Способ катодно-вакуумной обработки поверхности металлических деталей

 

В способе катодно-вакуумной обработки деталей устойчивым дуговым разрядом в процессе обработки поверхности осуществляют изменение потенциала вдоль обрабатываемой поверхности и инициируют катодные струи с нее, температуру поверхности обрабатываемого материала в области катодных пятен поддерживают ниже уровня температуры плавления материала путем нанесения на поверхность катодных пятен адсорбента и удержания его до окончания обработки. Способ позволяет повысить качество очистки и производительность катодно-вакуумной обработки поверхности металлических деталей. 5 з.п. ф-лы, 4 ил.

Изобретение относится к способам, предназначенным для электродуговой обработки поверхностей металлических деталей, более конкретно - к способам, предназначенным для катодной обработки деталей в вакууме.

Известен способ электроэрозионной очистки, при котором очистку металлических поверхностей осуществляют взрывоподобным разрядом сварочного конденсатора. Разряд конденсатора происходит между очищаемой поверхностью и разрядным электродом. Способ применяется для ручной очистки и не предназначен для очистки длинномерных металлических деталей в виду своей нерентабельности /Пат. ФРГ N 2017655, 1972 г./.

Известно решение по патенту США N 3887392, 1975 г., по которому для очистки используют тепловое действие электромагнитного излучения.

Способ основан на различии в нагреве очищаемых металлических поверхностей и диэлектрических загрязнений. Если в металл проникает крайне малая доля энергии падающей волны (доли процента), то в диэлектрике поглощается до 80-90% энергии падающей волны.

Для того, чтобы обеспечить равномерный нагрев диэлектрика по этому способу, необходимо обеспечить длину волны в материале диэлектрика в 2-3 раза больше, чем размеры тела, что является технически трудновыполнимым. Равномерность нагрева необходима для равномерной качественной очистки изделия.

Известно решение по а.с. N 719710 "Способ катодной обработки деталей устойчивым дуговым разрядом", горящим в режиме падающего участка вольтамперной характеристики (ВАХ) между анодами и обрабатываемой деталью, по которому для повышения скорости и качества очистки в процессе обработки поверхности осуществляют изменение потенциала вдоль обрабатываемой поверхности, при этом обеспечивается направленное перемещение катодного пятна дуги и инициирование с его поверхности струй плазмы.

Способ наиболее близок к заявляемому и выбран в качестве ближайшего аналога.

Недостатком этого способа является недостаточное качество очистки поверхности изделия и низкая производительность, обусловленные возможностью существования двух типов устойчивого дугового разряда в вакууме в зависимости от характера физических процессов, протекающих в области катодных и анодных пятен.

Первый тип: разряд с термоэмиссионным катодом и контрагированным анодным пятном.

Второй тип: разряд с пленочным (холодным) катодом и диффузным анодным пятном.

При работе разряда в первом режиме контрагированное анодное пятно обусловливает разогрев соответствующей части поверхности катода и переводит работу катода в термоэмиссионный режим. При этом происходит полное удаление эмиттирующего слоя адсорбента, и нагрев кристаллической поверхности обрабатываемого металла до температуры плавления. При таком режиме обрабатываемая поверхность повреждается, что ухудшает качество очистки в целом. Снижается производительность процесса, т. к. существенная доля энергии электрической дуги расходуется не на очистку, а на оплавление поверхности и нагрев обрабатываемой детали.

При работе разряда во втором режиме происходит качественная очистка благодаря существованию динамического равновесия между процессами испарения окислов и загрязнений с последующим удалением их с поверхности катодных пятен в виде плазменных струй и процессом нанесения защитного слоя адсорбента из молекул этих окислов на поверхность катодных пятен при движении пятен.

Поскольку возможен самопроизвольный переход разряда из одного устойчивого режима в другой, это делает процесс очистки в целом неустойчивым, обработанная поверхность получается неоднородной по качеству, содержит эрозионные кратеры.

Целью заявляемого изобретения является повышение качества очистки и производительности катодно-вакуумной обработки поверхности металлических деталей.

