Плазменно Механическая Обработка Металлов

Плазменно-механическая обработка металлов представляет собой комбинированный метод обработки, при выполнении которой резание осуществляется одновременно с плазменным подогревом.

Плазменно-механической обработке (ПМО) подвергают высокопрочные, маломагнитные и коррозионностойкие стали, а также титановые и некоторые жаропрочные сплавы. Плазмотрон и обрабатываемую заготовку включают в цепь источника электрического тока. При замыкании цепи возникает электрическая дуга, ионизирующая газ, подаваемый в плазмотрон.

Дуга, выходящая из сопла плазмотрона, направляется на поверхность обрабатываемой заготовки перед резцом. Вода, подаваемая в плазмотрон, служит для охлаждения его рабочей части.

Плазменная дуга, соприкасаясь с поверхностью обрабатываемого материала, оказывает на него комплексное влияние, включающее в себя нагрев, насыщение поверхности газами и воздействие ионизированных частиц, обладающих высокой кинетической энергией.

В зависимости от теплофизических свойств обрабатываемого металла, мощности теплового источника, диаметра пятна контакта и скорости перемещения плазменной дуги относительно заготовки нагрев последней может происходить как с расплавлением поверхности, так и без него.

Процессы плазменно-механической обработки классифицируют по следующим основным признакам:

• вид обработки (точение, строгание, фрезерование);
• состояние удаляемого материала (с оплавлением металла и его сдуванием плазменной струей; с оплавлением, частичным сдувание металла плазменной струей и удалением нагретого металла лезвийным инструментом; с нагревом срезаемого слоя и ограничением зоны нагрева с помощью водоохлаждаемых экранов; с нагревом до температуры, меньшей по сравнению с температурой плавления, и удалением подогретого металла);
• вид плазмообразующего газа (воздушно-, аргоно-плазменная и др.);
• расположение плазменной дуги относительно обрабатываемой заготовки и режущего инструмента (с накоплением теплоты, вводимой плазменной дугой; без накопления тепла; с дополнительным движением плазменной дуги в направлении, перпендикулярном ее основному движению).

При плазменно-механической обработке отливок на строгальных станках (например, из хромоникелевой стали с песчано-керамической коркой) плазмотрон устанавливают так, чтобы плазменная дуга была расположена по касательной к поверхности резания и под углом к оси отливки. При этом обеспечивается прогрев заготовки на глубину срезаемого слоя и на величину продольной подачи до температуры плавления, а также частичное сдувание расплавленного металла плазменной струей с образованием канавки выплавления, площадь которой составляет 80% площади снимаемого резцом металла.

Образование канавки способствует увеличению площади поверхности, через которую подводится теплота, и распространению тепловой энергии вглубь заготовки.

Размеры канавки и ее положение на поверхности резания определяются теплофизическими свойствами обрабатываемого материала, расположением плазменной дуги и ее направлением относительно обрабатываемой поверхности.

Глубина канавки составляет несколько десятых долей миллиметра. При этом основная масса металла выдавливается под воздействием плазменной дуги на свободную поверхность среза, вследствие чего происходит выравнивание нагрева но ширине. Поэтому режимы нагрева, обусловливающие появление канавки выплавления, целесообразно использовать при грубых, черновых операциях, осуществляемых с большой глубиной резания.

При обработке с малыми подачами образование канавки, как правило, является нежелательным явлением, поэтому скорость перемещения теплового источника должна быть увеличена, а его мощность снижена. Такой режим подогрева характерен для чистовой и получистовой обработки, осуществляемой на высоких скоростях резания и малых подачах с применением минералокерамических резцов.

Основными элементами оборудования для плазменно-механической обработки являются плазмотрон (рис. 1), источник питания, система газо- и водоснабжения и система управления с манипулятором.

Рис. 1. Плазмотрон: 1 - штуцер для подвода газа; 2 - корпус; 3 - сопло; 4 - электрокабель; 5 - штуцер для подвода воды

Плазмотрон - специальное устройство, в котором дуговой разряд (рис. 2) интенсивно обжимается потоком рабочего плазмообразующего газа, вследствие чего удается получить стабилизированную дугу, способную сохранять нагревающие свойства при довольно значительном удалении от поверхности обрабатываемого материала.

Рис. 2. Схема плазменной дуги прямого действия и ее участки: 1 - закрытый; 2 - сжатый, 3 - открытый, 4 - рабочий, 5 - факел плазмы; G - генератор тока

В качестве плазмообразующего газа, обеспечивающего необходимый подвод энергии, целесообразно применять воздух, который наиболее безопасен в условиях механических цехов. Его использование позволяет получить максимальную силу тока источника питания (400 А), при котором могут работать электроды с активными вставками, выпускаемые промышленностью. Напряжение холостого хода должно обеспечивать надежное возбуждение дежурной дуги.

