Obróbka strumieniowo-ścierna. Tom 2 - ebook

ROZDZIAŁ 1
WPROWADZENIE

Obróbka strumieniowo-ścierna, należąca do ubytkowych metod obróbki powierzchni, miała swoje początki w drugiej połowie XIX wieku. Jej dynamiczny rozwój spowodowany był wprowadzaniem nowych urządzeń, nowych mediów obróbkowych i nowych technik obróbki. Urządzenia stosowane w obróbce strumieniowo-ściernej są nazywane oczyszczarkami lub śrutownicami (ang. blast cleaning machines), a procesy obróbki są określane jako śrutowanie (ang. abrasive blasting) lub potocznie piaskowanie (ang. sand blasting). Tematyce ścierniw stosowanych w tej obróbce poświęcony był I tom książki. Niniejszy II tom jest poświęcony urządzeniom obróbkowym, czyli oczyszczarkom, oraz procesom obróbki strumieniowo-ściernej.

Początki urządzeń do obróbki strumieniowo-ściernej sięgają 1870 roku i są związane z działalnością amerykańskiego wynalazcy Tilghmana, który jest twórcą idei obróbki pneumatycznej oraz metody wykorzystującej koło rzutowe. Idee zawarte w patentach Tilghmana oraz wielu innych późniejszych wynalazców z początku XX wieku są podstawą większości współczesnych, nowoczesnych oczyszczarek. Z czasem powstały nowe metody obróbki wykorzystujące energię strumienia ściernego, z podziałem na powietrzno-ścierne i wodno-ścierne. Wprowadzenie do procesów obróbki nowych mediów, takich jak suchy lód czy wysokociśnieniowa struga wody, przyczyniło się do rozwoju nowych technik obróbki, które są realizowane przez wyspecjalizowane nowoczesne urządzenia.

Współczesna obróbka strumieniowo-ścierna obejmuje różnorodne metody oczyszczania powierzchni oraz formowania warstwy wierzchniej. Jest to metoda obróbki dynamicznie rozwijająca się na świecie, w tym również w Polsce. O ile ścierniwa stosowane w tej obróbce pochodzą w przeważającej ilości z importu, o tyle urządzenia są w znacznym stopniu produkowane w kraju. Produkcję różnego typu oczyszczarek wirnikowych i pneumatycznych prowadzą polskie firmy oraz firmy zlokalizowane w Polsce, ale należące do dużych producentów zagranicznych.

Większość polskich producentów oczyszczarek strumieniowo-ściernych odpowiedziała pozytywnie na prośbę autora i udostępniła niezbędne dane dotyczące charakterystyki produkowanych przez siebie urządzeń. Umożliwiło to autorowi zamieszczenie w książce aktualnych danych o produkowanych współcześnie urządzeniach do tej obróbki. W tym miejscu autor składa serdeczne podziękowania za wyjątkowo owocną współprace dwóm polskim producentom oczyszczarek. Moje podziękowanie dotyczy firmy Sciteex w Warszawie, która jest producentem nowoczesnych oczyszczarek wirnikowych i komór śrutowniczych, oraz firmy SanTech w Krakowie – producenta nowoczesnych oczyszczarek pneumatycznych, w tym szczególnie nowej generacji oczyszczarek kabinowych. Dziękuję również firmie Szatkowski w Bydgoszczy producentowi komór śrutowniczych oraz firmie Poltech w Wieluniu producentowi oczyszczarek wirnikowych i komór śrutowniczych za umożliwienie zapoznania się z produkcją oczyszczarek, cenne konsultacje oraz udostępnienie danych o charakterystyce produkowanych urządzeń oraz zdjęć swoich produktów. Dziękuję również włoskiej firmie CM za udostepnienie licznych materiałów informacyjnych dotyczących produkowanych przez tę firmę oczyszczarek wirnikowych. To dzięki wymienionym firmom możliwe było wzbogacenie tekstu książki licznymi zdjęciami oczyszczarek i ich różnych zespołów roboczych.

