НАЦІОНАЛЬНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ УКРАЇНИ

„КИЇВСЬКИЙ ПОЛІТЕХНІЧНИЙ ІНСТИТУТ”

Гавриш Володимир Сергійович

УДК 621.9.04

537.523.5

“Підвищення ефективності плазмово–механічної обробки високоміцних сталей та сплавів”

Спеціальність 05.03.06 – “Зварювання та споріднені процеси і технології”

Автореферат

дисертації на здобуття вченого ступеня

кандидата технічних наук

Київ – 2007

Дисертація є рукописом

Робота виконана на кафедрі “Технологія машинобудування” Східноукраїнського національного університету імені Володимира Даля (СНУ ім. В. Даля) Міністерства освіти і науки України м. Луганськ.

Науковий керівник: |

заслужений діяч науки і техніки України, доктор технічних наук, професор

Дзюба В’ячеслав Леонідович,

Східноукраїнський національний університет імені Володимира Даля,
м. Луганськ, завідувач кафедри “Технологія машинобудування”

Офіційні опоненти: | доктор технічних наук, професор

Самотугін Сергій Савелійович, Приазовський державний технічний університет, м. Маріуполь, завідувач кафедри “Металорізальні верстати та інструменти”

кандидат технічних наук, доцент

Сергієнко Сергій Миколайович,

Донбаський державний технічний університет, м. Алчевськ, декан факультету автоматизації та електротехнічних систем

Захист відбудеться “ 21 ” сiчня 2008 р. о 1500 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 26.002.15 при Національному технічному університеті України „КПІ” за адресою: Україна, 03056, м. Київ, просп. Перемоги, 37, корп. 19, ауд. 435.

З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці Національного технічного університету України „КПІ” за адресою: Україна, 03056, м. Київ, просп. Перемоги, 37.

Автореферат розісланий “ 21 ” грудня 2007 р.

Вчений секретар спеціалізованої

вченої ради Д 26.002.15,
доктор технічних наук, професор Головко Л.Ф.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Розвиток сучасного машинобудування вимагає більш широкого застосування матеріалів, що мають високі характеристики міцності або особливі фізичні властивості. Однак використання таких матеріалів утруднене через складність обробки їх різанням. До того ж різання часто доводиться вести в складних умовах – по корці, по високоміцних наплавленнях, при великих перерізах зрізу й т.п. У зв'язку з такими особливостями виникає питання щодо вдосконалювання технології обробки цих матеріалів. Одним із ефективних способів поліпшення оброблюваності високоміцних металів і сплавів є плазмово-механічна обробка (ПМО). Внаслідок плазмового нагрівання знижується міцність та збільшується пластичність, що веде до підвищення продуктивності й стійкості різального інструменту. Аналіз результатів досліджень свідчить про високу ефективність ПМО при точінні, фрезеруванні й струганні. Так, наприклад, продуктивність збільшується до 3–6 разів, а стійкість інструменту – до 2–5 разів. Фактори, що стримують широке застосування даного процесу в промисловості, є відсутність надійно працюючих плазмотронів, а також наукового обґрунтування вибору температури нагрівання заготовок, її зв'язку з параметрами різання, впливу на основні характеристики якості оброблюваної поверхні, зношування інструменту. Отже розв'язання зазначених проблем вимагає додаткових теоретичних та експериментальних досліджень.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційна робота виконана на кафедрі “Технологія машинобудування” Східноукраїнського національного університету імені Володимира Даля (СНУ ім. В. Даля) в межах таких тем науково-дослідницьких робіт: “Математическое и компьютерное моделирование процессов в разрядном канале плазмотрона и процессов формирования структуры покрытий, которые получены при напылении” (номер державної реєстрації 0103U000425); “Теоретические исследования процессов плазменной, виброабразивной и гидроабразивной обработки, компьютерного синтеза оптимальных технологических сред” (номер державної реєстрації 0104U000100).

Перелічені науково-дослідницькі роботи, виконавцем яких був здобувач, стали базовими для підготовки й подання даної дисертації.

Мета і задачі дослідження. Метою дисертаційної роботи є підвищення ефективності та якості плазмово-механічної обробки високоміцних сталей і сплавів завдяки вдосконалюванню плазмового джерела нагрівання.

Для досягнення поставленої мети необхідно вирішити такі задачі:–

проаналізувати відомі теоретичні й експериментальні дослідження з ПМО й виявити проблеми, пов'язані з підвищенням ефективності й якості процесу;–

розробити та створити експериментальний стенд і дослідницьно-промислову установку для ПМО;–

створити високоресурсний плазмотрон, що дозволяє нагрівати оброблювану поверхню як плазмовою дугою, так і плазмовим струменем залежно від технології обробки (чорнове, напівчистове або чистове різання). Плазмотрон має працювати як на прямій, так і на зворотній полярності з кисневмісним газом, мати ресурс роботи більше за 100 годин і потужність до 60 кВт;–

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; –

здійснити практичне впровадження результатів досліджень.

