RU172044U1

RU172044U1 - Installation for plasma surface hardening of steel and cast iron parts

Info

Publication number: RU172044U1
Application number: RU2016102579U
Authority: RU
Inventors: Андрей Евгеньевич Балановский; Владимир Лукич Иванчик; Иван Владимирович Димов
Original assignee: Общество с ограниченной ответственностью "Транс-Атом"
Priority date: 2016-01-26
Filing date: 2016-01-26
Publication date: 2017-06-27

Abstract

Полезная модель относится к области металлообработки и термообработки, конкретно, к плазменной поверхностной обработке (закалка, химико-термическая обработка) поверхностей изделий из стали и чугуна; относится к машиностроению и предназначена для поверхностного упрочнения деталей.Поставленная задача решается следующим образом, предлагается техническое решение для поверхностной закалки изделий путем перемещения по поверхности изделия плазменной дуги прямого действия, возбуждаемой между электродом и изделием. Установка, содержащая систему подачи рабочего газа, изолятор, катодный узел, сопло, включает один или два малогабаритных плазматрона прямого действия, устройства для крепления, поворота и настройки плазматрона в процессе работы, систему водяного 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, отличающееся тем, что используется инвертор постоянного тока с крутопадающей падающей внешней характеристикой и напряжением холостого хода 120-320 В, система охлаждения сопла воздушно-принудительное, в качестве плазмообразующего газа используется воздух, катодный узел состоит из составного термохимического катода. Для поддержания и контроля основных параметров режима работы установки используется промышленный логический контроллер (ПЛК). Кроме того, в качестве плазмообразующего газа можно использовать различные по составу смеси газов (азот + углекислый газ, воздух + углекислый газ и т.д.).The utility model relates to the field of metal and heat treatment, specifically, to plasma surface treatment (hardening, chemical-thermal treatment) of surfaces of steel and cast iron products; relates to mechanical engineering and is intended for surface hardening of parts. The problem is solved as follows, a technical solution for surface hardening of products is proposed by moving a direct-acting plasma arc excited between the electrode and the product on the surface of the product. An installation comprising a working gas supply system, an insulator, a cathode assembly, and a nozzle includes one or two small-sized direct-acting plasmatrons, devices for fastening, turning, and adjusting the plasmatron during operation, a water cooling system for the nozzle and plasmatron ferromagnetic jaws, an arc scanning device, including a generator, an electromagnetic coil and ferromagnetic jaws, a rectifier with a falling external characteristic and an open circuit voltage of 80-90 V, one or two control panels with a built-in oscillator and measuring instruments, an indicator of the position of the alternating voltage on the coil, a constant voltage regulator on the coil, characterized in that a direct current inverter with a steeply falling external characteristic and an idling voltage of 120-320 V is used, the nozzle cooling system is air-forced, as a plasma-forming gas air is used, the cathode assembly consists of a composite thermochemical cathode. To maintain and control the main parameters of the operating mode of the installation, an industrial logic controller (PLC) is used. In addition, as a plasma-forming gas, various mixtures of gases can be used (nitrogen + carbon dioxide, air + carbon dioxide, etc.).

Description

Полезная модель относится к области металлообработки и термообработки, конкретно, к плазменной поверхностной обработке (закалка, химико-термическая обработка) поверхностей изделий из стали и чугуна; относиться к машиностроению и предназначено для поверхностного упрочнения деталей.The utility model relates to the field of metal and heat treatment, specifically, to plasma surface treatment (hardening, chemical-thermal treatment) of surfaces of steel and cast iron products; relate to mechanical engineering and is intended for surface hardening of parts.

