Способ электродуговой обработки поверхности металлических изделий

Изобретение относится к электродуговой обработке поверхности металлических изделий в вакууме и может быть использовано в черной и цветной металлургии, а также в машиностроительных отраслях производства. Способ включает размещение изделия в вакуумной камере, подачу на него отрицательного потенциала, установку электрода над поверхностью изделия, на который подают положительный потенциал, возбуждение между ними электрической дуги и перемещение изделия относительно электрода или электрода относительно изделия. В вакуумной камере создают давление в диапазоне 10-10-3 мм ртутного столба, устанавливают межэлектродное расстояние между электродом и ближайшей точкой поверхности изделия в пределах 2,0-70,0 мм, которое соответствует длине свободного пробега частиц плазмы дуги при упомянутом диапазоне давления в вакуумной камере, и поддерживают электрическую дугу и указанное межэлектродное расстояние в процессе всей обработки поверхности изделия. Изобретение позволяет снизить энергозатраты на обработку поверхности металлических изделий электродуговым способом, повысить качество обработки и производительность.

 

Предлагаемый способ относится к области металлургии, а именно к электродуговой обработке поверхности металлических изделий в вакууме, и может быть использован на предприятиях черной и цветной металлургии, а также в машиностроительных отраслях производства.

Известны способы и устройства электродуговой обработки поверхности металлических изделий (авт. св. № 122.603, № 224.716, № 367.980, № 1.113.106, № 1.189.618; патенты РФ № 2.012.694, № 2.021.391, № 2.064.524, № 2.068.029, № 2.074.903, № 2.135.316, № 2.144.096, № 2.165.474, № 2.170.283, № 2.195.517; патенты США № 4.950.377, № 4.971.667, № 5.246.741; патенты Великобритании № 2.055.939, № 2.164.359; патент Франции № 2.403.860; патент ЕР № 0.175.538; патенты WO № 92/6.965, № 93/13.238, № 97/00.106, № 99/28.520; «Физика плазмы», 11978, 4(4), с.425-428; Ивановский Р.Ф. и др. «Ионно-плазменная обработка материалов», М., «Радио и связь», 1986, с.156-158 и др.).

Общим недостатком вышеперечисленных способов и устройств для электродуговой обработки металлических изделий является то, что обработка сопряжена с большими энергопотерями, низкой производительностью и низким качеством обработки. Все это связано с тем, что очистка металлических изделий осуществляется катодными пятнами электродугового разряда, которые движутся по очищаемой поверхности хаотически, если межэлектродное расстояние в несколько раз превышает длину свободного пробега частиц плазмы дуги.

С целью упорядочения движения катодных пятен по поверхности обрабатываемого изделия, например, во время электродуговой очистки (плазменная электродуговая очистка металлических изделий, ж. «Металлургия», 2005, №4, с.44), движением катодных пятен управляют с помощью магнитных полей (патент РФ №2.195.517).

Однако наложение внешнего магнитного поля на электродуговой разряд существенно увеличивает энергопотери, так как приводит к увеличению падения напряжения в дуговом разряде (Раховский В.И. Физические основы коммутации электрического тока в вакууме, М., «Наука», 1970, с.250). Поэтому энергетически более выгодным способом управления перемещением катодных пятен является способ, в котором не применяется внешнее магнитное поле.

Из известных способов и устройств наиболее близким к предлагаемому является «Способ обработки поверхности изделия дуговым разрядом в вакууме и устройство для его осуществления» (патент РФ №2.145.643, С23С 14/02, 1998), которые и выбраны в качестве базовых объектов.

Согласно известному способу электрод (анод) располагается около поверхности обрабатываемого изделия (катода) в вакуумной камере при давлении 10-10-3 мм ртутного столба. Между электродом и обрабатываемым изделием поджигают электрический разряд. Обработку (поверхностную закалку или очистку от оксидов и других загрязнений) осуществляют катодными пятнами при движении их по поверхности изделия.