Об'єкт дослідження – теплофізичні та фізикомеханічні процеси при нагріванні та обробці високоміцних сталей і сплавів.

Предмет дослідження – оптимальні параметри підвищення ефективності плазмового нагрівання й механічної обробки високоміцних сталей і сплавів, методи й засоби розподілу плазмового струменя (дуги) у системі джерело живлення – електрична дуга – оброблюваний матеріал.

Методи дослідження. Для вирішення задач, які поставлені, й одержання основних результатів у дисертаційній роботі застосовувалися чисельні методи дослідження фізичних явищ, що відбуваються при даному процесі. Експериментальні дослідження проводилися на спеціальному плазмовому устаткуванні з використанням сучасної реєструючої й вимірювальної апаратур.

Наукова новизна отриманих результатів. У дисертаційній роботі наведений комплекс фундаментальних і прикладних досліджень, що пов'язані 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;–

уперше розроблено інженерну методику розрахунку плазмотронів з порожнистими “холодними” електродами на основі каналової моделі з урахуванням меж її використовуваності;–

розроблено методику вибору температури попереднього нагрівання заготовок, що забезпечує при заданих параметрах різання (подачі, глибині і швидкості) максимальну продуктивність і стійкість інструмента;–

уперше теоретично обґрунтовано і експериментально здійснено метод нагрівання оброблюваної поверхні комбінованими потоками від одного плазмового джерела, тобто в залежності від технології обробки (чорнового, напівчистового або чистового різання) та товщини зрізуваного шару на поверхню впливають або плазмовою дугою, або плазмовим струменем;–

уперше теоретично обґрунтовано й експериментально підтверджено метод нагрівання заготовок плазмовою дугою зворотньої полярності (утворення на заготовці катодної плями).

Практичне значення отриманих результатів полягає в наступному: –

вирішено комплекс актуальних завдань, пов'язаних з підвищенням ефективності плазмово-механічної обробки високоміцних сталей і сплавів завдяки удосконалюванню плазмового джерела нагрівання й оптимізації технологічних параметрів нагрівання; –

розроблено інформаційно-керуючий обчислювальний комплекс, що дозволяє управляти режимами плазмового джерела нагрівання з урахуванням технології різання й автоматично стабілізувати задані сили різання;–

розроблено методи й пристрої для формування комбінованих плазмових потоків залежно від режиму точіння й товщини зрізуваного шару;–

розроблено високоресурсний плазмотрон з розподіленою прив'язкою внутрішньої дуги, який працює на прямій або зворотній полярності, що генерує як плазмову дугу, так і плазмовий струмінь потужністю 60 кВт і ресурсом роботи більше за
100 годин;–

розроблено інженерну методику розрахунку технологічних параметрів обробки високоміцних матеріалів з попереднім плазмовим нагріванням;–

виявлено вплив попереднього нагрівання заготовок на продуктивність і якість поверхневого шару завдяки параметрам різання і температури плазмового потоку;–

результати теоретичних й експериментальних досліджень рекомендовано до впровадження при ПМО засипних апаратів доменних печей (ВАТ “Алчевський металургійний комбінат”), а також використано при розробці навчального посібника для студентів спеціальності 6.090208 – “Обробка матеріалів за спецтехнологіями”.

Особистий внесок здобувача. У представленій дисертаційній роботі внеском автора є обґрунтування загальної концепції роботи; формулювання мети й завдань досліджень; розробка методів і пристроїв для формування комбінованих плазмових потоків, проектування плазмових джерел нагрівання; виявлення раціональних режимів обробки. Здобувачеві належать основні ідеї дисертаційної роботи, положення, що виносяться на захист, а також висновки й результати роботи.

Апробація результатів дисертації. Основні положення й результати дисертаційної роботи доповідалися й обговорювалися на І Міжнародній науково-технічній конференції “Современные технологии, материалы, машины и оборудование”
(м. Могильов, Білорусія, 2002); V (2003 р.) та VII (2005 р.) Міжнародних практичних конференціях-виставках “Технология ремонта, восстановления, упрочнения и обновления машин, механизмов, оборудования и металлоконструкций” (м. Санкт-Петербург, Росія); І Міжнародній науково-технічній конференції “Машиностроение и металлообработка” (м. Кіровоград, 2003 р.); ХІ Міжнародній науково-технічній конференції “Машиностроение и техносфера ХХI века” (м. Севастополь, 2003 р.); ХІ (м. Алушта, 2004 р.) та ХІІІ (м. Суми, 2006 р.) Міжнародних науково-методичних конференціях “Технологии ХХI века”; V (2005 г.) та VII (2007 г.) Міжнародних промислових конференціях з міжнародною участю й бліц-виставкою “Эффективность реализации научного, ресурсного и промышленного потенциала в современных условиях” (п. Славське, Карпати); IV Міжнародній науково-технічній конференції “Важке машинобудування. Проблеми та перспективи розвитку” (м. Краматорськ, 2006 р.), а також на семінарах і щорічних науково-технічних конференціях Східноукраїнського національного університету імені Володимира Даля (м. Луганськ, 2004–2007 рр.).

