[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 АС1 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; Θпл = 1480°С.
Характеристики источника нагрева:
I = 350 A, U = 130 B, dc = 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 Θпл = 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.
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 м2/с | сρ ·10 –6 Дж/(м3·°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.
Воздух (при нормальном давлении р = 0,1 МПа)
Θ,°С | λ·10 2, Вт/(м°С) | ω ·10 6 м2/с | ν ·10 6 м2/с | β ·10 4 1/°С | Рr |
2,59 2,83 3,21 3,56 3,93 4,27 4,60 4,91 | 21,4 25,7 33,6 42,1 51,4 61,0 71,6 81,9 | 15,06 17,95 23,13 28,94 34,85 40,61 48,33 55,46 | 34,1 30,9 26,8 23,6 21,1 19,1 17,4 16,0 | 0,703 0,698 0,688 0,683 0,680 0,677 0,674 0,676 |
Вода (на линии насыщения)
Θ,°С | λ·10 2, Вт/(м°С) | ω ·10 8 м2/с | ν ·10 6 м2/с | μ ·10 4 Па·с | β ·10 4 1/°С | Рr |
59,9 61,8 63,5 64,8 65,9 66,8 67,4 68,0 68,3 | 14,3 14,9 15,3 15,7 16,0 16,3 16,6 16,8 16,9 | 1,006 0,805 0,659 0,556 0,478 0,415 0,365 0,326 0,295 | 10,004 8,01 6,53 5,49 4,70 4,06 3,55 3,15 2,82 | 1,81 3,21 3,87 4,49 5,11 5,70 6,32 6,95 7,52 | 7,02 5,42 4,31 3,54 2,98 2,55 2,21 1,95 1,75 |