В С Гаврыш - Влияние режимов плазменно-механической обработки на качествоповерхностного слоя деталей - страница 1

Страницы:
1 

УДК 621.9.04:537.523.5

Гаврыш В.С., МорневаМ.О.

г. Луганск

ВЛИЯНИЕ РЕЖИМОВ ПЛАЗМЕННО-МЕХАНИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ НА КАЧЕСТВО

ПОВЕРХНОСТНОГО СЛОЯ ДЕТАЛЕЙ

В статье представлены результаты по изучению влияния режимов плазменно-механической обработки на качество поверхностного слоя, а также создания и апробации специализированного плазмотрона для данного процесса.

Ключевые слова: плазменно-механическая обработка, нагрев, электродуговой плазмотрон, шероховатость, качество поверхностного слоя.

Постановка проблемы. Резание труднообрабатываемых материалов с предварительным нагревом срезаемого слоя является высокопроизводительным и перспективным способом удаления припуска с поверхности заготовок. Нагрев срезаемого слоя способствует разупрочнению материала и тем самым позволяет интенсифицировать процесс обработки путем резкого увеличения сечения срезаемого слоя и стойкости режущего инструмента, а в ряде случаев и скорости обработки. Наиболее эффективным методом обработки с нагревом является плазменно-механическая обработка (ПМО), заключающаяся в локальном подогреве поверхностного слоя плазменной дугой или струей и последующем резании инструментом нагретого металла [1-5]. Например, для предприятий перерабатывающей и пищевой промышленности данный процесс используется при обработке валков зерноперерабатывающего оборудования и др.

ПМО, как правило, используется на черновых операциях при точении, фрезеровании и строгании крупногабаритных заготовок. Однако большой интерес представляет использование ПМО на получистовой и чистовой операции. Переход на эти процессы возможен только после тщательной проверки металлографии обработанной поверхности и полной уверенности в отсутствии отрицательного влияния ПМО на эксплуатационные характеристики детали. Также сдерживающими факторами применения и расширения возможности ПМО в промышленности является отсутствие специализированных многофункциональных плазмотронов и научных основ для выбора температуры нагрева заготовки и ее связи с параметрами резания и качества обработанной поверхности. Решение указанных проблем потребовало проведение дополнительных теоретических и экспериментальных исследований.

Анализ последних исследований и публикаций. Влияние режимов плазменно-механической обработки на качество поверхностного слоя исследовалось рядом авторов [1-3, 7, 8]. Однако единой точки зрения на состояние обработанной поверхности до сих пор нет. Нагрев заготовок в основном осуществлялся плазмотроном прямого действия, что не всегда приводило к допустимому качеству соответствующих операций (черновых и получистовых). Плазмотроны косвенного действия для данного процесса практически не использовались, что обусловило массу пробелов в данной области.

Цель статьи. Провести исследования по определению влияния режимов плазменно-механической обработки на качество поверхностного слоя, а также создания специализированного плазмотрона.

Материалы и результаты исследования. На черновых операциях используются плазмотроны для плазменной резки (генерирующие плазменную дугу). Для перехода на получистовую и чистовую операции необходимо либо изменить геометрию разрядного канала плазмотрона, либо использовать плазмотроны для плазменного напыления (генерирующие плазменную струю). Такая смена или модернизация оборудования затрудняет процесс, значительно увеличивает вспомогательное время и снижает общую производительность процесса. Поэтому исследования, выполненные в ВНУ им. В.Даля, были направлены на разработку высокоресурсных плазмотронов постоянного тока для нагрева многофункционального назначения (мощностью 60 - 100 кВт и ресурсом работы более 100 ч), которые позволяют нагревать обрабатываемую деталь как плазменной дугой, так и плазменной струей в зависимости от технологического процесса.

Для проведения экспериментальных исследования использовалась опытно-промышленная установка для ПМО, состоящая из станка модели 1 К62, источника питания, систем газо- и водоснабжения и плазмотрона, закрепленного в специальном крепежном приспособлении, позволяющее регулировать его положение в пространстве. В качестве генератора плазменного нагрева использовался специально разработанный плазмотрон.

Специализированный высокоресурсный плазмотрон для ПМО с распределенной привязкой внутренней дуги, работающий на прямой или обратной полярности, генерирующий как плазменную дугу, так и плазменную струю мощностью до 60 кВт [6]. Состоит из катодного, анодного узлов и межэлектродной вставки. Проведенные исследования показали устойчивую и стабильную его работу при расходе рабочего газа (воздуха) G = (1,2-3,7)-10-3 кг/с и силе тока дуги до 300 А. Ресурс работы составил более 100 часов, а тепловой КПД - 0,6.

