимость применения специального оборудования. Спроектированная и изготовленная установка работает по принципу роторных аппаратов. Рабочая жидкость с абразивным порошком подается под давлением в полость корпуса через входной ниппель, далее через отверстия вращающегося ротора в отверстия неподвижного статора, в котором установлены детали, и выводится через выходной ниппель.
При вращении вала-ротора его отверстия поочередно совпадают с отверстиями статора и, соответственно, с отверстиями в деталях. Струя жидкости, протекая через отверстие, возбуждает акустические колебания, которые вызывают интенсивную кавитацию в малых объемах отверстий. Так как в отверстии жидкость приобретает высокую скорость и меняет направление истечения (каналы пересекающиеся), на острых кромках кавитация еще более усиливается. Разрушение заусенцев сопровождается обработкой поверхности зернами абразива. Рекомендуемое оптимальное гидродинамическое давление в аппарате составляет 0,15...0,30 МПа.
Проведенные эксперименты на деталях со сквозными пересекающимися каналами диаметром 1,0...2,0 мм подтвердили хорошее качество снятия заусенцев и повышение чистоты поверхности.
Основное преимущество данного оборудования состоит в том, что оно не требует внешнего источника ультразвуковых волн (генератора). При указанном давлении струя жидкости сама является генератором акустических колебаний.

2.2. Электрогидроимпульсная обработка

Метод основан на эффекте возбуждения гидравлического удара в емкости с рабочей жидкостью импульсным электрическим разрядом между электродом и обрабатываемой деталью.
На рис. 2 схематично показана установка, состоящая из разрядной камеры (4), механизма поворота (5), механизма подъема (3) и кассеты (1) с обрабатываемой деталью (2).
Установка спроектирована для очистки отверстий распылителей форсунок дизельных двигателей от нагара и окалины. Работает в автоматическом и ручном режиме. При работе в автоматическом режиме кассету (1) с 18-ю деталями устанавливают на вал механизма поворота (5). При включении установки автоматически происходит поджим детали и разряд конденсатора. В результате в межэлектродном промежутке, заполненном водой, происходит гидравлический удар, способствующий очистке отверстий детали. Затем автоматически включаются разжимное устройство и механизм шагового поворота кассеты с подачей следующей детали в зону обработки.
По окончании цикла (18 деталей за б мин.) установку отключают и устанавливают новую кассету со следующей партией деталей. Время обработки одной детали не превышает 20 секунд.
Установку можно использовать для снятия заусенцев в отверстиях (кроме пересекающихся) при изготовлении деталей любой сложности.
Установка разработана ЗАО «Кадницы-на-Вятке» (г. Киров) и экспонировалась на ВДНХ СССР еще в 1985 году.

            

2.3. Термоэнергетический метод удаления заусенцев

Установки для снятия заусенцев термоэнергетическим методом («ТЕМ») разработаны и широко применяются фирмой «BOSCH» (Германия) и входящей в Концерн «Kennametal фирмой «Extrudehone» (США).
В «ТЕМ» - процессе используется принцип сжигания заусенцев при воспламенении смеси газов. Установка для реализации этого процесса (рис.3) состоит из: рабочей камеры (1), гидроцилиндра (2) для сжатия смеси газов в рабочей камере, газоприготовительного блока (3) и блока (4) для подачи газа в камеру (1).

Технологически обработка деталей включает последовательное выполнение следующих операций:

  1. Подача деталей в рабочую камеру (1).
  2. Приготовление смеси газов (природный газ, кислород, воздух) определенного количественного состава, обеспечиваемого автоматически блоком (3).
  3. Подача газовой смеси в рабочую камеру системой гидроцилиндров (4).
  4. Сжатие газовой смеси в рабочей камере до давления в интервале 5-28 бар с помощью гидроцилиндра (2).
  5. Воспламенение газовой смеси в камере с деталями.
  6. Возврат гидроцилиндра (2) в исходное положение, разгерметизация камеры и выгрузка деталей с одновременной загрузкой следующей партии.

         

Воспламенение и сгорание газов происходит за очень короткое время и носит характер вспышки («взрыва»). В результате в объеме камеры генерируется мощный кратковременный импульс тепловой энергии (2500- 3500°С), сжигающий заусенцы (рис.4).
Аналогичным образом заусенцы сжигаются на всех внешних и внутренних поверхностях деталей с характерным скруглением острых кромок.
Разработчиками отмечается, что после обработки «ТЕМ» на поверхности деталей возможно образование оксидной пленки, не снижающей эксплуатационных свойств, но несколько ухудшающей товарный вид деталей.
Однако, этот недостаток легко устраняется последующим анодированием.
Метод обработки и промышленные установки «ТЕМ» не имеют ограничений по маркам конструкционных материалов (сталь, чугун, алюминиевые сплавы, латуни, бронзы), размерам и сложности деталей. Характеристики и общий вид типового оборудования приведены в таблице 2 и на рис. 5, 6.

                           

Преимущества установок «ТЕМ»:

  • качественное удаление заусенцев на поверхностях любой сложности;
  • простота переналадки, управления и контроля;
  • возможность интеграции в производственную линию с ручным или автоматическим управлением;
  • высокая производительность и экономичность.

Примеры, иллюстрирующие качество обработки различных деталей, приведены на рис. 7, 8.

               

Отечественные предприятия, имеющие опыт промышленного использования установок моделей «ТЕМ»:

  • ОАО «ЯЗДА» - производство дизельных агрегатов и топливоподающих систем.
  • ОАО «Гидромаш» - производство гидроагрегатов.
  • Компания «Компрессор» - производство холодильного оборудования.
  • ОАО «Ковровский электромеханический завод» - производство гидравлического оборудования для авиационной промышленности.

2.4. Механическая обработка

При необходимости удаления заусенцев в осевых отверстиях со ступенчато изменяющимися по длине детали диаметрами можно использовать традиционный режущий инструмент: ступенчатые сверла, зенкеры, металлические щетки-ерши. Вместе с тем, механическое снятие заусенцев таким инструментом существенно затрудняется с уменьшением размеров отверстий и становится невозможным в пересекающихся отверстиях малых диаметров. В этом случае остается только ограниченная возможность применения специальных металлических щеток.
Крупнейший мировой производитель промышленных щеток-ершей и более точного прецизионного инструмента с гибкой рабочей поверхностью - фирма «OSBORN INTERNATIONAL GmbH» (Германия).
К механическим методам удаления заусенцев относится и ручная работа инструментом - самоцентрирующимся шабером (рис.9).
Фирма «VARGUS» выпускает оригинальный зачистной инструмент нового поколения Shaviv, пришедший на смену применявшимся ранее шаберам и напильникам. Инструмент (самоцентрирующийся шабер) имеет разнообразные конструктивные исполнения для снятия заусенцев и фасок, ручной обработки пазов, плоскостей, уступов, кромок отверстий с использованием самоустанавливающихся режущих элементов - плавающих ножей.
По сравнению с традиционными инструментами Shaviv имеет ряд существенных преимуществ:

  • не требует высокой квалификации работника, т. к. оснащен быстросменными лезвиями, самоустанавливающимися на обрабатываемой поверхности;
  • каждое лезвие инструмента многократно превосходит стойкостью шабер или напильник, т. к. изготавливается из высококачественной быстрорежущей стали;
  • высокая экономическая эффективность, т.к. стоимость 1 лезвия (при существенно большей сравнительной стойкости) зачастую сравнима со стоимостью напильника;
  • взаимозаменяемость лезвий различной конфигурации, что позволяет оснащать единый держатель сменными адаптерами и лезвиями различного функционального назначения;
  • оригинальное конструктивное решение инструмента Shaviv позволяет применять его для обработки как прямолинейных, так и криволинейных кромок, пазов, уступов и плоскостей, наружных и внутренних поверхностей деталей из различных материалов (сталь, нержавеющая сталь, титан, цветные металлы, пластмассы и т. д.);
  • при использовании инструмента Shaviv исключаются повреждения детали;
  • с помощью адаптеров Shaviv устанавливается различный вылет режущего элемента от корпуса инструмента, что позволяет выбрать оптимальные условия обработки, а также максимально увеличить возможность проникновения режущего лезвия в рабочую зону детали;
  • применение инструмента Shaviv абсолютно безопасно для использующего его работника, т. к. конструкция инструмента исключает получение случайных травм и порезов при его эксплуатации;
  • конструкция инструмента Shaviv имеет эргономичную компоновку, удобную для использования и переноса, а также обеспечивающую возможность легкой смены режущих элементов и адаптеров при высокой точности их позиционирования в цанге или при помощи резьбового соединения.

В настоящее время инструмент Shaviv используют в своем производстве многие предприятия общемашиностроительного комплекса, авиационной отрасли, изготовители приборов, изделий из пластика, а также частные компании. Их выбор определен качеством обработки, экономической эффективностью и производственной целесообразностью применения этого инструмента по сравнению с традиционными шаберами.

3. Совершенствование технологии получения отверстий малых диаметров.

Наряду со способами удаления заусенцев следует рассмотреть и сам процесс получения мелкоразмерных отверстий. Анализируя информацию по изготовлению, например, печатных плат можно сделать вывод о целесообразности применения специальных сверл для выполнения операции сверления отверстий малого диаметра.
Но для использования конструкции ступенчатых сверл малого диаметра из монолитного твердосплавного прутка нужно учитывать необходимость применения соответствующего высокоскоростного оборудования.
Для работы твердосплавных сверл, учитывая малую величину диаметров сверления, необходимо обеспечить повышенную скорость вращения шпинделя до n = 12000 об/мин (принята скорость резания V = 30 об/мин). Поэтому обработка на вертикально-сверлильных станках невозможна, во-первых, по причине не обеспечения требуемого числа оборотов шпинделя и, во-вторых, по причине необходимости автоматической подачи инструмента в целях исключения его поломки (быстрорежущая сталь обладает большей вязкостью по сравнению с твердым сплавом и выдерживает большее напряжение на изгиб). Следует отметить, что при наличии оборудования и соблюдении требуемых режимов резания, не должно происходить образование заусенцев, что, соответственно, исключает необходимость их удаления на дополнительных операциях обработки.
И еще: чтобы сверла не были «одноразовыми», необходимо специальное оборудование.

Владимир Хрипунов, Анатолий Кравчик
Журнал «Стружка», декабрь 2005 г.


Возврат к списку

Задать вопрос