Способ обработки поверхности изделий дуговым разрядом в вакууме и устройство для его осуществления

 

Изобретение может относиться к области очистки и обработки деталей в вакууме на различных этапах технологического процесса. Способ включает возбуждение разряда, обработку поверхности катодными пятнами дуги и перемещение их вдоль участка обработки, при этом исходное изделие сложной формы вводят в зону обработки и выводят из зоны обработки с помощью механизма перемещения, над обрабатываемой поверхностью изделия формируют магнитное поле различной конфигурации, воздействуют им на другой разряд, перемещают отрицательный электрод по обрабатываемой поверхности, а положительный электрод - над обрабатываемой поверхностью, изменяют точки подключения отрицательного потенциала к обрабатываемой поверхности, причем перемещение катодной области дуги осуществляют посредством изменения во времени и пространстве электрического и магнитного полей, а также посредством перемещения электродов относительно обрабатываемого изделия. Устройство содержит оператор, механизм ввода движения из атмосферы в вакуум, дополнительный электрод, систему вакуумирования, бокс для обработки изделия сложной формы, источник питания электрической дуги, источник питания электромагнитных катушек, сменные электромагнитные катушки, сменные дополнительные основные электроды, блок положительного электрода, манипулятор и ЭВМ. Изобретение позволяет повысить качество и производительность обработки. 2 с.п.ф-лы, 3 ил.

Предлагаемые способ и устройство относятся к области очистки и обработки поверхности деталей в вакууме на различных этапах технологического процесса, в частности для удаления с поверхности деталей оксидных пленок (окалины, ржавчины) и загрязнений, нанесений защитных покрытий, упрочнения или отпуска поверхностного слоя обрабатываемой детали, удаления заусениц и могут быть использованы в металлообрабатывающих отраслях промышленности.

Известные способы обработки поверхности изделий дуговым разрядом в вакууме и устройство для их осуществления основаны: на воздействии дуговым разрядом на обрабатываемую поверхность изделий при атмосферном давлении (авт. свид. СССР N 476.041, B 08 B 1/00, 1971; патент США N 5.143.561, B 21 B 45/06, 1992; патент Франции N 2.664.510, B 21 B 37/08, 1992; Литвинов В.К., Мороз А.П. Исследование энергетических характеристик плазменно-дугового процесса зачистки металлов круглого профиля. Известия Вузов сер. "Черная металлургия", 1982, N 4 и др.); на воздействии дуговым разрядом на обрабатываемую поверхность изделий при атмосферном давлении с одновременным вводом в зону очистки моющих веществ, например, кальцинированной соды (авт. свид. СССР N 937.689, B 21 B 7/04, 1980; патент США N 5.036.689, B 21 B 45/04, 1991; Стебленко В.Л., Ситников И. В. Использование высокочастотного дугового разряда атмосферного давления для очистки и активации металлических поверхностей. Плазмотехнология. Сборник научных трудов. Киев, 1990 и др.) на воздействии дуговым разрядом на обрабатываемую поверхность изделий в защитной газовой среде (авт. свид. СССР N 1.272.725, C 22 B 9/20, 1985; N 1.770.420, C 22 B 9/20, 1990; N 1.812.239, C 23 C 14/32, 1990; Терехов В.П. Очистка поверхности проволоки дуговым разрядом. Бюл. ин-та Черметинформация, 1976, N 7; Домбровский В. Плазменная металлургия. - Л., 1972 и др.); на воздействии дуговым разрядом на обрабатываемую поверхность изделий в защитной газовой струе с одновременным процессом сварки (авт. свид. СССР N 171.056, B 08 B 7/00, 1963; Максимов Л.Ю., Кривонос Г.А Экологически безопасная очистка металла в потоке. - Тяжелое машиностроение, 1997, N 5); на воздействии дуговым разрядом на обрабатываемую поверхность изделий в вакууме (авт. свид. СССР N 1.695.704, C 23 C 14/22, 1987; N 1.806.870, B 08 B 3/10, 1989; Булат В.Е., Эстерлиз М.Х. Очистка металлических изделий от окалины, окисной пленки и загрязнений электродуговым разрядом в вакууме. Физика и химия обработки материалов, 1987, N 3 и др.); на воздействии дуговым разрядом на обрабатываемую поверхность изделий в вакууме с наложением на электрическую дугу постоянного магнитного поля (авт. свид. СССР N 719.710, B 08 B 3/10,1977; N 935.141, B 08 B 3/10, 1980; N 1.749.279, C 22 B 9/20, 1990; Патон Б.Е. и др. Плазменно-дуговой переплав поверхностного слоя слитков и заготовок. Сталь, 1987, N 1 и др.).

