Технология плазменной обработки при разделении материалов

УДК 621.09.047

ТЕХНОЛОГИЯ ПЛАЗМЕННОЙ ОБРАБОТКИ ПРИ РАЗДЕЛЕНИИ МАТЕРИАЛОВ

Н.В. Сухоруков, Е.В. Смоленцев

В статье рассмотрены технические вопросы разделения материалов на материалосберегающих плазменных установках, раскрыты новые возможности получения точных деталей без последующей чистовой обработки. Показаны перспективы использования современного оборудования для плазменной обработки в различных отраслях машиностроения

Ключевые слова: плазменная обработка, разделение, безопасность работы, комбинированная обработка

Плазменное разделение и прошивка металлических материалов получила широкое распространение в машиностроении [1].

Современные установки (например, RUR 3500, производства Чехия) позволяют получать качественные (не требующие дополнительной обработки) кромки из листа с толщиной до 35 мм и производить прошивку или заготовительную разрезку материалов с толщиной до 70 мм, хотя имеются исследования по разрезке материалов толщиной до 380 мм. Используются напряжения резки от 170 до 180В. При этом применяются 3 диапазона рабочих токов: 78А (первый диапазон), 160А (второй диапазон), 220А (третий диапазон). На холостом ходе величина тока поддерживается около 30А.

Разделение выполняется на чистом кислороде, в качестве плазмообразующего вещества используют воздух и аргоноводородные смеси, охлаждение горячей зоны выполняется антифризом, в качестве горючей среды применяют ацетилен, пропан, природный газ.

На рис. 1, 2 приведены сведения для резки стали в среде кислород-пропан.

Рис. 1. Изменение скорости разделения

материала (1) и ширины реза (2) от толщины заготовки

Сухоруков Николай Владимирович - ВМЗ - филиал ФГУП «ГКНПЦ им. М.В. Хруничева», канд. техн. наук, тел. (4732) 34-82-33

Смоленцев Евгений Владиславович - ВГТУ, канд. техн. наук, доцент, тел. (4732) 42-77-41

Давление и расход пропана - постоянные (давление до 0,02 МПа, расход до 1л/мин).

Для воздуха давление 0,6-0,8 МПа, расход 4043 л/мин, смеси (аргон и водород) - давление 0,8 МПа, расход 46 л/мин. Охлаждающая среда (охлаждение горелки выпрямителя) имеет давление

0,4 МПа, расход 5 л/мин.

Для чистовой обработки (до толщины 35 мм) скорость разделения (рисунок 1) достаточно высокая (до 350мм/мин), а ширина реза не превышает 2 мм, что делает плазменную разрезку и прошивку конкурентоспособной относительно других способов разделения металлов.

Расход кислорода (рисунок 2) и других газов сохраняется в пределах 4-5 м3/час, что не значительно повышает стоимость операции. С учетом сохранения металла за счет снижения ширины реза плазменная прошивка и разрезка является экономически выгодной и перспективой для использования в комбинированных процессах [2], [3], [4].

Технологический процесс включает следующие этапы:

- подготовительный этап: Подбор горелок и сопел для прорезки и разделения материалов. Результат зависит от материала заготовки, толщины листа, топливного газа (пропан, ацетилен и др.); типа горелки (инжекторная, смесительная и др.). Регулировка скорости разделения и давления газов (рисунок 2). Зависит от требований к качеству поверхностного слоя зоны разделения, состояния горелок и сопел. Регулировку осуществляют составом, давлением газов и скоростью

плазменного резания. Регулировка интенсивности нагрева зависит от толщины разрезаемого

материала (для тонких листов требуется слабое

пламя) и выполняется за счет изменения давления (расхода) кислорода и топливного газа до достижения требуемого качества поверхностного слоя и равномерности ширины паза.

Плазмообразующий газ выбирается с учетом материала обрабатываемой заготовки. Для конструкционных сталей применяют воздух, обеспечивающий высокую производительность, слабое насыщение поверхностного слоя

кислородом и азотом, незначительную величину окалины на кромках, малую шероховатость

поверхности реза. Аналогичный газ может применяться для алюминиевых сплавов, легированных сталей, где для повышения качества поверхностного слоя его могут заменять более дорогой аргоно-водородной смесью, которая не дает образоваться грату на кромках детали и окалины.

Далее регулируется состояние режущей струи путем получения цилиндрической формы в центре нагревающего пламени за счет изменения расхода топливного газа и очистки сопла от продуктов горения.

Устанавливается расстояние между срезом сопла и заготовкой (табл. 1).

