Підвищення ефективності плазмово-механічної обробки високоміцних сталей та сплавів - Автореферат

Фактори, що стримують широке застосування даного процесу в промисловості, є відсутність надійно працюючих плазмотронів, а також наукового обґрунтування вибору температури нагрівання заготовок, її звязку з параметрами різання, впливу на основні характеристики якості оброблюваної поверхні, зношування інструменту. розробити інформаційно-керуючий обчислювальний комплекс, який би дав змогу управляти режимами роботи плазмотрона з урахуванням технологічного процесу різання, що автоматично стабілізує задані сили різання; розробити методику вибору температури нагрівання заготовок і на її базі розробити інженерну методику розрахунку технологічних параметрів плазмово-механічної обробки високоміцних матеріалів; У дисертаційній роботі наведений комплекс фундаментальних і прикладних досліджень, що повязані з підвищенням ефективності плазмово-механічної обробки високоміцних сталей і сплавів: - розроблено удосконалену математичну модель витратної електричної дуги, що на відміну від раніше створених математичних моделей, дозволяє розраховувати характеристики плазмотронів з порожнистими циліндричними “холодними” електродами з розподілом сили струму і витрати газу за довжиною розрядного каналу; Практичне значення отриманих результатів полягає в наступному: - вирішено комплекс актуальних завдань, повязаних з підвищенням ефективності плазмово-механічної обробки високоміцних сталей і сплавів завдяки удосконалюванню плазмового джерела нагрівання й оптимізації технологічних параметрів нагрівання;1), створеного для проведення експериментальних досліджень, методики, а також опис розробленого інформаційно-керуючого обчислювального комплексу енергетичними параметрами плазмотрона й процесом плазмово-механічної обробки матеріалів, що дозволяє вирішувати завдання автоматизованого проектування плазмотронів із застосуванням системи тривимірного твердотільного параметричного проектування Компас - 3D. 2) містить: 1 - керуючий комплекс плазмотроном (ККП); 2 - плазмотрон; 3 - блок звязку зусилля різання з температурою попереднього підігріву; 4, 5 - збурюючі параметри системи глибини різання (блок 4) і подачі (блок 5); 6 - блок звязку між різницею моменту опору й моменту на валу двигуна, а також швидкістю обертання планшайби (блок 7); 8 - блок джерела живлення двигуна головного привода; 9 - блок порогового елемента (ПЕ). З метою визначення електричних, теплових і ерозійних характеристик плазмотрона, який розроблюється, та залежності цих характеристик від фізичних властивостей і витрати газу, зміни витрати газу і сили струму за довжиною розрядного каналу, початкового розподілу функції теплопровідності і геометричних розмірів каналу було прийнято математичну модель витратної електричної дуги, розроблену Г.Ю. З огляду на те, що основним регульованим параметром у плазмотроні є струм дуги, за значенням якого можна розраховувати температуру й інші основні параметри, для інженерних розрахунків плазмотронів з порожнистими електродами прийнято каналову модель, запропоновану Штеєнбеком, що як і будь-котра інша модель, має межі застосовності. На відміну від раніше наведених результатів досліджень інших авторів, які вважають недоцільним застосування ПМО на великих швидкостях різання через різкий спад температури нагрівання на глибині, що перевищує 1 мм, і збільшення потужності джерела нагрівання, було встановлено, що збільшити величину тепловкладення, і, отже, розширити діапазон температур і глибину нагрівання можна не підвищенням потужності джерела нагрівання, а внаслідок впливу на зрізуваний шар плазмовим потоком, що утворюється завдяки перемежній системі підключення плазмотрона й оброблюваної деталі до джерела електроживлення (див. рис.Аналіз сучасного стану технології й устаткування плазмово-механічної обробки високоміцних сталей і сплавів показав, що вони вже значною мірою не задовільняють підвищеним вимогам щодо цього високоефективного процесу. Розвязання цих проблем, підвищення ефективності процесу і розширення його технологічних можливостей може бути здійснено на підставі глибоких і системних досліджень, і нових рішень у галузі технології й устаткування. При цьому спостерігається більш рівномірний розподіл теплового потоку по поверхні заготовки, що нагрівається, і збільшення глибини нагрівання від 3 до 5 разів у порівнянні з плазмовою дугою прямої полярності. Виявлено можливість розширення діапазону температур та глибини нагріву матеріалу при ПМО, здійснюючи вплив на оброблюваний шар плазмовою дугою (струменем), використовуючи переміжну систему підключення електродів плазмотрона та оброблюваного матеріала до джерела електроживлення. Виявлено, що коефіцієнт зосередженості плазмового струменя (дуги) залежить від сили струму, довжини струменя, діаметра розрядного каналу, витрат плазмоутворюючого газу і кута нахилу плазмотрона до деталі, що нагрівається.Автор брав участь в експериментальних дослідженнях й опрацюванні результатів досліджень. Автор брав участь в експериментальних дослідженнях й опрацюванні результатів досліджень. Автор брав участь у розр

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИОСНОВНИЙ ЗМІСТ ДИСЕРТАЦІЇ ОПУБЛІКОВАНИЙ У РОБОТАХ

Аналіз сучасного стану технології й устаткування плазмово-механічної обробки високоміцних сталей і сплавів показав, що вони вже значною мірою не задовільняють підвищеним вимогам щодо цього високоефективного процесу. Порівняно невеликі межі застосування, відносно мала продуктивність під час напівчистового й чистового різання і не завжди висока якість обробки обумовлена недосконалістю плазмових джерел попереднього нагрівання заготовок. Ці джерела мають низький ресурс, обмеження щодо робочого струму і є такими, які працюють тільки в режимі прямої полярності. Розвязання цих проблем, підвищення ефективності процесу і розширення його технологічних можливостей може бути здійснено на підставі глибоких і системних досліджень, і нових рішень у галузі технології й устаткування.

Уперше теоретично обґрунтовано і експериментально підтверджено метод нагрівання заготовок плазмовою дугою (струменем) зворотньої полярності. При цьому спостерігається більш рівномірний розподіл теплового потоку по поверхні заготовки, що нагрівається, і збільшення глибини нагрівання від 3 до 5 разів у порівнянні з плазмовою дугою прямої полярності.

Виявлено можливість розширення діапазону температур та глибини нагріву матеріалу при ПМО, здійснюючи вплив на оброблюваний шар плазмовою дугою (струменем), використовуючи переміжну систему підключення електродів плазмотрона та оброблюваного матеріала до джерела електроживлення.

Виявлено, що коефіцієнт зосередженості плазмового струменя (дуги) залежить від сили струму, довжини струменя, діаметра розрядного каналу, витрат плазмоутворюючого газу і кута нахилу плазмотрона до деталі, що нагрівається.

Оптимізовані режими попереднього плазмового нагрівання і механічної обробки сталей 40, 5ХНМ, 20Х13 і 12Х18Н10Т, що дозволяють виконувати ПМО з високою якістю поверхневого шару (знизилася шорсткість обробленої поверхні в 1,7 - 2,3 рази). Структура поверхневого шару і розмір зерна не змінилися, а глибина деформованого шару і ступінь наклепу значно зменьшилися. При цьому збільшилася продуктивність у 4 - 5 разів, стійкість ріжучого інструмента у 2 - 3 рази.

Розроблено інформаційно-керуючий обчислювальний комплекс, що управляє енергетичними параметрами плазмотрона й автоматично регулює температуру попереднього нагрівання оброблюваної заготовки з урахуванням зусиль і температури різання.

Удосконалено математичну модель витратної електричної дуги, що на відміну від раніше створених математичних моделей, дозволяє розраховувати характеристики плазмотронів з порожнистими циліндричними “холодними” електродами з розподілом сили струму і витрати газу по довжині розрядного каналу.

Уперше розроблено інженерну методику розрахунку плазмотронів з порожнистими “холодними” електродами на основі каналової моделі Штеєнбека з урахуванням меж її застосовності.

Уперше створено високотехнологічний плазмотрон з порожнистими “холодними” електродами для ПМО, що працює як на прямій, так і на зворотній полярності підключення, потужністю до 60 КВТ із ресурсом роботи більше за 100 годин і ККД - 0,65 - 0,85.

Розроблено методику розрахунку технологічних параметрів плазмотрона для ПМО, що дозволяє визначати діапазон оптимальних технологічних параметрів з урахуванням швидкісного напору і сили тиску плазмового потоку.

Результати досліджень рекомендовано до впровадження при обробці засипних апаратів доменних печей на ВАТ “Алчевський металургійний комбінат”, а також використано в навчальному посібнику для студентів вищих навчальних закладів.

Прийняті позначення

I, U - струм і напруга розряду; G - витрата плазмоутворюючого газу; ? - тепловий ККД плазмотрона; S, t, V - подача, глибина й швидкість різання; a, ? - температуропровідність і теплопровідність.