Публікації. За темою даної дисертації опубліковано 17 робіт, у тому числі 9 робіт у виданнях, затверджених ВАК України.

Структура й обсяг роботи. Дисертаційна робота складається з вступу й п'яти розділів, загальних висновків, списку використаних джерел і додатків. Загальний обсяг дисертації – 197 сторінок машинописного тексту, 75 – рисунків, 9 – таблиць, список використаних джерел з 117 найменувань і додатку на 2 стор.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтовано актуальність теми дисертації, сформульовано мету роботи й визначені основні задачі, які необхідно вирішити для її досягнення. Визначено об'єкт, предмет і методи дослідження. Визначено наукову новизну, практичне значення отриманих результатів й особистий внесок здобувача.

У першому розділі наведено короткий огляд відомих результатів теоретичних й експериментальних досліджень з обробки високоміцних сталей і сплавів. Механічна обробка таких матеріалів є трудомісткою і малоефективною, тому що різальний інструмент швидко виходить із ладу, а унікальні обробні верстати працюють із дуже низькою продуктивністю. Вирішення цієї проблеми можливе завдяки попередньому підігріву оброблюваних заготовок, що приводить до значного зниження міцності зрізуваного шару. В якості джерела нагрівання доцільно використати плазмове джерело (плазмотрон). Однак стримуючими факторами плазмово-механічної обробки високоміцних сталей і сплавів є відсутність наукового обгрунтування вибору температури попереднього нагрівання заготовок, її зв'язку з параметрами різання (швидкістю, глибиною й подачею), вплив на основні характеристики якості оброблюваної поверхні, зношування інструмента, а також відсутність плазмотронів, які працюють надійно. Враховуючи ці недоліки та виходячи з аналізу теоретичних й експериментальних досліджень, виявлено основні напрямки підвищення ефективності плазмово-механічної обробки, розробка яких вимагає проведення серйозних теоретичних й експериментальних досліджень.

У другому розділі надано опис експериментального стенду (рис. 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. Структурна схема комплексу (рис. 2) містить: 1 – керуючий комплекс плазмотроном (ККП); 2 – плазмотрон; 3 – блок зв'язку зусилля різання з температурою попереднього підігріву; 4, 5 – збурюючі параметри системи глибини різання (блок 4) і подачі (блок 5); 6 – блок зв'язку 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). Вона дозволяє автоматично підтримувати задану величину зусилля різання завдяки зміні температури нагрівання виробу, що оброблюється. Наведено описи контрольно-вимірювальних приладів, які використовуються при проведенні експериментальних досліджень, й оцінки похибки вимірів.

У третьому розділі наведено результати досліджень щодо створення плазмотрона для плазмово-механічної обробки з порожнистими циліндричними “холодними” електродами, що дозволяють працювати як на прямій, так і зворотній полярностях, нагріваючи оброблювані поверхні як плазмовою дугою, так і плазмовим струменем, залежно від технології обробки. 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. Даутовим і В.Л. Дзюбою. Ця модель передбачає, що течія плазми ламінарна, тобто будь-які два сусідніх шару рідини, газу або плазми рухаються паралельно, не перемішуючись один з одним. Щодо електродугових плазмотронів, які працюють при атмосферному тиску, припущення про ламінарність позитивного стовпа дуги вважається достовірним, тому що турбулентність плазмового потоку виявляється лише в периферійних областях й у плазмовому струмені. Відповідно до цієї моделі нагрів газу може бути описаний системою рівнянь:

Розв’язок цієї системи робимо за умов

для довільного закону зміна сили струму уздовж позитивного стовпа (ПС) дуги. У якості візьмемо функцію . У залежності від величини і знака К1 і характеру зміни функція може як зростати, так і спадати зі зростанням . Таким чином описує досить загальний випадок зміни потоку маси уздовж каналу. З огляду на зміну сили струму за довжиною розрядного каналу (рис. 3), розв’язок системи рівнянь (1) – (3) за умов (4) і (5) дозволив одержати формулу для розрахунку функції теплопровідності

середньомасові значення функції теплопровідності й ентальпії в ПС дуги

середньомасове значення ентальпії

потік тепла через поверхню одиниці ПС дуги

Залежності (6) – (10) наочно визначають зв'язок електричних і теплових характеристик ПС дуги з геометричними розмірами розрядного каналу плазмотрона, витратою і властивостями плазмоутворюючого газу, величиною струму і його розподілом за довжиною каналу. Однак їх використання у повсякденній інженерній практиці не завжди є доцільним. 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. Використання даної моделі за межами її застосовності може привести до хибних результатів. Нижче пропонується методика розрахунку плазмотрона на основі каналової моделі з урахуванням меж її застосовності. При цьому баланс енергії плазми в однорідному за довжиною стовпі дуги описується рівнянням Еленбааса-Геллера

(11)

Зважаючи на те, що рівняння (11) має нелінійний характер аналітичний розв’язок його в загальному випадку знайти не вдається. Тому каналова модель зводиться до заміни істинного розподілу ?(r) східчастим: при і при де – радіус каналу. Розрядний струм може бути записано як

(12)

Рівняння (11) у безструмовій зоні легко інтегрується, що приводить до співвідношення

. (13)

Оскільки (12) і (13) містять три невідомі величини – , і Е, то модель має бути доповнена третім співвідношенням, за яке приймаємо принцип мінімуму потужності: при заданому струмі мають установитися такі температури плазми і радіус каналу, щоб напруженість поля і потужність виявилися мінімальними. Оскільки сталість температури в зоні каналу не може забезпечити тепловідведення потужності за його межі, то повинна існувати визначена різниця температур між центром каналу Т0 і його межею Тк. Її можна оцінити, розв’язавши рівняння (11) у зоні каналу при припущенні однорідності джерел енерговиділення . Звідси

(14)

Для одержання прийнятного результату величини припустимо, що на межі каналу провідність зменшується в “е” разів відносно провідності в його центрі. У повітрі при атмосферному тиску і температурі порядку 8000 – 14000 К провідність досить добре описується інтерполяційною формулою

Ом–1 см–1.

Відповідно до якої зменшення провідності в “е” разів відповідає відносному зменшенню температури ~ 0,3 при Т ~ 10000 К. Таким чином, умову

або (15)

можна розглядати як умову застосовності каналової моделі або обмеження за різницею температур зверху.

Нижню межу одержимо, припустивши, що відношення провідностей у центрі й на межі каналу не повинне бути меншим за 1,5. При температурі порядку
5000 К це дає оцінку

або . (16)

Умови (15) і (16) можна розглядати як межі застосовності каналової моделі. Звичайно, вони не носять жорсткого характеру, але дозволяють грубо оцінити можливість використання каналової моделі для розрахунків плазмотронів в інженерній практиці. Розрахунок параметрів дуги плазмотрона, яких не вистачає, виконуємо за допомогою узагальнених вольтамперних характеристик з урахуванням обраної схеми плазмотрона.

З метою збільшення ресурсу роботи внутрішній електрод 1 вихровим кільцем 6 розділено на дві частини (див. рис. 4 поз 5 і 7). У процесі роботи плазмотрона дуга розділяється і прив'язується до обох частин внутрішнього електрода, знижуючи струмове навантаження в місці прив'язки дуги приблизно в два рази. Основні технічні дані плазмотрона наведено в табл. 1.

Для покращення процесу нагрівання матеріалу плазмою, у залежності від технології обробки (чорнової, напівчистової або чистової), було запропоновано схеми підключення джерела електроживлення до електродів плазмотрона та виробу, що оброблюється
(рис. 3). У даному розділі також наведено дані експериментальних досліджень створеного плазмотрона, представлені вольтамперними, тепловими й ерозійними характеристиками і надано методику розрахунку оптимальних технологічних параметрів плазмотрона при ПМО, що враховує швидкісний напір і силу тиску плазмового потоку.

Таблиця 1

Технічні дані плазмотрона для ПМО

Робочий газ | Потужність, кВт | Струм дуги, А | Напруга на дузі, В | Витрата робочого газу, г/с | Тепловий ККД | Середньмасова температура струменя, К | Ресурс роботи, год | повітря | 60 | 400 | 300 | 4 | 0,65 | 5000 | >100 |

У четвертому розділі розглядаються експериментальні й теоретичні дослідження технологічного процесу точіння із плазмовим підігрівом (рис. 5). 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. 3). У зв'язку з цим визначена теплова ефективність плазмового нагрівання при обробці металу різанням. Сила різання й зношування інструменту залежать від того, яка кількість металу зрізається інструментом в одиницю часу. Варто також ураховувати, що саме цей об'єм металу потрібно підігріти до певної температури.

Для забезпечення необхідної продуктивності процесу потрібно підвести теплову потужність

, (17)

а б

Рис. 5. Плазмово-механічна обробка:

а – загальний вигляд; б – схема розташування плазмотрона

де , , , – питома теплоємність металу та температура заготовки.

Електрична потужність плазмотрона перетворюється в теплову й витрачається на нагрівання зрізуваного металу, деталей плазмотрона (головним чином електродів) і випромінювання: , , , – потужність, що витрачається на нагрівання заготовки, катода, анода (сопла) і випромінювання (конвективного й променистого тепловідведення).

Теплові втрати становлять від 5 до 25 % від . На нагрівання шару металу, що зрізується, з урахуванням втрат у деталях плазмотрона і на випромінювання витрачається приблизно 60 % потужності плазмотрона, що є його ефективним ККД ().При цьому тільки частина ефективної теплової потужності дуги витрачається на його нагрівання , інша частина її потужності витрачається на нагрівання навколишнього металу до температури :

, (18)

де – площа поверхні, що передає тепло; – градієнт температури за площиною, перпендикулярній поверхні, що передає тепло.

Отже, щоб нагріти для різання деяку кількість металу в одиницю часу до температури , необхідно підвести теплову потужність

. (19)

Відношення теплової потужності, що йде на нагрівання зрізуваного шару металу до потужності, що витрачається на нагрівання заготовки , є термічним ККД ( ). Він залежить від полярності дуги, конструкції плазмотрона, температури плазмового струменя, а також від теплопровідності металу, що нагрівається, і звичайно не перевищує 33–43 %. Тоді ефективний ККД процесу становитиме:

. (20)

Необхідна теплова потужність плазмотрона

. (21)

Найбільша можлива продуктивність процесу різання із плазмовим підігрівом з урахуванням (19) і (21) становитиме

. (22)

У табл. 2 наведено порівняльні режими обробки жароміцних сталей із плазмовим підігрівом і без підігріву, що здійснені на верстаті 1К62 лабораторного стенда.

Таблиця 2

Режими обробки матеріалів

Матеріал, що оброблюється | Без ПМО | ПМО

V
?10-2, м/с | S
?10-2, м/об | t
?10-2, м | M
?10-3, кг/с | I,

А | U,

В | V
?10-2, м/с | S
?10-2, м/об | t
?10-2, м | M
?10-3, кг/с

3Х18Н8Т | 15 | 0,16 | 1,5 | 3,6 | 300 | 200 | 57 | 0,25 | 1,5 | 21,4

10ГН2МФА | 11 | 0,16 | 1,5 | 2,64 | 300 | 200 | 41 | 0,25 | 1,5 | 15,4

З табл. 2 видно, що продуктивність із плазмовим підігрівом підвищується в 4 – 5 разів, а стійкість різального інструменту збільшується в 2 – 3 рази. При цьому плазмотрон й оброблювана заготовка підключалися до джерела електроживлення за схемою рис. 3,в.

Застосування зворотніх задач теплопровідності для розрахунку температурних полів у приповерхневих шарах оброблюваних деталей при ПМО вимагає визначення температурних полів у деяких їхніх точках з метою відновлення густини теплових потоків або температурного поля на поверхні й подальшого розв'язання прямої задачі теплопровідності. При цьому було виявлено, що особливу важливість мають питання, пов'язані з точністю визначення теплових характеристик у експериментах.

На ефективність процесу ПМО суттєво впливає співвідношення параметрів сумарного температурного поля, що виникає в зоні різання. У загальному вигляді сумарну температуру в зоні різання можна представити виразом

, (23)

де Тн – температура попереднього нагрівання, – підвищення температури завдяки роботі власне різання нагрітого металу.

Найкраще значення відповідає найбільш сприятливим умовам різання, тертя і спрацювання інструмента, які визначаються різними комбінаціями Тн заготовки і параметрами режиму різання (v, S, t), що забезпечують найменшу інтенсивність зношування інструмента і найбільшу його розмірну сталість. При зміні параметрів режиму різання в залежності від умов обробки (чорнове, напівчистове і чистове різання), вимог до якості і продуктивності величина буде змінюватися, і для забезпечення сталості варто керувати процесом, змінюючи температуру Тн. Розв'язуючи задачу про температурне поле в півпросторі, обмеженому площиною ХОУ системи координат, процес поширення тепла можна описати рівнянням

(24)

де – час, відлічуваний з моменту перетинання джерелом тепла площини ХОУ, перпендикулярній осі руху джерела через розглядувану точку (вершину різця).