Из известных способов наиболее близким к предлагаемому является "Способ обработки поверхности изделий дуговым разрядом в вакууме" (авт. свид. СССР N 1.695.704, C 23 C 14/02, 1987), который и выбран в качестве прототипа.

Из известных устройств наиболее близким к предлагаемому является "Устройство электродуговой обработки поверхности металла" (авт. свид. СССР N 1.806.870, B 08 B 3/10, 1989), которое и выбрано в качестве прототипа.

Однако известные способ и устройство не обеспечивают требуемого качества обработки поверхности изделий сложной формы.

Цель изобретения - повышение качества и производительности обработки поверхности изделий сложной формы.

Поставленная цель достигается тем, что согласно способу обработки поверхности изделий дуговым разрядом в вакууме, включающим возбуждение разряда, обработку поверхности катодными пятнами дуги и перемещение их вдоль участка обработки, исходное изделие сложной формы вводят в зону обработки и выводят из зоны обработки с помощью механизма перемещения, управляемого оператором или ЭВМ, над обрабатываемой поверхностью изделия сложной формы формируют магнитное поле различной конфигурации, воздействуют им на дуговой разряд, перемещают отрицательный электрод по обрабатываемой поверхности, а положительный электрод над обрабатываемой поверхностью изделия сложной формы с помощью механизмов ввода движения из атмосферы в вакуум или дистанционного привода, управляемыми оператором или ЭВМ, изменяют точки подключения отрицательного потенциала к обрабатываемой поверхности изделия сложной формы, при этом перемещение катодной области дуги осуществляют посредством изменения во времени и в пространстве электрического и магнитного полей, а также посредством перемещения электродов относительно обрабатываемого изделия, управляемых оператором или ЭВМ.

Предлагаемый способ может быть осуществлен устройством, содержащим основной электрод, подключенный к положительному полюсу источника питания дополнительный электрод, подключенный вместе с обрабатываемой поверхностью изделия к отрицательному полюсу источника питания, и блок электромагнитного перемещения электрической дуги, при этом оно снабжено боксом для обработки изделий сложной формы, снабженным механизмом ввода движения из атмосферы в вакуум, набором дополнительных положительных электродов из различных материалов и различной формы и набором магнитных катушек с различной конфигурацией создаваемого магнитного поля, причем электроды и магнитные катушки выполнены сменными, магнитные катушки размещены с возможностью наложения магнитного поля на дуговой разряд в вакууме с последующим его изменением во времени и в пространстве, отрицательный и положительный электроды снабжены механизмами перемещения над поверхностью и по поверхности обрабатываемого изделия сложной формы, приводимыми в движение механизмом ввода движения из атмосферы в вакуум или дистанционным приводом по командам оператора или ЭВМ.

Структурная схема устройства для реализации предлагаемого способа представлена на фиг. 1, 2 и 3. При этом на фиг. 1 процессом обработки поверхности изделий сложной формы управляет оператор. На фиг. 2 - оператор через пульт управления и манипулятор. На фиг. 3 - ЭВМ через манипулятор.

Устройство содержит оператор 1, механизм ввода движения из атмосферы в вакуум 2, дополнительный электрод 3, подключенный к отрицательному полюсу источника питания дуги, обрабатываемое изделие сложной формы 4, исходное изделие сложной формы 5, систему вакуумирования 6, бокс 7 для обработки поверхности изделий сложной формы, источник 8 питания электрической дуги, источник 9 питания электромагнитных катушек, очищенные изделия сложной формы 10, сменные электромагнитные катушки 11, сменные дополнительные положительные электроды 12, блок 13 положительного электрода, смотровой люк 14, манипулятор 15, пульт управления 16 и ЭВМ 17.

Обработку поверхности изделий сложной формы по предлагаемому способу осуществляют следующим образом.

В блок 7 помещают исходное изделие 5 сложной формы, сменные электромагнитные катушки 11, сменные дополнительные основные электроды 12. Дополнительный электрод 3 вместе с обрабатываемой поверхностью 4 сложной формы подключают к отрицательному полюсу источника 8 питания электрической дуги, а блок 13 основных электродов - к положительному. Затем бокс 7 герметически закрывают и системой вакуумирования 6 откачивают из него воздух.

