CC BY
75
Установлено, что величина степени (ин) и глубины упрочнения (й) определяется амплитудой ультразвуковых колебаний, увеличиваясь с ростом последней. Так, если при обычной сборке ин составляет 4 0 %, а глубина упрочнения й = 7 5 мкм, то при § = 5 мкм величина степени упрочнения ин равно 55 %, глубины упрочнения й =90 мкм. Дальнейший рост амплитуды до 2 0 мкм сопровождается повышением степени упрочнения до 7 3 % и глубины до 135 мкм.
Результаты проведенных исследований показывают, что введение в зону соединения тангенциальных ультразвуковых колебаний оказывает более интенсивное воздействие на пластическую деформацию поверхностного слоя по сравнению с радиальными. В частности, глубина й упрочненного слоя возрастает в среднем на 15 мкм, а степень упрочнения ин - на (10...12) % .
Вместе с тем, при больших значениях тангенциальных ультразвуковых колебаний наблюдается снижение микротвердости поверхности, причем, при § =15 мкм она даже ниже, чем у соединений, собранных с § =10 мкм. Следующим фактором, во многом определяющим степень пластической деформации поверхностного слоя деталей, является скорость запрессовки. В эксперименте установлено, что увеличение скорости ведет к снижению степени и глубины упрочнения. Так, если при V = 0,001 м/с, ин составляет 16%, й =150 мкм, то при V =0, 005 м/с, ин уменьшается до 68 %, при глубине зоны деформирования 105 мкм. Увеличение скорости запрессовки до 0,01 м/с, снижает ин еще на 12 %, а й - до 90 мкм.
Ультразвуковая запрессовка подшипников на вал сопровождается образованием на поверхностях желобов внутренних и наружных колец пластических отпечатков глубиной й = 0,4...3,2 мкм, определяемой радиальным зазором в подшипнике, амплитудой колебаний, скоростью соединения деталей и натягом [4].
Исследования поверхности желобов внутренних колец подшипников после разборки показали, что максимальная глубина й отпечатков пропорционально зависит как от амплитуды ультразвуковых колебаний так и от натяга 5 в соединении.
Так, с увеличением ^ от 5 мкм до 20 мкм и 5 от 0,005 мм до 0,020 мм глубина й отпечатков возрастает соответственно с 0,8 мкм до 3,2 мкм и с
0,42 мкм до 3,2 мкм. И, наоборот, с ростом радиального биения и скорости запрессовки глубина пластических отпечатков уменьшается.
Установлено, что основной причиной образования на поверхностях желобов пластических отпечатков является возникновение между валом и внутренними кольцами подшипника акустического контакта, в результате которого ультразвуковые колебания передаются с вала на кольцо, и происходит удар желоба о шарики. Действие сосредоточенных в одних и тех же точках многократных циклических нагрузок в условиях снижения под воздействием ультразвука физико-механических характеристик материалов, в частности твердости [4], приводит к образованию отпечатков и снижению долговечности подшипников.
Для рационального использования этого эффекта предложено совместить процесс сборки с упрочнением колец поверхностным пластическим деформированием, для чего при запрессовке вала необходимо вращать наружное кольцо подшипника.
С целью оптимизации процесса ультразвуковой сборки подшипниковых узлов были проведены исследования, включавшие определение степени и глубины деформационного упрочнения, величины и глубины залегания остаточных напряжений, контактной прочности.
Анализ приведенных данных позволяет сделать, вывод, что при высокочастотном, циклическом нагружении деформация локализуется в области, непосредственно примыкающей к шарику, и не распространяется на большую глубину. Напротив, увеличение натяга частично компенсирует радиальное биение и способствует возрастанию статической нагрузки на поверхности качения, что в сочетании с ультразвуковыми колебаниями увеличивает глубину их деформирования.
Эффективность предлагаемой технологии подтверждается результатами стендовых испытаний подшипников на долговечность.
Таким образом, ультразвуковая сборка позволяет совместить операции сборки с упрочнением поверхностей, что способствует повышению качества поверхностного слоя деталей. При этом определяющее влияние на характеристики качества оказывают параметры ультразвуковых колебаний и режим сборки, оптимизация которых является значительным резервом повышения эксплуатационных показателей соединений.
ЛИТЕРАТУРА
1. Родимов, Г.А. Влияние ультразвуковых колебаний на интенсивность изнашивания металлов / Г.А. Родимов, О.М. Батищева, В.А. Папшев, А.И. Гудков // Труды международного симпозиума «Надежность и качество». 2013.Т.2. С. 176-178.
2. Штриков, Б.Л. Автоматизированная система научных исследований процессов ультразвуковой сборки / Б.Л. Штриков, В.Г. Шуваев, В.А. Папшев // Сборка в машиностроении, приборостроении. 2007. №12. С. 19-22.
