|
Дан обзор научно-исследовательских и опытно-конструкторских разработок в области использования гидроабразивной резки, проводимых в странах дальнего зарубежья и Российской Федерации научными коллективами в области новых методов обработки материалов. Сформулированы основные задачи изготовления деталей трансформаторов и сильноточной специальной коммутационной аппаратуры. Рассмотрено применение инновационных методов обработки, которые используются при изготовлении деталей трансформаторов. Показано, что одним из научно-практических направлений решения поставленной задачи является применение метода гидроабразивной обработки для изготовления деталей для трансформаторов и в сильноточном элек- троаппаратостроении. Приведены оценочные параметры рабочих режимов, используемых для их обработки. Выполнен анализ результатов научно-исследовательских и опытно-конструкторских разработок, проводимых в российских и зарубежных университетах с 1938 по 2009 гг. Рассмотрены системы, предназначенные для контроля и управления технологическим процессом гидроабразивной обработки деталей трансформаторов. Показано значение экспериментального метода при выборе режимов обработки деталей.
Ключевые слова: трансформаторостроение; обработка деталей; инновационные методы обработки; водно- абразивное резание
Водоструйное резание материалов - один из прогрессивных методов обработки резанием высоконапорной струей. Если обычную воду сжать под давлением от тысячи до пяти тысяч атмосфер и пропустить через отверстие диаметром 0,1-0,3 мм, она потечет со скоростью 400-1000 м/с. Сила воздействия такой струи на материал вызывает его механическое разрушение с отрывом микрочастиц. При этом кинетическая энергия струи превращается в механическую работу резания, а сама струя является режущим инструментом. Для увеличения разрушительной силы водяной струи к ней добавляют абразив.
Гидроабразивная обработка - альтернатива не только механической, но и лазерной, плазменной, ультразвуковой обработке, а в некоторых случаях она является единственно возможной. Струя жидкости по своим техническим возможностям приближается к идеальному точечному инструменту, что позволяет обрабатывать сложный профиль с любым радиусом закругления. Поскольку ширина реза составляет 0,1 - 3,0 мм, отход материала в стружку меньше, чем при традиционных методах обработки. Рез можно начинать в любой точке заготовки и при этом не нужно предварительно выполнять отверстие. Небольшие сила и температура (60-90 °С) в зоне резания исключают деформацию заготовки, оплавление и пригорание материала в прилегающей зоне. Струя не изменяет физико-механические свойства обрабатываемого материала. При водно-абразивном резании струя из сопла пропускается через пассер - трубку малого диаметра (1 мм), причем благодаря инжекции на входе в него подсасывается абразивный порошок из специального бункера. Кинетическая энергия водяной струи передается частицам абразива, которые снимают микростружку. При этом практически полностью отсутствует тепловое и силовое воздействие на заготовку, получается недеформированная поверхность реза без заусенцев и искажений структуры материала. Метод был запатентован в США в 1961 г., однако в России первые публикации на эту тему относятся к середине 40-х гг. [ 1 ].
Технологические возможности метода могут быть значительно расширены благодаря оснащению установок современными компьютерными средствами, позволяющими оптимизировать процесс резания. Имеется возможность использовать обширную базу данных, решать задачи оптимизации раскроя. Существуют различные варианты компоновок водоструйного оборудования, в том числе в виде роботизированных комплексов, установок с поворотным столом. Основным параметром процесса является его производительность или скорость реза и точность резания. Гашение остаточной энергии струи (весьма значительной) происходит в открытой ванне, расположенной под столом.
Установки с подвижным порталом целесообразно использовать для обработки массивных изделий, перемещение которых в процессе резания нежелательно. Типичным примером является установка NC3015 фирмы Water Jet Sweden и установка мод TII-2000 фирмы Flow [2]. Примером компоновки с неподвижным порталом может служить установка фирмы Ingersoll Rand. В центре прямоугольной рамы установки закреплены портал и поперечина, несущая каретку.