Таблица 1

Установочные параметры для регулировки

положения сопла относительно заготовки

Глубина паза, мм (толщина листа) Расстояние от среза сопла до заготовки (мм) для газов

Пропана Ацетиле- на

до 10 6 3

10-25 10 5

25-50 12 6

50-100 12 8

более 100 12 10

Примечание

Регулировка выполняется по моменту формирования ядра пламени на расстоянии 1 мм от заготовки

Затем устанавливается время прогрева начальной зоны места обработки. Оно зависит от состава топливного газа, профиля заготовки, правильности регулировки пламени.

Время, необходимое для прогрева, приведено в табл. 2.

- этап работы на станке. Крепление обрабатываемой заготовки (листа) на установочных базах на столе станка, контроль положения заготовки, токоподводов, наличия газов в системах станка. Настройка режимов обработки. Установка приводной каретки и горелки в начальное положение. Выбор режима обработки

(автоматический, ручной).

Таблица 2

Время прогрева места обработки в начале процесса

Глубина паза, мм (толщина листа) Время прогрева для газа, сек

Пропан Ацетилен

Изготовление Изготовление

Отверс- тий Пазов

До 20 34 8 30 5

До 50 53 10 50 8

До 100 80 14 78 10

- контроль качества обработки: отсутствие на детали внешних дефектов, местных неровностей (визуальное наблюдение, сравнение с образцами -эталонами). Точность изготовления отверстий, контура деталей (инструментальный контроль).

Для разрезки деталей по разметке, разделению по радиусам от 150 до 1500мм, угловой обработки (до 450) используют специальные тележки, пригодные как для ручной так и для автоматизированной обработки.

При плазменной обработке возникает повышенный уровень шума. Современные установки (станки) должны иметь предельный уровень, приведенный в табл. 3.

Таблица 3

Предельный уровень шума при разделении

Величина тока (А) до Толщина листа, мм Уровень на расстс от го пума (ДБ) )янии (м) релки

0,5 1,0

30 Холостой ход - 56

78 4 82 79

160 16 86 83

220 16 96 92

Особую группу технологических процессов представляет «строжка» плазменной струей с механической зачисткой поверхности [3] (рис. 3).

механической обработки

Такие схемы (рис. 3) используют при

комбинированной обработке крупных

металлических деталей, особенно из труднообрабатываемых сплавов.

Горелку 2 (рис. 3) устанавливают под углом а=25-400 к оси детали 1 так, чтобы дуга 3 воздействовала на поверхностный слой 4 детали 1, размягчала его и частично удаляла металл (слой 5). Следом за горелкой 2 перемещают инструмент 6 (для точения это может быть резец), который удаляет (частично или полностью) размягченный слой 4, выравнивает поверхность. При этом силы резания снижаются на порядок и более, а скорость удаления припуска многократно возрастает (для марганцевых сталей до 8 раз). Длина дуги при «строжке» выбирается в диапазоне 10-30 мм.

Имеются патенты [3],[4] на применение плазменных источников для локального нагрева стали и чугуна перед электроэрозионным нанесением качественных слоев, необходимых для восстановления геометрии изношенных деталей. Здесь требуется получить заданный нагрев участка, при котором не нарушается сплошность поверхностного слоя (отсутствуют микротрещины,

отбеленный слой у чугуна и др.), но появляется возможность надежного адгезионного соединения наносимого материала с заготовкой. Приведенная в работе технология позволяет разработать режимы применения плазменных горелок для восстановления геометрии металлических изделий без ухудшения их эксплуатационных характеристик.

Литература

1. Электрофизические и электрохимические методы обработки материалов. В 2т. Т2 / Под ред. В.П. Смоленцева // М.: Высш.шк., 1983. - 208 с.

2. Смоленцев Е.В. Проектирование электрических и комбинированных методов обработки // М.: Машиностроение, 2005. - 511 с.

3. Патент 2318637 (РФ) Способ

электроэрозионного восстановления чугунных деталей / Авт. В.П. Смоленцев, О.Н. Кириллов, С.В. Дульцев, М.В. Щипанов // Опуб. в Бюл. изобр. № 7, 2008

4. Патент 2343049 (РФ) Способ получения

многослойного покрытия на восстанавливаемой стальной или чугунной детали / Авт. В.П. Смоленцев, А.В. Бондарь, А.Н. Некрасов, А.М. Гренькова, Е.В. Смоленцев, А.В. Лукин // Опуб. в Бюл. изобр. № 1, 2009

«Воронежский механический завод» - филиал ФГУП «ГКНПЦ им. М.В.Хруничева» Воронежский государственный технический университет

PLASMA TREATMENT TECHNOLOGY WHEN MATERIALS DIVIDING

N.V. Sukhorukov, E.V. Smolentsev

In the work the technical problems of materials division on material saving plasma installations are considered. The article presents the new possibilities of obtaining precise parts without subsequent finishing. The article shows the prospects of using of modern equipment for plasma treatment in various fields of engineering industry

Key words: plasma treatment, division, work safety, combined treatment