Устойчивое горение основной дуги должно происходить при оптимальном расстоянии (40-60 мм) между соплом и заготовкой. При неравномерном припуске на обработку возможно резкое увеличение длины свободно горящей дуги (до 60-80 мм), что приводит в некоторых случаях к ее обрыву. Поэтому напряжение холостого хода установки должно составлять 320 В, что позволяет увеличить расстояние устойчивого перехода с дежурной дуги на основную до 50-60 мм.

Для обработки прерывистых поверхностей необходимо применять только постоянно горящую дежурную дугу, а не импульсную, так как задержка даже на 0,1 с при переходе с дежурной дуги на основную приведет к тому, что режущий инструмент будет срезать холодный металл. Плазмотрон для плазменно-механической обработки должен быть быстросъемным, чтобы его можно было заменять одновременно с режущим инструментом без значительного увеличения вспомогательного времени.

Конструкция плазмотрона должна обеспечивать защиту от короткого замыкания при попадании стружки, а конструкция манипулятора плазмотрона - возможность установки последнего относительно поверхности резания, когда при образовании канавки выплавления осуществляется оптимальное распределение теплового потока.

Изменение угла наклона плазмотрона относительно поверхности резания существенно влияет на распределение теплового потока в условиях расплавления поверхностного слоя материала.

Для плазменно-механической обработки металлов используют как обычные, так и специальные металлорежущие станки. Первые требуют некоторой модернизации. Мощности привода главного движения существующих станков в большинстве случаев оказывается достаточно для того, чтобы обеспечить переход от обычного резания к обработке с плазменным нагревом заготовок. Более того, в некоторых случаях снижение сил резания при плазменном нагреве обрабатываемого материала по сравнению с силами резания при обычной технологии позволяет применять станки с меньшей мощностью привода.

Как правило, жесткость технологической системы отечественных строгальных станков оказывается достаточной для осуществления процесса ПМО, хотя при форсировании режимов и особенно при перераспределении составляющих силы резания она может оказаться фактором, ограничивающим производительность процесса.

Поскольку при плазменно-механической обработке заготовка и плазмотрон включены в электрическую цепь источника питания, одним из важных вопросов, связанных с модернизацией станка, является усовершенствование системы подвода напряжения к обрабатываемой заготовке и защиты от воздействия электрического тока механизмов станка.

При наличии в электрической цепи перемещающейся заготовки станок должен быть снабжен токосъемным устройством. В состав такого устройства входят графитовые или металлографитовые щетки, скользящие по хорошо обработанной поверхности одной из деталей станка, имеющей плотный контакт с заготовкой. Для строгальных и долбежных станков такой деталью может быть стол станка. Токосъемник аналогичен щеточным устройствам электрических машин, поэтому к нему предъявляют аналогичные требования: минимальное электрическое сопротивление и высокая надежность в работе.

Наиболее опасными для механизмов станка являются токи, возникающие не в процессе резания, а при наладке станка или обработке прерывистых поверхностей, когда дуга между плазмотроном и заготовкой горит, а резец (или фреза в комбинированных продольных строгально-фрезерных станках) не соприкасается с обрабатываемой заготовкой. В наибольшей мере подвержены воздействию токов, текущих во вспомогательном контуре, подшипники.

Контроль падения напряжения на подшипниках станка, модернизированного для плазменно-механической обработки, должен проводиться при максимальной силе тока дуги, наибольшей частоте вращения шпинделя и неработающем резце. В цепь между столом (или шпинделем) и корпусом станка должен включаться вольтметр с внутренним сопротивлением порядка 1 кОм. Измерение падения напряжения необходимо производить при запуске станка в эксплуатацию, а далее периодически, не реже одного раза в месяц. В цепь заземления станка следует включить реле для защиты станка от токов дуги в случае поломки токосъемника.

С высокой производительностью процесса плазменно-механической обработки связана проблема уборки стружки от станка. При его модернизации должно быть разработано оборудование для автоматической уборки стружки.

Следует также уделить внимание системе охлаждения плазмотрона, режущего инструмента, а иногда резцедержателя и некоторых деталей станка (стола, направляющие, траверса).

Система охлаждения должна обеспечивать подачу воды в плазмотрон и режущий инструмент не менее 5 л/мин при давлении не более 20 МПа. Необходимо контролировать наличие воды в системе охлаждения плазмотрона. Плазменные установки оснащают для этой цели специальным реле протока, выключающим дугу, если подача воды в систему прекращается.

В соответствии с техническими условиями на плазменное оборудование охлаждающая вода не должна иметь нерастворимых осадков в количестве более 0,05 мг/л, а удельное электрическое сопротивление менее 2 кОм-см. В тех случаях, когда вода не соответствует этим требованиям, к рабочему месту осуществляют подвод дистиллированной воды из бака вместимостью более 1 м3.

Для автоматизации управления процессом ПМО при модернизации станков создаются адаптивные системы, аналогичные применяемым в станках с ЧПУ. В качестве управляющего сигнала используется изменение составляющих сил резания или мощности, потребляемой двигателем станка. Адаптивная система воздействует на изменение как режима резания, так и режима плазменного подогрева.

Станок должен быть оснащен манипулятором с дистанционным управлением, системой местной вытяжной вентиляции и защиты от излучения, телевизионной системой для наблюдения за резцом и плазмотроном, устройством для транспортирования стружки.

Станки для плазменно-механической обработки размещают в отдельных помещениях или на отдельных участках цеха, имеющих ограждение высотой не менее 2,7 м. Полы в этих помещениях с гладкой, но нескользкой поверхностью должны быть выполнены из негорючего и неэлектропроводного материала.

Необходимо, чтобы стены, потолки и внутренние конструкции имели звукопоглощающие покрытия и были окрашены краской, не дающей бликов (желательно, чтобы она поглощала ультрафиолетовое излучение).

Площадь постоянного рабочего места, не занятая оборудованием, зависит от размеров металлорежущего станка. Для крупных станков ее минимальное значение равно 10 м2 на одного работающего. Высота помещения составляет не менее 3,2 м, ширина проходов между оборудованием - не менее 1 м.

Стандартная планировка участка строгального станка для плазменно-механической обработки предусматривает размещение источника питания плазмотрона и наличие вентиляционной системы. Источник питания занимает площадь 1,0-1,5 м2, причем к нему должны быть подведены силовые кабели и коммуникации для плазмообразующего газа и воды.

При планировке рабочего места следует обеспечить свободный доступ оператора к лицевой панели источника питания, на которой, как правило, располагаются элементы контроля и управления процессом нагрева.

Размещение оборудования строгальных станков, на которых осуществляется процесс резания с плазменным нагревом, показано на примере продольно-строгального станка (рис. 3). Каждый из двух его суппортов оснащен воздухозаборными защитными устройствами 1, внутри которых расположены манипулятор с плазмотроном и резец. Каждый плазмотрон имеет свой источник питания (4 или 5). Па верхней части станины станка укреплен короб-воздуховод 2, от которого к воздухозаборному устройству подведены гибкие шланги 3.

Установка и закрепление плазмотрона в определенном положении по отношению к обрабатываемой заготовке производятся с помощью манипуляторов. К манипулятору предъявляют ряд требований. В частности, его конструкция должна обеспечить:

• точное позиционирование плазмотрона (расположение пятна нагрева) по отношению к заготовке и режущему инструменту;
• жесткое закрепление плазмотрона в заданной позиции;
• его слабую чувствительность к вибрациям, возникающим в процессе резания;
• удобство обслуживания самого манипулятора при переустановке плазмотрона и малые затраты времени на эту операцию.

Рис. 3. Размещение оборудования для плазменно-механической обработки на продольно-строгальном станке: 1 - воздухозаборные защитные устройства; 2 - короб-воздуховод; 3 - гибкие шланги; 4,5 - источники питания

На продольно-строгальных станках с ЧПУ применение манипуляторов затруднено, так как шланги и сам плазмотрон мешают работе авто- оператора, осуществляющего смену инструментов. В связи с этим на станках с ЧПУ применяют сменные плазменно-инструментальные модули (рис. 4), которые налаживают на одну операцию вне станка.

Внутри модуля 4 выполнены коммуникации для подвода газа, электроэнергии и циркуляции охлаждающей воды. Включение сменного плазменно-инструментального модуля происходит только тогда, когда он устанавливается автооператором станка на суппорт 11, к которому подведены вода, газ и энергия (шланги 1-3).

С помощью коротких шлангов 5-7 и простого зажимного устройства 9 плазмотрон 8 переустанавливают по отношению к резцу 10 при необходимости перехода к обработке заготовки другого типоразмера.

В каждом модуле плазмотрон находится в наиболее выгодном положении для конкретного вида обработки, причем сопло имеет диаметр и длину, оптимальные для данных условий. Силу тока в цепи и расход газа автоматически регулирует СЧГГУ.

Рис. 4. Сменный плазменно-инструментальный модуль: 1-3 - шланги; 4 - собственно модуль; 5-7 - короткие шланги; 8 - плазмотрон; 9 - зажимное устройство; 10 - резец; 11 - суппорт

Плазменно-механическая обработка - это одна из наиболее удачных попыток использования плазмы в нетрадиционных и хорошо изученных областях применения.

Физическая сущность процесса плазменномеханической обработки заключается в разупрочнении материала детали, обрабатываемой традиционными методами резания на токарных, карусельных или строгальных станках, с помощью локального дозированного нагрева в пятне плазменной дуги. При этом глубина нагрева регулируется таким образом, что разупрочненный слой удаляется резцом, следующим за анодным пятном дуги, горящей между электродом, расположенным внутри плазмотрона и обрабатываемой деталью.

