Лекция №9 Плазменная обработка

Физическая сущность

Плазму чаще всего получают при осуществлении электрофизических процессов– в электрическом дуговом разряде, высокочас­тотном электрическом поле, с помощью энергий лазерного излуче­ния и т. д. Физические свойства плазмы и прежде всего высокие значения температуры, энтальпии и электропроводности привлека­ют к ней внимание как к уникальному явлению, позволяющему осуществлять ряд интересных физических и технических проектов.

Технологическое применение плазма нашла, прежде всего, в про­цессах, требующих высокотемпературного концентрированного на­грева (металлургия, сварочные процессы). В промышленности ши­роко используется плазменная резка различных металлов и неме­таллических материалов, плазменное нанесение покрытий из тугоплавких металлов оксидов, карбидов и нитридов. Как правило, для технологических целей используют так называемую «низкотемпературную» плазму с температурой 10³...10⁵K, представляющую собой частично ионизированный газ.

 

История

В 1802 г. профессор Санкт-Петербургской медико-хирургиче­ской академии В. В. Петров впервые получил электрический дуго­вой разряд. Этот мощный высокотемпературный источник энергии нашел затем широкое применение в технике как источник света, а также для плавки и сварки металлов, химического синтеза и т.д.

Дальнейшие исследования показали, что в дуговом промежут­ке вещество при высокой температуре находится в особом состоянии, где наряду с нейтральными молекулами и атомами имеются заряженные частицы – ионы и электроны. Эти заряженные части­цы обеспечивают прохождение электрического тока через газ и придают ему ряд ценных с практической точки зрения свойств.

В 1923 г. американские физики Л. Тонкс и И. Ленгмюр предло­жили называть такую среду, в которой значительная часть моле­кул или атомов ионизирована, плазмой. Плазма является состо­янием вещества, наиболее распространенным в космосе.

Она может быть также получена искусственно самыми различ­ными физическими способами.

 

Технические подробности

Степень ионизации плазмы – это количественная харак­теристика, определяющая соотношение в плазме заряженных и нейтральных частиц:

x=n/N,

где п –- концентрация в плазме заряженных частиц одного знака (ионов или электронов); N–число нейтральных молекул или ато­мов газа до его ионизации. Степень ионизации плазмы зависит от многих факторов (прежде всего от температуры). Для низкотемпе­ратурной плазмы ее значение может меняться в широких пределах 0... 100%.

Температура плазмы является ее важнейшей характеристикой, и в реальных плазмотронах она может достигать (2...5) 10⁴ К.

Рис. 12.3

Рис.12.2

Для плазмы, используемой в технологических устройствах, т.е. давление достаточно велико и концентрация частиц составляет > 10¹⁵ см^-3, можно с достаточной для практических целей точностью считать, что Т_е = Т_і = Т_а, т. е. температуры всех частиц равны. Такая плазма носит название термической, и к ней можно приме­нить некоторые принципы термодинамики.

Наиболее широко в качестве плазмообразующих газов распро­странены аргон, гелий, азот, водород, кислород и воздух.

Молекулярные газы (N₂, H₂, O₂ и воздух) позволяют увеличить эффективность нагрева за счет реакций диссоциации – ассоциации. В столбе дугового разряда молекулы диссоциируют по следующим схемам:

Н₂+431,57 кДж/моль – 2Н

N₂+942,75 кДж/моль – 2 N

О₂+ 502,80 кДж/моль – 20

При этом происходит дополнительное поглощение теплоты в столбе дугового разряда. При попадании на обрабатываемую поверхность плазмообразующий газ ассоциирует (превращается из атомного в молекулярный); при этом выделяется теплота, затраченная на его диссоциацию.

Высокая скорость образующих частиц является важным свойством плазмы Наибольшую скорость v частиц в струе плазмы определяют из выражения

где I – сила тока дуги. А; Р – плотность газа (количество атомов газа в 1 см³); r – радиус пятна на электроде, см.

При давлении газа 0,2–0,3 МПа и силе тока дуги 400–500 А скорос­ти ионизированных частиц в струе доходят до 15 000 м/с.

 

Технологические возможности

Плазмообразующий газ, используемой в плазмотроне, в значительной мере определяет технологические возможности плазменной струи, и его нужно выбирать в зависимости от цели процес­са.

