Введение к работе
Актуальность проблемы. Среди прогрессивных технологий, ффективность которых основана на многократном повышении надежности и [олговечности деталей машин, механизмов и оборудования с покрытиями, ідно из главных мест занимает плазменно-дуговая наплавка.
Существующее плазменное оборудование (например, установки типа ПН-303, УПН 602 и т.п.) как правило ориентировано на наплавку материалов : нестрого нормируемыми свойствами, слоями большой толщины, на развитые юверхности (изделия металлургической промышленности, судостроения и .п.). Использование такого оборудования для изготовления изделий (тветствешюго назначения, имеющих относительно небольшие габариты клапана, детали запорной арматуры, изделия автомобильной промышленности і др.), наплавляемых дорогими сплавами, как правило - на ограниченные юверхности, невозможно. При этом обычно среди требований к аппаратуре іревалирует не высокая производительность процесса, а необходимость юлучения стабильной высококачественной наплавки за один проход даже в гонких слоях. Такие задачи требуют подхода к плазменной наплавке как к ірецизионной технологии обработки материалов, что определяется: » необходимостью (и возможностью в плазменных процессах) точного дозирования энергии и материалов в зоне обработки;
> обеспечением при необходимости расчетных значений геометрических,
химических и других параметров обрабатываемых материалов;
высоким уровнем и концентрацией тепловой и механической энергии сжатых дуг и плазменных потоков и значительной областью регулирования;
» большой гибкостью многопараметрического регулирования
технологических характеристик сжатых дуг при плазменной наплавке и, как следствие, - необходимостью выбора оптимальных параметров режима;
применением специальных высоконадежных технологических плазмотронов
как основного инструмента комплекса оборудования;
» использованием соответствующего алгоритмического обеспечения.
Анализ состояния вопроса разработки процессов и оборудования для ірецизионной плазменной наплавки показывает следующее:
нет достаточных данных по энергетическим и технологическим параметра; разновидностей процессов наплавки, необходимых для создания надежног и эффективного оборудования;
имеются отдельные разрозненные данные по количественны! характеристикам взаимодействия сжатой дуги и металла при наплавке;
отсутствует описание процессов наплавки с использованием малы: диаметров плазмообразующего сопла;
отсутствуют рекомендации по выбору оптимальных режимов и условиі наплавки;
отсутствуют систематизированные данные по комплексному влиянии различных факторов на ход процесса наплавки.
нет рекомендаций по определению параметров оборудования длг плазменной наплавки и по методам его проектирования;
Работа выполнена в соответствии с:
а) Постановлениями: ГКНТ СССР № 431 от 11.05.90. и Миннауки России
№ 1169ф от 29.05.92. по Государственной научно-технической программе
"Технологии, машины и производства будущего", раздел проекта 0.06.01.0117Т
"Создание компьютеризированных технологических модулей плазменной
сварки, наплавки, напыления, нанесения финишных упрочняющих плёночных
покрытий и поверхностной термообработки для интегрированных гибких
производственных систем, обеспечивающих на основе новейших плазменных
технологий и их оптимизации коренное улучшение культуры труда и качества
продукции".
б) Межвузовской научно-технической Программой "Сварочные
процессы" - раздел "Моделирование, разработка технологии и контроль
сварочных процессов и оборудования":
- тема 1.4.6. "Исследование и разработка перспективных технологий
плазменной сварки, наплавки и поверхностного упрочнения" - 1995-1997г.
Цель работы. Основной целью данной работы является изучение технологических характеристик процесса плазменной наплавки, необходимых для создания нового поколения оборудования прецизионной плазменной обработки, обеспечивающего прогнозируемое качество наплавки за счет использования выявленных технологических закономерностей при проектировании и эксплуатации оборудования.
В задачи работы входило:
-
Изучение энергетических параметров процессов наплавки сжатой дугой поверхностного действия.
-
Исследование особенностей технологических процессов прецизионной плазменной наплавки - на обратной полярности, с пилотной дугой и др.
-
Формирование технологических рекомендаций по выбору оптимальных режимоп и условий плазменной наплавки и определение основных требований к оборудованию.
-
Разработка на основании проведенных исследований инженерного метода расчета и оптимизации плазмотронов для наплавки, определение параметров и разработка базовых элементов аппаратуры прецизионной плазменной наплавки.
Методы исследований. Работа выполнялась в Санкт-Петербургском осударственном техническом университете и включает в себя кснериментальные и теоретические исследования.
В работе использовались стандартные и некоторые оригинальные методики экспериментальных исследований процессов плазменной обработки, і том числе - плоскостное зондирование и калориметрирование сжатой дуги и глазменных струй, металлографические исследования зоны обработки, механические испытания, микрорентгеноспектральный и другие современные методы изучения материалов.
При моделировании процессов использовались аналитические методы, математические методы планирования экспериментов, методы регрессионного шализа, методы оптимизации.
Расчеты и обработка данных велись с применением вычислительной техники и использованием методов прикладной математики. Для проведения расчетов на компьютерах были разработаны специальные прикладные трограммы.
Экспериментальные исследования велись на отечественных плазменных установках - опытных и серийных, созданных при непосредственном участии івтора.
Научная новизна. В работе исследованы энергетические и технологические параметры разновидностей поверхностной сжатой дуги, эсобешюсти и закономерности процессов плазменной наплавки, и на основе их шализа, систематизации и моделирования разработаны методы и алгоритмы
выбора технологических процессов и режимов, необходимые для создания и функционирования нового поколения оборудования для прецизионной плазменной обработки. Среди новых научных результатов следует выделить следующие:
-
Уточнен механизм и определены количественные характеристики взаимодействия сжатой дуги с материалом в технологиях плазменной наплавки (на обратной полярности, с пилотной дугой и др.), необходимые для эффективного регулирования и развития плазменных процессов.
-
В результате изучения особенностей и закономерностей процессов плазменной наплавки предложен метод выбора режимов и оборудования, базирующийся на использовании принципа минимизации погонной энергии и позволяющий упорядочить расчеты и сократить область поиска оптимальных параметров процесса и аппаратуры.
-
Установлена достаточная адекватность реальным процессам аналитической модели и разработанных алгоритмов, использованных в диалоговой компьютерной системе плазменной наплавки. Практическая значимость работы.
Разработаны инженерные методы, алгоритмы и программы расчёта, оптимизации и регулирования гибких плазменных технологий наплавки с применением современной компьютерной техники.
Разработаны и применяются новые технологические процессы прецизионной плазменной наплавки (на обратной полярности, с пилотной дугой, с импульсной подачей порошка), дающие значительный технический и экономический эффект.
Разработаны инженерные методы расчёта и оптимизации теплонагруженных элементов технологических плазмотронов.
На основе выполненных исследований определены параметры и разработаны новые функциональные элементы оборудования (универсальные плазмотроны, импульсный порошковый питатель, двухдуговой источник питания и др.) для универсальных и специальных плазменных технологических установок, на базе которых заводом «Электрик» выпускается серийное унифицированное оборудование со сроком окупаемости менее 1 года.
Материалы данной работы используются в учебном процессе Санкт-Петербургского государственного технического университета; на их основе созданы и ведутся учебные лабораторные работы. 4
Апробация работы. Материалы диссертационной работы докладывались и обсуждались, начиная с 1979 года, на Международных, и Всесоюзных конференциях, семинарах и выставках, на научных и научно-методических семинарах СПбГТУ, завода (ЛО) "Электрик" и других организаций.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 27 работ, включая 5 авторских свидетельств и патентов на изобретения и публикацию в Германии. Список публикаций приведен в конце автореферата.
Объем работы. Диссертация содержит 148 страниц, включая текст, 61 рисунок, 20 таблиц Основная часть состоит из введения, 4 глав, общих выводов, списка использованных источников из 83 наименований.