Способ резки и обработки энергетической струей, несущей абразивный порошок, и аппарат для его осуществления

 

Изобретение относится к абразивоструйной обработке изделий из высокотвердых материалов типа природного камня и может быть использовано в машиностроении, станкостроении, обрабатывающей и др. отраслях промышленности. Способ предусматривает воздействие с использованием копира на обрабатываемую поверхность, сформированной в разгонном сопле аппарата высокоскоростной воздушно-абразивной струей. Новым является то, что абразив подают в струю в виде псевдосжиженного слоя и скорость подачи регулируют автоматически взаимным расположением в докритической части сопла места подачи абразивного порошка и зоны отбора давления для его подачи, а угол атаки обрабатываемой поверхности устанавливают в зависимости от соотношения скоростей эрозионного износа материалов обрабатываемой поверхности и копира, причем для обработки крупного материала используют копир из более пластичного и, наоборот, при обработке пластичного материала берут копир из более хрупкого. Изобретение позволяет изготавливать изделия любой сложной конфигурации из высокотвердых, в т.ч. хрупких материалов, с одновременной минимизацией затрат на их изготовление. 2 с. и 7 з.п. ф-лы, 2 ил.

Изобретение относится к абразивно-струйной обработке изделий из металла, керамики и может быть использовано в машиностроении, станкостроении и т.п.

Известен способ гидроабразивной очистки поверхностей деталей /а.с. СССР N 1740142, кл. B 24 C 1/00, опубл. 15.06.92 г., Бюл. N 22/, в котором активным элементов является струя сжатого воздуха, несущая гидроабразивную суспензию. В данном способе энергия струи мала, что не обеспечивает эффективной обработки, включая резку изделий из твердых материалов.

Известен пескоструйный способ очистки поверхностей /патент Японии N 2-88174, кл. B 24 C 9/00/, где активным элементом является струя сжатого воздуха, несущая песок в качестве абразива. В этом способе энергия воздушной струи, создаваемой компрессором в пескоструйных установках также мала, что не обеспечивает качественную обработку и тем более резку изделий из твердых материалов.

Известен дробеструйный способ обработки изделий /а.с. СССР N 1779565, кл. B 24 C 1/00, опубл. 07.12.92 г., Бюл. N 45/, в котором активным элементом является струя сжатого воздуха, несущая стальную и алюминиевую дробь. В этом способе энергия воздушной струи также мала, поэтому невозможно обеспечить резку изделий из твердых материалов.

Известен способ комбинированной струйно-абразивной и электрохимической обработки /а.с. СССР N 1773707, кл. B 24 C 1/00, B 23 H 5/06, опуб. 07.11.92 г. , Бюл. N 41/, в котором несущим элементом является струя сжатого воздуха, несущая смесь капель электролита и зерен токопроводного абразивного порошка. В указанном способе энергия струи мала, что не позволяет осуществлять резку твердых материалов, кроме того, способ дорогостоящ и требует дополнительных мер безопасности при реализации.

Известен способ гидроабразивной очистки холодного металла от окалины /патент РФ N 2044616, кл. B 24 C 1/00, опубл. 27.09.95 г., Бюл. N 27/, в котором несущим элементом является струя жидкости, в которую подают гидроабразивную пульпу. И этот способ не обеспечивает резку изделий из твердых материалов.

Известен способ резки скальных пород и твердых материалов высокотемпературной энергетической струей, образованной продуктами сгорания жидкого топлива, несущей абразивный порошок /патент США N 4384434, кл. B 24 C 7/00, опубл. 1995 г./. Этот способ требует дополнительных материальных затрат для охлаждения резака и обеспечивающих систем.