3. Батищева, О.М. Модификация статистических характеристик микрогеометрии поверхностей деталей при ультразвуковой сборке / О.М. Батищева, В.А. Папшев, В.Г. Шуваев // Труды международного симпозиума «Надежность и качество». 2010. Т.2. С. 121-124.
4. Артемов И.И. Исследование влияния дефектной структуры материала болтового соединения на процесс ослабления затяжки / Артемов И.И., Кревчик В.Д., Суменков С.В. // Новые промышленные технологии. 2002. № 5-6. С. 67.
5. Штриков, Б.Л. Особенности сборки подшипниковых узлов / Б.Л. Штриков, О.М. Батищева, Г.А. Родимов // Сборка в машиностроении, приборостроении. 2003. №1. С. 3-6.
УДК 621.974.8
Перевертов1 В.П., Андрончев2 И.К., Абулкасимов3 М.М.
1Самарский государственный университет путей сообщения, Самара, Россия 2Самарский государственный университет, Самара, Россия
3Московский государственый технический университет им.Н.Э. Баумана, Москва, Россия
ИННОВАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ ОБРАБОТКИ МАТЕРИАЛОВ КОНЦЕНТРИРОВАННЫМ ПОТОКОМ ЭНЕРГИИ В ГПС
Интенсификация технологических процессов термообработки, наплавки, легирования, напыления и других методов поверхностной обработки материалов в значительной степени определяется расширением применения мощных концентрированных потоков энергии в виде электронного луча, лазерного излучения, плазменного и ионного воздействия.
Высокие плотности мощности лазерного излучения, существенно превосходящего другие энергии,
позволяют не только значительно увеличить производительность обработки, но и получать качественно новые свойства поверхностей, недоступные традиционным методам обработки материалов. Лазерная обработка поверхностей металлов и сплавов относится к локальным методам термической обработки с помощью высококонцентрированных источников нагрева. Лазерный луч как источник нагрева при термической обработке материалов имеет параметры, свойственные всем другим высококонцентрированным
источникам, а также свои особенности и преимущества .
1. Высокая концентрация подводимой энергии и локальность позволяют производить обработку только поверхностного участка материала без нагрева остального объёма и нарушения его структуры и свойств, что приводит к минимальному короблению деталей, позволяет провести нагрев и охлаждение обрабатываемого объёма материала с большими скоростями при очень малом времени воздействия.
2. Возможность контроля, диагностирования и регулирования параметров лазерной обработки в широком интервале режимов позволяет разработать обширный ряд методов поверхностной лазерной обработки, причём в каждом методе можно регулировать качество структуры поверхностного слоя, такие его свойства, как твёрдость, износостойкость, шероховатость, а также геометрические размеры обработанных участков и др.
Отсутствие механических усилий на обрабатываемый материал даёт возможность обрабатывать хрупкие конструкции.
Возможность обработки на воздухе, автоматизация технологических процессов, отсутствие вредных отходов при обработке и т.д. определяют высокую технологичность лазерного луча.
Возможность транспортировки лазерного излучения на значительные расстояния и подвода его с помощью специальных оптических систем в труднодоступные места позволяет производить обработку в тех случаях, когда другие методы, в том числе и с помощью высококонцентрированных источников нагрева (низкотемпературная высокочастотная плазма (факельный разряд)) применить невозможно.
Методы лазерной термообработки аналогичны обычным методам термической обработки материалов и сплавов. Для осуществления лазерной закалки (рис. 1) локальный участок поверхности массивной детали нагревают с помощью излучения до сверхкритических температур, а после прекращения действия излучения этот участок охлаждается за счёт отвода теплоты во внутренние слои металла. Высокая скорость охлаждения приводит к образованию закалочных структур в сплавах и к высокой твёрдости поверхности.
Лазерная термообработка
Оплавление
а а и §
" о
« л
Я к
й ^
л о
и з &
—I
н
к
н О
Г
О
Получение поверхностных покрытий
Ударное воздействие
й
и
« и
« о и Е
41 о
й о
« ^
н м
и и р
я И
м я п
д м С
П
у
к
л
о <
й и
о &
1ч
<и
й к
<и о к а
5р 2
СП К
я ®
Л Н
с й
£ В
т
о И
к к
и Я § ®
& I
« я
у
Рисунок 1 - Применение лазерных технологий
Основная цель лазерной закалки - повышение износостойкости деталей, работающих в условиях трения. Уменьшение износа деталей после лазерной закалки обусловлено рядом факторов: высокой твёрдостью поверхности, высокой дисперсностью структуры; увеличение несущих свойств поверхности; уменьшением коэффициента трения и др.
