Установка для плазменного поверхностного упрочнения деталей из стали и чугуна

Полезная модель относится к области металлообработки и термообработки, конкретно, к плазменной поверхностной обработке (закалка, химико-термическая обработка) поверхностей изделий из стали и чугуна; относиться к машиностроению и предназначено для поверхностного упрочнения деталей.
х
Известно, что поверхностное упрочнение (закалку) деталей производят газовыми горелками, индукторами ТВЧ, лазерным лучом и др. источниками поверхностного нагрева. С 80 годов распространение получила плазменная закалка дугой прямого действия, которая горит между электродом (плазматроном) и изделием. При этом используется дуга прямой полярности, когда неплавящейся электрод является катодом, а изделие - анодом. (Металловедение и термическая обработка металлов, 1988, №12, с. 35 в статье "Упрочнение рабочих поверхностей чугунных деталей методом плазменного оплавления" авторов Н.С. Шепелева, М.В. Селиванова и др.).
Известно техническое решение по патенту РФ №2313581, МПК C21D 1/09, опубл. 27.12.2007 правообладатель ООО "Композит", в котором описано техническое решение для поверхностной закалки изделий путем перемещения по поверхности изделия плазменной дуги прямого действия, возбуждаемой между электродом и изделием, при этом плазменную закалку выполняют на обратной полярности, когда электрод является анодом, а изделие - катодом. Известное техническое решение имеет существенные недостатки: невозможно контролировать и стабилизировать дугу, на расстоянии от сопла до изделия в диапазоне от 8 до 20 мм. В этом диапазоне плазматрон не гарантирует устойчивую дугу, невозможно проводить обработку дугой в труднодоступных местах закаливаемых деталей сложной конфигурации, невозможно обеспечить регулировку ширины и отклонения дуги от центра сопла без поворота плазматрона. Ток дуги составляет 60 А.
Наиболее близким к заявляемому техническому решению по технической сущности и достигаемому техническому результату является техническое решение, описанное в патенте на полезную модель РФ №78193, МПК C21D 1/09, опубл. 20.11.2008) правообладатель ООО "Электронные системы безопасности». Описанный способ принят за прототип.
Устройство содержит систему подачи рабочего газа, изолятор, катодный узел, сопло, включает один или два малогабаритных плазматрона прямого действия, устройства для крепления, поворота и настройки плазматрона в процессе работы; систему охлаждения сопла плазматрона, сканирующее устройство дуги, включающее генератор, электромагнитную катушку и ферромагнитные губки; выпрямитель с падающей внешней характеристикой и напряжением холостого хода 80-90 В; один или два пульта управления со встроенным осциллятором и измерительными приборами - амперметр, вольтметр, указатель положения переменного напряжения на катушке, регулятор постоянного напряжения на катушке. Ток дуги составляет 250-350 А.
Существенные недостатки технического решения принятого за прототип заключаются в следующем:
1. Для особо нагруженных узлов плазмотрона (катода и анода), сканирующего устройства дуги используется водяное охлаждение. Это усложняет конструкцию плазмотрона и сканирующего устройства, требующих высокой герметизации водяных каналов с использованием, как сменных резиновых прокладок, так и созданием неразъемных узлов охлаждения. Требуется дополнительный блок контроля управлением процессом охлаждения плазмотрона. В целом все устройство нельзя использовать при работе в условиях отрицательных температур. Все это снижает технологические возможности и надежность работы устройства.
2. Используются источники тока типа ВДУ 504(506) с напряжением холостого хода не более 80 В. Это не позволяет получить длину дуги более 20 мм, т.к в источнике тока нет запаса по напряжению холостого хода с увеличением длины дуги, а следовательно и нет возможности получения боле широких дорожек упрочнения свыше 20 мм с целью увеличения производительности обработки.
3. Источники тока типа ВДУ 504(506) с напряжением холостого хода не более 80 В, обеспечивают процесс образования плазменной дуги только на аргоне. Для образования плазменной дуги с целью химико-термической обработки поверхности с использованием таких газов, как воздух, азот, углекислый газ, водород, пропан и т.д. необходимы источники питания с напряжением холостого хода как минимум 120 В (Быховский Д.Г. Плазменная резка. - Л.: Машиностроение, 1972. - 168 с.).
