Плазменно механическая обработка металлов

Обновлено: 10.05.2024

Обработка резанием с плазменным нагревом представляет собой комбинированный процесс, при котором механическая энергия и энергия низкотемпературной плазмы совместно используются для повышения эффективности процесса резания, особенно при изготовлении деталей из труднообрабатываемых материалов. Нагрев при ПМО осуществляется плазменной дугой. Нагрев поверхностного слоя заготовки сопровождается следующими особенностями:

– снижение прочности и твердости обрабатываемого материала в срезаемом слое;

– возникновение структурных превращений и термических напряжений в поверхностном слое заготовки после обработки;

– расплавление части металла, что ведет к уменьшению сечения среза;

– изменение характера трения на поверхностях контакта нагретого слоя металла заготовки и режущего инструмента.

При повышенной температуре уменьшается коэффициент трения между стружкой и инструментом, что наряду со снижением прочности обрабатываемого материала ведет к существенному снижению сил резания.

Схема процесса при ПМО показана на рисунке 7.7.

Рис. 7.7 – Схема теплового воздействия в зоне обработки

На рисунке показан источник нагрева плазменной дугой I. Вся зона теплового воздействия может быть условно разделена на отдельные области. Область 1 – зона нагрева поверхностного слоя источником нагрева I. В этой области возможно расплавление части поверхностного слоя металла. Область 2 – зона охлаждения металла при подходе к режущей кромке. Скорость охлаждения зависит от скорости перемещения источника нагрева (т.е. скорости резания) и расстояния L плазмотрона от зоны резания. Область 3 характерна теплообменом стружки с лезвием инструмента. Область 4 характерна теплообменом с лезвием инструмента и образованием структуры поверхностного слоя детали после обработки.

Обычно обработке с плазменным нагревом подвергаются стали перлитно-мартенситного класса. Поверхностный слой заготовки до области 1 представляет собой мартенсит, т.е. обладает высокой твердостью, что существенно затрудняет обработку лезвийным инструментом. В большинстве случаев такие материалы обрабатываются шлифованием, производительность которого при черновой обработке недостаточна. В области 1 температура нагрева должна быть выше А_С1 для превращения мартенсита в аустенит (≥ 850°С). В зоне 2 происходит охлаждение металла с образованием промежуточных структур (бейнит, троостит). Расстояние L от плазмотрона до режущей кромки должно выбираться таким, чтобы в зоне стружкообразования (поверхность сдвига ON) еще не начиналось мартенситное превращение, т.е. температура должна быть более 450°С. Глубина нагрева металла в зоне 1 должна быть не менее толщины среза а (рис. 7.7).

Температурные поля в зоне обработки с нагревом плазмой.

Температурное поле в поверхностном слое заготовки в пределах пятна нагрева рассматривалось ранее. Используя ту же методику, можно получить формулу для расчета средней температуры обрабатываемого металла в зоне резания.

где Θ₀ – начальная температура поверхности, град.;

β – коэффициент, учитывающий часть теплоты, которая накапливается в заготовке (β = 1,2…1,3);

Wη – тепловая мощность источника, Вт;

а – толщина среза, a = s·sinφ,м

в – ширина среза,в = , м

φ – угол в плане, град.

s – подача, м/об;

t – глубина резания, м;

L – расстояние от центра пятна нагрева до режущей кромки, м;

λ – коэффициент теплопроводности, Вт/м°С;

k₀ – коэффициент сосредоточенности, 1/м 2 ;

ω – коэффициент температуропроводности, м 2 /с

v – скорость резания, м/с.

Пример расчета температур при ПМО.

Материал заготовки – сталь 30Х2Н2М,

λ = 22,6 Вт/м°С; ω = 0,05·10 –4 м 2 /с; Θ_пл = 1480°С.

Характеристики источника нагрева:

I = 350 A, U = 130 B, d_c = 18 мм, η = 0,7.

v = 25 м/мин = 0,417 м/с, t = 12 мм, s = 1,5 мм/об, L = 150 мм.

Режущий инструмент – резец с φ = 45°.

