RU2401310C1

RU2401310C1 - Method and device for ball plasma processing

Info

Publication number: RU2401310C1
Application number: RU2009120670/02A
Authority: RU
Inventors: Магомед-Эмин Хасаевич Исакаев (RU); Магомед-Эмин Хасаевич Исакаев; Александр Семенович Тюфтяев (RU); Александр Семенович Тюфтяев; Александр Эммануилович Яблонский (RU); Александр Эммануилович Яблонский
Original assignee: Общество с ограниченной ответственностью "Современные плазменные технологии"
Priority date: 2009-06-02
Filing date: 2009-06-02
Publication date: 2010-10-10

Abstract

FIELD: transport.

SUBSTANCE: plasma surface hardening is performed by plasma generator with work gas flow converter that has slit-like outlet. Flow converter face surface is made to fit processed part shape. In processing, slit-like outlet is located at α=30-60° to generatrix of converter face surface. Processing is performed with overlap of processing strip, overlap length making l≥h·-tgα, where h is the processing strip width.

EFFECT: notably reduced extension strain, higher efficiency of surface hardening.

2 cl, 2 dwg

Description

Изобретение относится к плазменной обработке изделий, в частности к способам и устройствам для плазменного упрочнения железнодорожных колес.The invention relates to plasma processing of products, in particular to methods and devices for plasma hardening of railway wheels.

Известно устройство для плазменной поверхностной закалки [1] плазмотроном с секционированной вставкой.A device for plasma surface hardening [1] a plasmatron with a sectioned insert.

Недостатком известного устройства является невозможность его использования для упрочнения изделий с получением обработанной поверхности, имеющей однородные свойства по износостойкости и контактно-усталостной выносливости.A disadvantage of the known device is the inability to use it to harden products with obtaining a treated surface having uniform properties in terms of wear resistance and contact fatigue endurance.

Известно устройство для закалки широкой полосой, в котором применено переменное магнитное поле для увеличения линейного размера струи в одном направлении. Горение дуги происходит в щели, которой заканчивается выходной электрод и по которой анодное пятно перемещается под действием магнитного поля [2]. Устройство может использоваться только для плоских поверхностей, а потому неприменимо для упрочнения изделий со сложной поверхностью.A device for hardening a wide strip, which uses an alternating magnetic field to increase the linear size of the jet in one direction. Arc burning occurs in the gap, which ends with the output electrode and along which the anode spot moves under the influence of a magnetic field [2]. The device can only be used for flat surfaces, and therefore is not applicable for hardening products with a complex surface.

Известно устройство для плазменной обработки изделия, содержащее систему подачи рабочего газа, электроды, один из которых выполнен выходным с внутренним каналом, и щель для выхода рабочего газа. Устройство снабжено преобразователем потока рабочего газа, соединенным с выходным электродом и образующим с ним общий внутренний канал переменного сечения. Торцевая поверхность преобразователя потока рабочего газа выполнена по форме обрабатываемого изделия, а щель выхода рабочего газа образована выходным отверстием преобразователя [3].A device for plasma processing of the product is known, comprising a working gas supply system, electrodes, one of which is made with an outlet with an internal channel, and a slit for the outlet of the working gas. The device is equipped with a working gas flow transducer connected to the output electrode and forming a common internal channel of variable cross section with it. The end surface of the working gas flow transducer is made in the form of the workpiece, and the working gas outlet slit is formed by the outlet of the transducer [3].

Известное устройство позволяет обрабатывать изделие, имеющее сложную конфигурацию поверхности, однако, из-за выходного отверстия преобразователя в виде простой прямоугольной щели трудно получить обработанную поверхность с однородными прочностными свойствами, в частности у гребней железнодорожных колес.The known device allows you to process the product having a complex surface configuration, however, due to the outlet of the transducer in the form of a simple rectangular slit, it is difficult to obtain a processed surface with uniform strength properties, in particular at the crests of railway wheels.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому эффекту к описываемому изобретению является устройство для плазменной обработки, которое содержит выходной электрод с внутренним каналом и преобразователь потока рабочего газа с торцевой поверхностью, выполненной по форме рабочей части гребня с выкружкой железнодорожного колеса. Щелевое отверстие в области, соответствующей рабочей поверхности гребня, выполнено с постоянной шириной, а в области перехода гребня в выкружку и в области выкружки оно выполнено плавно расширяющимся. Щелевое отверстие расположено по образующей поверхности преобразователя потока рабочего газа [4]. Известное устройство позволяет упрочнить рабочую поверхность гребня железнодорожного колеса, включая выкружку, с получением упрочненной поверхности, имеющей однородные свойства по износостойкости и контактно-усталостной выносливости. Это устройство реализует способ плазменного упрочнения железнодорожных колес. Однако у этих способа и устройства, используемых при плазменной обработке тел вращения типа железнодорожных колес с замыканием полосы упрочнения на ранее обработанной поверхности в узкой области окончания процесса, неизбежно возникает зона, которая характеризуется пониженной твердостью металла и наличием растягивающих напряжений. Вследствие этого, в совокупности с высокими растягивающими напряжениями, возникающими в бандаже вследствие его монтажа на колесный центр, суммарные напряжения могут превысить предел хрупкой прочности стали и вызвать разрыв бандажа.The closest in technical essence and the achieved effect to the described invention is a plasma processing device that contains an output electrode with an internal channel and a working gas flow transducer with an end surface made in the shape of the working part of the ridge with a railway wheel fillet. The slit hole in the region corresponding to the working surface of the ridge is made with a constant width, and in the region of transition of the ridge into the fillet and in the fillet region, it is made smoothly expanding. The slit hole is located along the generatrix surface of the working gas flow transducer [4]. The known device allows you to harden the working surface of the crest of the railway wheel, including fillet, with obtaining a hardened surface having uniform properties in terms of wear resistance and contact fatigue endurance. This device implements a method of plasma hardening of railway wheels. However, these methods and devices used in the plasma treatment of rotary bodies such as railway wheels with the hardening strip closed on a previously treated surface in a narrow region of the end of the process inevitably have a zone that is characterized by reduced metal hardness and tensile stresses. As a result of this, combined with high tensile stresses arising in the brace due to its mounting on the wheel center, the total stresses can exceed the brittle strength of steel and cause the brace to break.

Поэтому решаемой задачей является повышение качества плазменной обработки за счет минимизации зоны с пониженной твердостью металла и растягивающими напряжениями в каждом из радиальных сечений места перекрытия.Therefore, the problem to be solved is to improve the quality of plasma processing by minimizing the zone with reduced metal hardness and tensile stresses in each of the radial sections of the overlap.

Это достигается тем, что в способе плазменной обработки рабочей поверхности тела вращения, включающем вращение обрабатываемого тела и плазменную обработку его поверхности неподвижным плазмотроном с преобразователем потока рабочего газа, торцевая поверхность которого выполнена по форме обрабатываемой поверхности и имеет щелевое выходное отверстие, обработку ведут с перекрытием полосы обработки, длиной l≥h·tgα, где h - ширина полосы обработки. В устройстве плазменной обработки рабочей поверхности тела вращения, состоящем из плазмотрона и преобразователя потока рабочего газа, торцевая поверхность которого выполнена по форме обрабатываемой поверхности и имеет щелевое выходное отверстие, выполненное под углом α=30-60° к образующей торцевой поверхности преобразователя потока рабочего газа.This is achieved by the fact that in the method of plasma treatment of the working surface of the body of revolution, including the rotation of the treated body and the plasma treatment of its surface by a fixed plasma torch with a working gas flow transducer, the end surface of which is shaped like the surface to be treated and has a slotted outlet, the processing is performed with overlapping the strip processing length l≥h · tgα, where h is the width of the processing strip. In the device for plasma treatment of the working surface of the body of revolution, consisting of a plasma torch and a working gas flow transducer, the end surface of which is made in the form of the processed surface and has a slotted outlet made at an angle α = 30-60 ° to the forming end surface of the working gas flow transducer.

На фиг.1 показан общий вид устройства, на фиг.2 - вид по стрелке А на щелевое отверстие преобразователя потока рабочего газа.Figure 1 shows a General view of the device, figure 2 is a view along arrow A of the slotted hole of the working gas flow transducer.

Устройство содержит плазмотрон, состоящий из системы подачи рабочего газа 1, изолятора 2, электродов 3 и 4. Электрод 4 является выходным. Устройство также имеет преобразователь потока рабочего газа 5 с торцевой поверхностью 6, выполненной по форме обрабатываемого изделия. Если необходимо обрабатывать не всю поверхность колеса, а только ее часть, т.е. содержащую рабочую часть гребня 7 и выкружку 8, то торцевая поверхность 6 преобразователя потока рабочего газа выполнена по форме рабочей части гребня с выкружкой железнодорожного колеса. Щелевое отверстие 9 выполнено под углом α=30-60° к образующей торцевой поверхности 6 преобразователя потока рабочего газа 5. При α<30° эффект незначителен, возрастает вероятность разрыва бандажа из-за высоких растягивающих напряжений в месте перекрытия. При α>60° длина щели настолько увеличивается по сравнению с шириной h полосы обработки, что приводит к значительным тепловым вложениям и общему перегреву обрабатываемого изделия, в конкретном случае, железнодорожного колеса, и увеличению тепловых потерь в преобразователе потока рабочего газа из-за необходимого увеличения его длины. Наиболее оптимальным углом является α=45°.The device contains a plasma torch, consisting of a working gas supply system 1, insulator 2, electrodes 3 and 4. Electrode 4 is an output. The device also has a working gas flow converter 5 with an end surface 6 made in the shape of the workpiece. If it is necessary to process not the entire surface of the wheel, but only its part, i.e. containing the working part of the ridge 7 and the fillet 8, then the end surface 6 of the Converter of the working gas flow is made in the form of the working part of the ridge with the fillet of the railway wheel. The slit hole 9 is made at an angle α = 30-60 ° to the generatrix of the end surface 6 of the working gas flow transducer 5. At α <30 °, the effect is insignificant, the probability of the rupture of the bandage due to high tensile stresses at the overlap increases. At α> 60 °, the length of the slit increases so much compared to the width h of the treatment strip, which leads to significant thermal investment and general overheating of the workpiece, in the particular case of the railway wheel, and an increase in heat loss in the working gas flow converter due to the necessary increase its length. The most optimal angle is α = 45 °.

При работе устройства одним из известных способов возбуждается дуга между электродами 3 и 4. Рабочий газ последовательно проходит через разрядный промежуток, выходной электрод 4 и преобразователь потока рабочего газа 5 и производит нагрев рабочей поверхности обрабатываемого железнодорожного колеса. В процессе обработки преобразователь потока рабочего газа 5 устанавливают с зазором 2 мм относительно обрабатываемой поверхности. Вследствие относительного перемещения колеса и плазмотрона происходит обработка всего колеса.When the device is operating in one of the known ways, an arc is excited between the electrodes 3 and 4. The working gas passes sequentially through the discharge gap, the output electrode 4 and the working gas flow converter 5 and heats the working surface of the railway wheel being machined. During processing, the working gas flow transducer 5 is installed with a gap of 2 mm relative to the treated surface. Due to the relative movement of the wheel and the plasma torch, the entire wheel is processed.

Примеры конкретного выполнения.Examples of specific performance.

Пример 1. Способ реализуют устройством, показанным на фиг.1. Проводили плазменное упрочнение поверхности гребня бандажа из стали типа 60Г локомотивной колесной пары диаметром 1250 мм. Обработку проводили при работе плазмотрона на постоянном токе прямой полярности с мощностью дуги 43 кВт, линейной скоростью вращения колесной пары 280 мм/мин (плазменное устройство неподвижно), расходом плазмообразующего газа (азот) 1,8 г/сек. Обработку вели с перекрытием начала полосы упрочнения. Выходное щелевое отверстие 9 плазменного устройства располагали под углом α=45° к образующей обрабатываемой поверхности, длину перекрытия l выбирали равной 40 мм. Такая обработка позволила минимизировать зону с пониженной твердостью металла и наличием высоких растягивающих напряжений в каждом из радиальных сечений места перекрытия.Example 1. The method is implemented by the device shown in figure 1. Plasma hardening of the surface of the ridge of the bandage made of 60G steel of a locomotive wheel pair with a diameter of 1250 mm was carried out. The processing was carried out when the plasma torch was operated with direct current of direct polarity with an arc power of 43 kW, a linear wheel pair speed of 280 mm / min (the plasma device is stationary), and a plasma-forming gas (nitrogen) flow rate of 1.8 g / s. Processing was carried out with the overlap of the beginning of the hardening strip. The exit slot 9 of the plasma device was positioned at an angle α = 45 ° to the generatrix of the treated surface, the overlap length l was chosen equal to 40 mm. This treatment allowed us to minimize the zone with low metal hardness and the presence of high tensile stresses in each of the radial sections of the overlap.

Расположение щелевого отверстия 9 в процессе обработки под углом α=30-60° (оптимальный угол составляет 45°) к образующей обрабатываемой поверхности позволяет значительно уменьшить растягивающие напряжения в каждом из радиальных сечений места перекрытия, а следовательно, получить высокое качество упрочненной поверхности.The location of the slit hole 9 during processing at an angle α = 30-60 ° (the optimum angle is 45 °) to the generatrix of the treated surface can significantly reduce tensile stresses in each of the radial sections of the overlap, and therefore, to obtain high quality hardened surface.

Пример 2. Способ реализуют устройством, показанным на фиг.1. Проводили плазменное разупрочнение (отпуск) поверхности гребня бандажа из стали типа 60Г локомотивной колесной пары диаметром 1250 мм. Обработку проводили при работе плазмотрона на постоянном токе прямой полярности с мощностью дуги 30 кВт, линейной скоростью вращения колесной пары 280 мм/мин (плазменное устройство неподвижно), расходом плазмообразующего газа (азот) 1,8 г/сек. Обработку вели с перекрытием начала полосы разупрочнения. Выходное щелевое отверстие 9 плазменного устройства располагали под углом α=45° к образующей обрабатываемой поверхности, длину перекрытия l выбирали равной 40 мм. После такой обработки снижается твердость поверхности, что позволило проводить обточку колеса по профилю на имеющемся оборудовании со снижением сил резания, что позволяет увеличить ресурс работы оборудования и режущего инструмента.Example 2. The method is implemented by the device shown in figure 1. Plasma softening (tempering) of the surface of the ridge of the bandage was made of steel of type 60G of a locomotive wheelset with a diameter of 1250 mm. The processing was carried out when the plasma torch was operated with direct current of direct polarity with an arc power of 30 kW, a linear wheel pair speed of 280 mm / min (the plasma device is stationary), and a plasma-forming gas (nitrogen) flow rate of 1.8 g / s. Processing was carried out with overlapping the beginning of the softening strip. The exit slot 9 of the plasma device was positioned at an angle α = 45 ° to the generatrix of the treated surface, the overlap length l was chosen equal to 40 mm. After this treatment, the surface hardness decreases, which allowed turning the wheel along the profile on existing equipment with a reduction in cutting forces, which allows to increase the life of the equipment and cutting tool.

Claims

1. The method of plasma processing of the working surface of the body of revolution, including the rotation of the treated body and the plasma treatment of its surface by a stationary plasma torch with a working gas flow transducer, the end surface of which is made in the form of the processed surface and has a slotted outlet, characterized in that the processing is performed with overlapping the strip treatment length l> h · tgα, where h is the width of the processing strip, and use a plasma torch with a working gas flow transducer, the slot of which is located Jeno angle α = 30-60 ° to a generatrix of its end face.

2. A plasma treatment device for the working surface of the body of revolution, consisting of a plasma torch and a working gas flow transducer, the end surface of which is made in the form of the surface to be treated and has a slot outlet, characterized in that the slot is made at an angle α = 30-60 ° to the generatrix end surface of the working gas flow transducer.