Розрахунок режимів фінішного плазмового зміцнення (ФПЗ)

Мета роботи: визначити основні параметри нанесення тонкоплівкового зміцнюючого покриття при ФПЗ, а саме, загального часу нанесення і числа проходів плазмотрону для здобуття покриття заданої товщини.

ТЕОРЕТИЧНІ відомості

В даний час на практиці розрізняють п'ять плазмових технологій нанесення покриттів і зміни властивостей поверхневого шару:

- наплавлення поверхонь порошковими і дротяними матеріалами на залізній, нікелевій, кобальтовій, мідній і інших основах шарами завтовшки від 1 до 4 мм;

- напилення порошкових і дротяних покриттів товщиною до 1 мм з температурою нагріву виробу менше 100 °С, що виключає його деформацію і структурні зміни металу основи;

- фінішне плазмове зміцнення (ФПЗ) інструменту, штампів, деталей машин з нанесенням алмазоподібного покриття товщиною до 2 мкм (без зміни шорсткості поверхні, при нагріві виробу менше 100 °С), що забезпечує підвищення працездатності виробів в 2 -10 рази;

- модифікація поверхні за рахунок швидкісних хіміко-термічних взаємодій плазмових струменів з поверхнею металу з метою підвищення зносо- і корозійної стійкості і твердості низьковуглецевих сталей;

- загартування поверхні на глибину до 1,5 - 2 мм (з оплавленням або без оплавлення) з можливістю регулювання параметрів поверхневого шару.

Для реалізації вищеназваних процесів розроблений цілий комплекс устаткування. Серед новітніх розробок слід зазначити устаткування для фінішного плазмового зміцнення – ФПЗ і плазмовою наплавлення-напилення.

ФПЗ інструменту і технологічного оснащення забезпечує нанесення алмазоподібного тонкоплівкового (до 2^х мкм) покриття в безвакуумному просторі при атмосферному тиску, відноситься до нових промислових технологій. При цьому зміцнення інструменту, оснащення і деталей машин відбувається при інтегральній температурі нагріву виробів в процесі обробки порядку 100 °С, параметри шорсткості поверхні після ФПЗ не змінюються. Даний процес, призначений для підвищення довговічності робочих поверхонь виробів, виготовлених за допомогою традиційних методів, є завершальною фінішною операцією, тому він названий «фінішне плазмове зміцнення (ФПЗ)». В процесі нанесення ФПЗ алмазоподібне покриття має підвищену твердість (до 53 ГПа), низький коефіцієнт тертя (0,04-0,08 по сталі ШХ15), володіє хімічною інертністю, високим питомим електричним опором (1010 Ом·м). Використання даного устаткування в промислових умовах дозволяє більш ніж в 6 разів підвищити стійкість формотворного оснащення, інструменту і деталей машин.

В процесі ФПЗ значення струму, витрати плазмоутворюючого і транспортуючого газів, дистанції обробки встановлюються і підтримуються постійними: струм – 100 А; витрата плазмоутворюючого газу – 1,5 - 2,0 л/хв; витрата транспортуючого газу – 0,9 - 1,2 л/хв; дистанція обробки – 10 - 20 мм. Точні значення витрат газів встановлюються відповідно до рекомендацій інструкції. Значення дистанції обробки в заданому діапазоні трохи впливає на якість нанесеного покриття.

Швидкість переміщення плазмотрону відносно виробу і продуктивність нанесення покриття вибирається з врахуванням заданої його товщини на підставі характеристик зміцнюваних поверхонь і об'єктів зміцнення (табл. 1.1 і 1.2).

У табл. 1.3 представлені типові моделі, які використовуються для визначення режимів ФПУ, і відповідні приклади об'єктів зміцнення.

Таблиця 1.1. Товщина покриття, що рекомендується, і продуктивність нанесення покриття для різних виробів

Таблиця 1.2. Швидкість переміщення плазмотрона відносно виробу залежно від характеристик зміцнюваної поверхні

Максимальна швидкість переміщення не повинна перевищувати 150 мм/с, що обумовлене газодинамічними процесами взаємодії поверхні і плазмового струменя.

У таблиці і подальших розрахунках прийняті умовні позначення:

F – товщина покриття, мкм;

S – площа поверхні, на яку потрібне нанесення покриття, мм2;

b _p – ширина смуги покриття, що приймається в розрахунках 8 мм (в межах цієї ширини забезпечується рівномірність властивостей покриття по товщині і мікротвердості), мм;

S p – площа поверхні, що враховується при визначенні загального часу нанесення покриття. Враховуючи, що ширина смуги покриття приймається 8 мм, Sp завжди більше або рівна S, мм²;

l – довжина смуги безперервного переміщення плазмотрона (умовна частина площі S p, розбитої на смуги), на яку наноситиметься покриття, визначувана зручністю безперервного переміщення плазмотрона, мм;

t – загальний час нанесення покриття на площу Sp без врахування часу проміжного охолодження, з;

V – швидкість переміщення плазмотрона відносно оброблюваної поверхні, мм/с;

P – продуктивність нанесення покриття, що приймається з врахуванням заданої його товщини, мм2/с;

L _o – довжина однократного проходу плазмотрона над площею S p, рівна сумі довжин смуг безперервного переміщення плазмотрона l, мм;

t₁– час однократного проходу плазмотрона над площею S p, рівне, c;

n – число проходів плазмотрона для нанесення покриття заданої товщини на площу S p;

R – радіус кільця зміцнення, мм.

При розрахунках необхідно дотримуватися наступної послідовності

1. Визначити загальне временя t, з, нанесення покриття на площу Sp

(1.1)

2. Визначити число проходів плазмотрона для нанесення покриття заданої товщини на площу Sp

(1.2)

Значення продуктивності нанесення покриття P і швидкості переміщення плазмотрона V вибираються з табл. 1.1 і 1.2. Визначення S p грунтується на геометричних розмірах поверхні, на яку наноситиметься покриття з урахуванням того, що ширина смуги покриття рівна 8 мм, а також на підставі вибраної типової моделі об'єкту зміцнення (табл. 1.3).

Рекомендації за розрахунком площі поверхні, що враховується при визначенні загального часу нанесення покриття, з використанням типових моделей

Таблиця 1.3. Типові моделі - приклади об'єктів зміцнення

Номер моделі	Типові моделі	Приклади об'єктів зміцнення
		Штамп вирубний (зміцнюється поверхня по периметру ріжучої кромки)
		Штамп формотворний, деталі форм, прессформ (зміцнюється формотворна поверхня)
		Фреза кінцева, свердло, мітчик, ніж (зміцнюються поверхні ріжучих кромок без обертання інструменту)
		Розгортка, мітчик, багатолезовий інструмент (зміцнюються циліндрові поверхні ріжучих кромок при обертанні інструменту і торцева поверхня)
		Деталі типа «вал» (зміцнюється циліндрова поверхня при переміщенні плазмотрона по гвинтовій лінії)
		Дрібнорозмірний інструмент – свердла, мітчики і тому подібне (зміцнюються поверхні ріжучих кромок при установці інструменту в оснащення)
		Формоутворюючі вироби з поверхнею у вигляді круга (при переміщенні плазмотрона по радіусу зміцнюється торцева поверхня з максимальною рівномірністю покриття, що наноситься, по товщині)

Рекомендації за розрахунком площі поверхні, що враховується при визначенні загального часу нанесення покриття з використанням типових моделей

1. Штамп вирубний (модель № 1).

Зміцнюються поверхні ріжучих кромок. Довжина смуги безперервного переміщення плазмотрона уздовж ріжучих кромок, мм

(1.3)

Якщо зміцнюється пуансон і матриця для вирубки виробу складної конфігурації, то l визначається як периметр кромок.

Площа

, мм². (1.4)

H приймається рівною b p, тобто 8 мм (якщо в кресленні або завданні не вказано більше значення), або кратне b p. В більшості випадків

(1.5)

2. Штамп формотворний, деталі форм, прес-форм (модель № 2).

Площа

, (1.6)

при цьому x завжди кратний 8.

3. Свердло або фреза з числом лез до (до2), ніж (k=1) (модель № 3).

Використання даної моделі для циліндрового інструменту доцільно при діаметрі

, мм. (1.7)

Переміщення плазмотрона здійснюється уздовж ріжучої кромки леза. З врахуванням гвинтової лінії інструменту і нанесення покриття на торцеву поверхню можна прийняти

; (1.8)

. (1.9)

Для даного інструменту площа

. (1.10)

При зміцненні плоских ножів

, (1.11)

де y – ширина зони зміцнення, кратна 8.

4. Розгортка, багатолезовий інструмент з числом лез до (модель № 4).

