Способ плазмоимпульсной обработки металлических цилиндрических деталей

 

Изобретение относится к управляемому термоядерному синтезу и технологии обработки деталей путем облучения их поверхности потоком энергии или частиц и может быть использовано в авиационной , судостроительной, стэнкоинструментальной промышленности и других отраслях народного -хозяйства для увеличения срока службы деталей Целью изобетения является расширение функциональных возможностей способа путем использовах ния его для обработки цилиндрических деталей переменного радиуса Способ плазмоимпульсной обработки металлических цилиндрических деталей включает размещение детали в полом изоляционном корпусе, в торцах которого вакуумплотно установлены электроды, имеющие технологические отверстия и аппаратуру контроля и соединенные с источником питания посредством прямого и обратного тоководов Изоляционный корпус выполняется в форме, подобной форме обрабатываемой детали с 11 9 коэффициентом подобия K R/rfc exp 10 r/l , где г - текущий радиус обрабатываемой детали, м; R - радиус изоляционного корпуса в сечении, соот2 ветствующем текущему радиусу детали г. м; I максимальное значение тока разряда в установке, А. Обратный токовод выполняется в виде проводящего кожуха, размещается снаружи изоляционного корпуса и соединен с источником питания например , посредством коаксиальных кабелей. Способ позволяет эффективно обрабатывать цилиндрические детали не только постоянного радиуса, но и переменного радиуса Образовывающийся защитный слой на поверхности обрабатываемой детали представляет собой аморфное или мелкокристаллическое состояние того же химического состава, что и исходная деталь. Защитный слой обладает антикоррозионными свойствами, повышенной износостойкостью , обладает увеличенной микротвердостью. 1 ил.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ РЕСПУБЛИК

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕ

ВЕДОМСТВО СССР (ГОСПАТЕНТ СССР)

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К ПАТЕНТУ

1 фг

3 (21) 4624425/25 (22) 28.11.88 (46) 30.1193 Бюп Йа 43 И (75) Ляшенко В.Н.; Скворцов ЮЗ„Церевитинов С.С. (73) Ляшенко В.Н.

54) СПОСОБ ПЛАЗМОИМПУЛЬСНОЙ ОБРАОТКИ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ ЦИЛИНДРИЧЕСКИХ ДЕТАЛЕЙ (57) Изобретение относится к управляемому термоядерному синтезу и технологии обработки деталей путем облучения их поверхности потоком энергии или частиц и может быть использовано в авиационной, судостроительной, станкоинструментальной промышленности и других отраслях народного хозяйства для увеличения срока службы деталей.

Целью изобетения является расширение функциональных возможностей способа путем использова-, ния его для обработки цилиндрических деталей ) переменного радиуса Способ плазмоимпульсной обработки металлических цилиндрических деталей включает размещение детали в полом изоляционном корпусе, в торцах которого вакуумплотно установлены электроды, имекхцие технологические отверстия и аппаратуру контроля и соединенные с ис((9) $0 (и) 1672919 АЗ (51) 5 Н 05 Н 1 10 точником питания посредством прямого и обратного тоководов. Изоляционный корпус выполняется в форме, подобной форме обрабатываемой детали с коэффициентом подобия K=R/ã ехр10 г/1, где

ia 2 о

r — текущий радиус обрабатываемой детали, м; R— радиус изоляционного корпуса в сечении, соотг ветствующем текущему радиусу детали r. м; I о максимальное значение тока разряда в установке, А

Обратный токовод выполняется в виде проводящего кожуха, размещается снаружи изоляционного корпуса и соединен с источником питания, например, посредством коаксиальных кабелей. Способ позволяет эффективно обрабатывать цилиндрические детали не только постоянного радиуса, но и переменного радиуса. Образовывающийся защитный слой на поверхности обрабатываемой детали представляет собой аморфное или мелкокристаллическое состояние того же химического состава, что и исходная деталь. Защитный слой обладает антикоррозионными свойствами, повышенной износостойкостью. обладает увеличенной микротвердостью.