4. Для увеличения производительности обработки, необходимо увеличить электрическую мощность плазменной дуги Рэф=⋅I⋅U, где U - напряжение на дуге, В; I - сила тока, А (Быховский Д.Г. Плазменная резка. - Л.: Машиностроение, 1972. - 168 с.), которая в данном техническом решении возможно только за счет увеличением силы тока, а это увеличивает тепловые потоки в анод и катод плазмотрона и требует интенсивного охлаждения данных узлов. Все это сопровождается усложнением конструкции плазмотрона и увеличение габаритных и массовых параметров источников питания установки.
В основу настоящего решения положена задача повышение производительности работ, расширение технологических возможностей и упрощение конструкции устройства для плазменной закалки изделий из стали и чугуна.
Поставленная задача решается следующим образом, предлагается техническое решение для поверхностной закалки изделий путем перемещения по поверхности изделия плазменной дуги прямого действия, возбуждаемой между электродом и изделием. Установка содержащее систему подачи рабочего газа, изолятор, катодный узел, сопло, включает один или два малогабаритных плазматрона прямого действия, устройства для крепления, поворота и настройки плазматрона в процессе работы, систему водяного охлаждения сопла и ферромагнитных губок плазматрона, сканирующее устройство дуги, включающее генератор, электромагнитную катушку и ферромагнитные губки, выпрямитель с падающей внешней характеристикой и напряжением холостого хода 80-90 В, один или два пульта управления со встроенным осциллятором и измерительными приборами, указатель положения переменного напряжения на катушке, регулятор постоянного напряжения на катушке, отличающееся тем, что используется инвертор постоянного тока с крутопадающей падающей внешней характеристикой и напряжением холостого хода 120-320 В, система охлаждения сопла воздушно-принудительное, в качестве плазмообразующего газа используется воздух, катодный узел состоит из составного термохимического катода. Для поддержания и контроля основных параметров режима работы установки используется промышленный логический контроллер (ПЛК). Кроме того, в качестве плазмообразующего газа можно использовать различные по составу смеси газов (азот + углекислый газ, воздух + углекислый газ и т.д).
Достижение технических результатов заявляемого решения обеспечивается тем, что:
1. Вместо выпрямителя типа ВДУ-504, ВДУ-506 с пологопадающей вольт-амперной характеристикой (ВАХ) используется инверторный источник постоянного тока с крутопадающей характеристикой, имеющий напряжение холостого хода 120-340 В. Это позволяет получать длину плазменной дуги свыше 20 мм. При этом ширина дорожки (площадь обработки) увеличивается до 45-50 мм (Фиг. 1), за счет возможности увеличения устойчивости горения плазменной дуги, т.е. расстояния между плазматроном и обрабатываемым изделием до 40-50 мм. Чем больше напряжение холостого хода, тем больше можно получить устойчивую дину плазменной дуги. В отличие от трансформаторов и выпрямителей, у инверторов отсутствует силовой трансформатор. Работа сварочного инвертора построена на принципе фазового сдвига (инверсии) напряжения, осуществляемого электронной микропроцессорной схемой с покаскадным усилением тока (обычно микропроцессором типа IGBT). За счет применения такого принципа удается получить широкий спектр вольт-амперных характеристик - от крутопадающей до возрастающей - с очень гладкой кривой тока, отклонения которого снижены до уровня десятых долей процента. В инверторе нет силового трансформатора, а значит, нет внутренних потерь на перемагничивание железа, на нагрев обмоток при взаимодействии их электромагнитных полей, на поглощение части электромагнитной индукции регулировочным шунтом - то есть КПД инвертора просто несопоставим с КПД обычного сварочного трансформатора или выпрямителя. Благодаря высокой частоте, вес и размеры силового трансформатора снижаются в разы по сравнению с традиционными сварочными трансформаторами и выпрямителями.
2. Использование инверторного источника постоянного тока, с крутопадающей характеристикой имеющего напряжение холостого хода 120-340 В дает возможность увеличить рабочего напряжения на дуге, что позволяет получить максимальную глубину закалки, при этом тепловложение на единицу площади остается примерно постоянным. Тепловложение на единицу площади первом приближении можно оценить по электрической мощности, вкладываемой в дугу: (Быховский Д.Г. Плазменная резка. - Л.: Машиностроение, 1972. - 168 с.): Рэф=IU, где U - напряжение на дуге, В; I - сила тока. Увеличение рабочего напряжение на дуге, позволяет сохранить тепловложение на единицу площади, без необходимости использовать больших токов 250-350 А, что упрощает, в общем и целом, конструкцию установки, и в частности систему охлаждения катодного и анодного узла за счет их воздушно-принудительного обдува, а также снижает стоимость оборудования. Так например, в прототипе электрическая мощность плазменной дуги составляет Рэф=250 А⋅40 В=10 кВт. Для заявляемого технического решения с целью сохранить такое же тепловложение на единицу площади Рэф.=10 кВт, достигается при напряжении на дуге 145 В сила тока составит всего 70 А. Снижение токовой нагрузки в 3,5 раза, позволяет отказаться от водяного охлаждения катодного и соплового узла плазмотрона и существенно упростить конструкцию использовав воздушное охлаждение этих узлов. Известно, что в установках плазменной резки работающих на токах до 160 А катодный узел и сопло плазменного резака эффективно охлаждаться воздушно-принудительным способом за счет воздуха забираемого из магистрали идущей на плазмообразование. (Быховский Д.Г. Плазменная резка. - Л.: Машиностроение, 1972. - 168 с.)
1-
2
3. Длина дуги связана с ее напряжением: чем длиннее сварочная дуга, тем выше напряжение. Повышая напряжение, мы увеличиваем эффективную тепловую мощность плазменно-дугового нагрева, при этом увеличение напряжения не приводит к существенному увеличению нагрева катодного и анодного узла плазмотрона в сравнении увеличением тока. Далее, чем круче ВАК, тем меньше влияет длина сварочной дуги на сварочный ток. При изменении напряжения на величину δ при крутопадающей характеристике изменение тока равно a минимально, тепловая мощность дуги, идущая на нагрев катодного и анодного узла, изменяется незначительно. При пологопадающей ВАХ изменение напряжения на величину δ приводит к изменению тока, равному - а, что вызывает существенное изменение тепловой мощности дуги идущая на нагрев катода и анода. При пологопадающих характеристиках источника питания колебания напряжения на дуге будут вызывать колебания тока дуги. Самопроизвольные колебания тока плазменной дуги - крайне нежелательное явление. Они вызывают, с одной стороны, нарушение технологических параметров процесса плазменной обработки, а с другой - нарушение нормальной работы плазмотрона - образование так называемой двойной дуги. С учетом этого оптимальным являются крутопадающие характеристики источника тока. (Быховский Д.Г. Плазменная резка. - Л.: Машиностроение, 1972. - 168 с.)
4. В качестве плазмообразующего газа используется воздух, азот, другие молекулярные газы, имеющие высокие значения теплосодержания, и лучше преобразует электрическую энергию в тепловую. При рабочих температурах плазменной дуги, теплосодержание азота в пять раз больше, чем у аргона. (Ширшов И.Г., Котиков В.Н. Плазменная резка. Машиностроение, 1987 - 192 с). Снижение токовых нагрузок на катодный и анодный узел позволяет для охлаждения этих узлов использовать воздушное охлаждение, что существенно упрощает конструкцию установки.
6. Азот, кислород активнее взаимодействует с вольфрамом катода с образованием нитридов вольфрама, что снижает стойкость катодов. Вместо вольфрамовых катодов используются составные термохимические катоды на основе гафния и циркония
Таким образом, совокупность существенных признаков позволяет решить поставленную задачу повышение производительности работ, расширение технологических возможностей и упрощение конструкции устройства для плазменной закалки изделий из стали и чугуна. Предлагается техническое решение для поверхностной закалки изделий путем перемещения по поверхности изделия плазменной дуги прямого действия, возбуждаемой между электродом и изделием. При этом плазменную закалку выполняют на прямой полярности, сопло и ферромагнитные губки принудительно охлаждают воздухом, с помощью сканирующего устройства получают обжатую стабилизированную дугу, способную гореть в труднодоступных местах закаливаемых деталей сложной конфигурации, при перемещении дуги по поверхности детали за счет ее вращения или перемещения детали или перемещения самого плазматрона получают закаленную полосу, ширину которой регулируют. Возможно регулирование ширины полосы за счет изменения расстояния от торца плазматрона до изделия и/или напряжения на электромагнитной катушке сканирующего устройства. Предусмотрен режим отклонения дуги при неизменной фиксации плазматрона. Это позволяет обеспечить регулировку ширины и отклонения дуги от центра сопла без поворота плазматрона.
