CC BY
42
Серiя: Техшчш науки ISSN 2225-6733
МАШИНОБУДУВАННЯ ТА МЕТАЛООБРОБКА
УДК 621.791.052.620.18
© Самотугин С.С.1, Гагарин В.А.2, Мазур В.А.3
ОПТИМИЗАЦИЯ КОНСТРУКЦИИ ПЛАЗМОТРОНА ДЛЯ ПОВЕРХНОСТНОЙ МОДИФИКАЦИИ СТАЛЬНЫХ ИЗДЕЛИЙ
Предложена методика расчета конструктивных параметров плазмотрона косвенного действия для поверхностной модификации деталей сложной формы. Проведен анализ параметров плазменного упрочнения, имеющих влияние на результат обработки.
Ключевые слова: плазмотрон, плазменная струя, сопло, межэлектродная вставка.
СамотугЫ С.С., Гагарш В.О. Мазур В.О. Оптимiзацiя конструкци плазмотрону для поверхневог модифжаци сталевих eupo6ie. Запропоновано методику розраху-нку конструктивних параметр1в плазмотрону непрямо! дП для поверхнево! модиф1-кацП деталей складно! форми. Проведено анал1з параметр1в плазмового змщнення, що мають вплив на результат обробки.
Ключовi слова: плазмотрон, плазмовий струмть, сопло, м1желектродна вставка.
S.S. Samotugin, V.O. Haharin, V.A. Mazur. Optimization of plasmotron construction for surface modification of steel products. A technique for calculating the design parameters of an indirect action plasmotron for surface modification of complex shape parts has been proposed. The plasma modification process parameters characteristics, their mutual influence, the possibility of regulation have been given. The qualitative parameters of the plasmotron are influenced, first of all, by the parameters due to which the plasmotron is formed - arc current, the kind of the plasma-forming gas and its flow rate, the speed of the plasmotron movement and the parts. The diameter of the plasmotron channel and the nozzle apertures provide compression and stabilization of the plasma arc. The length of the channel and the distance to the surface being treated provide the maximum thermal efficiency and plasma temperature. The outer dimensions of the plasmotron are obtained from its design, proceeding from the necessity to be sufficiently cooled. It is necessary to take into account not only the requirements imposed on the hardened workpiece surface, but also on the mutual influence of these parameters. When changing the hardening parameters, it is important to save the service life of the plasmotron. This is possible with the correct choice of the cooling mode. A calculation of the liquid flow rate through the cavity of the plasmotron that is necessary to fulfil the given conditions and secure the proper heat exchange has been made. Tests of plasmatrons of various designs. confirmed the data of the calculations. Keywords: plasmotron, plasma stream, nozzle, interelectrode insertion.
Постановка проблемы. Многие детали различных механизмов работают в условиях трения, и потому увеличение износостойкости является важной научно-технической задачей. Интенсивный износ приводит к поломкам, необходимости проведения преждевременных ремонтных работ, а для таких машин как металлорежущие станки ведет к потере заданной точности обработки [1-3].
1 д-р техн. наук, профессор, ГВУЗ «Приазовский государственный технический университет», г. Мариуполь
2 канд. техн. наук, доцент, ГВУЗ «Приазовский государственный технический университет», г. Мариуполь, gagarin v a@ukr.net
3 канд. техн. наук, доцент, ГВУЗ «Приазовский государственный технический университет», г. Мариуполь, v. a. mazurini@gmail. com
Серiя: Технiчнi науки ISSN 2225-6733
Использование в промышленности большинства методов восстановления и упрочнения поверхностей неэффективно в связи с высокой стоимостью, трудоемкостью и опасностью возникновения неблагоприятного напряженного состояния в поверхностном слое. Весьма перспективно использование методов поверхностной обработки высококонцентрированными источниками нагрева (ВКИН). Из методов ВКИН наиболее экономичным и производительным является плазменная обработка.
Процесс плазменного поверхностного упрочнения достаточно хорошо изучен и эффективно используется при поверхностной модификации для упрочнения деталей и инструмента как мелкого размера (сверла, резцы), так и крупногабаритных (валки прокатных станов) цилиндрической и плоской формы [4]. Расширение номенклатуры изделий, эксплуатационные свойства которых возможно повысить при помощи плазменной модификации, ограничено формой и размерами этих деталей. Это обусловлено необходимостью обеспечения малой дистанции обработки - расстояние от среза сопла до обрабатываемой поверхности должно выдерживаться в пределах 5±1 мм. Габариты плазмотронов высокой мощности в сочетании с плоской торцевой поверхностью сопловой части делают практически невозможным выполнение указанных условий при упрочнении сложных поверхностей. Таким образом, возможность обработки деталей сложной формы либо достижения заданных свойств поверхностного слоя связана с необходимостью оптимизации конструкционных параметров плазмотрона [5].
Анализ последних исследований и публикаций. Известны конструкции плазмотронов для плазменной резки, наплавки, напыления. Такие плазмотроны имеют различные габариты и форму в зависимости от мощности и назначения. Наименьшие размеры имеют плазматроны для микроплазменной обработки. Они наиболее подходят для обработки изделий сложной формы. Однако размер упрочненной зоны при использовании такого плазмотрона не превышает 1 мм и не может быть использован для обработки крупногабаритных изделий, особенно при необходимости получения упрочненного слоя большей толщины [4-7].
В ГВУЗ «Приазовский государственный технический университет» разработан и успешно применяется плазмотрон косвенного действия с секционированной межэлектродной вставкой [5]. Разработанный плазмотрон способен работать при тепловой мощности до 40 кВт и удельной тепловой мощности (1-1,5)^ 105 Вт/см2. Достигаемая глубина упрочненной зоны - до 3-4 мм, ширина - до 10-15 мм. Данный плазмотрон может работать со стандартным оборудованием для плазменной сварки и резки (Киев-4, АПР-403, УПС-804 и др.).
Цель статьи - анализ параметров упрочнения и конструкции плазмотрона косвенного действия с учетом взаимного их влияния с целью достижения заданных требований к поверхности при обработке крупногабаритных стальных деталей.
Изложение основного материала. Основными регулируемыми параметрами процесса плазменного поверхностного упрочнения являются максимальная температура нагрева Т и скорость охлаждения Ж поверхностного слоя. Параметры Т и Ж при разработке технологии плазменного упрочнения не являются параметрами прямого регулирования, а являются комплексными параметрами, на величину которых влияет большое число факторов - мощность плазменной струи (сила тока I, напряжение Ц); скорость обработки V (скорость перемещения плазмотрона); давление Рг и расход Qг плазмообразующего газа; давление Рв и расход воды Qв, охлаждающей плазмотрон; дистанция обработки Л; форма и размеры обрабатываемого инструмента или детали; теплофизические и механические характеристики обрабатываемого материала (у; X; а; Е; Н^ ат); конструктивные параметры плазмотрона.
Параметры плазменной обработки являются переменными, благодаря чему можно значительно варьировать характеристики технологического процесса, которые включают в себя характеристики подводимого к плазмотрону тока, плазмообразующего газа, водяного охлаждения, а именно:
- сила тока I определяет эффективную тепловую мощность плазменной струи д:
д = 0,24- Цпн! Ц, (1)
где Т]пн - КПД плазменного нагрева, т]пн = т]„-^с; т]„ - КПД плазмотрона; т]с - КПД плазменной струи (с учетом потерь на излучение и отражение); Ц - напряжение на дуге (связь величин тока и напряжения определяется вольт-амперной характеристикой (ВАХ) плазмотрона и источника питания).
Серiя: Технiчнi науки ISSN 2225-6733
- скорость перемещения плазмотрона V выбирается для каждого материала индивидуально из-за различий теплофизических свойств обрабатываемых материалов;
- расход плазмообразующего газа должен обеспечивать стабильное плазмообразование, а также стабилизацию дуги в канале плазмотрона;
- от марки плазмообразующего газа зависит температура плазмы. Инертные газы обеспечивают защиту внутреннего канала плазмотрона от окисления, а обрабатываемую поверхность - от окисления и выгорания легирующих элементов.
Увеличение силы тока и расхода плазмообразующего газа ведет к увеличению твердости и глубины упрочненного слоя. Это объясняется тем, что тепловая мощность плазменной струи изменяется пропорционально току, а при увеличении расхода газа происходит дополнительное обжатие струи, вызывающее рост температуры плазмы.
Конструктивные параметры плазмотрона косвенного действия являются постоянными. Использование других конструктивных параметров необходимо производить после тщательных расчетов в случае невозможности добиться оптимальных параметров настройкой оборудования. Влияние параметров плазмотрона рассмотрим на примере разработанного в ГВУЗ «Приазовский государственный технический университет» плазмотрона косвенного действия с секционированной межэлектродной вставкой [6].
Диаметр канала плазмотрона dk (рисунок). При неизменной величине силы тока электрической дуги и расхода газа изменение диаметра канала приводит к росту потерь теплоты, а изменение длины входного и начального участков - к увеличению длины установившегося участка дуги. Также повышается стабильность горения дуги, поэтому, несмотря на некоторое увеличение потерь теплоты, достигается повышение мощности плазменной струи. Если дуга горит в узком канале плазмотрона, то каждая порция газа становится частью дуги и на выходе из канала имеет температуру, равную средней температуре дуги. При увеличении диаметра канала дуга изолируется потоком газа от внутренних стенок плазмотрона, тем самым выполняя функции стабилизации дуги и защиты канала плазмотрона.
Рисунок - Схема процесса плазменной обработки как объекта регулирования
Серiя: Технiчнi науки ISSN 2225-6733
Межэлектродное расстояние 4 влияет на степень преобразования энергии электрического тока в энергию плазменной струи. С увеличением длины канала (межэлектродного промежутка) увеличивается энтальпия аргоновой плазменной струи. Однако при удлинении дуги свыше определенного предела возрастают потери теплоты, а энерговыделение в дуге практически не изменяется. В связи с этим мощность плазменной струи с увеличением длины дуги непрерывно снижается.
Диаметр сопла dc плазмотрона косвенного действия выполняется меньше диаметра канала плазмотрона. За счет этого возможно повышение концентрации тепловой энергии в пятне нагрева плазменной струи. Но вместе с тем, с уменьшением dc снижается эрозионная стойкость анода и увеличиваются потери теплоты, так как требуется более интенсивное водяное охлаждение сопла. Затрудняется также возбуждение плазменной струи. Диаметр канала плазмотрона в направлении течения газа сужается, что повышает энтальпию газа. Внутренний канал сопла имеет коническую и цилиндрическую части с выходным диаметром 6 мм, который позволяет получить высокую плотность теплового потока, оптимальную для поверхностного упрочнения с высокой скоростью нагрева и охлаждения. Повышенные температуры, ведущие к эрозии и даже оплавлению сопла, ограничивают возможности дальнейшего уменьшения диаметра сопла.
Угол заточки электрода аэ влияет на стабильность горения плазменной струи. Образование в процессе работы на торце электрода площадки оплавления может приводить к смещению пятна дуги, что ведет к колебаниям всего столба дуги и, соответственно, потерям тепловой мощности.
Расстояние от выходного отверстия сопла плазмотрона до упрочняемой поверхности h должно оставаться постоянным для максимального использования тепловой энергии плазменной струи. Это ограничивает применение плазменной поверхностной обработки для деталей сложной формы. Возможно расширение номенклатуры обрабатываемых деталей за счет изменения формы плазмотрона [7].
На качественные характеристики процесса плазменной модификации влияют, прежде всего, параметры, благодаря которым формируется плазменная струя с необходимыми параметрами обработки. Наружные размеры определяются конструктивно с учетом необходимости охлаждения. На рисунке изображена схема процесса плазменной обработки плазмотроном косвенного действия с подводимыми и конструктивными параметрами, влияющими на процесс плазменной поверхностной модификации.
Обработка деталей сложной формы может быть произведена плазмотроном, нижняя часть которого (наружная поверхность сопла) имеет форму конуса. Детали такого плазмотрона менее подвергаются нагреву как горячим газом, отходящим из зоны упрочнения, так и от нагретой поверхности детали. Кроме того, такая форма позволяет облегчить контроль над процессом упрочнения [8, 9].
При выборе параметров упрочнения и геометрических параметров плазмотрона необходимо учитывать не только требования, предъявляемые к упрочняемой поверхности детали (рисунок), но и взаимное воздействие данных параметров (таблица). Так при увеличении силы тока повышается тепловая мощность плазменной струи, и детали плазмотрона будут подвержены более высоким тепловым нагрузкам. Стойкость плазмотрона в таком случае можно сохранить, увеличив расход охлаждающей жидкости.
Наружный диаметр плазматрона обусловлен необходимостью охлаждения и его уменьшение возможно только при соответствующих изменениях системы охлаждения. Проблема расчета системы охлаждения стоит и при замене сопла плоской формы коническим, так как уменьшается объем полости и ухудшается возможность подвода жидкости.
Расчет системы охлаждения выполняется, исходя из условия отсутствия кризиса кипения на наружной поверхности водоохлаждаемой обоймы радиуса г1 при прохождении через катод количества теплоты Qk:
^ = . (2) 2щ
При силе тока 500 А, коэффициенте надежности Кохл — 10, количестве теплоты, проходящей через катод Qk — 1600 Вт, критическая плотность теплового потока катода составит дкр — 1,02-107 Вт/м2. По этим исходным данным определяется расход охлаждающей воды и ее температура насыщения в единицу времени.
Серiя: TexHÍ4HÍ науки ISSN 2225-6733
Таблица
Входные параметры технологической системы плазменного упрочнения
Наименование группы параметров Параметр Влияние на параметр
Параметры плазменной обработки Сила тока, I Напряжение, и Расход охлаждающей воды
Давление охлаждающей воды Расход охлаждающей воды Стойкость плазмотрона
Давление газа Расход газа Марка газа Стабильность дуги
Диаметр канала плазмотрона Межэлектродное расстояние Диаметр сопла Высота отверстия сопла Температура плазменной струи Размер упрочненной зоны
Движение детали или плазмотрона Скорость перемещения плазмотрона Параметры градиентной обработки Твердость Размер упрочненной зоны
Обрабатываемый материал Марка материала Размеры и форма Теплопроводность Температуропроводность Удельная теплоемкость Твердость Скорость перемещения плазмотрона Ток обработки
Требуемый расход охлаждающей жидкости в полости охлаждения определяет число Рей-нольдса и характер режима теплообмена (пузырькового или конвективного) для выбранных условий, поскольку критерий Рейнольдса прямо пропорционален скорости потока жидкости и гидравлическому диаметру зазора в полости охлаждения
V ■ d
= V^dL., (3)
v
где dr = 28в - гидравлический диаметр; 8в - величина зазора; v- вязкость воды.
Величина зазора 8в определяется из уравнения:
G
Ss ^-в-, (4)
в 2nr pV
тр / в
где p - плотность воды; гтр - радиус трубы.
После чего определяются критерии Рейнольдса, Нуссельта и Прандтля по которым уточняется величина температуры поверхности стенки.
Расчет параметров охлаждения анода ведется по тепловому потоку, подводимому к аноду, который равен:
Qa =(1 , (5)
где r¡ - к.п.д. плазмотрона; Ыэл - мощность, подаваемая на дугу, Вт, Ыэл = £/•/.
Плотность теплового потока на стенке анода рассчитывается в зависимости от длины анода l (мм), внутреннего диаметра анода d (м):
q = . (6)
ж ■1 ■ d
Стенки электрода, которые контактируют с охлаждающей водой, будут иметь температуру кипения воды teH при давлении Р = 3,25-105 Н/м2, т. е. tw = 134°С.
Определяем температурный перепад, который допускается на стенке медного электрода: Atmax = tC - tw , где tC = 1083°С - температура плавления меди.
После определения температурного перепада At по известной температуре охлаждающей воды может быть найден расход воды в единицу времени, который необходим для охлаждения плазмотрона, а также плотность теплового потока на охлаждаемой поверхности и расход охлаждающей воды. Дополнительно повысить теплоотдачу можно, увеличив площадь теплоотдачи, например, за счет увеличения количества внутренних ребер на сопле.
Серiя: Технiчнi науки ISSN 2225-6733
Данные расчетов подтверждаются стойкостными испытаниями. При изготовлении сопла конической формы были добавлены два ребра жесткости и увеличен расход жидкости при работе. Стойкость сопла и резиновых уплотнений при обработке плоских поверхностей и направляющих соответствует стойкости исходной модели плазмотрона.
Выводы
Проведен анализ параметров плазменного упрочнения и их влияния на термическое воздействие при плазменной модификации. Приведены оптимальные параметры плазматрона косвенного действия для получения максимального КПД в процессе упрочнения.
Рассмотрено взаимное влияние параметров упрочнения и их расчет на примере системы охлаждения плазмотрона, что позволяет сохранить ресурс и работоспособность плазмотрона.
Список использованных источников:
1. Власов В.М. Работоспособность упрочненных трущихся поверхностей / В.М. Власов. - М. : Машиностроение, 1987. - 314 с.
2. Гельберг Б.Т. Ремонт промышленного оборудования / Б.Т. Гельберг, Г.Д. Пекелис. - М. : Высшая школа, 1988. - 304 с.
3. Панин В.Е. Поверхностные слои как синергетический активатор пластического течения нагруженного твердого тела / В.Е. Панин // Металловедение и термическая обработка материалов. - 2005. - № 7. - С. 62-68.
4. Петров С.В. Плазма продуктов сгорания в инженерии поверхности / С.В. Петров, А.Г. Сааков. - Киев : ТОПАС, 2000. - 220 с.
5. Самотугин С.С. Плазменное упрочнение инструментальных материалов / С.С. Самотугин, Л.К. Лещинский. - Донецк : Новый мир, 2002. - 338 с.
6. Соснин Н.А. Плазменные технологии. Руководство для инженеров / Н.А. Соснин, С.А. Ермаков, П.А. Тополянский. - СПб. : Изд-во Политехнического университета, 2008. - 406 с.
7. Дзюба В.Л. Фiзика, техшка та застосування низькотемпературно! плазми : монографiя / В.Л. Дзюба, К.А. Корсунов. - Луганськ : Вид-во СНУ iм. В. Даля, 2007. - 448 с.
8. Пат.108154 Укра!на, МПК В 23 К 10/00, В 23 К 10/02, В 05 В 7/22. Плазмотрон для поверх-невого змщнення / С.С. Самотугш, В.О. Гагарш, В.О. Мазур. - № u201511910; заявл. 02.12.15; опубл 11.07.16, Бюл. № 13. - 4 с.
9. Самотугин С.С. Принципы усовершенствования конструкции плазмотрона для поверхностной упрочняющей обработки направляющих станков / С.С. Самотугин, В.А. Гагарин // Вюник Приазовського державного техшчного ушверситету. - 2013. - Вип. 26. - С. 168-174. - (Серiя: Техшчш науки).
References:
1. Vlasov V.M. Rabotosposobnost uprochnennikh trushchykhsia poverkhnostei [Capacity of the work-hardened ground surfaces]. Мoscow, Mashinostroenie Publ., 1987. 314 p. (Rus.)
2. Gelberg B.T., Pekelis G.D. Remont promsshlennogo oborudovanyia [Repair of industrial equipment]. Мoscow, Vysshaja shkola Publ., 1988. 304 p. (Rus.)
3. Panin V.E. Poverkhnostnse sloy kak synerhetycheskyi aktyvator plastycheskogo techenyia nah-ruzhennogo tverdogo tela [Superficial layers as synergetics activator of plastic flow of the loaded solid]. Metallovedenie i termicheskaya obrabotka materialov - Physical metallurgy and heat treatment of materials, 2005, no.7, pp. 62-68. (Rus.)
4. Petrov S.V., Saakov A.G. Plazma produktov sgoranyia v ynzheneryy poverkhnosty [Plasma of foods of combustion is in engineering of surface]. Kyiv, TOPAS Publ., 2000. 220 p. (Rus.)
5. Samotugin S.S., Leshhinskij L.K. Plazmennoe uprochnenie instrumentalnykh materialov [Plasma hardening of tool materials]. Donetsk, Noviy mir Publ., 2002. 338 p. (Rus.)
6. Sоsnin N.A., Ermakov S.A., Topoljanski P.A. Plazmennyye tekhnologii. Rukovodstvo dlya inzhe-nerov [Plasma technologies. Manual for Engineers]. SPb, Politechnical University Publ., 2008. 406 p. (Rus.)