Tematyce obróbki strumieniowo-ściernej poświęconych jest niewiele pozycji książkowych w Polsce. Niewielka książka J. Kaczmarka, J. Sikory i Cz. Czyżewicza z 1965 roku poświęcona jest tylko obróbce w oczyszczarkach pneumatycznych . Wydane zostały dwie monografie dotyczące odmian tej obróbki: kulowania i ciśnieniowej obróbki hydrościernej . Obróbce strumieniowo-ściernej poświęcone są oddzielne rozdziały w książce J. Kaczmarka z 1970 roku oraz książce J. Łempickiego i J. Paradysza z 1979 roku . W większości są to pozycje wydane wiele lat temu, czyli w czasie, gdy obróbka strumieniowo-ścierna była na znacznie niższym poziomie technicznym niż współcześnie. Dotyczy to zarówno mediów, jak również oczyszczarek omawianych w niniejszym II tomie.

Poza granicami Polski nie ma też wiele opracowań książkowych na temat obróbki strumieniowo-ściernej. Jako pierwsze, w których opisano podstawy tej obróbki, należy wymienić książkę Reamsa i książkę Rosenberga z 1939 roku. Kolejną istotną pozycją była dwutomowa książka Plastera Blast Cleaning and Allied Processes z 1972 roku . Bardzo cenną pozycją była niemiecka książka Horowitza Oberflaechenbehandlung mittels Strahlmitteln z 1982 roku . Ta interesująca książka zawiera wiele cennych analiz właściwości ścierniw oraz pracy oczyszczarek, szczególnie wirnikowych. Analiza dotyczy jednak stanu techniki z lat siedemdziesiątych XX wieku. Ostatnią dużą pozycją jest książka Mombera Blast Cleaning Technology z 2008 roku . Książka ta zawiera obszerną analizę teoretyczną pneumatycznej obróbki strumieniowo-ściernej, natomiast brak jest danych o ścierniwach i oczyszczarkach wirnikowych. Należy też wspomnieć o dwóch wcześniejszych książkach tego autora. Jedna z 1998 roku to wydana razem z Kovacevicem Principles of Abrasive Water Jet Machining oraz druga z 2003 roku Hydroblasting and Coating of Steel Structures . Obie książki dotyczą tematyki obróbki hydrościernej.

Autorowi nie udało się dotrzeć do pozycji książkowej, w której tematyka obróbki strumieniowo-ściernej byłaby szeroko i kompleksowo omawiana jak w niniejszej dwutomowej książce. Dane zawarte w II tomie książki opierają się na bogatych danych literaturowych oraz obszernej literaturze firmowej, wiedzy uzyskanej od producentów oczyszczarek, w tym doświadczenia zawodowego autora. Autor świadomie nie rozbudowywał analiz teoretycznych związanych z różnymi zjawiskami występującymi w procesie obróbki, a skupił się na opisie współczesnych urządzeń oraz problemów istotnych dla użytkowników obróbki strumieniowo-ściernej. Zagadnienia teoretyczne, w tym różnego rodzaju zależności matematyczne, zamieszczone zostały tylko w takim zakresie (głównie w rozdziale trzecim), aby umożliwić zrozumienie przebiegu procesu obróbki.

Dla autora przy pisaniu tej książki dużym ułatwieniem był fakt, że w działalności zawodowej ma ciągły kontakt z obsługą, serwisem i dostawą urządzeń i mediów użytkownikom obróbki strumieniowo-ściernej. Z tych powodów informacje zawarte w książce mają znaczne oparcie praktyczne.

Niniejsza książka jest drugim tomem dwutomowej książki poświęconej obróbce strumieniowo-ściernej. Te dwa tomy stanowią więc jedną całość i dlatego w II tomie nie powtarzano informacji zawartych w I tomie, pomimo tego, że w wielu miejscach tego tomu wydawało się to pożyteczne. Powtórzonych zostało tylko kilka rysunków znajdujących sią w I tomie, gdyż zdaniem autora było to niezbędne do pełnej ilustracji zagadnienia poruszanego w II tomie.

W niniejszej książce tematyka związana z oczyszczarkami i procesami obróbki opisana została w ośmiu rozdziałach, w których (oprócz rozdziału pierwszego zawierającego wprowadzenie) omówiono wszystkie zagadnienia związane z podstawami obróbki strumieniowo-ściernej oraz z poszczególnymi rodzajami oczyszczarek i innych urządzeń biorących udział w tworzeniu strumienia ściernego.

Rozdział drugi poświęcony został omówieniu zakresu zastosowań obróbki strumieniowo-ściernej z podziałem na poszczególne metody jej realizacji. Przedstawiono procesy przygotowania podłoży pod powłoki malarskie. Dokonano ich charakterystyki według stopnia skorodowania powierzchni przed obróbką oraz stopnia oczyszczenia powierzchni metodami obróbki na sucho i na mokro, w tym wysokociśnieniową strugą wody. Dużą uwagę zwrócono na problematykę nadania określonej topografii powierzchni podłoża, jako jednego z głównych celów obróbki strumieniowo-ściernej. W dalszej części drugiego rozdziału omówiono kolejne zakresy zastosowań obróbki strumieniowo-ściernej, czyli matowanie, szorstkowanie i ujednorodnianie powierzchni. Wskazano również na problemy oczyszczania elementów form do przetwórstwa tworzyw sztucznych i szkła oraz usuwania gratów i wypływek z detali gumowych i z tworzyw sztucznych i gumy, w tym realizowanych metodą kriogeniczną. Zasygnalizowano możliwości cięcia różnych materiałów wysokociśnieniową strugą wodno-ścierną oraz kulowania powierzchni metalowych.

Rozdział trzeci zawiera opis teoretycznych podstaw obróbki strumieniowo-ściernej. Analizie poddane zostały zasady formowania strumienia ściernego w pneumatycznych i hydrościernych metodach obróbki, w tym stereometryczna analiza struktury strumienia ściernego. Omówiono zasady formowania strumienia ściernego w oczyszczarkach wirnikowych oraz możliwości zmiany położenia obszaru intensywnego oddziaływania strumienia roboczego (Hot Spot) na obrabianej powierzchni. Dokonano analizy wpływu kąta natrysku na erozyjność strugi ścierniwa oraz optymalizacji wykorzystania możliwości strumienia ściernego, w tym jego optymalnej długości w celu uzyskania najkorzystniejszych efektów procesu obróbki powierzchni.

W rozdziale czwartym przedstawiono podstawowe rodzaje oczyszczarek wirnikowych oraz podstawowe odmiany oczyszczarek pneumatycznych. Zamieszczono w nim krótki zarys historii rozwoju oczyszczarek z końca XIX i na początku XX wieku. Omówiono budowę oczyszczarek wirnikowych oraz ich podstawowych zespołów, w tym szczególnie budowę turbin śrutowniczych. Dokonano też przeglądu współczesnych oczyszczarek wirnikowych. Dużo miejsca poświęcono oczyszczarkom pneumatycznym, w tym oczyszczarkom kabinowym i syfonowym. Przytoczono również przykłady zrobotyzowanych stanowisk pneumatycznych instalacji obróbki powierzchni. Szczególną uwagę zwrócono na systemy sterowania procesami obróbki w oczyszczarkach syfonowych oraz dyszom śrutowniczym.

W rozdziale piątym opisano instalacje obróbki strumieniowo-ściernej z zastosowaniem pneumatycznych oczyszczarek syfonowych, w tym funkcjonujących w warunkach terenowych. Dużo miejsca poświęcono komorom śrutowniczym, które są powszechnie stosowanymi instalacjami strumieniowo-ściernej obróbki powierzchni. Zaprezentowano również współczesne komory śrutownicze wraz z wykorzystaniem w nich robotów przemysłowych. Omówiono instalacje pneumatycznych syfonowych oczyszczarek bezpyłowych, w których występuje cyrkulacja ścierniwa w procesie obróbki. Przedstawiono współczesny sprzęt ochrony operatora przed zapyleniem powstającym w miejscu obróbki, szczególnie w komorach śrutownicznych. Do podstawowych czynników mających wpływ na przebieg procesu obróbki i jej koszty należy sprężone powietrze. Omówiono instalacje wytwarzania sprężonego powietrza oraz jego charakterystykę z punktu widzenia przydatności do pneumatycznej obróbki strumieniowo-ściernej.

Rozdział szósty poświęcony został kilku specjalnym obróbkom strumieniowo-ściernym. Zaliczono do nich bezpyłowa obróbkę hydrościerną, obróbkę wysokociśnieniową strugą wodno-ścierną, cięcie wysokociśnieniową strugą wodno-ścierną, obróbkę ścierniwem suchego lodu, kriogeniczne usuwanie wypływek oraz procesy kulowania strumieniowego. Te zróżnicowane sposoby obróbki strumieniem ścierniwa (lub medium kulującym) należy zaliczyć do metod powierzchniowej obróbki strumieniowo-ściernej. Od klasycznej definicji tej obróbki odbiega proces cięcia wysokociśnieniową strugą wody, którego celem jest rozdzielanie materiałów oraz proces kulowania sferycznymi śrutami prowadzący do umocnienia powierzchni kulowanej.

Rozdział siódmy dotyczy zagadnień wspólnych różnym odmianom obróbki strumieniowo-ściernej związanych z przebiegiem procesu obróbki, ze skutkami tego procesu oraz stanem obrobionej powierzchni. Zużywanie się elementów oczyszczarek, będące efektem oddziaływania erozyjnego strumienia ściernego, jest wspólnym problemem wszystkich obróbek strumieniowych. Omówiono problemy związane ze zużywaniem się elementów turbiny w oczyszczarkach wirnikowych oraz dysz w oczyszczarkach pneumatycznych. Przeanalizowano problemy związane z charakterystyką mieszanki roboczej w procesach obróbki z zamkniętym obiegiem ścierniwa oraz możliwości wpływania na właściwości tej mieszanki. Scharakteryzowano podstawowe właściwości obrobionej powierzchni oraz metody określania jej charakterystyki. Analizie poddano zagadnienia oceny zatłuszczenia powierzchni, jej zapylenia oraz obecności wody i elektrolitów oraz metody określania wielkości tych zanieczyszczeń. Dużo miejsca poświecono tematyce określania chropowatości powierzchni po obróbce. Wskazano na wpływ rodzaju użytego ścierniwa na chropowatość powierzchni. Na zakończenie siódmego rozdziału dokonano analizy problemów związanych z kosztami obróbki strumieniowo-ściernej, porównując z sobą głównie obróbki wirnikowe z pneumatycznymi.

W rozdziale ósmym omówiono problemy, jakie stwarza obróbka strumieniowo-ścierna dla obsługi i środowiska. Wyeksponowano problemy związane z zapyleniem, hałasem i możliwościami występowania urazów mechanicznych obsługi instalacji obróbki.

Za słowa zachęty do napisania niniejszej książki oraz bieżące uwagi w czasie jej pisania serdeczne podziękowania składa autor Panu prof. dr. hab. inż. Mieczysławowi Marciniakowi.

Specjalne podziękowania kieruje autor dla Pani mgr Jolanty Orligóry za pomoc, ciągłą współpracę przy redagowaniu tekstu, a szczególnie przy nadaniu ostatecznej formy ilustracjom znajdującym się w książce.

Literatura do rozdziału pierwszego

Borkowski P.: Teoretyczne i doświadczalne podstawy hydrościernej obróbki powierzchni. Wydawnictwo Politechniki Koszalińskiej, Monografia nr 106, Koszalin 2014.

Horowitz E.I.: Oberflaechenbehandlung mittels Strahlmitteln. Vulkan-Verlag, Essen 1982.

Kaczmarek J.: Podstawy obróbki wiórowej, ściernej i erozyjnej. WNT, Warszawa 1970.

Kaczmarek J., Sikora J., Czyżewicz C.: Obróbka strumieniowo-ścierna. WNT, Warszawa 1965.

Łempicki J., Paradysz J.: Oczyszczanie i wykańczanie odlewów żeliwnych i staliwnych. WNT, Warszawa 1979.

Momber A.: Blast Cleaning Technolgy. Springer-Verlag, Berlin-Heidelberg 2008.

Momber A.: Hydroblasting and Coating of Steel Structures. Elsevier Applied Science, London 2003.

Momber A., Kovacevic R.: Principles of Abrasive Water Jet Machining. Springer-Verlag, London 1998.

Nakonieczny A.: Dynamiczna powierzchniowa obróbka plastyczna. Monografia Instytutu Mechaniki Precyzyjnej, Warszawa 2002.

Plaster H.J.: Plaster Cleaning and Allied Processes. Vol. I, Industrial Newspaper Ltd., London 1972.

Reams C.A.: Modern Blast Cleaning and Ventilation. Penton Publication, Cleavland 1939.

Rosenberg W.A.: Impact Cleaning. Penton Publication, Cleavland 1939.