Наиболее близким техническим решением к заявляемому является способ резки энергетической струей, несущей абразивный порошок /патент РФ N 2050251, кл. B 24 C 1/00, опубл. 20.12.95, Бюл. N 35/, который принят за прототип изобретения. В указанном прототипе в качестве энергоносителя берут перегретый водяной пар при температуре 400-550^oC с давлением 3-25 МПа, а концентрация абразивного порошка дисперсностью 50-200 мкм в смеси составляет 1-5 мас.%. Подачу порошка и его концентрацию в смеси регулируют введением дозирующего агента в верхнюю и нижнюю части дозатора, что обеспечивает на выходе из сверхзвукового разгонного сопла струю скоростью 1300-1500 м/с.

Указанный прототип требует значительных расходов на установку дополнительных средств безопасности при проведении работ, не обеспечивает точности резки обрабатываемого изделия, а также требует дополнительных затрат на подготовку энергетической струи.

Изобретение направлено на создание промышленной технологии абразивоструйной обработки высокотвердых, в т.ч. хрупких материалов типа природного камня, керамики, смальты, стекла и т.п., с возможностью изготовления изделий любой сложной конфигурации, включая нанесение надповерхностного рисунка с несквозным орнаментом и инкрустацию камня в камень по рисунку любого произвольного профиля.

При этом решена задача создания надежного и эффективного способа абразивоструйной резки и обработки как хрупких, так и пластичных, твердых и сверхтвердых материалов, позволяющего производить эрозионную обработку и изготовление (резку) поверхностей и изделий любых форм и конфигураций, с одновременной минимизацией затрат на его реализацию в условиях, как крупномасштабного, так и мелкосерийного производства.

Это достигается тем, что в предлагаемом способе резки и обработки энергетической струей, несущей абразивный порошок, включающим его подачу, например, из дозатора, в поток газообразного энергоносителя, преимущественно, сжатого воздуха, и последующее направленное воздействие на обрабатываемую поверхность сформированной в разгонном сопле струей, в отличие от прототипа, процесс введения абразивного порошка в дозатор осуществляют под давлением, образуют в дозаторе псевдоожиженную смесь, берут копир, располагают его на обрабатываемом изделии, ось струи направляют по линии кромки копира, а угол атаки струи выбирают в зависимости от скорости эрозионного износа материалов обрабатываемого изделия и копира, при этом скорость подачи струи автоматически регулируют путем изменения высоты расположения выходного сечения питателя дозатора относительно зоны докритического истечения абразива разгонного сопла. При этом в процессе формирования струи в зоне докритического истечения абразива осуществляют закручивание потока сжатого воздуха относительно его центральной оси, при этом давление сжатого воздуха выбирают в диапазоне 0,4-1,0 МПа. Кроме того, до формирования струи абразивный порошок нагревают и сообщают ему вибрационные колебания, при этом берут абразивный порошок дисперсностью 50-200 мкм и обеспечивают концентрацию его в потоке сжатого воздуха в пределах 10-20 мас.%. Следует отметить, что при рабочем давлении энергоносителя-сжатого воздуха, выбранном, как указано выше, в диапазоне 0,4-1,0 МПа, скорость подачи абразива для конкретного обрабатываемого материала выбирают таким образом, чтобы в выходном сечении, например, на выходе из патрубка дозатора-питателя, она была не более 40-50 м/с, что в свою очередь будет зависеть от эрозионной износостойкости материала наконечника питателя.

Предлагаемый способ реализуют в специальном аппарате для резки и обработки энергетической струей, несущей абразивный порошок, за прототип которого принят абразивоструйный аппарат по патенту РФ N 2057632, кл. B 24 C 5/04.

Указанный прототип содержит емкость для абразивного порошка, соединенную с камерой смещения, связанную с источником сжатого воздуха и разгонным соплом, причем патрубок подачи абразивного порошка установлен по оси разгонного сопла, а емкость связана с источником сжатого воздуха. Недостатком указанного прототипа является низкая эффективность и надежность аппарата. Изобретение решает задачу реализации заявляемого способа, повышения эффективности и надежности устройства.