На основании анализа проведенных экспериментов выявлено, что эффективность ПМО и качество обработанной поверхности в значительной мере зависят от правильного выбора параметров нагрева и режимов резания. Их соотношение должно быть таким, чтобы, с одной стороны, срезаемый припускнагревался до температуры, при которой в достаточной мере снижаются твердость и предел прочности обрабатываемого материала, а, с другой стороны, суммарная температура (от внешнего источника и резания) в зоне обрабатываемой поверхности и режущей кромки инструмента не должна превышать значений, которые нарушали бы структуру обработанной поверхности заготовки и не привели бы к быстрому износу инструмента.

В результате теоретических исследований были разработаны научные основы для выбора температуры предварительного нагрева заготовок, обеспечивающие при заданных параметрах резания (подачи, глубины и скорости) максимальные производительность и стойкость режущего инструмента.

Плазменно-механической обработке подвергались стали: 40, ХГС, 5ХНМ, 12Х18Н10Т, которые чаще всего применяются для изготовления деталей перерабатывающего, пищевого, металлургического и горно-шахтного оборудования. Металлографические исследования проводились с целью уточнения влияния изменения электрических параметров работы плазменного источника нагрева на структуру поверхностного слоя обрабатываемой заготовки и режимы точения. ПМО проводили на разных режимах (см. табл.) и для каждого из них вырезали из заготовок по четыре образца для изготовления микрошлифов.

Таблица

Режимы обработки материалов

Обрабатыва­емый материал

Без нагрева

При ПМО

 

t,

мм

S, мм/об

V, м/мин

t,

мм

S, мм/об

V, м/мин

I, A

U, B

5ХНМ

2 0,21

15 3

0,52

15

220

180

12Х18Н10Т

2 0,21

20 3

0,52

20

220

180

40

2 0,21

20 3

0,52

30

220

180

Из рис. 1 видно, что в условиях ПМО в некотором диапазоне скоростей резания шероховатость имеет экстремальное значение, тогда как при точении без плазменного нагрева в этом диапазоне скоростей экстремум не наблюдается. Данное явление объясняется ростом удельной тепловой энергии, вносимой в заготовку при уменьшении скорости резания. Заканчиваются все зависимости пологим участком, который для разных сталей начинается при различных скоростях резания (рис. 1). Так, для стали 12Х18Н10Т V = 50 м/мин, а для стали 5ХНМ V = 57 м/мин.

Значительно большее влияние на шероховатость обработанной поверхности оказывает величина подачи. Анализ зависимостей показывает (см. рис. 2), что с увеличением подачи от 0,07 до 0,52 мм/об шероховатость возрастает от Ra = 7,5 до

Ra = 15,2 мкм без плазменного нагрева и от Ra = 2,3 до Ra = 7,6 мкм с плазменным нагревом.

Кроме исследования влияния режимов резания на шероховатость обработанной поверхности проводились опыты по определению зависимости шероховатости обработанной поверхности от температуры нагрева заготовки.

Ra,

мкм

15

12 9 6

0   10 30 50 V,

м/мин

Рис. 1. Зависимость шероховатости обработанной поверхности при точении стали 5ХНМ (1, 3, 5) и 12Х18Н10Т (2, 4, 6)

от скорости резания (t = 2 мм, S = 0,52 мм/об): 1, 2 - без нагрева; 3, 4 - Тн = 450°С; 5, 6 - Тн = 650°С

Ra,

мкм

15 12

9 6 З

и     0,1 0,3 0,5 S,

мм/об

Рис. 2. Зависимость шероховатости обработанной поверхности при точении стали 20Х13 от подачи (t = 2 мм, V = 20 м/мин): 1 - без нагрева; 2 - Тн = 450°С; 3 - Тн = 650°С

Из рис. 3 и 4 видно, что после ПМО шероховатость уменьшается как при черновом точении, так и при получистовом. Заканчиваются все зависимости пологим участком, который для черновой (670 °С) и получистовой (450 °С) операций начинается при различной температуре нагрева (рис. 3 и 4). Так как нагрев заготовки свыше этих температур не приносит снижение шероховатости, то с целью экономии электроэнергии он нецелесообразен. Необходимо отметить, что увеличение температуры нагрева свыше ~ 710 °С приводит к увеличению шероховатости, что обусловлено перегревом срезаемого слоя. Это сопровождается, как уже говорилось, снижением стойкости режущего инструмента.

Ra,

мкм -

15 12

9 6

0   100     300     500     700 7"», С

Рис. 3. Зависимость шероховатости обработанной поверхности при точении сталей от температуры нагрева заготовки (t

= 2 мм, S = 0,52 мм/об, V = 20 м/мин): 1 - 5ХНМ; 2 - 20Х13;   3 - 12Х18Н10Т

Ra,

мкм

4,5 3,0 1,5

 

/-1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Га

 

 

 

 

 

 

 

0   100     300     500 Тн, С

Рис. 4. Зависимость шероховатости обработанной поверхности при точении сталей от температуры нагрева заготовки (t

= 0,4 мм, S = 0,12 мм/об, V = 50 м/мин): 1 - 5ХНМ; 2 - 20Х13;   3 - 12Х18Н10Т

Таким образом, анализ полученных результатов измерения шероховатости экспериментальных образцов после ПМО показал, что при черновом и получистовом точении шероховатость по параметру Ra обработанной поверхности снизилась в 1,7-2,3 раза (улучшилась ~ на 1 класс) по сравнению с образцами, обработанными без плазменного нагрева. Кроме того, после ПМО происходит не только снижение высоты неровностей, но и поверхность становится более однородной (практически без заусенцев), а также происходит скругление вершин выступов и впадин неровностей (см. рис. 5).