Звідси температуру на поверхні заготовки можна визначити з виразу

(25)

Аналіз літературних даних і результати попередніх експериментів довели, що приріст наближається до величини, яка дорівнює різниці температури плавління Тпл оброблюваного матеріалу і температури Тн, отже для даного способу обробки справедливою буде залежність

, (26)

де ; – відносне подовження; k і ks – коефіцієнти, що враховують вплив переднього кута різця і подачі відповідно.

Дослідження коефіцієнта зосередженості плазмового потоку показало, що підвищення ефективності ПМО вимагає одночасного збільшення коефіцієнта зосередженості і площі плями нагрівання. Експерименти на стенді дозволили оцінити вплив на діаметр плями нагрівання сили струму дуги, його розподіл за довжиною розрядного каналу, витрати плазмоутворюючого газу і відстані від зрізу сопла до заготовки. При цьому кут нахилу плазмотрона до вертикалі дорівнював 0?. Найбільший діаметр плями, а, отже, і швидкість нагрівання заготовки, отримані при підключенні плазмотрона і заготовки до джерела електроживлення за схемою рис. 3,в.
(рис. 6). Плазмово-механічній обробці піддавалися сталі: 40, ХГС, 5ХНМ й 12Х18Н10Т, які найчастіше застосовуються для виготовлення деталей металургійного й гірничошахтного устаткування. Дослідження проводилися за поздовжнього точіння зразків на верстаті моделі 1К62. Весь процес ПМО складався з комплексу таких операцій: нагрівання припуску, що видаляється; механічного руйнування цілісності поверхні перед різцем дією плазмового струменя (дугою); видалення припуску різальним інструментом. Для кріплення й керування розташуванням плазмотрона щодо оброблюваної деталі (рис. 5,б) і різального інструменту було створено спеціальний маніпулятор.

Автоматичне настроювання положення плазмотрона виконувалося системою керування процесом ПМО (рис. 2). Обертання зразка здійснювалося назустріч плазмовому потоку, а кут нахилу плазмотрона вибирався з таким розрахунком, щоб розплавлений метал здувався потоком гарячих газів на необроблювану поверхню, і поверхня, що оброблюється, залишалася чистою. У якості інструмента, який ріже, застосовувалися різці з твердосплавними пластинами Т15К6, геометричні параметри ріжучої частини яких становили: ? = 16, ? = 8, ?1 = 0?-3, f = 0,3–0,4.

У табл. 3 наведено режими обробки зразків із сталі 5ХНМ й 12Х18Н10Т.

Нагрівання зразків виконувалося за схемою рис. 3,в. Необхідний рівень температур становив 600 – 700 ?С. Температура нагрівання зразків контролювалася оптичними пірометрами-радіометрами ДПР-2 і ДПР-3 й інтегрованими термометрами серії Маратон.

З рис. 7 видно, що в умовах ПМО в деякому діапазоні швидкостей сили, й мають екстремальне значення, тоді як при точінні без плазмового нагрівання в цьому діапазоні швидкостей екстремум не спостерігається. Це явище пояснюється зростанням питомої теплової енергії, внесеної в заготовку при зменшенні швидкості різання. Шорсткість поверхні зразків за параметром Ra після ПМО знизилася в
1,5–2,3 рази, зміни структури, розміру зерна і хімічного складу не спостерігалося. Зменшилася глибина деформованого шару і ступінь наклепу. Також відсутні перерозжарення, тріщини, раковини й інші дефекти. На рис. 8 представлена мікроструктура поверхневого шару сталі 40 до ПМО й після обробки. Режими обробки наведено в табл. 4.

У даному розділі також розглянуто питання оптимізації нагрівання при ПМО, що дозволило одержати передаточні функції ланки автоматичного регулювання тепловий потік - температура попереднього нагрівання, ланки автоматичного регулювання швидкість обробки - температура попереднього нагрівання, й оптимізувати параметри нагрівання при заданих режимах різання.

У п'ятому розділі наведено опис методики розрахунку й результати ПМО робочої поверхні великого конуса засипного апарата доменних печей після наплавлення сормайтом №1. ПМО конуса виготовлялась на карусельному верстаті моделі
КУ–107 з діаметром планшайби 5500 мм (див. рис. 9). Діаметр основного конуса становив 4800 мм, а площа оброблюваних поверхонь 6 м2. Плазмотрон (рис. 3) для підігріву зрізуваного шару закріплювали на стійці різцетримача таким чином, щоб кінець плазмового струменя знаходився перед різцем на відстані 50 – 100 мм. Довжина струменя плазмотрона, що працює на прямій або зворотній полярності, становила 150 – 250 мм. За цих умов у момент проходження нагрітого шару вершиною різця із твердосплавною пластинкою Т15К6 температура поверхні наплавленого сормайта становила 600 – 800 ?С. Із графіка (рис. 10) видно, що при нагріванні сормайта вище 500 – 600 ?С твердість його різко знижується. Це дозволило обточувати наплавлені поверхні за таких режимів різання: глибині різання 1,5–3 мм, подачі
1,5 – 2,5 мм/об, швидкості різання 3 – 6 м/хв. За цих режимів різання стійкість різців (рис. 11) становила 80 – 90 хв, а спрацювання різця по задній грані 2,5–3 мм. Поверхня конуса, що піддається плазмово-механічній обробці, не мала ніяких змін у твердості й структурі наплавленого шару. Застосування ПМО конусів, наплавлених сормайтом, скоротило трудомісткість їхнього відновлення більше ніж в 4 рази.