Например, плазменная резка фигурных заготовок из листа толщиной 40... 60 мм из алюминиевого сплава ведется со скоростью 0,4... 2,0 м/мин и дает повышение производительности по сравнению с механическими способами резки в 10... 30 раз.

Оборудование

Для получения плазмы, используемой в технологических целях, разработан целый ряд специальных устройств, называемых плазмотронами или плазменными горелками. Наиболее распростра­нены плазмотроны, в которых нагрев газа до необходимой темпе­ратуры осуществляется электрическим дуговым разрядом. В по­следнее время начинают применяться также высокочастотные плазмотроны с так называемым «безэлектродным разрядом».

 

Рис. 31. Схемы плазмотронов. 1 – деталь.

 

В связи с этим в практике плазменной технологии сложилось три основных принципиальных схемы плазмотронов. В двух схемах (рис. 31, а, 6) для получения плазмы используется электрический дуговой разряд; в схеме, изображенной на рис. 31, в, нагрев газа и образование плазмы осуществляются за счет безэлектродного высокочастоного индукционного разряда.

Принципиально того же результата можно достигнуть и при сжигании горючих смесей в обычных горелках за счет энергии хи­мических реакций, но эффективность таких устройств значительно ниже.

В дуговых плазмотронах плазма с требуемыми характеристика­ми может быть получена при различных видах взаимодействия ду­ги с плазмообразующим газом. Плазмообразующие газы также могут быть различными.

Рис. 12.1

Стабилизация дуги в плазмотроне может осуществлять­ся аксиальным потоком газа 1, создающим слой 2, ограничиваю­щий столб дугового разряда (рис. 32).

Рис. 32. Схемы стабилизации плазмы. 1 – газ; 2 – плазма.

 

При тангенциальной подаче газа в дуговую камеру плазмотрон стабилизация достигается за счет вихревого потока 1 плазмообразующего газа (рис. 32, б).

Весьма эффективным способом стабилизации дугового разряда в плазмотроне и повышения его удельных энергетических харак­теристик является ограничение диаметра столба дугового разряда охлаждаемой стенкой. Обычно эта стенка выполняется в виде мед­ного водоохлаждаемого сопла 1 сравнительно небольшого диамет­ра, ограничивающего наружный диаметр дуги 2 (рис. 32, в). В реальных условиях в плазмотроне может применяться сразу не­сколько способов стабилизации столба дугового разряда.

Известны комбинированные схемы включения изделия в цепь плазмотрона (плазменная струя и токоведущее изделие) и комбини­рованные способы передачи энергии плазмообразующему газу (хи­мическая энергия сгорания топлива и электрическая энергия дуго­вого или высокочастотного разряда).

 

Технологические схемы

Плазменный нагрев. Нагрев деталей и материалов до невысоких температур (ниже точки их плавления) с помощью плазменных горелок используется сравнительно редко, однако в последнее время все чаще применя­ется плазменно-механическая обработка металлов, где осущест­вляется такой нагрев. Сущность метода состоит в том, что при об­работке, например, резанием высокопрочных металлов и сплавов перед резцом устанавливается плазмотрон, нагревающий; узкую зону обрабатываемого материала. Так как при нагреве прочность обрабатываемого материала снижается, а пластичность повы­шается, можно без ущерба для качества поверхности увеличить подачу и глубину резания. Плазменно-механическая обработка применяется при изготовлении деталей из жаропрочных сталей, сплавов на основе вольфрама и молибдена и других материалов, в которых при механической обработке при обычной температуре в поверхностных слоях образуются микротрещины.

Рис.12.7

Установка для такой обработки (рис. 33) монтируется на базе уни­версального токарного станка 7. На ней используются плазменные горел­ки 2 мощностью до 50 кВт при диаметре сопла 3 мм. Такие горелки дают возможность получить плотности мощности до 7 ГВт/м². Смесь аргона, азота и водорода (75 % Аг, 20 % Ng, 5 % На) подается в горелку через систему 5 подачи рабочего газа, систему вентилей, манометров и расхо­домеры 6. Дуга зажигается от высокочастотного устройства зажигания. Вначале зажигается вспомогательная дуга между катодом и включен­ным для этого в цепь в виде анода соплом горелки (используется открытая горелка). При подводе горелки к обрабатываемой поверхности загорается главная дуга подачей более высокого потенциала. Ток от источника пита­ния 3 подводится к обрабатываемой заготовке при помощи скользящего контакта 1, расположенного на патроне токарного станка. Установка имеет систему охлаждения 4 горелки и теплоизоляцию 8 для защиты станка. Обработка резанием в условиях предварительного нагрева плаз­менной струёй осуществляется твердосплавными или минералокерамическими резцами.

 

Рис. 33. Установка для плазменной обработки цилиндрических заготовок

 

Плазменная горелка позволяет нагревать узкую зону заготовки, причем нагрев не вызывает окисления поверхности, и скорость нагрева до требуемой температуры может регулироваться в широ­ких пределах, позволяющих сочетать режим работы плазмотрона с режимами резания.

Плазменную струю для предварительного подогрева используют также, обрабатывая коррозионно-кислотостойкую и жаропрочную стали, ко­бальтовые и никелевые сплавы. Установлено, что с повышением темпера­туры нагрева силы резания значительно снижаются. При Т = 500 °С они на всех подачах уменьшаются в среднем на 24 % по сравнению с об­работкой при нормальной температуре, а при Т = 800 °С – в среднем на 45 %. Результаты измерения сил резания в интервале скоростей резания v = 25 – 100 м/мин показали, что при повышенных температурах обра­батываемой поверхности скорость резания на силу резания не влияет. Исследования пока­зали также, что с повышением температуры подогрева до Т = 630 °С может до 45 % уве­личиться объем материала, снимаемый в еди­ницу времени (из-за увеличения скорости ре­зания, подачи и глубины резания). Применение плазменного нагрева при обточке цилиндрических заготовок диаметром 100...350 мм из жаропрочных никелевых спла­вов, вольфрама и молибдена показало, что производительность обработки увеличивается в 6...8 раз при уменьшении износа резцов в 5...6 раз. Скорость съема металла при этом может достигать 3 - 4 кг/мин.

Плазменный нагрев до более высоких температур может при­водить к оплавлению шероховатостей механически обработанной поверхности, улучшая тем самым технологические показатели.

Плавление вещества. Плавка металлов и сплавов, а также неметаллических материа­лов с использованием плазменного нагрева получила широкое рас­пространение. Данный способ отличается высокой стабильностью, простотой и гибкостью технологического процесса. Плазменная плавка позволяет использовать самые различные среды и исходные материалы при минимальных потерях легирующих компонентов. Наиболее распространена схема печи для плавки в водоохлаждаемый кристаллизатор (рис. 34). В таких печах обычно выплав­ляют сложнолегированиые сплавы, например инструментальные стали. При этом благодаря небольшому содержанию в металле неметаллических включений в виде оксидов и кислорода его меха­нические свойства (особенно пластичность) заметно повышаются.

 

Рис. 34. Плавление вещества с помощью плазматрона

 

Плазменный нагрев используется также для плавки металла с последующим измельчением расплава и кристаллизацией его в ви­де малоразмерных капель. В дальнейшем этот материал применяют как исходный продукт порошковой металлургии, для наплавки и т. д. Измельчение металла чаще всего получают разбрызгиванием расплавленного металла при вращении тигля 1 (рис. 34). Попа­дая на холодные стенки кристаллизатора 2, капли жидкого метал­ла затвердевают и в виде гранул собираются на дне камеры, при­чем большая скорость охлаждения расплавленного металла позво­ляет получать неравновесные структуры со специфическими свойствами.

Сварка и наплавка Сварка с использованием плазменных источников энергии при­меняется все шире, так как по сравнению с обычной свободно горя­щей электрической дугой удается получить большую глубину проплавления и меньшую ширину шва и соответственно более узкую зону термического влияния. Процесс идет с большей скоростью при улучшении качества сварного шва.

Плазменной сваркой за один проход сваривают детали толщиной до 20мм, что дает возможность существенно повысить производительность процесса, уменьшить возникающие при сварке дефор­мации и получить в конечном счете более работоспособное сварное соединение.

Микроплазменная сварка является разновидностью процесса плазменной сварки и характеризуется силой тока плазмы порядка 0,1...10 А. Толщина свариваемых заготовок обычно составляет 0,025...1,0 мм. Микроплазменную сварку применяют тогда, когда другими методами невозможно получить сварное соединение. например тонколистовых материалов (фольга, сильфонно-мембранные узлы) или деталей радиоэлектронной техники.

Плазменная наплавка используется для нанесения на обрабаты­ваемые заготовки поверхностных слоев (чаще всего из металлов или сплавов, отличных по составу от материала подложки) с целью повышения эксплуатационных свойств деталей. Для наплавки обычно применяют материалы со специальными свойствами (высо­кой твердостью, повышенной износостойкостью, коррозионной и термостойкостью). Наплавка позволяет получать изделия из деше­вых конструкционных материалов с рациональным распределени­ем свойств по отдельным элементам. При этом значительно снижа­ется расход дорогостоящих легирующих материалов. Толщина наплавленных за один проход слоев может достигать 4...5 мм; воз­можна многослойная наплавка.

Наплавку проводят плазменными горелками косвенного дейст­вия (плазменной струей), что дает возможность регулировать глубину проплавления основного металла посредством изменения расстояния между горелкой и заготовкой. Чтобы обеспечить защи­ту ванны расплавленного металла от взаимодействия с атмосфер­ными газами, в качестве плазмообразующих газов используют аргон и водород.

В станкоинструментальной промышленности наплавкой упроч­няют отдельные детали станков. Использование наплавки позволя­ет экономить дефицитные и дорогостоящие инструментальные ста­ли, например Р18, Р6М5, изготовляя инструменты из обычных уг­леродистых сталей с наплавкой рабочих лезвий. Масса наплавлен­ной инструментальной стали обычно не превышает 4...5% от об­щей массы инструмента, а стойкость инструмента повышается бла­годаря лучшим условиям теплоотвода от режущей кромки.

Плазменную наплавку применяют для нанесения на стальные подложки меди, бронзы, сплавов типа «стеллит» (запорная арма­тура паропроводов), хромоникелевых сплавов (клапаны двигате­лей внутреннего сгорания).

С помощью плазменной наплавки в ремонтных целях восста­навливают дорогостоящие узлы и детали (штампы, пресс-формы, валки и т. д.) металлообрабатывающего оборудования.

Напыление Плазменное напыление отличается от наплавки тем, что напы­ляемый материал нагревается в плазмотроне и затем осаждается на подложку. При этом температура подложки при необходимости может меняться в широком диапазоне. Существует две основные разновидности процесса: а) напыление металла, подаваемого в плазмотрон в виде прутка или проволоки (рис. 35, а); б) на­пыление материала, подаваемого в плазмотрон в виде порошка (оксиды, нитриды, карбиды и т. д.) (рис. 35, б).

 

Рис. 35. Схемы напыления с помощью плазматрона

 

Плазменным напылением обычно получают слои малой толщи­ны (10^-6..10^{-3 м), причем прочность сцепления напыленного мате­риала с основным может быть различней. Можно даже получать так называемые корковые изде­лия, состоящие только из напы­ленного материала. Прочность сцепления покрытия с подложкой зависит как от механического сцепления напыляемых частиц с подложкой, так и от характера химического взаимодействия на­пыляемого материала с основ­ным. Для увеличения прочности сцепления обычно стремятся по­высить степень химического взаимодействия покрытия с подлож­кой, чего обычно достигают предварительным подогревом заготов­ки и созданием промежуточных химически активных слоев.}

Металлические покрытия, получаемые с помощью плазменного напыления, чаще всего состоят из вольфрама, молибдена, ниобия, кобальта, никеля и других металлов и сплавов с достаточно высо­кой температурой плавления.

Производительность процесса может достигать нескольких ки­лограммов напыляемого материала в час, а плотность напыленно­го слоя составляет обычно 80...90% от плотности монолитного металла. Если проводится последующая термообработка, плот­ность напыленного слоя может быть несколько выше. Тонкие (до 0,1...0,3 мм) напыленпые слои имеют большую плотность и лучшее сцепление с напыляемым подслоем, чем более толстые.

Металлические покрытия из жаростойких металлов и сплавов, нанесенные плазменным напылением, применяются для деталей, работающих при высоких температурах в газовых потоках. Нике­левые и кобальтовые напылепные слои повышают коррозионную стойкость конструкций.

Оксидные покрытия отличаются высокой жаростойкостью и сравнительно низкими показателями тепло- и электропроводно­сти их в основном используют в качестве защитных покрытий. Для этой цели чаще всего используют оксиды алюминия и цирко­ния, подаваемые в плазменную струю в виде порошков. Напыление повышает стойкость кокилей и изложниц для литья; износостой­кость, например фильер для протягивания молибденовых прутков, при напылении увеличивается в 5...10 раз. Покрытия из оксида алю­миния широко применяются в качестве нагревостойких электроизоляционных материалов для термопар, горелок, элементов радиоламп.

Тугоплавкие соединения на основе карбидов, боридов, силицидов и нитридов обладают высокой твердостью, жаропрочностью, износостойкостью, и их нанесение с помощью плазменного напыле­ния позволяет резко повысить эксплуатационные свойства ряд из­делий.

Одной из разновидностей процесса плазменного напыления яв­ляется ионная технология нанесения покрытий с помощью плаз­менных ускорителей. Схема этого процесса приведена на рис. 36. Материал покрытия получают испарением в вакууме водоохлаждаемого катода 1. Затем ею ионизируют в элекрическом раз­ряде и превращают в плазму 2, которая с помощью электромагнитного поля ускоряется и фоку­сируется в поток по управлению к обрабатываемо» поверхности 3. Значительная энергия, которую можно сообщить ионам плазме, позволяет глубоко внедрить их в обрабатываемые поверхности; и по­лучать прочные поверхностные по­крытия.

 

Рис. 36. Нанесение покрытия с помощью плаз­менных ускорителей

 

Рис.12.11

Ионная технология позволяет получать покрытия сложного хи­мического состава, например из оксидов, карбидов и нитридов ме­таллов. Такие покрытия образуются в результате плазмохимических реакций, протекающих при добавлении в ионные потоки ме­талла газов (кислорода, ацетилена, азота). В промышленности ионная технология используется для увеличения срока службы металлорежущего инструмента и штампов. При этом износо­стойкость инструмента увеличивается в 2...5 раз, в то же время экономятся дефицитные инструментальные материалы. С помощью ионной технологии можно также наносить различные металличе­ские пленки.

Плазменным, формованием деталей с помощью напыления по­лучают тонкостенные детали и заготовки сложной геометрической формы из труднообрабатываемых металлов, например вольфрама, молибдена и др. Материал в виде плазмы напыляют на оправки или шаблоны, которые в дальнейшем могут или растворяться хи­мическим путем, если они изготовлены, например, из алюминия или меди, или разбираться на части.

Как правило, полученный после напыления слой хрупок, имеет слоистую структуру. После отжига он приобретает равновесную мелкозернистую структуру и механические свойства, позволяющие подвергать его механической обработке и использовать в конструк­циях.

Формование деталей плазменным напылением используется для получения тиглей, деталей ракетных двигателей и МГД-генераторов.

Резка. Плазменная резка наряду с кислородной и воздушно-дуговом относится к группе процессов термической резки, которые имеют целый ряд преимуществ m сравнению с резанием механическим инструментом. Это прежде всего малая зависимость производи­тельности операции от механических свойств разрезаемых материалов, возможность резания заготовок значительной толщи­ны, получение резов любой кон­фигурации. Плазменной резкой можно разрезать практически лю­бые металлы и сплавы, в то вре­мя как, например, кислородная резка пригодна только для угле­родистых сталей. Недостатком плазменной резки можно считать то, что толщина разрезаемых за­готовок не превышает 250...300 мм.

Существуют две основные разновидности плазменной резки:

а) разделительная (рис. 37, а), когда металл прорезается на всю глубину;

Рис.12.12

б) поверхностная (рис. 37, б), называемая строжкой.

 

Рис. 37. Схемы плазменной резки

 

В основе процесса лежит локальное расплавление металла в зоне реза и удаление его в жидкой фазе за счет газодинамических сил, создаваемых потоком плазмы. При этом отсутствует силовой контакт между инструментом и заготовкой, а на поверхности реза остается слей оплавленного металла толщиной в несколько деся­тых долей миллиметра. В прилегающем к зоне реза металле также могут произойти некоторые ч вменения, связанные с нагревом.

Параметры обработки – точность и качество поверхности вы­резаемых плазменной резкой деталей–определены ГОСТом, в котором выделены четыре показателя.

1. Соответствие заданных размеров вырезаемых деталей или заготовок фактическим размерам вырезанных контуров. Предель­ные отклонения установлены только в зависимости от номинальных размеров деталей без учета свойств разрезаемого металла.

2. Неперпендикулярность кромки реза. Нормы неперпендикулярности зависят от толщины разрезаемой заготовки.

3. Шероховатость поверхности реза, измеряемая по фактиче­ской высоте микронеровностей на поверхности реза. В размер шеро­ховатости включаются неровности, появившиеся после удаления с кромок грата, прилипшего во время резки к нижним поверхностям вырезаемых деталей. Шероховатость нормируется в зависимости от толщины разрезаемого металла.

4. Зона термического влияния, оцениваемая по фактической мак­симальной толщине металла у кромок с измененной структурой. На­личие трещин и других видимых дефектов в этой зоне недопустимо. Размеры зоны термического влияния нормируются в зависимости от толщины заготовок. Значения ширины зоны приведены для ста­лей аустеиитного класса. Для других сталей и алюминиевых спла­вов они принимаются в 2 раза большими.

При плазменной резке чаще всего используются плазмотроны прямого действия благодаря их более высокому КПД и только для тонких (менее 1...2 мм) заготовок и неэлектропроводных материа­лов применяется схема резки в режиме плазменной струи.

В качестве плазмообразующих газов при резке используются аргон, азот, водород и их смеси, а также воздух. Применение возду­ха экономически более целесообразно, однако содержащийся в нем кислород приводит к интенсивному разрушению вольфрамового электрода плазмотрона. Для воздушных плазмотронов разработан специальный термохимический катод, содержащий вставку из цир­кония или гафния. Оксиды этих металлов, образующиеся на поверх­ности катода, электропроводны, а катод оказывается работоспособ­ным в окислительной атмосфере.

Разделительная плазменная резка широко применяется в про­мышленности и строительстве в качестве как предварительной, так и окончательной операции изготовления детали.

В литейном производстве разделительной плазменной резкой удаляют литниковые системы и прибыли на отливках из чугуна и других труднообрабатывасмых материалов. Резка может осуществляться как в холодном, так и в нагретом состоянии отливки.

Резка чугунных труб, получаемых центробежным литьем, на мер­ные части сочетает высокую производительность и хорошее качест­во кромки реза. После резки не требуется дальнейшая механическая обработка.

Применяют плазменную резку и в металлургическом производ­стве для разделения на мерные части заготовок с толщиной до 100 мм.

Плазменная резка листового материала толщиной до 150 мм является наиболее широко распространенной областью применения плазменных процессов в промышленности. С ее помощью можно осуществлять разрезание практически всех металлов и сплавов, хо­тя при резке сталей толщиной более 50...60 мм кислородная резка имеет некоторое преимущество из-за большей скорости ведения процесса.

Ручная плазменная резка применяется в основном при монтаже для разделения заготовок небольшой толщины (до 20...40 мм), по­скольку напряжение холостого хода плазмотронов – устройств для ручной резки–в целях безопасности не должно превышать 180В. Это несколько снижает эффективность обработки.

Напряжение холостого хода источника питания устройств ма­шинной плазменной резки ограничивается значением 500 В. Машин­ная резка позволяет повысить точность и скорость резки, одновременно вырезать несколько однотипных деталей. Ее сравнительно легко механизировать и автоматизировать.

Управление перемещением резака может осуществляться: а) ме­ханическим копированием по стальному шаблону с помощью обка­тывающего его «магнитного пальца», б) непосредственно по черте­жу с помощью фотокопировальной головки ив) с помощью про­граммного управления с использованием систем ЧПУ. Программное управление наиболее перспективно; оно позволяет быстро перехо­дить с одного вида продукции на другой. В настоящее время разра­ботаны специализированные ЭВМ, при составлении программ для которых учитывают особенности расположения деталей различной формы при раскрое материала. Эти ЭВМ дают возможность полу­чать минимальные отходы металла.

Преимущества плазменной резки особенно наглядно проявляют­ся при изготовлении из листа деталей сложной геометрической формы. Производительность резания в несколько десятков раз пре­вышает производительность фрезерования. Точность размеров и формы вырезаемых деталей при этом может быть достаточно высо­кой, и некоторые детали могут быть использованы без дополнитель­ной механической обработки.

При резке листовых материалов из углеродистых и легированных сталей в качестве плазмообразующей среды применяют в основном воздух, реже чистый кислород и кислородсодержащие смеси. Цвет­ные металлы и сплавы лучше резать с использованием аргона, азо­та, водорода и их смесей.