1 ил.

1672919

R 1013 r

К = — ехр г !г

30

R 1013

К = — >ехр г о

Изобретение относится к управляемому термоядерному синтезу и технологии обработки деталей путем облучения их поверхности потоком энергии или частиц и может быть использовано во всех отраслях народного хозяйства, в частности в авиационной, автомобильной и станкоинструментальной промышленности для увеличения срока службы деталей.

Известна плазмоимпульсная установка и способ обработки металлических деталей.

Установка представляет собой электродинамический ускоритель плазмы, состоящий из двух электродов, разделенных изолятором, и камеры для установки обрабатываемой детали. Укаэанные электроды размещены коаксиально. Напуск рабочего газа осуществляется со стороны внутреннего электрода. Источником питания электродной системы является конденсаторная батарея, Заряженная конденсаторная батарея разряжается на рабочий газ, например водород, азот. Рабочий газ ионизируется, образованная высокотемпературная плазма под действием электродинамических сил ускоряется в электродной системе и вылетает в камеру, где установлена обрабатываемая деталь..Недостатком известного способа является ограниченность функциональных воз можностей, так как вследствие прямолинейности движения плазменного сгустка можно обрабатывать только плоские детали. а. 35

Наиболее близким по технической сущности является способ обработки металлических деталей цилйндрической формы.

Устройство, реализующее способ, и редставляет собой полый изоляционный корпус цилиндрической формы, в торцах которого вакуум-плотно установлены электроды, имеющие технологические отверстия и аппаратуру контроля и соединенные с источником питания посредством прямого и обратного токоврдов.

Недостатком известного способа является ограниченность функциональных возможностей, так как вследствие равномерно сходящейся плазменной оболочки, имеющей форму, подобную форме изоляционноro корпуса, а именно цилиндрическую, и один радиус по всей высоте, можно обрабатывать только цилиндрические детали постаяннаго радиуса.

Целью изобретения является расширение функциональных возможностей способа путем использования его для обработки цилиндрических деталей переменного радиуса.

Поставленная цель достигается тем, что в известной плазмоимпульсной установке для обработки металлических деталей, содержащей полый изоляционный корпус, в торцах которого вакуум-плотно установлены электроды, имеющие технологические отверстия и аппаратуру контроля, и соединенные с источником питания посредством прямого и обратного тоководов, изоляционный корпус выполнен в форме, подобной форме обрабатываемой детали, с коэффициентом подобия где r — текущий радиус обрабатываемой детали, м;

R — радиус изоляционного корпуса в сечении, соответствующем текущему радиусу детали r, м;

1Π— максимальное значение тока разряда в плаэмоимпульсной установке, А.

Обратный токовод выполнен в виде проводящего кожуха. размещенного снаружи изоляционного корпуса и соединенного с источником питания, например, посредством коаксиальных кабелей. Благодаря такому исполнению трковода повышается КПД плазмоимпульсной установки за счет уменьшения потерь энергии в паразитной индуктивности токоведущего контура установки.

Изоляционный корпус выполнен из фарфора. Благодаря выполнению изоляционного корпуса из фарфоре повышен КПД плазмоимпульсной установки за счет уменьшения потерь энергии на ионизацию пристеночных примесей в течение формирования и ускорения плазменного слоя.

На чертеже изображена схема, плазмоимпульсной установки, реализующей данный способ, В торцах полого изоляционного корпуса

1 вакуум-плотно установлены электроны 2, имеющие технологические отверстия 3 и аппаратуру контроля 4. Корпус 1 имеет форму, подобную форме обрабатываемой детали 5, с коэффициентом подобия где r — текущий радиус обрабатываемой детали, м;

R — внутренний радиус изоляционного корпуса в сечении, соответствующем текущему радиусу детали r, м;! 672919

1 — длина внутренней полости корпуса 1. м;

8 этом месте энергия плазменного слоя составляет величину, равную

1, — максимальное значение тока разряда в устройстве, А.