Определяем параметры среза:

Толщина а = s·sinφ = 1,5·sin45° = 1,06 мм = 0,00106 м;

Диаметр сопла плазмотрона должен быть не менее ширины среза.

Определяем температуры в зоне пятна нагрева в точках на поверхности заготовки (z = 0) и на глубине.z = 0,5 мм и z = 1мм.

Расчет ведем аналогично предыдущей задаче (формула 7.5)

Тепловая мощность источника (формула 7.1)

Коэффициент сосредоточенности (формула 7.3)

Постоянная времени нагрева (формула 7.6)

Подставляя полученные данные в формулу, рассчитываем температуры.

0,03	0,05	0,06	0,08	0,1	0,2	0,3
Θ_Z = 0
Θ_Z = 0,5
Θ_Z = 1

Результаты расчета показаны на графике (рис. 7.8)

Рис. 7.8. Результаты расчета температур.

1 – на поверхности z = 0; 2 – на глубине z = 0,5 мм; 3 – на глубине z = 1 мм.

Если нанести на график температуру плавления металла заготовки Θ_пл = 1480°С, то очевидно, что на поверхности нагрева проплавляется канавка, глубина которой более 0,5мм или примерно составляет половину толщины среза а.

Среднюю температуру срезаемого слоя в зоне резания определяем по формуле (7.7)

Определяем комплекс к₁ (формула 7.8)

Принимаем β = 1,3, Θ₀ = 20°С.

Можно сделать вывод, что температура в зоне резания не ниже начала мартенситного превращения в поверхностном слое. Срезаемый слой в зоне действия плазменной дуги по всей толщине (≈ 1 мм) нагревается до температуры более 870°С, что обеспечивает превращение мартенсита в аустенит.

Однако при осуществлении процесса ПМО необходимо учитывать ряд специфических требований и условий, которые сопровождают этот процесс.

1. Необходимость сложного дорогого оборудования- источников питания плазмотрона, коммуникаций- вода, газ, канализация, манипулятор и др.

2. Высокий уровень излучения, что требует специальной защиты оператора и окружающей среды.

3. Достаточно высокий уровень шума.

4. Выделение большого количества вредных газов и пыли (горят в дуге железо и легирующие добавки), что требует мощной вентиляции.

5. Требуется высокая квалификация оператора (осуществляются операции сварочные и резания).

Из изложенного следует, что способ ПМО обеспечивает производительность и экономичность при обработке высоколегированных и наплавленных высокопрочных металлов при больших сечениях среза, работе по корке и т.д.

Вопросы для самопроверки

1. Чем отличается нагрев плазменной струей от нагрева плазменной дугой?

2. Как рассчитать тепловую мощность источника плазмы, если известна его электрическая мощность?

3. В каких случаях при плазменном нагреве наблюдается проплавление поверхности?

4. Как можно использовать плазменный нагрев для улучшения структуры поверхностного слоя заготовки?

5. Назовите основные особенности плазменно-механической обработки.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

При анализе и совершенствовании технологических систем большую роль играет описание законов изменения температур на контактных поверхностях тел, участвующих в теплообмене. Решение задач, относящихся к определению температур контактных поверхностей тел при различных рабочих процессах или температур в узлах станочного оборудования, может быть выполнено с помощью инженерной методики расчета температур.

В зависимости от конкретных условий описание тепловых процессов и тепловых полей в технологических системах может быть выполнено аналитическими методами, численными способами с помощью ЭВМ, методами моделирования или экспериментально. Важным участком технологических систем являются контактные поверхности между заготовкой и инструментом. Для контактных поверхностей могут быть рекомендованы оптимальные температуры, зависящие от свойств материалов заготовки и инструмента. Оптимальные температуры могут быть достигнуты регулированием режимов обработки, а также введением дополнительных источников (плазменный, лазерный и другой нагрев) или стоков теплоты. Если в качестве стока теплоты используется охлаждающая жидкость, то ее маршрут должен быть построен таким образом, чтобы эта среда прежде всего встречала нагретые поверхности инструмента, а затем уже поверхности стружки и заготовки.

При прочих равных условиях предпочтительнее инструментальные материалы более высокой теплопроводности не только потому, что они усиливают рассеяние теплоты в массе инструмента, но и потому, что они активнее проводят теплоту в окружающую (в том числе охлаждающую) среду. Теплопроводность материала инструмента должна быть тем выше, чем ниже теплопроводность материала заготовки.

При конструировании оборудования следует по результатам расчета или экспериментов определять температурные поля и вероятные тепловые деформации важнейших деталей и предусматривать устройства для компенсации погрешностей, вызванных этими деформациями.

Литература

1. Резников А.Н., Резников Л.А. Тепловые процессы в технологических системах: Учебник.– М.: Машиностроение, 1990.– 288с.

2. Резников А.Н. Теплофизика процессов механической обработки материалов.- М.: Машиностроение, 1981.–279с.

3. Обработка материалов резанием с плазменным нагревом./общ. ред. А.Н. Резникова.– М.: Машиностроение, 1986.–232с.

Приложения

1. Коэффициенты теплопроводности λ и температуропроводности ω, объемная теплоемкость сρ материалов заготовки и инструмента (средние в диапазоне температур, возникающих при механической обработке)

Материал	Марка	λ Вт/(м·°С)	ω·10 4 м 2 /с	сρ·10 –6 Дж/(м 3 ·°С)
Сталь углеродистая	38,5 40,2	0,076 0,080	5,06 5,02
Сталь низколегированная	30Х 40Х ШХ15 20ХН3А 30ХГС	35,2 33,9 33,4 33,5 36,0	0,072 0,067 0,065 0,066 0,070	4,89 5,06 5,15 5,07 5,14
Сталь аустенитного класса	20Х23Н18 110Г13Л 12Х18Н9Т 14Х17Н2	21,5 22,2 22,6 25,0	0,050 0,042 0,050 0,060	4,30 5,28 4,52 4,17
Сталь инструментальная	У12 ХВГ Р18	34,7 27,2 27,2	0,071 0,054 0,057	4,89 5,04 4,77
Жаропрочный сплав	ВТ4 ХН77ТЮР	12,9 19,7	0,043 0,041	3,01 4,8
Чугун	СЧ30	39,8	0,113	3,52
Твердый сплав	ВК8 Т14К8 Т15К6	54,4 33,9 27,2	0,246 0,110 0,100	2,21 3,08 2,72
Алмаз	АС	520,0	0,830	6,26
Кубический нитрид бора (эльбор)	–	41,9	0,180	2,30
Медь	–	361,0	0,990	3,65
Константан	–	27,2	0,076	3,56

2. Коэффициенты теплопроводности λ, температуропроводности ω, коэффициенты кинематической ν и динамической μ вязкости, коэффициент объемного расширения β и критерии Рr для сухого воздуха и воды в зависимости от температуры Θ.

Плазменно-механическая обработка сталей и сплавов

Плазменно-механическая обработка представляет собой комбинированным метод обработки металлов, при выполнении которой резание осуществляется одновременно с плазменным подогревом. Такая обработка повышает производительность карусельных, токарных, строгальных, фрезерных и т.д. станков в 10-40 раз.

Плазменно-механическая обработка высокопрочных, труднообрабатываемых и иных сталей и сплавов:

Известно, что нагретый металл легче обрабатывать резанием. Плазменно-механическая обработка высокопрочных, труднообрабатываемых и иных сталей и сплавов совмещает процессы предварительной плазменной обработки металлической заготовки и традиционные механические процессы обработки металла с помощью режущего инструмента .

В ходе первого процесса – предварительной плазменной обработки металлической заготовки происходит нагрев и разупрочнение металла на глубину резания с помощью локального дозированного нагрева в пятне плазменной дуги. Воздействие плазмы на металл носит локальный характер – в месте последующей механической обработки. При этом температура нагрева для труднообрабатываемых сталей и сплавов составляет от 700 о С и более.

Нагрев поверхностного слоя заготовки сопровождается:

– снижением прочности и твердости обрабатываемого материала в срезаемом слое в 2 и более раза,

– возникновением структурных превращений и термических напряжений в поверхностном слое заготовки после плазменной обработки,

– расплавлением части металла , что ведет к уменьшению сечения среза,

– изменением характера трения на поверхностях контакта нагретого слоя металла заготовки и режущего инструмента.

В ходе последующего процесса разупрочнённый слой металла снимается режущим инструментом.

Плазменно-механическая обработка подвергаются любые стали и сплавы , в т.ч. высокопрочные, труднообрабатываемые, маломагнитные, коррозионностойкие, титановые и некоторые жаропрочные .

Плазматрон может быть установлен на любой карусельный, токарный, строгальный, фрезерный и т.д. станок.

Так же существует дробеструйная обработка металлов в дробеструйных камерах, где происходит воздействие абразивными материалами на поверхность изделий. Компания Аокс занимается изготовлением таких камер.

Преимущества плазменно-механической обработки:

– повышение производительности карусельных, токарных, строгальных, фрезерных и т.д. станков в 10-40 раз,

– общий нагрев детали меньше по сравнению с обычной механической обработкой,

– гибкость и управляемость технологии,

– многократное увеличение стойкости режущего инструмента. Так, при обычной механической обработке марганцовистых сталей ресурс резца редко превышает 15-20 минут, при плазменно-механической обработке резцы работают часами,

– значительно снижены энергетические затраты на обработку изделия, чем при обычной механической обработке,

– время обработки детали уменьшается в десятки раз при одновременном снижении потребляемой мощности на ее обработку.

Плазменно механическая обработка металлов

Особенности процесса плазменной обработки материалов.

При работах на оборудовании плазменной обработки, по сравнению с дуговыми сварочно-резательно-наплавочными установками (под слоем флюса, в среде углекислого газа и др.), действие неблагоприятных факторов интенсифицируется. Кроме того, возникает ряд новых вредных факторов, обусловленных физической сущностью образования плазменной дуги и ее взаимодействия с окружающей средой.

К неблагоприятным факторам, оказывающим воздействие на операторов, относятся:
--------------------
-- интенсивный высокочастотный шум;
-- высокодисперсный аэрозоль металлов;
-- токсичные газы;
-- ультрафиолетовая и инфракрасная радиация.

Исследования по определению влияния факторов, формирующих условия труда, показали, что при различных видах плазменной обработки металлов (резке, напылении, наплавке, плазменно-механической обработке и др.), наряду с общими закономерностями, характерными для плазменного нагрева, имеются и отличительные особенности, вызванные условиями образования сжатой дуги (дуги прямого или косвенного действия), режимом обработки (мощность сжатой дуги, видом и расходом плазмообразующего газа, типом обрабатываемого материала, полярностью дуги).

При плазменной обработке материалов, в результате истечения плазменной струи, возникает шум. Чем выше скорость струи, тем выше уровень шума. Скорость струи зависит от режима работы и, в первую очередь, от расхода плазмообразующего и вспомогательного газа. Скорость струи плазмы может достигать 1000 м/с. Суммарный уровень шума в комбинации с ультразвуком на расстоянии 25 см от плазмотрона составляет 115…130 дБ с диапазоном высокочастотных и низкочастотных ультразвуковых колебаний порядка 4000…40 000 Гц.

При этом в воздушной среде образуется аэрозоль из мелких металлических частиц и их соединений в виде оксидов, нитридов, конденсированных паров обрабатываемых материалов. Таким образом, аэрозоль представляет собой многокомпонентную парогазопылевую смесь высокой дисперсности, обладающую большой проникающей способностью, что нередко приводит к поражению дыхательных путей оператора.

При горении плазменной дуги образуется ослепительно яркое световое и невидимое инфракрасное и ультрафиолетовое излучение. Длительное облучение яркими видимыми лучами приводит к ослаблению зрения. Даже кратковременное действие ультрафиолетового излучения вызывает заболевания глаз - электроофтальмию, основными признаками которой являются слезотечение, спазмы век, резь, боль в глазах. Обычно через один - три дня это заболевание проходит, и зрение полностью восстанавливается. Однако частое повторение электроофтальмии может вызвать более серьезное заболевание - хронический конъюнктивит. Инфракрасное излучение - интенсивный источник радиации, и длительное его воздействие может привести к потере зрения. Коротковолновое ультрафиолетовое излучение вредно не только как фактор, воздействующий на кожу или глаза, но и как источник ионизации воздуха с образованием озона.

В процессе работы плазмотрона происходит образование средних и тяжелых ионов, количество которых возрастает до 3х10 7 . При их длительном воздействии на недостаточно защищенный организм здоровье оператора может значительно ухудшиться.

Для устранения вредного воздействия перечисленных факторов при проведении работ по плазменной обработке материалов и создания в рабочей зоне здоровой воздушной среды и безопасных условий работы оператора необходимо руководствоваться следующими рекомендациями:

1. В связи со значительным шумом и инфракрасным и ультрафиолетовым излучением участок для плазменной обработки материалов необходимо располагать в изолированном помещении. При расположении участка в цехе, в отдельной кабине, стены следует облицовывать звукопоглощающим материалом с коэффициентом звукопоглощения не ниже 0,7.

2. Площадь, не занятая оборудованием, должна быть не менее 10 м 2 , высота помещения от уровня пола до потолка не менее 3,5 м. Полы должны быть несгораемыми с малой теплопроводностью, стойкими к механическим и химическим воздействиям, нескользкими.

3. Для усиления поглощающей способности ультрафиолетового излучения рекомендуется стены помещения, а также оборудование окрашивать масляной краской в светлые тона, добавляя в краску оксид цинка или титановые белила. На участке плазменной обработки требуется предусматривать естественное (боковое одностороннее и верхнее двустороннее) и искусственное освещение. При комбинированном и верхнем освещении коэффициент естественной освещенности должен быть порядка 5 %, при боковом - не менее 1,5 %. Искусственная освещенность при комбинированном освещении должна составлять 400…500 лк, при общем – 150…200 лк. Участок рекомендуется располагать на первом этаже. При эксплуатации на участке, в цехе, нескольких плазменных установок необходимо каждую из них отгородить согласно требованиям, описанным выше, чтобы предупредить суммирование неблагоприятных факторов.

4. Плазменную обработку материалов рекомендуется выполнять в специальном закрытом помещении (шкафу) с местным отсосом, обеспечивающим скорость движения воздуха в рабочей зоне не менее 1,3 м/с. С помощью местных отсосов из вытяжного шкафа удаляется до 90 % вредных веществ, другими местными отсосами - не более 75 %. Оставшиеся вредные вещества (10…25%) должны разбавляться до предельно допустимой концентрации с помощью общей обменной приточно-вытяжной вентиляции.
Поэтому в дополнение к местной вентиляции должна быть установлена общая обменная вентиляция, предусматривающая равномерное распределение воздуха по всему помещению со скоростью, не превышающей 0,3 м/с. Если вредные вещества не разбавляются до предельно допустимой концентрации с помощью организованной вентиляции, то для защиты органов дыхания рекомендуется применять респираторы.

5. Для защиты органов слуха от шума следует применять антифоны. Для защиты органов зрения и лица от воздействия излучения применяют щитки, маски со светофильтрами Э-200, Э-300, Э-400.

6. Помещения с участками для плазменной обработки, в состав которых входит электросварочное оборудование, относятся к классу помещений повышенной электрической опасности. Поэтому все электрооборудование должно соответствовать правилам устройств электроустановок, а его эксплуатация - правилам технической эксплуатации электроустановок потребителей и правилам техники безопасности при эксплуатации электроустановок потребителей.

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.

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:

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 см 3 /с и энергетические затраты — около 20 кДж/см 3 .

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 см 3 /с при энергетических затратах около 10 кДж/см 3 .
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 см 3 /с затраты энергии составляют 2…5 кДж/см 3 .

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 см 3 /с металла при затратах, составляющих в сумме до 10 кДж/см 3 , 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 см 2 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.

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.

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 мм 2 . 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.

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.

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 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.

Плазменная обработка

Применение плазмы в технологических целях основано на использовании высоких температур (4000. 16 000 °С), возникающих при соприкосновении ионизированного газа (плазмы) с поверхностью обрабатываемойдетали. Плазму используют для резки, сварки, плавки, нанесения покрытий, испарения, очистки и подогрева детали (при обработке резанием).

Струю плазмы получают при помощи двух типов плазмотронов, в которых происходит нагрев какого-либо газа концентрированной электрической дугой. Различают плазмотроны двух типов. В первом, плазмотроне прямого действия (рис. 18, а), электрическая дуга возникает между электродом и изделием, и струя плазмы совпадает со столбом дуги (образуется плазменная дуга). Во втором плазмотроне (косвенного действия, рис. 18, б) дуга возникает между электродом и соплом, а газ, проходящий через столб дуги, выходит в форме плазменной струи.

Электроды плазмотронов изготовляют из тугоплавких материалов — вольфрама или графита. В качестве плазмообразующих веществ используют воздух, азот, аргон, водород, кислород, воду, аммиак и др.

Плазменное нанесение покрытий (напыление и наплавка) используется для нанесения покрытий из любых тугоплавких материалов. Характеризуется высокой скоростью и равномерностью. Материал покрытия (тугоплавкие металлы, оксиды, карбиды, силициды, бориды и др.) вводят в виде порошка, ленты или проволоки в плазменную струю, в которой он плавится, распыляется и наносится на поверхность изделия. Плазменной наплавкой можно получить покрытия с высокой износостойкостью, коррозионной стойкостью, с вкрапленными тугоплавкими частицами (армированные покрытия), а также покрытия с низкими коэффициентами трения.

Плазменные покрытия используют для защиты деталей, работающих при высоких температурах, в агрессивных средах или подверженных интенсивному механическому воздействию. Важным направлением использования плазменной наплавки является восстановление изношенных поверхностей деталей (например, валов полиграфического и бумажного производства, тормозных дисков автомобилей, лопаток турбин и т. д.).

Плазменная резка представляет собой процесс проплавления (насквозь) материала и удаления расплавленного металла мощным потоком плазмы. Плазмой могут быть разрезаны не только металлы, но и диэлектрики, например стекло или слюда. Достоинством плазменной резки является отсутствие необходимости очищать заготовку от окалины и оксидов, так как в процессе резки они плавятся и удаляются вместе с расплавленным материалом.

Плазменной дугой режут коррозионно-стойкие и хромоникелевые стали, медные, алюминиевые и другие сплавы. Высокая производительность плазменной резки позволяет применять ее в поточных непрерывных производственных процессах. Плазменная резка широко применяется при производстве труб и в судостроительной промышленности.

Плазменная сварка использует свойство плазменной дуги глубоко проникать в материал. Ею можно сваривать достаточно толстый металл (10. 15 мм) без специальной разделки кромок. Сварка плазменной дугой отличается высокой производительностью и качественностью за счет стабильности горения дуги. Сварка плазмой незаменима при сварке высокотеплопроводных материалов (цветных металлов и сплавов), которые невозможно сварить другими методами.

Плазменные технологии в порошковой металлургии. Для получения специальных порошков в плазменную струю вводят материал, частицы которого, расплавляясь, приобретают необходимую в порошковой металлургии сферическую форму. Размер частиц может регулироваться в пределах от нескольких микрометров до 1 мм. Более мелкие (ультрадисперсные) нанопорошки с размерами частиц от 10 нм получают испарением исходного материала в плазме с последующей его конденсацией.

Плазменно-механическая обработка представляет собой совокупность операций по термическому разупрочнению плазменной дугой и последующему удалению с заготовки слоя металла режущим инструментом. Плазменно-механическая обработка позволяет обрабатывать такие труднообрабатываемые материалы-, как жаропрочные и коррозионно-стойкие стали, титановые сплавы, от 4 до 7 раз быстрее по сравнению с механической обработкой.

Плазменное нанесение покрытий (напыление и наплавка), плазменная резка и сварка; плазменные технологии в порошковой металлургии, плазменно-механическая обработка.

Читайте также: