Устройство плазменной закалки деталей из стали и чугуна в автоматическом и ручном режиме

 

Полезная модель относится к области металлообработки и термообработки, конкретно, к плазменной закалке поверхностей изделий из стали и чугуна в автоматическом и ручном режиме. Технические результаты заключаются в том, что конструкция плазматрона позволяет контролировать и получить устойчивую дугу на расстоянии от сопла до обрабатываемого изделия в диапазоне от 8 до 20 мм; увеличивается площадь обработки за счет возможности увеличения расстояния между плазматроном и обрабатываемым изделием и ширины дуги за счет изменения напряжения на электромагнитной катушке плазматрона; предусмотрена возможность увеличения рабочего тока, что позволяет получить максимальную глубину закалки; повышается износостойкость плазматрона за счет принудительного охлаждения водой; наличие сканирующего устройства позволяет получить закаленную полосу шириной 8-20 мм, что повышает производительность закалки. Сканирование обеспечивает получение обжатой стабилизированной дуги, которая может гореть в труднодоступных местах закаливаемых деталей сложной конфигурации. Предусмотрен режим отклонения дуги электромагнитными катушками при неизменной фиксации плазматрона. Это позволяет регулировать ширину и отклонять дугу от центра сопла без поворота плазматрона. Илл.1.

Полезная модель относится к области металлообработки и термообработки, конкретно, к плазменной закалке поверхностей изделий из стали и чугуна в автоматическом и ручном режиме.

Известно техническое решение по патенту РФ №2313581, правообладатель ООО "Композит", в котором описано техническое решение для поверхностной закалки изделий путем перемещения по поверхности изделия плазменной дуги прямого действия, возбуждаемой между электродом и изделием, при этом плазменную закалку выполняют на обратной полярности, когда электрод является анодом, а изделие - катодом. Известное техническое решение имеет существенные недостатки: невозможно контролировать и стабилизировать дугу на расстоянии от сопла до изделия в диапазоне от 8 до 20 мм - в этом диапазоне плазматрон не гарантирует устойчивую дугу, невозможно проводить обработку дугой в труднодоступных местах закаливаемых деталей сложной конфигурации, невозможно обеспечить регулировку ширины и отклонения дуги от центра сопла без поворота плазматрона. Ток дуги значительно ниже (160-180А), в заявляемом способе 250-350А.

В отличие от известного в заявляемом техническом решении:

1. Плазменная закалка осуществляется на прямой полярности, а не на обратной.

2. Конструкция плазматрона позволяет контролировать и стабилизировать дугу на расстоянии от сопла до изделия в диапазоне от 8 до 20 мм. При этом диапазоне плазматрон позволяет получить устойчивую дугу (дуга горит устойчиво). При увеличении длины дуги, т.е. расстояния между плазматроном и обрабатываемым изделием,

увеличивается ширина дорожки (площадь обработки). Для обеспечения максимальной глубины закалки предусмотрено увеличение рабочего тока. Причем тепловложение на единицу площади остается примерно постоянным.

3. Сопло в заявляемом устройстве - самая теплонагруженная деталь, поэтому она принудительно охлаждается водой, что способствует увеличению износостойкости плазматрона. Благодаря охлаждению температура сопла в рабочем режиме не превышает 40-50°С и сопло может работать при такой температуре длительное время без разрушительных последствий.

4. Наличие устройства, позволяющего осуществлять отклонение дуги по оси Х электромагнитными катушками при неизменной фиксации плазматрона. Это позволяет регулировать ширину и отклонять дугу от центра сопла без поворота плазматрона.

Известно техническое решение, описанное в патенте РФ №2069131, правообладатель ТОО «АГНИ», которое мы рассматриваем как ближайший аналог для заявляемого устройства.

Сущность известного изобретения заключается в том, что устройство для плазменной обработки металлов, содержащее систему подачи рабочего газа, изолятор и электроды, один из которых является выходным и имеет внутренний канал, снабжено преобразователем потока рабочего газа, соединенным с выходным электродом и образующим с ним общий внутренний канал переменного сечения, причем торцевая поверхность преобразователя потока рабочего газа выполнена сопряженной обрабатываемой поверхности изделия.

Внутренний канал данного устройства заканчивается щелью.

Устройство содержит систему подачи рабочего газа, изоляторы, электроды, один из которых является выходным, и преобразователь потока

рабочего газа с торцевой поверхностью, выполненной по форме обрабатываемой поверхности изделия.

Устройство функционирует следующим образом: известными способами возбуждают электрическую дугу между электродами. Рабочий газ последовательно проходит через разрядный промежуток, выходной электрод и преобразователь потока и производит нагрев поверхности изделия. Вследствие относительного перемещения плазматрона происходит обработка поверхности изделия.

В отличие от известного технического решения:

1. Заявляемое устройство представляет собой круглое сопло, а не щелевое, т.е. предлагается более простая и эффективная конструкция - (Фиг.1), так как круглое сопло изготовить гораздо проще и технологичнее.

2. Расширение дуги происходит за пределами плазматрона, при этом ширина закаленной дорожки 8-20 мм. В заявляемом устройстве дуга горит между катодом и изделием. При этом КПД гораздо выше, чем при косвенном воздействии плазмы. Когда расширение дуги происходит внутри плазматрона, то внутренняя регулировка усложняет конструкцию и не позволяет регулировать ширину и отклонение дуги.

Задача заявляемого технического решения - разработка малогабаритного устройства для плазменной закалки изделий из стали и чугуна, позволяющего осуществлять закалку в труднодоступных местах, в том числе и внутренних поверхностей деталей с внутренним диаметром не менее 80 мм в автоматическом и ручном режиме.

Технические результаты заявляемого технического решения заключаются в том, что:

1. Конструкция плазматрона позволяет контролировать и стабилизировать дугу, т.е. получить устойчивую дугу на расстоянии от сопла до обрабатываемого изделия в диапазоне от 8 до 20 мм.

2. Увеличивается ширина дорожки (площадь обработки) за счет возможности увеличения длины дуги, т.е. расстояния между плазматроном и обрабатываемым изделием и ширины дуги за счет изменения напряжения на электромагнитной катушке плазматрона.

3. Предусмотрена возможность увеличения рабочего тока, что позволяет получить максимальную глубину закалки, при этом тепловложение на единицу площади остается примерно постоянным.

5. Повышается износостойкость плазматрона за счет принудительного охлаждения водой (температура воды на сливе не более 40°С).

6. Наличие сканирующего устройства дуги (устройства, позволяющего осуществлять отклонение дуги по Х и растягивание дуги) позволяет обжимать (уменьшать диаметр) дугу, что позволяет получить закаленную полосу шириной 8-20 мм, за счет чего повышается производительность закалки. В то время как при использовании несканированной дуги ширина закалки около 5-6 мм. Это позволяет увеличить скорость проведения закалки. Сканирование обеспечивает получение обжатой стабилизированной дуги, которая может гореть в труднодоступных местах закаливаемых деталей сложной конфигурации, включая, к примеру, шпоночные пазы, углы калибров, радиусы, гребни колес.

7. Предусмотрен режим отклонения дуги электромагнитными катушками при неизменной фиксации плазматрона. Это позволяет регулировать ширину и отклонять дугу от центра сопла без поворота плазматрона. Такой режим обеспечивает возможность эксплуатации установки в ручном режиме при термообработки сложных поверхностей деталей.

Таким образом, предлагается техническое решение для поверхностной закалки изделий путем перемещения по поверхности изделия плазменной дуги прямого действия, возбуждаемой между

электродом и изделием. При этом плазменную закалку выполняют на прямой полярности, сопло и ферромагнитные губки принудительно охлаждают водой, с помощью сканирующего устройства получают обжатую стабилизированную дугу, способную гореть в труднодоступных местах закаливаемых деталей сложной конфигурации, при перемещении дуги по поверхности детали за счет ее вращения или перемещения детали или перемещения самого плазматрона получают закаленную полосу, ширину которой регулируют. Возможно регулирование ширины полосы за счет изменения расстояния от торца плазматрона до изделия и/или напряжения на электромагнитной катушке сканирующего устройства. Предусмотрен режим отклонения дуги при неизменной фиксации плазматрона. Это позволяет обеспечить регулировку ширины и отклонения дуги от центра сопла без поворота плазматрона.

Устройство содержит систему подачи рабочего газа, изолятор, катодный узел, сопло, отличающееся тем, что устройство включает один или два малогабаритных плазматрона прямого действия, устройства для крепления, поворота и настройки плазматрона в процессе работы; систему охлаждения сопла плазматрона, сканирующее устройство дуги, включающее генератор, электромагнитную катушку и ферромагнитные губки; выпрямитель с падающей внешней характеристикой и напряжением холостого хода 80-90 В; один или два пульта управления со встроенным осциллятором и измерительными приборами - амперметр, вольтметр, указатель положения переменного напряжения на катушке, регулятор постоянного напряжения на катушке.

На Фиг.1 представлена принципиальная схема устройства для плазменной закалки материалов, где:

1 - катодный узел с вольфрамовым электродом

2 - втулка изоляционная

3 - сопло

4 - крепление плазматрона

5 - трубка охлаждения сопла

6 - система подачи рабочего газа

7 - магнитопровод

8 - болт.

Пример осуществления заявляемого технического решения.

Установка плазменной закалки (в дальнейшем УПЗ) предназначена для поверхностного упрочнения деталей из стали и чугуна. Упрочнение производится с целью увеличения твердости рабочей поверхности деталей и снижения их износа в процессе эксплуатации. В таблице 1 приведены значения твердости сталей после плазменной закалки, произведенной с помощью заявляемого технического решения в зависимости от массы и площади закаливаемой поверхности - разбег значений в единицах HRC.

Таблица 1
1Конструкционные углеродистые и низколегированные 34ХН1М, 38ХС, 40Х, 40ХН, 45HRC 48-54
2Пружинные 50ХФА, 65Г, 60С2HRC 50-56
3Инструментальные углеродистые У7, У8, У9, У10HRC 52-60
4Валковые 60ХН, 9Х, 9Х2МФ HRC 53-61
5 Штамповые 5ХНМ, 5ХНВ, 4Х5ФМСHRC 52-60
Примечание: При принудительном охлаждении деталей показатель HRC может быть выше

За счет увеличения стойкости и уменьшения съема металла при переточке достигается экономия деталей. УПЗ осуществляет процесс упрочнения в среде аргона на постоянном токе прямой полярности.

Плазматрон прямого действия, т.е. плазменная дуга горит между катодом плазматрона и упрочняемым изделием. Установка стационарная, предназначена для работы в закрытых помещениях с искусственно регулируемыми климатическими условиями.

УПЗ изготовлена в исполнении УХЛЧ для работы в районах умеренного климата при температуре окружающего воздуха от +1°С до +35°С и относительной влажности воздуха до 80% при +25°С. Качество охлаждающей воды по ГОСТ 2874-82. Окружающая среда не должна быть взрывоопасной, не содержать пыли и паров в концентрациях, вызывающих сильную коррозию и разрушение металлов и изоляции.

В состав УПЗ входят: выпрямитель ВДУ-504 (ВДУ-506) с падающей внешней характеристикой и напряжением холостого хода 80-90 В; один (два) пульта управления со встроенным осциллятором и измерительными приборами; малогабаритный плазматрон (или два плазматрона) прямого действия; два устройства для крепления плазматрона и их поворота в процессе работы и их настройки; система водоснабжения для охлаждения плазматрона; прижимное устройство для токосъемника; токосъемник; система подачи плазмообразующего газа; токоведущие кабели; кабель управления (два). Плазматрон генерирует плазменную дугу следующим образом. Высоковольтный высокочастотный разряд осциллятора пробивает промежуток между вольфрамовым катодом и медным соплом. Конденсаторы блока защиты шунтируют источник питания, защищая его от высокого напряжения. При наличии аргона в промежутке электрод-сопло возбуждается малоамперная «дежурная» дуга. За счет ионизации аргона в «дежурной» дуге и приложенному напряжению холостого хода ВДУ «дежурная» дуга выдувается потоком газа и зажигается основная дуга между катодом и изделием. «Дежурная» дуга отключается. Назначение вольфрама - эмиссия электронов с поверхности для облегчения зажигания дуги. Медное сопло предназначено для обжатия и стабилизации горения дуги. За счет обжатия дуги в канале сопла сварочная дуга увеличивает свою температуру с 5 до 15 тыс. градусов. На торце сопла плазматрона имеются ферромагнитные губки сканирующего устройства, которые при прохождении между ними электромагнитного потока с катушки, расположенной в хвостовой части плазматрон, отклоняют дугу попеременно влево и вправо. За счет отклонения (растяжения) дуги перпендикулярно перемещению дуги, ширина закаленной полосы существенно увеличивается с 5...6 мм до 10...20 мм, что повышает производительность операции поверхностного упрочнения.

Плазматрон обеспечивает получение плазменной дуги (сжатого дугового разряда), имеющей высокую температуру столба 12...16 тыс. градусов. Для удобства настройки, доступа к закаливаемой поверхности сложной конфигурации, плазматроны выполнены в малогабаритном исполнении, поэтому для обеспечения стойкости их узлов (длительного ресурса работы) необходимо принудительное охлаждение узлов. Расход охлаждающей воды при давлении на входе 2,5 кгс/см2 (в системе СИ нет величины кгс/см2) должен быть 5-10л/мин.

В хвостовой части плазматрона находятся электромагнитные катушки, позволяющие сканировать (растягивать) плазменную дугу.

В систему газоснабжения - подачи плазмообразующего газа аргона - входят:

- баллон объемом 40 л, в перерасчете на газ - 6000 л (6 м3) аргона чистого газообразного;

- расходомер-редуктор типа АР-40, У-30 или А-30, позволяющий осуществлять регулировку расхода газа;

- два электрических клапана, встроенные в ВДУ-504 (ВДУ-506) и осуществляющие включение и выключение подачи аргона в начале и конце процесса закалки;

- датчик давления аргона, встроенный в ВДУ-504 (ВДУ-506) при несрабатывании датчика (отсутствие аргона в системе) блокирует включение устройства поджига дуги и предотвращает выход из строя плазматрона;

- шланги, по которым подается аргон от баллона до электрических клапанов, от них к плазматрону.

В силовой блок входят: выпрямитель сварочный ВДУ-504 (ВДУ-506), питающийся от трехфазной сети с частотой 50 Гц.

Для применения выпрямителя в качестве источника питания плазменной дуги произведена его доработка. Внесены следующие изменения:

- встроены два электрических клапана для аргона;

- датчик давления аргона;

- два контактора включения плазматрона;

- на панели установлены дополнительные выводы для включения в цепь зажигания дуги контакторов;

- промежуточное реле;

- разъем для датчика давления воды и аргона.

Пульты управления служат для дистанционного включения питания, зажигания дуги, контроля за процессом закалки и регулировки тока дуги.

Осциллятор, встроенный в пульт, работает по принципу вибратора. По одной из обмоток проходит ток «дежурной» дуги 20...50А, ограничиваемый сопротивлением 0,1 Ом, мощностью 120 Вт. Длительно держать включенным осциллятор нельзя, так как происходит перегрев резистора.

Для защиты тиристоров выпрямителя от высоковольтного высокочастотного разряда в пультах смонтированы блоки защиты в виде R-C-цепочки.

В пультах управления имеется понижающий трансформатор 20-190 В для питания электромагнитных катушек плазматрона.

Для предотвращения преждевременного выхода из строя плазматрона в пультах смонтирована система блокировок - давления воды, аргона и скорости вращения деталей. В случае срабатывания любой из этих блокировок происходит автоматическое выключение установки - снимается сварочное напряжение и выключается подача аргона. Любое аварийное срабатывание из-за отсутствия охлаждающей воды, аргона или вращения детали является нежелательным, так как происходит срабатывание контакторов в ВДУ, по которым идет сварочный ток. Процесс зажигания и горения дуги блокируется также тумблерами, расположенными на пульте управления.

Плазматрон (Фиг.1) состоит из катодного узла с вольфрамовым электродом, сопла 3 изоляционной втулки 2, отделяющей катодный узел от сопла. По медным трубкам осуществляется подача аргона, подвод и отвод охлаждающей воды.

Производительность плазменной закалки1,15-2,50 м2
1. ТЕХНИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ
Производительность плазменной закалки1,15-2,50 м2
Используемая внешняя характеристика источника питанияпадающая
полярностьпрямая
плазмообразующий газ аргон чистый
охлаждение плазматронводяное
расход воды, не более10 л/мин
мощность установки, не более20 кВА

Заявляемое устройство изготовлено и ООО Урал ЭСБ, г.Н.Тагил Свердловской обл.

Устройство поверхностной закалки изделий путем перемещения по поверхности изделия плазменной дуги прямого действия, возбуждаемой между электродом и изделием, содержащее систему подачи рабочего газа, изолятор, катодный узел, сопло, отличающееся тем, что устройство включает один или два малогабаритных плазматрона прямого действия, устройства для крепления, поворота и настройки плазматрона в процессе работы, систему охлаждения сопла и ферромагнитных губок плазматрона, сканирующее устройство дуги, включающее генератор, электромагнитную катушку и ферромагнитные губки, выпрямитель с падающей внешней характеристикой и напряжением холостого хода 80-90 В, один или два пульта управления со встроенным осциллятором и измерительными приборами, указатель положения переменного напряжения на катушке, регулятор постоянного напряжения на катушке.



 

Похожие патенты:

Проектирование и строительство многоэтажного многоквартирного жилого здания относится к области строительства и касается конструктивного выполнения многоэтажного здания и может быть использовано при возведении 25-ти этажного здания повышенной комфортности и безопасности.
Наверх