Одним из основных узлов водоструйной установки является агрегат высокого давления, который состоит из бака гидропривода, регулируемого насоса с приводным электродвигателем, одного или нескольких мультипликаторов давления, ресивера, гидроаппаратуры систем кондиционирования (фильтрации и охлаждения) масла, вспомогательного насоса подачи технологической воды, фильтров ее тонкой очистки и электрического шкафа управления. Ресивер сглаживает пульсацию давления при реверсах поршня гидроцилиндра. Пульсация давления на входе в рабочую головку не должна превышать 5%. В связи с этим вместимость ресивера необходимо выбирать, учитывая, что сжатие воды в гидроцилиндре высокого давления составляет около 20% при давлении 400 МПа. Поскольку ресивер - это металлоемкий сосуд высокого давления, в современных агрегатах его стараются по возможности не применять. Для уменьшения пульсации давления в напорной линии насоса обычно устанавливают аккумулятор вместимостью около 2,5 л.
Эффективность процесса водоструйного резания в значительной степени зависит от величины рабочего давления р, поэтому конструкторы установок стремятся обеспечить его максимум, однако превысить предел 400 МПа пока не удается. Обычно р = 350-380 МПа. Дело в том, что уже при р = 300 МПа напряжения на внутренней поверхности гидроцилиндра высокого давления (даже при отсутствии местных концентраторов) достигают предела текучести большинства конструкционных сталей. Это требует применения высокопрочных коррозионно-стойких сталей. Кроме того, долговечность эластомерных уплотнений в настоящее время не превышает 500 ч. Для снижения осевых нагрузок, действующих на элементы крепления гидроцилиндра, уплотнения должны иметь минимальные радиальные размеры. Выпускается более 30 моделей мультипликаторов на давление 380 МПа и подачу Q технологической воды равной 1,93-12 л/мин.
Основные параметры (подача Q технологической воды и мощность Р привода) водоструйных установок определяют в зависимости от диаметра сопла с учетом КПД гидравлической системы, который обычно не превышает 0,65. Как правило, увеличение подачи воды достигается благодаря установке дополнительного (второго) стандартного мультипликатора. Практически во всех последних разработках применяются мультипликаторы двустороннего действия в комплекте с управляющим гидравлическим распределителем.
Особенность головки Autoline - применение быстросменного картриджа, содержащего сопло, смесительную камеру и пассер, что позволяет исключить юстировку головки при замене изношенных деталей, гарантированно обеспечить соосность водяной струи и отверстия пассера и благодаря этому существенно повысить долговечность головки. Рабочая головка дополнительно комплектуется прецизионной системой дозирования абразива. Специальное защитное кольцо, расположенное на несколько миллиметров ниже выходного отверстия пассера, выполняет функцию щупа следящей системы вертикального перемещения рабочей головки. Кольцо, защищая пассер от механических взаимодействий, обеспечивает стабильность зазора между торцом пассера и заготовкой, а также позволяет разрезать неплоские листовые заготовки. Число рабочих головок в установках от 1 до 4.
Интересная особенность установок фирм Water Jet Sweden и Bystronic - наличие встроенного шпинделя для предварительного сверления заходного отверстия в заготовках из слоистых материалов во избежание их расслоения при пробое водяной струей. Самарские предприятия не имели опыта гидроабразивной обработки таких материалов, как геттинакс, стеклотекстолит, текстолит. Поэтому была проведена работа по расчету режимов резания (в т.ч. и опытным путем) для разработки управляющих программ на следующие материалы: геттинакс 6-50 мм, стеклотекстолит 3-5 мм, гранит 100 мм и др. Установки фирмы Bystronic и WJSweden могут оснащаться несколькими рабочими головками. Одну и ту же головку можно использовать для резания как водяной, так и вводно-абразивной струей.
Головки снабжены датчиками высоты и регуляторами оптимальной подачи абразива. Датчиком высоты следует пользоваться осторожно, так как существует возможность реагирования датчика на уже отрезанную деталь, т.е. на меньшую дистанцию от решетки. Это может привести к поломке пассера. В процессе резания вакуумный насос подает абразив из бункера в промежуточный дозирующий узел, расположенный непосредственно на рабочей головке. Из прозрачного цилиндрического сосуда абразив подается в смесительную камеру с помощью шнекового дозатора, управляемого устройством ЧПУ.
