Особенности применения плазменного нагрева при обработке труднообрабатываемых материалов резанием

УДК 621.9

Особенности применения плазменного нагрева при обработке труднообрабатываемых материалов резанием

М. Т. Коротких, Л. А. Ушомирская

В настоящее время обработка труднообрабатываемых материалов с предварительным нагревом срезаемого слоя признана наиболее рациональным средством повышения производительности или стойкости режущего инструмента. На рынке появились специализированные токарные станки с ЧПУ, оборудованные системами лазерного нагрева срезаемого слоя. Технические возможности этих станков позволяют производить обработку твердых сталей, различных наплавок, металлоке-рамических материалов при небольшой величине припуска, что связано с особенностями обрабатываемых заготовок и условиями лазерного нагрева.

Развитие горнодобывающей промышленности, тяжелого машиностроения предполагает применение крупногабаритного оборудования, часть деталей которого выполняется из особо прочных труднообрабатываемых материалов, таких как марганцовистые стали, хромистые чугуны, стали перлито-мартенситного класса и т. д. При этом припуски, подлежащие удалению резанием, иногда превышают 30 мм.

Восстановление и развитие машиностроения в нашей стране должны не только опираться на последние достижения зарубежных стран, но и учитывать опыт применения прогрессивных методов обработки в отечественной промышленности и достижения прикладных наук. В области исследования и применения плазменно-механической обработки в нашей стране были получены уникальные результаты, которые по ряду причин оказались невостребованными в течение более чем 20 лет.

В настоящее время потребности практики вынуждают применять плазменно-механиче-скую обработку, которая зачастую выполняется методом проб и ошибок, что не гарантирует получение положительного результата или снижает достижимый эффект. Мы считаем актуальным отметить основные особенности плазменного нагрева, определяющие его эффективность при обработке резанием. Эксперименты по применению плазменно-меха-нической обработки (ПМО), проводившиеся

в нашей стране, в частности в Политехническом университете, позволили разработать и исследовать ряд способов применения плазменного нагрева при обработке материалов точением, фрезерованием и строганием [1, 2]. При этом оказалось, что каждый метод обработки резанием требует специфического подхода к концепции нагрева и особенностям его реализации. Основная схема токарной обработки с плазменным подогревом (рис. 1, а) предполагает расположение плазмотрона перед резцом на некотором расстоянии Ь, определяемом исходя из условий нагрева, и направлением теплового потока на поверхность резания. В случае обработки цилиндрических поверхностей (рис. 1, а) такую схему легко реализовать при условии закрепления плазмотронодержателя на суппорте токарного станка. Однако при обработке конических поверхностей или подрезании торцов заготовок большого диаметра траектории движения инструмента и плазмотрона не параллельны (рис. 1, б), что требует применения специального манипулятора для перемещения плазмотрона согласованно с инструментом.

Нагрев можно обеспечивать как плазмотронами прямого действия (заготовка включена в электрическую цепь плазменного тока и является анодом), так и плазмотронами косвенного действия (анод и катод находятся внутри корпуса плазмотрона). Применение плазмотронов косвенного действия для ПМО не получило распространения ввиду их более низкого термического КПД нагрева (до 40 %). При нагреве плазмотронами прямого действия КПД нагрева может доходить до 70 %, что подтверждено непосредственным калори-метрированием образцов из стали при нагреве плазменной струей, движущейся со скоростями, равными скоростям резания, которые применяются на практике.

В то же время при обработке точением прерывистых поверхностей, при строгании заготовок возникает проблема гашения и повторного зажигания плазменной дуги, которая при применении плазмотронов прямого

Рис. 1. Основные схемы плазменно-механнческой обработки: а — плазменно-механическое точение цилиндрической поверхности:

V — скорость перемещения пятна плазменного нагрева относительно заготовки при точении;

б — плазменно-механическое точение конической поверхности; в — фрезерование кромки листа с плазменным сплавлением части припуска:

В8 — скорость перемещения пятна плазменного нагрева относительно заготовки при фрезеровании;

г — концевое фрезерование с нагревом поверхностного слоя заготовки магнитоуправляемой плазменной дугой:

I — расстояние от пятна нагрева до зоны резания;

д — торцевое фрезерование с нагревом срезаемого слоя плазменной дугой перемещаемой механически и в переменном магнитном поле:

В — ширина торцевого фрезерования и ширина пятна нагрева за счет механического перемещения плазменной дуги; Ь — ширина пятна нагрева за счет перемещения плазменной дуги в переменном магнитном поле

действия решается за счет существенной модернизации оборудования. При этом резко снижается стойкость катодов плазмотрона, разрушающихся при переходных процессах зажигания дуги. Поэтому применение плазмотронов косвенного действия может быть оправдано в некоторых случаях, особенно при обработке неэлектропроводных материалов.

