Плазменно-механическая обработка (ПМО)

[3].

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.

, (7.7)

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/м²;

k₁ – параметр

,(1/м²)

ω – коэффициент температуропроводности, м²/с

v – скорость резания, м/с.

Пример расчета температур при ПМО.

Исходные данные:

Материал заготовки – сталь 30Х2Н2М,

Теплофизические свойства:

λ = 22,6 Вт/м°С; ω = 0,05·10 ^–4м²/с; Θ_пл = 1480°С.

Характеристики источника нагрева:

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

Режим резания:

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;

Ширина ;

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)

Вт

Коэффициент сосредоточенности (формула 7.3)

1/м²

Постоянная времени нагрева (формула 7.6)

с.

Подставляя полученные данные в формулу, рассчитываем температуры.

	0,03	0,05	0,06	0,08	0,1	0,2	0,3
ΘZ = 0
ΘZ = 0,5
ΘZ = 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)

1/м²;

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.