Наведена в розділі методика розрахунку параметрів ПМО деталей, наплавлених сормайтом, базується на формулі Н.Н. Рикаліна, наданій для розрахунку температури нагрівання в будь-якій точці тіла. Після її перетворення і введення додаткових значень отримані вирази дозволяють визначати ширину і глибину залягання будь-якої температурної ізотерми, яка нас цікавить, в зоні обробки. В результаті з'являється можливість установлювати подачу і глибину різання з урахуванням ширини і глибини ізотерми знеміцнювання.

ЗАГАЛЬНІ ВИСНОВКИ

1. 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. Розв'язання 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.

2. 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.

3. 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.

4. 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.

5. 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.

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

7. 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.

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

9. 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.

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

11. 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.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ ДИСЕРТАЦІЇ
ОПУБЛІКОВАНИЙ У РОБОТАХ

1. Корсунов К.А., Гаврыш В.С., Чаленко А.В. Особенности плазменно-механической обработки деталей // Ресурсозберігаючі технології виробництва обробки тиском матеріалів у машинобудуванні: В 2-х ч. Ч 1. – Луганськ: Вид. СНУ ім. В. Даля. – 2004. – С. 111–116.

Автор брав участь в експериментальних дослідженнях й опрацюванні результатів досліджень.

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

Автором розраховані режими нагрівання деталей та параметри точіння.

3. Дзюба В.Л., Корсунов К.А., Гаврыш В.С. Исследование коэффициента сосредоточенности и диаметра пятна нагрева при плазменно–механической обработке // Разработка полезных ископаемых: Зб. наук. пр. – Алчевськ: ДонДТУ. – 2005. – Вип.19. – С. 174–180.

Автор брав участь в експериментальних дослідженнях й опрацюванні результатів досліджень.

4. Дзюба В.Л., Корсунов К.А., Гаврыш В.С. Исследование эффективности нагрева заготовки при плазменно–механической обработке // Прогресивні технології і системи машинобудування: Міжнародний зб. наук. пр. – Донецьк: ДонНТУ. – 2005. – Вип.29. – С. 77–80.

Автором розроблені режими нагрівання заготовок.

5. Дзюба В.Л., Корсунов К.А., Гаврыш В.С. Исследование зоны разупрочнения от нагрева плазменной струей при плазменно–механической обработке и определение рациональных режимов // Нові матеріали й технології в металургії та машинобудуванні. – Запоріжжя. – 2005. – №2. – С. 74–76.

Автором виконано розрахунок режимів ПМО.

6. Дзюба В.Л., Корсунов К.А., Подгорная Н.А., Гаврыш В.С. Результаты исследования нагрева сплава титана // Вісник східноукраїнського національного університету імені Володимира Даля. – 2005. – №7(89). – С. 82–88.

Автор брав участь у розробці плазмового джерела.

7. 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.

Особисто здобувачеві належать результати експериментальних досліджень.

8. Дзюба В.Л., Хаустова А.В., Гаврыш В.С. Тепловая эффективность плазменного нагрева при обработке металлов резанием // Восточно-Европейский журнал передовых технологий. – Харків. – 2006. – 3/2 (21). – С. 72–73.

Автором установлено теплову ефективність плазмового нагрівання для сталі 3Х18Н8Т.

9. Гедрович А.И., Корсунов К.А., Гаврыш В.С. Установка плазменного напыления оснастки для производства литого карбида вольфрама // Вісник східноукраїнського національного університету. – 2002. – №11(57). – С. 212–216.

Автор брав участь у розробці плазмотрона й обробці експериментальних результатів.

10. Дзюба В.Л., Корсунов К.А., Гаврыш В.С. Повышение эффективности работы плазмотрона для напыления // Матеріали Міжнародної техн. конф. “Современные технологии, материалы, машины и оборудование”. – Могильов: МДТУ. – 2002. – С. 48–49.

Автор брав участь у розробці плазмового джерела.

