RU1672919C - Способ плазмоимпульсной обработки металлических цилиндрических деталей - Google Patents

Abstract

Изобретение относитс  к управл емому термо дерному синтезу и технологии обработки деталей путем облучени  их поверхности потоком энергии или частиц и может быть использовано в авиационной , судостроительной, стэнкоинструменталь- ной промышленности и других отрасл х народного -хоз йства дл  увеличени  срока службы деталей Целью изобетени   вл етс  расширение функциональных возможностей способа путем использова- х ни  его дл  обработки цилиндрических деталей переменного радиуса Способ плазмоимпульсной обработки металлических цилиндрических деталей включает размещение детали в полом изол ционном корпусе, в торцах которого вакуумплотно установлены электроды, имеющие технологические отверсти  и аппаратуру контрол  и соединенные с источником питани  посредством пр мого и обратного тоководов Изол ционный корпус выполн етс  в форме, подобной форме обрабатываемой детали с 11 9 коэффициентом подоби  K R/rfc exp 10 r/l , где г - текущий радиус обрабатываемой детали, м; R - радиус изол ционного корпуса в сечении, соот2 ветствующем текущему радиусу детали г. м; I максимальное значение тока разр да в установке, А. Обратный токовод выполн етс  в виде провод щего кожуха, размещаетс  снаружи изол ционного корпуса и соединен с источником питани  например , посредством коаксиальных кабелей. Способ позвол ет эффективно обрабатывать цилиндрические детали не только посто нного радиуса, но и переменного радиуса Образовывающийс  защитный слой на поверхности обрабатываемой детали представл ет собой аморфное или мелкокристаллическое состо ние того же химического состава, что и исходна  деталь. Защитный слой обладает антикоррозионными свойствами, повышенной износостойкостью , обладает увеличенной микротвердостью. 1 ил.

Description

Изобретение относитс  к управл емому термо дерному синтезу и технологии обработки деталей путем облучени  их поверхности потоком энергии или частиц и может быть использовано во всех отрасл х народ- 5 ного хоз йства, в частности в авиационной, автомобильной и станкоинструментальной промышленности дл  увеличени  срока службы деталей.JQ

Известна п азмоимпульсна  установка и способ обработки металлических деталей. Установка представл ет собой электродинамический ускоритель плазмы, состо щий из двух электродов, разделенных изол то- ром, и камеры дл  установки обрабатываемой детали, Указанные электроды размещены коаксиально. Напуск рабочего газа осуществл етс  со стороны внутреннего электрода. Источником питани  элект- 20 родной системы  вл етс  конденсаторна  батаре . Зар женна  конденсаторна  батаре  разр жаетс  на рабочий газ, например водород, азот. Рабочий газ ионизируетс , образованна  высокотемпературна  плаз- 25 ма под действием электродинамических сил ускор етс  в электродной системе и вылетает в камеру, где установлена обрабатывав-, ма  деталь.

, Недостатком известного способа  вл - зо етс  ограниченность функциональных воз- можностей, так как вследствие пр молинейности движени  плазменного сгустка можно обрабатывать только плоские детали.t 35

Наиболее близким по технической сущности  вл етс  способ обработки металлических деталей цилиндрической формы.

Устройство, реализующее способ, представл ет собой полый изол ционный корпус 40 цилиндрической формы, в торцах которого вакуум-плотно установлены электроды, имеющие технологические отверсти  и аппаратуру контрол  и соединенные с источником питани  посредством пр мого и 45 обратного тоководов.

Недостатком известного способа  вл етс  ограниченность функциональных возможностей , так как вследствие равномерно сход щейс  плазменной оболочки, имею- 50 щей форму, подобную форме изол ционного корпуса, а именно цилиндрическую, и один радиус по всей высоте, можно обрабатывать только цилиндрические детали посто нного радиуса.55

Целью изобретени   вл етс  расширение функциональных возможностей способа путем использовани  его дл  обработки цилиндрических деталей переменного радиуса .

Поставленна  цель достигаетс  тем, что в известной плазмоимпульсной установке дл  обработки металлических деталей, содержащей полый изол ционный корпус, в торцах которого вакуум-плотно установлены электроды, имеющие технологические отверсти  и аппаратуру контрол , и соединенные с источником питани  посредством пр мого и обратного тоководов, изол ционный корпус выполнен в форме, подобной форме обрабатываемой детали, с коэффициентом подоби 

K exp«Јl

О

где г - текущий радиус обрабатываемой де% тали, м;

R - радиус изол ционного корпуса в сечении , соответствующем текущему радиусу детали г, м;

1о - максимальное значение тока разр да в плаэмоимпульсной установке, А.

Обратный токовод выполнен в виде провод щего кожуха, размещенного снаружи изол ционного корпуса и соединенного с источником питани , например, посредством коаксиальных кабелей. Благодар  такому исполнению токовода повышаетс  КПД плазмоимпульсной установки за счет уменьшени  потерь энергии в паразитной индуктивности токоведущего контура установки.

Изол ционный корпус выполнен из фарфора. Благодар  выполнению изол ционного корпуса из фарфоре повышен КПД плазмоимпульсной установки за счет уменьшени  потерь энергии на ионизацию пристеночных примесей в течение формировани  и ускорени  плазменного сло .

На чертеже изображена схема, плазмоимпульсной установки, реализующей данный способ.

В торцах полого изол ционного корпуса 1 вакуум-плотно установлены электроны 2, имеющие технологические отверсти  3 и аппаратуру контрол  4. Корпус 1 имеет форму, подобную форме обрабатываемой детали 5, с коэффициентом подоби 

где г - текущий радиус обрабатываемой детали , м;

R - внутренний радиус изол ционного корпуса в сечении соответствующем текущему радиусу детали г, м

lo - максимальное значение тока разр да в устройстве, А.

Обратный токовод выполнен в виде провод щего кожуха 6, расположенного на наружной поверхности изол ционного кор- пуса 1, и. например, коаксиальных кабелей 7.

Изол ционный корпус выполнен из фарфора. Электроды 2 запитываютс  от импульсного источника питани , например конденсаторной батареи (на чертеже не указана ), посредством указанных тоководов.

Обработка металлических деталей импульсной плазмой производитс  следующим образом.

Через одно из технологических отверстий 3 с помощью зажимных элементов обрабатываема  деталь 5 устанавливаетс  во внутреннюю полость корпуса 1. Указанное отверстие 3 вакуум-плотно закрываетс  и производитс  откачка воздуха из полости корпуса 1 через другое технологическое отверстие 3 до достижени  как минимум форвакуума , после чего откачка воздуха прекращаетс , и через одно из следующих технологических отверстий 3 напускаетс  рабочий газ, например водород, азот, гелий или другие газы. Производитс  зар дка источника питани  электродов 2. По окончании зар дки инициируетс  высоковольтный электрический пробой на электроды 2. Внутри полости корпуса 1 происход т следующие процессы.

Согласно экспериментальным данным, после электрического пробо  межэлектрод- кого промежутка область, зан та  плазмой, благодар  скин-эффекту представл ет собой тонкий слой, прилегающий к внутренней стенке корпуса 1. Этот плазменный слой, подобный по форме обрабатываемой детали 5, отрываетс  от внутренней стенки корпуса 1 и быстро ст гиваетс  к его продольной оси электродинамическими силами , пропорциональными величине 2/г , где I - значение тока электрического разр да; г - радиус плазменной оболочки. По достижении плазмой поверхности обрабатываемой детали 5 происходит модифицирование кристаллической структуры поверхностного сло  указанной детали 5.

В момент обработки детали радиусом г индуктивность плазменного сло  равна

L 2л

I R

In -

v7

где//о 4 л 10 - магнитна  посто нна ;

R - радиус корпуса 1 в этом же сечении, м;

I -длина внутренней полости корпуса 1.

м;

В этом месте энерги  плазменного сло  составл ет величину, равную

Ll° - ш -7 | ,2 , R 2iU I lo in - .

(2)

где )о - максимальное значение тока разр да в устройстве, А.

Дл  того, чтобы модифицировать кристаллическую решетку металла обрабатыва- емой детэли на глубину до 100 мкм, плотность поглощенной энергии должна быть равна величине 105 Дж/м2, Экспериментальные данные свидетельствуют, что металлическа  поверхность поглощает около 20% энергии налетающего плазменного сло . Таким образом, дл  модифицировани  кристаллической структуры металла необходимо иметь в плазменном слое, прилежа- щем к участку детали радиусом г, плотность энергии Л/уд, равную

Wy

5-Ю5 Дж/м2,

(3)

а на всю поверхность обрабатываемого участка детали радиусом г и длиной I требуетс  плазменна  энерги , равна 

Wo-Ю6 тгг (Дж).

(4)

Приравнива  уравнение (2) равенству (4), получим

(5)

Принима  во внимание уравнение (5) и экспериментальные данные, находим, что радиус цилиндрического изол тор.- R дл  достижени  эффекта модификации кристаллической структуры металла обрабатываемой детали радиусом г в этом же сечении должен удовлетворить соотношению

10

13,

I2,

(6)

55

Таким образом, дл  модификации кристаллической структуры обрабатываемой цилиндрической детали переменного радиуса необходимо, чтобы изол ционный корпус имел форму, подобную Форме обрабатываемой детали, с коэффициентом подоби 

К Ягвхр °. (7) о

а обратный токовод располагаетс  вдоль внешней поверхности изол ционного корпуса , например, посредством провод щего кожуха и коаксиальных кабелей.

Плазменный слой формируетс  с большим КПД, если изол ционный корпус выполнен из фарфора.

Длительность обработки металлических деталей в силу того, что плазма импульсна , составл ет 5-1000 мкс. За это врем  происходит переход кристаллической структуры металла в поверхностном слое детали в мелкокристаллическое или аморфное состо ние . После окончани  воздействи  плазмы на обрабатываемую поверхность теплоот- вод с поверхностного сло  осуществл етс  электронной теплопроводностью на всю массу детали. В результате такого механизма плазменного воздействи  и охлаждени  происходит аморфизаци  или микрокристаллизаци  поверхностного сло  толщиной до 100 мкм, привод ща  к увеличению микротвердости в 1,5-2 раза, повышению коррозионной стойкости на пор док и увеличению износостойкости в несколько раз. Аппаратура контрол  4 обеспечивает давление рабочего газа в заданных технологией пределах, а также отслеживает энергетические параметры установки. Установка раз- вакуумируетс  посредством напуска воздуха в полость корпуса 1 через одно из технологических отверстий 3.

Была реализована плазмоимпульсна  установка с изол ционным фарфоровым корпусом переменного радиуса. Обработке

Формул а изо бретени  

СПОСОБ ПЛАЗМОИМПУЛЬСНОЙ ОБРАБОТКИ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ ЦИЛИНДРИЧЕСКИХ ДЕТАЛЕЙ, заключающийс  в размещении деталей в центре полости изол ционного корпуса, в торцах которого герметично установлены электроды с пр мым и обратным тоководами, вакуумирова- ние объема полости с последующим напуском рабочего газа и инициацию высоковольтного пробо  между электродами по поверхности корпуса, отличающийс  тем, что, с целью расширени  функциональных возможностей способа за счет

подвергались цилиндрические детали из сплавов ВТ-6 и ЗОхГСН2А переменного радиуса , а именно: г 0,01 см высотой 0,15 см и г 0,02 см высотой 0,1 см. Источником

питани  служила конденсаторна  батаре , состо ща  из 24 конденсаторов марки ИК- 50x3, максимальное значение разр дного тока I устанавливалось 3 105 А. Изол ционный фарфоровый корпус был выполнен в

форме, подобной форме обрабатываемых деталей, с коэффициентом подоби  Ki в сечении , соответствующем радиусу детали т- 0.01 см, равном 3, и коэффициентом подоби  Кг в сечении, соответствующем радиусу детали г - 0,02 см, равном 9. Т.е. фарфоровый корпус имел радиусы RI 0,03 см высотой 0,15 см и R2 0,18 см высотой 0,1 см.

Предлагаемый способ позвол ет производить обработку поверхности детали цилиндрической формы переменного радиуса вследствие того, что у внутренней стенки изол ционного корпуса, имеющего форму, подобную форме обрабатываемой детали,

формируетс  плазменный слой, быстро ст гивающийс  к продольной оси изол тора. Образовывающийс  защитный слой на поверхности обрабатываемой детали представл ет собой аморфное или

мелкокристаллическое состо ние того же химического состава, что и исходна  деталь. (56) Алексеев В.А. и др. Образование аморфной металлической поверхности при облучении импульсным потоком водородной

плазмы./Письма в ЖТФ. 1983, т.9, вып.1, С.42-45.

Авторское свидетельство СССР № 1407384, кл. И 05 Н 1/10, 1986.

обеспечени  его использовани  дл  обработки цилиндрических деталей переменного радиуса, дл  размещени  деталей используют изол ционный корпус в форме,

подобной форме обрабатываемой детали, с обратным тоководом размещенным на го внешней поверхности, при этом радиус R корпуса ло оси симметрии определ ют из соотношени 

R Ј кг,

где k exi

г - текущее значение радиуса обрабатываемой детали, т; 55 Jo - максимальное значение тока разр да , А.