double arrow

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 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);

– 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

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 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 ν·10 6 м2 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 ν·10 6 м2 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

 







Сейчас читают про: