Технология и оборудование для повышения износостойкости цилиндрических поверхностей трения при электромеханической обработке

Размещено на http://www.Allbest.ru/

Технология и оборудование для повышения износостойкости цилиндрических поверхностей трения при электромеханической обработке

А.О. Горленко, Д.Н. Финатов

Рассмотрены технология, оснастка, управляемые источники питания для электромеханической обработки цилиндрических поверхностей трения переменным током промышленной частоты и импульсным током повышенной частоты с целью повышения их износостойкости.

Значительная часть рабочих поверхностей цилиндрических деталей требует повышения долговечности, лимитированной в большинстве случаев их износостойкостью. Это может быть реализовано в условиях любого предприятия на токарных станках, оснащенных специальным управляемым источником питания и соответствующей технологической оснасткой для электромеханической обработки (ЭМО).

В зависимости от требований к рабочей поверхности ее электромеханическая обработка может осуществляться при переменном или постоянном токе, в некоторых случаях целесообразно применение токов повышенной частоты. Причем ЭМО может быть использована как для упрочнения рабочей поверхности, так и для ее восстановления при ремонте, в том числе с нанесением добавочного износостойкого материала.

Технология электромеханической обработки основана на сочетании термического и силового воздействий, что приводит к изменению физико-механических и микрогеометрических показателей поверхностного слоя (повышению твердости и прочности, снижению высотных параметров шероховатости и т.д.), позволяет повысить (в 1,5-3 раза) эксплуатационные показатели обрабатываемых деталей (износостойкость, контактную жесткость и прочность, предел выносливости, теплостойкость, фреттингостойкость).

Технология ЭМО реализуется на специальной установке, представляющей собой технологический комплекс, состоящий: из станка (применяемого для механической обработки заготовок) с соответствующими инструментами и приспособлениями для закрепления обрабатываемой детали и подвода электрического тока большой силы и малого напряжения; силового блока для преобразования промышленного электрического тока; блока управления режимами обработки; средств коммутации и подвода смазочно-охлаждающих технологических средств (СОТС); блока сопряжения с ПЭВМ ? репрограммируемое постоянное запоминающее устройство (РПЗУ) ? с набором соответствующих устройств для автоматизации процесса ЭМО.

Технологическая оснастка, состоящая из двухроликовой головки, закрепляемой в резцедержателе, и средств коммутации, позволяет использовать технологию ЭМО мобильно, в совокупности с любым токарным станком (рис. 1).

Для реализации технологии ЭМО разработаны управляемые источники питания в двух исполнениях: на переменном токе промышленной частоты и инверторный источник питания для обработки импульсным током повышенной частоты.

Управляемый источник питания на переменном токе промышленной частоты является источником электрического тока промышленной частоты, имеющего синусоидальную форму, и предназначен для реализации процесса ЭМО рабочих поверхностей деталей машин с целью обеспечения и повышения их эксплуатационных показателей.

Рис. 1. Технологическая оснастка для ЭМО

С помощью данного источника питания можно осуществлять поверхностное упрочнение и отделочную обработку цилиндрических поверхностей деталей машин, изготовленных из средне-, высокоуглеродистых, легированных сталей и высокопрочного чугуна, а также восстановление изношенных поверхностей. Применение переменного тока промышленной частоты (от управляемого источника питания) обеспечивает большую глубину упрочнения (до 2 мм), высокую микротвердость упрочненного слоя (до 1000 НV), шероховатость поверхности (без отделочной обработки) в пределах Rа = 0,8-3,2 мкм. Отделочная обработка цилиндрических поверхностей выполняется, когда не требуется большая глубина упрочнения (до 0,3 мм), а необходимо значительное уменьшение значений параметров исходной шероховатости (для Rа - в 4-10 раз). Восстановление изношенных поверхностей позволяет получить надежное соединение дополнительного и основного металлов, а также износостойкий поверхностный слой с мелкозернистой однородной структурой. Таким способом можно успешно восстанавливать детали из конструкционных сталей с величиной износа до 1 мм при глубине упрочнения поверхностного слоя до 1,5 мм.

Применение данной технологии ЭМО целесообразно для упрочнения и отделочной обработки рабочих поверхностей широкой номенклатуры деталей, работающих в различных условиях трения и изнашивания, в частности: для осей, валов и штоков; шеек и галтелей ступенчатых валов; поверхностей деталей, образованных металлизацией, напылением, нанесением покрытий, наплавкой; сопряжений «вал - подшипник качения», работающих в условиях фреттинг-коррозии; прокатных валков; деталей, изготовленных из труднообрабатываемых металлов и сплавов, и др. Эффективно восстановление нормально изношенных поверхностей деталей, таких как посадочные поверхности, неподвижные и подвижные соединения и сопряжения.

Применение переменного тока обеспечивает плавный переход твердости от поверхности к сердцевине, большую глубину упрочнения и высокую микротвердость упрочненного слоя. Восстановление без добавочного материала (методом пластического вытеснения материала поверхностного слоя) позволяет после сглаживания снизить высотные параметры шероховатости и получить твердость восстановленной поверхности в 2-3 раза выше по сравнению с твердостью сердцевины (данный метод особенно эффективен для восстановления неподвижных соединений с натягом). Восстановление с добавочным материалом (порошковым) позволяет получить надежное соединение дополнительного и основного металлов (четкая граница раздела в зоне сваривания отсутствует), а также поверхностный слой с мелкозернистой однородной структурой без неметаллических включений и пор, так как процесс приваривания протекает без оплавления в пластическом состоянии.

Основные технические характеристики установки для ЭМО:

Диаметр упрочняемой (восстанавливаемой) детали, мм 20- 300

Форма тока:

синусоидальная (с фазовой отсечкой при регулировании) при частоте тока, Гц 50

пачки периодов тока частотой 50 Гц с раздельной регулировкой длительности импульсов и пауз тока при диапазоне регулирования их длительности, с 0,02-2

· Диапазон регулирования рабочего тока, кА 0,4-4

· Максимальное напряжение рабочего тока, В (при I_max = 4 кА) 4

· Управление рабочей силой тока - ручное или программное от ПЭВМ

· Стабильность тока (при колебаниях питающей сети ± 10%) 5%

· Сила прижатия инструмента, Н:

упрочнение 50-100

восстановление 600-1000

· Глубина упрочненного слоя, мм 0,2-2,0

· Величина восстановленного слоя, мм 0,05-1,0

· Максимальная потребляемая мощность, кВт 16

· Напряжение питания, В 38010%

Управляемый источник питания переменного тока с фазоимпульсным регулированием (с помощью программируемого микропроцессорного блока управления) выполнен в виде устройства, основными функциональными узлами которого являются силовой питающий трансформатор, тиристорный контактор, блок управления (рис. 2).

Размещено на http://www.Allbest.ru/

Рис. 2. Структурно-функциональная схема источника питания

Напряжение питающей сети поступает на тиристорный контактор и блок управления. В зависимости от величины заданного тока блок управления формирует импульсы, обеспечивающие необходимый угол отпирания тиристоров контактора. Напряжение с выхода контактора поступает на первичную обмотку силового трансформатора. К вторичной обмотке трансформатора подключается нагрузка. Датчик тока служит для получения сигнала, соответствующего величине выходного тока. Блок управления имеет выход на высший уровень управления (ПЭВМ).

В качестве силового питающего трансформатора применен трансформатор ТК32 6ЮР.172.108 для машин контактной сварки. Силовой трансформатор подключается к клеммам «ВЫХОД» шкафа управления с помощью гибкого кабеля.

В качестве тиристорного контактора применен серийно выпускаемый контактор КТ-07 ТУ 16-524.127-81. Он имеет открытое исполнение и состоит из двух тиристоров, включенных встречно-параллельно, элементов управления, а также разъема для подключения регулятора.

Блок управления регулирует выходной ток источника питания путем фазоимпульсного управления углом отпирания тиристоров контактора. Блок управления выполнен на основе серийно выпускаемого регулятора контактной сварки РКС-16. Регулятор измеряет:

- действующее значение выходного тока (текущее и среднее значения во время нагревов);

88 - напряжение питающей сети.

На жидкокристаллическом индикаторе (4 строки 40 символов) высвечивается следующая информация:

- параметры выполняемой программы;

- текущее и среднее значения выходного тока;

- напряжение питающей сети;

- позиции технологического цикла;

- количество циклов.

Конструктивно тиристорный контактор и блок управления размещаются в металлическом шкафу (шкаф управления). Органы управления, индикации и отображения информации расположены на двери шкафа. Силовой трансформатор может быть расположен в непосредственной близости от цепей нагрузки.

Подключение входной питающей сети осуществляется через автоматический выключатель. Первичная обмотка силового трансформатора подключается кабелем к клеммным соединителям. Подключение цепей канала связи с ПЭВМ осуществляется через разъем D-SUB.

Общий вид шкафа управления источника питания представлен на рис. 3.

На лицевой панели шкафа управления расположены:

- кнопки задания параметров процесса;

- кнопка «Сброс»;

- 4-строчный жидкокристаллический индикатор;

- светодиодные индикаторы «Импульс», «Пауза», «Цикл», «Готов», «Авария»;

- тумблеры управления режимами работы;

- индикатор напряжения сети.

Монтаж шкафа управления выполнен с помощью обычных и ленточных жгутов. Кабельные вводы расположены на нижней стенке шкафа.

Шкаф управления имеет габаритные размеры 600400250, массу 32 кг. Он закреплен вертикально на передвижной стойке, что позволяет располагать источник питания в непосредственной близости от места технологического процесса.

Рис. 3. Шкаф управления

электромеханический эксплуатационный цилиндрический поверхность

Силовой трансформатор может располагаться как на нижней платформе передвижной стойки, так и в непосредственной близости от цепей нагрузки (на стационарной части установки).

Управляемый инверторный источник питания является источником электрического тока повышенной частоты, имеющего форму прямоугольных импульсов (меандр или однополярные), и предназначен для реализации процесса ЭМО рабочих поверхностей деталей машин с целью обеспечения и повышения их эксплуатационных показателей.

С помощью данного источника питания можно осуществлять поверхностное упрочнение и отделочную обработку цилиндрических поверхностей деталей машин, изготовленных из средне-, высокоуглеродистых и легированных сталей. Упрочнение при применении импульсного тока повышенной (до 5 кГц) частоты (от инверторного источника питания) позволяет добиваться высокого качества поверхности.

Глубина упрочнения при этом достигает 1,5 мм;

микротвердость упрочненного слоя - до 800 НV;

шероховатость поверхности (без отделочной обработки) - в пределах Rа = 0,2-2,5.

Отделочная обработка цилиндрических поверхностей выполняется, когда не требуется большая глубина упрочнения (до 0,15 мм), а необходимо получение высокого качества обрабатываемых поверхностей (Rа = 0,1-0,2 мкм).

Применение данной технологии ЭМО целесообразно для упрочнения и отделочной обработки рабочих поверхностей широкой номенклатуры деталей, работающих в различных условиях трения и изнашивания, в частности: для осей, валов и штоков; шеек ступенчатых валов; цилиндров насосов, гидравлических и пневматических механизмов; штанг различных типов инструментов; сопряжений «вал - подшипник качения», работающих в условиях фреттинг - коррозии; цилиндрических направляющих; деталей, изготовленных из труднообрабатываемых металлов и сплавов, и др.

Инверторный источник питания позволяет значительно снизить массу и габариты установки (в 4-5 раз) в результате применения тока повышенной частоты, а также уменьшить потери в силовой цепи. При этом возможно оптимальное сочетание глубины упрочненного слоя и качества поверхностного слоя.

Основные технические характеристики установки для ЭМО:

· Диаметр упрочняемой детали, мм 20-300

· Форма тока - прямоугольные импульсы (меандр или однополярные) в диапазоне частот, кГц 1,0-5,0

· Диапазон регулирования рабочего тока, кА 0,4-4

· Максимальное напряжение рабочего тока, В (при I_max = 4 кА) 4

· Управление рабочей силой тока - ручное или программное от ПЭВМ

· Стабильность тока (при колебаниях питающей сети ± 10%) 5%

· Сила прижатия инструмента, Н 50-100

· Глубина упрочненного слоя, мм 0,2-1,5

· Максимальная потребляемая мощность, кВт 16

· Напряжение питания, В 38010%

Источник питания конструктивно выполнен в виде отдельных, сопрягаемых между собой блоков и содержит следующие структурные элементы (рис. 4):

1 - трехфазный мостовой выпрямитель, обеспечивающий преобразование переменного тока промышленной частоты в постоянный ток напряжением 540-590 В;

2 - сглаживающий фильтр емкостного типа для сглаживания пульсаций выпрямленного напряжения;

3 - силовой инвертор мостового типа, регулируемый, с независимым возбуждением, служащий для преобразования выпрямленного тока в импульсный ток высокой частоты;

4 - трансформатор тока, служащий для измерения тока в силовой цепи инвертора и обеспечивающий работу схемы защиты инвертора от перегрузок по току;

5 - импульсный силовой трансформатор, преобразующий ток высокого напряжения инвертора в ток низкого напряжения и обеспечивающий рабочий ток нагрузки;

6 - схема управления и защиты инвертора;

7 - схема контроллера сопряжения схемы управления с ПЭВМ;

8 - микроконтроллер, обеспечивающий работу источника в производственных условиях без ЭВМ;

9 - источник питания схемы управления и защиты (12 В, 1 А), обеспечивающий питание стабилизированным напряжением схемы управления.

Размещено на http://www.Allbest.ru/

Рис. 4. Структурная схема источника питания

Имеется панель ручного управления режимами обработки с индикацией их значений, а также гнезда для подключения ПЭВМ, РПЗУ и соответствующих датчиков. Панель содержит органы управления (и индикации) формой тока, напряжением, силой тока, частотой тока, длительностью импульсов и пауз тока.

В источнике применено принудительное охлаждение от встроенного вентилятора. Питание осуществляется от 3-фазной сети 220/380В промышленной частоты. Источник подключается к сети через специальный разъем.

Инвертор собран по мостовой схеме. Плечи моста образованы биполярными транзисторами с изолированным затвором и встроенным диодом (JGВТ-транзисторы).

В диагональ моста включен силовой трансформатор, с вторичной обмотки которого снимается напряжение в пределах 0,5-4В при токе до 4 кА. Последовательно с первичной обмоткой силового трансформатора в диагональ моста включен трансформатор тока с коэффициентом трансформации 1/100, который обеспечивает контроль тока первичной обмотки трансформатора и является датчиком тока в системе токовой защиты инвертора.

Управление работой инвертора осуществляется от блока управления, выполненного в виде субблока на печатной плате и подключенного к силовой части с помощью разъема.

Блок управления выполняет следующие функции:

1. Генерирует рабочую частоту инвертора.

2. Формирует импульсы управления мостовым инвертором.

3. Осуществляет широтно-импульсную модуляцию (ШИМ) импульсов управления с целью регулирования тока инвертора.

4. Осуществляет «мягкий запуск» инвертора.

5. Осуществляет фазовый сдвиг управляющих импульсов с целью исключения сквозных токов при коммутации транзисторных ключей мостового инвертора.

6. Осуществляет защиту инвертора при повышенном и пониженном напряжении питания.

7. Осуществляет вывод информации (величина тока, величина выходного напряжения, рабочая частота инвертора) на ПЭВМ или микроконтроллер.

8. Осуществляет ввод управляющих сигналов с ПЭВМ или микроконтроллера для управления рабочим током инвертора.

Основу блока управления составляет большая интегральная система (БИС) UC3875, предназначенная для управления мощным мостовым инвертором с помощью сдвига по фазе момента переключения одной половины моста относительно другой и регулировки выходной мощности инвертора методом широтно-импульсной модуляции.

Для сопряжения с ПЭВМ используется последовательный асинхронный интерфейс, имеющий уровень сигнала 15 В.

Основной частью блока сопряжения является программируемый контроллер, который позволяет логически организовывать взаимосвязь между отдельными сигналами устройств и управлять ими согласно заданному алгоритму.

Для согласования уровней сигнала программируемого контроллера и последовательного порта ПЭВМ используется блок согласования уровней. Он преобразует сигналы RS-232 (15В) в сигналы программируемого контроллера (5В).

Для контроля процесса ЭМО используются аналоговые и импульсные сигналы от датчиков. Аналоговые сигналы через блоки сопряжения сигналов поступают на аналого-цифровые преобразователи и в цифровом виде подаются в программируемый контроллер. Импульсные сигналы от блоков сопряжения сигналов непосредственно передаются на программируемый контроллер.

Блок сопряжения с ПЭВМ реализует управление двумя аналоговыми сигналами (регулирование силы и частоты тока обработки) и одним дискретным (включение/выключение питания обработки). Контроль осуществляется по двум аналоговым сигналам (сила тока, напряжение) и одному импульсному (частота тока).

Разработанные источники питания обеспечивают улучшенные показатели ЭМО, к которым в основном относятся: электробезопасность; материало- и энергоемкость; мобильность и удобство эксплуатации; диапазон регулирования режимов обработки (плотности тока, скорости обработки, давлений инструмента); выходные параметры процесса ЭМО (параметры микрогеометрии поверхности детали, физико-механические свойства, глубина упрочнения и др.).

Применение источников питания для ЭМО в обоих исполнениях возможно на машиностроительных и ремонтных предприятиях в качестве высокоэффективного способа обеспечения и повышения эксплуатационных показателей деталей машин на стадиях их изготовления и ремонта.

Размещено на Allbest.ru