С целью сокращения энергозатрат и достижения высокого качества обработки изделия движение катодных пятен необходимо организовать таким образом, чтобы исключалось повторное и тем более многократное движение катодных пятен по уже обработанной поверхности изделия.

Этого можно добиться, если движение катодных пятен по поверхности обрабатываемого изделия организовать за счет перемещения анода относительно изделия или изделия относительно анода, как это реализовано в известном способе, выбранном в качестве базового объекта.

Однако даже в этом случае реализация известного способа сопряжена с большими энергопотерями, низкой производительностью и низким качеством обработки.

Технической задачей изобретения является снижение энергозатрат на обработку поверхности металлических изделий электродуговым способом, повышение качества обработки и производительности.

Поставленная задача решается тем, что способ электродуговой обработки поверхности металлических изделий, основанный в соответствии с ближайшим аналогом на том, что размещают в вакуумной камере обрабатываемое изделие, подают на него отрицательный потенциал, устанавливают над поверхностью обрабатываемого изделия электрод, подают на него положительный потенциал, возбуждают между ними электрическую дугу и перемещают изделие относительно электрода или электрод относительно изделия, отличается от ближайшего аналога тем, что создают в вакуумной камере давление в диапазоне 10-10-3 мм ртутного столба, устанавливают межэлектродное расстояние между электродом и ближайшей точкой поверхности обрабатываемого изделия в пределах 2,0-70,0 мм, что соответствует длине свободного пробега частиц плазмы дуги при используемом диапазоне давления в вакуумной камере, и поддерживают электрическую дугу и указанный зазор в процессе всей обработки поверхности изделия.

Предлагаемый способ реализуют следующим образом.

По предлагаемому способу для достижения минимальных энергозатрат, максимального качества обработки поверхности изделия и высокой производительности необходимо для каждого уровня давления в вакуумной камере минимизировать величину межэлектродного зазора или расстояния от электрода (анода) до ближайшей точки поверхности обрабатываемого изделия.

Известно (Куликов В.П. «Технология сварки плавления», Минск, изд. «Дизайн ПРО», 2000, с.22), что электрический разряд имеет три характерных области: катодную, столб разряда и анодную. В каждой из этих областей выделяется энергия, равная произведению тока разряда на величину падения напряжения в этих областях разряда.

В обработке поверхности изделий используется только катодная область разряда, которая может существовать самостоятельно без других областей разряда в так называемых коротких дугах (Раховский В.И. «Физические основы коммутации электрического тока в вакууме». М., Наука, 1970, с.254). При этом реализуется минимально возможное в дуге при данных условиях падение напряжения, равное катодному падению напряжения, а следовательно, минимальные энергозатраты в дуге.

Таким образом, при прочих равных условиях минимум энергозатрат на поддержание дугового разряда реализуется при обработке поверхности металлических изделий катодными пятнами коротких дуг. Если учесть, что по данным многочисленных исследований протяженность катодной области составляет порядка длины свободного пробега электрона, которая в диапазоне давлений 10-10-3 мм ртутного столба составляет 7×10-3 - 70 мм, то с целью достижения минимальных энергозатрат длина дуг при обработке поверхности металлических изделий в указанном диапазоне давлений не должна превышать указанных размеров (Успехи физических наук, т. 125, вып.4, 1978, с.694).

Следует заметить, что реализовать на практике межэлектродные зазоры величиной 7×10-3 мм в дуговом разряде очень трудно, поэтому за минимальное межэлектродное расстояние следует принять 2,0 мм (Раховский В.И. «Физические основы коммутации электрического тока в вакууме», М., Наука, 1970, с.200-202), которое можно просто реализовать в производстве. Задавать его меньше 2,0 мм не имеет смысла, так как это дает незначительный энергетический выигрыш, но существенно усложняет при этом задачу технического обеспечения такого зазора.

Следовательно, минимальные энергозатраты на поддержание электрической дуги в диапазоне давлений 10-10-3 мм ртутного столба можно реализовать при межэлектродном расстоянии, примерно равном длине свободного пробега частиц плазмы дуги, то есть в диапазоне 2,0-70,0 мм.

В экспериментах по электродуговой очистке изделий («Металлические страницы», 2005, №10, с.2) было замечено, что при уменьшении межэлектродного расстояния движения катодных пятен по поверхности обрабатываемого изделия становятся более упорядоченными. Это замечено и в электросварке (Неровный В.М., Ямпольский В.М. «Сварочные дуговые процессы в вакууме», М., Машиностроение, 2002), что с уменьшением длины дуги легче управлять катодными пятнами путем перемещения электродов или изделия.

Поэтому уменьшение межэлектродного расстояния в диапазоне давлений 10-10-3 мм ртутного столба до 2,0-70,0 мм позволяет более эффективно управлять перемещением катодных пятен по поверхности обрабатываемого изделия, не применяя для этих целей внешнее магнитное поле, которое увеличивает энергозатраты в дуговом разряде.

Экономическая эффективность улучшения качества обработки (очистки) поверхности стальных изделий с помощью предлагаемого способа подтверждена экспериментально на установках АОЗТ «Кластер» (г.Санкт-Петербург).

Электродуговой очистке подвергались горячекатаные металлические полосы толщиной 3,0 мм, шириной 250 мм и длиной 2000 мм. Давление в вакуумной камере во время экспериментов было 10-2 мм ртутного столба. Ток в дуговом разряде между графитовым электродом и металлической полосой (поверхности были параллельны) составил порядка 600 ампер. При длине дуги 100,0 мм и токе 600 ампер падение напряжения составило порядка 25,4 вольта, что соответствует выделяемой мощности в дуге 15 250 ватт. При уменьшении межэлектродного расстояния (длины дуги) до величины 7,0 мм, что при данном давлении в вакуумной камере примерно соответствовало длине свободного пробега частиц в вакууме при давлении 10-2 мм ртутного столба, падение напряжения в дуге при токе 600 ампер упало до 17,2 вольта, что соответствовало выделяемой в дуге мощности 10 320 ватт. Сравнение результатов обработки (очистки) поверхности стальной полосы от оксидов показало, что при равном времени обработки (3 секунды) качество очистки при короткой дуге (7 мм) оказалось выше, чем при длинной дуге (100 мм), а энергозатраты на очистку при короткой дуге (7 мм) уменьшились на 4 920 ватт, то есть на 32,3%. Качество очистки поверхности стальной полосы улучшилось за счет того, что при сокращении длины дуги катодные пятна перемещались по очищаемой поверхности более упорядоченно, то есть следовали за движением электрода. При данной дуге катодные пятна двигались по очищаемой поверхности хаотически, что приводило к большим потерям энергии. С уменьшением длины дуги увеличилась и производительность на 15-20%.

Таким образом, предлагаемый способ электродуговой обработки поверхности металлических изделий по сравнению с прототипом и другими техническими решениями аналогичного назначения обеспечивает снижение энергозатрат на обработку поверхности металлических изделий, повышение качества обработки и производительности.

Высокая эффективность предлагаемого способа полностью подтверждена экспериментами.

Способ электродуговой обработки поверхности металлического изделия, включающий размещение в вакуумной камере обрабатываемого изделия, подачу на него отрицательного потенциала, установку над поверхностью обрабатываемого изделия электрода, на который подают положительный потенциал, возбуждение между ними электрической дуги и перемещение изделия относительно электрода или электрода относительно изделия, отличающийся тем, что в вакуумной камере создают давление в диапазоне 10-10-3 мм рт.ст., устанавливают межэлектродное расстояние между электродом и ближайшей точкой поверхности обрабатываемого изделия в пределах 2,0-70,0 мм, которое соответствует длине свободного пробега частиц плазмы дуги при упомянутом диапазоне давления в вакуумной камере, и поддерживают электрическую дугу и указанное межэлектродное расстояние в процессе всей обработки поверхности изделия.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к способу и устройству обработки поверхности металлической полосы и может найти применение в металлургическом производстве. .
Изобретение относится к области очистки металлических изделий, таких как катанка, проволока, полоса, поковки, отливки и других, в частности к способу электродуговой обработки поверхностей металлических изделий, и может найти применение в различных отраслях машиностроения.

Изобретение относится к аналитической химии, а именно к экстракционным методам извлечения и концентрирования ионов металлов из водных растворов, и может быть использовано для их выделения в гибридных и комбинированных методах анализа.

Изобретение относится к области разработки оптимальных методов сглаживания (полировки) металлических поверхностей и решает задачу повышения скорости обработки и снижения величины рабочего электрического напряжения.

Изобретение относится к области металлургии, а именно к поверхностной обработке изделий металлургической промышленности: очистке их от окалины и загрязнений, термообработке или модификации поверхности изделий и может быть использовано на предприятиях черной и цветной металлургии, а также в машиностроительных отраслях производства.

Изобретение относится к очистке поверхности металлических изделий. .

Изобретение относится к металлообработке, а точнее к электродуговой обработке деталей и заготовок различной формы и размеров для удаления с их поверхности окисной пленки различного вида, окалины и загрязнений.

Изобретение относится к области очистки и обработки деталей в вакууме, в частности для удаления с поверхности окалины, окисных пленок, технологических загрязнений и дефектов отливок, упрочнения или отпуска приповерхностного слоя обрабатываемой детали, удаления заусениц и т.д.
Изобретение относится к области консервации металлических изделий, в частности к способам получения защитных покрытий на поверхности, в труднодоступных порах и дефектах металлических изделий, и может быть использовано в машиностроении и археологии.
Изобретение относится к области очистки металлических изделий, таких как катанка, проволока, полоса, поковки, отливки и других, в частности к способу электродуговой обработки поверхностей металлических изделий, и может найти применение в различных отраслях машиностроения.
Изобретение относится к области технологии нанесения тонкопленочных титановых и нитридтитановых декоративных покрытий на глазурованные керамические и полимерные материалы и изделия в вакууме способом ионно-плазменного напыления и может найти применение в производстве строительных материалов и товаров народного потребления.
Изобретение относится к способам изготовления рабочего элемента горелок со сквозной пористостью и может быть использовано в установках для газовой, нефтяной и нефтеперерабатывающей промышленности, например при изготовлении нагревателей газа на газораспределительных станциях.

Изобретение относится к вакуумно-дуговым устройствам и может быть использовано преимущественно при проведении процесса комплексной поверхностной обработки изделий, включающей химико-термическую обработку поверхности изделия с последующим нанесением на нее функционального покрытия.

Изобретение относится к способу получения бесконечных полых профилированных изделий из полимеров, в частности полимерных труб. .

Изобретение относится к изготовлению трубопроводной арматуры, а именно шпинделей, задвижек и вентилей для перекрывания и регулирования расхода проходящих в трубопроводах сред.

Изобретение относится к машиностроению, в частности к обработке в вакууме поверхности металлических изделий путем воздействия на нее пучком ионов металлов, и может быть использовано в авиационной и газовой промышленности для поддержания оптимального сочетания элементного состава ионов и энергетического уровня воздействия при подготовке поверхности изделий, например компрессорных лопаток, к нанесению на них защитных покрытий, формировании модифицированного поверхностного слоя изделий, повышающего их эксплуатационные характеристики, а также проведении исследовательских работ в области ионно-плазменной технологии.

Изобретение относится к области порошковой металлургии, преимущественно к термической обработке металлов и сплавов, в частности к методам увеличения прочности сцепления ионно-плазменного покрытия к твердосплавным многогранным неперетачиваемым пластинам.

Изобретение относится к области нанесения тонкопленочных покрытий в вакууме. .

Изобретение относится к области машиностроения и может быть использовано, например, для упрочнения инструмента, направляющих скольжения оборудования, где недопустимо нанесение частиц упрочняющего сплава.

Изобретение относится к электродуговой обработке поверхности металлических изделий в вакууме и может быть использовано в черной и цветной металлургии, а также в машиностроительных отраслях производства

Наверх