Известно, что поверхностное упрочнение (закалку) деталей производят газовыми горелками, индукторами ТВЧ, лазерным лучом и др. источниками поверхностного нагрева. С 80^х годов распространение получила плазменная закалка дугой прямого действия, которая горит между электродом (плазматроном) и изделием. При этом используется дуга прямой полярности, когда неплавящейся электрод является катодом, а изделие - анодом. (Металловедение и термическая обработка металлов, 1988, №12, с. 35 в статье "Упрочнение рабочих поверхностей чугунных деталей методом плазменного оплавления" авторов Н.С. Шепелева, М.В. Селиванова и др.).It is known that surface hardening (hardening) of parts is performed by gas burners, high-frequency inductors, a laser beam, and other sources of surface heating. Since the 80s ^, plasma hardening with a direct-acting arc, which burns between the electrode (plasmatron) and the product ^, has spread. In this case, an arc of direct polarity is used when the non-consumable electrode is the cathode, and the product is the anode. (Metallurgy and heat treatment of metals, 1988, No. 12, p. 35 in the article "Hardening of the working surfaces of cast iron parts by plasma fusion" by N.S. Shepelev, M.V. Selivanova, etc.).

Известно техническое решение по патенту РФ №2313581, МПК C21D 1/09, опубл. 27.12.2007 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 составляет 60 А.Known technical solution according to the patent of the Russian Federation No. 2313581, IPC C21D 1/09, publ. 12/27/2007 copyright holder of Composite LLC, which describes a technical solution for surface hardening of products by moving a direct-acting plasma arc excited between the electrode and the product on the surface of the product, while plasma hardening is performed on the reverse polarity when the electrode is an anode and the product - cathode. The known technical solution has significant drawbacks: it is impossible to control and stabilize the arc at a distance from the nozzle to the product in the range from 8 to 20 mm. In this range, the plasmatron does not guarantee a stable arc, it is impossible to process the arc in hard-to-reach places of hardened parts of complex configuration, it is impossible to adjust the width and deviation of the arc from the center of the nozzle without turning the plasmatron. The arc current is 60 A.

Наиболее близким к заявляемому техническому решению по технической сущности и достигаемому техническому результату является техническое решение, описанное в патенте на полезную модель РФ №78193, МПК C21D 1/09, опубл. 20.11.2008) правообладатель ООО "Электронные системы безопасности». Описанный способ принят за прототип.Closest to the claimed technical solution for the technical nature and the technical result achieved is the technical solution described in the patent for a utility model of the Russian Federation No. 78193, IPC C21D 1/09, publ. November 20, 2008) copyright holder of LLC Electronic Security Systems. The described method is adopted as a prototype.

Устройство содержит систему подачи рабочего газа, изолятор, катодный узел, сопло, 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. Ток дуги составляет 250-350 А.The device comprises a working gas supply system, an insulator, a cathode assembly, a nozzle, and includes one or two small-sized direct-acting plasmatrons, devices for fastening, turning, and adjusting the plasmatron during operation; a plasmatron nozzle cooling system, an arc scanning device including a generator, an electromagnetic coil and ferromagnetic jaws; a rectifier with a falling external characteristic and an open circuit voltage of 80-90 V; one or two control panels with a built-in oscillator and measuring instruments - an ammeter, a voltmeter, an indicator of the position of the alternating voltage on the coil, and a constant voltage regulator on the coil. The arc current is 250-350 A.

Существенные недостатки технического решения принятого за прототип заключаются в следующем:Significant disadvantages of the technical solution adopted for the prototype are as follows:

1. Для особо нагруженных узлов плазмотрона (катода и анода), сканирующего устройства дуги используется водяное охлаждение. Это усложняет конструкцию плазмотрона и сканирующего устройства, требующих высокой герметизации водяных каналов с использованием, как сменных резиновых прокладок, так и созданием неразъемных узлов охлаждения. Требуется дополнительный блок контроля управлением процессом охлаждения плазмотрона. В целом все устройство нельзя использовать при работе в условиях отрицательных температур. Все это снижает технологические возможности и надежность работы устройства.1. For especially loaded nodes of the plasma torch (cathode and anode), arc scanning device, water cooling is used. This complicates the design of the plasma torch and the scanning device, requiring high sealing of the water channels using both removable rubber gaskets and the creation of integral cooling units. An additional control unit for controlling the cooling process of the plasma torch is required. In general, the entire device cannot be used when operating in freezing temperatures. All this reduces the technological capabilities and reliability of the device.

2. Используются источники тока типа ВДУ 504(506) с напряжением холостого хода не более 80 В. Это не позволяет получить длину дуги более 20 мм, т.к в источнике тока нет запаса по напряжению холостого хода с увеличением длины дуги, а следовательно и нет возможности получения боле широких дорожек упрочнения свыше 20 мм с целью увеличения производительности обработки.2. Current sources of the VDU 504 (506) type are used with an open circuit voltage of not more than 80 V. This does not allow to obtain an arc length of more than 20 mm, because the current source does not have a reserve of open circuit voltage with an increase in the arc length, and therefore there is no way to get wider hardening tracks over 20 mm in order to increase processing productivity.

3. Источники тока типа ВДУ 504(506) с напряжением холостого хода не более 80 В, обеспечивают процесс образования плазменной дуги только на аргоне. Для образования плазменной дуги с целью химико-термической обработки поверхности с использованием таких газов, как воздух, азот, углекислый газ, водород, пропан и т.д. необходимы источники питания с напряжением холостого хода как минимум 120 В (Быховский Д.Г. Плазменная резка. - Л.: Машиностроение, 1972. - 168 с.).3. Current sources of the VDU 504 (506) type with an open circuit voltage of not more than 80 V, ensure the process of plasma arc formation only on argon. For the formation of a plasma arc for the purpose of chemical-thermal surface treatment using gases such as air, nitrogen, carbon dioxide, hydrogen, propane, etc. requires power sources with an open circuit voltage of at least 120 V (Bykhovsky D.G. Plasma cutting. - L .: Mashinostroenie, 1972. - 168 p.).

4. Для увеличения производительности обработки, необходимо увеличить электрическую мощность плазменной дуги Рэф=⋅I⋅U, где U - напряжение на дуге, В; I - сила тока, А (Быховский Д.Г. Плазменная резка. - Л.: Машиностроение, 1972. - 168 с.), которая в данном техническом решении возможно только за счет увеличением силы тока, а это увеличивает тепловые потоки в анод и катод плазмотрона и требует интенсивного охлаждения данных узлов. Все это сопровождается усложнением конструкции плазмотрона и увеличение габаритных и массовых параметров источников питания установки.4. To increase the processing productivity, it is necessary to increase the electric power of the plasma arc Ref = ⋅I⋅U, where U is the arc voltage, V; I - current strength, A (Bykhovsky D.G. Plasma cutting. - L .: Engineering, 1972. - 168 p.), Which in this technical solution is possible only by increasing the current strength, and this increases the heat fluxes to the anode and the cathode of the plasma torch and requires intensive cooling of these nodes. All this is accompanied by a complication of the design of the plasma torch and an increase in the overall and mass parameters of the installation's power sources.

В основу настоящего решения положена задача повышение производительности работ, расширение технологических возможностей и упрощение конструкции устройства для плазменной закалки изделий из стали и чугуна.The basis of this solution is the task of increasing productivity, expanding technological capabilities and simplifying the design of the device for plasma hardening of steel and cast iron products.

