Вы здесь

Підвищення стійкості металооброблювального інструменту плазмовою поверхневою обробкою

Автор: 
Нестеров Олег Юрійович
Тип работы: 
Дис. канд. наук
Год: 
2002
Артикул:
3402U002428
99 грн
(320 руб)
Добавить в корзину

Содержимое

РАЗДЕЛ 2
РАСЧЕТ ПРОЦЕССОВ РАСПРОСТРАНЕНИЯ ТЕПЛА ПРИ ПЛАЗМЕННОЙ ОБРАБОТКЕ ИНСТРУМЕНТА
2.1. Разработка методики расчета параметров режима плазменной поверхностной обработки инструмента и программы расчета оптимальных режимов упрочнения
При поверхностном упрощении температура нагрева, хроме параметров режима, определяется т.н. дистанцией обработки - расстоянием от торца плазмотрона до поверхности изделия. На рис.2.1. показан характер температурного поля аргоновой плазменной струи и зависимость твердости поверхности от дистанции обработки при упрочнении ряда сталей. Как видно из рис.2.1, наиболее высокая твердость статей достигается при взаимодействии с поверхностью наиболее нагретой области плазмы - ядра струи, длина которого на выходе из сопла плазмотрона по экспериментальным данным составляет 5?1 мм. Снижение дистанции обработки менее данного размера не способствует повышению твердости и создает опасность замыкания сопла с изделием и шунтирования дуги, что может привести к аварийному выходу из строя плазмотрона или браковке изделия. С другой стороны, при увеличении до 10 мм и более резко снижается эффективность упрочнения по достигаемой твердости закаленной зоны. Следовательно, при использовании плазмотрона разработанной схемы необходимо выдерживать дистанцию обработки в пределах 5?1 мм.
При воздействии концентрированных источников нагрева на металл основными процессами, протекающими в его поверхностном слое и вызывающими эффект упрочнения, являются процессы нагрева и охлаждения. Наиболее важной физической характеристикой этих процессов является температурное поле, знание которого позволяет определить температуру материала в любой точке зоны термического воздействия (ЗТВ) в различные моменты времени, скорость нагрева и охлаждения, длительность пребывания разогретого металла ЗТВ в заданном интервале температур - в зависимости от параметров режима обработки и теплофизических характеристик обрабатываемого материала. В связи с этим, для выбора оптимальных режимов плазменной обработки инструментальных материалов необходима разработка расчетных методов оценки параметров термического цикла - максимальной температуры нагрева и скорости охлаждения.

Рис.2.1. Температурное поле аргоновой плазменной струи (a) [74] и зависимость твердости сталей от дистанции обработки (б) при = 400 А, = 7,010-3 м/с

Энергия плазменной струи передается нагреваемому телу в результате вынужденного конвективного и лучистого теплообмена. Лучистый теплообмен невелик - не более 5-10 % эффективной тепловой мощности. Поэтому в процессе теплопередачи от струи к телу основную роль играет конвективный теплообмен. Основная доля теплоты при плазменном нагреве переносится вглубь металла посредством электронной проводимости. Следовательно, тепловые процессы при плазменном нагреве имеют ту же физическую природу, что и при традиционных способах теплового воздействия на металлы. Это дает основание рассматривать распространение теплоты в металлах при плазменной обработке с классических позиций теории теплопроводности.
При выборе соответствующих зависимостей важное значение имеет правильная схематизация источника нагрева и обрабатываемого тела. В случае обработки крупногабаритного инструмента (прокатных валков, массивных штампов и т.д.) с достаточной для практических целей точностью можно использовать схему сосредоточенного (точечного) источника нагрева на поверхности полу бесконечного тела. При упрочнении малогабаритного инструмента, в особенности, когда обработка осуществляется локально - только вдоль рабочей кромки (резцы, ножи и т.д.), необходимо учитывать характер распределения плотности мощности по площади пятна нагрева. В работе Рыкалина Н.Н. [130] установлено; что для плазменной струи характерно распределение удельного теплового потока по пятну нагрева в соответствии о нормальным законом (законом Гаусса):
/2.1/
где - максимальная плотность потока на оси струи;
k - коэффициент сосредоточенности, характеризующий форму кривой нормального распределения.
Таким образом, плазменную струю можно рассматривать как нормально-круговой источник теплоты с параметрами и К, связанными с эффективной тепловой мощностью соотношением:
/2.2/
Для повышения эффективности плазменной поверхностной закалки необходимо максимально возможное увеличение коэффициента сосредоточенности плазменной струи К и максимально возможное уменьшение площади пятна нагрева, диаметр которого из условия связан с К соотношением:
/2.3/
Математические модели процессов распространения теплоты при плазменной обработке представлены в ряде работ. Так, в работе [127] выполнены численные расчеты распределения температуры при решении двумерного нелинейного нестационарного уравнения теплопроводности. В работе [128] аналогичная задача решена для полых цилиндрических деталей с учетом функции внутренних источников теплоты. Математическое моделирование микроплазменной закалки в одномерной постановке задачи выполнено в работе [129]. В то же время имеющиеся модели достаточно сложим для применения на инженерном уровне, для их решения необходимо использование численных методов, например метода конечных разностей [129]. Более простыми и удобными являются решения дифференциальных уравнений теплопроводности в линейной постановке без учета зависимости теплофизических свойств материала от температуры, разработанные Н.Н. Рыкалиным в теории тепловых процессов при сварке [130]. Применительно к условиям лазерного упрочнения такие модели рассмотрены в работе [29], для плазменного упрочнения - в работе [88]. Многообразие специальных случаев поверхностной обработки требует дальнейшего развития инженерных методов расчета тепловых полей. В частности, в литературе отсутствуют сведения об особенностях математического моделирования при упрочнении металлообрабатывающего инструмента (резцов, матриц, пуансонов) вдоль рабочей кромки (рис.2.2).
В общем случае при плазменной или лазерной обработк