| Меню сайта |
 | |
 |
| Категории раздела |
| |
|
| Статистика |
|
Онлайн всего: 1 Гостей: 1 Пользователей: 0 |
|
|
 |  |  |
 |
Плазменная обработка материалов. Теория и практика.
ПЛАЗМЕННО-МЕХАНИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ (ПМО).
Одним из наиболее распространенных процессов формообразования деталей в машиностроении является воздействие на металл режущего инструмента. В условиях постоянно возрастающих нагрузок на оборудование целесообразным является повышение прочности конструкционных материалов. Однако это приводит к снижению их обрабатываемости и как следствие этого - к повышению трудоемкости изготовления машин.
К настоящему времени резервы повышения качества твердосплавного инструмента уже практически исчерпаны и дальнейшего повышения производительности процессов обработки металлов можно достичь только от применения новых способов, а также их комбинации с традиционными технологиями. К таким процессам относится и плазменно-механическая обработка (ПМО), являющаяся комбинацией процесса плазменной обработки металлов и обычного процесса резания с помощью традиционного режущего инструмента.
Процесс резания труднообрабатываемых покрытий можно значительно интенсифицировать путем подогрева обрабатываемого изделия, так как в процессе подогрева металл разупрочняется: снижаются его прочность и твердость. Обработка металлов с подогревом различными источниками теплоты (газопламенными горелками, ТВЧ, электроконтактным методом, с помощью электролита и др.) широко применяется при обработке твердых наплавок, закаленных сталей, а также в металлургическом производстве при заготовительных работах: после литья, ковки, прокатки и др.
Однако высокотемпературный локальный источник теплоты - сжатая дуга, в последние годы получает все возрастающее распространение в промышленности для резания труднообрабатываемых материалов: сплавов на основе кобальта, закаленных быстрорежущих сталей, хромоникелемолибденовых сталей и др. В процессе плазменно-механической обработки (ПМО) сжатая дуга нагревает узкий участок, закрепленный в центрах детали, а перемещающийся за плазмотроном резец легко удаляет размягченный поверхностный слой. Например, этот способ используют для обдирки крупногабаритных поковок и отливок на токарных и строгальных операциях, что позволяет в 2-3 раза повысить производительность труда и уменьшить расход электроэнергии.
ПРОЦЕСС ПЛАЗМЕННО-МЕХАНИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ.
Сжатая плазменная дуга может оказывать на металл воздействие двух видов: тепловое (передача тепла потоком заряженных частиц и нагретого газа) и механическое (удаление части нагретого и расплавленного металла с поверхности и образование на ней канавки).
Весь процесс ПМО можно представить как комплекс следующих операций:
--------------------
-- нагрев удаляемого припуска;
-- механическое разрушение целостности поверхности перед резцом за счет
воздействия плазменной дуги;
-- механическое удаление припуска режущим инструментом.
Все эти операции разнесены в пространстве всего на 0,1…0,2 м и протекают за малые промежутки времени (10-3 … 10-1 с), что затрудняет их анализ и исследование.
Для уменьшения трудоемкости механической обработки деталей, наплавленных износостойкими материалами, получает распространение совмещенная технология.
Например: способ наплавки под слоем флюса, совмещенный с механической обработкой наплавленного слоя (56…62 HRC) резцами и фрезой. В результате производительность обработки возрастает в 2 раза, усилие резания уменьшается в 2-3 раза и в десятки раз увеличивается срок службы инструмента по сравнению с обработкой этих же слоев в холодном состоянии.
Разработан способ восстановления деталей, предусматривающий совмещение операций плазменной наплавки с одновременной механической обработкой фрезерованием наплавленных слоев. В зависимости от конфигурации детали и режима наплавки процесс резания может выполняться двумя вариантами:
- При 1-м Варианте фреза срезает слой, перемещаясь по касательной за плазмотроном. После локального нагрева и наплавки происходит быстрое охлаждение наплавляемого слоя, поэтому очень важно выдерживать режим резания, при котором поверхность не охлаждалась бы ниже 550…750°С. Резание при более высокой температуре снижает стойкость инструмента, при низкой температуре снижаются стойкость фрезы и скорость съема металла.
- При 2-м Варианте фреза обрабатывает поверхность, перемещаясь вдоль детали, наплавляемой по винтовой линии. При этом фрезерование начинают не сразу, а после того как общий нагрев детали достигнет в процессе наплавки температуры порядка 500°С. Поэтому для выбора оптимальных режимов фрезерования необходимо знать распределение температур в изделии в зависимости от времени.
