Новые способы и устройства обработки материала заготовок перед штамповкой низкотемпературной высокочастотной плазмой (факельным разрядом)

Перевертов В.П.

НОВЫЕ СПОСОБЫ И УСТРОЙСТВА ОБРАБОТКИ МАТЕРИАЛА ЗАГОТОВОК ПЕРЕД ШТАМПОВКОЙ НИЗКОТЕМПЕРАТУРНОЙ ВЫСОКОЧАСТОТНОЙ ПЛАЗМОЙ

Способ формирования отверстий в материале. Резка заготовок. Для повышения качества и производительности горячештамповочного производства в условиях ГПС разработан способ формирования отверстий в материале, основанный на внедрении пуансона в матрицу с предварительным формированием отверстия в материале низкотемпературной плазмой (факельным разрядом ФР).

Предварительный нагрев материала заготовок существенно и однозначно изменяют его характеристики прочности и пластичности, и, следовательно, способность к пластической деформации и разрушению. Путем оптимального изменения температуры материала (как металлического, так и диэлектрического) можно не только предотвратить образование трещин снизить усилие, но и улучшить качество, а также повысить производительность.

Предложенный способ реализуется с помощью устройства, приведенного на рис. 1.

Рис. 1. Схема способа формирования отверстий в материале

Материал (металлический или неметаллический) в виде полосы 1, с намеченной координатной сеткой подводится к пуансону 2. Оператор включает высокочастотный генератор 3. Между пуансоном 2 и листовым материалом 1 лежащем на матрице 4, самопроизвольно возникает ФР, имеющий плазменный канал 5 и оболочку 6. Затем пуансон 2 перемещается вертикально вниз относительно матрицы 4 и формирует отверстие.

Рассмотренный способ прост, не требует сложного и дорогостоящего оборудования, повышает производительность, позволяет получать отверстия в любых материалах.

Используя рассмотренный способ формирования отверстий в материале заготовки можно производить резку проката на дозированные по массе (объему) заготовки. Это позволит: повысить качество резки заготовок при требуемой производительности, снизить энерго и материалоемкость КШМ, создать заготовительные и обрезные гибкие модули или комплексы.

Способ нагрева заготовок перед штамповкой. Для повышения качества нагрева заготовок перед штамповкой, экономии электроэнергии, повышения стойкости штампового инструмента предлагается нагрев заготовок производить низкотемпературной плазмой в диапазоне частот 6-3000 мГц и мощности 50-250 кВт, а сами заготовки вращать вокруг собственной оси.

Нижний предел частоты разряда 6 мГц выбран в связи с граничной частотой образования ФР. Выбор частоты разряда более 3000 мГц приводит к конструктивному усложнению устройства и требует дополнительных мер по повышению средств техники безопасности.

В современных КШМ цикл штамповки составляет 5-10 секунд, поэтому с точки зрения производительности процесса штамповки мощность ФР выбирать ниже 50 кВт не имеет смысла. Например, при мощности 50 кВт и частоте разряда от 6 до 2000 мГц время нагрева составляет 7-20 секунд. Превышение мощности разряда более 250 кВт, при частоте от 6 до 3000 мГц может привести к не «стыковке» производительности пресса и нагревательного устройства, что приведет к пережогу заготовок, их браку.

Предложенный способ реализуется с помощью устройства, приведенного на рис. 2. Оператор включает высокочастотный генератор 6, механизм подачи и перемещения заготовок (на чертеже не показан) обеспечивающий поступательное и вращательное движение заготовки 1. Заготовка 1 перемещается слева направо. При прохождении заготовки 1 над рабочим инструментом 2 возникает ФР, имеющий плазменный канал 8 и оболочку 7. Тепловая энергия ФР передается заготовке 1. В дальнейшем ФР образуется на рабочих инструментах 3,4,5. Зоны (пятна) ФР от каждого инструмента перекрываются. Количество рабочих инструментов выбирается в зависимости от производительности технологического процесса штамповки. После прохождения под всеми рабочими инструментами 2-5 заготовка 1 нагревается до требуемой температуры и поступает в штамп.

Рис. 2. Схема способа нагрева заготовок перед штамповкой низкотемпературной плазмой (факельным

разрядом)

При изменении частоты и мощности генератора 6 можно регулировать ширину и длину, а, следовательно, площадь (апертуру) пятна нагрева, что позволяет производить нагрев заготовок с различным диаметром. КПД установки, реализующий способ составляет 30-4 0 %.

Использование предлагаемого способа нагрева заготовок перед штамповкой в качестве основы термического модуля позволит:

- снизить потребление электроэнергии за счет более высокого КПД и экономного расхода, так как образование ФР происходит только в момент прохождения заготовки около рабочих инструментов. В случае отсутствия заготовки ФР не образуется и потребление электроэнергии происходит только генератором;

-автоматизировать процесс нагрева;

-увеличить срок службы штампового инструмента за счет быстрого нагрева, не приводящего к образованию окалины;

-нагревать любые материалы с различными электрофизическими свойствами, геометрические размеры заготовок при этом не сказываются на КПД установки и на качестве нагрева.

На рис. 3-4 представлен скоростной способ нагрева заготовок, в котором нагрев поверхностных слоев заготовки может производиться как индукционным способом, так и низкотемпературной плазмой. Нагрев внутренних слоев осуществляется контактным способом. Время нагрева заготовок до заданной температуры значительно уменьшается. Контроль и управление низкотемпературной плазмой осуществляется с помощью нового устройства ИРТ-4, а контроль температуры нагрева заготовок перед штамповкой новыми устройствами ИРТ-1, ИРТ-2, ИРТ-3 [3,4,5].

Рис. 3.Схема скоростного нагрева заготовок перед штамповкой: а) исходное положение элементов устройства; б) режим нагрева; 1,2 - механизмы крепления заготовки; 3 - подвижный индуктор; 4 -

заготовка

Устройство ИРТ-4 (рис.5-6) предназначено для контроля температуры при обработке материалов низкотемпературной высокочастотной плазмой [2].

Механизм развития ФР представляет собой высокоионизированное пространство с чётко выраженным ограниченным каналом разряда и оболочкой. Образование ФР наблюдается в широком диапазоне частот от 6 до 2000 мГц. Высокоионизированное пространство имеет некоторую ёмкость относительно обрабатываемого материала. Ток, текущий с рабочего инструмента на эту емкость, производит ионизацию воздуха (окружающей технологической среды) и тем самым поддерживает ФР.

Температура ФР составляет в зоне плазменного канала 3000-4000 0С. Изменение генерации от 12,4 мГц до 100 мГц приводит к изменению температуры в 1000 0С.

С целью повышения температуры до 10 00 0°С через рабочий инструмент пропускают активный газ, например кислород, который одновременно осуществляет охлаждение рабочего инструмента и световодов.

а)

/3и

/

то

ігоо

Г, їг

Рис. 4. Схема скоростного нагрева заготовок перед штамповкой: а) схема направления тока при прохождении центральных слоев и поверхности заготовки; б) время нагрева заготовок до заданной

температуры

температуропроводность и т.д., а также с точки зрения оптимизации технологического процесса обработки, необходимо вести контроль и регулирование температуры факельного разряда при обработке материалов.

Рабочий инструмент является неотъемлемой частью устройства ИРТ-4 в связи с тем, что в нем размещен световод, служащий для передачи излучения от ФР до фотоприемника и исключающий (световод) влияние высокой температуры факельного разряда на параметры фотоприемника. Как показали испытания устройства по а.с. № 801931 на Куйбышевском заводе клапанов размещение датчика температуры в корпус выполненный в виде двух концентрично расположенных полых цилиндров и расположенного между ними охлаждающего агента не обеспечивает временную температурную стабилизацию фотонного датчика в течение 24 час. непрерывной работы.

Устройство ИРТ-4 содержит дифференциальный датчик температуры (рис. 5) состоящий из дифференциального фотоприемника 1 и двух световодных каналов 2,3 посредством которых входы дифференциального фотоприемника 1 соединены оптически с поверочной лампой 4 и нагревателем 5 (с их излучениями). Выход дифференциального фотоприемника 1 соединен с блоком управления 6 током поверочной лампы 4, выход которого соединен с поверочной лампой 4, цифровым индикатором 7 и входом блока сравнения 8, другой вход которого соединен с задатчиком температуры 9, соединенным с источником стабилизированного напряжения 10. Выход блока сравнения 8 соединен через усилитель II с системой управления нагревателя, состоящего из блока 12 управления генератора разряда нагревателя, задатчика 13 режимов работы генератора и генератора 14, выход которого соединен с нагревателем 5, внутри которого расположены с зазором сапфировый световод 15 и кварцевый световод 16. Корпус нагревателя (рис. 6) выполнен в виде полого цилиндра 17, внутри которого при помощи ввинчивающихся круглых перегородок 18,19 и завинчивающейся крышки 20 закреплены сапфировый световод 15 и кварцевый 16 световоды.

По оси крышки 2 0 расположен оптический разъем 21 для соединения светового кабеля 22 с нагревателем 8.

По металлической оболочке световодного кабеля 22 на нагреватель 5 подается напряжение от генератора 14 для создания разряда, взаимодействующего с обрабатываемым материалом 23. На крышке 2 0 и перегородках 18,19 имеются отверстия для крепления и подачи кислорода в зону разряда. Кислород используется для охлаждения нагревателя 5 и световодов 15,16.

Так как все материалы имеют различную температуру плавления (испарения),

Н-

У7//7///А -

Рис.5.Структурная схема устройства контроля температуры ИРТ-4

Устройство работает следующим образом. С помощью задатчика температуры 9 оператор устанавливает необходимую для данного материала и способа обработки температуру разряда. При этом интенсивность излучения разряда приближенно соответствует требуемой температуре. Излучение разряда через сапфировый световод 16, кварцевый световод 16 подается на один из входов дифференциального фотоприемника I, на другой вход которого подается излучение поверочной лампы 4.

При отличии интенсивности излучения поверочной лампы 4 от интенсивности излучения разряда, на выходе дифференциального фотоприемника 1 появляется электрический сигнал, пропорциональный разности интенсивностей излучения, управляющий через блок управления 6 током поверочной лампы 4, до тех пор пока интенсивности излучений поверочной лампы 4 и разряда не убудут одинаковыми /8/.

2

Рис. 6. Конструкция рабочего инструмента устройства контроля температуры ИРТ-4

Цифровой индикатор 7 измеряет ток поверочной лампы 4. В блоке сравнения 8 сравниваются напряжения с задатчика температуры 9 и напряжение пропорциональное току поверочной лампы 4. При наличии разницы этих напряжений на выходе блока сравнения 8 появляется управляющий сигнал, изменяющий режим работы генератора 14 и изменяющий тем самым температуру разряда до тех пор, пока она не будет соответствовать установленной в задатчике температуры 9. Точность измерений повышается за счет измерения тока эталонной поверочной лампы 4, управляемого разностью излучений разряда и поверочной лампы 4. Применение дифференциального фотоприемника I, работающего с близкими по амплитуде входными сигналами позволяет уменьшить влияние измерения параметров фотоприемника 1 от дестабилизирующих факторов, например температуры, излучений электрических и магнитных полей, что также повышает точность и стабильность измерения и регулирования температуры.

ЛИТЕРАТУРА

1. А. с. № 1402383 СССР, МКИ3 В 21 С 31/00. Способ нагрева заготовок перед штамповкой/ В.П. Перевертов, Ю.А. Бочаров, Н.Е. Конюхов и др.// Открытия. Изобретения. - 1988. - №22.

2. А.с. № 1303207 СССР, МКИ3 В 21 О 31/00. Устройство для контроля температуры при обработке материалов/ В.П. Перевертов, Ю.А. Бочаров, Н.Е. Конюхов, А.П. Андреев и др.// Открытия. Изобретения. - 1987. - №14.

3. А. с. № 801931 СССР, МКИ3 В 31/00 Устройство контроля температуры нагрева заготовок перед штамповкой/ В.П. Перевертов, В.А. Поникаров, А.В. Сафонов и др.// Открытия. Изобретения. - 1981.

- № 5.

4. А.с. № 1300439 СССР, МКИ3 G05 Д23/19. Устройство контроля температуры нагрева заготовок перед штамповкой/ В.П. Перевертов, Ю.А. Бочаров, Н.Е. Конюхов и др.// Открытия. Изобретения. -

19B7. - № 12.

5. А.с. № 1323152 СССР, МКИ3 В21 G31/00. Устройство контроля температуры нагрева заготовок перед штамповкой/ В.П. Перевертов, Ю.А. Бочаров, Ю.Н. Фадеев// Открытия. Изобретения. - 19B7. - № 26.