В последнее время в самостоятельное направление выделилась микроплазменная резка при сравнительно малой силе тока (5... 100 А). Этот процесс позволяет производить разделения металлов толщиной до 6...8 мм при ширине реза не более 0,8...1,0 мм. Обору­дование для микроплазменной резки имеет меньшие габариты и массу, более высокую стойкость плазмотрона, меньший расход га­зов. В дальнейшем микроплазменная резка, видимо, заменит ме­ханическую резку тонколистовых металлов в заготовительном цик­ле производства.

Микроплазменная резка в режиме струи находит применение для раскроя неметаллических материалов: тканей, сеток, пленок, причем возможна резка «пакетом». При плазменной резке синтети­ческих тканей происходит оплавление их кромок, позволяющее фиксировать волокна.

Поверхностная плазменная резка (строжка) применяется для удаления дефектов (пригаров, неметаллических вклю­чений) на поверхности заготовок, разделки трещин под их даль­нейшую заварку. Наибольший эффект плазменная строжка дает при обработке зашлакованных поверхностных слоев слитков и от­ливок, где механические способы обработки малоэффективны.

Процесс удаления поверхностных дефектных слоев особенно затруднен при обработке слитков из высоколегированных сталей, на которых образуется прочный слой оксидов и шлаков толщиной 20...25 мм с высокой твердостью и высокой температурой плавления. Механическая обработка поверхностей этих слитков обычно производится после их охлаждения с помощью специального твер­досплавного или абразивного инструмента. Учитывая массовый характер производства, большую площадь поверхности слитка (до нескольких квадратных метров), процесс обработки поверхности требует применения высокоэффективных методов удаления слоя оксидов любой прочности.

Плазменно-дуговая воздушная строжка, примененная для этой цели, значительно ускорила процесс удаления оксидов и шлаков и позволила вести этот процесс без охлаждения слитка. Резка го­рячего металла позволяет уменьшить общее время цикла металлургического производства и сократить расход топлива на подогрев слитков.

Оборудование для плазменной зачистки слитков сравнительно просто встраивается в общий непрерывный цикл металлургическо­го производства, причем для увеличения производительности ч на­дежности строжка производится одновременно несколькими плазмотронами.

Зачищенная плазменной строжкой поверхность слитка не тре­бует дополнительной обработки.

Одной из разновидностей строжки является «плазменное точение», удаление плазменной струёй поверхност­ных слоев металла с вращающейся заготовки, которое в последнее время также усиленно развивается. Материал при этой операции удаляется по схеме обычной токарной обработки, но с при­менением плазменной горелки вместо резца. На эффективность процесса влияет характер установки плазменной го­релки относительно детали. При оптимальном расположении горелки 3 относительно детали 1 (рис. 12.13) оплавленный материал полностью уда­ляется из зоны обработки и достигается наивысшее качество обработан­ной поверхности. Оптимальное расстояние оси плазменной струи 4 от обрабатываемой поверхности составляет около 2,5 мм. Среднее удаление сопла 2 от обрабатываемой поверхности – 10 мм.

Рис. 38. Расположение горелки при плазменном точении

 

Хорошие результаты (значительное увеличение удельного съема ма­териала) по сравнению с обработкой резанием получены при «плазмен­ном точении» жаростойких сталей. Для обработки углеродистых сталей, алюминия, латуни использовать этот способ нецелесообразно.

При «плазменном точении» на производительность обработки (съем материала) влияют различные факторы. Наибольший удель­ный съем металла V = 80 10³ мм/мин достигается при подаче s = 2,0 – 2,7 мм/об и окружной скорости заготовки v = 15 – 20 м/мин. Исследования показали, что подачи свыше 2 мм/об рекомендовать для увеличения объема металла, снимаемого в единицу времени, нельзя. С по­дачами менее 1 мм/об, увеличивая окружную скорость заготовки, также не удавалось значительно повысить удельный съем материала.

Определение влияния различных параметров режимов обработки на производительность показало, что с увеличением тока дуги в плазменной горелке съем металла при различных режимах обработки возрастает.

Зависимость съема металла Q кг/мин от параметров режима резания определяется следую­щим соотношением:

Q=g v s t 10^-6,

где g – плотность обрабатывае­мого материала, кг/м³; v– ско­рость резания, м/мин; s–подача, мм/об; t – глубина резания, мм; 10^-3 – коэффициент, учитываю­щий единицы величин.

«Плазменное точение» реко­мендуется только в тех случаях, когда трудна или не возможна обычная токарная обработка. Шероховатость обработанной поверхности Ra 25 мкм, глубина дефектного слоя больше 1мм.