УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПЛАЗМЕННОЙ ОБРАБОТКИ ИЗДЕЛИЙ

Полезная модель относится к плазменной обработке изделий, в частности, к устройствам для плазменного поверхностного упрочнения гладких калибров прокатных валков.
Известно устройство для плазменной наплавки, содержащее корпус с закрепленными в нем концентрическими внутренним и наружным соплами, при этом канал внутреннего сопла имеет цилиндрическое сечение. Устройство позволяет проводить термообработку гладкой поверхности изделия (SU №963194, В23К 9/16,1980 г.).
Недостатком данного устройства является отсутствие стабилизации прикатодного участка дуги, что снижает качество обрабатываемого изделия, а также повышенный термический износ канала сопла.
Известно также устройство для плазменной обработки (резки, наплавки, напыления и других технологических процессов), содержащее водоохлаждаемые сопло и электрод, при этом канал сопла имеет цилиндрическое сечение, а рабочий конец электрода может иметь различные исполнения в зависимости от назначения плазмотрона (SU №880654, В23К 9/16, 1981 г.).
Известное устройство позволяет проводить термоупрочнение различного типа поверхностей изделия (гладкая, профильная).
Недостатком устройства является отсутствие стабилизации катодного участка дуги соплом, что приводит к неконтролируемым перегревам обрабатываемой поверхности, что снижает качество обработки.
Наиболее близким к заявляемому решению по технической сущности и достигаемому положительному результату является устройство для плазменной обработки изделия, содержащее газовихревую камеру плазмообразующего газа, водоохлаждаемый электрод (катод), выполненный в виде
медной державки с запрессованным в нее стержнем активной вставки, водоохлаждаемое сопло с выходным цилиндрическим каналом. (Лещинский А.К., Самогутин С.С., Пирч И.И., Комар В.И. Плазменное поверхностное упрочнение, Киев: Наукова Думка, 1990. С.86-89).
Известное устройство позволяет проводить плазменную поверхностную закалку гладких поверхностей изделий, однако предлагаемый размер цилиндрического канала сопла способствует обжатию плазменной струи, что ведет к необоснованному повышению плотности теплового потока плазменной струи и нестабильности дуги катодного участка, а также повышенному термическому износу поверхности канала сопла.
Задачей полезной модели является стабилизация катодного участка дуги, что позволяет достичь более высокой производительности, качества плазменной обработки и повышения ресурса работы самого устройства.
к
k
к
к
k
-1/2
Поставленная задача достигается тем, что в предлагаемом устройстве для плазменной обработки изделий, содержащем газовихревую камеру, водоохлаждаемый электрод (катод), выполненный в виде медной державки с запрессованным в нее стержнем активной вставки, водоохлаждаемое сопло с выходным цилиндрическим каналом, согласно полезной модели, выходной канал сопла дополнительно снабжен втулкой из жаропрочного материала с толщиной стенки 1,5-2,0 мм, при этом диаметр выходного канала сопла определяют из соотношения d=(0,1 - 0,12) √UI, а его длину как 1=(0,3-0,35) d, где d - диаметр выходного канала сопла, мм; 1 -длина выходного канала сопла, мм, (0,1-0,12)- значение эмпирического коэффициента, учитывающего зависимость геометрических размеров выходного отверстия сопла от токосиловых параметров плазменной струи, мм (ВА) U,I - соответственно рабочее напряжение, В, и ток, А, дуги.
Технический результат заключается в достижении необходимой плотности теплового потока путем стабилизации дуги прикатодного участка параметрами сопла, что позволяет осуществлять термообработку поверхности изделий с повышенной производительностью, а наличие втулки
из жаропрочного материала защитит выходной канал сопла от разгара и тем самым повысит ресурс работы устройства в целом.
к
6
2
Выбор эмпирического коэффициента для расчета диаметра выходного канала сопла d устройства для плазменной обработки изделий в заданном диапазоне значения 0,1-0,12 обеспечивает получение необходимой плотности теплового потока плазменной струи для формирования упрочненного слоя с минимальным оплавлением, оптимальной ширины зоны упрочнения за один проход и технологической толщины, ограниченной допустимым износом обрабатываемого изделия, при этом плотность теплового потока плазменной струи и скорость перемещения задаются в пределах диапазонов (85-125)*10 Вт/м и 35-53 мм/с соответственно (Патент 2298043 Российская Федерация, C21D 9/38, 2007 г.).
к
Использование устройства с диаметром выходного канала сопла d менее 0,1 в заданном диапазоне плотности теплового потока плазменной струи и скорости перемещения приводит к уменьшению ширины зоны упрочнения за один проход с переходом к режиму оплавления, что ведет к снижению качества обрабатываемого изделия.