Сущность изобретения заключается в том, что в предложенном аппарате емкость для абразивного порошка выполнена герметичной и аппарат снабжен цилиндрическим корпусом, в котором размещен дозатор, установленными на дозаторе полой штангой и вибрационным устройством, смонтированной на питателе эластичной муфтой, установленным в дозаторе патрубком с фильтром на его нижнем конце, соединенным посредством воздухопровода с патрубком, дозатором и емкостью для абразива щелевым коллектором, радиально расположенными в дозаторе коническими перегородками с окнами и дозирующей шайбой, которая совместно с указанными перегородками образует полость, пневматически соединенную через отверстие в шайбе и эластичную муфту с питателем дозатора, при этом щелевой коллектор и питатель дозатора размещены в зоне докритического истечения абразива разгонного сопла. Кроме того, аппарат снабжен нагревательным элементом, установленным в емкости для абразивного порошка, а клапан, установленный в воздухопроводе между источником сжатого воздуха и емкостью для абразивного порошка, выполнен игольчатым, при этом источник сжатого воздуха в зоне расположения вибрационного устройства пневматически соединен с корпусом с возможностью подачи сжатого воздуха в тангенциальном направлении, причем аппарат снабжен завихрителем, установленным между корпусом и дозатором с питателем с наружной его стороны. При этом завихритель выполнен в виде профилированных пластин или в виде колеса турбины.

Сущность предлагаемого изобретения поясняется чертежом, где на фиг.1 схематично представлено общее устройство аппарата; на фиг.2 - вид сверху на обрабатываемое изделие.

Предлагаемый аппарат содержит герметичную емкость 1 для абразивного порошка, которая снабжена нагревательным элементом 2, например, электрогрелками, и которая соединена через патрубок 3 с клапаном 4 с дозатором 5, размещенным в корпусе 6 аппарата, и соединенным с ним (6) полой штангой 7. Внутри по оси дозатора 5 размещен дополнительный патрубок 8, в нижней части которого установлен фильтр 9 и на торце которого (8) установлена заглушка 10. Заглушка 10 вместе с дозирующей шайбой 11, установленной в нижней части дозатора 5, и установленными радиально центрирующими коническими перегородками 12 с окнами 13 образует полость А, которая соединена пневматически через отверстие дозирующей шайбы (11) посредством эластичной муфты 14 с питателем 15 - патрубком подачи абразивного порошка, выходное отверстие которого расположено в зоне докритического сечения Д-Д разгонного сопла 16, например, сопла Ловаля. В районе выходного отверстия питателя 15 выполнен щелевой коллектор 17, соединенный воздухопроводами 18, 19, 20 соответственно с емкостью 1, дозатором 5 и патрубком 8. На питателе 15 установлен завихритель 21, например, выполненный в виде профилированных пластин или в виде колеса турбины, муфты 22 и размещена разъемная шайба 23 для регулирования питателя по высоте. На дозаторе 5 установлено вибрационное устройство, например, состоящее из подшипника 24 и лопаток 25, к которому тангенциально по отношению к сечению корпуса через патрубок 26 по воздухопроводу 27 с клапаном 28 подают сжатый воздух от источника сжатого воздуха 29, например, компрессора. Источник 29 может быть соединен воздухопроводом 30 с игольчатым клапаном 31 с емкостью 1 для дополнительной регулировки системы. Сформированную абразивную струю 32 направляют на изделие 33, которое размещено на столе 34 и на котором (33) установлен копир 35.

Реализуют способ в аппарате следующим образом. Из емкости 1 нагретый при помощи элемента 2 абразивный порошок под давлением через патрубок 3 подают в дозатор 5, из которого порошок в виде псевдоожиженного слоя, созданного в полости Б, через окна 13 попадает в полость А. В полость Б подают через патрубок 8 и фильтры 9 сжатый воздух и получают в полости Б псевдоожиженный слой смеси, который через окна 13 под давлением подают в полость А и затем через отверстие в шайбе подают в питатель 15. Из питателя 15 смесь подают в смесительную камеру сопла 16, куда направляют закрученный при проходе через завихритель 21 поток сжатого воздуха и формируют ускоренную и закрученную струю смеси 32, направляя ее на изделие 33 так, чтобы ось струи проходила по линии кромки копира 35. Угол атаки струи 32 относительно поверхности изделия 33 и копира 35 регулируют, например, путем изменения угла наклона стола 34 (на черт. не показано), при этом копир 35 жестко закрепляют на поверхности изделия 33, например, клеевым способом.