Обратный токовод выполнен в виде проводящего кожуха 6. расположенного на наружной поверхности изоляционного корпуса 1, и, например, коаксиальных кабелей

1Р о =10 718

2 Г (2) Изоляционный корпус выполнен из фарфора. Электроды 2 запитываются от импульсного источника питания, например 10 конденсаторной батареи (на чертеже не указана), посредством указанных тоководов.

Обработка металлических деталей импульсной плазмой производится следующим образом, 15

Через одно из технологических отверстий 3 с помощью зажимных элементов обрабатываемая деталь 5 устанавливается во внутреннюю полость корпуса 1. Указанное отверстие 3 вакуум-плотно закрывается и 20 производится откачка воздуха из полости корпуса 1 через другое технологическое отверстие 3 до достижения как минимум форвакуума, после чего откачка воздуха прекращается, и через одно из следующих 25 технологических отверстий 3 напускается рабочий газ, например водород, азот, гелий или другие газы. Производится зарядка источника питания электродов 2. По окончании зарядки инициируется высоковольтный 30 электрический пробой на электроды 2. Внутри полости корпуса 1 происходят следующие процессы.

Согласно экспериментальным данным, после электрического пробоя межэлектрод- 35 ного промежутка область, занятая плазмой, благодаря скин-эффекту представляет собой тонкий слой, прилегающий к внутренней стенке корпуса 1. Этот плазменный слой, подобный по форме обрабатываемой 40 детали 5, отрывается от внутренней стенки корпуса 1 и быстро стягивается к его продольной оси электродинамическими силами, пропорциональными величине I /r, где

à — значение тока электрического разряда; 45 г — радиус плазменной оболочки. По достижении плазмой поверхности обрабатываемой детали 5 происходит модифицирование кристаллической структуры поверхностного слоя указанной детали 5. 50

В момент обработки детали радиусом r индуктивность плазменного слоя равна

М/уд 5 10 Дж/м, (3) 94- 10 mr1 (Дж). (4) R 1013,. "г Щ

10!3 г и агехр - —.

1о

2 (6) Таким образом, для модификации кристаллической структуры обрабаты ваемой цилиндрической детали переменного ради55 уса необходимО, чтобы изоляционный корпус имел форму, подобную форме обрабатываемой детали, с коэффициентом подобия где/ - 4 л 10 — магнитная постоянная;

-т

R — радиус корпуса в этом же сечении, м; где 1 — максимальное значение тока разряда в устройстве, А.

Для того, чтобы модифицировать кристаллическую решетку металла обрабатываемой детали на глубину до 100 мкм, плотность поглощенной энергии должна быть равна величине 10 Джlм . Экспериментальные данные свидетельствуют, что металлическая поверхность поглощает около 20 энергии налетающего плазменного слоя, Таким образом, для модифицирования кристаллической структуры металла необходимо иметь в плазменном слое, прилежащем к участку детали радиусом г, плотность энергии В/„д, равную а на всю поверхность обрабатываемого участка детали радиусом r и длиной I требуется плазменная энергия, равная

Приравнивая уравнение (2) равенству (4), получим

Принимая во внимание уравнение (5) и экспериментальные данные, находим, что радиус цилИндрического изолятор R для достижения эффекта модификации кристаллической структуры металла обрабатываемой детали радиусом г в этом же сечении должен удовлетворить. соотношению

1672919

R 1013 rr

К = — ехр-- . (7)

z о э обратный токовод располагается вдоль внешней поверхности изоляционного корпуса, например, посредством проводящего кожуха и коаксиальных кабелей.

Плазменный слой формируется с большим КПД, если изоляционный корпус выполнен из фарфора.