Если принять мощность, необходимую для нагрева изделия, за Рн, мощность, необходимую для удаления плазменной дугой части материала, за Рp, а мощность механического резания за Рмр, то общая мощность, необходимая для осуществления процесса, составит:
Робщ.=Рн+Рр+Рмр
В зависимости от требований конкретного режима можно выбрать оптимальное распределение мощности между компонентами, исходя из условия минимального значения Робщ. или минимального расхода мощности на любую из составляющих процесса.
В промышленности используются несколько вариантов процесса с различным распределением мощности.
Плазменная обработка, или плазменная поверхностная резка.
--------------------
При этом технологическом процессе (РМр=0, а Рн играет второстепенную роль) осуществляется удаление поверхностного слоя с любых электропроводных материалов. Обрабатываемая деталь закрепляется в простом приспособлении и перемещается относительно плазмотрона, который сплавляет весь припуск. При этом съем достигает 6,5 см3/с и энергетические затраты — около 20 кДж/см3.
Такая обработка применяется в тех редких случаях, когда только плавлением можно удалить материал, а нагрев всей заготовки до высоких температур не влияет на ее рабочие характеристики и не требуется высокое качество обработанной поверхности.
В настоящее время этот процесс используется для удаления литейных пригаров и литников.
Например: разработана и внедрена технология плазменного удаления слоя сормайта с вышедших из строя конусов засыпных аппаратов доменных печей.
Плазменно-токарная обработка.
--------------------
В этом процессе припуск нагревается плазмотроном в среде аргона или аргоно-азотной смеси до температуры, близкой к температуре плавления, и удаляется резцом при температуре резкого снижения механических характеристик. При этом процессе Рмр — минимальное, Рр — близко к нулю, и почти вся энергия расходуется на нагрев материала.
Способ может найти применение при промежуточном металлургическом переделе слитков из сплавов на никелевой основе и позволяет получить съёмы около 7 см3/с при энергетических затратах около 10 кДж/см3.
Нагрев заготовки до высоких температур не позволяет применять этот процесс даже на грубой обдирке, не говоря уже о завершающих операциях.
Плазменно-механическая обработка.
--------------------
Процесс заключается в том, что плазменная дуга не только разогревает, но и частично разрушает поверхность резания перед резцом, образуя на ней канавку. Данный процесс используется на ряде предприятий, позволяя увеличить производительность обработки в 3…10 раз. Способ показал свою высокую эффективность при обработке слитков вакуумно-дугового переплава (ВДП) с марганцовистой коркой, броней дробилок из стали 110Г13Л, износостойких наплавок, типа ЖСН5, (центробежных труб, закаленных и титановых деталей с альфирозанным слоем) и других изделий. При этом процессе обычно в качестве плазмообразующего газа используется сжатый воздух.
Применение сжатого воздуха вызвано не только его доступностью и дешевизной, но и высокими энергетическими характеристиками плазменной дуги, сжатой потоком воздуха. Плазменно-механическая обработка в данном случае является наиболее универсальным процессом и позволяет получать готовую деталь, не допуская перегрева ее выше максимальных по технологическим требованиям температур.
Энергетические показатели этого процесса лучше, чем у двух предыдущих. При общем съеме до 30 см3/с затраты энергии составляют 2…5 кДж/см3.
Процесс PERA «Cutfast».
--------------------
Состоит в том, что плазменная дуга, мощность которой не превышает 27 кВт, в среде аргона разогревает без расплавления поверхность детали перед резцом, а резец тут же удаляет нагретый слой. Процесс осуществляется при высоких скоростях резания и малых подачах с использованием минералокерамических резцов. Разогрев всей детали не превышает при этом 100°С. Этот процесс, при .котором Рр=0, а Ррм >Рн, позволяет уделять до 10 см3/с металла при затратах, составляющих в сумме до 10 кДж/см3, и может быть рекомендован для чистовой обработки труднообрабатываемых материалов.
Таким образом, уже существуют и могут применяться различные взаимно дополняющие друг друга варианты ПМО, позволяющие выбрать в каждом конкретном случае процесс с максимальным эффектом при минимальном общем расходе энергии.
В отличие от применявшихся для резания с нагревом источников тепла (печной нагрев, индукционный, газовый, элёктродуговой), плазменная дуга является источником концентрированного потока энергии, позволяющим довести до поверхности площадью менее 1 см2 мощность 100 кВт и более. Это преимущество плазмотрона как источника нагрева должно быть полностью использовано. Однако при подводе к единице поверхности мощности, превышающей определенный предел, значительная часть ее начинает расходоваться на нагрев части металла выше температуры плавления. При этом за счет динамического воздействия струи нагретых газов перегретый металл выдувается из зоны нагрева, образуя канавку.
Процесс ПМО можно разделить на три различных режима:
--------------------
- 1 режим -- из канавки выдувается металл;
- 2 режим -- расплавленный металл не выдувается из канавки, оставаясь на том же месте;
- 3 режим -- канавки на поверхности резания не образуется.
В ряде случаев при 1-м Режиме металл, удаленный из канавки, остается рядом, на поверхности резания и, остывая, отдает ей значительную часть тепла. Тогда образование канавки позволяет перераспределить тепло, выделенное дугой. Кроме того, при образовании канавки за минимальное время (10-3 …10-2 с) поверхность, через которую вводится тепло, углубляется на расстояние до 3 мм. Это расстояние в несколько раз превышает глубину, на которую за это время могло распространиться тепло в металле.
Третьим фактором, увеличивающим теплоотвод при выдувании металла из канавки, является существенное увеличение площади, через которую вводится тепло, площадь канавки на 15…20% больше площади плоской поверхности. Как показали расчеты, все эти три фактора в сумме могут в некоторых случаях привести к тому, что общий теплоотвод в обрабатываемую поверхность при расплавлении и выдувании металла канавки не только не снизится, но может даже возрасти. 1-й Режим эффективен при больших съёмах металла, когда глубина резания составляет 15…20 мм, а механическая подача 2,5…3 мм/об.
2-й Режим, несмотря на кажущуюся большую сохранность энергии, не обеспечивает перераспределения потока тепла и может использоваться при глубинах резания, соизмеримых с шириной канавки 8…10 мм.
3-й Режим требует строгого соблюдения соотношения подводимой мощности и скорости перемещения плазмотрона над поверхностью. В этом случае удельной мощности не хватает для расплавления металла. Такой режим (осуществляемый при работе по способу «PERA») резания с плазменным нагревом неэффективен при точении с сечением среза более 10 мм2. Таким образом, этот режим применим при получистовом или чистовом точении с глубиной резания менее 5 мм и скоростях резания около 2 м/с.
Анализ прихода и расхода энергии при целом ряде процессов ПМО, особенно с образованием канавки, показал, что вводимая в металл тепловая энергия, при известных КПД плазменной дуги и скорости резания, не может привести к нагреву всей срезаемой стружки до температуры разупрочнения.
В целом ряде случаев при процессах ПМО температура обрабатываемого материала в зоне контакта с режущим инструментом значительно ниже оптимальной температуры подогрева, которая требуется для повышения производительности обработки. Это предполагает наличие других механизмов разупрочнения материалов, появляющихся за счет высококонцентрированного ввода тепла.
Исследованы, при обработке конкретных материалов, следующие факторы, ответственные за изменение механических свойств:
-----------------
- металлургические изменения зоны металла, прилегающей к канавке расплавления, приводящие к структурным изменениям и снижающие механическую прочность материала;
- образование за счет высоких скоростей нагрева и расплавления остаточных напряжений в зоне резания, облегчающих работу режущего инструмента;
- удаление за счет канавки абразивных корок, снижающих стойкость режущего инструмента;
- изменение распределения давления на режущую пластину, что происходит, когда канавка располагается в области, прилегающей к обработанной поверхности, и снижает вероятность хрупкого разрушения вершины режущей пластины.
Комбинируя влияние различных явлений, сопутствующих воздействию плазменной дуги на поверхность металла и подбирая режим резания таким образом, чтобы вся зона немедленно и без остатка удалялась резцом, можно так организовать процесс ПМО, что при увеличении производительности резания в несколько раз, обработанная поверхность не будет иметь каких-либо отличий от полученной традиционными методами.
ПРИМЕНЕНИЕ ПМО ДЛЯ ОБРАБОТКИ ДЕТАЛЕЙ
Обработка слитков ВДП.
--------------------
Анализ резцов, вышедших из строя при обычной обработке слитков из стали 22КВД, показал, что основной причиной являлось хрупкое разрушение вершины твердосплавной пластины. В результате выбора режима ПМО было установлено, что оптимальная стойкость режущего инструмента может быть получена при расположении канавки выплавления на поверхности резания на расстоянии 1…2 мм от обработанной поверхности. Повышение производительности в 4…6 раз сопровождалось увеличением в 2…3 раза стойкости режущего инструмента, в основном за счет снижения вероятности хрупкого разрушения.