Пример осуществления заявляемого технического решения. Установка плазменной закалки (в дальнейшем УПЗ) предназначена для поверхностного упрочнения деталей из стали и чугуна. Упрочнение производится с целью увеличения твердости рабочей поверхности деталей и снижения их износа в процессе эксплуатации. В таблице 1 приведены значения твердости сталей после плазменной закалки, произведенной с помощью заявляемого технического решения в зависимости от массы и площади закаливаемой поверхности - разбег значений в единицах HRC.
3
За счет увеличения стойкости и уменьшения съема металла при переточке достигается увеличение срока службы деталей. УПЗ осуществляет процесс упрочнения с использованием воздуха как от цеховой магистрали, так и от стационарного компрессора с расходом 0,17 м/мин, на постоянном токе прямой полярности. В качестве источников питания током используются аппараты серии Сварог 160 на биполярных транзисторах с изолированным затвором (IGBT - Insulated GateBipolar Transistor) в комплекте с плазменным резаком CS141, предназначенные для плазменной резки металла толщиной 60 мм (фактическая длина дуги для процесса упрочнения), которые произведены на базе современной инверторной технологии. Благодаря использованию мощных биполярных транзисторах с изолированным затвором (IGBT - Insulated GateBipolar Transistor) и применению принципа широтно-импульсной модуляции (PWM), выпрямленное напряжение сети (100 Гц) преобразуется в высокочастотное переменное напряжение (100 КГц), которое подается на первичную обмотку силового ферритового трансформатора. Затем на вторичной обмотке получается переменное высокочастотное напряжение, которое преобразуется теперь уже в постоянное. Такой принцип работы позволяет использовать силовой трансформатор значительно меньшего размера и уменьшить вес инверторного оборудования (табл. 2), что ведет к увеличению КПД аппарата до 85%. Для возбуждения дуги используется встроенный в источник тока осциллятор, генерирующий высоковольтный, высокочастотный импульс напряжения. Данный аппарат отличается стабильной, надежной и эффективной работой, малыми размерами и низким уровнем шума в процессе работы. В качестве плазматрона прямого действия, т.е. плазменная дуга горит между катодом плазматрона и упрочняемым изделием используется плазменный резак CS141 с воздушным охлаждением катодного и анодного узла, на который одевается сканирующее электромагнитное устройство, позволяющее отклонять плазменную дугу и получать закаленную полосу шириной 45-60 мм (Фиг. 2). Это позволяет увеличить производительность процесса закалки. В то время как при использовании сканированной дуги в прототипе ширина закалки составляет 8-20 мм. Сканирование обеспечивает получение обжатой стабилизированной дуги, которая может гореть в труднодоступных местах закаливаемых деталей сложной конфигурации, включая, к примеру, шпоночные пазы, углы калибров, радиусы, гребни колес. Предусмотрен режим отклонения дуги электромагнитными катушками при неизменной фиксации плазматрона. Это позволяет регулировать ширину и отклонять дугу от центра сопла без поворота плазматрона. Такой режим обеспечивает возможность эксплуатации установки в ручном режиме при термообработке сложных поверхностей деталей. Катодный узел плазмотрона вместо вольфрамового катода состоит из составного термохимического катода (гафний или цирконий). С целью автоматизации процесс упрочнения и для поддержания и контроля основных параметров режима работы в установки используется промышленный логический контроллер. Установка компактна и предназначена для работы как в закрытых помещениях с искусственно регулируемыми климатическими условиями, так и на открытом воздухе. В таблице 2 представлены основные технические характеристики в сравнении с прототипом.
УПЗ изготовлена в исполнении УХЛЧ для работы в районах умеренного климата при температуре окружающего воздуха от -40°C до +40°C и относительной влажности воздуха до 80% при +25°C. Окружающая среда не должна быть взрывоопасной, не содержать пыли и паров в концентрациях, вызывающих сильную коррозию и разрушение металлов и изоляции.
Заявляемое устройство изготовлено ООО «Транс-Атом» г. Иркутск.