Длительность обработки металлических деталей в силу того, что плазма импульсная, составляет 5-1000 мкс..3a это время происходит переход кристаллической структуры металла в поверхностном слое детали в мелкокристаллическое или аморфное состояние. После окончания воздействия плазмы на обрабатываемую поверхность теплоотвод с поверхностного слоя осуществляется электронной теплопроводностью на всю массу детали, В результате такого механизма плазменного воздействия и охлаждения происходит аморфизация или микрокристаллизация поверхностного слоя толщиной до 100 мкм, приводящая к увеличению микротвердости в 1,5-2 раза, повышению коррозионной стойкости на порядок и увеличению износостойкости в несколько раз.

Аппаратура контроля 4 обеспечивает давление рабочего газа в заданных технологией пределах, а также отслеживает энергетические параметры установки. Установка развакуумируется посредством напуска воздуха в полость корпуса 1 через одно из технологических отверстий 3.

Была реализована плазмоимпульсная установка с изоляционным фарфоровым корпусом переменного радиуса. Обработке

Формула изобретения

СПОСОБ ПЛАЗМОИМПУЛЬСНОЙ ОБРАБОТКИ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ ЦИЛИНДРИЧЕСКИХ ДЕТАЛЕЙ, заключающийся в размещении двталвй в центре полости изоляционного корпуса, в торцах которого герметично установлены элвктроды с прямым и обратным токовадами, вакуумирование объема полости с последующим напуском рабочего газа и инициацию высоковольтного пробоя между электродами по поверхности корпуса, отличающийся тем, что, с целью расширения функциональных воэможностей способа зэ счет подвергались цилиндрические детали из сплавов ВТ-6 и 30хГСН2А переменного радиуса, а именно: г = 0,01 см высотой 0 15 см и r = 0,02 см высотой 0,1 см. Источником

5 питания служила конденсаторная батарея, состоящая из 24 конденсаторов марки ИК50хЗ, максимальное значение разрядного тока I устанавливалось 3 10 А. Изоляционный фарфоровый корпус был выполнен в

10 форме, подобной форме обрабатываемых деталей, с коэффициентом подобия К1 в сечении, соответствующем радиусу детали r =

0,01 см, равном 3, и коэффициентом подобия К2 в сечении, соответствующем радиу15 су детали г - 0,02 см, равном 9, Т.е. фарфоровый корпус имел радиусы R> = 0,03 см высотой 0,15 см и R2 = 0,18 см высотой

0,1 см.

Предлагаемый способ позволяет произ20 водить обработку поверхности детали цилиндрической формы переменного радиуса вследствие того, что у внутренней стенки изоляционного корпуса, имеющего форму, подобную форме обрабатываемой детали, 25 формируется плазменный слой, быстро стягивающийся к продольной оси изолятора.

Образовывающийся защитный слой на поверхности обрабатываемой детали представляет собои аморфное или

30 мелкокристаллическое состояние того же химического состава, что и исходная деталь. (56) Алексеев В.А. и др. Образование аморфной металлической поверхности при облучении импульсным потоком водородной

35 плазмы. /Письма в ЖТФ, 1983, т.9, вып.1, с.42-45.

Авторское свидетельство СССР

hh 1407384, кл. Н 05 Н 1/10, 1986.

40 ооеспечения его использования для обработки цилиндрических деталей переменного радиуса, для размещения деталей используют изоляционный корпус в форме, 45 подобной форме обрабатываемой детали, с обратным тоководом, размещенным на его внешней поверхности, при этом радиус

R io оси симметрии определяют из соотношения

50 R akr, 1013 где k = ехр — —; г - текущее значение ре о диуса обрабатываемой детали, m;

55 Jo - максимальное значение тока разряда, А.

1672919

Составитель В.Лященко

Техред М,Моргентал Корректор А. Козориз А.

Редактор б.Стенина

Э

Заказ 3336

Тираж Подписное

НПО "Поиск" Роспатента

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., 4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. ужгород, ул.Гагарина, 101