В некоторых установках отработанная смесь пропускается через гидроциклоны, после чего вода используется повторно. Для непрерывной эвакуации шлама из ванны в специальные периодически очищаемые резервуары фирма Bystronic использует скребковый транспортер, а фирма Water Jet Sweden применяет для этой цели специальный откачивающий насос. По данным фирмы Trumpf, до 50% затрат при водно-абразивном резании приходится на абразив, поэтому создана система его рекуперации [3]. В разработанном фирмой устройстве влажный шлам фильтруется под давлением, очищенная вода направляется для повторного применения. Устройство способно обработать до 15 кг отходов в час. С учетом незначительных затрат на рекуперацию общее снижение стоимости обработки достигает 30%.
Выполненные динамические расчеты и результаты эксплуатации свидетельствуют об удачном синтезе конструктивных параметров привода, обеспечивающего скорость слежения до 30 м/мин (возможно до 60 м/мин) при приемлемом качестве регулирования. Такие скорости необходимы, например, при разрезании пенопласта.
Проведены поисковые работы по созданию отечественных струйных образующих элементов из твердого сплава ВКЗ, дополнительно легированного карбидом вольфрама, молибденом и ванадием особо мелкой структуры. Очевидно, что этим перечнем далеко не исчерпываются возможности метода водно-абразивного резания твердых материалов. Накопленный научно-технический потенциал позволяет в ближайшее время создать отечественную промышленную установку на современном техническом уровне.
К конструктивным особенностям установки относятся:
встроенное приспособление для автоматического позиционирования рабочих органов, что весьма важно при обработке неплоских деталей;
самонастраивающаяся режущая головка;
стол со сменными решетками;
защитные устройства на горизонтальных и вертикальных элементах портала;
бак-отстойник из коррозионно-стойкой стали и скребок для удаления отходов обработки.
Резание струей воды, в том числе и с абразивом, эффективно применяется в различных отраслях промышленности: от авиакосмической до пищевой. Фирмы используют этот вид обработки для резания композиционных материалов, чувствительных к воздействию тепла (алюминиевых сплавов, коррозионно-стойкой стали и титана), обычного, многослойного и армированного стекла, мрамора, гранита, керамики, фарфора и природного камня, ткани, бумаги (в том числе с покрытием пенопластом), рифленого изоляционного материала, кожи, дерева, пробки, ковровых материалов.
Установлено, что основной фактор, влияющий на производительность процесса - давление истечения струи. При резании всех материалов с увеличением давления скорость подачи обрабатываемого изделия относительно режущей головки или режущей головки относительно изделия возрастает по параболической зависимости.
Для вырезания трехмерного контура разработана специальная режущая головка при размерах в плане 6x4 м, прочие - для вырезания любых уплотнений и прокладок, сетчатых деталей из меди, титана, сплавов никеля. Эффективна двух- и трехмерная обработка деталей из пластмасс и композитов, а также деталей со сложными поверхностями практически из любого материала. Водоструйная обработка применяется и для разрезания разнообразных пищевых продуктов. Важной областью применения водно-абразивного резания является утилизация военной техники [1].
В России проведены экспериментальные исследования резания различных листовых материалов, применяемых в корпусных изделиях военной техники. Сверхзвуковой абразивно-жидкостной струей обрабатывали титановый сплав ПТ-38, конструкционную сталь 20, алюминиевый сплав Д16.
Важно отметить, что одной режущей головкой можно обрабатывать материалы почти всех видов; благодаря отсутствию непосредственного контакта режущей головки с изделием достигается минимальное боковое или вертикальное усилие, заготовки не подвергаются тепловым деформациям. Технологический процесс относится к категории экологически чистых, без выбросов токсичных паров и образования взвешенной пыли. Установки фирмы Flow легко интегрируются с другим оборудованием, управляемым от компьютера.
Особое значение для повышения производительности водно-абразивного резания имеет абразивный порошок. Хотя для водно-абразивной смеси можно использовать и обычный литейный песок с размером фракций 0,2-0,3 мм, фирмы предпочитают красный гранат - весьма дорогой абразив [3].
Говоря об устройствах программного управления, можно отметить, что новая стандартная система управления и пакет управляющих программ (УП) для контроллера, разработанного на базе ПК, предназначен для станков водоструйной абразивной резки. Контроллер обеспечивает необходимую точность контурной резки и режим подачи воды и абразива. Программное обеспечение (ПО), такое как LANTEK, CalWizard, позволяет любому оператору обеспечить работу станка. ПО позволяет составлять и редактировать программу обработки, выводить на экран для предварительного просмотра графическое изображение контура, контролировать размеры с учетом ширины реза, осуществлять все необходимые функции управления. Для обеспечения резки оператору достаточно подать материал, установить качество реза, толщину разрезаемого материала, на основе которого система ЧПУ определит режимы резки по заданному контуру. Возможен вывод на экран и расчетно-технологических карт обработки конкретных деталей.
Программно-математическое обеспечение позволяет отображать на экране траекторию движения рабочей головки, автоматически идентифицировать точки изменения условий обработки, контролировать величину ускорения; возможно программное изменение скорости в процессе резания. Стандартные методы программирования ISO обеспечивают воспроизведение программы с дисплея компьютера, дискеты, жесткого диска или графического изображения, а также позволяют работать в диалоговом режиме с обширной базой данных САПР струйной обработки.
В установках фирмы Water Jet Sweden устройство управления мод NC1015 выполнено на базе системы Fanuc. Компания GE Fanuc выпускает ЧПУ открытого и традиционного типов, которые увеличивают производительность станков за счет обеспечения возможности доступа к информационным и программным средствам в самом станке. Системы ЧПУ компании GE Fanuc рассчитаны на такой широкий спектр операций, как сверление, резка, фрезерование, перфорирование, токарная обработка и прочее.
Устройство управления мод NC1015 построено на базе быстродействующего процессора и операционной системы Windows. Техноконтроллер CNC предусматривает адаптивное управление скоростью подачи в зависимости от условий резания и сложности обрабатываемого профиля. База данных содержит обширные сведения о процессах резания разнообразных материалов. Возможен ввод программы с графического изображения, запоминание пробных проходов. Ввод необходимой информации из базы данных в процессе резания осуществляется вручную или автоматически. Если по каким-либо причинам процесс резания прерывается, возможно возвращение в любую точку. Разумеется, указанные выше технические решения нуждаются в серьезной практической проверке, однако они свидетельствуют о том, что технологические возможности еще далеко не исчерпаны. Это касается таких параметров, как:
диапазон скоростей от нескольких миллиметров до десятков метров в мин.;
тяговое усилие для перемещения устройства подачи абразива и улавливателя струи;
возможность работы сопла в колебательном режиме вдоль реза с целью интенсификации процесса.
Для изготовления детали необходимо просто загрузить ее чертеж в систему управления.
Рассмотрим основные этапы техпроцесса изготовления детали. Исходной информацией является чертеж детали, разработанный конструкторами ОАО «Самарский завод Электрощит». На данном оборудовании будет выполняться только резка отверстий и внешнего контура.
Сначала составляется компьютерный чертеж детали. В системе AutoCad создается двухмерный чертеж детали. Далее происходит импортирование данного чертежа в чертежный модуль программы LANTEK EXPERT, где проверяются размеры, задается качество обработки по контурам, материал детали, толщина и проверяется замкнутость контуров.
Все данные по материалу и толщине сведены в таблицу технологий (Tables of technology), а качество обработки соответствует определенному цвету на мониторе. Качество реза, особенно по сложному криволинейному контуру, существенно зависит от правильности установки контурной скорости перемещения рабочего органа. При низкой скорости резки снижается производительность машины и растут удельные эксплуатационные расходы. При завышенной скорости имеет место значительное отклонение нижней кромки контура реза. При перемещении резака с повышенной скоростью возможно получение режима гидроабразивного гравирования. Для резки деталей, имеющих изломы линии контура (углы), необходимо при подходе режущей головки к точке излома (вершине угла) значительно снизить скорость резки с ее последующим увеличением после прохождения небольшого участка линии реза за вершину угла, иначе на нижней кромке будет иметь место искажение контура реза. Необходимо учитывать, что при снижении скорости резки несколько увеличивается ширина реза. Другими словами, чем толще материал, тем тяжелее получить точность реза в углах. Для получения минимального расхождения фактической линии контура реза при ее замыкании рекомендуется наружный контур замыкать в углах, а внутренний контур - на линии с минимальной кривизной [4].
При выполнении пробивки отверстия в материале для возможности вырезки внутреннего контура необходимо учитывать следующее.
- Для толстых материалов рекомендуется в процессе пробивки «шевелить» резак в пределах нескольких миллиметров, что снижает разбрызгивание воды с абразивом и ускоряет процесс пробивки.
- «Шевеление» резака в пределах 0,5 мм при резке по контуру позволяет при некотором увеличении шероховатости кромки реза до двух раз увеличить толщину разрезаемого материала.
Для уменьшения деформаций деталей при резке необходимо:
вырезать, в первую очередь, отверстия;
вырезку деталей начинать от одной из кромок листа, последовательно переходя от одной детали к другой по направлению к противоположной кромке;
при составлении карт раскроя деталей для резки рекомендуется применять совмещенные резы, т.е. линия реза разделяет cразу две детали;
узкие и длинные детали (l>6b где I-длина детали, Ь- ширина детали) располагать вдоль продольной кромки листа, причем более длинные детали располагать ближе к кромке, от которой начинается резка, более короткие детали располагать ближе к середине листа и к противоположной кромке. Вырезку начинать с узких и длинных деталей, расположенных у кромки;
начало и направление реза каждой детали должны быть такими, чтобы кромка, соединяющая деталь с основной массой листа, обрезалась в последнюю очередь;
если одна деталь занимает большую часть листа, то вырезку необходимо начинать с этой детали.
Далее чертеж переносится в модуль размещения. В нем выбираются размеры листа, на котором будет располагаться деталь. Это может быть лист в размер детали или лист с несколькими деталями.
Существует возможность изготовления деталей с общим резом, с различной компенсацией на инструмент, с полной автоматизацией процесса размещения и резания (машининга), использования предварительного просверливания заходных отверстий или последующего их развертывания. Также есть возможность ввода перемычек и мостов, если деталь имеет малые размеры и есть риск ее утопления в ванне при окончании резания. Существуют также различные варианты захода на контур обработки [5].
В конце всего процесса получаем задание для текущей смены и готовую управляющую программу. Имея все вышеуказанное, можно вычислить стоимость изготовления детали.
Выводы
Проведенное исследование показало, что рынок гидравлического режущего оборудования находится в стадии становления. Число изготовителей невелико, конкуренция между ними пока не приняла острый характер.
Важнейшими условиями для создания российской конкурентоспособной продукции должно стать обеспечение ее надежности и качества, при отсутствии этих характеристик она не найдет потребителей. Для обеспечения сбыта продукции необходимо использовать гибкие формы работы на рынке - оптимальную ценовую политику и методы продвижения продукции.
Список литературы
1. Иванов Г.М., Свешников В.К., Резников М.Л. Проблемы привода и управления в установках водоструйной резки // Машины и технология переработки полимеров: Тр. тех- нол. ин-та им. Ленсовета. Вып. 2. Л.:1971. С. 73-76.
2. Тихомиров Р.А., Швецов А.В. О проблеме применения высоконапорных струй жидкости для разрезания листовых полимерных материалов // Машины и технология переработки полимеров: Тр. технол. ин-та им. Ленсовета. Вып. 2. Л.:1970. С. 93-96.
3. Wasserstrahl-Schneidanlagen mit neuer Abrasivmittel- Recyclingeinheit //Maschine/ - 1997. -51, № 9, - P. 49
4. Пат. 5971835 США, МПК В 24 В 1/00. System for abrasive jet shaping and polishing of a surface using magnetorheo- logical fluid.
5. Dimitru G.M., Lacolescu G.,Marina C.H. L'impact des gouttes a vitesses tres hautes sur le material //Bull, de Po- litechn. Univ.Bucharest. - 1998.-60, №3-4. - P. 321-326.
|