11. Пути совершенствования плазмотронов для поверхностной обработки деталей / К.А. Корсунов, П.Ю. Дмитриев, В.С. Гаврыш, В.А. Волков // Матеріали V Міжнародної практичної конференції-виставки “Технологии ремонта, восстановления, упрочнения и обновления машин, механизмов, оборудования и металлоконструкций” (Ремонт 2003). - Санкт-Петербург: СПбДПУ. – 2003. – С. 123–125.

Автором виконано розрахунок щодо зміни геометрії катодного вузла.

12. Корсунов К.А., Гаврыш В.С. Плазменно-механическая обработка материалов // Тези доповідей І Міжнародної науч.-техн. конф. “Машиностроение и металлообработка – 2003”. – Кіровоград: КДТУ. – 2003. – С. 109–111.

Автором розроблено методику ПМО матеріалів.

13. Плазмотроны для обработки материалов / В.Л. Дзюба, К.А. Корсунов, В.С. Гаврыш, В.А. Волков // Матеріали VII Міжнародній практичної конф.-виставки “Технологии ремонта, восстановления и упрочнения деталей машин, механизмов, оборудования, инструмента и технологической оснастки”. – Санкт-Петербург: СПбДПУ. – 2005. – С. 133–134.

Автор брав участь у розробці плазмотронів та в експериментальних дослідженнях.

14. Применение плазмотронов косвенного действия для плазменно-механической обработки материалов / В.Л. Дзюба, К.А. Корсунов, В.С. Гаврыш, Е.А. Ашихмина // V ювілейна промислова конференція з міжнародною участю й бліц-виставкою “Эффективность реализации научного, ресурсного и промышленного потенциала в современных условиях”. – К.: УІЦ “НАУКА. ТЕХНИКА. ТЕХНОЛОГИЯ”. – 2005. – С. 52–54.

Автор брав участь у експериментальних дослідженнях.

15. Гаврыш В.С., Хаустова А.В. Плазменно-механическая обработка в машиностроении и перспективы ее развития // Матеріали IV міжнар. науково-техніч. конф. “Важке машинобудування. Проблеми та перспективи розвитку”. – Краматорськ: ДДМА. – 2006. – С. 14.

Автор брав участь в експериментах щодо здійснення методу нагрівання поверхні комбінованими плазмовими потоками.

16. Гаврыш В.С., Корсунов К.А., Хаустова А.В. Плазменно–механическая обработка деталей наплавленных сормайтом // Технологии XXI века: Зб. наук. пр. за матеріалами ХІІІ міжнар. науково-методич. конф. / Під ред. д.т.н., проф. Захарова Н.В. – Суми: СНАУ, 2006. – С. 69–70.

Автором виконано розрахунок температури нагрівання сормайта й оптимальних параметрів різання.

17. Дзюба В.Л., Гаврыш В.С. Плазменно-механическая обработка конуса засыпного аппарата доменных печей // VII Международна промислова конференція “Эффективность реализации научного, ресурсного и промышленного потенциала в современных условиях”. – К.: УИЦ “НАУКА. ТЕХНИКА. ТЕХНОЛОГИЯ”. – 2007. – С. – 71–73.

Автором виконано розрахунок температури нагрівання сормайта й оптимальних параметрів різання.

АНОТАЦІЯ

Гавриш Володимир Сергійович. Підвищення ефективності плазмово-механічної обробки високоміцних сталей і сплавів. – Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.03.06 – “Зварювання та споріднені процеси і технології”. – Національний технічний університет України „КПІ”. – Київ, 2007.

Дисертація присвячена підвищенню ефективності плазмово-механічної обробки високоміцних сталей і сплавів. У роботі наведено методику розрахунку плазмотронів для плазмово-механічної обробки (ПМО), яка дозволила розробити високотехнологічний плазмотрон з порожнистими “холодними” електродами, що працюють як на прямій, так і на зворотній полярностях підключення до джерела електроживлення. Конструкція порожнистого внутрішнього електрода секціонована, що дозволяє розподіляти потенціал по двох секціях, знижуючи струмове навантаження в місці прив'язки дуги. Розроблений плазмотрон для ПМО працює на повітрі й розрахований на потужність 60 кВт і струм дуги 400 А. Ресурс роботи плазмотрона становить понад 100 годин, а середньомасова температура повітряної плазми дорівнює ~ 5000 К.

Дослідження дозволили довести, що ПМО важкооброблюваних матеріалів дозволяє збільшити продуктивність в 4 – 5 разів і стійкість різального інструменту в
2 – 3 рази. Запропонована методика визначення параметрів ПМО деталей, наплавлених сормайтом, дозволила розробити технологію обробки робочих поверхонь конуса й чаші засипних апаратів доменних печей після наплавлення сормайтом №1.

Результати роботи