Поставленная задача решается следующим образом, предлагается техническое решение для поверхностной закалки изделий путем перемещения по поверхности изделия плазменной дуги прямого действия, возбуждаемой между электродом и изделием. Установка содержащее систему подачи рабочего газа, изолятор, катодный узел, сопло, включает один или два малогабаритных плазматрона прямого действия, устройства для крепления, поворота и настройки плазматрона в процессе работы, систему водяного 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, отличающееся тем, что используется инвертор постоянного тока с крутопадающей падающей внешней характеристикой и напряжением холостого хода 120-320 В, система охлаждения сопла воздушно-принудительное, в качестве плазмообразующего газа используется воздух, катодный узел состоит из составного термохимического катода. Для поддержания и контроля основных параметров режима работы установки используется промышленный логический контроллер (ПЛК). Кроме того, в качестве плазмообразующего газа можно использовать различные по составу смеси газов (азот + углекислый газ, воздух + углекислый газ и т.д).The problem is solved as follows, a technical solution for surface hardening of products is proposed by moving a direct-acting plasma arc excited between the electrode and the product on the surface of the product. The installation comprising a working gas supply system, an insulator, a cathode assembly, a nozzle, includes one or two small-sized direct-acting plasmatrons, devices for fastening, turning, and adjusting the plasmatron during operation, a water cooling system for the nozzle and ferromagnetic jaws of the plasmatron, an arc scanning device including a generator , an electromagnetic coil and ferromagnetic jaws, a rectifier with a falling external characteristic and an open circuit voltage of 80-90 V, one or two control panels with a built-in oscillator and measuring instruments, an indicator of the position of the alternating voltage on the coil, a constant voltage regulator on the coil, characterized in that a direct current inverter with a steeply falling external characteristic and an idling voltage of 120-320 V is used, the nozzle cooling system is air-forced, as a plasma-forming gas air is used, the cathode assembly consists of a composite thermochemical cathode. To maintain and control the main parameters of the operating mode of the installation, an industrial logic controller (PLC) is used. In addition, as a plasma-forming gas, various mixtures of gases can be used (nitrogen + carbon dioxide, air + carbon dioxide, etc.).

Достижение технических результатов заявляемого решения обеспечивается тем, что:Achieving the technical results of the proposed solution is ensured by the fact that:

1. Вместо выпрямителя типа ВДУ-504, ВДУ-506 с пологопадающей вольт-амперной характеристикой (ВАХ) используется инверторный источник постоянного тока с крутопадающей характеристикой, имеющий напряжение холостого хода 120-340 В. Это позволяет получать длину плазменной дуги свыше 20 мм. При этом ширина дорожки (площадь обработки) увеличивается до 45-50 мм (Фиг. 1), за счет возможности увеличения устойчивости горения плазменной дуги, т.е. расстояния между плазматроном и обрабатываемым изделием до 40-50 мм. Чем больше напряжение холостого хода, тем больше можно получить устойчивую дину плазменной дуги. В отличие от трансформаторов и выпрямителей, у инверторов отсутствует силовой трансформатор. Работа сварочного инвертора построена на принципе фазового сдвига (инверсии) напряжения, осуществляемого электронной микропроцессорной схемой с покаскадным усилением тока (обычно микропроцессором типа IGBT). За счет применения такого принципа удается получить широкий спектр вольт-амперных характеристик - от крутопадающей до возрастающей - с очень гладкой кривой тока, отклонения которого снижены до уровня десятых долей процента. В инверторе нет силового трансформатора, а значит, нет внутренних потерь на перемагничивание железа, на нагрев обмоток при взаимодействии их электромагнитных полей, на поглощение части электромагнитной индукции регулировочным шунтом - то есть КПД инвертора просто несопоставим с КПД обычного сварочного трансформатора или выпрямителя. Благодаря высокой частоте, вес и размеры силового трансформатора снижаются в разы по сравнению с традиционными сварочными трансформаторами и выпрямителями.1. Instead of a rectifier type VDU-504, VDU-506 with a sloping current-voltage characteristic (VAC), an inverter direct current source with a steeply dropping characteristic is used, which has an open-circuit voltage of 120-340 V. This allows you to obtain a plasma arc length of more than 20 mm. In this case, the track width (processing area) increases to 45-50 mm (Fig. 1), due to the possibility of increasing the stability of the combustion of the plasma arc, i.e. the distance between the plasmatron and the workpiece is up to 40-50 mm. The greater the open circuit voltage, the more you can get a stable plasma arc. Unlike transformers and rectifiers, inverters do not have a power transformer. The operation of the welding inverter is based on the principle of phase shift (inversion) of the voltage, carried out by an electronic microprocessor circuit with cascading current amplification (usually an IGBT type microprocessor). By applying this principle, it is possible to obtain a wide range of current-voltage characteristics - from steeply falling to increasing - with a very smooth current curve, the deviations of which are reduced to the level of tenths of a percent. The inverter does not have a power transformer, which means that there are no internal losses due to magnetization reversal of iron, heating of the windings due to the interaction of their electromagnetic fields, absorption of part of the electromagnetic induction by the regulating shunt - that is, the efficiency of the inverter is simply not comparable with the efficiency of a conventional welding transformer or rectifier. Due to the high frequency, the weight and dimensions of the power transformer are reduced significantly compared to traditional welding transformers and rectifiers.

2. Использование инверторного источника постоянного тока, с крутопадающей характеристикой имеющего напряжение холостого хода 120-340 В дает возможность увеличить рабочего напряжения на дуге, что позволяет получить максимальную глубину закалки, при этом тепловложение на единицу площади остается примерно постоянным. Тепловложение на единицу площади первом приближении можно оценить по электрической мощности, вкладываемой в дугу: (Быховский Д.Г. Плазменная резка. - Л.: Машиностроение, 1972. - 168 с.): Рэф=IU, где U - напряжение на дуге, В; I - сила тока. Увеличение рабочего напряжение на дуге, позволяет сохранить тепловложение на единицу площади, без необходимости использовать больших токов 250-350 А, что упрощает, в общем и целом, конструкцию установки, и в частности систему охлаждения катодного и анодного узла за счет их воздушно-принудительного обдува, а также снижает стоимость оборудования. Так например, в прототипе электрическая мощность плазменной дуги составляет Рэф=250 А⋅40 В=10 кВт. Для заявляемого технического решения с целью сохранить такое же тепловложение на единицу площади Рэф.=10 кВт, достигается при напряжении на дуге 145 В сила тока составит всего 70 А. Снижение токовой нагрузки в 3,5 раза, позволяет отказаться от водяного охлаждения катодного и соплового узла плазмотрона и существенно упростить конструкцию использовав воздушное охлаждение этих узлов. Известно, что в установках плазменной резки работающих на токах до 160 А катодный узел и сопло плазменного резака эффективно охлаждаться воздушно-принудительным способом за счет воздуха забираемого из магистрали идущей на плазмообразование. (Быховский Д.Г. Плазменная резка. - Л.: Машиностроение, 1972. - 168 с.)2. The use of an inverter DC source, with a steep-drop characteristic having an open circuit voltage of 120-340 V, makes it possible to increase the operating voltage on the arc, which allows to obtain a maximum hardening depth, while the heat input per unit area remains approximately constant. The heat input per unit area to a first approximation can be estimated by the electric power invested in the arc: (Bykhovsky D.G. Plasma cutting. - L .: Engineering, 1972. - 168 pp.): Ref = IU, where U is the arc voltage, AT; I is the current strength. An increase in the working voltage across the arc makes it possible to maintain heat input per unit area, without the need to use large currents of 250-350 A, which simplifies, in general, the design of the installation, and in particular the cooling system of the cathode and anode assembly due to their air-forced blowing , and also reduces the cost of equipment. So, for example, in the prototype, the electric power of the plasma arc is Ref = 250 А⋅40 V = 10 kW. For the claimed technical solution in order to maintain the same heat input per unit area REF. = 10 kW, it is achieved with a voltage on the arc of 145 V, the current strength will be only 70 A. Reducing the current load by 3.5 times, eliminates the need for water cooling of the cathode and nozzle the plasmatron unit and significantly simplify the design using air cooling of these units. It is known that in plasma cutting installations operating at currents up to 160 A, the cathode assembly and the plasma torch nozzle are effectively cooled by the air-forced method due to air taken from the line going to plasma formation. (Bykhovsky D.G. Plasma cutting. - L.: Mechanical engineering, 1972. - 168 p.)

3. Длина дуги связана с ее напряжением: чем длиннее сварочная дуга, тем выше напряжение. Повышая напряжение, мы увеличиваем эффективную тепловую мощность плазменно-дугового нагрева, при этом увеличение напряжения не приводит к существенному увеличению нагрева катодного и анодного узла плазмотрона в сравнении увеличением тока. Далее, чем круче ВАК, тем меньше влияет длина сварочной дуги на сварочный ток. При изменении напряжения на величину δ при крутопадающей характеристике изменение тока равно a_1- минимально, тепловая мощность дуги, идущая на нагрев катодного и анодного узла, изменяется незначительно. При пологопадающей ВАХ изменение напряжения на величину δ приводит к изменению тока, равному - а₂, что вызывает существенное изменение тепловой мощности дуги идущая на нагрев катода и анода. При пологопадающих характеристиках источника питания колебания напряжения на дуге будут вызывать колебания тока дуги. Самопроизвольные колебания тока плазменной дуги - крайне нежелательное явление. Они вызывают, с одной стороны, нарушение технологических параметров процесса плазменной обработки, а с другой - нарушение нормальной работы плазмотрона - образование так называемой двойной дуги. С учетом этого оптимальным являются крутопадающие характеристики источника тока. (Быховский Д.Г. Плазменная резка. - Л.: Машиностроение, 1972. - 168 с.)3. The length of the arc is related to its voltage: the longer the welding arc, the higher the voltage. Increasing the voltage, we increase the effective thermal power of the plasma-arc heating, while the increase in voltage does not lead to a significant increase in the heating of the cathode and anode node of the plasma torch in comparison with the increase in current. Further, the steeper the HAC, the less influence the length of the welding arc on the welding current. When the voltage is changed by a value of δ with a steeply falling characteristic, the current change is a _1- minimum, the thermal power of the arc, which goes to heat the cathode and anode assembly, varies slightly. With a sloping I – V characteristic, a change in voltage by δ leads to a change in current equal to –a ₂ , which causes a significant change in the thermal power of the arc going to heat the cathode and anode. With the sloping characteristics of the power source, voltage fluctuations on the arc will cause fluctuations in the arc current. Spontaneous fluctuations in the current of the plasma arc is an extremely undesirable phenomenon. On the one hand, they cause a violation of the technological parameters of the plasma processing process, and on the other hand, a violation of the normal operation of the plasma torch — the formation of the so-called double arc. With this in mind, steeply falling characteristics of the current source are optimal. (Bykhovsky D.G. Plasma cutting. - L.: Mechanical engineering, 1972. - 168 p.)

4. В качестве плазмообразующего газа используется воздух, азот, другие молекулярные газы, имеющие высокие значения теплосодержания, и лучше преобразует электрическую энергию в тепловую. При рабочих температурах плазменной дуги, теплосодержание азота в пять раз больше, чем у аргона. (Ширшов И.Г., Котиков В.Н. Плазменная резка. Машиностроение, 1987 - 192 с). Снижение токовых нагрузок на катодный и анодный узел позволяет для охлаждения этих узлов использовать воздушное охлаждение, что существенно упрощает конструкцию установки.4. As a plasma-forming gas, air, nitrogen, other molecular gases having high values of heat content are used, and better converts electrical energy into heat. At the working temperatures of the plasma arc, the heat content of nitrogen is five times greater than that of argon. (Shirshov I.G., Kotikov V.N. Plasma cutting. Engineering, 1987 - 192 s). Reducing current loads on the cathode and anode assembly allows air cooling to be used to cool these components, which greatly simplifies the design of the installation.

6. Азот, кислород активнее взаимодействует с вольфрамом катода с образованием нитридов вольфрама, что снижает стойкость катодов. Вместо вольфрамовых катодов используются составные термохимические катоды на основе гафния и циркония6. Nitrogen, oxygen interacts more actively with the tungsten cathode with the formation of tungsten nitrides, which reduces the resistance of the cathodes. Instead of tungsten cathodes, composite thermochemical cathodes based on hafnium and zirconium are used

Таким образом, совокупность существенных признаков позволяет решить поставленную задачу повышение производительности работ, расширение технологических возможностей и упрощение конструкции устройства для плазменной закалки изделий из стали и чугуна. 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 воздухом, 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.Thus, the set of essential features allows us to solve the problem of increasing productivity, expanding technological capabilities and simplifying the design of the device for plasma hardening of steel and cast iron products. A technical solution is proposed for surface hardening of products by moving a direct-acting plasma arc excited between the electrode and the product on the surface of the product. In this case, plasma hardening is performed on direct polarity, the nozzle and ferromagnetic jaws are forcedly cooled with air, using a scanning device, a compressed stabilized arc is obtained that can burn in hard-to-reach places of hardened parts of complex configuration when moving the arc over the surface of the part due to its rotation or movement of the part or the movements of the plasmatron itself receive a hardened strip, the width of which is regulated. It is possible to control the bandwidth by changing the distance from the end of the plasmatron to the product and / or the voltage on the electromagnetic coil of the scanning device. An arc deflection mode is provided with the plasmatron fixed unchanged. This allows you to adjust the width and deviation of the arc from the center of the nozzle without turning the plasmatron.

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.An example implementation of the proposed technical solution. Plasma hardening unit (hereinafter referred to as UPZ) is intended for surface hardening of steel and cast iron parts. Hardening is carried out in order to increase the hardness of the working surface of the parts and reduce their wear during operation. Table 1 shows the values of the hardness of steels after plasma hardening, produced using the proposed technical solution, depending on the mass and area of the hardened surface - the run-up values in HRC units.

За счет увеличения стойкости и уменьшения съема металла при переточке достигается увеличение срока службы деталей. УПЗ осуществляет процесс упрочнения с использованием воздуха как от цеховой магистрали, так и от стационарного компрессора с расходом 0,17 м³/мин, на постоянном токе прямой полярности. В качестве источников питания током используются аппараты серии Сварог 160 на биполярных транзисторах с изолированным затвором (IGBT - Insulated GateBipolar Transistor) в комплекте с плазменным резаком CS141, предназначенные для плазменной резки металла толщиной 60 мм (фактическая длина дуги для процесса упрочнения), которые произведены на базе современной инверторной технологии. Благодаря использованию мощных биполярных транзисторах с изолированным затвором (IGBT - Insulated GateBipolar Transistor) и применению принципа широтно-импульсной модуляции (PWM), выпрямленное напряжение сети (100 Гц) преобразуется в высокочастотное переменное напряжение (100 КГц), которое подается на первичную обмотку силового ферритового трансформатора. Затем на вторичной обмотке получается переменное высокочастотное напряжение, которое преобразуется теперь уже в постоянное. Такой принцип работы позволяет использовать силовой трансформатор значительно меньшего размера и уменьшить вес инверторного оборудования (табл. 2), что ведет к увеличению КПД аппарата до 85%. Для возбуждения дуги используется встроенный в источник тока осциллятор, генерирующий высоковольтный, высокочастотный импульс напряжения. Данный аппарат отличается стабильной, надежной и эффективной работой, малыми размерами и низким уровнем шума в процессе работы. В качестве плазматрона прямого действия, т.е. плазменная дуга горит между катодом плазматрона и упрочняемым изделием используется плазменный резак CS141 с воздушным охлаждением катодного и анодного узла, на который одевается сканирующее электромагнитное устройство, позволяющее отклонять плазменную дугу и получать закаленную полосу шириной 45-60 мм (Фиг. 2). Это позволяет увеличить производительность процесса закалки. В то время как при использовании сканированной дуги в прототипе ширина закалки составляет 8-20 мм. 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. 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 термообработке сложных поверхностей деталей. Катодный узел плазмотрона вместо вольфрамового катода состоит из составного термохимического катода (гафний или цирконий). С целью автоматизации процесс упрочнения и для поддержания и контроля основных параметров режима работы в установки используется промышленный логический контроллер. Установка компактна и предназначена для работы как в закрытых помещениях с искусственно регулируемыми климатическими условиями, так и на открытом воздухе. В таблице 2 представлены основные технические характеристики в сравнении с прототипом.By increasing the resistance and reducing the removal of metal during regrinding, an increase in the service life of parts is achieved. UPZ carries out the hardening process using air both from the workshop line and from a stationary compressor with a flow rate of 0.17 m ³ / min, with direct current of direct polarity. Svarog 160 series devices using insulated gate bipolar transistors (IGBT - Insulated GateBipolar Transistor) complete with CS141 plasma torch, designed for plasma cutting of 60 mm thick metal (actual arc length for the hardening process), which are made on the basis of modern inverter technology. Thanks to the use of powerful insulated gate bipolar transistors (IGBT - Insulated GateBipolar Transistor) and the application of the principle of pulse-width modulation (PWM), the rectified mains voltage (100 Hz) is converted to high-frequency alternating voltage (100 Hz), which is fed to the primary winding of the power ferrite transformer. Then, an alternating high-frequency voltage is obtained on the secondary winding, which is now converted to constant. This principle of operation allows you to use a power transformer much smaller and reduce the weight of the inverter equipment (table. 2), which leads to an increase in the efficiency of the device up to 85%. To excite the arc, an oscillator integrated in the current source is used to generate a high-voltage, high-frequency voltage pulse. This unit is characterized by stable, reliable and efficient operation, small size and low noise during operation. As a direct-acting plasmatron, i.e. the plasma arc burns between the plasma torch cathode and the hardened product, a CS141 plasma torch is used with air cooling of the cathode and anode assembly, on which a scanning electromagnetic device is put on, which allows deflecting the plasma arc and obtaining a hardened strip with a width of 45-60 mm (Fig. 2). This allows you to increase the productivity of the hardening process. While using the scanned arc in the prototype, the hardening width is 8-20 mm. Scanning provides a compressed stabilized arc, which can burn in hard-to-reach places of hardened parts of complex configuration, including, for example, keyways, caliber angles, radii, wheel flanges. The mode of deflection of the arc by electromagnetic coils with constant fixation of the plasmatron is provided. This allows you to adjust the width and deflect the arc from the center of the nozzle without turning the plasmatron. This mode provides the ability to operate the installation in manual mode during heat treatment of complex surfaces of parts. The cathode assembly of the plasma torch instead of the tungsten cathode consists of a composite thermochemical cathode (hafnium or zirconium). In order to automate the hardening process and to maintain and control the main parameters of the operating mode, an industrial logic controller is used in the installation. The installation is compact and designed to work both in enclosed spaces with artificially controlled climatic conditions and in the open air. Table 2 presents the main technical characteristics in comparison with the prototype.

УПЗ изготовлена в исполнении УХЛЧ для работы в районах умеренного климата при температуре окружающего воздуха от -40°C до +40°C и относительной влажности воздуха до 80% при +25°C. Окружающая среда не должна быть взрывоопасной, не содержать пыли и паров в концентрациях, вызывающих сильную коррозию и разрушение металлов и изоляции.UPZ is manufactured by UHLCH for operation in temperate regions at an ambient temperature of -40 ° C to + 40 ° C and relative humidity up to 80% at + 25 ° C. The environment should not be explosive, not contain dust and vapors in concentrations that cause severe corrosion and destruction of metals and insulation.

Заявляемое устройство изготовлено ООО «Транс-Атом» г. Иркутск.The inventive device is manufactured by Trans-Atom, Irkutsk.

Claims

Installation for surface hardening of products by moving on its surface a direct-acting plasma arc excited between the electrode and the product, containing a working gas supply system, an insulator, a cathode assembly, a nozzle with a cooling system, a small-sized direct-acting plasmatron, devices for fastening, turning and adjusting the plasmatron , an arc scanning device including a generator, an electromagnetic coil and ferromagnetic jaws with a cooling system, a control panel with a built-in oscillator and measuring and devices, an indicator of the position of the alternating voltage on the coil and a constant voltage regulator on the coil, characterized in that it is equipped with a direct current inverter with a steeply falling external characteristic and an open circuit voltage of 120-320 V, while the nozzle cooling system is configured to be air-forced cooling, the working gas supply system is configured to supply air, and the cathode assembly is made in the form of a composite thermochemical cathode.