Применение ПМО позволило сократить на 3 единицы парк тяжелых токарных станков, занятых обработкой слитков.
Обработка износостойких наплавок.
--------------------
Применение ПМО позволяет перевести обработку поверхностей, наплавленных износостойкими материалами типа: ЗХ2В8 и ЖСН5 с шлифовальных станков на обычные токарные с повышением производительности.
Обработка стали 110Г13Л.
--------------------
Особенно большой эффект применение ПМО дает при обработке марганцовистых сталей типа 110Г13Л. Высокая степень упрочнения под действием ударных нагрузок делает стали этого типа незаменимыми при изготовлении деталей дробильного оборудования. Из них делают футеровки конусных и щековых дробилок, футеровки мельниц и другие детали, работающие при больших ударных нагрузках. Однако высокие эксплуатационные характеристики являются причиной крайне низкой обрабатываемости этих сталей.
Применение ПМО при обработке данных сталей позволило повысить производительность в 5…6 раз.
Применение установок ПМО на станках мод. 1550, позволило в 2 раза увеличить производство этих трудоемких деталей при сокращении в 3 раза расхода режущего инструмента.
Обработка центробежных труб.
--------------------
В целом ряде деталей, полученных литьем, на поверхности образуются литейные корки, представляющие большие трудности при обработке. Так, на трубах, полученных центробежным литьем, образуется корка, состоящая из песка и вызывающая интенсивный абразивный износ режущего инструмента. Опыт обработки таких труб показал, что если направить дугу на абразивный слой, то удаление его и размягчение содержащей его основы резко снижает абразивный износ.
Обработка проводилась с использованием резцов, оснащенных пластинами из твердого сплава ВК8. Технология обработки предусматривала предварительный прогрев обрабатываемой поверхности (3-4 оборота детали) при выключенной подаче на малых оборотах. Затем включалась подача и устанавливалось заданное число оборотов.
Шероховатость обработанной поверхности находилась в пределах от 160 до 80 мкм.
Металлографические исследования показали, что дефектный слой на поверхности детали после ПМО практически отсутствует, а оставляемый на последующую получистовую обработку припуск увеличивать не требуется.
Обработка титана.
--------------------
Часто применяется производство ПМО деталей из титана с альфированным слоем. Обрабатываемость сплавов титана резанием составляет 0,6…0,28 от обрабатываемости стали 45. Применение ПМО позволяет в несколько раз повысить скорость резания, увеличить объемную стойкость режущего инструмента. Обработке подвергались титановые сплавы различных марок.
Основным вопросом при обработке титана является дробление стружки, так как хорошо нагретая стружка титана становится пластичной и не ломается. Эксперименты показали, что в ряде случаев дробления можно добиться снижением тока до минимального значения и созданием на передней поверхности резца стружколомающего уступа.
Получистовая обработка закаленных деталей.
--------------------
Большой интерес представляет использование ПМО для получистовой и чистовой обработки. Переход на эти процессы возможен только после тщательной проверки металлографии обработанной поверхности детали и полной уверенности в отсутствии отрицательного влияния ПМО на эксплуатационные характеристики детали. Одной из первых попыток применения ПМО для этой цели явилась обработка закаленных дорнов пильгерстанов.
Изготовленные из высокопрочной никелевой стали дорны служат оправкой для расковки трубы заданного диаметра из слитка. В процессе работы поверхность дорна приобретает наклеп, а образующиеся на ней «взрывы» и трещины ухудшают качество получаемой трубы, однако переточка дорна на новый диаметр была практически невозможна из-за высокой прочности поверхностного слоя.
Применение ПМО позволяет в этом случае не только сэкономить металл на изготовление новых дорнов, но и повысить качество получаемых на пильгерстанах труб.
При заинтересованности мы готовы предоставить более подробную информацию о наших возможностях, а также осуществить подбор необходимого оборудования, в зависимости от стоящих перед Вашим предприятием конкретных технологических задач.
Надеемся, что сотрудничество с нами поможет Вам в достижении намеченных целей.
Наши данные указаны в разделе "Контакты".
|
| Категория: СТАТЬИ | Добавил: ПЛАЗМА-АРК (15.09.2023)
|
| Просмотров: 7255
| Рейтинг: 5.0/2582 |
|  |
 |  |
 |  |  |
|
| Вход на сайт |
| |
|
|
ПЛАЗМА-АРК промышленная компания