После достижения в боксе давления остаточных газов ниже 10 мм рт.ст. возбуждают дуговой разряд в режиме возрастающего участка вольтамперной характеристики, в котором различают катодную и анодную области и расположенный между ними положительный столб. Основная часть катодной области дуги, находящаяся непосредственно у обрабатываемого изделия сложной формы (катода), имеет вид ярко светящихся, быстро движущихся одного или нескольких пятен.

Плотность тока в таких пятнах превышает 10⁵ А/см², поэтому происходит мгновенный локальный разогрев поверхности обрабатываемого изделия. В результате окалина, ржавчина, заусеницы и другие загрязнения испаряются и остается чистая поверхность изделия.

Вследствие высокой температуры и большой скорости перемещения катодных пятен происходит быстрый разогрев приповерхностного слоя и последующий отвод тепла от него в тело изделия сложной формы, что приводит поверхностной ее закалке.

Для перемещения катодных пятен по обрабатываемой поверхности изделия сложной формы на дуговой разряд накладывают внешнее магнитное поле так, чтобы его вектор был параллельным вектору электрического поля дуги, вектор градиента магнитной индукции grad B был близким к параллельному обрабатываемой поверхности изделия сложной формы.

Для качественной обработки участков изделия сложного профиля оператор 1 непосредственно или через пульт управления 16 и манипулятор 15 изменяет точки подключения отрицательного потенциала к обрабатываемой поверхности изделия. При этом перемещение катодной области дуги осуществляется посредством изменения во времени и в пространстве электрического и магнитного полей, управляемых оператором 1 или ЭВМ 17.

Принцип управления обработкой изделия сложной формы основан на том факте, что электрическая дуга всегда стремится по кратчайшему пути к точке приложения отрицательного потенциала. Данный факт установлен в процессе многочисленных экспериментов. За процессом обработки изделия сложной формы оператор имеет возможность наблюдать через смотровой люк 14.

Для обработки изделий сложного профиля имеется набор сменных электромагнитных катушек 11, сменных дополнительных положительных электродов 12, манипулятор 15 и пульт управления 16.

Для автоматической обработки поверхности изделий сложной формы может быть использована ЭВМ 17.

Таким образом, предлагаемые способ и устройство по сравнению с прототипами и другими способами и устройствами аналогичного назначения обеспечивают повышение качества и производительности обработки изделий сложной формы.

Это достигается использованием изменяющихся магнитного и электрического полей, изменением точки приложения отрицательного потенциала к обрабатываемой поверхности, сменных электромагнитных катушек и электродов.

Формула изобретения

1. Способ обработки поверхности изделий дуговым разрядом в вакууме, включающий возбуждение разряда, обработку поверхности катодными пятнами дуги и перемещение их вдоль участка обработки, отличающийся тем, что исходное изделие сложной формы вводят в зону обработки и выводят из зоны обработки с помощью механизма перемещения, управляемого оператором или ЭВМ, над обрабатываемой поверхностью изделия сложной формы формируют магнитное поле различной конфигурации, воздействуют им на дуговой разряд, перемещают отрицательный электрод по обрабатываемой поверхности, а положительный электрод над обрабатываемой поверхностью, изменяют точки подключения отрицательного потенциала к обрабатываемой поверхности изделия сложной формы, при этом перемещение катодной области дуги осуществляют посредством изменения во времени и пространстве электрического и магнитного полей, а также посредством перемещения электродов относительно обрабатываемого изделия, управляемых оператором или ЭВМ.

2. Устройство для осуществления способа, содержащее основной электрод, подключенный к положительному полюсу источника питания, дополнительный электрод, подключенный вместе с обрабатываемой поверхностью изделия к отрицательному полюсу источника питания, и блок электромагнитного перемещения электрической дуги, отличающееся тем, что оно снабжено боксом для обработки изделий сложной формы, снабженным механизмами ввода движения из атмосферы в вакуум, набором положительных электродов из различных материалов и различной формы и набором электромагнитных катушек с различной конфигурацией создаваемого магнитного поля, причем электроды и электромагнитные катушки выполнены сменными, электромагнитные катушки размещены с возможностью наложения магнитного поля на дуговой разряд в вакууме с последующим его изменением во времени и пространстве, отрицательный и положительный электроды снабжены механизмами перемещения над поверхностью и по поверхности обрабатываемого изделия сложной формы, приводимыми в движение механизмом ввода движения из атмосферы в вакуум или дистанционным приводом по командам оператора или ЭВМ.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3