Формула изобретения

1. Способ резки и обработки энергетической струей, несущей абразивный порошок, при котором последний вводят в дозатор с питателем, смешивают с потоком сжатого воздуха и полученную смесь направляют на поверхность обрабатываемого изделия струей, сформированной в разгонном сопле, отличающийся тем, что процесс введения абразивного порошка в дозатор осуществляют под давлением, образуют в дозаторе псевдоожиженную смесь, берут копир, располагают его на обрабатываемом изделии, ось струи направляют по линии кромки копира, а угол атаки струи выбирают в зависимости от скорости эрозионного износа материалов обрабатываемого изделия и копира, при этом скорость подачи струи автоматически регулируют путем изменения высоты расположения выходного сечения питателя дозатора относительно зоны докритического истечения абразива разгонного сопла.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в процессе формирования струи в зоне докритического истечения абразива осуществляют закручивание потока сжатого воздуха относительно его центральной оси, при этом давление сжатого воздуха выбирают в диапазоне 0,4 - 1,0 МПа.

3. Способ по любому из пп.1 и 2, отличающийся тем, что до формирования струи абразивный порошок нагревают и сообщают ему вибрационные колебания, при этом берут абразивный порошок дисперсностью 50 - 200 мкм и обеспечивают концентрацию его в потоке сжатого воздуха в пределах 10 - 20 мас.%.

4. Способ по любому из пп.1 и 2, отличающийся тем, что до формирования струи абразивному порошку сообщают вибрационные колебания.

5. Способ по п.4, отличающийся тем, что абразивный порошок берут дисперсностью 50 - 200 мкм и обеспечивают концентрацию его в потоке сжатого воздуха в пределах 10 - 20 мас.%.

6. Аппарат для резки и обработки энергетической струей, несущей абразивный порошок, содержащий емкость для абразивного порошка, соединенную посредством воздухопроводов и клапанов с разгонным соплом через дозатор с питателем для подачи абразивного порошка и с источником сжатого воздуха, отличающийся тем, что емкость для абразивного порошка выполнена герметичной и аппарат снабжен цилиндрическим корпусом, в котором размещен дозатор, установленными на дозаторе полой штангой и вибрационным устройством, смонтированной на питателе эластичной муфтой, установленным в дозаторе патрубком с фильтром на его нижнем конце, соединенным посредством воздухопровода с патрубком, дозатором и емкостью для абразива щелевым коллектором, радиально расположенными в дозаторе коническими перегородками с окнами и дозирующей шайбой, которая совместно с указанными перегородками образует полость, пневматически соединенную через отверстие в шайбе и эластичную муфту с питателем дозатора, при этом щелевой коллектор и питатель дозатора размещены в зоне докритического режима истечения абразива разгонного сопла.

7. Аппарат по п.6, отличающийся тем, что он снабжен нагревательным элементом, установленным в емкости для абразивного порошка, а клапан, установленный в воздухопроводе между источником сжатого воздуха и емкостью для абразивного порошка, выполнен игольчатым, при этом источник сжатого воздуха в зоне расположения вибрационного устройства пневматически соединен с корпусом с возможностью подачи сжатого воздуха в тангенциальном направлении, причем аппарат снабжен завихрителем, установленным между корпусом и дозатором с питателем с наружной стороны его.

8. Аппарат по п. 7, отличающийся тем, что завихритель выполнен в виде профилированных пластин.

9. Аппарат по п.7, отличающийся тем, что завихритель выполнен в виде колеса турбины.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2