Поставленная цель достигается тем, что в способе катодновакуумной обработки деталей устойчивым дуговым разрядом, горящим в режиме падающего участка вольтамперной характеристики /ВАХ/ между системой анода и деталью, по которому в процессе обработки поверхности осуществляют изменение потенциала вдоль обрабатываемой поверхности и инициируют катодные струи плазмы с обрабатываемой поверхности, в соответствии с заявляемым изобретением в процессе обработки температуру поверхности обрабатываемого материала в области катодных пятен поддерживают ниже уровня температуры плавления материала, для чего на поверхность катодных пятен наносят адсорбент, и удерживают его на этой поверхности до окончания обработки, причем, в процессе обработки выравнивают плотность тока на рабочей поверхности анода путем отклонения катодных струй плазмы вдоль рабочей поверхности анода, например, магнитным полем, отражающими поверхностями, пропускают струи между поверхностями анодов, разряд перемещают вокруг детали, а обрабатываемую поверхность периодически выводят из зоны воздействия разряда.

Сущность изобретения заключается в следующем.

В вакуумном электродуговом разряде, горящем в режиме пленочного (холодного) катода, основная энергия разряда выделяется в области катодных пятен, перемещающихся хаотически по обрабатываемой поверхности. При высокой плотности энергии, выделяющийся в катодных пятнах, происходит взрывообразное испарение слоя загрязнений и окалины в области катодного пятна с частичным отслаиванием окалины в областях, близлежащих к местонахождению пятен, и инициированием катодных струй плазмы с обрабатываемой поверхности. Катодные пятна перемещаясь, преимущественно задерживаются на окалине и загрязнениях и производят их испарение. Катодное пятно при этом покрыто пленкой адсорбента, снижающего работу выхода электронов с поверхности катода и обусловливающего изменение потенциала вдоль обрабатываемой поверхности. Этот тип разряда соответствует высокому качеству очистки. Роль адсорбента при обработке выполняют атомы и молекулы поверхностных окислов и загрязнений, попадающие на поверхность катодного пятна при испарении слоя окислов или загрязнений, вблизи этого пятна, а также атомы самого металла, выбитые из кристаллической решетки металла и адсорбированные как примеси его кристаллической поверхностью. Снижение работы выхода электронов происходит благодаря тому, что все адсорбированные атомы и молекулы находятся в возбужденном состоянии. Работа выхода электронов из таких частиц соответственно уменьшена на величину энергии возбуждения частицы. При работе разряда во втором режиме температура металла в области катодного пятна меньше температуры плавления металла. При обработке происходит удаление адсорбента, загрязнений, окислов, но поверхность очищаемого металла не повреждается.

Равномерность распределения пятен по обрабатываемой поверхности и переход разряда из режима с холодным пятном в режим с горячим пятном зависит от равномерности плотности тока на поверхности анода.

Для удержания вакуумного разряда в режиме пленочного (холодного) катода производят выравнивание плотности тока на рабочей поверхности анода. Для чего отклоняют катодную струю плазмы вдоль рабочей поверхности анода, например, магнитным полем или системой отражающих катодные струи поверхностей. При этом катодная струя увлекает анодное пятно со скоростью своего теплового расширения в вакууме, растягивая его вдоль рабочей поверхности анода и выравнивая тем самым плотность рабочего тока на аноде.

Ионный поток от анодного пятна к катоду инициируют новое катодное пятно смещенное относительно исходного вдоль поверхности анода.

Разряд как целое перемещается при этом вокруг детали.

При горении разряда катодные струи, истекающие из катодных пятен на поверхности листа, пропускают в зазоры между анодами, попарно расположенными с обеих сторон листа.

Дополнительное выравнивание плотности тока происходит благодаря распределению тока (его дивергенции) между поверхностями анодов.

Кроме того для устранения перегрева обрабатываемого металла в области катодных пятен обрабатываемую поверхность периодически выводят из зоны воздействия разряда, например, путем возвратно-поступательного перемещения обрабатываемой детали или периодического выключения разряда.

Действие заявляемого способа поясняется фиг. 1-4. На фиг. 1 представлена схема нанесения адсорбента на катодное пятно: 1 - обрабатываемая деталь, 2 - слой окисла, 3 - катодная струя, 4 - катодное пятно, 5 - линии электронного тока.

На фиг. 2 представлена схема отклонения катодной струи магнитным полем. На фиг. 2 показан 6 - защитный экран, устанавливаемый между обрабатываемой деталью 1 и анодом 7, 8 - анодное пятно, 9 - направление магнитного потока, 10 - ионный поток, инициирующий новое катодное пятно, смещенное относительно исходного вдоль анода.

На фиг. 3 показана схема движения струи плазмы между анодами.

На фиг. 4 показана схема отклонения катодной струи отражающими поверхностями, 11 - отражающая поверхность.

Пример конкретного применения.

Стальной лист подают в зону обработки так, что магнитная система или, в другом примере, система отражающих поверхностей, а также система анодов, расположенных с обеих сторон листа попарно, охватывают лист. В зоне обработки создают давление P = (1-10) Па.

Поджигают электрические разряды между анодами и листом и поддерживают величину рабочего тока на уровне 1 = 100-200 А на каждый анод. При этом возникают катодные струи плазмы и создается изменение потенциала вдоль обрабатываемой поверхности, обеспечивающее перемещение катодных пятен по обрабатываемой поверхности. Напряжение на дуге устанавливается на уровне U_н ≈ 17-20 B для неочищенной поверхности и U_o ≈ 20-25 B для очищенной поверхности.

При горении разряда катодные струи, истекающие из катодных пятен на поверхности листа, пропускают в зазоры между поверхностями анодов.

Включают ток в магнитной системе и поддерживают напряженность магнитного поля на уровне H = (0,5-5,0)·10⁴ А/м.

Магнитное поле или, в другом примере, система наклонных отражающих поверхностей отклоняет катодные струи вдоль рабочей поверхности анодов. Продольная составляющая плазменных струй, направленная таким образом вдоль рабочей поверхности анодов, увлекает анодное пятно со скоростью теплового расширения плазмы в вакуум, растягивая его вдоль рабочей поверхности анода и выравнивая тем самым плотность рабочего тока на аноде. Ионный поток от анодного пятна к катоду инициирует новое катодное пятно, смещенное относительно исходного вдоль анода.

При этом происходит движение облака разряда как целого вокруг листа.

Дополнительное выравнивание плотности тока происходит благодаря его распределению (дивергенции) между парами анодов.

Разряд переходит в режим с холодным катодом и диффузным анодным пятном и стабильно существует в этом режиме.

Температура обрабатываемой поверхности листа остается ниже температуры плавления металла (T<T = 1350^oC), т.к. при испарении окалины и загрязнении возле катодных пятен происходит самопроизвольное нанесение слоя адсорбента, например, окислов железа Fe₂O₃, Fe₃O₄, непосредственно на поверхность катодных пятен, снижающее работу выхода электронов с поверхности и удерживание адсорбента до перемещения пятна в новое положение.

Во время обработки производят также возвратно-поступательное перемещение листа с обеспечением возможности многократного воздействия разряда на обрабатываемую поверхность так, чтобы обрабатываемая поверхность периодически выводилась из зоны воздействия разряда для охлаждения, а при последних проходах осуществляют повторное удаление адсорбента, нанесенного отраженными струями плазмы на уже очищенную поверхность, до обнажения кристаллической структуры металла.

В сравнении с прототипом заявляемый способ обработки обеспечивает повышенное качество и производительность очистки благодаря отсутствию эрозионных кратеров на обрабатываемой поверхности и снижению расхода энергии на нагрев листа.

Экономическая эффективность В сравнении с наиболее распространенным в настоящее время дробеметным способом очистки металлопроката предлагаемый способ обеспечивает следующие преимущества: - экологическая чистота процесса; - более высокое качество очищенной поверхности; - в 3-5 раз меньшую стоимость основного оборудования.

Формула изобретения

\ \ \ 1 1. Способ катодно-вакуумной обработки поверхности металлических деталей устойчивым дуговым разрядом в режиме падающего участка вольтамперной характеристики, включающий изменение потенциала вдоль обрабатываемой поверхности и инициирование катодных струй плазмы с обрабатываемой поверхности, отличающийся тем, что в процессе обработки температуру поверхности обрабатываемого материала поддерживают ниже температуры его плавления путем нанесения адсорбента на поверхность катодных пятен и удержания его на поверхности до окончания обработки, при этом выравнивают плотность тока на рабочей поверхности анода. \\\2 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что плотность тока на рабочей поверхности анода выравнивают путем пропускания катодных струй плазмы между поверхностями анодов. \\\2 3. Способ по п.1, отличающийся тем, что плотность тока на рабочей поверхности анода выравнивают путем отклонения катодных струй плазмы вдоль его поверхности. \\\2 4. Способ по п.3, отличающийся тем, что отклонение катодных струй плазмы осуществляют магнитным полем или отражающими поверхностями. \\\2 5. Способ по п.1, отличающийся тем, что в процессе обработки разряд перемещают вокруг детали. \\\2 6. Способ по п.1, отличающийся тем, что обрабатываемую поверхность периодически выводят из зоны воздействия разряда.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4