Ця модель розрахунку застосовується при механізованій обробці інструменту з діаметром

; (1.12)

Площа

, (1.13)

де ; якщо , то .

При обробці в обертачі швидкість обертання не залежить від швидкості переміщення плазматрону і складає 30 - 90 об/хв.

Таблиця 5 - Довідкова

до
		9,2	11,3	13,6		20,9	30,9

5. Деталі типа «вал» (модель № 5).

Площа циліндрової поверхні зміцнюваної ділянки валу визначається як

, (1.14)

де l=x.

Процес ФПЗ здійснюється при обертанні валу. При цьому покриття наноситься при безперервному переміщенні плазмотрону по спіралі з кроком 8 мм, з осьовою швидкістю Vx,, мм/с і часом одного звороту

(1.15)

Тоді швидкість обертання ω, об/хв

(1.16)

6. Дрібнорозмірний інструмент (модель № 6).

При діаметрах інструменту менше 6 мм доцільна їх групова обробка, наприклад, при розташуванні зміцнюваних виробів в пристосуванні по колу діаметром D. В цьому випадку площа

(1.16)

де l – виступаюча їх пристосування частина інструменту. При цьому поворот інструменту може здійснюватися уручну однократно на 180° або при постійному обертанні інструменту довкола власної осі.

7. Формотворні поверхні у вигляді круга (модель № 7).

Для здобуття покриття з максимальною рівномірністю товщини на всій поверхні круга потрібно знати крок переміщень, кількість кроків і час витримки на кожному кроці. Для цієї мети слід використовувати програму ФПУ. Sp при цьому значно перевищує S.

Приклади розрахунку режимів ФПЗ

Для нанесення рівномірного по товщині покриття на всій довжині смуги зміцнення, у тому числі на краях, рекомендується в процесі ФПУ виводити плазмовий струмінь за межі оброблюваної смуги як мінімум на 4 мм в кожну сторону. Це необхідно враховувати при розрахунку загального часу нанесення покриття.

1. Зміцнення пуансона вирубного штампу (модель № 1).

Хай довжина периметра рівна 200 мм, товщина покриття F = 0,3 мкм, вирубувана фігура має 4 кути. Тоді

мм.

Приймаємо Н = 8 мм. Площа

мм².

Продуктивність нанесення покриття за даними таблиці 2 для заданої товщини покриття складає Р = 5 мм²/с, тоді загальний час нанесення покриття

Приймаємо швидкість переміщення плазмотрона згідно таблиці 3 v = 4 мм/с, тоді час однократного проходу плазмотрона

і число проходів плазмотрона складе

проходів.

2. Фреза чотирьохлезвійна (модель № 3 або № 4).

Діаметр фрези d = 14 мм, довжина робочої частини x = 30 мм, товщина покриття F = 0,3 мкм.

Можливі два варіанти розрахунку режиму зміцнення: з використанням моделі 3 або 4.

Визначимо доцільність використання моделі 3: при числі лез до = 4

= 11,3 <d,

тобто обробка цієї фрези по моделі 3 повинна дати деяке заощадження часу, а тому доцільна при зміцненні невеликої партії інструменту.

Довжину ріжучої кромки з врахуванням гвинтової лінії можна прийняти

,

довжина ріжучої кромки на торці

мм,

тоді загальна довжина складе

мм.

Площа

мм².

Загальний час нанесення покриття

Приймемо швидкість переміщення V = 10 мм/с, тоді

с.

Число проходів плазмотрона складе

Доцільно розділити їх на 4 цикли по 4 проходи з проміжним охолодженням.

Модель 4 передбачає закріплення неробочої частини фрези в патроні обертача або в пристосуванні. Довжина смуги безперервного переміщення плазмотрона приймається

мм.

Площа циліндрової поверхні

мм².

Загальний час нанесення покриття

t = 334,2c = 5,6 хв.

При швидкості переміщення плазмотрона V = 10 мм/с час однократного проходу плазмотрона

с.

Число проходів

забезпечується механічним переміщенням.

Площа торця

мм²

(d/2 < 8, приймаємо d/2 = 8), загальний час нанесення покриття на торець l _Т = 40 с. Процес необхідно вести з проміжним охолодженням чотирма циклами по 10 с або п'ятьма циклами по 8 с. Таким чином, повний час обробки по моделі 4, без врахування часу проміжного охолодження, складе

Поиск по сайту: