ПЛАЗМЕННО-МЕХАНИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА В МАШИНОСТРОЕНИИ Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

Секция «Технологические и мехатронные системы is производстве ракетно-космической техники»

УДК 67.02

ПЛАЗМЕННО-МЕХАНИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА В МАШИНОСТРОЕНИИ

А. П. Исаев*, Д. А. Горшкалев, В. А. Сороковиков Научный руководитель - Н. А. Амельченко

Сибирский государственный университет науки и технологий имени академика М. Ф. Решетнева Российская Федерация, 660037, г. Красноярск, просп. им. газ. «Красноярский рабочий», 31

*E-mail: andrewjusto@mail.ru

В рамках работы рассмотрено применение плазменно-механической обработки в машиностроении, приведен перечень обрабатываемых материалов, а также достоинства и недостатки данного метода обработки.

Ключевые слова: плазменно-механическая обработка (ПМО), материал, машиностроение.

PLASMA-ASSISTED MACHINING IN MECHANICAL ENGINEERING

A. P. Isaev*, D. A. Gorshkalev, V. A. Sorokovikov Scientific Supervisor - N. A. Amelchenko

Reshetnev Siberian State University of Science and Technology 31, Krasnoyarskii rabochii prospekt, Krasnoyarsk, 660037, Russian Federation *E-mail: andrewjusto@mail.ru

This work considers the use of plasma-assisted machining in mechanical engineering, gives a list of processed materials, and includes advantages and disadvantages of the machining method.

Keywords: plasma-assisted machining, material, mechanical engineering.

Плазменно-механическая обработка (ПМО) представляет собой комбинированный метод обработки металлов, при котором резание материала осуществляется одновременно с плазменным подогревом. Чаще всего, такой метод предназначен для обработки высокопрочных и труднообрабатываемых сталей и сплавов.

Целью данной работы является рассмотрение плазменно-механической обработки материалов и используемого оборудования, определение преимуществ и перспективных направлений для применения данного способа обработки.

В начале процесса плазменно-механической обработки происходит нагрев и разупрочнение металла на глубину резания с помощью дозированного нагрева в пятне плазменной дуги. Воздействие плазмы, нагрев которой для труднообрабатываемых сталей может достигать от 700°С и более, при воздействии мощности от 20 до 80 кВт происходит только в месте последующего резания металла. При этом нагрев поверхностного слоя заготовки сопровождается снижением прочности и твердости обрабатываемого материала в несколько раз, возникновением структурных превращений и термических напряжений в поверхностном слое заготовки после плазменной обработки, а также изменением характера трения на поверхностях контакта нагретого слоя металла заготовки и режущего инструмента.

Плазменно-механическая обработка обладает такими преимуществами, как повышение производительности карусельных, токарных, строгальных и фрезерных станков в 10-40 раз, гибкость и управляемость технологии, многократное увеличение стойкости режущего

Актуальные проблемы авиации и космонавтики - 2022. Том 1

инструмента, снижение затрачиваемого на обработку детали времени и снижении мощности на обработку труднообрабатываемых и жаропрочных сталей и сплавов [1]. Чтобы избежать окисления поверхности заготовки, нанесение плазмотроном частиц производится в состоянии, приближенном к вакууму.

Однако при осуществлении процесса ПМО необходимо учитывать ряд специфических требований и условий, которые сопровождают этот процесс [2]:

- Необходимость сложного и дорогого оборудования, источников питания плазмотрона, вода, газ, канализация, манипулятор и др.

- Высокий уровень излучения, что требует специальной защиты оператора и окружающей среды. Достаточно высокий уровень шума.

- Выделение большого количества вредных газов и пыли (горят в дуге железо и легирующие добавки), что требует мощной вентиляции.

- Требуется высокая квалификация оператора.

В качестве основного оборудования применяют плазмотрон, представляющий собой устройство, в котором электрический ток используется для образования плазмы, необходимой для резки. Появление плазмотронов вызвано расширением производства тугоплавких и жаропрочных материалов, а также потребностью в источнике тепла повышенной мощности. Среди конструктивных элементов выделяют катод, тип и конструкция которого определяют составом плазмообразующей среды и полярности тока, изолированное от него сопло (анод) и механизм для закручивания плазмообразующего газа. Плазма образуется вследствие возникновения высоковольтной дуги, что происходит при взаимодействии катода с анодом [3].

Как пример, можно рассмотреть наиболее универсальный в использовании плазмотрон, использующий водяное охлаждение. Он наиболее распространен среди оборудования плазменно-механической обработки за счет своей большей мощности и повышенной интенсивности эксплуатации [4]. Осуществление плазменно-механической обработки плазмотроном с водяным охлаждением представлено на рисунке 1.

Так, плазменно-механическая обработка зарекомендовала себя при осуществлении плазменной наплавки слоя металла и последующего фрезерования с целью восстановления детали. Перед удалением наплавленного слоя деталь сначала нагревается, а затем, после передвижения плазмотроном по касательной, охлаждается. Процесс охлаждения должен

Рис. 1. Схема плазменно-механической обработки детали: 1 - область действия плазмотроном на деталь, 2 - сопло плазмотрона

Секция «Технологические и мехатронные системы в производстве ракетно-космической техники»

осуществляться быстро, производя снятие слоя металла при температуре не ниже 550°С, но не выше 750°С. При несоблюдении данного условия происходит ухудшение показателей стойкости фрезы и существенное снижение скорости резания [5].

Плазменно-механическая обработка перспективна для применения в следующих сферах [6]:

- Обработка слитков вакуумно-дугового переплава. Например, при обработке слитков из стали 22КВД с применением ПМО наблюдается повышение производительности в 4.. .6 раз с увеличением в 2.3 раза стойкости режущего инструмента.

- Обработка износостойких наплавок. Так, применение ПМО позволяет перевести обработку поверхностей, наплавленных износостойкими материалами типа: ЗХ2В8 и ЖСН5 с шлифовальных станков на обычные токарные с повышением производительности.

- Обработка марганцовистых сталей. В частности, при обработке стали 110Г13Л. применение ПМО позволяет повысить производительность в 5.6 раз.

- Обработка центробежных труб. В целом ряде деталей, полученных литьем, на поверхности образуется дефектный слой, вызванный литейными корками, представляющими большие трудности при обработке. После ПМО, как показывают металлографические исследования, дефектный слой практически отсутствует, а оставляемый на последующую получистовую обработку припуск увеличивать не требуется.

- Обработка титана. Обрабатываемость сплавов титана резанием составляет 0,6.0,28 от обрабатываемости стали 45. Применение ПМО позволяет в несколько раз повысить скорость резания, увеличить объемную стойкость режущего инструмента.

- Получистовая обработка закаленных деталей. В качестве примера может служить изготовление дорнов. В процессе работы поверхность дорна приобретает наклеп, а образующиеся на ней «взрывы» и трещины ухудшают качество получаемой трубы, однако переточка дорна на новый диаметр практически невозможна из-за высокой прочности поверхностного слоя. Применение ПМО позволяет в этом случае сэкономить металл на изготовление новых дорнов.

Подведя итоги, необходимо отметить, что в данный момент использование плазменно-механической обработки остается актуальным за счет своего большого количества применяемых и перспективных способов по обработке жаропрочных, износостойких и труднообрабатываемых сталей.

Библиографические ссылки

1. Вторая индустриализация России [Электронный ресурс]. - URL : https://xn--80aaafltebbc3auk2aepkhr3ewjpa.xn--p1ai/plazmenno-mehanicheskaya-obrabotka-staley-i-splavov/ (дата обращения 03.04.2022).

2. Студопедия [Электронный ресурс]. - URL : https://studopedia.ru/19_93312_parametri-plazmennih-istochnikov-nagreva.html (дата обращения 03.04.2022).

3. Все для сварки [Электронный ресурс]. - URL : https://www.svarcka.ru/plazmorezy/zapchasti-k-rezakam-cut/katody-dlya-plazmotrona/katod-plazmatrona-cs-101-141.html (дата обращения 04.04.2022).

4. ПУРМ [Электронный ресурс]. - URL : https://www.purm.ru/blog/chto-predstavlyaet-soboj-plazmotron-na-vode/ (дата обращения 04.04.2022).

5. Мехобработка [Электронный ресурс]. - URL : https://mehanoobrabotka-zakazat.ru/articles/spetsifika-vypolneniya-plazmenno-mehanicheskoj-obrabotki-metallov/ (дата обращения 05.04.2022).

6. Кунин В. С. Опыт внедрения плазменно-механической обработки. - Л.: 1982, 28 с. ил.

© Исаев А. П., Горшкалев Д. А., Сороковиков В. А., 2022