При использовании плазменного нагрева при фрезеровании заготовок, основные схемы которого представлены на рис. 1, в—д, движение плазмотрона относительно заготовки происходит с относительно малой скоростью, обычно менее 2 м/мин. Высокая концентрация энергии в плазменной дуге может не только нагревать, но и плавить поверхностные слои, что иногда можно эффективно использовать, сплавляя или отрезая часть припуска и эффективно

удаляя оставшуюся часть, находящуюся в горячем состоянии

ми

А

\ 1 | 1 2 1 3

! '-

Рис. 2. Электромагнитная отклоняющая система

механических систем, обеспечивающих перемещение пятна нагрева по всей обрабатываемой поверхности (рис. 1, д).

Электромагнитная отклоняющая система (рис. 2) состоит из наконечников 1, расположенных в зоне плазменной струи, представляющих собой часть магнитопровода 3, магнитное поле в котором создается при прохождении переменного электрического тока в катушках системы 4. Управляя величиной тока, можно регулировать напряженность магнитного поля в зоне плазменной дуги и, следовательно, амплитуду ее отклонения. Магнитная система оснащается водяной системой охлаждения 5 магнитопровода и экраном 2, защищающим катушки от воздействия излучения и конвективного потока, отходящих из зоны нагрева раскаленных газов.

При использовании плазменного подогрева основной проблемой является значительное количество управляющих параметров процесса. Кроме рациональных параметров процесса резания необходимо устанавливать такие параметры, как мощность плазменной дуги, расстояние от зоны нагрева до зоны резания, размеры и расположение зоны нагрева относительно ширины поверхности резания (при точении) или обрабатываемой поверхности (при фрезеровании).

Отличием плазменного нагрева от других видов нагрева, применявшихся при обработке резанием труднообрабатываемых материалов, является его высокая интенсивность, что обеспечивает термический цикл, состоящий из фазы быстрого нагрева поверхностных слоев металла до температур, которые превышают температуры структурно-фазовых превращений в материале заготовки, и фазы быстрого охлаждения за счет теплоотвода в холодный материал массивной заготовки. При этом в ряде сталей происходят структурно-фазовые превращения, характерные для закалочных процессов (рис. 3). Это надо учитывать, выбирая

III

-и<-

II

"Т"

Рис. 3. Изменение температуры поверхностных слоев заготовки при плазменном нагреве т:

1 — изменение температуры поверхности заготовки при нагреве и охлаждении; 2 — граница начала перлит-но- бейнитных превращений; 3 — граница окончания перлитно-бейнитных превращений; АС3 — температура аустенитного превращения; мк — температура окончания мартенситного превращения

оптимальный интервал температур обработки резанием. Так, при расположении фрезы в зоне I в поверхностных слоях обрабатываемого материала имеют место закалочные превращения, образуется мартенситная структура, фрезерование которой может даже ухудшать обрабатываемость резанием. Правильное расположение фрезы относительно плазмотрона в зоне II позволяет производить обработку аустенитной структуры, которая сохраняется в стали при охлаждении вплоть до температуры начала мартенситного превращения мн. У многих труднообрабатываемых сталей эта точка достигается при относительно низких температурах (200-250 °С), возникают благоприятные условия обработки переохлажденного аустенита, имеющего твердость НВ 100-150. Это позволяет существенно повысить режимы резания, иногда в 10 раз и более [3]. Приближение зоны нагрева к инструменту и удаление припуска при больших температурах (зона III) нецелесообразны, так как при этих температурах аустенит имеет такую же твердость, как в зоне II, но температура резания повышается. Следует отметить, что в высокомарганцовистых сталях (Г13Л, 45Г17Ю3) аустенитная структура сохраняется при охлаждении вплоть до комнатной температуры. Однако при низких температурах такой аустенит неустойчив и при пластической деформации, сопровождающей обработку резанием, распадается с образованием мартенсита. Поэтому

1

т

обработку подобных сталей целесообразно проводить при температурах 200-300 °С, естественно, если в материале припуска произошел закалочный цикл нагрева-охлаждения.

Надо отметить важность термического цикла в поверхностных слоях заготовки при плазменном нагреве. Эксперименты показали, что нагрев поверхностных слоев до рациональных температур обработки при ПМО каким-либо другим методом, например газовыми горелками или токами высокой частоты, не приводит к разупрочнению материала. Для расчета температуры нагрева поверхности заготовки в зоне обработки можно использовать упрощенную формулу, полученную при линейной схематизации источника нагрева, так как при относительно большом расстоянии от источника, значительно превышающего его размеры, температура поверхности практически не зависит от принимаемой в расчетах схематизации источника тепла [4]:

т = Ч—,

где д — интенсивность линейного источника тепла; X — коэффициент теплопроводности обрабатываемого материала; ю — коэффициент температуропроводности; У — скорость перемещения заготовки относительно инструмента и плазмотрона.

Эффект термического цикла целесообразно использовать и при обработке точением, если выбирать режимы нагрева таким образом, чтобы зона аустенизации не выходила на обрабатываемую поверхность, но пересекала зону прохождения лезвия инструмента (рис. 4, а). Тогда за счет низкой твердости срезаемого слоя обычно увеличивается усадка стружки и, соответственно, зона контакта стружки с передней поверхностью режущего лезвия, что приводит к резкому снижению контактного давления и повышению стойкости инструмента. Если же расположить режущее лезвие относительно далеко от зоны нагрева, например в соответствии с зоной 1 (рис. 3), то лезвие инструмента будет пересекать закаленные слои материала, в результате возможно его разрушение или быстрое изнашивание. В некоторых случаях удаление материала припуска при точении целесообразно производить при закалочных превращениях во внешних слоях срезаемого слоя (рис. 4, б), то есть во внешних слоях стружки, что приводит к ее дроблению. Это может быть рациональным решением, когда сливная стружка представляет серьезную проблему

Рис. 4. Схемы расположения зоны структурно-фазовых превращений при плазменно-меха-ническом точении: а — нагрев при расположении аустенитной зоны в срезаемом слое материала: 1 — плазменная струя; 2 — зона аустенита;

б — нагрев при расположении зоны закалки (мартенсита) в срезаемом слое: 1 — плазменная струя; 2 — зона мартенсита;

в — зона аустенита в срезаемом слое при нагреве плазменной дугой перемещаемой в переменном магнитном поле; г — расположение зоны закалки при выходе ее на обработанную поверхность: 1 — плазменная струя; 2 — зона мартенсита

для автоматизации производства или опасность для обслуживающего персонала. Но и в данном случае рационально обеспечивать глубину структурно-фазовых превращений в срезаемом слое так, чтобы вершина лезвия не пересекала мартенситную структуру.

Несколько другой эффект, обеспечивающий повышение производительности, наблюдается при плазменном нагреве сплавов, не испытывающих структурно-фазовых превращений в термическом цикле. В этом случае эффективность нагрева определяется степенью разупрочнения сплава при нагреве, которая должна обеспечиваться в интервале температур термоустойчивости материала инструмента. Этим объясняется практическое отсутствие эффективности обработки с плазменным нагревом ряда жаропрочных сплавов, так как их разупрочнение происходит при высоких температурах, когда стойкость инструментальных материалов резко снижается.

Таким образом, при плазменно-механи-ческой обработке установление параметров плазменного нагрева может полностью определять эффективность процесса. Поэтому необходимо контролировать термический цикл каждой зоны в поперечном сечении срезаемого слоя и его температуру в зоне обработки резанием. Такой контроль вряд ли возможен

в производственных условиях. Если температуру поверхности заготовки при ее приближении к зоне резания можно контролировать дистанционно, например с помощью пирометров или тепловизоров, то термический цикл в различных точках срезаемого слоя можно определять только расчетным путем, основываясь на некоторых теоретических предпосылках и результатах экспериментальных исследований.

При нагреве плазменной дугой плазмотрона прямого действия, сканирующей поверхность заготовки с частотой 50 Гц, источник нагрева можно схематизировать как быстродвижущий-ся, равномерной интенсивности, прямоугольной формы. Экспериментально установлено, что термический КПД такого нагрева составляет « 50 %. Такая схема нагрева является рациональной при цилиндрическом фрезеровании кромок листовых заготовок толщиной до 60 мм (см. рис. 1, г). При торцевом же фрезеровании, если глубина структурно-фазовых превращений в материале припуска меньше толщины удаляемого слоя, вершины зубьев фрезы срезают недостаточно разупрочненный материал, что может приводить к их интенсивному износу (см. рис. 1, д).

Схему нагрева плазменной струей, сканирующей в переменном магнитном поле, иногда рационально применять и при точении. Например, при удалении больших неравномерных припусков на деталях из высокомарганцовистой стали (110Г13Л) рационально уменьшать угол в плане ф, увеличивая ширину срезаемого слоя при уменьшении его толщины. При этом зона нагрева устанавливается так, чтобы она охватывала всю ширину поверхности резания при максимальной величине припуска, частично выходя на обрабатываемую поверхность при уменьшении припуска (рис. 4, в).

При нагреве концентрированной плазменной дугой условия нагрева могут существенно меняться в зависимости от мощности плазменной дуги и скорости ее перемещения относительно заготовки. При образовании канавки выплавления на поверхности резания сечение срезаемого слоя может значительно сокращаться, что приводит к уменьшению сил резания, при этом расчет изменения температуры в слоях срезаемого слоя, прилегающих к обрабатываемой поверхности, следует производить, исходя из условия отсутствия на обработанной поверхности закалочных структур. Теоретически можно было бы производить нагрев

таким образом, чтобы поверхностные слои заготовки испытывали фазовоструктурные превращения на глубину, большую, чем глубина резания (рис. 4, г). Тогда можно было бы совмещать обработку резанием с поверхностной закалкой, однако это требует очень точного соблюдения всех условий фазово-структурных превращений и может быть реализовано в условиях адаптивного управления процессом.

Поэтому обоснованный выбор условий нагрева при ПМО определяет максимальную эффективность процесса. Проведенные экспериментальные исследования и опыт применения процесса ПМО в промышленности показывают, что повышение производительности обработки марганцовистых аустенитных сталей может достигать 9-12 раз, например при точении стали 110Г13Л или концевом фрезеровании кромок листов из стали 45Г17Ю3.

Особенно большой эффект достигается при точении и фрезеровании конструкционных легированных высокопрочных сталей перлито-мартенситного класса, обрабатываемых при термическом цикле в материале срезаемого слоя, обеспечивающем состояние переохлажденного аустенита в момент обработки резанием.

Опыт применения ПМО в промышленности показал, что использование успешного опыта обработки конкретного сплава при работе с другими материалами, даже похожими по химическому составу и структуре, невозможно без специальных экспериментальных исследований и оптимизации условий нагрева и резания.

Литература

1. А. с. № 856 717 СССР, МКИ В23К31/10. Способ плазменно-механической обработки / М. А. Шате-рин, М. Т. Коротких, И. С. Шапиро и др. № 2834094; заявл. 25.10.79; опубл. 28.08.81. Бюл. № 31. 3 с.

2. А. с. № 1203768 СССР, МКИ В23В1/00. Способ плазменно-механической обработки/В. И. Кочкин, М. Т. Коротких, Н. М. Соколов и др. № 3726363; заявл.16.04.84; опубл. 07.01.86. Бюл. № 46. 2 с.

3. А. с. №982 847 СССР, МКИ В23В1/00. Способ механической обработки заготовок из сталей с нагревом срезаемого слоя/М. А. Шатерин, М. Т. Коротких, Л. Д. Казмина. № 3246695; заявл. 12.0281; опубл. 23.12.82. Бюл. № 47. 3 с.

4. Обработка металлов резанием с плазменным нагревом/Н. А. Резников, М. А. Шатерин, В. С. Ку-нин и др.; Под общ. ред. Н. А. Резникова. М.: Машиностроение, 1986. 232 с.