Способ дуговой обработки

 

Изобретение относится к способам дуговой обработки наплавкой или оплавлением при обработке или восстановлении деталей с криволинейной цилиндрической поверхностью, имеющей ось вращения, например кулачков кулачкового вала. Цель изобретения повышение равномерности обработанного слоя. Для этого осуществляется взаимное перемещение кулачкового вала. Горелка перемещается возвратно-поступательно в продольном направлении и вертикально, при этом расстояние до обрабатываемой поверхности поддерживается равным. Вал вращается с переменной скоростью, определяемой геометрией обрабатываемого тела. Вводятся участки ускоренного и замедленного движения возвратно-поступательного перемещения горелки на крайних участках ее хода при перемене направления движения, а вал вращается только на этих участках. Изменение скорости вращения вала изменяют величину шага наплавки в зависимости от профиля поверхности обработки. Представлены законы изменения величины ускорения при осциллированиии сварочной головки и закон изменения скорости вращения изделия с учетом износа поверхности. 2 з.п. ф-лы, 6 ил. 2 табл.

Изобретение относится к сварке, в частности к способам автоматической наплавки или поверхностного переплава изделий с цилиндрической криволинейной поверхностью, имеющей ось вращения, преимущественно рабочей поверхности кулачка кулачковых валов. Цель изобретения обеспечение равномерности обработки поверхности детали с одновременным снижением энергозатрат и материалоемкости процесса. Сущность способа заключается в том, что при обработке деталей с криволинейной поверхностью учитывается кривизна обрабатываемой поверхности. Обработка ведется сварочной головкой с электродом, которую перемещают возвратно-поступательно вдоль оси вращения детали и вертикально, поддерживая постоянное расстояние между электродом и деталью, а изделие вращают с переменной скоростью, определяемой геометрией обрабатываемой поверхности. Для обеспечения равномерности тепловложения в процессе продольного перемещения сварочного электрода на подходе к торцовым поверхностям детали вводят участки ускоренного движения возвратно-поступательного перемещения электрода, компенсирующего его замедленное движение в крайних участках хода при перемене направления движения, а вал вращается только в пределах этого участка с переменной скоростью. Величина шага траекторий изменяется в зависимости от геометрии профиля кулачка с учетом износа. Протяженность участка равномерного движения электрода в одном направлении не превышает длины сварочной ванны, а время его прохождения равно времени обработки такого же участка со скоростью хода электрода в центральной зоне, т.е. средняя скорость на этом участке равна скорости продольного перемещения электрода на участке равномерного движения. Ускорение на участке неравномерного движения электрода от крайнего положения его хода (в вершине траектории) выбирается из условия a₁ (1+) в интервале времени неравномерного движения электрода 0<t< и a₂= (1+) в интервале времени неравномерного движения электрода < t_э < где t_э время неравномерного движения электрода в одном направлении, за начало отсчета которого принят момент перемены направления движения электрода; l длина участка неравномерного движения электрода в одном направлении; V скорость обработки поверхности на центральном участке хода электрода, V_ср средняя скорость движения электрода на участках неравномерного движения, V_ср V. Введение участков ускоренного движения электрода, компенсирующего его замедление, выравнивает воздействие электрода на обрабатываемую поверхность, повышает равномерность обработки. Закон поворота изделия практически исключает зоны многократного перекрытия дорожек, способствуя также повышению равномерности обработки. Угловая скорость вращения изделия выбирается из условия ω_m в интервале времени вращения вала с начала обработки n<t< n·τ и ω_m 0 в интервале времени вращения вала с начала обработки n·τ<t < (n+1), где n порядковый номер импульса вращения вала, соответствующий ряду целых чисел от 0; b амплитуда осциллирования электрода;
τ- время вращения вала на каждом шаге траектории и определяется из условия τ
h₁ шаг наплавки при обработке затылочной части кулачка;
R₁ радиус затылочной части кулачка;
ω_m угловая скорость вращения вала при обработке затылочной части кулачка;
R_m радиус кулачка в зоне обработки;
γ_m угол между тангенциальной плоскостью к поверхности кулачка и плоскостью, проходящей через ось вращения и через участок, обрабатываемый в данный момент времени;
h_m шаг наплавки в зоне обработки, h_m h₁ при переплаве или наплавке поверхности с малым износом d_m (S площадь поперечного сечения наплавляемого валика);
t_b время вращения вала с начала обработки. При обработке центральной зоны хода электрода изделие (кулачок) неподвижен. Величиной угловой скорости поворота регулируется шаг траектории обработки. При этом траектория обработки поверхности приближается к прямоугольной, а центральные участки, параллельные друг другу, будут либо сближаться, либо удаляться в зависимости от величины шага, задаваемого скоростью ω_m изделия. На фиг. 1 приведена схема обработки поверхности кулачка распределительного вала двигателя внутреннего сгорания; на фиг.2 графики перемещения, скорости и ускорения продольного движения горелки на участке неравномерного движения горелки в зоне вершины траектории; на фиг.3 график изменения угловой скорости обрабатываемой детали; на фиг.4 функциональная схема устройства для оплавления кулачкового вала или наплавки изношенных кулачков в зависимости от среднестатистического распределения величины износа; на фиг.5 функциональная схема устройства для наплавки изношенных кулачков по фактической величине износа; на фиг.6 показан профиль кулачка, обеспечивающего требуемый закон движения сварочной головки с электродом. Предлагаемый способ осуществляется следующим образом. Обрабатываемый кулачок 1 вращается вокруг оси вала 2 с угловой скоростью ω_m. Сварочная головка с электродом 3 совершает вертикальное перемещение для поддержания равного расстояния между электродом и обрабатываемой поверхностью и возвратно-поступательное в продольном направлении. В результате относительного движения сварочной головки и поверхности кулачка 1 получается траектория 4. В процессе обработки центральной части кулачка 1 электрод 3 перемещается с равномерной скоростью, обеспечивающей заданную глубину проплавления или толщину наплавки. При этом обрабатываемый кулачок 1 находится в состоянии покоя, а головка с электродом движется в продольном направлении с равномерной скоростью, поэтому центральные участки траектории 4 параллельны в направлении оси вращения вала 2. Движение электрода в зоне вершины траектории 4 поясняется графиком, приведенным на фиг.2. Головка с электродом 3 движется с ускорением, дважды меняя его знак, так при движении головки в одном направлении к вершине траектории движение вначале ускоряется, а затем замедляется до полной остановки, так что длина 1 участка неравномерного движения головки не превышает размером длину сварочной ванны, получаемой при обработке поверхности с равномерной скоростью, равной V. Время прохождения этого участка равно продолжительности обработки такого же участка со скоростью V_ср и равно . После прохождения головкой вершины траектории 4 (скорость головки, а следовательно, и электрода в вершине траектории равна нулю) головка начинает двигаться в обратную сторону, не изменяя знака ускорения на отрезке ОС и поменяв знак ускорения (скорость головки уменьшается) на отрезке CD до скорости V. Углы наклона отрезков ОС и CD равны между собой и обозначены α. Величина ускорения численно равна tg α, который определяется из условия подобия ΔOAB≈ΔBCE и равенства площадей S ΔOAB SΔ BCD, откуда имеем:
a (1+) в интервале времени неравномерного движения головки в одном направлении
0 <t< и a= (1+) в интервале времени неравномерного движения головки в одном направлении <t<
Дважды проинтегрировав полученное выражение и определив постоянные коэффициенты, из граничных условий получим необходимые для практической реализации способа уравнения перемещения головки на участке неравномерного движения L (1+)t²_э в интервале времени неравномерного движения горелки в одном направлении
0 <t< и
L (1+)t²_э+V(1+)t_э- (1+) в интервале времени неравномерного движения горелки в другом направлении
< t_э< Рассмотренное выше неравномерное возвратно-поступательное движение в продольном направлении может осуществляться либо горелкой (как описано в примере), либо валом. Это определяется выбранной конструктивной схемой применяемого устройства. Во время перемены направления движения горелки в продольном направлении вращение вала осуществляется прерывисто, причем скорость вращения на каждом шаге изменяется в зависимости от геометрии обрабатываемой поверхности с учетом износа согласно формулам:
ω_m в интервале времени вращения вала с начала обработки n<t< n·τ и ω_m 0 в интервале времени вращения вала с начала обработки
n+τ<t< (n+1) Приведенные формулы учитывают удаление обрабатываемого участка от оси вращения, угол наклона обрабатываемого участка по отношению к электроду сварочной головки, величину износа поверхности. Закон изменения угловой скорости вращения вала во времени поясняется графиком, приведенным на фиг.3. Таким образом, в результате относительного движения головки и обрабатываемой поверхности получается таектория 4, по форме приближающаяся к прямоугольной, причем расстояние между параллельными участками хода горелки, шаг наплавки определяются геометрией обрабатываемой поверхности с учетом износа. Для реализации способа при наплавке изношенных кулачков распределительного вала автомобиля "Жигули", деталь 2101-1006010, использовалось устройство, функциональная схема которого приведена на фиг.4. Устройство состоит из источника питания 5, электродвигателя 6, кинематически связанного с кулачковым механизмом 7 осциллирования головки с электродом 3, переключателя 8, кинематически связанного с кулачковым механизмом 7 и обеспечивающего периодическое включение управляющего устройства 9 во время прохождения головкой крайних участков хода. Выход управляющего устройства 9 связан с двигателем 10 постоянного тока, вращающего вал 2 и управляющую шайбу (на фиг. не показана) задающего устройства 11. Выход задающего устройства 11 воздействует на управляющее устройство 9, обеспечивая формирование на выходе управляющего устройства 9 импульсов напряжения, задаваемых профилем управляющей шайбы. Профиль кулачка для продольного колебания головки (см. фиг. 6) механизма 7 осциллирования головки на участках неравномерного движения рассчитывали по формуле:
L (1+)t²_э при
0 <t< и L (1+)t²_э+V(1+)t_э- (1+) при < t_э<
В рассматриваемом примере реализации способа V_ср 15 мм/с и является оптимальной для чугуна марки В4 64-48-1 при режиме наплавки: сварочный ток 85 А, напряжение на дуге 17,5 В, диаметр сварочной проволоки 0,8 мм марки Св 08 Г1С. Длина неравномерного участка l 5 мм, так как длина сварочной ванны при указанном режиме обработки составляет 7 мм, но, учитывая малую инерционность применяемого устройства, участок неравномерного движения горелки в одном направлении приняли равным 5 мм. Приращения профиля кулачка на участках равномерного движения соответствуют значению V_ср. Расчетные значения высоты подъема кулачка для осциллирования сварочной головки приведены в табл.1. Задающее устройство 11 обеспечивает вращение вала по закону ω_m= при n<t< n+τ и ω_m=0 при n+τ<t< (n+1), где n порядковый номер импульса вращения вала, соответствующий ряду целых чисел от 0;
b амплитуда осциллирования горелки, b 24 мм;
V_ср скорость обработки поверхности на центральном участке хода горелки, V_ср15 мм/с;
R_m расстояние между осью вращения и расплавленной в данный момент зоной поверхности (определяется для каждого момента по чертежу на деталь);
γ_m угол между тангенциальной плоскостью к поверхности кулачка и плоскостью, проходящей через ось вращения и через участок, обрабатываемый в данный момент (определяется для каждого момента по чертежу на деталь);
τ- время вращения вала на каждом шаге, τ= 0,2 с, определялось из условия τ , где
h₁ 2 мм расстояние между дорожками при обработке затылочной части кулачка;
R₁ 15 мм радиус затылочной части кулачка;
ω₁ 1,5 с угловая скорость вращения вала при обработке затылочной части кулачка;
h_m= расстояние между обрабатываемой и соседней, ранее наплавленной дорожкой при условии, что S 2,2 мм² площадь поперечного сечения наплавляемого валика;
d_m износ поверхности наплавляемой зоны и определяется в данном случае на основании среднестатистического распределения износа по профилю кулачка. В случае, если d_m= , h_m h₁ 2 мм. Значения R_m и γ_m для различных углов определены графически по чертежу на деталь и приведены в табл.2. Величины среднестатистического износа взяты на основе статистических исследований. Скорости вращения вала (см.табл.2, столбцы 6,7) находятся в интервале времени

Для получения толщины наплавки по величине фактического износа применяется устройство, функциональная схема которого приведена на фиг.5. Такое устройство отличается от ранее описанного тем, что дополнительно содержит шунт 12, находящийся в цепи генератора 13, который служит источником питания сварочной дуги. С шунта 12 снимается напряжение, пропорциональное сварочному току I_ов. Изменения сварочного тока вызываются падением напряжения на участке вылета l_в 14 электрода 3, увеличивающегося с увеличением износа поверхности кулачка. Элемент 15 сравнения производит сравнение напряжения, снимаемого с шунта 12, с напряжением задания U_з. Напряжение задания U_з равно напряжению, снимаемому с шунта 12, при падении напряжения на вылете электрода, соответствующем износу, равному . Если напряжение U, снимаемое с шунта 12, меньше напряжения задания U_з, то на выходе элемента 15 сравнения получим сигнал ΔU, увеличивающийся по мере увеличения износа. В случае U > U_в ΔU 0. Таким образом, сигнал U через усилитель 16 подается на управляющее устройство 9 для изменения шага наплавки в случае, если величина износа больше . Использование изобретения позволяет достичь большей равномерности обработки поверхности, так как отсутствует многократное перекрытие дорожек обработки, и закон движения головки в продольном направлении обеспечивает равномерное воздействие дуги на всех участках обрабатываемой поверхности.

Формула изобретения

1. СПОСОБ ДУГОВОЙ ОБРАБОТКИ, преимущественно наплавки, поворотных в процессе обработки деталей с криволинейной цилиндрической поверхностью типа кулачков, при котором осуществляют относительное равномерное перемещение электрода и детали вдоль оси поворота со скоростью V и поддерживают заданное расстояние между электродом и деталью, отличающийся тем, что, с целью обеспечения равномерности обработки с одновременным снижением энергозатрат и металлоемкости процесса, на концевых участках детали на расстоянии l от ее торцов, не превышающем длины сварочной ванны на участке равномерного перемещения, осуществляют равнопеременное относительное перемещение детали и электрода со средней скоростью V_ср, равной V, в процессе которого, считая от крайнего положения электрода над торцом детали, в интервале времени переменного движения задают ускорение а в интервале времени задают ускорение при этом в момент реверса продольного относительного перемещения деталь поворачивают в течение времени с угловой скоростью

где h₁ шаг наплавки при обработке затылочной части кулачка;
ω₁ угловая скорость поворота детали при обработке затылочной части кулачка;
R₁ радиус затылочной части кулачка;
h_m шаг наплавки в зоне обработки;
γ_m угол между тангенциальной плоскостью к поверхности кулачка в зоне обработки и плоскостью, проходящей через ось вращения и участок обработки в данный момент;
R_m радиус кулачка в зоне обработки,
а затем прекращают вращение детали до следующего реверса продольного относительного перемещения. 2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что при наплавке неизношенных поверхностей кулачка шаг наплавки h_m в любой точке обработки равен h₁. 3. Способ по п.1, отличающийся тем, что, с целью восстановления наплавкой изношенной детали за один проход в случае, если глубина износа в зоне обработки d_m превышает S/h, где S площадь поперечного сечения наплавляемого валика при выбранном режиме наплавки, шаг наплавки в процессе обработки изменяют по закону

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7