к
Использование устройства с диаметром выходного канала сопла dболее 0,12 в заданном диапазоне плотности теплового потока плазменной струи и скорости перемещения приводит к увеличению ширины зоны упрочнения за один проход, снижению плотности теплового потока плазменной струи с формированием толщины упрочненного слоя меньше технологической.
k
k
к
Выбор длины выходного канала сопла 1 устройства для плазменной обработки изделий из условия 1=(0,3-0,35)d обеспечивает реализацию оптимальных газодинамических и теплофизических условий формирования плазменной струи с увеличением ее поперечного сечения на необходимом расстоянии до обрабатываемой поверхности, которое определяется устойчивостью дуги.
k
к
Выбор длины выходного канала сопла 1 менее 0,3 d ведет к снижению эффективности охлаждения цилиндрической поверхности выходного канала сопла по причине роста плотности теплового потока плазменной струи.
к
к
Использование устройства с длиной выходного канала сопла 1 более 0,35 d нецелесообразно по причине развития процесса обжатия плазменной струи, что сопровождается повышением тепловых потерь плазменной струи.
Наличие втулки из жаропрочного материала, например, молибдена, с толщиной стенки 1,5-2,0 мм способствует защите выходного канала сопла от выгорания и увеличению рабочего ресурса устройства.
Толщина стенки цилиндрической вставки выходного канала сопла 1,5 - 2,0 мм определена из соображений выбора технологических приемов ее установки, например, запрессовка, нарезка резьбы и др.
Полезная модель поясняется чертежом, на котором изображена схема устройства. Устройство содержит газовихревую камеру 1 с завихрителем 2 и водоохлаждаемым электродом (катод) 3, выполненным в виде медной державки с запрессованным в нес стержнем активной вставки 4; сопло 5 с выходным каналом 6, имеющим жаропрочную цилиндрическую вставку 7, и рубашку водяного охлаждения 8 сопла 5. Плазменная струя 9 воздействует на изделие 10.
Устройство функционирует следующим образом: в электрод 3 и в рубашку водяного охлаждения 8 одновременно подастся вода. Плазмообразующий газ, через завихритель 2 поступает в газовихревую камеру 1. Известным способом, например, осциллятором (Плазменная технология. Опыт разработки и внедрения. Д.Г.Быховский и др. Л. Лениздат, 1980.-С 38-41) возбуждают начальную электрическую дугу между катодом 3, выполненным в виде медной державки с запрессованным в нее стержнем активной вставки 4 и соплом 5, обеспечивающую нагрев и ионизацию плазмообразующего газа. При достижении достаточного потенциала между
k
k
k
катодом 3 и изделием 10 (анод), за счет электропроводности нагретого плазмообразующего газа образуется основная дуга, начальная дуга при этом отключается. Плазмообразующий газ, проходя через основную дугу, ионизируется и нагревается до температуры порядка 12000 К и стекает из выходного канала 6 с жаропрочной цилиндрической вставкой 7 в виде, увеличивающейся в поперечном сечении, плазменной струи 9. Размеры (диаметр и длина) выходного канала 6 определяются токосиловыми параметрами, определяемыми из заданных технологических условий плазменной поверхностной обработки изделия. В таблице представлены результаты плазменной обработки прокатных валков устройствами, имеющими различные геометрические параметры сопла. Из таблицы видно, что наилучшие показатели по упрочнению изделий достигаются при значениях диаметра выходного канала сопла d=0,105 и длиной выходного канала сопла 1= 0,33d, при которых достигается требуемая толщина упрочненного слоя 0,7-0,8 мм и минимальное оплавление обрабатываемой поверхности.
Дополнительная стабилизация катодного участка дуги за счет оптимальных параметров выходного канала сопла обеспечивает устойчивое горение дуги между активной вставкой электрода и участком поверхности изделия, что повышает качество обрабатываемого изделия.
Устройство для плазменной обработки изделий промышленно применимо для плазменной поверхностной обработки различных изделий, например, калибров сортопрокатных валков.
таблица
I, A при U=30 В
d<sub>k</sub>.=0,095<img he="6" wi="9" file="00000005.tif" img-content="undefined" img-format="tif" />,мм
1<sub>k</sub>=0,29d<sub>k</sub> мм
q,Вт/мм<sup>2</sup>
Показатели качества
d<sub>k</sub>=0,105<img he="6" wi="9" file="00000005.tif" img-content="undefined" img-format="tif" />,мм
1<sub>k</sub>=0,33d<sub>k</sub>,мм
qВт/мм<sup>2</sup>
Показатели качества
d<sub>k</sub>,=0,125<img he="6" wi="9" file="00000005.tif" img-content="undefined" img-format="tif" />,мм
1<sub>k</sub>=0,36d<sub>k</sub>,мм
q,Вт/мм<sup>2</sup>
Показатели качества
100
5,2
1,51
141
Оплавление поверхности, повышение количества зон упрочнения и отпуска, повышение термического износа канала сопла
5,8
1,91
113
Минимальное оплавление, достижение требуемой толщины слоя.(0,7-0,8)мм
6,8
2,45
83
Не достигается требуемая толщина упрочненного слояменее 0,6 мм
110
5,5
1,60
139
6,0
1,98
116
7,2
2,59
81
120
5,7
1,65
141
6,3
2,08
116
7,5
2,70
82
130
5,9
1,71
142
6,5
2,15
117
7,8
2,81
82