Снижение величины шероховатости позволяет уменьшить припуск и, следовательно, время обработки на последующих операциях (чистовой или чернового шлифования). Также в зависимости от требуемой величины шероховатости обработанных поверхностей деталей можно выбрать режимы обработки, позволяющие соединить черновую с получистовой или получистовую с чистовой операциями и снять за один проход весь припуск, отведенный на эти отдельные операции. Такое объединение операций наиболее подходит при обработке крупногабаритных деталей. Это позволяет дополнительно экономить время на обработку и получать на промежуточном этапе требуемое качество поверхности.

Рис. 5. Поверхность заготовки после точения (увеличенная) (t = 2 мм, S = 0,21 мм/об, V = 15 м/мин, I = 220 A, U =180 B): а) без плазменного нагрева; б) с плазменным нагревом

Металлографические исследования слоев, прилежащих к обработанной поверхности металла, показали, что после точения с плазменным нагревом изменение структуры и химического состава не наблюдается. Также отсутствуют пережог, трещины, раковины и другие дефекты.

Выводы. Проведенные исследования показали, что при использовании рациональных режимов резания и нагрева процесс ПМО труднообрабатываемых материалов не только существенно повышает производительность и стойкость режущего инструмента, но и позволяет получить улучшенное качество поверхностного слоя заготовок.

Литература

1. Обработка металлов резанием с плазменным нагревом / Н.А. Резников, М.А. Шатерин, В.С. Кунин, Л.А. Резников / Под общ. ред. Н.А. Резникова. - М.: Машиностроение, 1986. - 232 с.

2. Обработка резанием труднообрабатываемых материалов с нагревом / А.Н. Строшков, Ш.Л. Теслер, С.П. Шабашов, Д.С. Элинсон. - М.: Машиностроение, 1977. - 140 с.

3. Плазменная технология: Опыт разработки и внедрения / Быховский Д.Г., Медведев А.Я., Богданов Д.Н. и др. / Сост. А.Н. Герасимов. - Л.: Лениздат, 1980. - 152 с.

4. Гаврыш В.С. Точение с плазменным нагревом труднообрабатываемых материалов // Прогресивні технології і системи машинобудування: Міжнародний зб. наук. пр. - Донецьк: ДонНТУ - 2006. - Вип.31. - С. 41-45.

5. Корсунов К.А., Гаврыш В.С. Плазменно-механическая обработка деталей // Електротехніка та електроенергетика. - Запорожье: - 2004. - С. 62-64.

6. Гаврыш В.С., Волков В.А. Компьютерное моделирование плазменного оборудования для обработки материалов // Вісник східноукраїнського національного університету імені Володимира Даля. - 2009. - №2(132). - С. 66­71.

7. Влияние плазменной обработки на структуру и механические свойства приповерхностных слоев металла / Савицкий А.И., Бахрах С.Н., Завизион М.Я. и др. // Сварочное производство. - 1983. - №11. - С. 10-11.

8. Нечаев В.П., Позняков И.Н. Структурные превращения в срезаемом слое при плазменно-механической обработке // Плазмотехнология. - К.: УМК ВО. - 1991. - С. 86-89.

В статті представлені результати по вивченню впливу режимів плазмово-механічної обробки на якість поверхневого шару, а також створення і апробації спеціалізованого плазмотрона для даного процесу.

Ключові слова: плазмово-механічна обробка, нагрівання, електродуговий плазмотрон, шорсткість, якість поверхневого шару.

Gavrysh V.S., Morneva M.O. Influence of the modes of tooling on quality of superficial layer of details In the article the results on the study of influencing of the modes of tooling on quality of uperficial layer, and also creation and approbation of specialized plazmotrons for the given process are represented.

Keywords: tooling, heating, elektrodugovoy plazmotron, roughness, quality of superficial layer.

Гаврыш В.С. - Восточноукраинский национальный университет имени Владимира Даля, доцент кафедры Легкой и пищевой промышленности, к.т.н.

Морнева М.О. - Восточноукраинский национальный университет имени Владимира Даля, доцент кафедры Метрологии, к.т.н., доц.

Рецензент: Соколов В.И., д.т.н., проф.

Статья подана 01.04.11

Страницы:
1 


Похожие статьи

В С Гаврыш - Влияние режимов плазменно-механической обработки на качествоповерхностного слоя деталей