Увеличивается износостойкость чугунов в условиях трения со скольжением после обработки непрерывным лазером. Повышение износостойкости чугунов после лазерной обработки обусловлено кроме вышеупомянутых факторов улучшением условий трения из-за сохранившегося в зоне лазерного воздействия графита. Повышается также и износостойкость сталей и некоторых других сплавов при трении в щелочной и кислотной средах.
Напряжённое состояние поверхностных слоев после лазерной закалки различное. После прекращения лазерного воздействия наиболее быстро охладится внутренний слой металла, лежащий возле непрогретого исходного слоя. Поверхностный слой охлаждается и сжимается в последнюю очередь. Это приводит к большой неравномерности в распределении остаточных напряжений. Величина же и интервалы изменения напряжений при обработке зависит от режимов обработки, и прежде всего от мощности излучения.
Остаточные деформации увеличиваются при увеличении степени перекрытия пятен или полос упрочнения. Кроме того, размер деформации зависит от коэффициента перекрытия и координатной последовательности обработки. Оптимальные режимы с этой точки зрения - равномерное и симметрич-
ное заполнение поверхности пятнами или полосами упрочнения.
После лазерной закалки по оптимальным режимам при достаточных размерах обрабатываемых деталей и небольших размерах поводки минимальны, и этим процесс выгодно отличается от термообработки с помощью неконцентрированных источников тепла.
В том случае, когда толщина обрабатываемой детали соизмерима с размерами зоны лазерного воздействия и условия ускоренного теплоотвода не обеспечиваются, имеет место лазерный отжиг. Такая технология применяется в микроэлектронике для отжига полупроводниковых материалов, в особенности имплантированных на металлические подложки. Лазерный отжиг, заключающийся в нагреве лазером закаленных деталей до температур ниже критических, может быть использован для обработки мелких деталей в приборостроении, например, пружинных элементов и др.
Оплавление поверхности, как технологический процесс, начал развиваться с появлением лазерного излучения, и другими методами практически не выполняется. При оплавлении для улучшения качества поверхности (уменьшения пористости или шероховатости) режимы обработки подбирают исходя из требований получения наилучшей микрогеометрии поверхности, а скорость охлаждения в этом случае не регламентируется. При аморфиза-ции скорость охлаждения должна быть максимальной для получения аморфного состояния, поэтому глубина оплавления не превышает 50 мкм.
Методы получения поверхностных покрытий -легирование и наплавка - отличаются тем, что
участок поверхности нагревается выше температуры плавления, в зону оплавления вводят легирующие компоненты, и в результате образуется поверхностный слой с химическим составом, отличным от основного металла. Вакуумно-лазерное напыление заключается в испарении материала участка поверхности под воздействием лазерного излучения в вакууме и конденсировании испарившихся продуктов на подложке.
Ударное воздействие лазерного излучения может использоваться для упрочнения поверхности и для инициирования физико-химических процессов, например, для формирования р-п-переходов в полупроводниковых материалах.
Инициирование поверхностных химических реакций на поверхности сплавов с помощью теплового воздействия лазерного излучения или с использованием низкотемпературной высокочастотной плазмы вблизи поверхности преследует цель окисления или восстановления отдельных компонентов сплава или получения специальных соединений
Лазерная обработка материалов основана на возможности лазерного излучения создавать на малом
Высокий уровень отражения создает на первый взгляд бесперспективную ситуацию с возможностью использования СО2-излучения для обработки металлов.
Однако решающим обстоятельством является увеличение поглощательной способности с ростом температуры обрабатываемой поверхности.
Решающим фактором, определяющим эффективность лазерного излучения металлами, является состояние поверхности. С ростом оксидной плёнки на поверхности металла коэффициент поглощения СО2-излучения возрастает в несколько раз. На практике же не всегда оправдана технологическая операция увеличения шероховатости поверхности с целью повышения эффективности лазерной обработ-
ГПМ для резки заготовок из листов металла, полимеров, керамики и других подобных материалов и пробивки отверстий в них разработан на базе лазера ЬАС-553Р мощностью 1 кВт (рис. 2) . Скорость резки — 1,2—8,7 м/мин, точность — ±0,1 мм, наибольшая площадь листа —1,2X2,4 м, толщина —6 мм, наибольшая масса листа — 300 кг.
Энергия луча от осциллятора 1 передается по световолоконному каналу 2 к технологической насадке, позиция которой устанавливается трех-координатным позиционером 3Г оборудованным сервомоторами и шариковыми винтовыми передающими механизмами 4. Управление осуществляется с помощью микропроцессора 5.
Для гибких модулей на базе лазеров ЬАС-554 и ЬАС-555 мощностью 3 и 5 кВт разработана интегральная САПР конструкции изделия и технологических процессов, информация о которых передается на управляющий микропроцессор.
участке поверхности высокие плотности теплового потока, необходимые для интенсивного нагрева или расплавления (испарения, сварка, резка) практически любого материала.
При воздействии на поверхность обрабатываемых металлов и сплавов лазерное излучение частично отражается от неё, а остальной поток излучения проникает на незначительную глубину. Эта энергия лазерного излучения практически полностью поглощается электронами в поверхностном слое. Вследствие этого резко повышается электронная температура, тогда как температура кристаллической решётки остаётся незначительной.
Интенсивность отражения лазерного излучения при воздействии на поверхность твёрдого тела определяется коэффициентном отражения, зависящим от материала и длины волны излучения. В таблице 1 представлены значения коэффициентов отражения, полученные И. Спелдингом, из которой следует, что наиболее высоким коэффициентом отражения характеризуется воздействие излучения технологически перспективных СО2-лазеров.
1
ки. При поверхностной обработке более целесообразно нанесение покрытий для увеличения эффективности поглощения лазерного излучения, в особенности при обработке шлифованных поверхностей деталей.
Лазерные технологии, обладая большой гибкостью, являются перспективными для автоматизированного изготовления заготовок резкой, пробивкой, сваркой из листов металла, композита, полимера, керамики малыми партиями в многономенклатурном производстве. Для ГПМ лазерной обработки фирмой Тоэ^Ьа (Япония) используются двухосные осцилляторы поперечного типа на низком давлении газа СО2, мощностью от 1 до 5 кВт.
2
Гибкий модуль для резки и сварки на базе лазера ЬДС-555 обеспечивает автоматическую программную резку и сварку листовых заготовок площадью до 3x5 м и толщиной 9 мм с точностью размеров до ±0,3 мм. Наибольшая скорость резки — 8,7 м/мин, сварки — 1 м/мин.
Лазерные технологии применяются также для пробивки тонких отверстий различной сложной формы (при размерах отверстий меньше толщины листа) в комбинации с штамповыми методами и отдельно; для зачистки заусенцев пробитых в штампах отверстий и вырезанных по контуру деталей из листа; для контроля позиций перемещений и вырезки сложных контуров по программе из листовой стали, пластмасс, керамики.
В Японии разработаны лазерные гибкие модули для термообработки, зачистки заусенцев по контуру и развертыванию отверстий, для ломки сливной стружки, при обработке материалов резанием. Применяются в основном лазеры с осцил-
Таблица
Характеристика лазера Коэффициент отражения
активное вещество длина волны излучения, мкм Аи Сг Ад №
Аг 0,488 0,415 0,437 0,952 0,597
Рубин 0,694 0,930 0,831 0,961 0,676
ИАГ-Ш 1,064 0,981 0,901 0,964 0,741
СО2 10,6 0,975 0,984 0,989 0,942
Техническая характеристика промышленных лазеров Таблица
Луч ЬАС-553Р ЬАС- 554Р ЬАС- 555Р
Длина волны, мкм 10,6
Режим Единичный многоимпульсный
Выходная мощность, кВт 1(1,2) 3 (1,5) 5,0
Диаметр луча, мм ~20 ~40 (30) ~45
Отклонение луча, м град ~2 ~3 ~3
Стабильность, %/8 ч ± 5
Источник энергии 200/220В, 3 фазы 50/60 Гц
Потребляемая мощность, кВА 25 70 15 25 100
Охлаждающая вода
Входная температура, 0С 15-25
Расход, л/мин 40 80 150
Газ
Газ СО2, Н2,Не (По заказу)
Расход гелия, л/мин 60 150 200
ляторами на СО2 мощностью до 5 кВт или Аг мощностью 200-300 Вт.
2
материалов
Большими преимуществами лазерной резки являются неограниченная возможность получения любого профиля и возможность одновременно вырезать профили пуансона и матрицы практически без отходов, так как ширина вырезающего луча лазера составляет всего около 0,15 мм.
Слоистый пуансон для гидроформовки изготовлен с помощью лазерного вырезного пресса типа UL-85 (лазер на СО2 с осциллятором EVERLASE (M4 6) с непрерывной мощностью 375 Вт и максимальной скоростью резания 6 м/мин). Для изготовления профилей использован лист толщиной 1,2 мм из мартенситной стали фирмы Nippon Kokan с пределом прочности 145 кгс/мм2. Профиль вырезали со скоростью 400 мм/мин, используя луч мощностью 110 Вт в импульсном режиме. Время вырезки 2 00 листовых заготовок для готового пуансона составило 10 ч. Верхняя часть пуансона, состоящая из 50 слоев, собрана склеиванием с помощью нейлонового клея FS-175P фирмы ТОА GOSEI (напряжение сдвига 32,0 МПа, усилие отдирания 350 Н на 25 мм ширины). Неровности, связанные со ступенчатой формой краев листовых заготовок, устранены шлифованием и полированием (обработка материалов резанием).
Способ изготовления слоистых штампов лазерной технологией сокращает время изготовления, уменьшает слоистость штампов, дает возможность одновременно получать каналы для охлаждения и кроме того, создает возможность использования композиционных штампов, из разных по прочности и свойствам материалов в соответствии с местными удельными усилиями.
Лазерная резка применяется для изготовлений отверстий как в промежуточных кольцах сопла паровой турбины, выполненных из хромистой нержавеющей стали толщиной 6 мм, в которые вставляются лопатки, так и на поверхности трубных заготовок, применяемых при изготовлении трубопроводов двигателей внутреннего сгорания.
С помощью лазерных технологий изготавливают шаблоны и сепараторы из инструментальной стали. Экономически выгодным оказывается применение лазерной резки при производстве опытных образцов автомобилей, когда требуется изготовление деталей малых серий и большой номенклатуры для изготовления дисковых пил. Ножевые полотна, вырезанные лазером, реже выходят из строя, имеют более длительный срок службы и больший пери-
Проблема быстрого автоматизированного изготовления штамнов для гибкого листоштамповочного производства остается острой из-за высокой стоимости и большой трудоемкости процесса. Заслуживает внимания предложения изготовлять штампы для листовой глубокой вытяжки, формовки и вырубки набором из пластин, вырезка которых по заданному контуру осуществляется лазерным лучом, а пробивка отверстий - набором пуансонов, установленных на револьверной головке пресса. Окончательная рабочая поверхность штампов достигается шлифованием. Для соединения собранных пакетов листовых заготовок используются винты, клей.
Время в ч, затраченное на изготовление слоистого штампа для глубокой вытяжки вырезкой контуров лазерным лучом и пробивкой стальных листовых заготовок толщиной 2 мм на револьверном вырубном прессе, составляет 24 ч.
Особенности изготовления подобных штампов с помощью лазерного луча приведены в табл. 3.
од времени между заточками по сравнению с полотнами, полученными механическим способом.
Широко используется лазерная резка в судостроении, в химической промышленности (изготовление ножей грануляторов), в производстве самолётов, космических летательных аппаратов (изготовление деталей из титановых сплавов, алюминия), скоростного подвижного состава.
Воздействия низкотемпературной высокочастотной плазмой (факельным разрядом) на материалы позволяет формировать отверстия в материале, производить резку и нагрев заготовки. Для повышения качества и производительности горячештам-повочного производства в условиях ГПС разработан способ формирования отверстий в материале, основанный на внедрении пуансона в матрицу с предварительным формированием отверстия в материале низкотемпературной плазмой (факельным разрядом ФР).
Предварительный нагрев материала заготовок существенно и однозначно изменяют его характеристики прочности и пластичности, и, следовательно, способность к пластической деформации и разрушению. Путем оптимального изменения температуры материала (как металлического, так и диэлектрического) можно не только предотвратить образование трещин снизить усилие, но и улучшить качество, а также повысить производительность технологического процесса.
Предложенный способ реализуется с помощью устройства, приведенного на рис. 3.
Материал (металлический или неметаллический) в виде полосы 1, с намеченной координатной сеткой подводится к пуансону 2. Оператор включает высокочастотный генератор 3. Между пуансоном 2 и листовым материалом 1 лежащем на матрице 4, самопроизвольно возникает ФР, имеющий плазменный канал 5 и оболочку 6. Затем пуансон 2 перемещается вертикально вниз относительно матрицы 4 и формирует отверстие.
Рассмотренный способ прост, не требует сложного и дорогостоящего оборудования, повышает производительность, позволяет получать отверстия в любых материалах.
Используя рассмотренный способ формирования отверстий в материале заготовки можно производить резку проката на дозированные по массе (объему) заготовки. Это позволит: повысить качество резки заготовок при требуемой производительности, снизить энерго и материалоемкость
Таблица 3
Револьверный пресс с ЧПУ Лазерный пресс с ЧПУ Револьверный пресс с ЧПУ Лазерный пресс с ЧПУ
Возможность вырубки зависит от твердости материала Ограничение профилей Возможность вырубки не зависит от твердости материала Неограниченные профили Неровная поверхность резки Профили для пуансона и матрицы вырезаются отдельно. Гладкая поверхность резки Профили для пуансона и матрицы вырезаются одновременно
Наличие заусенцев и искривлений Низкая скорость вырубки Очень малые заусенцы и искривления Очень большая скорость вырезки Точные отверстия, пробитые пуансоном Отсутствие зоны термического воздействия Шумный процесс Неточные отверстия (из-за шероховатости) Имеется зона термического воздействия Бесшумный процесс
КШМ, создать заготовительные и обрезные гибкие модули или комплексы.
-увеличить срок службы штампового инструмента за счет быстрого нагрева, не приводящего к образованию окалины;
-нагревать любые материалы с различными электрофизическими свойствами, геометрические размеры заготовок при этом не сказываются на КПД установки и на качестве нагрева.
Рисунок 3 - Схема способа формирования отверстий в материале (резка материала)
Способ нагрева заготовок перед штамповкой. Для повышения качества нагрева заготовок перед штамповкой, экономии электроэнергии, повышения стойкости штампового инструмента предлагается нагрев заготовок производить низкотемпературной плазмой в диапазоне частот 6-3000 мГц и мощности 50-250 кВт, а сами заготовки вращать вокруг собственной оси.
Нижний предел частоты разряда 6 мГц выбран в связи с граничной частотой образования ФР. Выбор частоты разряда более 3000 мГц приводит к конструктивному усложнению устройства и требует дополнительных мер по повышению средств техники безопасности.
В современных КШМ цикл штамповки составляет 5-10 секунд, поэтому с точки зрения производительности процесса штамповки мощность ФР выбирать ниже 50 кВт не имеет смысла. Например, при мощности 50 кВт и частоте разряда от 6 до 2000 мГц время нагрева составляет 7-20 секунд. Превышение мощности разряда более 250 кВт, при частоте от 6 до 3000 мГц может привести к не «стыковке» производительности пресса и нагревательного устройства, что приведет к пережогу заготовок, их браку.
Предложенный способ реализуется с помощью устройства, приведенного на рис. 4. Оператор включает высокочастотный генератор 6, механизм подачи и перемещения заготовок (на чертеже не показан) обеспечивающий поступательное и вращательное движение заготовки 1. Заготовка 1 перемещается слева направо. При прохождении заготовки 1 над рабочим инструментом 2 возникает ФР, имеющий плазменный канал 8 и оболочку 7. Тепловая энергия ФР передается заготовке 1. В дальнейшем ФР образуется на рабочих инструментах 3,4,5. Зоны (пятна) ФР от каждого инструмента перекрываются. Количество рабочих инструментов выбирается в зависимости от производительности технологического процесса штамповки. После прохождения под всеми рабочими инструментами 2-5 заготовка 1 нагревается до требуемой температуры и поступает в штамп.
При изменении частоты и мощности генератора 6 можно регулировать ширину и длину, а, следовательно, площадь (апертуру) пятна нагрева, что позволяет производить нагрев заготовок с различным диаметром. КПД установки, реализующий способ составляет 30-40 %.
Использование предлагаемого способа нагрева заготовок перед штамповкой в качестве основы термического модуля позволит:
- снизить потребление электроэнергии за счет более высокого КПД и экономного расхода, так как образование ФР происходит только в момент прохождения заготовки около рабочих инструментов. В случае отсутствия заготовки ФР не образуется и потребление электроэнергии происходит только генератором;
-автоматизировать процесс нагрева;
Рисунок 4 - Схема способа нагрева заготовок перед штамповкой низкотемпературной плазмой (факельным разрядом)
На рис. 5-6 представлен скоростной способ нагрева заготовок, в котором нагрев поверхностных слоев заготовки может производиться как индукционным способом, так и низкотемпературной плазмой. Нагрев внутренних слоев осуществляется контактным способом. Время нагрева заготовок до заданной температуры значительно уменьшается. Контроль и управление низкотемпературной плазмой осуществляется с помощью нового устройства ИРТ-4, а контроль температуры нагрева заготовок перед штамповкой новыми устройствами ИРТ-1, ИРТ-2, ИРТ-3 [3,4,5].
Рисунок 5 - Схема скоростного нагрева заготовок перед штамповкой: а) исходное положение элементов устройства; б) режим нагрева; 1,2 -механизмы крепления заготовки; 3 - подвижный индуктор; 4 - заготовка
Устройство ИРТ-4 (рис.7-8) предназначено для контроля температуры при обработке материалов низкотемпературной высокочастотной плазмой [2].
Рисунок 6 - Схема скоростного нагрева заготовок перед штамповкой: а) схема направления тока при прохождении центральных слоев и поверхности заготовки; б) время нагрева заготовок до заданной температуры
Механизм развития ФР представляет собой вы-сокоионизированное пространство с чётко выраженным ограниченным каналом разряда и оболочкой. Образование ФР наблюдается в широком диапазоне частот от 6 до 2000 мГц. Высокоионизиро-ванное пространство имеет некоторую ёмкость относительно обрабатываемого материала. Ток, текущий с рабочего инструмента на эту емкость, производит ионизацию воздуха (окружающей технологической среды) и тем самым поддерживает ФР.
Температура ФР составляет в зоне плазменного канала 3000-4000 0С. Изменение генерации от 12,4 мГц до 100 мГц приводит к изменению температуры в 1000 0С.
С целью повышения температуры до 100000С через рабочий инструмент пропускают активный газ, например кислород, который одновременно осуществляет охлаждение рабочего инструмента и световодов.
Так как все материалы имеют различную температуру плавления (испарения), температуропроводность и т.д., а также с точки зрения оптимизации технологического процесса обработки, необходимо вести контроль и регулирование температуры факельного разряда при обработке материалов.
Рабочий инструмент является неотъемлемой частью устройства ИРТ-4 в связи с тем, что в нем размещен световод, служащий для передачи излучения от ФР до фотоприемника и исключающий (световод) влияние высокой температуры факельного разряда на параметры фотоприемника. Как показали испытания устройства по а.с. № 801931 на Куйбышевском заводе клапанов, автозаводе «ЗИЛ» размещение датчика температуры в корпус выполненный в виде двух концентрично расположенных полых цилиндров и расположенного между ними охлаждающего агента не обеспечивает временную температурную стабилизацию фотонного датчика в течение 24 час. непрерывной работы.
Устройство ИРТ-4 содержит дифференциальный датчик температуры (рис. 7) состоящий из диффе-
ренциального фотоприемника 1 и двух световодных каналов 2,3 посредством которых входы дифференциального фотоприемника 1 соединены оптически с поверочной лампой 4 и нагревателем 5 (с их излучениями). Выход дифференциального фотоприемника 1 соединен с блоком управления 6 током поверочной лампы 4, выход которого соединен с поверочной лампой 4, цифровым индикатором 7 и входом блока сравнения 8, другой вход которого соединен с задатчиком температуры 9, соединенным с источником стабилизированного напряжения 10. Выход блока сравнения 8 соединен через усилитель II с системой управления нагревателя, состоящего из блока 12 управления генератора разряда нагревателя, задатчика 13 режимов работы генератора и генератора 14, выход которого соединен с нагревателем 5, внутри которого расположены с зазором сапфировый световод 15 и кварцевый световод 16. Корпус нагревателя (рис. 7) выполнен в виде полого цилиндра 17, внутри которого при помощи ввинчивающихся круглых перегородок 18,19 и завинчивающейся крышки 20 закреплены сапфировый световод 15 и кварцевый 16 световоды.
Рисунок 7 - Структурная схема устройства контроля температуры ИРТ-4
Рисунок 8 - Конструкция рабочего инструмента устройства контроля температуры ИРТ-4
По оси крышки 20 расположен оптический разъем 21 для соединения светового кабеля 22 с нагревателем 8.
По металлической оболочке световодного кабеля 22 на нагреватель 5 подается напряжение от генератора 14 для создания разряда, взаимодействующего с обрабатываемым материалом 23. На крышке 20 и перегородках 18,19 имеются отверстия для крепления и подачи кислорода в зону разряда. Кислород используется для охлаждения нагревателя 5 и световодов 15,16.
Устройство работает следующим образом. С помощью задатчика температуры 9 оператор устанавливает необходимую для данного материала и способа обработки температуру разряда. При этом интенсивность излучения разряда приближенно соответствует требуемой температуре. Излучение разряда через сапфировый световод 16, кварцевый световод 16 подается на один из входов дифференциального фотоприемника I, на другой вход которого подается излучение поверочной лампы 4.
При отличии интенсивности излучения поверочной лампы 4 от интенсивности излучения разряда, на выходе дифференциального фотоприемника 1 появляется электрический сигнал, пропорциональный разности интенсивностей излучения, управляющий через блок управления 6 током поверочной лампы 4, до тех пор пока интенсивности излучений поверочной лампы 4 и разряда не убудут одинаковыми /8/.
Цифровой индикатор 7 измеряет ток поверочной лампы 4. В блоке сравнения 8 сравниваются напряжения с задатчика температуры 9 и напряжение пропорциональное току поверочной лампы 4. При наличии разницы этих напряжений на выходе блока сравнения 8 появляется управляющий сигнал, изменяющий режим работы генератора 14 и изменяющий тем самым температуру разряда до тех пор, пока она не будет соответствовать установленной в задатчике температуры 9. Точность измерений повышается за счет измерения тока эталонной поверочной лампы 4, управляемого разностью излучений разряда и поверочной лампы 4. Применение дифференциального фотоприемника I, работающего с близкими по амплитуде входными сигналами позволяет уменьшить влияние измерения параметров фотоприемника 1 от дестабилизирующих факторов, например температуры, излучений электрических и магнитных полей, что также повышает точность и стабильность измерения и регулирования температуры.
Рассмотренные новые способы и устройства обработки материала заготовок (деталей) низкотемпературной высокочастотной плазмой (факельным разрядом) являются перспективным направлением по созданию на их основе гибких производственных модулей (ГПМ) и комплексов для автоматизированного производства в XXI веке.
ЛИТЕРАТУРА
1. Перевертов В.П. Технологии конструкционных материалов. Ч.2. Лазерные технологии. - Самара: СамГУПС, 2013. - 115 с.
2. Перевертов В.П., Бочаров Ю.А., Маркушин Е.М. Управление кузнечными машинами в ГПС. - Куйбышев: кн. изд-во, 1987. - 160 с.
3. Laser complexs. Электронный ресурс. Режим доступа http://www.lasercomp■ru■
4. Перевертов В.П. Новые способы и устройства обработки материала заготовок перед штамповкой низкотемпературной высокочастотной плазмой (факельным разрядом) // Труды международного симпозиума «Надежность и качество 2005». Т.1. - Пенза: ПГУ, 2005. - С. 298-300.
5. Артемов И.И. Исследование влияния дефектной структуры материала болтового соединения на процесс ослабления затяжки / Артемов И.И., Кревчик В.Д., Суменков С.В. // Новые промышленные технологии. 2002. № 5-6. С. 67.
6. А.с. № 1402383 СССР, МКИ3 В 21 С 31/00. Способ нагрева заготовок перед штамповкой/ В.П. Перевертов, Ю.А. Бочаров, Н.Е. Конюхов и др.// Открытия. Изобретения. - 1988. - №22.
7. А.с. № 1303207 СССР, МКИ3 В 21 G 31/00. Устройство для контроля температуры при обработке материалов/ В.П. Перевертов, Ю.А. Бочаров, Н.Е. Конюхов, А.П. Андреев и др.// Открытия. Изобретения. - 1987. - №14.
8. А.с. № 801931 СССР, МКИ3 В 31/00 Устройство контроля температуры нагрева заготовок перед штамповкой/В.П. Перевертов, В.А. Поникаров, А.В. Сафонов и др.// Открытия. Изобретения. -1981.-№5.
9. А.с. № 1300439 СССР, МКИ3 G05 Д23/19. Устройство контроля температуры нагрева заготовок перед штамповкой/В.П. Перевертов, Ю.А. Бочаров, Н.Е. Конюхов и др.// Открытия. Изобретения. -1987.-№ 12.
10. А.с. № 1323152 СССР, МКИ3 В21 G31/00. Устройство контроля температуры нагрева заготовок перед штамповкой/ В.П. Перевертов, Ю.А. Бочаров, Ю.Н. Фадеев// Открытия. Изобретения. - 1987. - № 26.
УДК 621.01
Полетаев В.П., Богданов Д.А.
ФГБОУ ВПО «Вологодский государственный университет», Вологда, Россия
ОПТИМИЗАЦИЯ ПЕРИОДИЧНОСТИ ПРОФИЛАКТИКИ ОТКАЗОВ
Интенсивное развитие процессов механизации и автоматизации, все большее внедрение непрерывных производственных процессов, возрастание мощностей оборудования усиливают значение работ по техническому обслуживанию и ремонту.
По мере повышения технического уровня, технического состояния и безотказности работы оборудования, длительности его простоев зависит и достижение высокого уровня рентабельности предприятия.
В процессе эксплуатации технических систем, приборов и оборудования имеют место отказы. Как следствие возникает необходимость проведения внеплановых аварийно-профилактических работ до наступления ранее запланированного профилактического обслуживания. В связи с этим встает задача определения оптимальной периодичности профилактических мероприятий.
Важнейшей проблемой при этом является определение такой периодичности технического обслуживания, которая позволит оптимизировать суммарные потери, учитывающие затраты времени и
средств на обслуживание и потери в результате ухудшения качества функционирования объекта.
Исследования надежности контрольно-
измерительного инструмента для различных законов распределения времени безотказной работы показали, что полученные данные их реальной эксплуатации, а именно вид функции плотности распределения в условиях производства могут иметь несколько известных распределений - логарифмически нормальное распределение, распределение Рэлея, гамма распределение, нормальное распределение. В приведенной ниже табл. 1 указаны виды распределения и их параметры. Одним из критериев оптимальности может служить коэффициент технического использования Кти , который определяется как отношение времени нахождения изделия в работоспособном состоянии Т к
времени эксплуатации Т . Можно показать, что при описанной выше ситуации для Кти [1] справедливо выражение