Процесс плазменно-механической обработки в настоящее время является наиболее эффективным методом повышения производительности труда и снижения машинного времени при обработке крупногабаритных деталей, изготовленных из высокопрочных труднообрабатываемых сталей и сплавов: высокомарганцовистых сталей, высокоуглеродистых и легированных сталей, отбеленного чугуна, титановых сплавов; деталей, имеющих нагартованные и наклепанные поверхности, твердые наплавки или литейные и ковочные корки.

Например, при обработке броней конусных дробилок, изготовленных из стали 110Г13Л, за счет применения плазменно-механической обработки удалось сократить время обработки со 160 до 16 часов. При этом реальная производительность была увеличена в 16 раз за счет увеличения скорости вращения в 2 раза, глубины резания в 4 раза и подачи в 2 раза при черновой обработке. При обработке плит щелевых дробилок из стали 110Г13Л на продольно-строгальном станке удалось в 12 раз (с одного до двенадцати мм) увеличить глубину резания и одновременно в 5 раз (с 0,1 до 0,5 мм) подачу. При обработке крупногабаритных отливок из Ti сплава ВТ3 производительность была увеличена в 12...15 раз, при обработке деталей из сталей типа 40Х производительность точения на токарных станках была увеличена в 6...10 раз.

Дополнительными положительными факторами являются: снижение расхода твердосплавного инструмента, уменьшение времени на смену инструмента и снижение потребления электроэнергии.

Процесс плазменно-механической обработки определяется следующими факторами:

• параметрами обрабатываемого материала (температура плавления, твердость при комнатной и повышенной температурах, теплопроводность, вязкость);
• параметрами обрабатываемой детали и типом станка (размеры, величина припуска на механическую обработку, биение, наличие литейной или ковочной корки, окисной пленки, пригара и т.п.);
• параметрами процесса плазменного нагрева (ток дуги, расход газа, дистанция до обрабатываемого изделия, и дистанция от пятна нагрева до резца);
• параметрами процесса резания (скорость вращения, глубина резания, подача);
• параметрами режущего инструмента (материал, углы заточки).

При разработке технологии стоит непростая задача оптимизации этих взаимосвязанных факторов.

Выбор режима обработки начинается с четкого определения режима холодного резания - максимальных скорости резания, подачи и глубины резания, обеспечивающих заданную стойкость режущего инструмента.

Определяется оптимальная геометрия и материал режущего инструмента при обычном резании и наиболее характерные причины его разрушения. Определяются физико-механические характеристики обрабатываемого материала - его твердость, прокаливаемость, температура разупрочнения. На основании проведенных исследований выбирается режим плазменного нагрева, который определяется следующими факторами:

• Ток дуги может составлять от 150 до 400 А, и выбирается минимальным в зависимости от необходимой температуры нагрева обрабатываемой поверхности, скорости резания, подачи и глубины резания.
• Для стабильного горения дуги и ведения процесса напряжение на дуге не должно превышать 260 В. Длина столба дуги после выхода из сопла должна позволять свободно маневрировать плазмотроном, не касаясь его токоведущими деталями обрабатываемого изделия.
• Расход плазмообразующего газа расход плазмообразующего газа выбирается минимальным, т.к. это обеспечивает наиболее длительный ресурс работы катода плазмотрона и минимальный шум при выходе газа из сопла.
• Геометрия сопла плазмотрона диаметр и длина канала сопла плазмотрона определяют обжатие дуги. При малых диаметрах канала сопла сжатая дуга выплавляет узкую глубокую канавку на поверхности резания. Такое воздействие дуги может быть полезным при малой глубине резания и подаче, соизмеримой с глубиной канавки. При глубине резания большей 10 мм диаметр канала сопла обычно выбирают 5/6 мм, что позволяет увеличить поверхность взаимодействия анодного пятна с обрабатываемой деталью.

Выбрав параметры режима горения дуги необходимо определить положение плазмотрона. Расстояние между режущей кромкой резца и точкой пересечения оси сопла плазмотрона с поверхностью резания по поверхности детали должно быть более 100 мм и менее 600 мм. Для сталей это расстояние обычно выбирают в пределах 250-350 мм, для титана - 500-600 мм.

Недостатком плазменно-механической обработки является повышенная вредность, связанная с выделением окислов азота, паров металла, повышенным шумом и жестким ультрафиолетовым излучением, но применение современных фильтровентиляционных установок, защитных экранов и индивидуальных средств защиты надежно решают эти проблемы.

С учетом того, что стоимость нормочаса является определяющим фактором себестоимости, срок окупаемости оборудования по результатам эксплуатации на различных заводах редко превышает 3...4 месяца.