7. Dzyuba V.L., Korsunov K.A. Fizyka, tekhnika ta zastosuvannia nyzkotemperaturnoi plazmy [Physicist, technician of that application of low temperature plasma]. Luhansk, SNU of Dal Publ., 2007. 448 p. (Rus.)
Серiя: Технiчнi науки ISSN 2225-6733
8. Samotugin S.S., Gagarin V.A., Mazur V.A. Plazmotron dliapoverkhnevoho zmitsnennia [Plasmo-tron for the superficial strengthening]. Patent of UA, no.108154, 2016. (Ukr.)
9. Samotugin S.S., Gagarin V.A. Printsipyi usovershenstvovaniya konstruktsii plazmotrona dlya po-verhnostnoy uprochnyayuschey obrabotki napravlyayuschih stankov [The principles of improvement plasmatron design for the surfaces of strengthening treatment of machine tools guides/ Visnik Pria-zovs'kogo derzhavnogo tehnichnogo universitetu. Seriia: Tekhnichni nauki - Reporter of the Pria-zovskyi State Technical University. Section: Technical Sciences, 2013, iss. 26, pp. 168-174. (Rus.)
Рецензент: В.В. Суглобов
д-р техн. наук, проф., ГВУЗ «ПГТУ»
Статья поступила 07.09.2017
УДК 621.838.225
© Коноваленко В.В.1, Пополов Д.В.2, Зайцев Г.Л.3,
Засельский И.В.4
К РАСЧЕТУ ГОРИЗОНТАЛЬНОЙ ЖЕСТКОСТИ ВИНТОВЫХ ЦИЛИНДРИЧЕСКИХ ПРУЖИН
В работе получена аналитическая зависимость, связывающая горизонтальную и вертикальную жесткости винтовой цилиндрической пружины с круглым и прямоугольным сечением витка, позволяющая определить рациональные параметры виброизолирующих опор вибрационных грохотов. На основании полученных зависимостей установлено, что получение ровной горизонтальной и вертикальной жесткости в виброизолирующих опорах, состоящих из винтовых цилиндрических пружин, невозможно.
Ключевые слова: грохот, винтовая цилиндрическая пружина, жесткость.
Коноваленко В.В., Пополов Д.В., Зайцев Г.Л., Засельський 1.В. До розрахунку го-ризонтальног жорсткостi гвинтових цилтдричних пружин. Уроботi отрима-на аналтична залежтсть, що зв'язуе горизонтальну та вертикальну жорсткостi гвинтово! цилтдрично! пружини з круглим i прямокутним перетином витка, яка дозволяе визначити ращональт параметри вiброiзолюючих опор вiбрацiйних гро-хотiв. На пiдставi отриманих залежностей встановлено, що отримання рiвно! горизонтально! i вертикально! жорсткостi у вiброiзолюючих опорах, що складають-ся з гвинтових цилiндричних пружин, неможливо. Ключовi слова: грохот, гвинтова цилтдрична пружина, жорстюсть.
V. V. Konovalenko, D. V. Popolov, G.L. Zaytsev, I. V. Zaselskiy. To the calculation of horizontal rigidity of coiled springs. The article reveals the problems of the design of elastic vibration isolating elements of vibrating screens. Particular attention is paid to ensuring the equality of horizontal and vertical rigidity. Based on the calculation methods study of the coiled cylindrical springs stiffness, it has been established that the formulas used to calculate the horizontal stiffness give incorrect results. Thus, the goal of sci-
1 канд. техн. наук, доцент, Криворожский металлургический институт Национальной металлургической академии Украины, г. Кривой Рог
2 канд. техн. наук, доцент, Криворожский металлургический институт Национальной металлургической академии Украины, г. Кривой Рог, dmitrykr@ukr. net
3 канд. техн. наук, доцент, Криворожский металлургический институт Национальной металлургической академии Украины, г. Кривой Рог, zajtsev gennady@ukr.net
4 канд. техн. наук, доцент, Криворожский металлургический институт Национальной металлургической академии Украины, г. Кривой Рог, zasicom82@gmail. com
