Особенности установки для ППУ

Тема 2. ПЛАЗМЕННОЕ ПОВЕРХНОСТНОЕ УПРОЧНЕНИЕ (ППУ)

Плазменное поверхностное упрочнение как один из методов упрочнения источниками нагрева с высокой плотностью мощности в настоящее время находит широкое и эффективное применение как в условиях мелкосерийного и единичного (в том числе ремонтного), так и крупносерийного и массового производства. Сущность его заключается в термических фазовых и структурных превращениях, происходящих при быстром концентрированном нагреве рабочей поверхности детали плазменной струей (дугой) и теплоотводе в материал детали.

С точки зрения практического использования плазменный нагрев является технологичным, поскольку он не требует вакуумирования изделия, как в случае применения электроннолучевого нагрева или сложной оптико-механической системы транспортировки лазерного луча, а также специальных методов подготовки поверхности для обеспечения максимального использования лучистой энергии.

Более высоким коэффициентом полезного действия обладают плазменные установки, работающие на принципе дуги прямого действия, когда плазменный шнур возникает между плазмотроном и обрабатываемым изделием. Плазмообразующая среда должна обеспечивать наибольшую удельную тепловую мощность при заданном расходе газа и затраченной электрической энергии, а также позволять сконцентрировать полученную энергию в тонкий плазменный шнур и сосредоточить ее на определенном участке поверхности обрабатываемого металла.

В качестве плазмообразующего газа используют аргон или аргон в смеси с азотом и, кроме того, в большинстве случаев применяют защитный газ, чаще всего аргон. Очевидно, что использование инертных газов значительно снижает экономические показатели процесса. Весьма заманчивым в этом плане представляется использование воздушного плазмотрона, работающего на сжатом воздухе, и, нашедшего широкое применение на практике в качестве воздушно-плазменной резки. Для ее реализации создан ряд промышленных установок, например,"Киев-4","Киев-6", АПР-404 и другие. Воздух является наиболее подходящим газом для стабилизации плазменной дуги. Он при температуре примерно 12000К почти полностью диссоциирует. При температурах 10000К воздушная плазма имеет теплосодержание в 5 раз большее, чем аргоновая. Разумеется, применение воздушной плазмы, которую относят к низкотемпературной, не лишено и недостатка - сильного окислительного воздействия воздушно-плазменной дуги на поверхность изделия. Однако, учитывая, что большинство процессов термообработки требуют оригинальных операций по очистке и обработке упрочненной поверхности, а также высокую экономичность воздушно-плазменного нагрева, этот метод наиболее предпочтительный.

Принципиальная схема установки для плазменного поверхностного упрочнения представлена на рис.14.

Установка включает в себя следующие элементы:

1. Оригинальной конструкции плазмотрон с укрепленным на нем электромагнитным сканером.

Рис.14. Принципиальная схема установки для ППУ

Следует отметить, что конструкция серийно выпускаемых плазмотронов воздушно-плазменной резки практически непригодна для нагрева поверхности под закалку и прежде всего из-за высокой плотности плазменной дуги благодаря завихрителю и малому диаметру сопла. Это приводит к малому пятну контактора плазменной дуги на упрочняемой поверхности, высокой плотности энергии, что в конечном итоге требует очень высоких скоростей взаимного перемещения плазмотрона относительно поверхности изделия, чтобы избежать ее оплавления.

Из эмпирической формулы:

Z =

(3)

где Z - глубина закалки или оплавления;

P - мощность источника нагрева;

d - диаметр теплового источника;

V - относительная скорость перемещения;

очевидно, что при практической ограниченности скорости перемещения, ограниченной оказывается и мощность теплового источника, а, следовательно, и производительность процесса упрочнения. Преодолеть это затруднение позволила идея сканирования плазменной дуги в поперечном направлении, перпендикулярно основному ее движению относительно упрочняемой поверхности. Сканирование снижает на порядок удельную мощность нагрева, увеличивает глубину упрочнения, уменьшает вероятность оплавления и, в конечном итоге, дает возможность распределить большую энергию на большей площади или, другими словами, повысить производительность процесса. Создавать чисто электромеханическое колебательное устройство для массивного плазмотрона, соединенного к тому же множеством шлангов подачи и отвода охлаждающей воды и плазмообразующего воздуха, кабелей электропитания и поджига дуги не представлялось целесообразным.

Для реализации управления плазменной дугой использовали электромагнит, создающий переменный магнитный поток в зазоре между соплом плазмотрона и обрабатываемой поверхностью изделия. Взаимодействие этого магнитного потока с постоянным магнитным полем плазменной дуги согласно известного из физики правила приводит к гармоническому смещению дуги вдоль рабочего зазора электромагнита относительно вертикали, причем сила этого взаимодействия, а следовательно и амплитуда отклонения, зависит от тока дуги и напряженности поля.

В плазмотроне применена вихревая система стабилизации и обжатия столба дуги. При этом плазмообразующий газ поступал в дуговую камеру по каналам винтообразной формы. Вследствие этого газ в камере двигался по спирали, охватывая столб дуги вихревым потоком. Катодное пятно и столб дуги автоматически и точно фиксировались в точке пересечения оси канала сопла с поверхностью катода, что позволило применять электроды с плоской рабочей поверхностью. При этом возрастает и стойкость сопла.

В качестве материала для катодов, работающих в кислородсодержащих средах, применяются элементы 4 А группы периодической системы Д.И.Менделеева (например, гафний, цирконий), так как их соединения обладают высокими эмиссионными свойствами (малой работой выхода электронов, легко решается задача стабилизации дуги и охлаждения катода), являются термически устойчивыми. В связи с этим катод плазмотрона изготовлен из циркония.

Описанная конструкция плазмотрон-сканер позволяет получить за один проход на поверхности образца закаленный слой шириной до 40 мм, глубиной до 2,5 мм, при этом потребляемая источником питания мощность - до 40 кВт.

Несложный расчет показывает, что при промышленной частоте тока, питающего сканер и ширине упрочненной зоны равной 40 мм средняя линейная скорость плазменной дуги при сканировании достигает 400 см/с. Сканирование с такой скоростью даже при скорости перемещения плазмотрона относительно поверхности изделия 5 см/с позволяет плазменной дуге десятикратно пройти по поверхности упрочняемой зоны прежде, чем она начнет охлаждаться. Безусловно это создает предпочтительные условия для более мягкого, а следовательно, и более глубокого прогрева упрочняемой зоны. И это действительно подтверждается экспериментально. Если при однократном проходе плазменным дуговым разрядом диаметром 5 мм по поверхности образца из стали 9ХФ максимальная глубина упрочненного слоя составила не более 0,3 мм, то сканирование воздушной плазменной дугой такого же диаметра при той же скорости перемещения поверхности относительно плазмотрона позволяет получить глубину закалки 1,5 мм. Не следует при этом забывать и о производительности - ширина упрочненной зоны во втором случае в 8 раз больше, чем в первом.

2. Силовой блок питания плазмотрона и высоковольтный блок поджига дуги прямого действия, как отмечалось, от установки для воздушно-плазменной резки "Киев-4".

Силовой блок питания позволяет задавать ступенчато режимы работы установки с выходом в случае необходимости на режим стабилизации тока дуги. Высоковольтный блок поджига дуги кроме своей основной функции позволяет контролировать режим работы установки по току и напряжению.

3. Транспортное устройство. Предназначено для перемещения плазмотрона относительно неподвижной обрабатываемой детали. В нем имеется регулируемый электропривод постоянного тока, от которого получает движение консоль, перемещающаяся по сменному контуру. Таким образом, возможна обработка изделий различной конфигурации. Транспортным устройством такого типа обычно комплектуются серийные установки для воздушно-плазменной резки.

4. Специальный рабочий стол-ванна. Предназначен для крепления обрабатываемых изделий и позволяет располагать их в строго определенном положении относительно сопла плазмотрона, что обеспечивает постоянство длины плазменной дуги, а также также служит для подключения изделия к положительному полюсу источника питания.

Для исследования процессов химико-термической обработки при нагреве воздушной плазмой и для обработки тонкостенных изделий под слоем жидкости на стол может устанавливаться ванна. В зависимости от целей плазменной обработки в нее заливается вода, либо водорастворимые химические реактивы, содержащие необходимый легирующий элемент или их сочетание.

5. Блок балластных реостатов. Состоит из двух сварочных балластных реостатов типа РБ-302У2 с параллельным подключением и служит для регулировки рабочего тока плазменной дуги.

6. Воздушный компрессор. Используется для подачи сжатого воздуха как плазмообразующего газа в сопло плазмотрона. Для стабилизации процесса плазменного поверхностного упрочнения по расходу плазмообразующего газа компрессор дополнен ротаметром типа РС-5 с облегченным поплавком и соответствующей перетарировкой.

Водяное охлаждение плазмотрона в процессе эксплуатации производится от внешней гидросистемы с контролем расхода хладагента также по стандартному ротаметру того же типа.

Для генерирования плазменного источника нагрева широко используются кроме плазмотронов с открытой дугой или прямого действия (положительный заряд подается на упрочняемую деталь) плазмотроны с закрытой дугой — струей или косвенного действия (отрицательный и положительный заряды подаются на детали плазмотрона — соответственно катод и анод).

Дата добавления: 2014-01-04